Ciepłownictwo Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych. Przyczyny

Ciepłownictwo Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych. Przyczyny

Rok akademicki: 2011/2012
Ciepłownictwo
Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych. Przyczyny,
zasady oszacowania, metody ograniczania
Wykonały:
Joanna Chorbotowicz,
Patrycja Dobosz,
Maria Szarek,
175543
175443
175473
Rok III, Kierunek: Inżynieria Środowiska
Studia stacjonarne
Wstęp.
Ciepło to jeden z ważnych elementów towarzyszących naszemu życiu, nad którymi
właściwie nie zastanawiamy się na co dzień. Chcemy, aby w naszym mieszkaniu było ciepło,
aby ciepła woda była dostępna zawsze wtedy, gdy jej potrzebujemy. Jednak zanim woda
ciepłownicza dotrze do węzła ciepłowniczego, musi pokonać wiele przeszkód, które
przyczyniają się do strat ciepła przy przesyle.
W niniejszej pracy omówione zostały zagadnienia dotyczące strat ciepła w sieciach
ciepłowniczych, straty, które występują podczas działania systemów rurociągów
ciepłowniczych. Przedstawiono czynniki wpływające na zwiększone straty ciepła, możliwości
ich szacowania, oraz zdolność optymalnego ograniczania.
Ograniczanie strat ciepła w sieciach ciepłowniczych stało się bardzo ważnym
aspektem. Europejska polityka energetyczna zaleca zwiększenie efektywności energetycznej.
Pierwszym krokiem jest budowa skojarzonych systemów, w których wytwarzana jest
zarówno energia elektryczna jak i ciepło. Głównie jednak należy zwrócić uwagę na dość
wysokie straty ciepła na przesyle od źródła do odbiorcy.
Zaczynając od źródła – ciepłownie to budynki, które produkują, a następnie
transportują czynnik (zazwyczaj jest to woda o wysokiej temperaturze) dla sieci
ciepłowniczych. Głównym zadaniem ciepłowni jest produkcja energii cieplnej dla systemu
ciepłowniczego.
Przyczyny strat ciepła.
Straty ciepła są nieuniknionym zjawiskiem podczas wykorzystywania sieci
ciepłowniczej. Wielkość strat przede wszystkim zależy od właściwości materiałów
izolacyjnych rurociągów. Związane jest to ze zmienną temperaturą transportowanego
czynnika. Gdy temperatura gruntu, czy otoczenia, odbiega znacznie od temperatury
wewnątrz rurociągów, przy czym im wyższa różnica tym większe straty. Celem izolacji w
przypadku sieci ciepłowniczych, nie jest tylko zmniejszenie strat, ale także zabezpieczenie
przed oparzeniami – zapewniając utrzymanie na powierzchni przewodu, odpowiednio niskiej
temperatury.
W czasie kilkudziesięciu minionych lat – sieci, systemu rurociągów ciepłowniczych
rozbudowywały się, przez co mają niejednorodną strukturę izolacji rur. Z upływem czasu,
doskonalone były izolacje rur, produkowano lepsze materiały izolacyjne – dzięki temu można
było ograniczyć, zmniejszyć straty ciepła. Zwiększające się straty ciepła, mogą świadczyć o
długim czasie eksploatacji oraz zawilgoceniu materiału termoizolacyjnego – skruszeniu się
włókien waty szklanej – te czynniki świadczą o zmniejszeniu się grubości warstwy izolacyjnej.
Zjawisko destrukcji materiału izolacyjnego jest zależne od upływu czasu i jest to
nieuniknione.
Zazwyczaj przyczyną dużych strat ciepła, jest także zmieniające się zapotrzebowanie
na ciepło dla odbiorców, oraz ewentualna zmiana parametrów czynnika. W ciepłowniach
powinny być zainstalowane kotły ( tu powinno zwrócić się uwagę na ich typ oraz wielkość),
które zależą od potrzeb cieplnych. Najważniejsze jest to, aby były tak dobrane, żeby przy
zmiennym zapotrzebowaniu na ciepło – zapewniały elastyczność pracy kotłowni, oraz
wysoką sprawność i niezawodność dostaw ciepła.
