Przyłącze ciepłownicze - modernizacja czy zmiana sposobu zaopatrzenia w ciepło

Aby planowane przedsięwzięcie okazało się korzystne finansowo, musi zostać starannie przygotowane i przeprowadzone. Związane z tym koszty powinny przynieść wymierny efekt. Jego oszacowanie zazwyczaj stanowi podstawę podejmowanej decyzji. Zbyt długi okres zwrotu nakładów (np. kilkanaście lat) może skłonić do pozostawienia starego, mało efektywnego rozwiązania, dla którego koszt modernizacji jest zbyt wysoki w stosunku do prognozowanych korzyści. Znaczącą poprawę efektu finansowego można uzyskać poprzez połączenie modernizacji systemu zaopatrzenia w ciepło z innymi pracami remontowymi lub pozyskanie zewnętrznego dofinansowania [3,4].

W przypadku, gdy budynek zaopatrywany jest w ciepło z miejskiego systemu ciepłowniczego, w ramach przeprowadzanej termomodernizacji konieczna może okazać się wymiana sieci wykonanej w technologii kanałowej na bardziej nowoczesne rozwiązanie, w systemie preizolowanym. Zazwyczaj takie działanie będzie wynikać przede wszystkim ze złego stanu technicznego tego elementu systemu ciepłowniczego lub kompleksowych prac związanych z wymianą infrastruktury podziemnej (np. w ramach remontu drogi).

Samo ograniczenie strat ciepła na tak zmodernizowanym fragmencie sieci ciepłowniczej może okazać się zbyt małe, aby uzyskane oszczędności, liczone nawet w bardzo długim czasie, zrównoważyły ponoszone nakłady. Eksploatacja i utrzymanie sieci ciepłowniczej oraz przyłącza znajduje się w kompetencjach przedsiębiorstwa ciepłowniczego, jednak należy pamiętać, że możliwe przerwy w dostawie ciepła najdotkliwiej będą odczuwane przez użytkowników instalacji ogrzewczej (dla której źródłem ciepła jest węzeł ciepłowniczy). Również same straty ciepła, które są konsekwencją użytkowania takiego przyłącza, pośrednio obciążają końcowego odbiorcę, gdyż ich koszt uwzględnia cena za dostarczane z sieci ciepło.

Opisywany w artykule przypadek prezentuje fragment analiz, które poprzedziły ostateczną decyzję dotyczącą zakresu i sposobu modernizacji zasilania budynku w ciepło. W końcowym efekcie (opisanym bardziej szczegółowo w [1]) wybrano wariant polegający na rezygnacji z ciepła sieciowego. Jednym z argumentów dla tej decyzji było zbyt małe obciążenie cieplne i duży udział strat ciepła na przesyle, powodujący pogorszenie efektywności energetycznej dotychczasowego rozwiązania (tab. 3.).

Przyłącze ciepłownicze

Charakterystyka analizowanego budynku zasilanego w ciepło z miejskiej sieci ciepłowniczej opisana jest w [1]. Źródłem ciepła dla instalacji centralnego ogrzewania był jednofunkcyjny węzeł ciepłowniczy (fot. 1.), podłączony do sieci przyłączem wykonanym w technologii tradycyjnej (fot. 2.). Moc zamówiona wynosiła 38 kW.

Przewody stalowe izolowane wełną mineralną, osłonięte płaszczem ochronnym z papy asfaltowej zostały ułożone w nieprzechodnim kanale łupinowym. Przewód zasilający i powrotny wykonano z rur DN 40. Na mapach geodezyjnych zaznaczono jednak, że przyłącze to ma średnicę 2×DN 100. Jest to powszechny problem braku precyzyjnej informacji o istniejącym uzbrojeniu podziemnym, szczególnie w przypadku, gdy są to bardzo stare sieci.

Wpływ na brak wiedzy dot. infrastruktury mogą mieć przekształcenia własnościowe jej użytkowników, gdyż wtedy mogło następować dekompletowanie dokumentacji technicznej, a przede wszystkim jest to efekt niezbyt starannego dokumentowania wykonywanych prac budowlanych w minionych latach. Przyjęcie do analiz niezweryfikowanych warunków, a zatem innych niż rzeczywiste, może prowadzić do nieprawidłowych wniosków końcowych, a oszacowany teoretycznie efekt termomodernizacji okaże się wówczas niemożliwy do osiągnięcia.

