Analiza pracy sieci ciepłowniczej po termomodernizacji odbiorów ciepła

W krajach Unii Europejskiej 85% energii zużywane jest na potrzeby ogrzewania i ciepłej wody użytkowej [1]. Z tego powodu, chcąc zredukować produkcję CO2, bardzo duży nacisk położono na termomodernizację budynków.

Mówiąc o termomodernizacji, mamy najczęściej na myśli ograniczenie kosztów ogrzewania związane z dociepleniem przegród oraz poprawę komfortu mieszkańców.

Zgodnie z szacunkami niedostateczne docieplenie dotyczy nadal połowy budynków wielorodzinnych w Polsce [2]. Rzadko zastanawiamy się jednak nad wpływem termomodernizacji na pracę systemu ciepłowniczego. Z perspektywy firmy ciepłowniczej jako dostawcy ciepła termomodernizacja oznacza przede wszystkim zmniejszenie przychodów z jego sprzedaży.

Zgodnie z [3] pomiędzy rokiem 2001 a 2010, głównie ze względu na intensywną termomodernizację budynków, zużycie ciepła sieciowego w Polsce zmniejszyło się o 18%.

W artykule skupiono się na wpływie termomodernizacji odbiorów ciepła na straty ciepła w sieciach ciepłowniczych, które stanowią jeden z największych kosztów eksploatacyjnych systemu ciepłowniczego.

Termomodernizacja osiedla mieszkaniowego

W warunkach rzeczywistych, w których poszczególne sezony ciepłownicze są nieporównywalne, a termomodernizacja przeprowadzana jest w długim okresie czasu, trudno ocenić jej wpływ na pracę sieci ciepłowniczych. Z tego powodu na potrzeby niniejszych analiz stworzono „wirtualne” osiedle złożone z 28 jednakowych budynków wielorodzinnych o konstrukcji z „wielkiej płyty” (rys. 1 - patrz: zdjęcie główne):

• projektowe obciążenie cieplne budynku przed termomodernizacją (c.o.) wyniosło 191,3 kW;
• łącznie projektowe obciążenie cieplne osiedla (c.o.) wyniosło 5,36 MW;
• sezonowe zapotrzebowanie na energię na potrzeby c.o. obliczone zgodnie z [4] wyniosło 1143 GJ na budynek, co daje łącznie około 32 000 GJ na całe osiedle.

Termomodernizację budynku przeprowadzono zgodnie z typowym dla polskich warunków scenariuszem. Polegała ona na dociepleniu ścian zewnętrznych 12-centymetrową warstwą styropianu oraz wymianie okien [zmiana współczynnika U z 2,6 na 1,6 W/(m²·K)].

Po termomodernizacji projektowe obciążenie cieplne budynku uległo zmniejszeniu do 152,0 kW (ok. 21%), a sezonowe zapotrzebowanie na energię na potrzeby c.o. do 793 GJ/rok/budynek (ok. 31%).

Łączne zużycie energii (c.o.) dla osiedla wynosi zatem około 22 200 GJ/rok.

Na potrzeby analiz zużycia c.w.u. założono, że każdy z 5-kondygnacyjnych budynków zamieszkuje około 120 osób w 60 lokalach mieszkalnych.

Roczne zapotrzebowanie na energię na potrzeby c.w.u. obliczone zostało zgodnie z rozporządzeniem w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku [5]. Zapotrzebowanie to po termomodernizacji nie uległo zmianie i wyniosło 593 GJ na budynek, co łącznie daje ok. 16 600 GJ dla całego osiedla.

Dla zobrazowania powyższych wyników: przy założeniu ceny jednego gigadżula na poziomie 50 zł (bez uwzględnienia wpływu mocy zamówionej) przed termomodernizacją sprzedaż ciepła wynosiła rocznie ok. 2,43 mln zł, a po termomodernizacji 1,94 mln zł (różnica na poziomie 0,5 mln zł).

Sieć ciepłownicza

Na potrzeby analizowanego osiedla zaprojektowano sieć ciepłowniczą kanałową, typową dla istniejących osiedli mieszkalnych.

