Výběr izolačních tříd u předizolovaného potrubí

Článek přibližuje problematiku návrhu izolačních tříd u předizolovaného potrubí. Autor se zaměřuje na potrubí uložené v zemi a porovnává jednotlivé izolační třídy předizolovaného potrubí. Jako základní kritéria pro hodnocení jsou voleny provozní a investiční náklady. Závěrem jsou tyto náklady tabulkově vyčísleny pro různé průměry potrubí.

Recenzent: Roman Vavřička

V příspěvku je uveden postup pro výběr nejvhodnější varianty izolační třídy u předizolovaného potrubí (PP). Toto potrubí je dnes dodáváno již ve 3 izolačních třídách, přičemž 1. třída má nejslabší tloušťku tepelné izolace. Výběr izolační třídy následuje po dimenzování potrubního rozvodu, kdy byl určen jmenovitý průměr (DN) potrubí. Výběr bude prováděn pomocí pořizovacích a ročních provozních nákladů za dobu životnosti potrubí. Nejvhodnější varianta izolační třídy daného DN bude ta, která vykazuje nejnižší celkové náklady.

Úvod

Výpočty pořizovacích a ročních provozních nákladů budou prováděny pro dané DN pro všechny tři izolační třídy, pro výsek trasy potrubí o délce 1 m, tj. pro pár PP s 1 m přívodního a 1 m zpětného potrubí. Výsledkem výpočtů budou pořizovací a roční provozní náklady za dobu životnosti potrubí t_z = 30 let.

Veškeré náklady na vybudování 1 m potrubní trasy PP sestávají z pořizovacích nákladů na PP, na montáž PP, na vyhloubení a zasypání profilu pro PP, na uvedení povrchu profilu do konečného stavu a na napouštění potrubí s vytvořením potřebného předpětí. Protože všechny uvedené náklady jsou prakticky, s jedinou výjimkou, závislé pouze na DN potrubí, čili jsou pro konkrétní DN stálé, nemusí se při porovnání nákladů mezi jednotlivými izolačními třídami vůbec uvažovat. Z uvedeného vyplývá, že stačí do porovnávání zahrnovat pořizovací náklady tvořené pouze cenami samotného potrubí o délce 2 x 1 m.

Náklady na provoz PP tvoří jen náklady na úhradu ztraceného tepla, což platí pro porovnávání nákladů mezi jednotlivými izolačními třídami. Z definice tepelných ztrát PP plyne, že jsou závislé zejména na teplotách oběhové vody přívodní a zpětné, takže vůbec nezáleží na přenášeném tepelném výkonu a ani na průtoku vody.

Postup při výběru

Pro výpočty je výhodné využít část výchozích údajů, které výrobci PP již vypočítali (tab. 1).

V tabulkách jsou uvedeny jednak vstupní údaje o rozměrech trubek, jednak výstupní údaje, tj. tepelné vodivosti zasypaných trubek. Všechny údaje jsou uvedeny pro všechny 3 izolační třídy.

V tab. 1, kterou vypracoval jeden z výrobců PP¹, je

• d – vnější průměr nosné trubky [mm]
• s – tloušťka stěny nosné trubky [mm]
• D – vnější průměr PE plášťové trubky [mm]
• G – tepelná vodivost mezi vodou v potrubí a zeminou [W/(m·K)].

Hodnoty veličin (tab. 1) byly stanoveny výrobcem pro krycí hloubku k povrchu plášťové trubky ve výši h = 0,5 m, pro vzdálenost mezi povrchy plášťových trubek e_min = 140 mm, pro součinitel ­tepelné vodivosti nosné trubky l_n= 53 W/(m·K) pro nízkouhlíkovou ocel, pro součinitel tepelné vodivosti PUR izolace l_PUR = 0,0256 W/(m·K), pro součinitel tepelné vodivosti PE plášťové trubky ve výši l_PE = 0,43 W/(m·K) a pro součinitel tepelné vodivosti zeminy l_z = 1,5 W/(m·K).

