Tepelné siete sústav centralizovaného zásobovania teplom (SCZT) boli v minulosti pôvodne navrhované celé z oceľových potrubí a neboli dostatočne izolované. Návrh prebiehal väčšinou nie podľa požiadaviek a nárokov odberateľov na tepelnú sieť, ale podľa dostupných možností na trhu. Tepelné siete boli značne predimenzované, boli navrhnuté na väčšie potreby tepla, čo malo za následok aj väčšie dimenzie potrubí, ktoré prenášali oveľa väčšie objemové prietoky než ako bolo potrebné. Po stavebných úpravách na objektoch sa potreby tepla podstatne znížili čo spôsobilo úpravy parametrov teplonosných látok hlavne teplotného spádu a objemového prietoku. Mnohé siete taký veľký prenos hmoty a takú vysokú teplotu teplonosnej pracovnej látky nepotrebovali.

V súčasnosti sú dostupné nové technológie, kde prenos tepla vie byť navrhnutý na mieru, pričom sa dá ušetriť energia na výrobu tepla a znížiť aj prevádzkové náklady na čerpaciu prácu. Korektným návrhom potrubnej tepelnej siete a nastavením správneho režimu SCZT prostredníctvom tepelných kriviek a regulácie podľa vonkajšej teploty vzduchu sa dá zefektívniť výroba tepla, znížiť produkciu skleníkových plynov hlavne CO₂ a zmenšiť prevádzkové náklady.

Úvod

Vykurovacie obdobie je podľa Vyhlášky Ministerstva hospodárstva SR č. 152/2005 Z. z., uvedené tak, že spravidla začína od 1. septembra príslušného kalendárneho roka a končí 31. mája nasledujúceho kalendárneho roka. Dodávateľ tepla začína dodávať teplo vtedy, ak vonkajšia priemerná denná teplota vzduchu vo vykurovacom období klesne počas dvoch za sebou nasledujúcich dní pod 13 °C. Podľa predpovede vývoja nemožno očakávať zvýšenie vonkajšej priemernej dennej teploty a zároveň vonkajšia priemerná denná teplota, ktorá tvorí štvrtinu súčtu vonkajších teplôt meraných o 7.00 h, o 14.00 h a o 21.00 h v tieni s vylúčením vplyvu sálania okolitých stien bytových domov, pričom teplota meraná o 21.00 h sa započítava dvakrát, nie je vyššia ako 13 °C.

Slovenská norma STN EN 12831 udáva vonkajšiu výpočtovú teplotu vzduchu, priemernú vonkajšiu teplotu vzduchu vo vykurovacom období a počet dní vykurovacieho obdobia pre mestá SR, kde tieto normové údaje sú zohľadňované pri návrhu tepelných rozvodov.

Teplotná krivka vykurovania

Vykurovacia teplotná krivka určuje výstupnú teplotu teplonosnej pracovnej látky, ktorá je závislá od vonkajšej teploty vzduchu. Strmosť krivky a posunutie je spôsob regulácie, ktorým môžeme upraviť výstupné teploty vykurovania a taktiež aj rýchlosť nábehu vykurovania.

Táto teplotná krivka je využívaná na ekvitermickú reguláciu, čo je regulácia teploty výstupnej vody podľa vonkajšej teploty vzduchu. Pri teplejších dňoch je teplota výstupnej teplonosnej pracovnej látky nastavená na nižšiu hodnotu, než ako to je pri mínusových hodnotách vonkajšej teploty vzduchu.

Regulácia tepelnej siete zabezpečuje požiadavky tak, aby zdroj tepla nevytváral zbytočne vysoké teploty teplonosnej pracovnej látky, ak je táto krivka nesprávne nastavená môže to spôsobiť nedostatočnú alebo nadmernú dodávku tepla do SCZT.

Na obrázku č. 1 môžeme vidieť pár kriviek pre ekvitermickú reguláciu, kde krivky sú nastavené pre požadovanú teplotu prívodnej vody, ktorá je závislá od vonkajšej teploty vzduchu.

