Artur Łebek SPEC S.A. Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Cepłownctwa Adam Smyk SPEC S.A. Ośrodek Badawczo-Rozwojowy Cepłownctwa, Instytut Technk Ceplnej Poltechnk Warszawskej WYZNACZANIE STRAT CIEPŁA W SIECI CIEPŁOWNICZEJ DLA POTRZEB AUDYTU ENERGETYCZNEGO Streszczene: przesyłana w sec cepłownczej wyznaczane są dla róŝnych potrzeb, m.n. do optymalzacj pracy systemu, typowana odcnków sec do wymany, dla potrzeb sporządzana wykresów reulacyjnych. Pozyskwane środków europejskch na przedsęwzęca modernzacyjne w cepłownctwe wąŝe sę z wykonanem audytu eneretyczneo sec, wskazująceo m.n. efekty eneretyczne projekt, co równeŝ wymaa oblczena strat w sec cepłownczej. W artykule przedstawono dwa sposoby oblczana strat cepła dla potrzeb realzacj projektu przebudowy modernzacj systemu cepłownczeo oparteo na węzłach rupowych na system węzłów ndywdualnych zaslanych wyłączne z sec wysokoparametrowej. 1.Wstęp W odnesenu do przedsęwzęć modernzacyjnych dla elementów systemu cepłownczeo jednym z wymaań jest oszacowane efektów eneretycznych, ekolocznych ekonomcznych wynkających z zastosowana nowych rozwązań technolo. Elementem oceny jest m.n. oszacowane zmany strat przesyłana cepła. W tym celu naleŝy wyznaczyć wartośc strat przed po modernzacj. Do teo celu moŝna wykorzystać foprmuly oblczenowe. Warto, o le to moŝlwe, dokonać równeŝ pomaru strumena strat cepła, co zwększa waryodnośc wynków oblczeń. W ramach realzacj projektu przebudowy modernzacj systemu cepłownczeo oparteo na węzłach rupowych na system węzłów ndywdualnych OBRC wykonał audyt eneretyczny w tym szacowane strat cepła w sec przynaleŝnej do stnejących około 100 węzłów rupowych. Następne oszacowano straty jake będą mały mejsce po w/w modernzacj tj przy zaslanu węzłow ndywdualnych z sec wysokoparamterowej. Istotnym problemem okazał sę wybór metody szacowana jednostkowych strat cepła w sec, dyŝ ne było jednoznacznej nstrukcj wykonywana oblczeń. Jedyną wskazówką jest zaps w [1] mówący, Ŝe jednostkowe straty cepła naleŝy oblczać w oólnych zasad oblczana strat cepła w secach. W nawązanu do teo zalecena OBRC opracował własne arkusze oblczana strat cepła w secach cepłownczych (kanałowych, w budynkach, prezolowanych), bazujące na formułach podawanych w lteraturze, m.n. [3-6,12] Wedłu tej metodyk (nazwanej metodą LOSC) wykonano oblczena strat cepła w sec cepłownczej objętej audytem. W krótkm czase po wykonanu przez OBRC oblczeń strat cepła, NFOŚGW wydał załącznk [2] w którym podał własną metodykę szacowana strat cepła w róŝnych typach sec cepłownczych (nazwaną metodą NFOSGW). Dokonano zatem ponowne oblczena jednostkowych strat cepła w sec cepłownczej objętej audytem, a następne porównano róŝnce w wynkach oblczeń wykonanych obydwema metodam. W metodze NFOSGW wartość jednostkowych strat q wylczana jest z uwzlędnenem współczynnka strat oraz wskaźnka poorszena sę zolacj w wynku jej starzena.
