Minimalna średnica przyłącza ciepłowniczego

Wybór sposobu zaopatrzenia w ciepło budynku jest zagadnieniem ważnym i istotnie wpływającym zarówno na warunki komfortu zapewniane przez instalację ogrzewczą, jak i na koszty użytkowania pomieszczeń. W wielu publikacjach autorzy zalecają przeprowadzenie wstępnych analiz, które pozwolą wybrać wariant optymalny dla konkretnych uwarunkowań, lokalizacji i konstrukcji budynku.

Wykonanie jednak takich teoretycznych symulacji, nawet wielowariantowych, nie zawsze będzie w późniejszym okresie eksploatacji obiektu budowlanego skutkować utrzymaniem kosztów zaopatrzenia w ciepło na racjonalnie niskim poziomie. Przyczyną takiego stanu rzeczy są błędy popełnione przy ustalaniu założeń wstępnych do symulacji lub późniejsze odstępstwa (od rozwiązań ustalonych w projekcie) dokonane podczas realizacji systemu zaopatrzenia w ciepło.

Należy mieć na uwadze, że podłączenie do miejskiej snapoieci gazowej lub miejskiego systemu ciepłowniczego musi być zrealizowane zgodnie z warunkami przyłączeniowymi wydanymi przez właściwe przedsiębiorstwo. Ustalone warunki podłączania do systemu są później zazwyczaj rygorystycznie przestrzegane. Przedsiębiorstwo ciepłownicze może w wydanych warunkach technicznych określić m.in. minimalną średnicę przyłącza ciepłowniczego, miejsce włączenia do sieci czy niezbędne elementy wyposażenia węzła ciepłowniczego.

Bardzo często średnica przyłącza jest zdecydowanie większa od wymaganej średnicy obliczonej na podstawie zapotrzebowania na ciepło budynku oraz kryterium prędkości lub jednostkowych spadków ciśnienia. Szczególnie dotyczy to odbiorców końcowych o małej mocy zamówionej. Wymagania ustalone przez przedsiębiorstwo ciepłownicze, często oparte na historycznych już uwarunkowaniach, mają na uwadze przede wszystkim zapewnienie bezawaryjnej dostawy ciepła w całym sezonie grzewczym, do wszystkich obiektów podłączonych do systemu oraz w długiej perspektywie czasowej (uwzględniając przy tym również możliwość rozbudowy systemu).

Za mała średnica przyłącza ciepłowniczego może w późniejszym czasie skutkować na tyle dużymi oporami przepływu, że w okresach wystąpienia zwiększonego strumienia wody sieciowej mogą wystąpić problemy z utrzymaniem odpowiedniego ciśnienia dyspozycyjnego. Nadmierne zmniejszenie ciśnienia dyspozycyjnego może spowodować zakłócenia pracy układu automatycznej regulacji (w szczególności zaworów regulacyjnych), a w konsekwencji doprowadzić do zaburzeń w dostawie ciepła. Należy jednak pamiętać, że prawdopodobieństwo wystąpienia przedstawionych tu problemów odnosi się przede wszystkim do obiektów podłączonych na końcówkach sieci ciepłowniczej.

W celu uproszczenia procesu podejmowania decyzji podczas ustalaniu warunków dla przyłączenia odbiorcy ciepła do sieci rezygnuje się nie tylko z indywidualnej analizy warunków pracy konkretnego węzła i przyłącza ciepłowniczego zlokalizowanego w określonym miejscu systemu. Pozbawia się również projektanta możliwości wykazania, że przyłącze ciepłownicze o innej średnicy niż wymagana przez przedsiębiorstwo nie zakłóci dostawy ciepła do konkretnego budynku oraz nie wypłynie negatywnie na warunki eksploatacji całego systemu ciepłowniczego. Rola projektanta jest zatem zazwyczaj ograniczona tylko do wdrożenia narzuconych mu typowych rozwiązań.

Przyjęcie zbyt dużej w stosunku do potrzeb średnicy przyłącza ciepłowniczego spowoduje zwiększenie kosztów jego budowy oraz doprowadzenie do wzrostu strat ciepła na przesyle. Oczywiście można próbować wykazywać, że różnica w cenie pomiędzy przyłączem Dn 25 a Dn 40 jest mało istotna (tab. 1.), podobnie jak wielkość wspomnianych strat ciepła, jednak wielokrotne powielanie nawet drobnych błędów w dużej i rozległej sieci ciepłowniczej będzie skutkować zauważalnym pogorszeniem efektywności energetycznej całego systemu.

