Na Obr. 1 sú prezentované jednotlivé inštalované výkony SCZT v MW podľa kategórie miery v MW, ktoré prezentoval Úrad pre reguláciu sieťových odvetví.

Súčasné zameranie smeruje k znižovaniu uhlíkových stôp spolu so znižovaním CO₂ emisií aj v rámci SCZT. Využívanie obnoviteľných zdrojov (OZE) spolu so správnym návrhom potrubných rozvodov vie prispieť k udržateľnému rozvoju sietí SCZT. V štúdii sa zameriame na správny návrh tepelných rozvodov vo všeobecnosti, ale taktiež najmä na tepelné napájače (oceľové predizolované siete dimenzií nad DN 300).

Potrubné napájače tepla

Tepelné napájače, respektíve veľké tepelné potrubné rozvody tepla sú oceľové potrubia v dimenzií nad DN 300. Tieto diaľkové tepelné napájače z teplárne prenášajú zohriate teplonosné pracovné látky do menších rozvodných celkov SCZT. Príkladom sú tepelné napájače na Slovensku v Košiciach, v Českej republike to je tepelný napájač z Temelína do Českých Budějovic. Teplo v novom napájači prúdi v dimenzii DN 500 cez 26 kilometrov s vonkajšou dimenziou potrubí DA 800 a DA 710, ktoré prepájajú jadrovú elektráreň Temelín. Výstavba nového horúcovodu trvala 4 aj pol roka [10].

Ďalším príkladom tepelného napájača, ktorého výstavba je plánovaná na rok 2030 je horúcovodný tepelný napájač z Dukovian do Brna v Českej republike. Bude sa jednať o trasu dlhšiu viac ako 40 km [11].

Podľa urbanisticko-technického riešenia sú osadené z primárnych požiadaviek technológie pre inštaláciu a prevádzku technologických zariadení a pre pripojenie nových  alebo rekonštruovaných rozvodov do jestvujúcich rozvodov verejného teplovodu, ako aj efektívne využitie dotknutej časti riešeného územia. Časti potrubných privádzačov môžu byť vedené v nadzemnom alebo podzemnom vyhotovení.

Na Obr. 2 je zobrazený priestor staveniska pri výstavbe tepelného napájača a jeho základné potrebné rozostupy a potrebné šírky.

Začiatočný postup pre správny návrh tepelných sietí

Prvým a hlavným krokom pre zvýšenie úspory tepla a zníženie finančným investícii je správny návrh rozvodných potrubných trás tepelných napájačov. Do samotného návrhu vstupujú koncové pripájacie odberné miesta (tepelné výkony odberných miest), takisto dĺžky samotných trás potrubí, prevádzkový tlak v potrubnej sieti a v neposlednom rade teplotný spád teplonosnej pracovnej látky (teplota prívodnej a vratnej vody).

Keď poznáme všetky tieto údaje, nie je problém nadimenzovať tepelnú rozvodnú sieť, tu je ale dôležité sa zamyslieť aj nad tým akou prívodnou teplotou teplonosnej pracovnej látky budeme vstupovať do výpočtu. Veľa krát sú tepelné siete nadimenzované na vyššie teploty, než je nutné. Hlavnou myšlienkou je zvážiť či je možné zníženie teplotného spádu teplonosnej pracovnej látky. Ak prívodnú teplotu  teplonosnej pracovnej látky nie je možné znížiť, úpravou a teda znížením teploty vratnej teplonosnej pracovnej látky z 90 °C na 80 °C alebo 75 °C vieme ovplyvniť samotný návrh dimenzii potrubných rozvodov. Zmenou vratnej teplonosnej pracovnej látky dokážeme znížiť priemer potrubia aj o 1 dimenziu nižšie. Táto zmena dimenzie taktiež súvisí so zmenšením celkových strát v potrubí (menšie dimenzie, menšie plochy pri úniku tepla do okolia), čo ovplyvní taktiež aj celkovú cenu investície projektu, ktorá sa taktiež zníži.

