Optimalizace návrhu tepelných rozvodů při rekonstrukci sítě CZT

Případová studie – úspora díky uplatnění hybridního řešení

Přehled projektu

Řešeným projektem pro rekonstrukci rozvodných tepelných sítí pro okruhy kotelen byla výměna starých potrubních rozvodů v zastavěném území – v intravilánu města na východě Slovenska. Jednalo se o rozvody otopné vody a teplé vody, které byly umístěny v kanálovém systému rozvodu potrubí.

Rekonstrukce těchto tepelných sítí má charakter nutné výměny původních potrubí, aby se zamezilo únikům tepla do okolí. Novými potrubními rozvody se zabezpečují požadované parametry teplonosné látky pro koncové uživatele, což přispívá k celkovému zlepšení provozu tepelné sítě.

Rekonstrukce je rozdělena do několika částí potrubních rozvodů pro připojené kotelny v okolí. K síti je celkem připojeno přes 100 odběrných míst, přičemž polovina je napojena na přímý odběr a ostatní odběratelé jsou napojeni na deskové předávací tepelné stanice. Modernizací teplovodu dojde k výraznému zvýšení efektivnosti distribuce tepelné energie do odběrných míst. Snížením úniků tepla do okolí se tak může ušetřit při výrobě a přenosu teplonosné látky.

Zdroj tepla: kotelna na biomasu, výměna rozvodů tepla a realizace výměníkových stanic.

Zadání

Jako výzvu pro tuto studii jsme se rozhodli posoudit a zhodnotit možnosti jak lze realizovat skutečný projekt prostřednictvím různých potrubních rozvodů. A zda, a v jaké míře, je možné optimalizovat návrh výměny rozvodů tepla, tak jak byl navržen do výběrového řízení.

Pro venkovní rozvody tepla ústředního vytápění byl stanoven požadavek na použití nového ocelového potrubí v bezkanálovém předizolovaném provedení. Ocelové předizolované potrubí mělo být v nejvyšší izolační třídě 3. Pro srovnání jsme vybrali všechny tři třídy oceli NRG PREMIO v sériích 1, 2 a 3 a porovnali jsme je s plastovým předizolovaným potrubím NRG FibreFlex Pro.

Pro venkovní rozvody teplé vody byl stanoven požadavek na použití nového polypropylenového potrubí v bezkanálovém předizolovaném provedení. Předizolované potrubí mělo být v izolační třídě 2. Pro srovnání pro teplou vodu jsme provedli zhodnocení polypropylenového potrubí v sériích 1, 2 a 3 a porovnali jsme je s plastovým potrubím NRG FibreFlex.

Parametry nové rozvodné sítě

Výpočtové teploty a tlaky – teplovod:

• Výpočtová teplota přívodu ústředního vytápění: T_p = 80 °C
• Výpočtová teplota zpátečky ústředního vytápění: T_s = 60 °C
• Rozdíl teplot: DT = 20 °C
• Konstrukční tlak rozvodu ústředního vytápění: PN 10, 1,0 MPa
• Výpočtová teplota přívodu teplé vody: T_p = 60 °C
• Konstrukční tlak rozvodu teplé vody: PN 10, 1,0 MPa

Porovnání

Záměrem studie tohoto projektu bylo posoudit různé alternativy a ukázat jaké možnosti se nabízejí pro tento konkrétní typ projektu a provozu s reálnými hodnotami. Každý teplovod má jiné provozní podmínky, teplotu teplonosné látky, provozní tlak a průtoky, proto je nutné vybrat správný typ potrubí tak, aby provozovatel měl k dispozici efektivní a ekonomicky přijatelné řešení. V následující části jsou znázorněny rozdíly v tloušťce světlostí různých potrubních rozvodů a s ním spojená souvislost se změnou rozměru v tab. 1.