Sprawdzenie wielkości średnicy rurociągów dokonano poprzez odkopanie fragmentu kanału ciepłowniczego (fot. 3.). W ten sposób uzyskano też ogólną wiedzę o stanie technicznym przyłącza. Uznano, że jest on zadowalający i raczej nie kwalifikuje tego odcinka sieci do natychmiastowej wymiany lub kompleksowego remontu. Rurociągi w odsłoniętym miejscu pomalowane były farbą antykorozyjną, nie stwierdzono widocznych obwisów izolacji termicznej, przesunięć rurociągów w osi kanału (co mogłoby wskazywać na nieprawidłowe działanie podpór stałych i ślizgowych).

Jedyne zastrzeżenie budziło niezbyt dokładne owinięcie izolacji osłoną wykonaną z taśmy z papy asfaltowej. Na jednym z rurociągów (powrót) widoczne były też drobne punktowe kropki rdzy (fot. 4.), co wskazuje na początek pojawienia się zjawisk korozji zachodzącej na zewnętrznej powierzchni tej rury. Jednak nie powinno to stanowić zagrożenia dla trwałości przyłącza jeszcze przez długi czas eksploatacji. Sama odkrywka niewielkiego fragmentu kanału i sieci nie pozwoliła stwierdzić bezpośrednio stanu całości analizowanego rurociągu. Na jej podstawie zweryfikowano jednak średnicę oraz zgodność trasy przebiegu, a w oparciu o mapę geodezyjną określono długość przyłącza, która wynosi ok. 350 m.

Brak jest również informacji na temat stanu wewnętrznej powierzchni rur. Można jednak oczekiwać, że w dolnej części przekroju rur, przynajmniej w niektórych fragmentach przyłącza, nastąpiło osadzenie się osadów krążących w systemie ciepłowniczym wraz z nośnikiem ciepła. Taką hipotezę uzasadniają bardzo małe prędkości przepływu wody sieciowej, jakie występowały od początku eksploatacji na tym odcinku. Bardziej odpowiadają one prędkościom zalecanym dla przepływu cieczy w filtroodmulnikach niż w samych rurociągach. Narażony jest przede wszystkim przewód zasilania, gdyż rurociąg powrotny częściowo chroniony jest przez filtroodmulnik zamontowany w węźle ciepłowniczym.

Średnica rurociągu

Autorzy w [5] podkreślają znaczenie poprawnego doboru średnic ciepłociągu, co jest dość oczywiste. Należy zakładać, że rurociągi eksploatowane będą przez okres co najmniej 20÷40 lat bez dokonywania wymiany czy napraw. Krótsza żywotność wynika przede wszystkim z wad technologicznych, użycia niewłaściwych materiałów czy złej eksploatacji systemu (jakość wody sieciowej, nieszczelność izolacji przeciwwilgociowej, podtopienia kanałów ciepłowniczych [6] itd.).

Na optymalną wielkość rurociągu ma wpływ wiele czynników, w tym przede wszystkim całkowity koszt budowy, koszt pompowania (pokonania oporów przepływu i zakupu urządzeń), straty ciepła (wzrastają wraz ze zwiększeniem średnicy) oraz ogólne koszty eksploatacji systemu. Literatura podaje zalecaną prędkość przepływu czynnika grzewczego, problemem może być natomiast prognozowanie ilości przesyłanego ciepła, szczególnie w przypadku planowania zaopatrzenia w ciepło jeszcze niezagospodarowanych terenów.

Według [5] w rurociągach tranzytowych prędkość przepływu wody sieciowej powinna mieścić się w zakresie 3,0÷3,5 m/s, w głównych (magistralnych) odcinkach sieci 2,5÷3,0 m/s, a w odgałęzieniach 1,5÷2,0 m/s. Wartości te są porównywalne z podanym w [7] zakresem, tj. 0,5÷3,0 m/s. Należy przy tym mieć na uwadze konkretne uwarunkowania lokalne, układ linii ciśnień w sieci oraz ciśnienie dyspozycyjne, które może decydować o możliwości zwiększenia lub o konieczności ograniczenia oporów przepływu.

