Ciepłownictwo systemowe w drodze do generacji 5G

Polskie sieci ciepłownicze projektowane były przy założeniu, że temperatura na zasilaniu w warunkach projektowych wynosić będzie 150°C. Wprowadzenie technologii preizolowanych przewodów ciepłowniczych spowodowało korektę warunków pracy sieci i zmniejszenie strat, a tym samym możliwość obniżenia temperatury zasilania o ok. 30°C. Także docieplanie budynków, wymiana węzłów cieplnych i zmiany klimatyczne sprawiają, że uzasadnione jest dalsze obniżanie temperatury zasilania, o kolejne 20–30°C. Coraz więcej sieci w Polsce w praktyce pracuje często na parametrach zasilania 90°C.

Ważnym elementem modernizacji ciepłownictwa jest także integracja z energetyką. Ciepło ma powstawać w wysokosprawnej kogeneracji z coraz większym udziałem energii odnawialnej. Zwykłe ciepłownie będą stopniowo wypierane przez elektrociepłownie bazujące na gazie, OZE i odpadach.
Plany rozwoju ciepłownictwa w Europie przewidują kilka generacji rozwoju. Obecnie europejskie ciepłownictwo jest na etapie wdrażania 4. generacji i pilotażu 5. , ale mówi się już o generacji 6. Polskie ciepłownictwo sieciowe w dużych aglomeracjach osiągnęło w praktyce 3. etap i przygotowuje się do 4. Nieodłącznym elementem każdej generacji jest decentralizacja – podział na mikrosieci, obniżenie mocy wytwarzania ciepła i wiele źródeł energii oraz jak najmniejsze straty na przesyle. Ciepłownictwo przygotowuje się również do sytuacji, w której nowe budynki będą miały coraz mniejsze zapotrzebowanie na energię, a istniejące zostaną zmodernizowane. W efekcie tych działań za 20–30 lat sieci będą pracować najefektywniej na parametrach zasilania ok. 50°C.

Ciepłownictwo 4. generacji (4G) to pojęcie wprowadzone w 2014 roku. Zakłada ono dostarczanie ciepła i chłodu do budynków niskoenergetycznych oraz cyfryzację systemów ciepłowniczych i odbiorników ciepła – węzłów ciepłowniczych, tak aby w inteligentny sposób mogły one automatycznie zarządzać i optymalizować wykorzystanie energii [1, 2]. Ciepło ma być dostarczane w temperaturze wyjściowej poniżej 70°C. Takie plany powszechnego wdrożenia opierają się na rozwiązaniach sprawdzonych i już działających z powodzeniem w krajach skandynawskich.

Zmiany w ciepłownictwie sieciowym na tym etapie wymuszane są z jednej strony przez coraz większy udział energii odnawialnej, odpadowej i z odzysku, a z drugiej przez coraz lepsze technologie transportu ciepła, w tym m.in. rury preizolowane oraz nowoczesne węzły, a także spadek zapotrzebowania nowych i modernizowanych budynków na ciepło o wysokiej temperaturze. W budynkach takich do celów ogrzewania z powodzeniem wystarczają już temperatury nawet poniżej 50°C. To efekt m.in. dobrej izolacji termicznej budynków, eliminacji mostków termicznych, kontrolowanej wentylacji oraz odpowiedniej regulacji temperatury wewnętrznej. Z tych pozornie drobnych działań w budynkach powstaje bardzo duży potencjał oszczędnego i efektywnego energetyczne korzystania z ciepła sieciowego. Wdrożenie ciepłownictwa 4G to także konieczność współpracy i integracji energetycznej miejskich przedsiębiorstw ciepłowniczych, wodno-kanalizacyjnych, gospodarujących odpadami komunalnymi, elektroenergetycznych, a nawet komunikacyjnych. Wiele zależy od tej współpracy, a jak pokazuje doświadczenie, największe sukcesy w tej dziedzinie osiągają miasta w krajach z mocnym samorządem.