Należy zwrócić uwagę na jeszcze jeden aspekt: wytyczne przygotowane przez przedsiębiorstwo ciepłownicze są opracowane w oparciu o przypadki typowe, najczęściej występujące w danym mieście lub regionie. Zastosowanie ich dla przypadków standardowych zazwyczaj nie generuje istotnych skutków negatywnych ani dla operatora systemu, ani dla końcowego odbiorcy.

W sytuacji, gdy mamy do czynienia z przyłączem ciepłowniczym o długości kilkunastu metrów przewymiarowanie średnicy przewodów nawet o dwa wymiary handlowe (np. z Dn 25 na Dn 40) nie podwyższy istotnie nakładów inwestycyjnych. Wygląda to jednak zdecydowanie inaczej dla przypadków nietypowych.

Studium przypadku

Szczegółową analizę porównawczą wykonano dla budynku mieszkalnego wielorodzinnego, w którym znajduje się 14 mieszkań. Łączne zapotrzebowanie ciepła na potrzeby centralnego ogrzewania oszacowano na 70 kW. Z instalacji ciepłej wody użytkowej korzysta 50 osób (3,6 osoby na mieszkanie), a maksymalna godzinowa moc układu przygotowania c.w.u. wynosi wtedy również 70 kW. Standardowym rozwiązaniem większości budowanych w Polsce węzłów ciepłowniczych jest brak układów przygotowania c.w.u. z akumulacją ciepła.

Parametry obliczeniowe instalacji c.o. wynoszą 85/65°C, zaś obliczeniowa temperatura zewnętrzna –18°C. Węzeł ciepłowniczy dwustopniowy dwufunkcyjny [2] zasilany jest z sieci ciepłowniczej wysokoparametrowej 130/70°C. Przy takich założeniach warunków pracy instalacji odbioru ciepła wyznaczony maksymalny strumień wody sieciowej wynosi 0,53 kg/s.

Gdyby przyłącze ciepłownicze miało średnicę Dn 40, wówczas prędkość przepływu czynnika w warunkach obliczeniowych wynosiłaby 0,38 m/s. Przy braku zapotrzebowania na ciepło w postaci ciepłej wody użytkowej prędkość ta jeszcze zmaleje. Należy mieć również na uwadze warunki występujące w okresie letnim, gdy brak jest zapotrzebowania ciepła na ogrzewanie. Ograniczenie średnicy przewodów przyłącza do Dn 25 spowoduje wzrost prędkości przepływu nośnika ciepła do wartości 0,83 m/s.

W literaturze dotyczącej ciepłownictwa można znaleźć różne wskazówki dotyczące zasad doboru średnic przewodów sieci ciepłowniczej. Stosowane mogą być kryteria wynikające z zalecanego jednostkowego oporu liniowego lub prędkości przepływu. W [3] podane jest zalecenie, aby prędkość wody sieciowej mieściła się w zakresie 0,5÷3,0 m/s. W [4] autorzy bardziej szczegółowo rozgraniczają zalecenia dotyczące prędkości wody sieciowej:

• w odcinkach tranzytowych – 3,0÷3,5 m/s,
• w odcinkach głównych (magistralnych) – 2,5÷3,0 m/s,
• w odgałęzieniach – 1,5÷2,0 m/s.

Autorzy [5] zalecają natomiast, aby prędkość przepływu nośnika ciepła w przewodach sieci ciepłowniczej o maksymalnych średnicach nie przekraczała 3,0÷3,5 m/s. Jak zatem widać wytyczne są zbieżne, chociaż w szczegółach dość istotnie się różnią.

Wynik obliczenia prędkości przepływu w analizowanym przypadku i po przyjęciu mniejszej średnicy przyłącza (Dn 25) zawiera się w zakresie wskazanym w [3], chociaż nie spełnia już warunków podawanych przez pozostałych autorów. Jednak zastosowanie średnicy przyłącza Dn 40 skutkuje uzyskaniem prędkości dużo mniejszych i nie spełniających nawet warunku określonego w [3].

Przyłącze ciepłownicze użytkowane na potrzeby węzła dwufunkcyjnego działa przez cały rok. Choć strumień wody sieciowej oraz temperatury zasilania i powrotu ulegają w tym czasie zmianom (w efekcie prowadzonej regulacji jakościowej w źródle ciepła), to straty ciepła zależą wyłącznie od różnicy temperatur pomiędzy czynnikiem a gruntem oraz od średnicy przewodu.