Zmany współczynnka przewodzena cepła oraz rubośc zolacj uwzlędnone są w sposób pośredn. W metodze LOSC w sposób bezpośredn uwzlędna sę zmanę współczynnka przewodzena cepła zmanę rubośc zolacj. 2. Zakres analzy Mając na wzlędze mnmalzację nakładu pracy oraz fakt, Ŝ seć zaslająca poszczeolne węzły rupowe była budowana w zblŝonym okrese czasu, po konsultacjach z NFOŚGW, wykonano jeden reprezentatywny audyt sec cepłownczej przynaleŝnej do wszystkch węzłów rupowych, a następne wyznaczono efekty eneretyczne ekonomczne dla całej sec. Seć cepłowncza objęta audytem przed po modernzacj doprowadza cepło wyłączne na potrzeby c.o. do węzłów objętych projektem składała sę z odcnków sec o róŝnych średncach nomnalnych o zblŝonym weku podobnym stane techncznym. Przed modernzacją seć o średncach nomnalnych poszczeólnych odcnków w zakrese DN 32 DN400 mała całkowtą dłuość ok. 50 km, po modernzacja seć składa sę z odcnków o średncach nomnalnych DN32-DN300 ma całkowtą dłuość ok. 42 km. Moc zamówona przez odborców zaslanych secą wynos około 150 MW. Ze wzlędu na mejsce sposób prowadzena sec podzelono na: - kanałowe, - prezolowane ułoŝone bezpośredno w runce, - przechodzące tranzytem przez pomeszczena. Przyjęto załoŝene, Ŝe stan technczny rurocaów na kaŝdym z wymenonych typów sec eksploatowanych w tym samym okrese był do sebe zblŝony (ponewaŝ były budowane w tym samym okrese co potwerdzają dane z nwentaryzacj sec). Z teo wzlędu wylczene strat cepła w wynku realzacj projektu modernzacj sec cepłownczej doprowadzającej cepło do węzłów objęło odcnk sec przed po modernzacj sec: kanałowej, prezolowanej ułoŝonej bezpośredno w runce, przechodzacej tranzytem przez pomeszczene, dla zsumowanych dłuośc odcnków rurocąów w poszczeółnych średncach nomnalnych. 3. Wyznaczane strat cepła w secach cepłownczych Całkowte straty cepła mocy w secach cepłownczych lczone były tylko na potrzeby c.o. (dyŝ take były załoŝena dotyczące projektu). Wzór wykrzystany do oblczana rocznych strat dla obydwu omawanych metodyk był ten sam ma postać [1]: E = 10 5 8,64 q L D (1) s q s - średne jednostkowe straty cepła w sezone rzewczym, W/m, L - dłuość odcnka sec, m, D s - lczba dn trwana sezonu rzewczeo, E s straty w sezone rzewczym, GJ/a, mocy ceplnej w warunkach oblczenowych Q o opsane są wzorem: o o s s Q = q * L (2)
q o - jednostkowe straty cepła w warunkach oblczenowych., W/m, L - dłuość odcnka sec, m. 3.1. Metoda LOSC Sec kanałowe Wyznaczane jednostkowych strat cepła oparte było o metodę źródła upustu [3], która zakładała kołowy przekrój badaneo obektu, dze jednostkowe straty cepła q k w kanale oblczane są ze wzoru: q k t k t o = (3) R + R + R k t k - temperatura powetrza w kanale cepłownczym, C, t o - temperatura otoczena (powetrza zewnętrzneo), C, R k - opór ceplny ścank kanału, mk/w, R - opór ceplny runtu, mk/w, R _o - opór ceplny od runtu do otoczena (powetrza zewnętrzneo), mk/w. Temperatura w kanale t k określana jest z wzorów podanych w [3] Sec przechodzące tranzytem przez budynk Jednostkowe straty cepła dla sec benącej tranzytem przez budynk q r czyl straty mędzy rurocąem, w którym przepływa czynnk rzewczy a otoczenem/pomeszczenem, w którym sę te rurocą znajdują) oblczono z wzoru: q r = n = 1 t t R o t - temperatura czynnka rzewczeo w -tej rurze, C, t o - temperatura otoczena (powetrza) w budynku, przez który przechodz -ta rura, C, R - opór przewodzena cepła zazolowaneo rurocąu na -tej rurze, mk/w. o (4) Sec prezolowane Jednostkowe straty cepła w secach prezolowanych q p oblczone zostały w oparcu o wytyczne zawarte w [5] w wzoru: t z + t p q = p 2 ( U1 U 2 ) t (5) 2 t z, t p - temperatury czynnka rzewczeo w rurocąu zaslającym powrotnym, C, U 1, U 2 - współczynnk straty, W/(m 2 K), t - temperatura runtu na pozome os rurocąów, C.
