Straty ciepła sieci ciepłowniczej odnoszą się do ilości energii cieplnej, która tracona jest podczas jej transportu ze źródła ciepła do odbiorców końcowych. Wynikają one z występowania procesów wymiany ciepła między wodą płynącą w rurach a otoczeniem zewnętrznym oraz gruntem.
Straty ciepła zawsze towarzyszą przesyłowi energii cieplnej siecią ciepłowniczą. Można je jedynie zmniejszyć poprzez modernizacje tras sieci oraz w wyniku obniżenia temperatury wody płynącej wewnątrz rur z zachowaniem prawidłowej pracy węzłów cieplnych.Istnieje jednak pewien poziom strat ciepła, którego nie można obniżyć. Wynika to z ograniczeń technologicznych. Stosowanie wysoko sprawnych materiałów izolacyjnych w ciepłownictwie zwiększa koszty inwestycyjne, a tym samym zmniejsza jej opłacalność. Dlatego wykorzystywane materiały izolacyjne muszą charakteryzować się stosunkowo niską ceną z zachowaniem jednocześnie możliwie dobrych właściwości termoizolacyjnych.
Fot. 1 Powierzchnia gruntu sfotografowana kamerą termowizyjną
Straty ciepła w dużej mierze zależą od właściwości termoizolacyjnych materiału izolacyjnego rurociągów ciepłowniczych. Całkowity opór przenikania ciepła (Rc) na drodze od gorącej wody płynącej w rurach do powietrza zewnętrznego i gruntu otaczającego rurociąg jest sumą wielu cząstkowych wartości oporów przewodzenia i przejmowania ciepła, np.: oporu przewodzenia ciepła przez izolację rurociągu, oporu przejmowania ciepła na powierzchni izolacji i ściankach kanału ciepłowniczego, oporu przewodzenia ciepła przez grunt.
gdzie:
Rc – całkowity opór przenikania ciepła, mK/W
Ri – opór przewodzenia lub przejmowania warstwy np.: gruntu, izolacji, mK/W
Największy udział w całkowitym oporze przenikania ciepła (Rc) ma opór przewodzenia ciepła izolacji rurociągu wynoszący średnio około 70–80%.Dlatego ograniczając emisję energii cieplnej, należy zwiększyć sprawność izolacji rurociągów.
Wielkość strat ciepła sieci ciepłowniczych często określana jest jako wartość bezwzględna wyrażona w GJ lub MW oraz jako wartość względna wyrażona w procentach.
Bezwzględne straty ciepła rurociągów to ilość ciepła traconego wskutek przenikania ciepła od gorącej wody płynącej rurociągami poprzez izolację do gruntu i powietrza zewnętrznego w określonym czasie.Dla odcinka rury wielkość mocy strat ciepła można obliczyć, korzystając z następującej zależności:
gdzie:
Qs– moc strat ciepła, W
m• – strumień masy wody płynącej w rurze, kg/s
cw– ciepło właściwe wody, J/kgK
Tp– temperatura wody na początku rury, °C
Tk – temperatura wody na końcu rury, °C
Powyższa zależność dotyczy mocy strat ciepła. Chcąc wykonać obliczenia ilości traconej energii cieplnej (J), należy otrzymany wynik pomnożyć przez czas (s), w którym wystąpiły dane parametry wody. Wielkość strat ciepła wyrażona w formie mocy często jest wynikiem obliczeń analitycznych i symulacji strat ciepła. Wartości wyrażone w jednostkach energii (J) często pochodzą z systemów pomiarowych i dotyczą określonego przedziału czasu. Znając czas, w którym wykonano analizę strat ciepła, można w prosty sposób przeliczyć obie wartości strat ciepła.
Względne straty ciepławyrażone są w procentach i określają udział strat ciepła w całkowitej energii przesyłanej siecią rurociągów.Dla systemu ciepłowniczego wielkość tę można określić na podstawie zależności:
gdzie:
Us– wartość względna strat ciepła (udział strat ciepła), %
Qs– moc strat ciepła, MW
Qp– moc ciepła produkowanego w źródle ciepła, MW
Es– energia strat ciepła, GJ
Ep– energia cieplna wytwarzana w źródle ciepła i przesyłana siecią ciepłowniczą, GJ
Wielkość udziału strat ciepła w produkcji energii cieplnej (Us) wynosi około 8–15% dla sezonu zimowego oraz 20–40% dla sezonu letniego,przy czym niższe wartości tego wskaźnika występują dla większych systemów. Na rysunku przedstawiono wykres zmian udziału strat ciepła w produkcji energii cieplnej w poszczególnych miesiącach roku dla jednego z systemów ciepłowniczych w Polsce.
Zauważalny wzrost udziału strat ciepła w okresie letnim bezpośrednio wynika z obniżenia zapotrzebowania miasta na energię cieplną w tym okresie (Ep, Qp).