Tab. 1 Prepočet návrhu dimenzii pri zmene teplotného spádu teplonosnej pracovnej látky

V tab. 1 môžeme vidieť prepočet tlakovej straty a rýchlosti prúdenia v potrubiach DN 350 až DN 450 pri prenášanom výkone 30 MW a dĺžky potrubí 1000 m. Rôznymi teplotnými spádmi vieme prispôsobiť návrh potrubí, tak aby sme dodržali požadované podmienky pre návrh potrubných rozvodov tepelných napájačov (neprekračovali maximálnu povolenú tlakovú stratu a maximálnu rýchlosť prúdenia).

Porovnanie súčasných potrubných systémov pre diaľkové potrubné tepelné napájače pre SCZT

V nasledujúcom popise sme sa sústredili na porovnanie hlavných prvkov ovplyvňujúcich návrh diaľkových potrubných tepelných napájačov pre SCZT: straty tepla v tepelných sieťach, životnosť potrubí a montáž.

Straty v potrubných rozvodoch tepelných sietí – životnosť potrubí

Straty v tepelných rozvodoch závisia od samotnej vodivosti materiálov potrubných systémov a od ich hrúbok. Výsledkom je súčiniteľ prechodu tepla U, ktorý ohraničuje množstvo tepla, ktoré je schopné preniknúť cez bariéru. Hodnoty R popisujú tepelné odpory jednotlivých vrstiev (oceľové potrubie, plášť potrubia, izolácia, zemina, medzera medzi potrubiami).

Predizolované oceľové potrubia sú dostupné v štandardnej verzií, tieto potrubia pozostávajú z oceľových potrubí vrstvou izolácie PUR a opláštenie HDPE.

Ďalej sú to oceľové predizolované potrubia s difúznou bariérou, ktorá je aplikovaná v rámci technologického postupu na tzv. conti linke. Tu sa izoluje oceľová rúra tak, že je okolo nej vytvorený obal z Al fólie a do neho je aplikovaná PUR pena. Na túto fóliu sa následne extruduje HDPE plášť. Touto technológiou je aktuálne možné vyrobiť s difúznou bariérou iba rovné potrubia.

Oceľové predizolované potrubia s difúznou bariérou, ktoré majú inovatívny prístup k výrobe aplikovali difúznu bariéru EVOH s pridanou hodnotou medzi plášť, tak aby sa zamedzilo k vniknutiu vlhkosti do izolácie a rúrkam. EVOH vrstva – difúzna bariéra je umiestnená v plášti v poradí: HDPE + EVOH + HDPE a následne pokračuje izolácia PUR a oceľové potrubia, to znamená, že v kontinuálnom procese sú jednotlivé vrstvy extrudované a tým je zabezpečené ich dokonalé spojenie. Oceľová rúrka je koronovaná, tak aby bola zabezpečená maximálna súdržnosť systému. Difúznu bariéru obsahujú všetky komponenty: priame potrubia, T-kusy, kolená, doizolovania aj predizolované armatúry. K dispozícii sú aj 16 m potrubia, čím je možné eliminovať počet zvarov, kontroly zvarov a následných doizolovaní.

Všetky dostupné oceľové predizolované potrubia sú v sériách izolácií  S1, séria S2 a séria S3, kde S3 sú potrubia s najväčšou hrúbkou izolácie. Popis vrstiev oceľového predizolovaného potrubného systému s difúznou bariérou je zobrazený na Obr. 3.

Podľa normy EN253 maximálna počiatočná tepelná vodivosť PUR peny by nemala presahovať 0,029 W/(m.K) pri 50°C. Moderné PUR peny často majú hodnoty nižšie než 0,029 W/(m.K), ale táto hodnota sa môže mierne meniť v dôsledku migrácie plynov do alebo z peny. V krátkodobom horizonte bude oxid uhličitý difundovať von a nahradí ho vzduch [5]. Vzduch má vyššiu tepelnú vodivosť než oxid uhličitý, a preto sa aj tepelná vodivosť peny sa zvýši.

