Ciepłownictwo Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych. Przyczyny, zasady oszacowania, metody ograniczania

Transkrypt

1 Rok akademicki: 2011/2012 Ciepłownictwo Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych. Przyczyny, zasady oszacowania, metody ograniczania Wykonały: Joanna Chorbotowicz, Patrycja Dobosz, Maria Szarek, Rok III, Kierunek: Inżynieria Środowiska Studia stacjonarne

2 Wstęp. Ciepło to jeden z ważnych elementów towarzyszących naszemu życiu, nad którymi właściwie nie zastanawiamy się na co dzień. Chcemy, aby w naszym mieszkaniu było ciepło, aby ciepła woda była dostępna zawsze wtedy, gdy jej potrzebujemy. Jednak zanim woda ciepłownicza dotrze do węzła ciepłowniczego, musi pokonać wiele przeszkód, które przyczyniają się do strat ciepła przy przesyle. W niniejszej pracy omówione zostały zagadnienia dotyczące strat ciepła w sieciach ciepłowniczych, straty, które występują podczas działania systemów rurociągów ciepłowniczych. Przedstawiono czynniki wpływające na zwiększone straty ciepła, możliwości ich szacowania, oraz zdolność optymalnego ograniczania. Ograniczanie strat ciepła w sieciach ciepłowniczych stało się bardzo ważnym aspektem. Europejska polityka energetyczna zaleca zwiększenie efektywności energetycznej. Pierwszym krokiem jest budowa skojarzonych systemów, w których wytwarzana jest zarówno energia elektryczna jak i ciepło. Głównie jednak należy zwrócić uwagę na dość wysokie straty ciepła na przesyle od źródła do odbiorcy. Zaczynając od źródła ciepłownie to budynki, które produkują, a następnie transportują czynnik (zazwyczaj jest to woda o wysokiej temperaturze) dla sieci ciepłowniczych. Głównym zadaniem ciepłowni jest produkcja energii cieplnej dla systemu ciepłowniczego. Przyczyny strat ciepła. Straty ciepła są nieuniknionym zjawiskiem podczas wykorzystywania sieci ciepłowniczej. Wielkość strat przede wszystkim zależy od właściwości materiałów izolacyjnych rurociągów. Związane jest to ze zmienną temperaturą transportowanego czynnika. Gdy temperatura gruntu, czy otoczenia, odbiega znacznie od temperatury wewnątrz rurociągów, przy czym im wyższa różnica tym większe straty. Celem izolacji w przypadku sieci ciepłowniczych, nie jest tylko zmniejszenie strat, ale także zabezpieczenie przed oparzeniami zapewniając utrzymanie na powierzchni przewodu, odpowiednio niskiej temperatury. W czasie kilkudziesięciu minionych lat sieci, systemu rurociągów ciepłowniczych rozbudowywały się, przez co mają niejednorodną strukturę izolacji rur. Z upływem czasu, doskonalone były izolacje rur, produkowano lepsze materiały izolacyjne dzięki temu można

3 było ograniczyć, zmniejszyć straty ciepła. Zwiększające się straty ciepła, mogą świadczyć o długim czasie eksploatacji oraz zawilgoceniu materiału termoizolacyjnego skruszeniu się włókien waty szklanej te czynniki świadczą o zmniejszeniu się grubości warstwy izolacyjnej. Zjawisko destrukcji materiału izolacyjnego jest zależne od upływu czasu i jest to nieuniknione. Zazwyczaj przyczyną dużych strat ciepła, jest także zmieniające się zapotrzebowanie na ciepło dla odbiorców, oraz ewentualna zmiana parametrów czynnika. W ciepłowniach powinny być zainstalowane kotły ( tu powinno zwrócić się uwagę na ich typ oraz wielkość), które zależą od potrzeb cieplnych. Najważniejsze jest to, aby były tak dobrane, żeby przy zmiennym zapotrzebowaniu na ciepło zapewniały elastyczność pracy kotłowni, oraz wysoką sprawność i niezawodność dostaw ciepła. Kolejnym miejscem występowania strat ciepła są komory ciepłownicze. Umieszczona jest w nich armatura odcinająca tj. zawory, zasuwy nie są one zaizolowane, powoduje to wzrost temperatury powietrza w pomieszczeniu komory. Wielkość strat ciepła w komorach ciepłowniczych określa się na około 20-30% całkowitych strat ciepła w sieci ciepłowniczej. Komory ciepłownicze są nieizolowane przykryte są niewielką grubością gruntu co powoduje zwiększenie strat ciepła. Nie jest możliwe podanie ogólnej recepty na ograniczenie emisji ciepła w sieciach ciepłowniczych, ponieważ zależy ona od indywidualnych cech systemów ciepłowniczych. Można jedynie określić pola działania i czynności zmierzające do redukcji emisji ciepła. Zasady szacowania. Sieć ciepłownicza powinna zagwarantować wymagane parametry nośnika ciepła przy jak największej wydajności energetycznej i niskich kosztach eksploatacji. Aby to było możliwe należy oszacować wielkości strat ciepła, które występują podczas przesyłania ciepła. Starty ciepła występujące na sieci ciepłowniczej można wyrażać w postaci wartości bezwzględnej - GJ lub wartości względnej - %. Wartość bezwzględna określa ilość ciepła traconego przez przenikanie ciepła na drodze od nośnika ciepła do gruntu i powietrza zewnętrznego.