W tabeli 1. przedstawiono wyniki analizy prędkości przepływu czynnika grzewczego w opisywanym przyłączu sieci ciepłowniczej. Dla porównań i zobrazowania problemu przyjęto różne założenia obliczeniowe (średnica, moc zamówiona, schłodzenie wody sieciowej) i odpowiadające im warunki eksploatacji systemu ciepłowniczego. Gdy przyłączem DN 40 dostarczane jest ciepło na potrzeby c.o. tylko dla jednego budynku o mocy zamówionej 38 kW, prędkość czynnika w przewodach będzie wynosić ok. 0,1 m/s. W rzeczywistości, ze względu na działającą w węźle ciepłowniczym automatykę, ilość odbieranego przez budynek ciepła (i odpowiadające temu przepływy) jest jeszcze mniejsza. Świadczą o tym odczyty ze wskazań ciepłomierza.

W tabeli 1. przedstawiono wyniki obliczeń prędkości przepływu czynnika dla trzech różnych wariantów centralnej regulacji temperatury na sieci ciepłowniczej. Niezależnie od sposobu regulacji jakościowej, przepływy w tym odcinku sieci są niewielkie, co skutkuje przy średnicy przyłącza DN 40 bardzo małą prędkością przepływu, odpowiadającą instalacjom grawitacyjnym, a nie ogrzewaniom pompowym i sieciom ciepłowniczym.

Wytyczne projektowania sieci ciepłowniczej [5,7] zalecają, aby prędkość w rurociągu była co najmniej 10 razy większa. Warto zauważyć, że nawet zmniejszenie średnicy rurociągu do DN 25 nie jest w stanie poprawić warunków eksploatacji przyłącza. Dopiero istotne zwiększenie obciążenia cieplnego (np. poprzez przyłączenie nowych odbiorców) może poprawić taką sytuację. Jednym z możliwych rozwiązań modernizacji przyłącza jest też zmniejszenie jego średnicy, np. na DN 25. Jednak przy zachowaniu dotychczasowego zapotrzebowania na ciepło przyczyni się to tylko do nieznacznego zwiększenia prędkości przepływu czynnika grzewczego.

Dalej będą to wartości zdecydowanie mniejsze od zalecanych. Inne warianty obliczeń zestawionych w tab. 1. pokazują, że odcinek sieci o średnicy DN 25 jest wystarczający do zasilania w ciepło odbiorców nawet o łącznym zapotrzebowaniu na ciepło ok. 100 kW przy zachowaniu prędkości przepływu na poziomie 1 m/s. Większe zapotrzebowanie ciepła po stronie odbiorców (150 kW) mogłoby w niektórych przypadkach powodować krótkookresowo wzrost prędkości przepływu do 1,5 m/s, co nawet przy takiej długości przyłącza nie spowoduje istotnie negatywnych skutków. Oczywiście należy też mieć na względzie łączne opory przepływu (przyłącze + węzeł ciepłowniczy) oraz ciśnienia dyspozycyjne.

Istniejącymi przewodami o średnicy DN 40 można zasilić odbiorców o łącznym zapotrzebowaniu na ciepło nawet 250 kW (6,5 × więcej niż moc zamówiona analizowanego węzła ciepłowniczego), a prędkość nie przekroczy 1,1 m/s.

Takie przewymiarowanie przyłącza wynikało z ogólnych zasad projektowania sieci ciepłowniczych (i wymagań przyjmowanych przez poszczególne przedsiębiorstwa ciepłownicze). Podawały one minimalną średnicę rurociągów i przyłączy (zazwyczaj DN 32 lub 40). Związana była z tym obawa przed osadzaniem na wewnętrznej powierzchni rur kamienia kotłowego i innych osadów, a tym samym ograniczano ryzyko zarastania przekroju przewodów (zakładany okres eksploatacji rurociągu 20÷50 lat), szczególnie w warunkach bardzo dużych ubytków wody sieciowej i złej jakości wody uzupełniającej.