Pri bežných predizolovaných oceľových potrubia bolo zistené pomocou experimentálnych meraní, že zmena súčiniteľa tepelnej vodivosti PUR izolácie sa môže zvýšiť z 0,027 W/(m.K) na 0,038 W/(m.K) [6,7].

Pri oceľových predizolovaných potrubiach s difúznou bariérou táto hodnota tepelnej vodivosti PUR izolácie sa ďalšími rokmi nemení a ostáva rovnaká na hodnotu pod 0,027 W/(m.K). Takže táto difúzna bariéra EVOH v predizolovaných potrubiach (zabudovaná priamo do ochranného plášťa) zvyšuje životnosť teplárenských potrubí vďaka eliminácii korózie rúrok a zároveň znižuje tepelné straty v rozvodoch tepla.

Tab. 2 Prepočet tepelných strát v GJ po 30 rokoch pre 10 km trasy v troch dimenziách DN 350, DN 400 a DN 500. Porovnávali sme štandardné oceľové predizolované potrubia a oceľové predizolované potrubia s difúznou bariérou.

V Tab. 2 sú uvedené kumulatívne tepelné straty v dimenziách DN 350 až DN 500 na 10 km trasy potrubia pre tri rôzne teplotné spády (120/90, 120/80, 120/70). Tak ako sme vyššie spomínali o zmene teplotného spádu a zmenšením dimenzie potrubí, má táto zmena teplotného spádu vplyv aj na  tepelné straty. V tejto tabuľke je zobrazené porovnanie kumulatívnej tepelnej straty pre potrubia so štandardným HDPE plášťom (kde podľa meraní sa postupne zhoršuje tepelná vodivosť s potrubiami), s potrubiami, ktoré majú difúznu bariéru (kde antidifúzna vrstva zabraňuje difundovaniu a zmene vlastností izolácie).

Vo všeobecnosti by sa dalo povedať, že je možné nahradiť izolačnú triedu zo S2 štandardného predizolovaného potrubia do série S1 s difúznou bariérou, alebo zmenou zo S3 štandardného potrubia do S2 s difúznou bariérou podľa zvolenej úspory tepla v rozvodoch. Respektíve môžeme potvrdiť, že pri zvolení rovnakej hrúbky izolácie v každej sérii izolácie, prichádza k výraznej úspore tepla, skrz nižšie tepelné straty v potrubných rozvodoch, ktoré sú zabezpečené v antidifúznom systéme.

Životnosť predizolovaného potrubia a celkovej tepelnej siete závisí od [8]:

• kvality materiálov a surovín použitých pri výrobe – správneho spracovania rúr a izolovaných prvkov,
• správneho návrhu projektu,
• kvality stavebno-montážnych prác,
• kvalifikácie zváračov a montérov,
• dohľadu počas inštalácie potrubí,
• spôsobu prepravy a skladovania izolovaných prvkov na stavenisku,
• kvality vody v distribučnej sieti.

Dodržiavanie stanovených zásad pri návrhu tepelných sietí, pri výrobe rúr a izolovaných prvkov a počas stavby, montáže a prevádzky teplárenského rozvodu zabezpečí, že bude táto sieť fungovať spoľahlivo 30 rokov.

Vplyv dĺžky potrubia na rýchlosť montáže

Pri väčších projektoch (tie, ktoré majú násobne dlhšie trasy potrubí) je vhodné zvážiť aj možnosť použitia potrubí v dĺžkach 16 a prípadne dokonca 18 m. Táto väčšia dĺžka potrubí, ktoré sa štandardne dodávajú v dĺžkach 6 alebo 12 m vedia zredukovať počet spojov na trase. Niektorí výrobcovia ponúkajú okrem štandardných 12 m potrubí aj 16 m potrubia, niektorí dokonca 18 m potrubia- pre dimenzie nad DN300.