Przyjmuje się, że sieć ciepłownicza 4G będzie korzystać z węzłów pozwalających pozyskiwać ciepło z OZE i odpadowe. Na tym etapie energia z paliw kopalnych ma wynosić maks. 70%, z OZE 15% (kolektory słoneczne, pompy ciepła, PV, wiatraki), z ciepła odpadowego 10%, a z przetwarzania odpadów 5%. Sieć ma pracować na parametrach 70/30°C, natomiast instalacje w budynkach na zasilaniu z inteligentnego węzła mają mieć 55, a na powrocie 35°C. Wdrażane ma być centralne chłodzenie (adsorpcyjne i absorpcyjne) z jak największym wykorzystaniem OZE, pracujące na zasilaniu nie 6°C, ale co najmniej 12°C [4]. Powstaną duże centralne magazyny ciepła i małe w rozproszeniu [1, 2]. Magazynowanie ciepła w dużych, dobrze izolowanych podziemnych zbiornikach umożliwi pozyskiwanie zwłaszcza energii słonecznej w okresie letnim i jej zużywanie w sezonie grzewczym [4].

Ciepłownictwo 5. generacji to hybrydyzacja wytwarzania ciepła i dalsza decentralizacja, aż do momentu rezygnacji ze źródła centralnego oraz rozbudowa mikrosieci, tak aby poradzić sobie ze zmiennością produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Wymaga to także coraz większego potencjału magazynowania ciepła nie tylko w wodzie, ale też innych materiałach, w tym w PCM, a nawet magazynowania energii elektrycznej. Na tym etapie paliwa kopalne stanowią maks. 50%, OZE 30%, ciepło odpadowe 15%, a 5% pochodzi z przetworzenia odpadów. Parametry sieci zostaną obniżone do 45/25°C, a instalacje będą pracować z 40°C na zasilaniu i 30°C na powrocie. Chłodzenie ma pochodzić z OZE [1, 2]. Praca węzłów cieplnych i mieszkaniowych będzie elementem technologii smart building, z pełną interakcją między mieszkańcami i ich poczuciem komfortu a systemami ogrzewania i wentylacji. Etap ten będzie wymagał także zmian polegających na wprowadzaniu odbiorników ciepła (grzejników), które będą mogły pracować na tak niskich temperaturach.

Ciepłownictwo 6. generacji to sieci autonomiczne z budynkami plusenergetycznymi wytwarzającymi energię ze źródeł odnawialnych. To również etap tworzenia lokalnych mikrosieci współpracujących w ramach większych systemów lokalnych. Jego założeniem jest maksymalne korzystanie z energii odnawialnej, co w praktyce oznacza elektryfikację ogrzewania oraz całkowitą integrację z systemem energetycznym.

Czytaj też: Wymagania energetyczne dla budynków wielorodzinnych a rozwiązania konwencjonalne

W Niemczech wdrażane jest obecnie ciepłownictwo 4. generacji i powstaje wiele projektów współpracy ciepła systemowego ze źródłami odnawialnymi i magazynami ciepła. Inwestycje takie objęte są programami wsparcia finansowego. O ile magazyny ciepła o temperaturze ponad 100°C byłyby nieracjonalne, te o temperaturze 50–40°C, wykorzystujące najnowsze materiały temoizolacyjne i zmiennofazowe, dają dobre wyniki energetyczne.

Z kolei w Kopenhadze testowana jest współpraca sieci ciepłowniczej z odnawialnymi źródłami energii i jej wpływ na zasilanie budynków niskoenergetycznych w ciepło oraz optymalizacja parametrów działania dzięki cyfryzacji i analizie danych oraz samouczeniu się systemu. Ciepło pozyskiwane jest m.in. z urządzeń chłodzących wykorzystywanych przez markety [3].

Także w polskich ciepłowniach prowadzone są prace nad wdrażaniem elementów sieci 4. generacji i dostępne są środki na badania i wdrożenia technologii. Liczne przykłady realizacji sieci nowej generacji w naszym kraju podaje m.in. magazyn „Ciepło Systemowe” [7]. Budowę sieci ciepłowniczej 5G w Polsce zainicjowała w lipcu 2020 roku Szczecińska Energetyka Cieplna. Sieć o temperaturze 50/28°C będzie wykorzystywała ciepło odpadowe, magazyny ciepła i chłodu oraz instalacje OZE. Pierwszy odcinek systemu o długości 750 m zasili w ciepło i chłód Morskie Centrum Nauki – latem będzie dostarczać czynnik o temperaturze 15°C, a zimą ciepło niskotemperaturowe o temperaturze 50°C [6].