Rys. Przykład zmienności wielkości udziału strat ciepła w produkcji energii cieplnej w ciągu roku dla jednego z systemów ciepłowniczych w Polsce
Metody określania strat ciepła sieci ciepłowniczych
Metody ustalania wielkości strat ciepła sieci rurociągów ciepłowniczych można podzielić na dwie grupy: metody analityczne oraz metody pomiarowe. Metody analityczne polegają na obliczaniu wielkości strat ciepła z wykorzystaniem znanych zależności i metod obliczeniowych opartych na modelu matematycznym. Istnieją różne modele matematyczne dla sieci kanałowych, preizolowanych i napowietrznych. Wymagają one znajomości wielu parametrów geometrycznych odcinków sieci ciepłowniczej oraz właściwości fizycznych materiałów, z których zostały wykonane rurociągi i ich izolacje. Ogólnie można zapisać, że wielkość strat ciepła określana metodami analitycznymi jest funkcją wielu zmiennych, których wartości są wyznaczane z określoną dokładnością.
gdzie:
Qs– moc strat ciepła, W
TZ – temperatura wody zasilającej, °C
TP– temperatura wody powrotnej, °C
DZ – średnica zewnętrzna rurociągu, m
hZ– zagłębienie rurociągu, m
Rizolacji– współczynnik oporu przewodzenia ciepła przez izolację rurociągu, mK/W
λizolacji– współczynnik przewodzenia ciepła dla materiału izolacji rurociągu, W/mK
λgruntu– współczynnik przewodzenia ciepła dla gruntu, W/mK
L – długość rurociągu, m
Całkowite straty mocy cieplnej sieci ciepłowniczej stanowią sumę algebraiczną strat ciepła wszystkich odcinków sieci.Otrzymaną wartość można zwiększyć o kilkanaście procent, uwzględniając w ten sposób straty ciepła armatury i innych elementów zamontowanych na rurociągach. Armatura sieciowa charakteryzuje się rozbudowaną powierzchnią zewnętrzną, czyli powierzchnią wymiany ciepła. W sposób ogólny można zapisać, że:
gdzie:
Qs– całkowita moc strat ciepła, W
Qsi–moc strat ciepła i-tego odcinka sieci, W
qi– jednostkowe straty ciepła i-tego odcinka sieci, W/m
Li– długość i-tego odcinka sieci, m
Metody pomiarowe związane są z pomiarem bezpośrednim lub pośrednim ilości ciepła emitowanego do otoczenia zewnętrznego przez rurociągi ciepłownicze. Pozwalają one na pomiar wielkości strat ciepła rurociągów ciepłowniczych w skali lokalnej lub globalnej. Pomiary lokalne dotyczą jednego lub kilku odcinków sieci. Wykonywane są przy użyciu specjalistycznych urządzeń pomiarowych pozwalających zmierzyć wartość gęstości strumienia ciepła na powierzchni izolacji ciepłociągu. Metoda ta stosowana jest do bezpośredniego pomiaru strat ciepła sieci kanałowych ze względu na dostępność powłok izolacji rur w obrębie komór ciepłowniczych (fot. 2).
Fot. 2 Pomiar gęstości strumienia ciepła na powierzchni izolacji
Druga metoda lokalnego pomiaru strat ciepła rurociągu ciepłowniczego polega na pomiarze temperatury wody sieciowej na obu końcach rurociągu (np. w komorach) oraz wielkości strumienia wody płynącej tym rurociągiem. Uzyskane wyniki pomiarów pozwalają określić wielkość strat ciepła zgodnie z następującą zależnością:
gdzie:
Qstr– moc strat ciepła, W
m• – strumień wody płynącej rurociągiem, kg/s
cw– ciepło właściwe wody, kJ/kgK
TP– temperatura wody na początku rurociągu, °C
TK– temperatura wody na końcu rurociągu, °C
Ta metoda pomiaru wymaga stworzenia mobilnego stanowiska pomiarowego, które można w prosty sposób montować i demontować w komorach ciepłowniczych. Stanowisko umożliwia wykonanie pomiaru temperatury wody za pomocą termometrów elektronicznych z funkcją cyklicznego rejestrowania mierzonych wartości temperatury.
Kolejnym przyrządem pomiarowym jest przenośny przepływomierz ultradźwiękowy, służący do pomiaru i rejestracji wartości strumienia wody płynącej w rurociągu. Elementami pomiarowymi są sondy pomiarowe umieszczane na odizolowanym fragmencie rury zgodnie z zasadami montażu wykonywania pomiaru.