Jak můžeme z grafu průřezu potrubí vidět, při nahrazení systémů při stejném nominálním vnějším průměru, se světlost potrubí výrazně odlišuje. Při návrhu potrubí je třeba si uvědomit, že původní rozvodná síť může mít jiný rozměr, než je nutný u nového rozvodu, proto je třeba provést nový návrh dle výběru potrubí. To, jaké potrubí vybereme, má tedy velký vliv na celou rozvodnou síť. Je třeba vzít tento důležitý údaj v úvahu, protože ovlivňuje velikost průtoku v potrubí, a tím i celkový tlak v potrubí.

Z ukázky grafu 1 je vidět, že vnitřní světlost je u různých potrubí různá, a tím se mění i průtok v potrubních sítích. V tab. 1 jsou uvedeny skutečné vnitřní průměry pro plastové potrubí NRG FibreFlex a pro polypropylenové potrubí. Díky tomu, že flexibilní plastová potrubí NRG FibreFlex mají menší tloušťku stěny trubky pro médium, můžeme, oproti původnímu návrhu rozměrů pro potrubí PPR, v návrhu na použití flexibilního plastového potrubí NRG FibreFlex, snížit světlost o jednu dimenzi. Tím zůstane zachován vnitřní průřez a průtok v potrubích a nezmění se tlakové poměry podle výpočtu a zaregulování sítě.

Další částí zhodnocení je celková ztráta tepla na metr trasy. V následujícím grafu 2 je zobrazen průběh ztráty tepla na metr trasy pro příslušnou dimenzi jednotlivých potrubních systémů oceli NRG PREMIO a plastového předizolovaného potrubí NRG FibreFlex Pro.

V tab. 2 jsou uvedeny důležité údaje, kde se porovnávala ocel v sérií 1, 2 a 3, což je třída izolace ocelového potrubí, přičemž série 3 je série s největší tloušťkou izolace, a vedle ní je uvedena tabulka s flexibilním plastovým předizolovaným potrubím NRG FibreFlex Pro a izolací PLUS v systému dvoutrubkového provedení.

V tabulkách je uvedeno srovnání celkových ztrát na trasu v rozvodech pro ústřední vytápění, ale i velký rozdíl v poměru počtu spojů ve srovnání s plastovým potrubím. Svařované spoje u ocelových potrubí musí být každých 12 m, ale při použití plastových potrubí je lze, díky navinutí na kotouč v potřebných délkách, zredukovat na těchto pár spojů.

Pro optimalizovanou část rozvodu vytápění to představuje až o 80 % méně a pro rozvody teplé vody o 70 % méně spojů (u spojů se pro objektivní srovnání počítá každý spoj na trase, na kolenou a odbočkách). Z hlediska doby montáže i šířky výkopů pro plastové potrubí se při výměně starých rozvodů jedná o velmi vhodnou alternativu.

V tab. 3 je uveden přehled dimenzí pro PPR potrubí v třech sériích izolace v navrhované dimenzi z projektu a pro flexibilní plastové předizolované potrubí NRG FibreFlex jsou uvedeny optimalizované dimenze.

Shrnutí

V tab. 4 a 5 uvádíme výsledné srovnání řešených alternativ pro projekt rekonstrukce tepelných sítí, a to pro ústřední vytápění, kde jsme porovnávali systémy flexibilního plastového předizolovaného potrubí NRG FibreFlex Pro v systému dvoutrubkového vedení ve společné izolací s ocelovými potrubími v sérií 1, 2 a 3.

Pro rozvody teplé vody jsme porovnávali celkové tepelné ztráty v rozvodech v potrubním systému plastových flexibilních předizolovaných potrubí NRG FibreFlex s polypropylenovými potrubími v sériích 1, 2, 3.

V alternativě 1 u rozvodů teplé vody v tab. 4 uvádíme možnost mechanického ponechání dimenzí podle vnějšího průměru návrhu pro jiný systém bez ohledu na vnitřní světlost, ale v alternativě 2 jsme provedli úpravu dimenze tak, aby zůstaly zachovány výpočtové parametry pro průtok teplé vody.

Výpočet úspory při optimalizaci návrhu a technického řešení

ÚT

Návrh: NRG FibreFlex Pro PLUS ve srovnání s realizací v oceli

Předpokládali jsme topné období 220 dní v roce a s provozem 24 hodin denně.

