Technické řešení zaměřené na zvýšení úspor tepla v tepelných napáječích a ve větších dimenzích tepelných sítí

Na Slovensku dosahuje podíl systémů centrálního zásobování teplem (CZT) na vytápění více než 50 %, přičemž teplem je zásobováno přibližně 16 000 obytných domů, což odpovídá 1,8 milionu obyvatel [1]. Celková dodávka tepla ve sledovaném roce 2022 činila 15 033 GWh, což je o 0,7 % více než v roce 2021. Tato celková dodávka tepla zahrnuje dodávky pro vytápění a přípravu teplé vody pro bytové i nebytové budovy a dodávky pro technologickou spotřebu. Z celkové dodávky tepla v roce 2022 se 30 % spotřebovalo na vytápění a přípravu teplé vody v bytových domech, 28 % v nebytových budovách a 42 % pro technologické účely. Ve sledovaném roce se podíl dodávky tepla na vytápění a přípravu teplé vody v bytových budovách snížil o 12,7 %, což bylo důsledkem teplejšího roku 2022 a zároveň úspor tepelné energie u odběratelů – domácností [2].

Na obr. 1 jsou uvedeny jednotlivé instalované výkony CZT v MW podle kategorií sazeb v MW, jak je uvádí Úřad pro regulaci síťových odvětví.

V současné době se zaměřujeme na snižování uhlíkové stopy, které se odvíjí od snižování emisí CO2 i v rámci CZT. Využívání obnovitelných zdrojů energie (OZE) spolu s vhodnou konstrukcí potrubí může přispět k udržitelnému rozvoji sítí CZT. V této studii se zaměříme na správný návrh rozvodů tepla obecně, ale také zejména na tepelné napáječe (ocelové předizolované sítě s dimenzí nad DN 300).

Potrubní napáječe tepla

Tepelné napáječe neboli velké potrubí pro rozvod tepla, jsou ocelová potrubí v dimenzích nad DN 300. Tyto dálkové tepelné napáječe přenášejí ohřáté teplonosné kapaliny z teplárny do menších rozvodných celků CZT. Na Slovensku můžeme jako příklady uvést tepelné napáječe v Košicích, v České republice je to tepelný napáječ z Temelína do Českých Budějovic. Teplo v novém napáječi proudí v DN 500 v délce 26 kilometrů při vnější dimenzi potrubí DA 800 a DA 710, které propojuje jadernou elektrárnu Temelín. Výstavba nového horkovodu trvala 4 a půl roku [10].

Dalším příkladem tepelného napáječe plánovaného k výstavbě v roce 2030 je horkovodní tepelný napáječ z Dukovan do Brna v České republice. Půjde o trasu dlouhou více než 40 km [11].4

Na základě urbanisticko-technického řešení probíhá jejich instalace podle primárních požadavků technologie na instalaci a provoz technologických zařízení a na napojení nových nebo rekonstruovaných rozvodů na stávající rozvody veřejného teplovodu, jakož i na efektivní využití příslušné části území. Části potrubních přivaděčů mohou být realizovány v nadzemním nebo podzemním provedení.

Na obr. 2 je znázorněna plocha staveniště při výstavbě tepelného napáječe a jeho základní požadované rozestupy a potřebné šířky.

Výchozí postup pro správný návrh tepelných sítí

Prvním a nejdůležitějším krokem ke zvýšení úspor tepla a snížení finančních investic je správný návrh tras potrubních rozvodů tepla. Samotný návrh zahrnuje koncová místa připojení (tepelné výkony odběrných míst), délky samotných potrubních tras, provozní tlak v potrubní síti a v neposlední řadě teplotní spád teplonosné látky (rozdíl teplot přívodní a vratné vody).

Pokud známe všechny tyto údaje, dokážeme nadimenzovat tepelnou rozvodnou síť, přičemž ale nesmíme zapomínat také na vstupní teplotu teplonosné látky, kterou budeme do výpočtu zadávat. Mnohdy jsou tepelné sítě dimenzovány na vyšší teploty, než je nutné. Musíme především zvážit, zda je možné snížit teplotní spád teplonosné látky. Pokud nelze snížit vstupní teplotu teplonosné látky, můžeme úpravou, a tedy snížením teploty vratné teplonosné látky z 90 °C na 80 °C nebo 75 °C, ovlivnit skutečný návrh rozměrů potrubí. Změnou vratné teploty teplonosné látky můžeme zmenšit průměr potrubí až o 1 celou dimenzi. S touto změnou dimenze souvisí i snížení celkových ztrát v potrubí (menší dimenze = menší plochy úniku tepla), což se projeví i na celkových investičních nákladech projektu, které se rovněž sníží.