Kolejnym miejscem występowania strat ciepła są komory ciepłownicze. Umieszczona
jest w nich armatura odcinająca tj. zawory, zasuwy – nie są one zaizolowane, powoduje to
wzrost temperatury powietrza w pomieszczeniu komory. Wielkość strat ciepła w komorach
ciepłowniczych określa się na około 20-30% całkowitych strat ciepła w sieci ciepłowniczej.
Komory ciepłownicze są nieizolowane – przykryte są niewielką grubością gruntu – co
powoduje zwiększenie strat ciepła.
Nie jest możliwe podanie ogólnej recepty na ograniczenie emisji ciepła w sieciach
ciepłowniczych, ponieważ zależy ona od indywidualnych cech systemów ciepłowniczych.
Można jedynie określić pola działania i czynności zmierzające do redukcji emisji ciepła.
Zasady szacowania.
Sieć ciepłownicza powinna zagwarantować wymagane parametry nośnika ciepła przy
jak największej wydajności energetycznej i niskich kosztach eksploatacji. Aby to było możliwe
należy oszacować wielkości strat ciepła, które występują podczas przesyłania ciepła.
Starty ciepła występujące na sieci ciepłowniczej można wyrażać w postaci wartości
bezwzględnej - GJ lub wartości względnej - %.
Wartość bezwzględna określa ilość ciepła traconego przez przenikanie ciepła na
drodze od nośnika ciepła do gruntu i powietrza zewnętrznego.
Można ją wyrazić za pomocą wzoru:
p
k
gdzie:
m - strumień masy nośnika ciepła płynącego w rurze, kg/s
cp- ciepło właściwe nośnika ciepła J/kg K
Tp- początkowa temperatura nośnika ciepła
Tk- końcowa temperatura nośnika ciepła
Jednocześnie starty ciepła można wyrażać za pomocą wartości względnej czyli w % i
określają udział strat ciepła w całkowitej energii produkowanej w ciepłowni i przesyłanej
siecią ciepłowniczą. Wartość ta zmienia się w ciągu rok i zależy od wielkości przesyłanego
ciepła i warunków atmosferycznych.
Można je wyrazić za pomocą wzoru:
gdzie:
Qs - moc start ciepła, MW
Qw - moc węzłów cieplnych, MW
W okresie grzewczym straty na przesyle wynoszą ok 8-12%, podczas gdy w lecie wartość ta
może dochodzi do 50%, co średniorocznie daje starty wielkości 20-30%.
Różnica między temperaturą wody sieciowej w źródle ciepła i w węźle ciepłowniczym
określa wartość schłodzenia w warunkach ustalonych.
Δt tzr-tw
tzr - temperatura w źródle ciepła
tw - temperatura w węźle ciepłowniczym
Wartość schłodzenia dla każdego odbiorcy będzie inna, wynika to z głównie z różnych
odległości między źródłem ciepła a odbiorcą, dlatego używa się pojęcia średniego
schłodzenia wody sieciowej w rurociągach, które wyraża się za pomocą wzoru:
Δ
∑
Δ
∑
gdzie:
- schłodzenie wody sieciowej dla i-tego węzła cieplnego, K
- obliczeniowa moc cieplna i-tego węzła ciepłowniczego, kW
Ogólnie straty ciepła w sieci ciepłowniczej można wyrazić za pomocą wzoru:
W
gdzie:
Δ - różnica temperatur między nośnikiem ciepła a temperaturą powietrza zewnętrznego, K
R - opór przenikania ciepła od nośnika ciepła do powietrza zewnętrznego, mK/W
L - długość odcinka sieci, m
Na podstawie tego wzoru widać, że aby zmniejszyć straty ciepła można zmniejszyć różnicę
temperatur, czyli zmniejszyć temperaturę nośnika ciepła i zwiększyć opory przewodzenia.