Vztahy potřebné pro výpočty

Tepelné ztráty 1 m potrubní trasy (obr. 1), tj. přívodního i zpětného potrubí, [W/m] jsou

q = G·Dt_z , (1)

kde sdružený teplotní rozdíl mezi oběhovými vodami a přilehlou zeminou [K] je

D,t_z = t_p + t_v – 2·t_z , (2)

dále

• G je tepelná vodivost mezi vodou v potrubí a zeminou (tab. 1) [W/(m·K)]
• t_p – průměrná teplota vody v přívodním potrubí během provozního období [°C]
• t_v – průměrná teplota vody ve zpětném potrubí během provozního období [°C]
• t_z – průměrná teplota přilehlé zeminy během provozního období [°C].

Poznámka: V jednotkách dále popisovaných veličin již nebudou pro zjednodušení uváděny metry, i když všechny hodnoty veličin jsou samozřejmě vztahovány na 1 m potrubní trasy.

Teplo ztracené 1 m potrubní trasy za rok [GJ/rok] bude

e = 3,6·10^–6·q·t_p = 3,6·10^–6·G·Dt_z·24·t_r (3)

kde

• t_p je doba provozu potrubí za rok [h/rok]
• t_r– počet provozních dní potrubí za rok [den/rok]
• 3,6·10^–6 je převodní číslo z Wh na GJ.

Platba za teplo [Kč/rok] v i-tém roce je

P_i = e·c_i , (4)

kde

• c_i je cena tepla v i-tém roce [Kč/GJ].

Celkové platby za teplo [Kč] do roku n budou  

P_n = SP_i = e·Sc_i = e·c·a_n = 3,6·10^–6·G·Dt_z·24·t_r·c·a_n ,   (5)

kde

• S je suma v rozsahu od i = 1 do i = n [–]
• n – celková doba provozu potrubí [roky]
• c – cena tepla ve výchozím 1. roce [Kč/GJ]
• a_n – součinitel nárůstu cen tepla do roku n (vztah 6) [–].

Součinitel nárůstu cen tepla do roku n [–] je dán vztahem

a_n = (rⁿ – 1) / (r – 1), (6)

kde

• r je poměrný meziroční nárůst ceny tepla [–].

Vztah (5) ukazuje, že při shodných konstantních veličinách (Dt_z, t a c) jsou celkové platby za teplo do roku n závislé pouze na tepelné vodivosti mezi vodou v potrubí a zeminou G. Hodnota G je samozřejmě závislá na izolační třídě určitého DN.

Příklad výpočtů

Příklad bude proveden pro PP o typickém DN 100.

Zadání

Pro potrubní trasu PP 2 x DN 100 má být stanovena celková platba za teplo pro 1. izolační třídu. Průměrná teplota vody v přívodním potrubí během provozního období je t_p = 60 °C, průměrná teplota vody ve zpětném potrubí během provozního období t_v = 50 °C, průměrná teplota přilehlé zeminy během provozního období t_z = 10 °C. Počet dní v provozu za rok t_r = 340 dnů/rok. Celková doba provozu potrubí n = 30 let. Ostatní vlastnosti potrubního rozvodu jsou stejné jako tabulkové vlastnosti výrobce (tab. 1). Výchozí cena tepla c = 500 Kč/GJ (dle údajů PTAS) a poměrný meziroční nárůst ceny tepla je r = 1,02.

Řešení

Součinitel nárůstu cen tepla do roku n je podle vztahu (6)

a₃₀ = (1,02³⁰ – 1) / (1,02 – 1) = 40,57.

Celková platba za teplo do 30. roku pro 1. izolační třídu je dána vztahem (5)

P₃₀ = 3,6·10^–6·G·Dt_z·24·t_r·c·a_n = 3,6·10^–6·0,275·(60 + 50 – 2·10)·24·340·500·40,57 = 14 748 Kč.

Přehled celkových nákladů

Tento přehled celkových nákladů po 30 letech na pár trubek výseku trasy 1 m (tab. 2) je zpracován pro PP v rozsahu DN 50 až 150. Celkové náklady byly stanoveny jako součet provozních nákladů (vztah 5) a pořizovacích nákladů¹, které jsou uvedeny včetně DPH.

Průběh celkových nákladů

Průběh celkových nákladů na čase je vyjádřen graficky pro 3 izolační třídy typického DN 100 (obr. 2). Průběh je dán strmě rostoucími křivkami, které v čase 0 mají hodnoty pořizovacích nákladů.