Obliczeń strumieni wody sieciowej dokonano w oparciu o bazowe zapotrzebowanie na ciepło na podstawie zbioru pomocy do projektowania węzłów cieplnych [6].

Średnice przewodów zostały dobrane w oparciu o straty jednostkowe rzędu 100 Pa/m.

Łączna długość zaprojektowanej sieci ciepłowniczej wynosi ok. 2,7 km, przy zakresie średnic DN 50–200. Schemat obliczeniowy sieci przedstawiono na rys. 2.

Czytaj też: Możliwości obniżenia kosztów ciepła z kotłowni zasilanej gazem Cz. 5. Osiedlowa sieć ciepłownicza – wariant podstawowy >>>

Obliczenia strat ciepła

Obliczenia strat ciepła zostały wykonane na podstawie opracowania „Szacowanie strat ciepła w wyniku realizacji projektu” [7].

Zgodnie z założoną w opracowaniu metodyką obliczenia przeprowadzono punktowo dla dwóch okresów: „sezon grzewczy ” oraz „lato”.

Obliczenia oparte zostały na średnich parametrach czynnika grzewczego w tych okresach.

Budynki zasilane są w ciepło z indywidualnych węzłów szeregowo-równoległych wyposażonych w wymienniki typu JAD.Temperatura zasilania na sieci ciepłowniczej została przyjęta zgodnie z wykresem regulacyjnym dla średniej temperatury w sezonie 3,6°C.Przyjęty do obliczeń czas eksploatacji sieci wynosi 24 lata, a krotność wymian wody sieciowej (wskaźnik szczelności sieci) – cztery wymiany na rok.

Dla opisywanej analizy przyjęto cztery warianty obliczeń:

• Wariant bazowy przedstawia pracę sieci dla budynków przed termomodernizacją. Uwzględnia on pracę węzłów przy wykresie regulacyjnym na sieci 130/70°C i obliczeniowym wykresie na instalacji c.o. 90/70°C.
• Wariant drugi przedstawia pracę sieci dla budynków po termomodernizacji. Parametry instalacji oraz sieci bez zmian.
• W wariancie trzecim w porównaniu do wariantu drugiego zastosowano obniżenie parametrów na instalacji z 90/70 na 80/60°C.
• W wariancie czwartym w porównaniu do wariantu trzeciego zastosowano obniżenie obliczeniowych parametrów na sieci ciepłowniczej ze 130/70 na 120/70°C.

Z wyjątkiem wariantu czwartego jedyną zmienną mającą wpływ na zmiany strat ciepła sieci ciepłowniczej jest temperatura powrotu z węzła ciepłowniczego. W przypadku obniżenia średniego zapotrzebowania ciepła bez zmiany wymienników ciepła w obrębie węzła istnieje najczęściej możliwość jej obniżenia.

Temperatura powrotu dla każdego z wariantów została obliczona na podstawie symulacji pracy wymienników wykonanej w programie Cairo PRO.

Na rys. 3a, rys. 3b, rys. 3c i rys. 3d przedstawiono wyniki analizy pracy węzłów będące podstawą do obliczeń strat ciepła w sezonie grzewczym.

Przy tej samej temperaturze zasilania na sieci oraz zasilania i powrotu na instalacji [wariant 1 (rys. 3a) i wariant 2 (rys. 3b)] wystąpił minimalny spadek średniej temperatury powrotu (1°C), przy jednoczesnym obniżeniu strumienia wody sieciowej (skutek termomodernizacji) o około 21%.

Obniżenie parametrów instalacji [wariant 3 (rys. 3c)] spowodowało dodatkowe obniżenie temperatury powrotu o 5,3°C i spadek przepływu o dodatkowe 20%. W przypadku wariantu czwartego (rys. 3d) obniżeniu uległa średnia temperatura zasilania na sieci (o 4,8°C).

Ze względu na brak korekty powierzchni wymienników ciepła po obniżeniu temperatury zasilania temperatura powrotu do sieci wzrosła w porównaniu do wariantu 3 (rys. 3c) (o 1,3°C). Konsekwencją jest wzrost przepływu wody sieciowej do poziomu z wariantu 2 (rys. 3b).