Szacując straty ciepła w sieciach ciepłowniczych należy uwzględnić:
1. Straty ciepła przez przenikanie i strat spowodowanych wszelkimi nieszczelnościami.
E=Eq+En
gdzie:
Eq - straty ciepła przez przenikanie w całym roku stanowiące sumę strat ciepła w okresie
sezonu grzewczego i poza nim, GJ/rok
En -roczne straty ciepła spowodowane nieszczelnościami, GJ/rok
2. Straty przez przenikanie to suma strat w okresie zimowym i okresie letnim.
Eq=Es+El , GJ/rok
gdzie:
Es - straty ciepła w sezonie grzewczym, GJ/rok
El - straty ciepła poza sezonem grzewczym, GJ/rok
3. Straty ciepła w sezonie grzewczym
Es=10-5 8 64 qs Li Ds; GJ/rok
gdzie:
Ds - liczba dni trwania sezonu grzewczego, dni
Li - długość odcinka sieci, m
qs - jednostkowe straty ciepła w sezonie grzewczym, [W/m]
4. Jednostkowe straty ciepła w sieci preizolowanej (metoda NFOŚiGW - prosta metoda, nie
uwzględniająca stanu i grubości izolacji)
qs=U (tz+tp-2 ts)
gdzie:
U - współczynnik strat ciepła charakterystyczny dla danego rurociągu, W/mK
tz - średnia temperatura nośnika ciepła w okresie grzewczym na zasilaniu
tp - średnia temperatura nośnika ciepła w okresie grzewczym na powrocie
ts - temperatura na zewnątrz rurociągu
- rurociąg położony w gruncie ts= 8ᵒC
- rurociąg nad powierzchnią ziemi ts=tśr zew - średnia temperatura zewnętrzna w
okresie grzewczym i poza okresem grzewczym
- rurociąg umieszczony w kanałach, ts zależy od temperatur panujących w sieci
5. Jednostkowe straty ciepła w sieci preizolowanej (metoda LOSC - uwzględnienie stanu i
grubości izolacji)
q
2
t
t
2
t
gdzie:
tz - temperatura nośnika ciepła na zasilaniu
tp - temperatura nośnika ciepła na powrocie
tg - temperatura otoczenia
U1, U2 - współczynniki strat ciepła uwzględniające opory izolacji, gruntu i opór wzajemnego
oddziaływania na siebie rurociągów zasilania i powrotu
6. Straty ciepła poza sezonem grzewczym
Es=10-5 8 64 ql Li (365-Ds); GJ/rok
gdzie:
ql - średnie jednostkowe straty w sieci poza sezonem
Ds - liczba dni trwania sezonu grzewczego, dni
Li - długość odcinka sieci, m
7. Średnie jednostkowe straty w sieci poza sezonem
ql u
-2 ts)
gdzie:
u - współczynnik strat ciepła
ts - temperatura na zewnątrz rurociągu
8. Współczynnik strat ciepła
u a u0
gdzie:
a- wskaźnik pogorszenia stanu izolacji rurociągu w wyniku starzenia
uo- współczynnik strat uwzględniający średnicę rurociągu
9. Straty ciepła w warunkach obliczeniowych
Qo=qo Li, W
gdzie:
qo - jednostkowe straty ciepła sieci w warunkach obliczeniowych, W/m
Li - długość odcinka sieci, m
10. Starty ciepła spowodowane nieszczelnością sieci
En
3 62
i
D2w vs (tz+tp-24
-9
, GJ/rok
gdzie:
Li - długość odcinka sieci, m
Dw - średnica wewnętrzna rurociągu, mm
vs - stosunek rocznych ubytków wody w sieci do wielkości zładu
tz - średnia temperatura nośnika ciepłą w okresie grzewczym na zasilaniu
tp - średnia temperatura nośnika ciepła w okresie grzewczym na powrocie
Metody ograniczania.
