Predizolované oceľové potrubia – s alebo bez difúznej bariéry?

Izolačné vlastnosti vrstvy polyuretánovej peny (PUR) v predizolovaných oceľových potrubiach sa počas prevádzky tepelných sietí postupne zhoršujú. Oxid uhličitý a cyklopentán sú postupne nahrádzané kyslíkom a dusíkom, čo zvyšuje súčiniteľ tepelnej vodivosti peny. Metódou na zníženie tohto negatívneho javu je použitie difúznej bariéry v plášti potrubí a vo všetkých komponentoch predizolovaných sietí. Diaľkové vykurovacie tepelné siete sú navrhnuté na 30 rokov prevádzky. Preto je nárast koeficientu tepelnej vodivosti v priebehu času kľúčový z hľadiska tepelných strát.

Predizolované oceľové potrubie sa skladá z vrstiev:

1. oceľové médionosnej potrubie,
2. monitorovacie vodiče (pre kontrolu a signalizáciu pri havarijných stavoch),
3. izolačná vrstva- polyuretánová pena PUR,
4. ochranný vonkajší plášť z HDPE.

Pri predizolovaných potrubiach s difúznou bariérou, potrubia majú pridanú strednú vrstvu z EVOH, ktorá je zabudovaná priamo v plášti HDPE.

Z hľadiska tepelných strát je najdôležitejšia izolačná vrstva vďaka svojej hrúbke a najnižšiemu súčiniteľu tepelnej vodivosti. Vzhľadom na zložitú štruktúru PUR peny prebieha prestup tepla touto vrstvou tromi spôsobmi [1]:

1. prenos tepla plynom v bunkách, a to dvomi mechanizmami: vedením tepla (prenos energie na molekulovej úrovni) a prirodzenou konvekciou vyplývajúcou z pohybu plynu v bunke. So zmenšovaním veľkosti buniek peny sa podiel prirodzenej konvekcie v plyne v bunke znižuje,
2. vedenie tepla štruktúrou polymérnych stien,
3. tepelné žiarenie.

Počas prevádzky predizolovaných potrubí dochádza k obojsmernej difúzii plynov
v dôsledku rozdielu parciálnych tlakov plynov v bunkách peny a v okolí. Tlak plynu
v bunkách peny sa v dôsledku výmeny plynov znižuje. Výsledkom nie je len zhoršenie tepelnoizolačných vlastností, ale aj oslabenie mechanickej odolnosti izolácie [1].

Bolo preukázané, že plynný cyklopentán sa vyznačuje veľmi nízkym difúznym koeficientom v PUR pene, a preto je jeho prestup cez penu mnohonásobne menší než prestup ostatných plynov [2].

Údaje ukazujú, že miera prenosu plynu (GTR) pre EVOH je niekoľko tisíckrát nižšia ako
pre HDPE. To znamená, že membrána EVOH hrubá 1 mm poskytuje rovnakú odolnosť voči prenosu plynu ako niekoľko metrová vrstva HDPE.

Tab. 1 Porovnanie mier prenosu plynov (GTR) HDPE a EVOH 32

Vplyv difúznej bariéry na súčiniteľ tepelnej vodivosti izolácie

Pozitívny efekt difúznej bariéry bol potvrdený meraniami súčiniteľov tepelnej vodivosti PUR izolácie λ₅₀. Podľa literárnych zdrojov počas umelého starnutia štandardného potrubia DN50/125 sa tento súčiniteľ u systémov bez bariéry zvýšil v rozmedzí od 4,3 do 14,4 % [3, 8], zatiaľ čo u systémov s difúznou bariérou iba od 0,36 do 4,23 % [4]. Hodnoty súčiniteľa λ₅₀ predizolovaných potrubí Radpol Pipes sa tiež nachádzajú v uvedených medziach (Tabuľka 2).

Tab. 2 Porovnanie tepelnej vodivosti PUR izolácie λ₅₀  pre predizolované oceľové potrubia (údaje z RADPOL PIPES)

Distribučné tepelné siete sú navrhnuté na 30 rokov prevádzky. Preto je nárast súčiniteľa tepelnej vodivosti v priebehu času kľúčový z hľadiska tepelných strát. Hodnoty súčiniteľa λ₅₀ sa merajú akreditovanými laboratóriami podľa EN 253 [9]; umelé starnutie sa vykonáva zahrievaním potrubného systému pri teplote 90 °C po dobu 150 dní. Zistilo sa však, že podmienky umelého starnutia plne neodrážajú skutočný proces degradácie izolácie [3, 8].