Na 10 000 m je potrebných pri 12 m potrubiach 1667 spojov, pri 16 m 1250 a pri 18 m iba 1111 spojov/zvarov. Použitím 18 m potrubí oproti 12 m je možné ušetriť 1/3 zvarov a spojov. Pri prepočte sme nebrali do úvahy kolená, kompenzátory ani iné komponenty.

Ak uvážime, že bežne pripadá pri dimenzii DN500 na jedného zvárača ca. 1,5 zvaru a pri DN700 1 zvar na človekodeň, tak sa tu jedná a výrazné zrýchlenie výstavby (obmedzené množstvo zváračov s potrebnou kvalifikáciou). Samozrejme sa nejedná iba o samotný zvar a zvárača, ale aj o prípravu zvaru, ktorá môže trvať dlhšie ako samotný zvar. Potom je to následná kontrola zvaru, röntgen atď. Každý spoj je nutné odborne doizolovať.

Záver

Celkový návrh a prispôsobenie tepelnej siete je prvoradým krokom k zabezpečeniu správne navrhnutej trasy v sieťach SCZT- t. j. zvolenie správneho teplotného spádu a prevádzkového tlaku, zvolenie potrubného systému (materiálu potrubí a sériu izolácie). Ako sme uvádzali vyššie v texte správnym zvolením potrubného systému vieme znížiť tepelné straty v sieťach a takisto predĺžiť ich životnosť. Aj malá zmena vie ovplyvniť parametre siete, keďže sa jedná o dimenzie nad DN 300 a aj dĺžky trás sú násobne dlhšie. Pri zvolení dlhších vyrobených potrubí zo štandardných 6m/  12m na 16 m alebo 18 m potrubí, sa dokáže zrýchliť celková montáž a výstavba tepelných sietí. Správnym návrhom tepelných sietí vieme byť viac ekologický a znížiť emisie CO₂ a takisto aj znížiť prevádzkové náklady vďaka menšej potrebe tepla pri jeho výrobe.

Literatúra:

[1]  Úrad pre reguláciu sieťových odvetví, Výročná správa ÚRSO 2021, https://www.urso.gov.sk/data/att/dad/2030.b1313b.pdf

[2]  Úrad pre reguláciu sieťových odvetví, Výročná správa ÚRSO 2022, https://www.urso.gov.sk/data/att/8d4/2610.aac5d5.pdf

[3]   Slovenská inovačná energetická agentúra, ÚRSO, https://www.siea.sk/bezplatne-poradenstvo/bezplatne-poradenstvo-pre-verejny-sektor/sustavy-centralneho-zasobovania-teplom-prehlad-sucasneho-stavu/

[4]  M. Šroubek, prezentácia Teplárny Brno, Dny teplárenství a energetiky, 26. 4. 2023

[5]  Alberto Vega, Assessment of the lifetime of district heating pipes, thesis for the degree of doctor of philosophy, Sweden, 2020

[6]  Hans Korsman, Stefan de Boer, Ivo Smits, „IEA Implementing Agreement on District Heating and Cooling, including te integretion of CHP”, Department of Mechanical  and Process Engineering. Nuon N.V. Duiven, the Netherlands, 2005.

[7]  Razvan- Corneliu Lefter, Daniela Popescu, Analysis of ´´ Conti´´ Pre- insulated Pipes with Diffusion Barrier Versus Traditional Pre-insulated Pipes Used in District Heating Networks,

[8]  Prezentácia: Predizolované systémy v teplonosných sieťach – hodnotenie používaných riešení z pohľadu približne 30 rokov prevádzky, kľúčové body. Ewa Kręcielewska, Spec Grupa Dalkia

[9]   Oceľové predizolované potrubia, https://www.nrgflex.sk/ocelove-predizolovane-potrubia/

[10]  Horkovod z Temelína do Českých Budějovic začal dodávat teplo https://www.cez.cz/cs/pro-media/tiskove-zpravy/bezemisni-teplo-uz-proudi-z-temelina-do-ceskych-budejovic-183168

[11]  Brno dostane teplo z Dukovan  https://www.novinky.cz/clanek/domaci-brno-dostane-teplo-z-dukovan-40433076