Teplotné krivky, ktoré sme uvažovali do výpočtu (obr. 1) sme si stanovili, podľa získaných teplotných kriviek, ktoré sa najčastejšie opakovali u prevádzkovateľov tepelných sietí. Tieto krivky sme zvolili, aby sme pokryli čo najširšie rozmedzie, ktoré je využívané na transport prívodnej vody v sieťach CZT.

Obr. 1  Závislosť výstupnej teploty teplonosnej látky do SCZT  od vonkajšej teploty vzduchu

Vstupy

Od dodávateľov tepla zo Slovenska, Českej republiky a Rakúska sme si vyžiadali teplotné krivky, ktorými riadia výstupnú teplonosnú pracovnú látku pre potreby zásobovania SCZT, aby sme vedeli zhodnotiť, kde môžeme využiť predizolované plastové potrubia a následne vyčísliť reálnu životnosť týchto potrubí pre charakteristické teplotné krivky (obr. 1).

Aby sme posúdili skutočné podmienky, posúdili sme tieto teplotné krivky na reálne vonkajšie teploty vzduchu a to konkrétne pre najchladnejší rok počas 20. rokov (2000 – 2020).

4 207 680 meraní hodinových údajov vonkajšej teploty vzduchu za posledných 20 rokov, boli spracované pre ďalšie posúdenia, ktoré sme spracovávali.

Prvým krokom posúdenia bolo určenie lokality – pre Slovensko sme vybrali 2 mestá, a to hlavné mesto Bratislavu s nadmorskou výškou 132 m n. m a mesto s najvyššou nadmorskou výškou Poprad 718 m n. m.

Vzhľadom na to, že posudzujeme plastové predizolované potrubia, výstupná teplota teplonosnej pracovnej látky pri teplotných krivkách sa pohybovala od 80 do 115 °C. Určili sme si priemerné výpočtové teploty počas dňa pre 20 rokov pre Bratislavu aj Poprad.

Obr. 2 Výsek priemerných vonkajších teplôt za 20 rokov pre Bratislavu a Poprad

Z prehľadu teplotných profilov pre tieto mestá sme následne pre lepšie zorientovanie vyčíslili koľko hodín bola aká teplota vonkajšieho vzduchu. Z týchto hodnôt sme stanovili najchladnejší rok pre Bratislavu a Poprad. Bratislava mala najchladnejší rok za posledných 20 rokov rok 2006 a pre Poprad bol najchladnejším rokom 2012.

Obr. 3  Výsek prehľadu počtu hodín pre Bratislavu a Poprad s vyznačením najchladenejšieho roka

Štúdia

Touto riešenou štúdiou sme chceli posúdiť plastové predizolované potrubia a ich nadväzujúca životnosť potrubí, ktorá priamo závisí od teploty pracovnej látky. Reguláciou výstupu teplonosnej pracovnej látky podľa vonkajšej teploty vzduchu, je možné prispôsobiť výstupnú teplotu na nižšiu teplotnú hladinu a tým ušetriť energie na výrobu teplonosnej pracovnej látky a takisto aj znížiť produkciu CO₂ a zároveň zvýšiť životnosť plastových predizolovaných potrubí.

Stanovením počtu (hodín) dní, koľko potrebujeme dodávať konkrétnu výstupnú teplotu (závislú od vonkajšej teploty vzduchu) vieme cez výpočtový program stanoviť presnú životnosť plastových predizolovaných rúr podľa konkrétne stanovených teplotných kriviek.

Sústredili sme sa na Bratislavu a Poprad, na najnižšie a najvyššie položené mesto a z hodinových údajov vonkajšej teploty vzduchu. Počítali sme s prevádzkou SCZT počas celého roka, v zime sa zabezpečuje potreba tepla pre vykurovacie sústavy a prípravu teplej vody a v letných mesiacoch je to len príprava teplej vody.