Komentář

Z průběhů celkových nákladů (obr. 2) pro všechny 3 izolační třídy DN 100 je patrné, že v současnosti v jejich skladbě dominují provozní náklady dané cenou tepla. Již přibližně od 5 roků provozu vykazuje 3. izolační třída nejnižší celkové náklady. Při provozní době 30 let je rozdíl celkových nákladů mezi 1. a 3. izolační třídou téměř 4 000 Kč na 1 běžný metr délky potrubí. Celkové náklady potom poklesnou z 16 164 Kč pro 1. izolační třídu na 12 532 Kč pro 3. izolační třídu, tj. na 78 %. Tuto převahu nemůže změnit ani hypotetický pokles ceny tepla na polovinu ceny současné, ani jakékoliv změny teplotních a geometrických parametrů. Ani změny pořizovacích nákladů. Vyšší cena tepla převahu samozřejmě zvětší.

Závěr

Vycházíme-li z nejnižších celkových nákladů na PP lze vyvodit, že při výběru izolační třídy by měla být vždy vybrána 3. izolační třída. Tato zásada platí i pro předizolovaná potrubí ostatních výrobců.

---

Selection of insulation classes for pre-insulated pipe

This paper describes design issues of insulation classes for pre-insulated pipes. The author describes the buried piping. Evaluation criteria are operational and investment costs for different pipe diameters.

Keywords: pre-insulated pipe, insula­tion classes

---

---

Vyjádření společnosti FinTherm Praha – KWH Pipe, a.s. k článku Výběr izolačních tříd u předizolovaného potrubí

Výše zmíněný článek odpovídá našim výsledkům kalkulací i naměřeným hodnotám z praxe z provozování předizolovaného potrubí. Z uvedených výpočtů vyplývá, že výše tepelných ztrát záleží na mnoha faktorech, od základních, které lze lehce určit: průměr potrubí, tloušťka izolace, izolační vlastnosti potrubí, hloubku uložení, předpokládanou dobu provozu v roce, projektované teploty až po složitější faktory jako je měrná tepelná vodivost zeminy, nebo faktory těžce předpovídatelé jako je cena tepla. Ceny potrubí za metr potrubní trasy uvedené v článku je nutné brát pouze jako orientační, pro porovnání provozních nákladů jednotlivých izolačních tříd. Skutečná cena potrubní trasy je ovlivněna její členitostí, která určuje množství fitinek a jejich složitost (kolena, armatury, odvzdušnění, odbočky a redukce…). K ceně za samotné potrubí, je nutné navíc připočíst cenu za výkopové a montážní práce i uvedení povrchu do původního stavu atd.

Vzhledem ke stále se zvyšujícím cenám energií a tlaku na snižování emisí se v současnosti v některých zemích Evropy standardně používají vyšší izolační třídy předizolovaného potrubí (druhá a třetí izolační třída). V některých zemích je mnohdy použití vyšší izolační třídy nutnou podmínkou pro čerpání podpůrných prostředků z různých fondů. Předizolované potrubí se navrhuje a instaluje na velmi dlouhé období až 30 let provozu. O to důležitější je správně se rozhodnout o výhodnosti investice z pohledu nejen vstupních nákladů, ale především z pohledu provozních nákladů po dobu životnosti potrubí. Čím dražší energie a vyšší provozní parametry, tím se provozní náklady výrazně zvyšují oproti vstupní investici, a tím je samozřejmě návratnost do vyšší izolační třídy rychlejší. Kromě provozních úspor přispěje používání vyšších izolačních tříd předizolovaného potrubí i ke snížení emisí škodlivých látek a celkově ekologického zatížení prostředí.

Ing. Pavel Štefan, FinTherm Praha – KWH Pipe, a.s.

Pozn. redaktora

Vychází-li diskontovaná návratnost instalace předizolovaného potrubí v 3. izolační třídě v řádu 5 let, je s podivem, že kterýkoliv investor je vůbec ochoten instalovat potrubí s nižší izolační třídou. Jediným ospraveditelným důvodem je záměr investora provozovat budovanou trasu pro dopravu tepla po dobu výrazně nepřesahující 5 let.