V tab. 1 je uveden výpočet tlakové ztráty a rychlosti proudění v potrubí DN 350 až DN 450 pro přenos výkonu 30 MW a délku potrubí 1000 m. Změnou teplotních spádů dokážeme přizpůsobit návrh potrubí tak, aby splňovalo požadované podmínky pro návrh potrubí tepelného napáječe (nedojde k překročení maximální přípustné tlakové ztráty a maximální rychlosti proudění).

Porovnání současných potrubních systémů pro dálkové potrubní tepelné napáječe pro CZT

V následujícím popisu jsme se zaměřili na porovnání hlavních prvků ovlivňujících návrh dálkových potrubních přivaděčů tepla pro CZT: ty zahrnují tepelné ztráty v tepelných sítích, životnost potrubí, výkopové práce a dopravu materiálu.

Ztráty v potrubí tepelné sítě – životnost potrubí

Ztráty v rozvodech tepla závisí na vodivosti samotných materiálů potrubí a na jejich tloušťce. Výsledkem je součinitel prostupu tepla U, který omezuje množství tepla, které je schopno proniknout bariérou. Hodnoty R popisují tepelné odpory jednotlivých vrstev (ocelové potrubí, plášť potrubí, izolace, zemina, mezera mezi trubkami).

Tepelný odpor ocelového potrubí:

Tepelný odpor izolace potrubí:

Tepelný odpor pláště potrubí:

Tepelný odpor zeminy:

Tepelný odpor mezi potrubími:

Hloubka uložení odvozená od osy potrubí zc, je vyjádřena vztahem:

Kde je
DN – vnitřní průměr trubky [m]
da – vnější průměr trubky [m]
DA – vnější průměr potrubí s pláštěm [m]
s – tloušťka stěny pláště [m]
z_c – hloubka uložení od osy potrubí [m]
A – rozestup mezi potrubími [m]
H – výška krytí potrubí [m]

Součinitel prostupu tepla U závisí na tepelném odporu jednotlivých vrstev tvořících potrubní systém:

Dalšími parametry, které ovlivňují tepelné ztráty v potrubí přivaděčů tepla, jsou teplota zeminy, tepelná vodivost zeminy a překrytí potrubí ve výkopu.

V následujících výpočtech jsme vycházeli z těchto hodnot:

• provozní tlak: 25 bar
• teplota půdy: 10 °C
• tepelná vodivost půdy: 1,20 W·m^–1·K^–1
• překrytí potrubí: 0,9 m

Příklad

Součinitel prostupu tepla U pro předizolovaného potrubí DN 400 difuzní bariéra S1
Di – vnitřní průměr trubky = 0,3938 m
da – vnější průměr trubky = 0,4064 m
DA – vnější průměr potrubí s pláštěm = 0,560 m
s – tloušťka stěny pláště = 0,0063 m
A – rozestup mezi potrubími = 0,14 m
H – výška krytí potrubí = 0,9 m

Tepelný odpor ocelového potrubí:

Tepelný odpor izolace potrubí:

Tepelný odpor pláště potrubí:

Tepelný odpor zeminy:

Tepelný odpor mezi potrubími:

Hloubka uložení odvozená od osy potrubí z_c:

Předizolované ocelové potrubí je k dispozici ve standardním provedení, toto potrubí se skládá z ocelových trubek s vrstvou PUR izolace a pláštěm z HDPE.

Dále to jsou předizolovaná ocelová potrubí s difuzní bariérou, která je aplikována v rámci technologického procesu na tzv. conti lince. Zde je ocelové potrubí izolováno ovinutím Al fólií a nanesením PUR pěny. Na tuto fólii se pak vytlačuje HDPE plášť. Touto technologií lze v současné době vyrábět pouze rovné potrubí s difuzní bariérou.