Jak jednak widać, następuje tu sprzężenie zwrotne, tj. duża średnica, która z upływem czasu miała zapewnić odpowiednią przepustowość rurociągu, daje w efekcie bardzo małą prędkość przepływu i związane z tym osadzanie się osadów i zmniejszenie pola przekroju strugi. Zjawisko to dodatkowo może potęgować ograniczanie strumienia wody sieciowej w wyniku zmniejszania potrzeb cieplnych odbiorców.

O ile w węzłach dwufunkcyjnych (c.o. + c.w.u.) sposobem na ograniczanie takich tendencji są chwilowo zwiększone przepływy wody sieciowej odpowiadające szczytowym rozbiorom ciepłej wody użytkowej (przy braku akumulacji ciepła w zasobnikach c.w.u.), to w węzłach jednofunkcyjnych (c.o.) brak jest wpływu tego zjawiska. Gdy przyłącze jest stosunkowo krótkie (kilka, kilkanaście metrów), skutki przewymiarowania jego średnicy są ograniczone; dużo gorzej, gdy jego długość jest znacząca. Przekłada się to bowiem na niewspółmiernie duże straty ciepła na przesyle takim przyłączem.

Konsekwencje obniżenia prędkości przepływu czynnika w sieci ciepłowniczej to tylko jeden z obszarów zagrożeń dla warunków eksploatacji przyłącza ciepłowniczego. Jak widać na opisywanym przykładzie, wieloletnia eksploatacja nie spowodowała trudności z doprowadzeniem czynnika grzewczego do węzła ciepłowniczego. W czasach zintensyfikowanych działań na rzecz ochrony środowiska, poprawy efektywności energetycznej systemów zaopatrzenia w ciepło, ograniczania emisji CO2 do atmosfery [8,9], dużo większym problemem wynikającym z przewymiarowania średnic przyłączy sieci ciepłowniczej są straty ciepła na przesyle.

Przy określonej, traktowanej jako stała, ilości transportowanego ciepła, wraz ze zwiększeniem średnicy wzrasta powierzchnia wymiany ciepła. Jest to podstawowa składowa bilansu wymiany ciepła, na który składa się iloczyn powierzchni, różnicy temperatur (w przypadku sieci kanałowej różnica temperatury wody sieciowej i powietrza w kanale ciepłowniczym) oraz współczynnika przewodzenia ciepła (wynikającego ze sposobu wykonania izolacji termicznej).

Dla przyłącza o średnicy DN 40 oraz jego długości 350 m (długość rurociągów 2×350 m) wyznaczono jednostkowe straty ciepła qj [W/m], całkowitą moc straty ciepła Q [kW] oraz straty ciepła w ciągu sezonu grzewczego [GJ] zgodnie z metodą obliczeń opisaną w [4 i 10]. Są to analizy teoretyczne, które przyjmują określony model matematyczny opisujący zjawisko. Przybliża on ze skończoną dokładnością warunki rzeczywiste i obrazuje dla wzorcowego sezonu grzewczego i przyjętych założeń obliczeniowych wielkość strat ciepła na przesyle.

Istniejąca izolacja cieplna wykonana była metodą tradycyjną. Istotny wpływ na jej jakość ma zatem również czynnik ludzki. Należy także pamiętać o występujących mostkach termicznych (w miejscach podpór rurociągów, mocowań izolacji itp.). Przeprowadzone symulacje obliczeniowe określające szacunkowe straty ciepła zostały zatem wykonane dla trzech wariantów uśrednionej grubości izolacji.

Przy wyznaczaniu strat ciepła w sieci ciepłowniczej w skali roku ważne jest też przyjęcie w obliczeniach modelowych średniej temperatury czynnika w przewodach sieci ciepłowniczej. W przypadku regulacji jakościowej parametry (temperatura) czynnika zależą od temperatury zewnętrznej, zachmurzenia, prędkości wiatru itp. Zmienność czynników pogodowych w poszczególnych latach powoduje, że analizy również w tym zakresie powinny być realizowane wariantowo.

W obliczeniach przyjęto zatem dwie wartości średniej w roku temperatury (zasilanie i powrót) czynnika grzewczego twew = 60°C (ostra zima) oraz 50°C (łagodna zima). Występujące w rzeczywistości wyższe temperatury będą powodować wzrost strat ciepła w stosunku do określonych na podstawie tak skonstruowanego modelu. Średnią temperaturę powietrza w kanale ciepłowniczym tot założono równą 15°C [10]. W rzeczywistości może być jednak ona wyższa, ze względu na wielkość strat ciepła i ograniczoną wentylację przestrzeni kanału ciepłowniczego (brak komór i włazów).