Metodą pomiaru strat ciepła często stosowaną przez przedsiębiorstwa ciepłownicze jest pomiar pośredni o zasięgu globalnym i dotyczy całego systemu sieci ciepłowniczej. Według tej metody wykonywane są pomiary ilości ciepła wyprodukowanego w źródle ciepła oraz ciepła odebranego przez odbiorców. Różnica obu wielkości jest wartością strat ciepła. Jest to metoda pomiaru pośredniego, ponieważ wartość strat ciepła zostaje określona na podstawie pomiaru wielkości energii cieplnej zawierającej wielkość strat ciepła. Wielkość strat ciepła według tej metody obliczana jest na podstawie następującej zależności:
gdzie:
Qstr – energia strat ciepła, J
QPr – wartość produkcji energii cieplnej, J
QSp – wartość sprzedaży energii cieplnej, J
QUb – straty energii cieplnej w wyniku występowania nieszczelności ruro-ciągów
Metody ograniczania strat ciepła
Ograniczenie strat ciepła sieci ciepłowniczych ma nie tylko wymiar ekonomiczny dla przedsiębiorstwa ciepłowniczego, ale także wpływa na zwiększenie jakości dostawy ciepła do odbiorców i zwiększa konkurencyjność w stosunku do innych, alternatywnych źródeł ciepła.
Wielkość strat ciepła sieci ciepłowniczych jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatury wody sieciowej i temperatury otoczeniaoraz odwrotnie proporcjonalna do wartości oporu przenikania ciepła na drodze od rurociągu do otoczenia. Ogólnie można zapisać:
gdzie:
Qs – moc strat ciepła, W
?T – różnica temperatury wody sieciowej i temperatury otoczenia, K
Rc – współczynnik oporu przenikania ciepła na drodze od wody sieciowej płynącej rurociągiem do otoczenia, mK/W
L – długość odcinka sieci, m
Z powyższej zależności wynika, że istnieją tylko dwa kierunki działań zmierzających do ograniczenia strat ciepła sieci ciepłowniczej:
1) zmniejszenie wartości ?T,
2) zwiększenie wartości Rc.
Obniżenie temperatury wody w sieci ciepłowniczej
Obniżenie temperatury wody nie w każdym systemie ciepłowniczym jest możliwe do zrealizowania ze względu na ograniczenia techniczne wyznaczane przez układ sieci i węz-łów cieplnych. W wyniku obniżenia temperatury wody zasilającej system następuje zwiększenie przepływu wody w sieci oraz zwiększenie strat ciśnienia w odcinkach rurociągów.Wzrost oporności hydraulicznej sieci ciepłowniczej wymaga wprowadzenia zmian w układach pompowych źródeł ciepła i przepompowniach sieciowych. Poważnym ograniczeniem technicznym w tym przypadku jest przepustowość sieci ciepłowniczej określająca granice możliwości zwiększenia przepływu wody w sieci.
Kolejną czynnością niezbędną do wykonania jest wprowadzenie zmian w sposobie regulacji węzłów cieplnych. Konieczna jest korekta nastaw regulatorów lub nawet ich wymiana oraz korekta wielkości wymienników ciepła.
Zmiana parametrów temperaturowych wody sieciowej wymaga przeprowadzenia wielu prac dostosowujących system do nowych parametrów pracy. Charakter tych prac jest zależny od indywidualnych cech systemu ciepłowniczego. Z tego powodu nie można tematu uogólniać, podając rozwiązania, które można zastosować w wielu systemach ciepłowniczych.
Następstwem obniżenia temperatury wody zasilającej jest:
– wzrost przepływu wody w sieci rurociągów powodujący występowanie większych strat ciśnienia przepływu wody w rurach,
– potrzeba wykonania zmian regulacyjnych pracy węzłów cieplnych,
– podwyższenie temperatury wody powracającej z węzłów cieplnych.
Obniżenie temperatury wody zasilającej system ciepłowniczy bezpośrednio wpływa na zmniejszenie kosztów eksploatacyjnych w zakresie kosztów energii traconej do otoczenia. Z drugiej strony powoduje wzrost kosztów pompowania wody w przepompowniach. Jednak wzrost kosztów pompowania wody sieciowej jest kilka razy mniejszy od obniżenia kosztów energii cieplnej traconej do otoczenia.
Zmiana technologii wykonania rurociągów
Oczywistym sposobem ograniczenia strat ciepła sieci ciepłowniczych jest zwiększenie oporności przenikania ciepła na drodze od wody sieciowej do otoczenia. Wymiana izolacji istniejących rurociągów wymaga poniesienia wielu nakładów finansowych oraz przeprowadzenia kosztownych prac budowlanych. Najczęściej realizowane jest to przez wymianę starej sieci kanałowej na preizolowaną, której izolacja wykonana jest z wysoko sprawnych materiałów termoizolacyjnych.
Zmiana technologii wykonania sieci cieplnej z kanałowej na preizolowaną powoduje redukcję strat ciepła o 40–50%. Opłacalność takiej inwestycji jest często bardzo niska, ponieważ czas zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych wynosi kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt lat. Przedsiębiorstwa ciepłownicze jednak podejmują się realizacji powyższych inwestycji, są one często współfinansowane w ramach udziału w programach modernizacyjnych Unii Europejskiej.
dr inż. Olgierd Niemyjski
Politechnika Warszawska, Zakład Klimatyzacji i Ogrzewnictwa