Ocelové předizolované potrubí s difuzní bariérou, s uplatněním inovativního přístupu k výrobě, má mezi pláštěm difuzní bariéru EVOH s přidanou hodnotou, která zabraňuje pronikání vlhkosti do izolace a trubek. Vrstva EVOH – difuzní bariéra se postupně umísťuje v plášti v pořadí: HDPE + EVOH + HDPE a poté následuje PUR izolace a ocelové potrubí, což znamená, že v kontinuálním procesu jsou jednotlivé vrstvy vytlačovány tak, aby bylo zajištěno jejich dokonalé spojení. Ocelové trubky jsou otryskávány, aby byla zajištěna maximální soudržnost systému. Difuzní bariéru obsahují všechny komponenty: rovné trubky, T-kusy, kolena, doizolování i předizolované tvarovky. K dispozici je také 16m potrubí, což eliminuje množství svarů, kontrol svarů a následného doizolování.
Všechna dostupná předizolovaná ocelová potrubí se dodávají v izolačních řadách S1, S2 a S3, přičemž S3 je potrubí s největší tloušťkou izolace. Popis vrstev ocelového předizolovaného potrubního systému s difuzní bariérou je uveden na obr. 3.

Podle normy EN253 by maximální počáteční tepelná vodivost PUR pěny neměla překročit 0,029 W·m^–1·K^–1 při 50 °C. Moderní PUR pěny mají často hodnoty nižší než 0,029 W·m^–1·K^–1, ale tato hodnota se může mírně lišit v důsledku migrace plynů do pěny nebo z ní. Krátkodobě dochází k difuzi oxidu uhličitého a jeho nahrazení vzduchem [5]. Vzduch má vyšší tepelnou vodivost než oxid uhličitý, a proto se zvýší i tepelná vodivost pěny.
U běžných předizolovaných ocelových potrubí bylo experimentálními měřeními zjištěno, že změna součinitele tepelné vodivosti PUR izolace se může zvýšit z 0,027 W·m^–1·K^–1 na 0,038 W·m^–1·K^–1 [6,7].

U předizolovaných ocelových potrubí s difuzní bariérou se tato hodnota tepelné vodivosti PUR izolace v průběhu let nemění a zůstává stejná na hodnotě nižší než 0,027 W·m^–1·K^–1. Tato difuzní bariéra EVOH v předizolovaných trubkách (zabudovaná přímo do ochranného pláště) tedy zvyšuje životnost teplárenských potrubí tím, že eliminuje korozi trubek a zároveň snižuje tepelné ztráty v rozvodech tepla.

Tab. 2 uvádí kumulativní tepelné ztráty v dimenzích DN 350 až DN 500 na 10 km trasy potrubí pro tři různé teplotní spády (120/90, 120/80, 120/70). Jak jsme se výše zmínili o změně teplotního spádu a zmenšení dimenze potrubí, má tato změna teplotního spádu také vliv na tepelné ztráty. V této tabulce je uvedeno srovnání kumulativních tepelných ztrát u potrubí se standardním HDPE pláštěm (kde podle měření dochází k postupnému zhoršování tepelné vodivosti potrubí) s potrubími, která mají difuzní bariéru (kde proti difuzní vrstva zabraňuje difuzi a změně izolačních vlastností).

Obecně lze říci, že je možné změnit třídu izolace ze standardního předizolovaného potrubí S2 na řadu S1 s difuzní bariérou nebo změnou ze standardního potrubí S3 na S2 s difuzní bariérou podle zvolené úspory tepla v rozvodech. Respektive můžeme potvrdit, že při volbě stejné tloušťky izolace v každé izolační řadě dochází k výrazné úspoře tepla, a to díky nižším tepelným ztrátám v potrubí, které jsou zajištěny v antidifuzním systému.

Životnost předizolovaného potrubí a celé tepelné sítě zá-
visí na [8]:

• kvalitě materiálů a surovin použitých při výrobě – na správném zpracování trubek a izolačních prvků,
• správném projektovém návrhu,
• kvalitě stavebních a montážních prací,
• kvalifikaci svářečů a montérů,
• dohledu při instalaci potrubí,
• způsobu přepravy a skladování izolovaných prvků na staveništi,
• kvalitě vody v distribuční síti.