W okresie „lata” przy temperaturze zasilania na sieci 65°C temperatura powrotu została obliczona jako 32,2°C (niezależnie od przyjętych wariantów).

Czytaj też: Możliwości stosowania dwustopniowych węzłów cieplnych ciepłej wody we współczesnych systemach ciepłowniczych >>>

Analiza strat ciepła dla poszczególnych wariantów obliczeń

W tabeli 1 zestawiono wyniki obliczeń strat ciepła dla poszczególnych wariantów obliczeń. Określono również procentowe straty ciepła dla analizowanej sieci, liczone jako straty ciepła w stosunku do jego produkcji.

Dodatkowo w celu zobrazowania powyższych wyników również w tym miejscu określono koszty strat ciepła, przy założeniu ceny jednego gigadżula na poziomie 50 zł (bez uwzględnienia wpływu mocy zamówionej).

Na rys. 4 i rys. 5 zestawiono dane w formie wykresów.

Jak można zauważyć, pomiędzy pierwszym i drugim wariantem straty ciepła zmniejszyły się tylko o 60 GJ (0,7%). Jak wspomniano wcześniej, wynika to wyłącznie z nieznacznego ograniczenia temperatury powrotu, przy zachowaniu bez zmian innych parametrów sieci i instalacji.

Pomiędzy pierwszym i trzecim wariantem różnica wynosi 420 GJ (4,9%). Pokazuje to, jaki wpływ może mieć korekta temperatur na instalacji po wykonaniu termomodernizacji.

Ze względu na zmniejszenie strat ciepła przez przegrody, przy zachowaniu niezmienionej powierzchni grzejnej (pozostawienie istniejących grzejników), istnieje możliwość obniżenia temperatur obliczeniowych na instalacji bez utraty komfortu mieszkańców. Zmiana ta wpływa nie tylko na obniżenie strat ciepła w sieci, znacząco obniża też przepływ wody sieciowej z węzła cieplnego.

Koszty zmiany parametrów instalacji przy zachowaniu dotychczasowej różnicy temperatury są zazwyczaj znikome (lub żadne) i wynikają z wprowadzenia nowych nastaw do sterowników węzłów.

Jedyne pomieszczenia w budynku, które nie „zyskały” na termomodernizacji, to te bez ścian zewnętrznych (najczęściej łazienki). W części przypadków może to powodować konieczność rozbudowy powierzchni grzejnych wynikającą ze zbyt małej wydajności pionów świecowych.Ewentualna zmiana na grzejniki łazienkowe, pomimo zwiększenia kosztów inwestycyjnych, może zarówno poprawić komfort użytkowania, jak i dodatkowo ograniczyć zużycie energii poprzez możliwość regulacji temperatury na zaworze termostatycznym „nowego” grzejnika łazienkowego.

Obniżenie parametrów na instalacji wpływa również na redukcję strat ciepła na przewodach wewnątrz budynku, co oprócz obniżenia strat energii może zredukować różnice w kosztach ogrzewania pomiędzy mieszkaniami z pionami i bez pionów grzewczych (ma to znaczenie szczególnie w przypadku stosowania podzielników kosztów).

Pomiędzy pierwszym a czwartym wariantem straty ciepła obniżyły się o 650 GJ (8%). Zmiany te wynikają z dodatkowego obniżenia temperatury zasilania na sieci ciepłowniczej w stosunku do pozostałych wariantów.

Jak wspomniano powyżej, skutkiem takich działań jest jednak zwiększenie strumienia wody sieciowej oraz podwyższenie temperatury powrotu do sieci ciepłowniczej. Ze względu na zwiększenie przepływów w sieci wymagana będzie korekta nastaw na wszystkich regulatorach przepływu zainstalowanych w systemie ciepłowniczym, wymiana części wymienników ciepła spowodowana ich niedostateczną wydajnością oraz wymiana części armatury w węźle o niedostatecznej przepustowości (w szczególności armatury regulacyjnej i pomiarowej)

Najciekawiej przedstawiają się jednak procentowe straty ciepła. Ze względu na sposób ich obliczeń w przypadku zmniejszenia sprzedaży ciepła straty procentowe muszą wzrosnąć.