Teplotné krivky boli rozdelené do nasledujúcich kategórií podľa vonkajšej teploty vzduchu:

• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 70 ˚C (+20 ˚C), 75 ˚C (-5 ˚C), 85 ˚C (-12 ˚C)
• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 70 ˚C (+20 ˚C), 75 ˚C (-5 ˚C), 90 ˚C (-12 ˚C)
• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 70 ˚C (+20 ˚C), 75 ˚C (-5 ˚C), 95 ˚C (-12 ˚C)
• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 70˚C (+20 ˚C), 75 ˚C (-5 ˚C), 100 ˚C (-12 ˚C)
• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 70 ˚C (+20˚C), 75˚C (-5˚C),105˚C (-12˚C)
• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 70 ˚C (+20 ˚C), 75 ˚C (-5 ˚C), 110 ˚C (-12 ˚C)
• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 75 ˚C (+20 ˚C), 95 ˚C (-5 ˚C), 115 ˚C (-12 ˚C)
• s výstupnou teplotou teplonosnej pracovnej látky 100 ˚C (+20 ˚C), 110 ˚C (-5 ˚C), 115 ˚C (-12 ˚C)

Následne sme chceli posúdiť zmenu regulácie a prepočítali sme životnosti plastových predizolovaných potrubí podľa rôznych stanovených regulácií. Teplotné krivky sme prepočítali aj pre Bratislavu a Poprad pre najchladnejšie roky s týmito typmi regulácie:

• hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty,
• 3-hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty (pričom sme uvažovali s naj­chladnejším údajom počas každých 3 hodín),
• 6-hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty (pričom sme uvažovali s naj­chladnejším údajom počas každých 6 hodín),
• 12-hodinový interval regulácie výstupnej teplonosnej látky podľa vonkajšej teploty (pričom sme uvažovali s naj­chladnejším údajom počas každých 12 hodín).

Pri teplotách do 80 °C sme brali automaticky, že sú vhodné na štandardné plasty PE-Xa do max teploty 95 °C/6 bar. Pri teplotách od 80 – do 115 °C sme sa sústredili na analýzu životnosti potrubí termoplasticky zosilnených rúrok pre médium max 115 °C/ 10 – 16 bar , aby sme zistili do akých maximálnych teplôt ich môžeme použiť.

Bolo uvažované s teplovodnými a horúcovodnými sieťami, parné siete nie sú predmetom tejto štúdie. Vyššie teploty neboli vo výpočtoch uvažované. 896 simulácií pre zistenie životností bolo vykonaných po 1, 3, 6, 12 hodinách pre mestá Bratislava a Poprad.

Obr. 4  Výsledné hodnoty životností pre plastové predizolované potrubia s reguláciou výstupnej teploty pracovnej látky po 6 hodinách, (1 tab. je pre Bratislavu, 2 tab. je pre Poprad). TSMR- termoplasticky zosilnená médionosná rúrka s aramidovým vláknom

Výstupy

Pre jednotlivé stanovené teplotné krivky sme následne posúdili životnosť pre obe mestá Bratislavu pre rok 2006 a pre Poprad rok 2012. Zamerali sme sa plastové predizolované potrubia, ktoré sú rozdelené podľa zaťaženia:

• Štandardné PE-Xa potrubia – max. 95 ˚C/6 bar – 4 a 6 bar
• Termoplasticky zosilnené potrubie s aradmidvým vláknom (TSMR) – max. 115 ˚C/10 bar – 4, 6, 8 a 10 bar

Bola vyhodnocovaná tepelná stabilita (Thermal stability) a dlhodobá tepelná stálosť (Long-Term Strength) v rokoch.

Obr. 5  Vyhodnotenie životnosti potrubí reprezentatívnej krivky s výstupnou teplonosnou látkou max 100 °C, min 70 °C pre naj­chladenejší rok 2006 pre Bratislavu, s reguláciou teploty prívodnej vody po 1 hodine, 3 hodinách, 6 a 12 hodinách podľa vonkajšej teploty vzduchu. TSMR – termoplasticky zosilnená médionosná rúrka s aramidovým vláknom

Ako vhodnú životnosť potrubí sme uvažovali, ak plastové predizolované potrubia vydržali svoju tepelnú stabilitu (Thermal stability) a dlhodobú tepelnú stálosť (Long-Term Strength) nad 30 rokov. Týchto 30 rokov sme brali ako minimálnu životnosť pre infraštruktúru, pričom sa reálne dosahujú dlhšie životnosti aj prevádzky, preto ju považujeme za hraničnú. Všetky údaje sú počítané s bezpečnostnými koeficientami a reálna očakávaná životnosť je vyššia.

