Pravděpodobné budoucí směry v oboru teplárenských sítí
Článek navrhuje možná opatření směřující ke snížení tepelných ztrát potrubních sítí sloužících k zásobování teplem. Rozebírá možnosti snižování teplot na potrubních sítích v souvislosti se snižováním spotřeby zásobovaných objektů a snaží se najít vhodné řešení izolací potrubních sítí.
V souvislosti s opět se zvyšujícími cenami tepla a rostoucím odporem části veřejnosti, a to i odborné, vůči tomuto trendu, podpořenému reálně se snižujícími cenami některých primárních paliv, se opět objevuje podstatná otázka, jak zvýšit efektivitu horkovodních a teplovodních sítí určených k přepravě tepla od jeho zdrojů ke koncovým zákazníkům.
Cest k tomuto cíli vede několik, a už v začátku je třeba netajit provozovatelům teplárenských soustav, že v zásadě začíná "další kolo" z hlediska zvyšování kvalitativních vlastností tepelných rozvodů.
V posledních dvaceti letech proběhla výměna potrubních sítí umístěných v kanálech za potrubí s bezkanálovou technologií, tedy za předizolovaná potrubí. Je čím dále zřejmější, že tento krok byl pouze první etapou, navíc v mnoha případech z hlediska tepelně izolačních vlastností nově montovaných potrubních sítí silně přeceněnou. Vzhledem k trendům, zejména v počátku devadesátých let, kdy k nám bylo i zcela renomovanými výrobci dováženo předizolované potrubí o izolační třídě "0", jinak v té době používané pouze v klimatických podmínkách jihu Evropy (Itálie, jih Francie a Balkán) je z dnešního pohledu bohužel velmi jasné, že takto budované potrubní sítě nevyhoví ani minimálním nárokům, danými aktuálně platnými energetickými vyhláškami a základními optimalizačními výpočty.
Nyní je nutné se rozhodnout, v souvislosti se zvyšujícími se cenami a snižující se spolehlivostí dodávek fosilních paliv na straně jedné a stagnující, či klesající kupní silou koncových zákazníků - odběratelů tepla, na straně druhé, jak udržet ekologicky poměrně výhodný systém centralizovaného zásobování teplem (a chladem) do budoucna. Postupné zateplování staveb bytové i průmyslové sféry, výměny oken, budování mnohdy náročných a kvalitních dveřních systémů a především postupně realizovaná regulační opatření na straně spotřebitelů tepla, zaměřená na ovlivnění dodávky tepla zákazníkovi tak, aby je měl tehdy a tam, kdy a kde je v dané chvíli opravdu potřebuje, umožňují snížení dodávaných tepelných výkonů do jednotlivých bytových domů a průmyslových areálů o 30-40 %. V souvislosti s tím postupně klesá, i přes získané nové zákazníky - nová připojení, potřeba tepelného přenosu celou teplárenskou sítí. Toto samozřejmě vyvolává, vzhledem k tomu, že vynakládané prostředky na správu a údržbu těchto sítí jsou +/- konstantní, problém růstu ceny každého dodaného GJ tepla.
Je pak obtížným technicko-ekonomickým rozhodnutím, zda tepelné sítě, mnohdy hydraulickým průřezem předimenzované, kde se průměrná rychlost topné vody v systému pohybuje okolo 0,3 - 0,4 m/s a tepelné ztráty dosahují až 25 % z přepravovaného množství tepla, vyměnit za nové, o nižším hydraulickém průřezu, ale s třetinovými tepelnými ztrátami anebo se smířit s již vybudovanou technologií a jít cestou podstatného snížení provozních parametrů. Zde ale investor tohoto zdánlivě nejlevnějšího řešení zjistí, že koncová odběrná zařízení nejsou připravena na změnu teploty přívodní teplonosné látky a dodatečná opatření na výměníkových stanicích mohou zvolenou cestu úspor podstatně prodražit. I přes uvedené, by však tato první varianta - snížení teploty topné vody, měla být, minimálně ve střednědobém horizontu, tou nejdříve řešenou a teprve po jejím vyloučení mohou přicházet v úvahu jiná, stavebně náročnější řešení.