W konsekwencji należy zwrócić uwagę na to, że muszą wzrosnąć również koszty obsługi sieci, co prowadzi do wzrostu jednostkowych kosztów ciepła (zwiększy się cena 1 GJ).

Wzrost procentowych strat ciepła w sieciach ciepłowniczych można również zauważyć, śledząc raporty i artykuły dotyczące zmian średnich strat przesyłowych w Polsce na przestrzeni ostatnich lat [8]. Pomimo stale rosnącego udziału sieci preizolowanych procentowe straty ciepła są z roku na rok coraz wyższe i nie można już tego faktu wytłumaczyć tylko istniejącą strukturą wiekową i technologiczną systemów przesyłu ciepła.

Czytaj też: Miejski budynek jutra. Współpraca węzła ciepłowniczego z instalacją kolektorów słonecznych w budynku wielorodzinnym >>>

Wnioski

• Termomodernizacja budynku bez dodatkowego obniżenia parametrów na instalacji wewnętrznej nie wpływa znacząco na zmianę strat ciepła (GJ) na sieci ciepłowniczej.
• Obniżenie (dostosowanie) temperatur czynnika grzewczego w termomodernizowanym obiekcie przynosi korzyści zarówno dostawcy (pozwala na redukcję przepływu oraz strat ciepła na sieci), jak i odbiorcy ciepła (zwiększenie komfortu dostawy, dokładniejsza regulacja temperatury w pomieszczeniu).
• Obniżenie temperatury na sieci ciepłowniczej pozwala na zmniejszenie strat ciepła, ale powoduje zwiększenie przepływu wody sieciowej, co wiąże się ze zwiększeniem strat ciśnienia oraz koniecznością modernizacji części węzłów ze względu na wymaganą korektę powierzchni wymiany ciepła wymienników oraz zbyt małą przepustowość armatury.
• Termomodernizacja budynków ma w szczególności ograniczyć zużycie ciepła, a co za tym idzie obniżyć koszty dla końcowego odbiorcy. Ze względu na zmniejszenie sprzedaży ciepła spowodowane termomodernizacją występuje wzrost kosztów eksploatacyjnych na sieci, co wpływa na mniejszą rentowność dostawy ciepła i powoduje zazwyczaj wzrost jednostkowej ceny ciepła. W skrajnym przypadku zatem pomimo docieplenia budynku dla klienta końcowego koszty ogrzewania mogą ulec tylko nieznacznej zmianie.

Literatura

1. European Parliament Report on an EU Strategy on Heating and Cooling (2016/2058(INI)).
2. Firląg S., Rynek termomodernizacji w Polsce, „Rynek Instalacyjny” nr 7–8/2016.
3. Raport Rynek ciepła w Polsce, PwC Polska Sp. z o.o.
4. PN-EN ISO 13790:2009 Energetyczne właściwości użytkowe budynków. Obliczanie zużycia energii na potrzeby ogrzewania i chłodzenia.
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376).
6. Zbiór pomocy do projektowania węzłów cieplnych, Biuro Projektowo-Badawcze Budownictwa Ogólnego „Miastoprojekt” Wrocław, 1979.
7. Załącznik do Regulaminu Konkursu nr 1/POIiŚ/9.2/2009 „Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko 2007-2013 – Priorytet IX – Działanie 9.2. – Szacowanie strat ciepła w wyniku realizacji projektu”.
8. Regulski B., Ziembicki P., Bernasiński J., Węglarz A., Rynek ciepłowniczy w Polsce, „Rynek Energii” nr 4/2014.
9. Sztuka D., Analiza pracy sieci ciepłowniczej po termomodernizacji odbiorów ciepła, praca dyplomowa, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2016.

Czytaj też: Węzły cieplne w budynkach nowych i modernizowanych >>>

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!