Ciekawe są wyniki duńskiego projektu FLEXYNETS [5] prowadzonego w ramach ciepłownictwa 5. generacji, w ramach którego badano pracę systemów ciepłowniczych i chłodniczych działających w temperaturach „neutralnych”, czyli w zakresie 15–30°C. Parametry takie oznaczają znaczne ograniczenie strat ciepła oraz gromadzenie ciepła odpadowego o niskiej temperaturze i ciepła odnawialnego na długości i pojemności całego rurociągu. Rozwiązanie to pozwala każdemu użytkownikowi nie tylko pobierać energię z sieci, ale także dostarczać ją z własnego układu chłodzenia pomieszczeń i urządzeń chłodniczych – jest to możliwe dzięki rewersyjnym pompom ciepła. Co więcej, pompy te zasilane są z odnawialnej energii lokalnej oraz sieciowej, także z PV i wiatru. Innym ważnym atutem tej sieci jest jej „doładowywanie” w systemie energetycznym – każdy nadmiar energii elektrycznej pompy ciepła mogą zrzucić do sieci. W ramach opisywanego programu dowiedziono, że koszty eksploatacji tego systemu są niższe niż w przypadku korzystania z konwencjonalnego systemu ciepłowniczego i chłodzenia pomieszczeń za pośrednictwem odrębnych jednostek.

Czytaj też: Nowe regulacje w zakresie efektywności energetycznej

Rury preizolowane jako niezbędny element ewolucji ciepłownictwa

Na wyższych etapach ewolucji ciepłownictwa coraz większą rolę odgrywać będą prosumenci oraz sieci, a zwłaszcza materiały, z których te ostatnie będą wykonywane. Na początku w kanałach ciepłowniczych stosowano tradycyjne ciepłociągi. Od lat 90. mamy w Polsce do dyspozycji rury preizolowane, a ich parametry energetyczne ciągle ewoluują. Coraz wyższa jakość izolacji zmniejsza straty na przesyle. Co więcej, można je układać bezpośrednio w gruncie i szybko oraz taniej modernizować system ciepłowniczy.

Rury preizolowane dostarczane są na plac budowy jako gotowe układy. Dla małych średnic w zakresie DN 32–100 stosuje się m.in. rury samokompensujące, z falistą (giętką) rurą przewodową. Mogą być one wykonywane ze stali nierdzewnej (AISI 304 lub 316L) i wyposażone w dodatkową folię z tworzywa pomiędzy warstwą izolacji termicznej a płaszczem osłonowym. Dla końcówek sieci niskotemperaturowych 4. i 5. generacji oferowane są także rury preizolowane z wytrzymałych tworzyw.

Rury przewodowe w większych średnicach dla sieci 4. i 5. generacji wykonywane są jako stalowe bez szwu, w sztangach o długości 6, 12 i 16 m. Ich powierzchnia zewnętrzna jest śrutowana, aby uzyskać dużą przyczepność pianki poliuretanowej. Wszystkie rury i kształtki muszą mieć końce wolne od izolacji i płaszcza osłonowego, przygotowane do łączenia. Rury przewodowe o średnicach nominalnych DN ≤ 250 wykonuje się także jako podwójne, czyli w jednym rdzeniu izolacji w płaszczu osłonowym umieszczane są dwie rury przewodowe.

Do izolacji termicznej rur preizolowanych używana jest najczęściej pianka poliuretanowa (PUR), rzadziej poliizocyjanurowa (PIR). W warstwie izolacji umieszcza się przewody alarmowe, które przekazują sygnał w razie wzrostu wilgotności lub przerwania przewodu alarmowego, co wskazuje na uszkodzenie i daje możliwość szybkiej interwencji. Dokładność lokalizacji wycieku jest bardzo wysoka i wynosi ok. 1 m na 1 km rury. Płaszcze osłonowe wykonywane są z tworzyw – głównie polietylenu wysokiej gęstości lub blachy aluminiowej albo stalowej, nawijanych w technologii spiro. Oferta rur prefabrykowanych obejmuje armaturę i kształtki preizolowane oraz odpowiednie systemy łączenia.

Wraz z rozwojem technologii produkcji izolacji termicznych zmieniły się wymagania normowe [10] w zakresie maksymalnej dopuszczalnej wartości współczynnika przewodzenia ciepła PUR. W 2005 roku było to 0,033 W/(mK), a obecnie 0,029 W/(mK) [11]. Lepszą izolacyjność termiczną uzyskuje się m.in. dzięki zmianom w technologii spieniania PUR.