Ponieważ wartość ta zależy od różnych uwarunkowań lokalnych, wyznaczając straty ciepła przyłącza przyjęto wariantowo różne dwie średnie temperatury gruntu (8°C i 5°C). Wyniki analiz zestawiono w tab. 2. Jak z niej wynika, przy stosunkowo dużej długości przyłącza, różnice w stratach ciepła w zależności od jego średnicy są zauważalne.

Ważną wielkością w symulacjach strat ciepła było ustalenie średniej temperatury zasilania i powrotu dla całego okresu dostawy ciepła. W przypadku dostawy ciepła wyłącznie na potrzeby c.o., zagadnienie to jest dość proste zarówno od strony formalnej, jak i algebraicznej. Na podstawie danych klimatycznych dla wybranej lokalizacji wyznacza się bowiem średnią temperaturę zewnętrzną dla sezonu grzewczego t_śr zewn. Dla tej wartości temperatury zewnętrznej, na podstawie wykresu regulacyjnego, określą się następnie wartość temperatury zasilania T_zas i powrotu T_pow.

W przypadku przyłącza lub – w ogólnym przypadku – sieci ciepłowniczej, które dostarcza ciepło również w okresie letnim, na potrzeby przygotowania c.w.u. przedstawiona powyżej metoda ulega modyfikacji. W okresie letnim temperatura wody sieciowej na zasilaniu utrzymywana jest jako stała, zwykle ok. 70°C. Taki sposób regulacji powoduje podwyższenie średniorocznej temperatury na zasilaniu.

Precyzyjne wyznaczenie średniej temperatury zasilania od strony algebraicznej jest oczywiście możliwe, choć niezbędna jest do tego znajomość tzw. krzywej klimatycznej dla konkretnej miejscowości. W poniższych analizach wykonano obliczenia modelowe dla dwóch wartości średniej temperatury zasilania i powrotu. Uzyskane w ten sposób wyniki mogą być interpretowane jako odwzorowanie rzeczywistych strat ciepła w ciągu roku z łagodną i mroźną zimą.

Zestawienie strat ciepła na przyłączu ciepłowniczym w ciągu roku z wielkością całkowitego zużycia ciepła przez instalacje odbiorcze w budynku (tab. 3.) pozwala jeszcze lepiej zobrazować efektywność energetyczną tego fragmentu systemu ciepłowniczego. W tym celu obliczone zostało roczne zużycie ciepła na potrzeby c.o. w oparciu o liczbę stopniodni oraz na potrzeby c.w.u. na podstawie dobowego zużycia c.w.u.

W [6] wskazano, że w nowoczesnym budownictwie wielorodzinnym pobór c.w.u. utrzymuje się na bardzo niskim poziomie w przeliczeniu na jednego mieszkańca. Z tego względu obliczenia modelowe zostały wykonane nawet dla jednostkowego zużycia równego 30 dm³/(doba·osoba).

W przypadku zużycia ciepła w samym budynku na poziomie 719 GJ/rok, straty ciepła na przesyle samym przyłączem określone dla wariantu w.4.2. (tab. 2.) wynoszą aż 33%. Zmniejszenie średnicy (na Dn 25 – wariant w.4.1.) powoduje ograniczenie udziału strat ciepła do 28%. Przy uwzględnieniu maksymalnych możliwych do wystąpienia wskaźników jednostkowych zużycia c.w.u., udział strat ciepła na przesyle przyłączem wynoszą odpowiednio: 26% (w.3.2.) oraz 22% (w.3.1.).

Przy długości przyłącza ciepłowniczego równego 100 m wpływ średnicy przyłącza jest już zdecydowanie mniejszy – w przypadku w.1.1. straty ciepła stanowią 8%, a w w.1.2. tylko nieznacznie więcej (9%). Należy jednak podkreślić, że są to straty występujące tylko w niewielkim fragmencie sieci ciepłowniczej, do których dla całkowitego bilansu należy dodać również straty występujące w pozostałych elementach systemu.

Owszem, zazwyczaj długość przyłącza ciepłowniczego wynosi od kilku do kilkudziesięciu metrów, jednak nie należą do rzadkości przypadki, gdzie jest ona dużo większa [7]. Trzeba jeszcze pamiętać, że rzeczywiste zużycie ciepła na potrzeby ogrzewania pomieszczeń jest obecnie również ograniczane przez mieszkańców poniżej wartości obliczanych z modeli matematycznych [6, 8]. Jeśli będzie występować taka tendencja, trzeba liczyć się z dalszym wzrostem względnego poziomu strat ciepła na przesyle. Straty te nie ulegną bowiem zmianie, natomiast zmniejszy się poziom odniesienia.