Dodržování stanovených zásad při navrhování tepelných sítí, při výrobě potrubí a izolačních prvků a při výstavbě, instalaci a provozu rozvodů tepla zajistí, že síť bude spolehlivě fungovat po dobu 30 let.

Vliv délky potrubí na rychlost instalace

U větších projektů (s násobně delšími trasami potrubí) je vhodné zvážit také možnost použití potrubí o délce 16 nebo dokonce 18 m. Tyto větší délky potrubí, které se obvykle dodávají v délkách 6 nebo 12 m, mohou snížit počet spojů na trase. Někteří výrobci nabízejí kromě standardního 12m potrubí i 16m potrubí, někteří dokonce 18m potrubí – pro dimenze nad DN300.

Na 10 000 m je pro 12m potrubí potřeba 1667 spojů, pro 16m 1250 a pro 18m pouze 1111 spojů. Použitím 18m potrubí ve srovnání s 12m lze ušetřit 1/3 svarů a spojů. Ve výpočtu jsme nezohlednili kolena, dilatační spáry ani jiné součásti.

Uvážíme-li, že běžně připadá pro DN500 na jednoho svářeče cca 1,5 sváru na člověkoden a pro DN700 1 svar na člověkoden, dochází tím k výraznému zrychlení výstavby (nižší počet svářečů s potřebnou kvalifikací). Samozřejmě nejde jen o svár a svářeče, ale také o přípravu svaru, která může trvat déle než samotný svar. Pak následuje kontrola svaru, rentgen apod. Každý spoj musí být odborně izolován.

Závěr

Celkový návrh a úprava tepelné sítě je základním krokem k zajištění správně navržené trasy v sítích CZT – tj. volba správného teplotního spádu a provozního tlaku, volba potrubního systému (materiál potrubí a série izolace). Jak již bylo zmíněno dříve v textu, volbou správného potrubního systému můžeme snížit tepelné ztráty v sítích a také prodloužit jejich životnost. I malá změna může ovlivnit parametry sítě, protože dimenze jsou vyšší než DN 300 a násobí se i délky tras. Volbou větších délek potrubí lze urychlit celkovou montáž a výstavbu tepelných sítí. Správným návrhem tepelných sítí můžeme přispět k ochraně životního prostředí a snížit emise CO₂, a také snížit provozní náklady díky menší potřebě tepla při jeho výrobě.

Literatura

[1] Úrad pre reguláciu sieťových odvetví, Výročná správa ÚRSO 2021, https://www.urso.gov.sk/data/att/dad/2030.b1313b.pdf
[2] Úrad pre reguláciu sieťových odvetví, Výročná správa ÚRSO 2022, https://www.urso.gov.sk/data/att/8d4/2610.aac5d5.pdf
[3] Slovenská inovačná energetická agentúra, ÚRSO, https://bit.ly/49ahfWr
[4] M. Šroubek, prezentácia Teplárny Brno, Dny teplárenství a energetiky, 26. 4. 2023
[5] Alberto Vega, Assessment of the lifetime of district heating pipes, thesis for the degree of doctor of philosophy, Sweden, 2020
[6] Hans Korsman, Stefan de Boer, Ivo Smits, „IEA Implementing Agreement on District Heating and Cooling, including te integretion of CHP”, Department of Mechanical and Process Engineering. Nuon N.V. Duiven, the Netherlands, 2005.
[7] Razvan- Corneliu Lefter, Daniela Popescu, Analysis of ’’ Conti’’ Pre- insulated Pipes with Diffusion Barrier Versus Traditional Pre-insulated Pipes Used in District Heating Networks,
[8] Prezentácia: Predizolované systémy v teplonosných sieťach - hodnotenie používaných riešení z pohľadu približne 30 rokov prevádzky, kľúčové body. Ewa Kręcielewska, Spec Grupa Dalkia
[9] Oceľové predizolované potrubia, https://www.nrgflex.sk/ocelove-predizolovane-potrubia/
[10] Horkovod z Temelína do Českých Budějovic začal dodávat teplo https://www.cez.cz/cs/pro-media/tiskove-zpravy/bezemisni-teplo-uz-proudi-z-temelina-do-ceskych-budejovic-183168
[11] Brno dostane teplo z Dukovan https://www.novinky.cz/clanek/domaci-brno-dostane-teplo-z-dukovan-40433076