4 Można ją wyrazić za pomocą wzoru: p k m - strumień masy nośnika ciepła płynącego w rurze, kg/s c p - ciepło właściwe nośnika ciepła J/kg K T p - początkowa temperatura nośnika ciepła T k - końcowa temperatura nośnika ciepła Jednocześnie starty ciepła można wyrażać za pomocą wartości względnej czyli w % i określają udział strat ciepła w całkowitej energii produkowanej w ciepłowni i przesyłanej siecią ciepłowniczą. Wartość ta zmienia się w ciągu rok i zależy od wielkości przesyłanego ciepła i warunków atmosferycznych. Można je wyrazić za pomocą wzoru: Q s - moc start ciepła, MW Q w - moc węzłów cieplnych, MW W okresie grzewczym straty na przesyle wynoszą ok 8-12%, podczas gdy w lecie wartość ta może dochodzi do 50%, co średniorocznie daje starty wielkości 20-30%. Różnica między temperaturą wody sieciowej w źródle ciepła i w węźle ciepłowniczym określa wartość schłodzenia w warunkach ustalonych. t zr - temperatura w źródle ciepła t w - temperatura w węźle ciepłowniczym Δt tzr-tw Wartość schłodzenia dla każdego odbiorcy będzie inna, wynika to z głównie z różnych odległości między źródłem ciepła a odbiorcą, dlatego używa się pojęcia średniego schłodzenia wody sieciowej w rurociągach, które wyraża się za pomocą wzoru:

5 Δ Δ - schłodzenie wody sieciowej dla i-tego węzła cieplnego, K - obliczeniowa moc cieplna i-tego węzła ciepłowniczego, kw Ogólnie straty ciepła w sieci ciepłowniczej można wyrazić za pomocą wzoru: W Δ - różnica temperatur między nośnikiem ciepła a temperaturą powietrza zewnętrznego, K R - opór przenikania ciepła od nośnika ciepła do powietrza zewnętrznego, mk/w L - długość odcinka sieci, m Na podstawie tego wzoru widać, że aby zmniejszyć straty ciepła można zmniejszyć różnicę temperatur, czyli zmniejszyć temperaturę nośnika ciepła i zwiększyć opory przewodzenia. Szacując straty ciepła w sieciach ciepłowniczych należy uwzględnić: 1. Straty ciepła przez przenikanie i strat spowodowanych wszelkimi nieszczelnościami. E=Eq+En E q - straty ciepła przez przenikanie w całym roku stanowiące sumę strat ciepła w okresie sezonu grzewczego i poza nim, GJ/rok E n -roczne straty ciepła spowodowane nieszczelnościami, GJ/rok 2. Straty przez przenikanie to suma strat w okresie zimowym i okresie letnim. Eq=Es+El, GJ/rok E s - straty ciepła w sezonie grzewczym, GJ/rok E l - straty ciepła poza sezonem grzewczym, GJ/rok 3. Straty ciepła w sezonie grzewczym Es= qs Li Ds; GJ/rok D s - liczba dni trwania sezonu grzewczego, dni

6 L i - długość odcinka sieci, m q s - jednostkowe straty ciepła w sezonie grzewczym, [W/m] 4. Jednostkowe straty ciepła w sieci preizolowanej (metoda NFOŚiGW - prosta metoda, nie uwzględniająca stanu i grubości izolacji) qs=u (tz+tp-2 ts) U - współczynnik strat ciepła charakterystyczny dla danego rurociągu, W/mK t z - średnia temperatura nośnika ciepła w okresie grzewczym na zasilaniu t p - średnia temperatura nośnika ciepła w okresie grzewczym na powrocie t s - temperatura na zewnątrz rurociągu - rurociąg położony w gruncie t s = 8ᵒC - rurociąg nad powierzchnią ziemi t s =t śr zew - średnia temperatura zewnętrzna w okresie grzewczym i poza okresem grzewczym - rurociąg umieszczony w kanałach, t s zależy od temperatur panujących w sieci 5. Jednostkowe straty ciepła w sieci preizolowanej (metoda LOSC - uwzględnienie stanu i grubości izolacji) t t q 2 t 2 t z - temperatura nośnika ciepła na zasilaniu t p - temperatura nośnika ciepła na powrocie t g - temperatura otoczenia U 1, U 2 - współczynniki strat ciepła uwzględniające opory izolacji, gruntu i opór wzajemnego oddziaływania na siebie rurociągów zasilania i powrotu