Otázkou je, která teplota media v sekundárních rozvodech tepla, je tou správnou, tou optimální? Už z obecné definice "optima" je patrná jeho závislost na mnoho vstupních parametrech a tedy je dnes více než zřejmé, že i přes dlouholeté snahy našich kolegů "kvalitně znormovat" provozní parametry tepelných sítí, se vždy objevují nové a nové trendy, technologie i technická řešení, která nasměřují hledaná řešení vždy zase někam jinam. Už jen úvaha o menších tepelných sítích, založených na tepelných čerpadlech, jako hlavních zdrojích tepla, kterých už také několik existuje, ovlivní hledání optima teplot v přívodním potrubí v okolí 55 °C a vratné linie blízko hodnoty 35 °C . Co toto znamená na straně spotřeby tepla, kolik technických zásahů by bylo nutné provést do stávajících, již zabudovaných technologií, si umí představit i neodborník. Je toto již naprostý extrém?
Nebo za 30 let běžná hodnota na tepelných sítích, zásobovaných z části kotelnami na biomasu, z části odpadním teplem z kogenerací a v nemalé míře i tepelnými čerpadly středních výkonů? Pravděpodobně, už při pohledu na dnes užívané technologie, nelze s odpovědností případného vlastníka nebo provozovatele, tuto alternativu zcela vyloučit.
Přesto, při výhledu do následujících deseti let, kam si troufáme vývoj s přijatelnou možnou chybou na zdrojové i spotřební straně odhadnout, lze očekávat pokles průměrné roční teploty topné vody na cca 70 °C, kdy bude ještě bez podstatnějších technických obtíží možné ohřát v objektových stanicích teplou vodu, (dříve TUV) na hygienicky i spotřebitelsky přijatelné teploty 50-55 °C. Za těchto okolností však např. pravidelný proplach zaměřený na odstranění živých bakterií legionelly pneumophila vodou o teplotě 80 °C, prováděný ve zdravotnických zařízeních, již není možný a bude nutno tento problém řešit jiným způsobem, pravděpodobně na základě zatím masově nevyužívaných chemických či fyzikálních principů.
Jestliže se pokusíme uvedené úvahy prakticky aplikovat a vezmeme jako příklad běžné teplovodní potrubí 2xDN100 v druhé izolační třídě, tedy izolované v plášti o vnějším průměru 225 mm, (tloušťka PUR izolace je zde 52mm) pak tepelná ztráta, při dnes obvyklém teplotním spádu 90 °C /70 °C, je v obvyklém provedení, kdy je potrubí zasypáno ve výkopu v hloubce cca 1 m, 28,66 W/m.
Když však to samé potrubí bude provozováno při parametrech 70 °C /50 °C, pak tepelné ztráta této teplovodní linie bude 24,04 W/m. Snížení tepelné ztráty oproti předchozímu příkladu je o 4,62W/m, což je poměrně podstatných 16 %.
Snad pouze zajímavostí může být skutečnost, že uvedené cílové teploty topné vody (kolem 70 °C) mohou opět uvést do širšího používání plastová potrubí na bázi polypropylenu, či rozšířit využití potrubí ze síťovaného polyetylénu PEX a jiných plastů, pro výstavbu teplovodních sítí. To by znamenalo další úspory peněz i času při montážích.
Výše uvedené opatření dokáže snížit tepelné ztráty topných tras cca o 15-20 %, což je vítaná úspora, ale vzhledem k nutným technickým úpravám na zdrojových zařízeních (např. horkovodní stanice, nebo biomasové kotelny) i u odběratelů, se minimálně počáteční hodnota úspory energií (a tedy i peněz) poněkud degraduje na reálných cca 5-7 %.
Zůstane nám však velmi široká oblast potrubních tras, kde tato opatření ke snížení teplot nebudou z jakýchkoliv reálných příčin proveditelná. Zde už je třeba začít řešit situaci, (samozřejmě až po kvalitním zaregulování těchto tras), na základě tepelně izolačních vlastností potrubí, jimiž topné medium prochází.