Tak jak wyżej wspomniano straty ciepła na przesyle są poważnym problemem i zależą
głównie od sposobu wykonania sieci ciepłowniczej i jej zaizolowania. Chcąc je ograniczyć
najwięcej możemy zyskać modernizując istniejące sieci.
Jednym ze sposobów jest wymiana istniejących sieci kanałowych, podatnych na
zawilgocenia, uszkodzenia i posiadających słabą izolację, na sieci preizolowane.
Dopuszczalne straty ciepła na sieciach kanałowych według normy PN-85/B-02421 są większe
nawet o 40% w stosunku do sieci preizolowanej. Już sam ten fakt pozwala je znacznie
ograniczyć.
Sieci preizolowane posiadają wiele zalet. Ich izolacja ma wyższą jakość i trwałość z
uwagi na to, iż cały proces technologiczny izolowania powierzchni rur odbywa się w
warunkach zakładu przemysłowego. Układanie tych rur w gruncie nie wymaga wielu prac
przygotowawczych, roboty wykonywane na placu budowy nie są pracochłonne.
Najważniejszą wielkością, która charakteryzuje izolację z pianki poliuretanowej jest
współczynnik przewodzenia ciepła wynoszący 0,033 W/(m·K).
Innym sposobem na ograniczenie strat ciepła w sieciach ciepłowniczych jest
zwiększenie grubości izolacji na rurociągu zasilającym i powrotnym bądź tylko zasilającym.
Wiąże się to jednak ze zwiększeniem kosztów materiałowych. Badania przeprowadzone
przez Logstor dla kilkunastu istniejących sieci wykonanych z rur o DN50DN200 dowiodły, iż
koszt takiej inwestycji zwraca się w okresie od 6 do 8 lat. Dla sieci magistralnych czas ten jest
jednak o wiele dłuższy ze względu na większe średnice rurociągów- sięga 16-30 lat.
Kolejną metodą jest stosowanie izolacji poliuretanowej o coraz niższych wartościach
współczynnika przewodzenia ciepła oraz ograniczanie zjawiska jej starzenia się. Nowa norma
PN-EN 253:2009 zmniejsza współczynnik λ z wartości 0,033 W/(m·K) na 0,029 W/(m·K).
Powoduje to zmianę sposobu pienienia systemu poliuretanowego z pienienia czystym CO2 na
pienienie Cyklopentanem. Ten nowy sposób ogranicza współczynnik przewodzenia nawet do
0,024-0,026 W/(m·K). Należy pamiętać jednak, wartość współczynnika zależy też od gęstości
izolacji, średniej temperatury izolacji, rodzaju zastosowanego systemu surowcowego,
rodzaju i grubości płaszcza osłonowego oraz czasu eksploatacji rurociągu. Uwagę należy
zwrócić także na pogorszenie się właściwości izolacyjnych wraz z upływem czasu. Największy
wpływ na współczynnik przewodzenia ciepła izolacji ma zawartość gazu w piance
poliuretanowej. Badania wykazały, że zawartość CO2w komórkach zamkniętych na skutek
dyfuzji może spaść do zera już po 8 latach. W przypadku Cyklopentanu jego zawartość
zmienia się wolniej z upływem czasu (w ciągu 10 lat maleje o około 25%, a w ciągu 30 lat o
połowę początkowej wartości).Zjawisko dyfuzji gazów można też zmniejszyć stosując barierę
antydyfuzyjną.
Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych można też ograniczyć stosując wielorurowe
systemy rur przewodowych (TWIN PIPE). To rozwiązanie pozwala też ograniczyć emisję
CO2nawet o 1 tonę w skali roku w stosunku do rury pojedynczej z izolacją standard.