Podsumowanie

Uproszczone metody doboru urządzeń ułatwiają pracę projektantom i ograniczają nakłady czasowe na przygotowanie dokumentacji projektowej. W większości przypadków są one również wystarczająco skuteczne, tzn. dają poprawny wynik. Zastosowanie złożonych procedur obliczeniowych w wielu przypadkach spowoduje uzyskanie analogicznego wyniku lub prawie identycznego.

Trzeba jednak podkreślić, że dla przypadków specyficznych wynik uzyskany z uproszczonych procedur może być obarczony istotnym błędem. Obniżenie efektywności energetycznej w takiej sytuacji będzie obciążać podwyższonymi kosztami eksploatacyjnym użytkownika przez wiele lat.

Przedsiębiorstwa ciepłownicze wprowadzając warunki, np. w postaci minimalnej średnicy przyłącza, mają na celu zapewnienie bezawaryjnej pracy systemu ciepłowniczego. Jednak bezkrytyczne ich stosowanie może w niektórych przypadkach powodować istotne obniżenie efektywności energetycznej, które jest niekorzystne dla samego przedsiębiorstwa, jak i końcowego odbiorcy ciepła.

Przedstawiona tu teoretycznie przeprowadzona analiza ma przede wszystkim zwrócić uwagę na problem, jaki dotyczy wielu scentralizowanych systemów zaopatrzenia w ciepło. Jest on przy tym niezwykle trudny do wyeliminowania, gdyż wymaga albo całkowitej przebudowy infrastruktury albo pozyskania dodatkowych, dużych odbiorców ciepła.

Nie tylko bowiem duży udział strat ciepła w stosunku do ilości sprzedawanego ciepła wynika z niedostosowania średnic rurociągów magistralnych i tranzytowych (projektowanych w odmiennych warunkach systemowych i przy założeniu dynamicznego rozwoju energochłonnej zabudowy), ale mają nań wpływ również straty ciepła na samych przyłączach do węzłów ciepłowniczych, szczególnie gdy moc zamówiona pojedynczego węzła jest mniejsza od 200 kW.

Artykuł nie odpowiada na pytanie, jaka powinna być minimalna średnica przyłącza ciepłowniczego, zwraca jednak uwagę na sam problem. Patrząc na rozwiązania, stosowane technologie (fot. 4a i 4b.) oraz coraz lepszą jakość wody sieciowej, celowe jest przeanalizowanie dostosowania tych średnic do rzeczywistych potrzeb odbiorcy końcowego.

Poprawiać to będzie efektywność energetyczną funkcjonujących powszechnie w naszym kraju scentralizowanych systemów zaopatrzenia w ciepło. Problem dotyczy przede wszystkim istniejącej infrastruktury, której wymiana jest zbyt kosztowna, aby przeprowadzać ją w sposób kompleksowy, a uzyskany w jej wyniku efekt finansowy i tak skutkuje bardzo długim okresem zwrotu nakładów, sięgającym często ponad 20÷30 lat.

Literatura

1. Fortum Wrocław SA, Taryfa dla ciepła, Decyzja Prezesa URE nr SWR-4210-34/2007/252/VIII-A/JJ z dnia 5 października 2007 r.
2. Klimczak M., Nowak B., Węzeł ciepłowniczy – alternatywa dla lokalnej kotłowni, Rynek Instalacyjny 9/2007, s. 71.
3. Kamler W., Ciepłownictwo, PWN, Warszawa 1979.
4. Overgaard J., Knudsen S., District heating networks – choosing the right pipe dimensions, News from DBDH 1/2006.
5. Szkarowski A., Łatowski L., Ciepłownictwo, WNT, Warszawa 2006.
6. Bartnicki G., Nowak B., Sezonowe zużycie ciepła a efektywność systemu grzewczego, Rynek Instalacyjny 4/2008, s. 54.
7. Nowak B., Bartnicki G., Przyłącze ciepłownicze – modernizacja czy zmiana sposobu zaopatrzenia w ciepło, Rynek Instalacyjny 1–2/2008, s. 58.
8. Nowak B., Bartnicki G., Sezonowa sprawność kotłowni gazowej w warunkach rzeczywistych, Rynek Instalacyjny 5/2008, s. 54.
9. Katalog firmy Brugg, www.brugg.pl.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!