Współczynnk strat cepła U 1 U 2 (w których zostały uwzlędnone opory ceplne zolacj właścwej, opór ceplny runtu R oraz opór od wzajemneo oddzaływana na sebe rurocąów R h zaslająceo powrotneo) wyznaczono w oparcu o wzory: R + R U = (6) 1 2 2 ( R + R ) R h U h 2= (7) 2 2 ( R + R ) R R R - opór ceplny runtu, mk/w, R - opór ceplny zolacj, mk/w, R h - dodatkowy opór od wzajemneo oddzaływana rurocąów zaslająceo powrotneo, mk/w. Poszczeólne składowe oporu ceplneo zostały wyznaczone ze wzorów podanych w [1, 3, 4, 5]. Przy oblczanu poszczeólnych oporów uwzlędnono projektowe rubośc zolacj dla sec budowanych w latach 70 80-tych (tabela 1) oraz jej średne 20% (warant A) 30% (warant B) jej zmnejszene po 30 latach eksploatacj (dla sec kanałowych w budynkach). Współczynnk przewodzena cepła przez zolację dla nowych sec kanałowych prezolowanych przyjęto w wysokośc odpowedno 0,05 0,033 [W/mK]. Uwzlędnając wek sec przyjęto wzrost współczynnka przewodzena cepła o 100 % w warance A oraz 120 % w warance B. Średną temperaturę runtu dla sec prezolowanych przyjęto w wysokośc 8 C, współczynnk przejmowana cepła od runtu do powetrza załoŝono na pozome 20 [W/m 2 K]. Podane w tabel 1 wartośc rubośc zolacj odpowadają maksymalnym dopuszczalnym jednostkowym stratom cepła w obowązującej przed laty normy [11]. Tabela 1. Dane wyjścowe modernzowanej sec (kanałowej w budynkach). DN D z rury stalowej [mm] Grubość zolacj [mm] h Maksymalne dopuszczalne jednostkowe straty cepła [W/m] Zaslane Powrót Zaslane (90 C) Powrót (70 C) 32 42,4 40 40 26 20 40 48,3 50 40 28 22 50 60,3 50 40 31 24 65 76,1 50 40 34 26 80 88,9 50 40 36 29 100 114,3 60 40 39 33 125 139,7 70 50 41 35 150 168,3 70 50 46 39 200 219,1 80 60 52 41 250 273 80 60 60 48 300 323,9 90 70 65 55 400 406,4 100 70 69 59
3.2. Metoda NFOŚGW Metodyka zaproponowana przez NFOŚGW pozwala na określene rocznych oraz jednostkowych strat cepła w secach cepłownczych, dla potrzeb projektów realzowanych w Prorame Operacyjnym Infrastruktura Środowsko [2]. Została ona rowneŝ wykorzystana w omawanym tutaj audyce. Jednostkowe straty cepłą q n wyznaczane są w wzoru stosowaneo często dla sec prezolowanych: q = u ( t1 + t 2 2 t ) (8) n śr t 1 śr średna temperatura wody w sezone rzewczym w rurocąu zaslającym, C, t 2 śr - średna temperatura wody w sezone rzewczym w rurocąu powrotnym, C, t s temperatura na zewnątrz rurocąu; w przypadku, dy rurocą połoŝony jest w runce (prezolowany) ts = 8 o C, dla rurocąów umeszczonych w kanałach t s zaleŝy od nomnalnych temperatur sec podanych w norme PN EN 85/B-02421, u współczynnk strat cepła wyznaczony w wzoru: u 0 śr s u = a (9) u o współczynnk bazowy strat cepła uwzlędnający średncę rurocąu, W/(mK), a wskaźnk poorszena zolacj rurocąu w wynku jej starzena (w[2], uzaleŝnony od weku sec. 4. Wynk oblczeń Na rys. 1 2 podane są straty jednostkowe dla warunkow oblczenowych a na rys. 3 4 dla warunków średnch w sezone rzewczym (rzeczywstych), przed po modernzacj. Podane wartośc strat odnoszą sę do średnc sec od DN32 do Dn400 mm. Podane na rys 2 4 straty jednostkowe po modernzacj są znaczne nŝsze (blsko dwukrotne) nŝ przed modernzacją. Jednostkowe straty cepła [W/m] 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Jednostkowe straty cepła - przed modernzacją - warunk oblczenowe (porównane metod LOSC NFOŚGW) Welom. (Kanałowe LOSC) Welom. (Budynk LOSC) Welom. (Prezolowane LOSC) Welom. (Budynk NFOŚGW) Welom. (Kanałowe NFOŚGW) Welom. (Prezolowane NFOŚGW) 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 400 Średnca nomnalna rurocąu DN Rys.1. Jednostkowe straty przesyłana cepła dla sec cepłownczej przed modernzacją dla warunków oblczenowych. Jednostkowe straty cepła [W/m] 300 275 250 225 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Jednostkowe straty cepła - po modernzacj - warunk oblczenowe (porównane metod LOSC NFOŚGW) Welom. (Nowa seć prezolowana LOSC) Welom. (Eksploatowana seć prezolowana LOSC) Welom. (Nowa seć prezolowana NFOŚGW) Welom. (Eksploatowana seć prezolowana NFOŚGW) 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 400 Średnca nomnalna rurocąu DN Rys.2. Jednostkowe straty przesyłana cepła dla sec cepłownczej po modernzacj dla warunków oblczenowych.