Istnieje także związek między technologią produkcji rur preizolowanych a ich przewodnością cieplną. Stosowane są następujące technologie:

• metoda „rura w rurze” – w obszar między rurą przewodową a płaszczem osłonowym wtryskiwana jest pianka (grubość izolacji warunkowana jest średnicą płaszcza osłonowego);
• metoda półciągła – PUR spieniany jest w formie stalowej założonej na rurę przewodową (możliwe zastosowanie dowolnej grubości izolacji), a po zdjęciu formy na warstwę gotowej izolacji nawijany jest płaszcz osłonowy;
• metoda ciągła (conti) – formowanie izolacji z barierą antydyfuzyjną i wytłaczanie płaszcza osłonowego odbywa się jednocześnie.

Systemy „rura w rurze” mają współczynniki przewodzenia ciepła od 0,0275 do 0,029 W/(mK), natomiast w metodzie ciągłej i półciągłej osiąga się do 0,024 do 0,026 W/(mK) [12]. Ważnym parametrem eksploatacyjnym rur preizolowanych jest także podatność na starzenie [13, 14]. Wpływ ma na to dyfuzja tlenu i azotu z powietrza do wnętrza warstwy izolacyjnej oraz gazów wypełniających pory pianki po spienieniu – na zewnątrz warstwy izolacji. W celu zapobiegania tym zjawiskom stosuje się bariery antydyfuzyjne z cienkiej warstwy EVOH. Zapewnia to zachowanie parametrów sieci ciepłowniczej przez cały okres eksploatacji – w generacji 4. i 5.

Literatura

1. Turski Michał, Sekret Robert, Konieczność reorganizacji systemów ciepłowniczych w świetle zmian zachodzących w sektorze budowlano-instalacyjnym, „Rynek Energii” 8/2015
2. Bartnicki Grzegorz, Klimczak Marcin, Koncepcja stopniowego wprowadzania założeń ciepłownictwa IV generacji do miejskich systemów ciepłowniczych, „Instal” 6/2018
3. https://magazyncieplasystemowego.pl/cieplownictwo/cieplownictwo-przyszlosci/
4. https://www.grundfos.com/pl/learn/ecademy/all-courses/grundfos-district-energy/the-4th-generation-the-future-of-district-energy
5. https://cordis.europa.eu/article/id/300715-fifth-generation-district-heating-systems-come-with-a-cooling-bonus/pl
6. https://magazyncieplasystemowego.pl/wiadomosci-z-firm/szczecin/pierwsza-w-polsce-siec-cieplownicza-5-generacji/
7. https://magazyncieplasystemowego.pl/cieplownictwo/sieci-coraz-nowszej-generacji/
8. PN-EN 15632-3 Sieci ciepłownicze. System preizolowanych rur giętkich
9. Matusiak Artur, Szafran Jacek, Piana PUR jako materiał izolacyjny w budownictwie, „Inżynier Budownictwa”, https://inzynierbudownictwa.pl/piana-pur-jako-material-izolacyjny-w-budownictwie/
10. PN-EN 253:2020 Sieci ciepłownicze. System pojedynczych rur zespolonych do wodnych sieci ciepłowniczych układanych bezpośrednio w gruncie. Fabrycznie wykonany zespół rurowy ze stalowej rury przewodowej, izolacji cieplnej z poliuretanu i osłony z polietylenu
11. Iwko Ireneusz, Ograniczanie strat w sieciach ciepłowniczych w aspekcie stosowania rur preizolowanych, „Inżynier Budownictwa”, https://inzynierbudownictwa.pl/ograniczanie-strat-w-sieciach-cieplowniczych-w-aspekcie-stosowania-rur-preizolowanych/
12. Kręcielewska Ewa, Menard Damien, Współczynnik przewodzenia ciepła izolacji w rurach preizolowanych po naturalnym i sztucznym starzeniu, materiały X Konferencji Technicznej Izby Gospodarczej Ciepłownictwo Polskie, Warszawa 2014
13. Kotwas Robert, Naturalne starzenie się izolacji rurociągów ciepłowniczych. Porównanie zmian izolacyjności termicznej wełny mineralnej i pianek poliuretanowych, „Instal” 10/2016
14. PN-EN 13941:2006 Projektowanie i budowa sieci ciepłowniczych z systemu preizolowanych rur zespolonych
15. Ryńska Joanna, Rury preizolowane w komunalnych sieciach ciepłowniczych – wybrane zagadnienia, „Rynek Instalacyjny” 7–8/2021
16. Materiały techniczne: Alpex, Brugg, Heatpex, Ingremio, Infracorr, Logstor, Radpol, Rehau, Synco, Termotech, ZPU Jońca