7 6. Straty ciepła poza sezonem grzewczym Es= ql Li (365-Ds); GJ/rok q l - średnie jednostkowe straty w sieci poza sezonem D s - liczba dni trwania sezonu grzewczego, dni L i - długość odcinka sieci, m 7. Średnie jednostkowe straty w sieci poza sezonem u - współczynnik strat ciepła t s - temperatura na zewnątrz rurociągu ql u -2 ts) 8. Współczynnik strat ciepła u a u0 a- wskaźnik pogorszenia stanu izolacji rurociągu w wyniku starzenia u o - współczynnik strat uwzględniający średnicę rurociągu 9. Straty ciepła w warunkach obliczeniowych Qo=qo Li, W q o - jednostkowe straty ciepła sieci w warunkach obliczeniowych, W/m L i - długość odcinka sieci, m 10. Starty ciepła spowodowane nieszczelnością sieci En 3 62 i D 2 w vs (tz+tp-24-9, GJ/rok L i - długość odcinka sieci, m D w - średnica wewnętrzna rurociągu, mm v s - stosunek rocznych ubytków wody w sieci do wielkości zładu t z - średnia temperatura nośnika ciepłą w okresie grzewczym na zasilaniu

8 t p - średnia temperatura nośnika ciepła w okresie grzewczym na powrocie Metody ograniczania. Tak jak wyżej wspomniano straty ciepła na przesyle są poważnym problemem i zależą głównie od sposobu wykonania sieci ciepłowniczej i jej zaizolowania. Chcąc je ograniczyć najwięcej możemy zyskać modernizując istniejące sieci. Jednym ze sposobów jest wymiana istniejących sieci kanałowych, podatnych na zawilgocenia, uszkodzenia i posiadających słabą izolację, na sieci preizolowane. Dopuszczalne straty ciepła na sieciach kanałowych według normy PN-85/B są większe nawet o 40% w stosunku do sieci preizolowanej. Już sam ten fakt pozwala je znacznie ograniczyć. Sieci preizolowane posiadają wiele zalet. Ich izolacja ma wyższą jakość i trwałość z uwagi na to, iż cały proces technologiczny izolowania powierzchni rur odbywa się w warunkach zakładu przemysłowego. Układanie tych rur w gruncie nie wymaga wielu prac przygotowawczych, roboty wykonywane na placu budowy nie są pracochłonne. Najważniejszą wielkością, która charakteryzuje izolację z pianki poliuretanowej jest współczynnik przewodzenia ciepła wynoszący 0,033 W/(m K). Innym sposobem na ograniczenie strat ciepła w sieciach ciepłowniczych jest zwiększenie grubości izolacji na rurociągu zasilającym i powrotnym bądź tylko zasilającym. Wiąże się to jednak ze zwiększeniem kosztów materiałowych. Badania przeprowadzone przez Logstor dla kilkunastu istniejących sieci wykonanych z rur o DN50DN200 dowiodły, iż koszt takiej inwestycji zwraca się w okresie od 6 do 8 lat. Dla sieci magistralnych czas ten jest jednak o wiele dłuższy ze względu na większe średnice rurociągów- sięga lat. Kolejną metodą jest stosowanie izolacji poliuretanowej o coraz niższych wartościach współczynnika przewodzenia ciepła oraz ograniczanie zjawiska jej starzenia się. Nowa norma PN-EN 253:2009 zmniejsza współczynnik λ z wartości 0,033 W/(m K) na 0,029 W/(m K). Powoduje to zmianę sposobu pienienia systemu poliuretanowego z pienienia czystym CO 2 na pienienie Cyklopentanem. Ten nowy sposób ogranicza współczynnik przewodzenia nawet do 0,024-0,026 W/(m K). Należy pamiętać jednak, wartość współczynnika zależy też od gęstości izolacji, średniej temperatury izolacji, rodzaju zastosowanego systemu surowcowego, rodzaju i grubości płaszcza osłonowego oraz czasu eksploatacji rurociągu. Uwagę należy zwrócić także na pogorszenie się właściwości izolacyjnych wraz z upływem czasu. Największy