Jednostkowe straty cepła [W/m] 200 175 150 125 100 75 50 25 Jednostkowe straty cepła - przed modernzacją - warunk rzeczywste (porównane metod LOSC NFOŚGW) Welom. (Kanałowe LOSC) Welom. (Budynk LOSC) Welom. (Prezolowane LOSC) Welom. (Budynk NFOŚGW) Welom. (Kanałowe NFOŚGW) Welom. (Prezolowane NFOŚGW) 0 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 400 Średnca nomnalna rurocąu DN Jednostkowe straty cepła [W/m] 200 175 150 125 100 75 50 25 0 Jednostkowe straty cepła - po modernzacj - warunk rzeczywste (porównane metod LOSC NFOŚGW) Welom. (Nowa seć prezolowana LOSC) Welom. (Eksploatowana seć prezolowana LOSC) Welom. (Nowa seć prezolowana NFOŚGW) Welom. (Eksploatowana seć prezolowana NFOŚGW) 32 40 50 65 80 100 125 150 200 250 300 400 Średnca nomnalna rurocąu DN Rys.3. Jednostkowe straty przesyłana cepła dla sec cepłownczej przed modernzacją dla warunków rzeczywstych Rys.4. Jednostkowe straty przesyłana cepła dla sec cepłownczej po modernzacj dla warunków rzeczywstych Na rys. 5 przedstawono całkowte straty mocy w sec cepłownczej w warunkach oblczenowych (WO) średnch w sezone rzewczym (rzeczywstych-wr) przy wykorzystanu metodyk LOSC NFOŚGW. W tabelach 2 3 podano zestawene strat mocy ceplnej w sezone oraz rocznych strat cepła odpowedno przed po modernzacj. Istotne róŝnce występują w ocene strat przed modernzacją. w metody NFOŚGW są o 48 % wększe nŝ w warance A o 32 % wększe nŝ w warance B dla metody LOSC. W obu sposobów lczena strat zmana węzłów rupowych na ndywdualne przynos znaczne zmnejszene strat cepła. W welu przypadkach, jeśl z węzłów rupowych dostarczana jest równeŝ cepła woda uŝytkowa ch zmana na węzły ndywdualne prznos znaczne wększe zmnejszene strat przesyłana. (warunk oblczenowe - WO średne w sezone rzewczym - WR) 7,00 6,00 5,78 LOSC NFOŚGW [MW] 5,00 4,00 3,00 2,00 4,25 2,22 2,59 2,53 3,68 1,60 1,86 1,00 0,00 Przed modernzacją WO Po modernzacj WO Przed modernzacją WR Po modernzacj WR Seć przed po modernzacj Rys 5. Zestawene strat mocy w obu metodykach dla warunków oblczenowych rzeczywstych przed po modernzacj węzłów rupowych
Tabela 2. w sec cepłownczej przed modernzacją Całkowte straty cepła w sezone rzewczym w warunkach rzeczywstych PRZED MODERNIZACJĄ Typ sec Metoda LOSC - A Metoda LOSC B Metoda NFOŚGW Kanałowa 1080 20910 1187 22969 1688 32828 W budynkach 1059 20365 1216 23374 1539 29659 Prezolowana 392 7518 392 7518 453 8690 SUMARYCZNE 2531 48793 2795 53861 3679 71177 Tabela 3. w sec cepłownczej po modernzacj Całkowte straty cepła w sezone rzewczym w warunkach rzeczywstych PO MODERNIZACJI Typ sec Nowa seć prezo. Eksploatowana seć prezo. Metoda LOSC Metoda NFOŚGW 966 18520 1137 21809 632 12129 723 13859 SUMARYCZNE 1597 30649 1860 35668 5. Podsumowane wnosk dla sec modernzowanych (po weloletnej eksploatacj) oblczone metodą NFOŚGW przewyŝszają straty wyznaczone metodą LOSC, zarówno w