Pre potrubia DN50/125 s izoláciou nafúkanou cyklopentánom je nárast súčiniteľa tepelnej vodivosti po prirodzenom starnutí viac ako dvakrát vyšší než po umelom starnutí [3]. Testy predizolovaných potrubí v prevádzke 4 až 14 rokov ukázali, že súčiniteľ λ₅₀ sa zvyšuje najrýchlejšie v prvom období, až do 4 rokov.

Bol vyvinutý model zmien súčiniteľa tepelnej vodivosti, ktorý odráža skutočné zhoršovanie izolačných vlastností peny počas 30 rokov prevádzky potrubí [10]. Tento model umožňuje odhadovať tepelné straty v nasledujúcich rokoch používania distribučných tepelných inštalácií. Podľa tohto modelu sa pre potrubia bez difúznej bariéry pomer (λ₅₀ po 30 rokoch prevádzky / λ₅₀ novej izolácie) mení v závislosti
od priemeru potrubia – od 9 % pre DN450 až po 35 % pre DN20. Pre potrubia s bariérou sa predpokladá, že nárast λ₅₀ je konštantný, nezávisle od priemeru potrubia, a po 30 rokoch dosahuje 4 % [1].

Bilancia tepelných strát v distribučnej tepelnej sieti – prípadová štúdia

V nasledujúcej časti bude odprezentovaná prípadová štúdia bilancie tepelných strát v distribučnej tepelnej sieti. Výpočty spoločnosti Radpol Pipes boli založené na EN 13941-1 [11] a na vyššie opísanom modeli zmien súčiniteľa tepelnej vodivosti.

Výpočty boli vykonané pre dve varianty – pre predizolované oceľové potrubia bez a s difúznou bariérou. V druhej variante sa predpokladalo, že bariéra sa nachádza nielen v priamych potrubiach, ale aj vo všetkých tvarovkách a spojoch. Tepelné straty boli určené pre jeden rok, s predpokladom zmien hodnôt súčiniteľa λ₅₀ podľa Tabuľky 4 z referencie [10].

Pre výpočty boli stanovené nasledujúce predpoklady [1]:

• doba prevádzky 30 rokov,
• systém jednopotrubných predizolovaných potrubí uložených priamo v zemi,
• celková dĺžka siete 973,5 m. Dĺžky jednotlivých úsekov, pozostávajúcich z priamych potrubí a potrebných tvaroviek (oblúky, odbočky, ventily atď.), sú uvedené v Tabuľke 3. Hodnoty sa vzťahujú na dĺžky siete, pričom celková dĺžka potrubí je dvojnásobná, keďže zahŕňa prívodné aj vratné potrubie,
• štandardná izolácia na prívodnom aj vratnom potrubí,
• hĺbka uloženia H = 1 m,
• teplota zeminy T_s = 8 °C,
• teplota teplonosného média počas vykurovacej sezóny T = 124/59 °C,
• teplota teplonosného média mimo vykurovacej sezóny T = 68/25 °C,
• súčiniteľ tepelnej vodivosti zeminy λ_c = 1,6 W/mK,
• súčiniteľ tepelnej vodivosti novej PUR peny pre potrubia bez aj s difúznou bariérou λ₅₀ = 0,0262 W/mK,
• počet dní vo vykurovacej sezóne 220, mimo vykurovacej sezóny 145.

Okrem toho boli pre poľský trh vypočítané náklady na stratenú tepelnú energiu a emisie CO₂ na základe konštantnej priemernej ceny energie 32,02 eur/GJ [12] a emisií CO₂ zodpovedajúcich stratenej energii pre niekoľko druhov palív používaných v teplárňach [13]:

• čierne uhlie 94,99 kg CO₂/GJ,
• hnedé uhlie 110,81 kg CO₂/GJ,
• zemný plyn 55,73 kg CO₂/GJ,
• vykurovací olej 76,86 kg CO₂/GJ.

Tab. 3 Tepelná strata v diaľkových tepelných sieťach vypočítané RADPOL PIPES, štúdia [1]

Pre predpokladanú štruktúru tepelnej siete výsledky výpočtov ukazujú, že [1]:

• difúzna bariéra znižuje tepelné straty o viac než 12 %,
• úspory za 30-ročné obdobie prevádzky predstavujú 130 713 eur pri predpokladanej konštantnej cene tepla. Cena tepla má rastúci trend, takže v budúcnosti možno očakávať ešte vyššiu hodnotu úspor,
• emisie CO₂ v tomto období klesnú v rozmedzí 227 – 452 ton, v závislosti od použitého paliva. Okrem toho sa v prípade fosílnych palív znížia aj emisie škodlivých látok do ovzdušia, najmä prachu, oxidu siričitého a oxidov dusíka.