TV

Návrh: NRG FibreFlex PLUS ve srovnání s realizací s potrubím PPR

Předpokládali jsme přípravu teplé vody 365 dní v roce a s provozem 24 hodin denně.

* Údaje pro konkrétní zadání srovnávaného projektu

Pokud budeme uvažovat s celoročním provozem za daných parametrů, tak se jedná o úsporu 590 až 1413 GJ tepla za rok. Když bereme v úvahu aktuální přiměřené palivové náklady na výrobu jednoho GJ tepla v ceně okolo 255 Kč bez DPH, tak jde o roční úsporu 125 až 392 tis. Kč. Během doby provozu teplovodu 20–30–40 let bude toto číslo násobně vyšší…

Samozřejmě je důležitá i otázka investičních nákladů. Pokud se díváme na dílo jako na celek (dodávka materiálu, montáž potrubí, výkopové práce, dopravní omezení, množství spojů…), tak jsou investiční náklady více méně stejné nebo mírně vyšší oproti běžnému řešení realizace v ocelovém předizolovaném potrubí.

Závěr

Jak bylo uvedeno výše, chtěli jsme porovnat možnosti výměny potrubí při rekonstrukci a na základě toho ilustrovat, jak lze provést optimalizaci celkové rozvodné sítě. Tento čtyřtrubkový systém, který byl pro ústřední vytápění původně navrhován celý vyrobený z oceli a pro přípravu teplé vody v řešení s potrubím PPR, bychom doporučili s použitím materiálů, které jsou dnes dostupné na trhu, upravit do podoby hybridního řešení obsahujícího kombinaci oceli a flexibilních potrubí do DN100 a vyšší dimenze ocelového potrubí a u teplé vody doporučujeme použít pouze plastová flexibilní potrubí.

Je třeba podotknout, že samotný návrh a zadání od investora byly nadstandardně technicky zpracovány a požadovaná nejvyšší třída izolace u ocelového potrubí je dnes spíše výjimkou. Ale i za těchto výjimečných podmínek by bylo možné použitím návrhu a volbou potrubí dosáhnout nemalé úspory tepla – celkové úspory u vytápění a přípravy teplé vody by dosáhly téměř 24 %. Pokud bychom provedli srovnání s běžným technickým řešením se základní, nebo pouze jedenkrát zesílenou tloušťkou izolace na ocelovém potrubí a PPR potrubí, tak by úspora dosáhla 43–46 % resp. 32–36 %.

Existuje několik takto optimalizovaných rozvodů, kde se změnou na hybridní řešení podařilo zrealizovat rozvody rychleji, s menším dopadem na okolí a hlavně z provozního hlediska efektivněji, díky čemuž se jedná o perspektivní investici do budoucnosti.

Shrnutí výhod hybridního řešení

• Hybridní sítě posouvají rekonstrukce a budování tepelných sítí, nejen na zastavěném území, do zcela nové perspektivy.
• Dimenze pod DN125 lze bez problémů nahradit plastovým flexibilním potrubím a získat tím výhody při realizaci a hlavně dlouhodobé úspory při provozu.
• Snížením tepelných ztrát v systému navíc šetříme i životní prostředí, palivo a CO₂.
• Naší filozofií a řešením je v maximální míře používat efektivně flexibilní řešení, která jsou plně kompatibilní s robustními předizolovanými rozvody v potrubí s ocelovou trubkou pro médium.
• Jedná se o plně kompatibilní a vyladěný systém pro každou situaci a typ spoje.
• Hledáme optimální řešení z pohledu rychlosti realizace a snížení zatížení při budování či rekonstruování tepelné sítě.
• Snažíme se o minimalizaci provozních nákladů po dobu životnosti, předpokládanou na minimálně 30 až 50 let v závislosti na provozních parametrech.

Text vznikl ve spolupráci společnosti NRG flex, Katedry TZB SvF STU v Bratislavě   prof. Ing. Ján Takácse, PhD.