Izolační vlastnosti potrubí, přepravujících topnou vodu, jsou z 95 % dány tepelně izolačními vlastnostmi izolační hmoty nanesené na povrchu nebo v okolí medionosné trubky, která v souvislosti s teplotním gradientem mezi teplotou topné vody a teplotou okolního prostředí umožňuje, nebo také znesnadňuje, únik tepelné energie mimo potrubí. Protože u naprosté většiny těchto horkovodů se jedná o potrubí předizolovaná, kdy základní složkou použité tepelné izolace je mechanicky pevná polyuretanová (PUR) pěna, je nutné zaměřit se v této etapě úspor na ni. V průběhu vývoje, během posledních dvaceti let dochází k postupnému snižování, z pohledu tepelných energetiků nejvýznamnějšího fyzikálního parametru - tepelné vodivosti PUR pěny, za teplot v rozsahu 20-90 °C z hodnoty 0,033 W/mK na dnešních 0,026 W/mK a lze očekávat, že tento trend bude na základě dalšího výzkumu pokračovat. Důležité je však vzít v úvahu i změnu této podstatné hodnoty v čase, tedy od okamžiku, kdy potrubní trasa vstoupí do provozu, po konec její životnosti, tedy v průběhu cca třiceti let. Je prokázáno, že vzhledem k probíhajícím chemickým procesům uvnitř PUR pěny, se vodivost bohužel zvyšuje o cca 15-20 % v závislosti na použité technologii vypěňování, kdy zatím velmi dobré hodnoty z tohoto pohledu vykazuje pěna na bázi cyklopentanu (nadouvadlo).
Současným řešením, používaným ve všech evropských zemích mírného klimatického pásu, je, u nás např. i díky platným předpisům, např. Vyhl. 193/2007 Sb., volit na potrubních liniích, kde trvalá provozní teplota teplonosné vody je vyšší než 90 °C, zvýšenou tloušťku izolace (komerčně je nazývána isolační třída "2", nebo také "plus"). Toto opatření je možné aplikovat v provozech, kde nedochází běžně k akumulaci do sítě, pouze na přívodní potrubí. Na vratném potrubí pak zůstává standardní tloušťka isolace.
To je nyní aktuální stav.
Protože ale určujícím trendem, ekonomickou nutností, i odpovědností evropských států, vyjádřenými na Kodaňském summitu pravidlem 20-20-20, v němž závazek dalších úspor v energetice souvisí i s úsporami energie v rozvodech tepla, je nyní třeba zvolit směr, kam postoupit dále, aby ztráty v rozvodech byly do 2-3 % z hodnoty předané energie a současně investiční náklady byly stále podstatně nižší, než cena uspořené energie v daném období.
Odpovědí a řešením, v současné době aplikovaným ve Skandinávii, je další zvyšování tlouštěk izolačních hmot pro potrubí, které by mohlo být v následujících letech následováno ještě dalším, třeba ne už tak radikálním, snížením tepelné vodivosti izolační PUR pěny. Jedná se o potrubí označované "izolační třída 3", aplikované již např. na horkovodech. Zde je nutno mít na zřeteli, že horkovod např. v Dánsku, o teplotě přívodní vody 115 °C je z tohoto pohledu zařízením s jinými tepelnými ztrátami, než horkovod v ČR, např. v některých lokalitách severní Moravy a Slezska, kde teplota přívodní vody atakuje i 155stupňovou hranici. Pro tuto hodnotu provozní teploty je třetí izolační třída potrubí, velmi přibližně vyjádřitelná hodnotou tloušťky PUR isolace tiz= 0,6 DN potřebná již dnes, a je věcí odpovědného rozhodnutí vlastníka nebo provozovatele, kdy k výměně těchto potrubí za izolačně vhodnější přistoupí. Tato izolace pro běžné dimenze potrubí zajišťuje minimalizaci tepelných ztrát pod uvedená 3 % přenášeného tepelného výkonu a tedy se již blížíme k hranici reálné měřitelnosti tepelné ztráty potrubních tras. Konkrétní hodnoty tepelné vodivosti G (W/mK) pro jednotlivé dimenze v rozsahu DN20 - DN600 a DN 700 v 1. a 2. izolační třídě jsou uvedeny v grafu.
Pozornému čtenáři zřejmě neujde určitá anomálie v okolí dimenze DN450, daná především rozměrovou unifikací krycích plastových potrubí, která je bohužel na straně vyšších tepelných ztrát.
Z uvedeného srovnání je patrné, že potrubí ve třetí izolační třídě přináší značnou úsporu v celém rozsahu průměrů s tím, že od dimenze DN400 je volba jiné, než třetí izolační třídy, viditelným plýtváním.