Uvedené hodnoty boli získané za predpokladu, že bariéra je použitá vo všetkých častiach tepelnej inštalácie. V štruktúre siete použitej na výpočty tvorila dĺžka priamych úsekov potrubí približne 77 %. Zvyšné prvky tvoria rôzne typy tvaroviek, ktoré sú dôležitými komponentmi siete. Príklad výrobnej štruktúry predizolovaných systémov spoločnosti Radpol Pipes je uvedený v Tabuľke 4. Ako je vidieť, výrobky iné než priame potrubia prispievajú v priemere až 15 % k dĺžke siete, preto je dôležité aplikovať difúznu bariéru aj na tieto komponenty [1].

Tab. 4 Výrobná štruktúra predizolovaných potrubných systémov spoločnosti Radpol Pipes

Záver

Trvalý nárast nákladov na výrobu tepla pozorovaný v posledných rokoch si vyžaduje zavádzanie pokročilých riešení, ktoré znižujú tepelné straty v systémoch diaľkového vykurovania. Použitie predizolovaných potrubných systémov s difúznou bariérou je v tejto oblasti účinnou metódou.

Difúzna bariéra znižuje migráciu nadúvadiel z izolačnej peny, ako aj prenikanie kyslíka a dusíka do buniek peny. Je rozhodujúce používať difúznu bariéru vo všetkých prvkoch teplovodnej siete – nielen v priamych potrubiach, ale aj vo všetkých tvarovkách, ako aj v spojoch. Stabilizuje tepelnoizolačné vlastnosti peny na takmer nezmenenej úrovni počas celej doby prevádzky systému. Výsledkom sú znížené tepelné straty a nižšie ekonomické aj environmentálne náklady.

Literatúra 

[1] R. Krzywda, B. Wrzesińska, Pre-insulated pipes – with or without a diffusion barrier? Euro Heat & Power, IV/2025, str. 34-41

[2] M. E. Olsson, U. Jarfelt, M. Froling, S. Mangs, O. Ramnas, Diffusion of Cyclopentane in Polyurethane Foam at Different Temperatures and Implications for District Heating Pipes, J. Cell. Plast., 2002, 38, 177-188, DOI: 10.1106/002195502022248

[3] E. Kręcielewska, I. Iwko, The Myth&Facts Concerning District Heating Preinsulated Bonded Pipes – Part II, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2022, 51/1, 14-21, DOI:10.15199/9.2022.1.2

[4] E. Kręcielewska, I. Iwko, Influence of the thickness of PE-HD casing and the diffusion barrier on thermal conductivity, specific heat loss and gas composition in PUR insulation in preinsulated pipes manufactured using traditional methods, Instal, 2022, 9,11-15

[5] Gas permeability of HDPE Pipes, PES.TEC, YI 610-3, Edition 0104,1-2

[6] C. Maes, M. te Molder, W. Luyten, G. Herremans, N. Winckelmans, R. Peeters, R. Carleer, M. Buntinx, Determination of the nitrogen gas transmission rate (N2GTR) of ethylene vinyl alcohol copolymer, using a newly developed permeation measurement system, Polym. Test., 2021, 93,106979, 1-14, DOI:10.1016/j.polymertesting.2020.106979

[7] C. Maes, W. Luyten, G. Herremans, R. Peeters, R. Carleer, M. Buntinx, Recent Updates on the Barrier Properties of Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer (EVOH): A Review, Polym. Rev., 2018, 58:2, 209-246, DOI:10.1080/15583724.2017.1394323

[8] E. Kręcielewska, D. Menard, Thermal conductivity coefficient of pur insulation material from pre-insulated pipes after real operation on district heating networks and after artificial ageing process in heat chamber, Instal, 2014, 11, 14-20

[9] PN-EN 253+A1:2024-06 District heating – A system of single composite pipes for water-based district heating networks laid directly in the ground — Factory-made pipe assembly made of steel carrier pipe, polyurethane heat insulation and polyethylene sheath

[10] E. Kręcielewska, A. Starobrat, I. Iwko, The calculation of heat losses of single and twin preinsulated pipe systems in accordance with PN-EN 13941-1. Part 1: Methodology and assumptions, Instal, 2024, 9, 14-23

[11] PN-EN 13941-1+A1:2022-05 District heating networks — Design and installation of a system of thermally insulated single and double pipe assemblies for hot water networks laid directly in the ground — Part 1: Design

[12] https://www.spec-pec.pl/ceny-ciepla-z-wyrowaniem, access 24.03.2025

[13] Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) w roku 2022 do raportowania w ramach Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2025, KOBIZE, Instytut Ochrony Środowiska, 2024