Dla poszczególnych przypadków różniących się grubością izolacji uzyskano ilościowo różne wyniki, jednak od strony metody wnioskowania sama jakość izolacji ma znaczenie drugorzędne. W zależności od wariantu i przyjętych założeń – sumaryczne straty ciepła na przyłączu (tab. 2.) stanowią ok. 70÷170% ciepła sprzedawanego odbiorcy w ciągu ostatnich kilku sezonów grzewczych.

W analizach pominięto przy tym ogólne straty ciepła w sieci ciepłowniczej pomiędzy źródłem ciepła a przyłączem. Są one składową eksploatacji całego systemu, a ze względu na zasilanie innych odbiorców i wielkość mocy zamówionej dla analizowanego węzła ciepłowniczego nie stanowią bezpośredniego skutku zasilania w ciepło tego budynku.

W tabeli 3. zestawiono zużycie ciepła w budynku zasilanym z systemu ciepłowniczego w latach 2004÷2007 (do kwietnia) wg wskazań ciepłomierza. Wyznaczono również wpływ samych strat na przyłączu na pogorszenie efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w ciepło budynku (przyjmując do tych obliczeń ich roczną wartość równą ok. 200 GJ/sezon).

Na rys 1. przedstawiono natomiast procentowe porównanie strat ciepła odniesionych do zużycia ciepła dla 2 lat (2004 – największe zużycie ciepła, 2006 – najmniejsze zużycie ciepła) w zależności od wariantu przeprowadzanych obliczeń i przyjętych do nich założeń. W zestawieniu roczne zużycie ciepła na potrzeby c.o. stanowi poziom odniesienia, tj. 100%.

Największe straty ciepła uzyskano dla wariantu 1.2. – przekraczają one zdecydowanie ilość ciepła dostarczanego do budynku na potrzeby c.o. (o 50% w 2004 r. oraz o 71% w 2006 r.). Dla wariantu 2.3. uzyskano w oparciu o zastosowany model najmniejsze straty ciepła, które stanowią jednak odpowiednio aż 66% (2004 r.) i 75% (2006 r.) ciepła dostarczonego do odbiorcy. Jako realne można zatem przyjąć uśrednione warunki, dla których straty na przesyle (tak długim przyłączem i o jego średnicy niedostosowanej do ilości transportowanego ciepła) stanowią co najmniej ok. 100% ilości ciepła sprzedawanego zarządcy budynku.

Modernizacja

Główną przyczynę tak poważnych strat ciepła na przesyle stanowi bardzo duża powierzchnia wymiany ciepła wynikająca ze znacznego przewymiarowania średnicy tego fragmentu ciepłociągu. Druga przyczyna to stosunkowo duża długość przyłącza, którym zasilany jest tylko jeden odbiorca o dość małej mocy zamówionej. Modernizacja przyłącza ciepłowniczego mogłaby ograniczyć przynajmniej częściowo te czynniki.

Nowe rozwiązanie powinno mieć mniejszą średnicę (np. DN 25) i wytyczoną nową trasę przebiegu rurociągów. Możliwe jest skrócenie w ten sposób przyłącza (a tym samym ograniczenie strat ciepła na przesyle) o ok. 25%, dużo większy efekt daje jednak samo zmniejszenie średnicy i zmiana technologii wykonania (w systemie rur preizolowanych). Nadal jednak straty ciepła (tab. 4.) będą stanowić znaczący udział w odniesieniu do ilości sprzedawanego ciepła (30÷50%). Modernizacja przyłącza może zatem poprawić warunki eksploatacji tej części systemu ciepłowniczego, jednak nie na tyle, aby stała się ona opłacalna.

Podsumowanie

Zastosowanie niewłaściwej średnicy rurociągu sieci ciepłowniczej pociąga za sobą liczne i poważne konsekwencje. O ile nie musi powodować problemów z samą dostawą ciepła, o tyle w wymiarze finansowym i analizie efektywności energetycznej systemu zaopatrzenia w ciepło negatywne skutki mogą ujawnić się już w pierwszych sezonach grzewczych.