Podsumowując:
- wymiana sieci kanałowych na preizolowane pozwala ograniczyć straty o 23% dla izolacji
Standard oraz 40% dla izolacji Plus,
-zwiększenie grubości izolacji dla sieci rozdzielczych zwraca nakłady inwestycyjne po 6-8
latach dla izolacji Plus na zasilaniu i Standard na powrocie, po 10-12 latach dla izolacji Plus na
zasilaniu i powrocie, a dla sieci magistralnych po około 18 latach dla izolacji Plus na zasilaniu,
Standard na powrocie i po około 30 latach dla izolacji Plus na zasilaniu i Plus na powrocie,
-stosowanie Cyklopentanu zamiast CO2 jako substancji pieniącej daje oszczędności około
18%,
- zastosowanie bariery antydyfuzyjnej w rurach preizolowanych pieniących Cyklopentanem
daje oszczędności około 9%,
-zastosowanie rur TwinPipe daje oszczędności 30-35% w stosunku do rury pojedynczej z
izolacją Standard.
Wykres 1.. Jednostkowe straty ciepła rur preizolowanych w rozbiciu na średnice.
Innym sposobem ograniczania strat ciepła w sieciach ciepłowniczych jest obniżenie
temperatury wody. Proces ten jednak bardzo ciężko jest zrealizować z uwagi na
uwarunkowania techniczne pracy systemu ciepłowniczego. Obniżenie temperatury wody
powoduje wzrost ciśnienia i przepływu. Następstwem tego jest konieczność zmian w
układach pompowych w ciepłowniach i przepompowniach sieciowych. Innym problemem
jest przepustowość sieci, która ogranicza możliwość zwiększenia strumienia wody sieciowej.
Ograniczając w ten sposób straty ciepła, należałoby też przeprowadzić zmiany w sposobie
regulacji węzłów cieplnych. Konieczna wówczas jest zmiana nastaw regulatorów lub ich
wymiana oraz korekta wielkości wymienników. Jak widać jest wiele aspektów do
rozpatrzenia w celu oceny możliwości obniżenia temperatury wody i zależą one od
indywidualnych cech systemów ciepłowniczych.
Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych to pojęcie bardzo ważne z racji efektywności
przesyłania ciepła do odbiorców. Wiele metod pozwala nam ocenić jakość sieci i pomóc
znaleźć rozwiązanie na jej poprawę. Przy projektowaniu sieci należy zwracać szczególną
uwagę na straty ciepła w rurociągach. Ważny jest rodzaj izolacji przewodów, dokładność
wykonania, zabezpieczenia połączeń rur. Każdą sieć powinno się traktować indywidualnie i
pamiętać, iż nie ma jednego idealnego rozwiązania pozwalającego ograniczać w znaczny
sposób straty ciepła.
Bibliografia:
1. A.Szkarowski, L.Łatkowski, Ciepłownictwo, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne,
Warszawa 2006
2. O.Niemyjski, Straty ciepła ciepłowniczych i możliwości ich ograniczania,
„Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr7-8/2007”
3. A.Łebek, A.Smyk, Wyznaczanie strat ciepła w sieci ciepłowniczej dla potrzeb audytu
energetycznego, XIII Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje 13-16.09.2009
4. P.Ziętek, Termoizolacje techniczne instalacji grzewczych i chłodniczych, Energia i
Budynek (06/09)
5. Szacowanie strat ciepła w wyniku realizacji projektu, Infrastruktura i Środowiska –
Narodowa Strategia Spójności, Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko
2007-2013.
6. http://www.inzynierbudownictwa.pl/technika,materialy_i_technologie,artykul,ograni
czanie_strat_w_sieciach_cieplowniczych_w_aspekcie_stosowania_rur_preizolowany
ch,4359, 26.04.2012r.
7. http://www.vattenfall.pl/pl/wytwarzanie-energii-ciepla.htm , 26.04.2012r.
8. Peter Randlov, Podręcznik ciepłownictwa - system rur preizolowanych, Wydawnictwo
CIBET, 1997