Ale i dimenze podstatně nižší - konkrétně je tuto úsporu možno uvést na praktickém příkladu námi již dříve zvažovaného potrubí 2xDN100, tentokrát na horkovodu o parametrech 135/70 °C, opět umístěného v metrové hloubce v zásypu, které má při použití 1., tzv. standardní, izolační třídy, tepelnou ztrátu 51,83 W/m. V případě, že se rozhodneme použít pro přívodní i vratnou linii potrubí v izolační třídě č.3 (vratná je ve třetí izolační třídě v tomto příkladu použita proto, že toto "příkladové" potrubí je užíváno pro akumulaci tepla v síti), pak celková tepelná ztráta činí 38,35 W/m. Rozdíl je 13,48 W/m. Zde se již jedná o snížení tepelných ztrát o 26 %. Při dnes v ČR běžné ceně tepla, odebíraného z primární sítě, tedy 450,- Kč/GJ, se jedná při běžném provozu jen během jedné topné sezony, tedy od října do dubna, o úsporu 94.400,- Kč na 1 km trubní trasy.
Investiční náklady na pořízení, montáž potrubí a stavební práce se v tomto případě zvýší o cca 15 %, což jistě není zanedbatelné, ale ve srovnání s předloženou zcela prokazatelnou úsporou se jedná již o investici s jistou návratností do 10 let.
Toto jsou jedny z možných alternativ dalšího postupu, respektující snahu o zachování ekologicky výhodného centralizovaného zásobování teplem, při současném zajištění ceny dodávané energie na sociálně všeobecně přijatelné hodnotě.
První etapa optimalizace tepelných sítí v průběhu devadesátých let a v prvních letech nového století již proběhla. Souhrnně lze říci, že obor rozvodů tepla právě stojí na začátku další etapy změn.
Teplárenské a distribuční společnosti pokud budou chtít obstát v konkurenci se sofistikovanými malými lokálními zdroji tepla, zřejmě půjdou i cestou dalšího snížení nákladů na distribuci tepla. Lze očekávat, že s růstem počtu aplikací takto optimalizovaných tras dojde i ke snižování nákladů na jejich pořízení, neboť tyto se mohou stát budoucna běžným standardem.
Vyjádření recenzenta
Pravděpodobné budoucí směry v oboru teplárenských sítí
Centrální zásobování teplem je oblast zahrnující velmi obsáhlou problematiku, jak technickou, tak ekonomickou a enviromentální ale i sociální. Článek uvádí řadu myšlenek v oboru potrubních sítí. Zvýšení izolační schopnosti předizolovaných rozvodů a snižování střední teploty otopné vody jsou platnými technickými trendy.
Z technického hlediska jsou však potrubní sítě pouze jednou částí řetězce - zdroj - rozvody - spotřebič. Jednou z výhod, na nichž zásobování teplem vzniklo, byla konkurenceschopnost. Na jedné straně zdroj schopný spalovat levné palivo a vyrábět levné teplo a na druhé straně koncové spotřebiče bez nároků na obsluhu. Ještě před padesáti lety bylo pro koncového spotřebitele srovnání proti lokálnímu vytápění kamny na uhlí jednoznačné. Technický rozvoj zdrojů tepla pro lokální vytápění na bázi zemního plynu tuto výhodu značně snížil. Zateplování budov a snížení výroby tepla na zdrojích se projevilo ve zvýšení podílu režijních nákladů. Navíc trend převádění centrálních zdrojů na zemní plyn bez zavádění kombinované výroby tepla a elektrické energie vede k dalšímu snížení konkurenceschopnosti ceny takto vyrobeného tepla. Na druhé straně se objevují na okrajích měst menší elektrárny spalující biomasu v režimu kondenzační výroby, tedy bez dodávky tepla. Samostatnou kapitolou je problematika zásobování teplem menších obcí do tisíce obyvatel. Zde je stanovení koncepce a volba technologických zařízení ještě citlivější než u velkých celků. Deklarovaná úspěšná ekonomika těchto zdrojů bývá v některých případech postavena na úvodních dotacích a při běžném provozu se obtížně akumuluje kapitál na budoucí obnovu a rozvoj.
Při tvorbě energetických koncepcí měst a obcí je proto žádoucí vnímat velmi citlivě celou komplexnost problematiky centrálního zásobování teplem. Ke každé lokalitě je potřebné přistupovat individuálně, místní podmínky se obvykle odlišují.
Recenzent
Ladislav Tintěra
The article proposes possible measures to reduce heat loss of pipe network used for heat supply. It discusses ways to reduce temperatures on pipe networks in terms of reducing the consumption of supplied objects and tries to find a suitable solution for pipe networks insulation.