9 wpływ na współczynnik przewodzenia ciepła izolacji ma zawartość gazu w piance poliuretanowej. Badania wykazały, że zawartość CO 2 w komórkach zamkniętych na skutek dyfuzji może spaść do zera już po 8 latach. W przypadku Cyklopentanu jego zawartość zmienia się wolniej z upływem czasu (w ciągu 10 lat maleje o około 25%, a w ciągu 30 lat o połowę początkowej wartości).zjawisko dyfuzji gazów można też zmniejszyć stosując barierę antydyfuzyjną. Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych można też ograniczyć stosując wielorurowe systemy rur przewodowych (TWIN PIPE). To rozwiązanie pozwala też ograniczyć emisję CO 2 nawet o 1 tonę w skali roku w stosunku do rury pojedynczej z izolacją standard. Podsumowując: - wymiana sieci kanałowych na preizolowane pozwala ograniczyć straty o 23% dla izolacji Standard oraz 40% dla izolacji Plus, -zwiększenie grubości izolacji dla sieci rozdzielczych zwraca nakłady inwestycyjne po 6-8 latach dla izolacji Plus na zasilaniu i Standard na powrocie, po latach dla izolacji Plus na zasilaniu i powrocie, a dla sieci magistralnych po około 18 latach dla izolacji Plus na zasilaniu, Standard na powrocie i po około 30 latach dla izolacji Plus na zasilaniu i Plus na powrocie, -stosowanie Cyklopentanu zamiast CO 2 jako substancji pieniącej daje oszczędności około 18%, - zastosowanie bariery antydyfuzyjnej w rurach preizolowanych pieniących Cyklopentanem daje oszczędności około 9%, -zastosowanie rur TwinPipe daje oszczędności 30-35% w stosunku do rury pojedynczej z izolacją Standard.

10 Wykres 1.. Jednostkowe straty ciepła rur preizolowanych w rozbiciu na średnice. Innym sposobem ograniczania strat ciepła w sieciach ciepłowniczych jest obniżenie temperatury wody. Proces ten jednak bardzo ciężko jest zrealizować z uwagi na uwarunkowania techniczne pracy systemu ciepłowniczego. Obniżenie temperatury wody powoduje wzrost ciśnienia i przepływu. Następstwem tego jest konieczność zmian w układach pompowych w ciepłowniach i przepompowniach sieciowych. Innym problemem jest przepustowość sieci, która ogranicza możliwość zwiększenia strumienia wody sieciowej. Ograniczając w ten sposób straty ciepła, należałoby też przeprowadzić zmiany w sposobie regulacji węzłów cieplnych. Konieczna wówczas jest zmiana nastaw regulatorów lub ich wymiana oraz korekta wielkości wymienników. Jak widać jest wiele aspektów do rozpatrzenia w celu oceny możliwości obniżenia temperatury wody i zależą one od indywidualnych cech systemów ciepłowniczych.

11 Straty ciepła w sieciach ciepłowniczych to pojęcie bardzo ważne z racji efektywności przesyłania ciepła do odbiorców. Wiele metod pozwala nam ocenić jakość sieci i pomóc znaleźć rozwiązanie na jej poprawę. Przy projektowaniu sieci należy zwracać szczególną uwagę na straty ciepła w rurociągach. Ważny jest rodzaj izolacji przewodów, dokładność wykonania, zabezpieczenia połączeń rur. Każdą sieć powinno się traktować indywidualnie i pamiętać, iż nie ma jednego idealnego rozwiązania pozwalającego ograniczać w znaczny sposób straty ciepła. Bibliografia: 1. A.Szkarowski, L.Łatkowski, Ciepłownictwo, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa O.Niemyjski, Straty ciepła ciepłowniczych i możliwości ich ograniczania, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja nr7-8/ A.Łebek, A.Smyk, Wyznaczanie strat ciepła w sieci ciepłowniczej dla potrzeb audytu energetycznego, XIII Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje P.Ziętek, Termoizolacje techniczne instalacji grzewczych i chłodniczych, Energia i Budynek (06/09) 5. Szacowanie strat ciepła w wyniku realizacji projektu, Infrastruktura i Środowiska Narodowa Strategia Spójności, Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko czanie_strat_w_sieciach_cieplowniczych_w_aspekcie_stosowania_rur_preizolowany ch,4359, r r. 8. Peter Randlov, Podręcznik ciepłownictwa - system rur preizolowanych, Wydawnictwo CIBET, 1997