Bratislava, najnižšie posudzované mesto z pohľadu nadmorskej výšky, malo týmto pádom oveľa väčšie množstvo vyšších priemerných teplôt než mesto Poprad, to môžeme vidieť aj na nasledujúcom grafe a v tabuľke (obr. 6).

Obr. 6  Vyhodnotenie životnosti potrubí reprezentatívnej krivky s výstupnou teplonosnou látkou max 100 °C, min 70 °C pre najchladenejší rok 2012 pre Poprad, s reguláciou teploty prívodnej vody po 1 hodine, 3 hodinách, 6 a 12 hodinách podľa vonkajšej teploty vzduchu. TSMR – termoplasticky zosilnená médionosná rúrka s aramidovým vláknom

Minimálne vonkajšie teploty vzduchu sú závislé hlavne od nadmorskej výšky. V Poprade bolo počas najchladenejšieho roka oveľa viac hodín/ dní potrebná vyššia teplota prívodnej teplonosnej pracovnej látky.

Posúdenie v kroku 1, 3, 6 a 12 hodín sme robili kvôli rozsiahlejšiemu vyhodnoteniu, aby sme mali nastavené výstupné teploty a reguláciu v tepelnej sieti, ktorá bude viac zodpovedať aktuálnemu systému riadenia hlavne v menších teplárňach.

Pri časovom kroku s reguláciou 12 hodín a vybraným najvyššie položeným mestom na Slovensku počas najchladnejšieho roku udáva relevantný výsledok z najnepriaznivejších dát počas posledných 20 rokov meraní vonkajšej teploty vzduchu.

Pri TSMR potrubiach sa ukázal len veľmi malý pokles predpokladanej životnosti či u nižšie položených oblastiach ako je v Bratislava alebo aj vo vyššie položených miestach v Poprade.

Výsledkom sa ukázalo, že pri použití PE-Xa potrubí je hranica pri teplotnej krivke č.1, 2, 3 (max do 95 °C, viď tab. 4 pre mesto Poprad). Pri TSMR sú nevhodné až krivky 7 a 8, tam je predpoklad vývoja do budúcna, kde by mal byť k dispozícii plast s vyššou tepelnou odolnosťou.

Plastové predizolované potrubia sa ukázali ako vhodná voľba pre väčšinu teplotných kriviek v Bratislave aj v Poprade. Rozdiel medzi PE- Xa a TSMR je až v dvojnásobnej životnosti.

Záver

Analýza veľkého množstva vstupných dát a simulácií potvrdila náš predpoklad, že je možné veľkú časť tepelných sietí realizovať aj s použitím plastových flexibilných potrubí. Ukázalo sa, že siete prevádzkované s max teplotou okolo 80 °C je možné realizovať štandardnými PE-Xa potrubiami. Pri použití plastových predizolovaných potrubí s termoplasticky zosilnenými rúrkami s aramidovým vláknom – TRSM by zdvojnásobilo predpokladanú životnosť tepelnej siete.

Existujú, ale aj riešenia pre siete s teplotami do 110 °C, ktoré je možné realizovať efektívnymi plastovými potrubiami s termoplasticky zosilnenými potrubiami s aramidovým vláknom. Tieto úspory sa priamo premietnu do spotreby primárnej energie (zemný plyn, uhlie, biomasa,…) a výrazne prispejú k zníženiu tvorby emisií CO₂, ale aj iných pevných častíc.

Pri väčších sieťach sa ponúka možnosť realizovať ich ako hybridnú sieť, kde väčšie dimenzie (DN150+) budú realizované v oceľových predizolovaných potrubiach a menšie dimenzie vo flexibilnom plastovom potrubí. Výhodami tohto riešenia sú výrazná úspora prevádzkových nákladov – oproti realizácii v oceľových potrubiach sú úspory až 30 – 50 % podľa voľby hrúbky izolácie, menšia šírka výkopov, rýchlejšia montáž, menej spojov na trase.

Autori: Ing. Eva Švarcová, prof. Ing. Ján Takács, PhD.