Modernizacja przyłącza lub fragmentu sieci ciepłowniczej, która sprowadza się wyłącznie do wymiany przewodów na nowe, wykonane w technologii preizolowanej, niewiele zmienia. Należy bowiem przeprowadzić również szczegółową analizę potrzeb odbiorców oraz perspektywy rozwoju i na tej podstawie dobrać właściwą średnicę przewodów. W analizach należy również oszacować straty ciepła na przesyle siecią ciepłowniczą przed i po jej modernizacji. Ograniczenie się do porównania jedynie wartości jednostkowej mocy strat ciepła jest niewystarczające. Konieczne jest bowiem również określenie strat ciepła w ciągu całego sezonu grzewczego.

Przeprowadzona w [1,12] analiza systemu zaopatrzenia w ciepło budynku wykazała wiele problemów związanych z jego eksploatacją i uzasadniła konieczność szybkiego wprowadzenia zmian. Okazało się, że korzystanie z ciepła sieciowego prowadzi do bardzo dużych strat ciepła i niskiej efektywności energetycznej istniejącego rozwiązania. Choć nie przekładało się to na bezpośrednie opłaty za kupowane ciepło (gdyż koszt nadmiernych strat rozkłada się na wszystkich użytkowników systemu ciepłowniczego), to jednak uzyskiwane przez przedsiębiorstwo ciepłownicze wpływy od tego klienta zupełnie nie pokrywały ponoszonych kosztów związanych z dostarczaniem mu ciepła.

Modernizacja polegająca na całkowitej zmianie sposobu zaopatrzenia w ciepło i rezygnacji z ciepła sieciowego [1] okazała się najkorzystniejszym rozwiązaniem. Nie oznacza to jednak wcale, że zawsze należy rezygnować z wykorzystania centralnych źródeł ciepła do ogrzewania obiektów o niewielkim zapotrzebowaniu na ciepło. Przede wszystkim należy wówczas rozważyć najbardziej korzystne rozwiązanie sieci przesyłowej, zapewniające ograniczenie strat ciepła na przesyle.

Przyłącza nie powinny być zbyt długie, a układ przewodów rozprowadzających powinien zapewniać jak największe obciążenie poszczególnych odcinków sieci (odniesione do jej długości). Jeżeli występuje odpowiednia nadwyżka ciśnienia dyspozycyjnego, korzystny jest też dobór średnic rurociągów zapewniający uzyskanie prędkości przepływu z górnego przedziału dopuszczalnych wartości.

Literatura

1. Nowak B., Bartnicki G., Źródło lokalne czy centralne? Rynek Instalacyjny 12/2007, s. 56.
2. Nowak B., Bartnicki G., Modernizacja instalacji ogrzewczych, Rynek Instalacyjny 6/2005, s. 36.
3. Tiukało A., Nowak B., Termomodernizacja współfinansowana przez Unię Europejską, Rynek Instalacyjny 9/2005, s. 40.
4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z 15 stycznia 2002 r. w sprawie szczegółowego zakresu i formy audytu energetycznego (DzU Nr 12, poz. 114).
5. Overgaard J., Knudsen S., District heating networks – choosing the right pipe dimensions, News from DBDH 1/2006.
6. Nowak B., Bartnicki G., Ścieki w ciepłociągu, Rynek Instalacyjny 11/2006, s. 80.
7. Kamler W., Ciepłownictwo, PWN, Warszawa 1979.
8. Harvey L.D., A handbook on low-energy buildings and district-energy systems, Earthscan, London 2006.
9. Nowak B., Energetycznie efektywne budownictwo, Rynek Instalacyjny 10/2007, s. 21.
10. PN-85/B-02421 Ogrzewnictwo i ciepłownictwo. Izolacja cieplna przewodów, armatury i urządzeń. Wymagania i badania.
11. Katalog firmy Logstor ror, www.infracorr.com.pl/logstor.
12. Bartnicki G., Nowak B., Ocena techniczna i ekonomiczna istniejącego sposobu ogrzewania budynku..., Raporty Katedry Klimatyzacji i Ciepłownictwa PWr seria SPR nr 10, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2007.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!