warunkach oblczenowych jak średnch w sezone rzewczym. Wększy będze równeŝ efekt eneretyczny modernzacj dla potrzeb ubeana sę o dotacje ze środków UE moŝna uwaŝać za zasadne skorzystane z tej metodyk. Metoda ta wprowadza ponadto jednolte formuły oblczana strat w sec po weloletnej eksploatacj, co równeŝ jest jej pozytywną cechą. Zaletą metodyk NFOŚGW jest wykorzystane prostych formuł to, Ŝe znaczne szybcej moŝna wykonać oblczena, przy jednoczesnym mnejszym prawdopodobeństwe popełnena błędu (przy wprowadzanu formuł wzorów w arkuszu kalkulacyjnym, etc.) nŝ w przypadku nnych metodyk. Wadą tej metody jest brak bezpośredneo odnesena do stanu rubośc zolacj, które to parametry decydują o welkośc jednostkowych strat przesyłana cepła. Dla potrzeb dokładnej analzy strat cepła w sec cepłownczej, w szczeólnośc przy badanu wpływu temperatur wody secowej na straty, naleŝy stosować dokładnejsze formuły, uwzlędnające rubośc zolacj, wek sec, rodzaj sec jej wymary
eometryczne, zmanę temperatury runtu w funkcj temperatury zewnętrznej oraz bezwładność tych zman. Przykład takej analzy z wykorzystanem MES podany jest np w [9]. KaŜda z metod oblczana strat cepła w secach cepłownczych ze wzlędu na złoŝone zjawska wymany cepła obarczona jest mnejszym lub wększym błędem. Dlateo warto jest zweryfkować oblczena poprzez pomar strumena cepła, stosując dostępne przyrządy pomarowe. Przykłady wynków takch pomarow podano w [9]. 6. Bblorafa [1] Rozporządzenu Mnstra Infrastruktury z dna 17 marca 2009 r. w sprawe szczeółoweo zakresu formy audytu eneretyczneo, Dz.U. Nr. 43, poz. 346. [2] Załącznk do Reulamnu Konkursu nr 1/POIŚ/9.2/2009 Proram Operacyjny Infrastruktura Środowsko 2007 2013 Prorytet IX - Dzałane 9.2. Szacowane strat cepła w wynku realzacj projektu. [3] Nemysk O.: Metodyka oblczana strat cepła w systeme cepłownczym z uwzlędnenem okresu letneo. Materały Konferencyjne FCP, Mędzyzdroje 1997r. [4] Górzyńsk J.: Przemysłowe zolacje ceplne. Wydawnctwo Sorus S.C., [5] Polska Norma PN-EN 13941: 2003 Projektowane budowa sec cepłownczych z systemu prezolowanych rur zespolonych. [6] śarsk K.: Wspomaane komputerowo oblczena strat cepła w secach cepłownczych. Instal, 4/2003. [7] sec cepłownczych przy zmennym obcąŝenu systemów cepłownczych. Instal 12/2003 [8] Mckewcz I.: Rzeczywsta łębokość przemarzana runtu a wymaana normowe. Izolacje II 2008. [9] Falba Ł. Petrzyk Z., Smyk A., Twarowsk A.: Wykorzystane metody numerycznej MES oraz pomarów strumena cepła do oblczana strat cepła w mejskej sec cepłownczej. Instal, 4/2009. [10] Sennck M., Skora S., Bachańska A.: Tymczasowe zasady zmnejszana strat cepła przesyłaneo w secach ceplnych, Instal, Warszawa 1988. [11] Norma PN-85/B-02421 Izolacja ceplna rurocąów, armatury urządzeń. Wymaana badana. [12] Norma PN-EN ISO 12241 Izolacja ceplna wyposaŝena budynków nstalacj przemysłowych. Zasady oblczana.