Inženýrské sítě, téma 7 7. Specifika rozvodu tepla a řešení průtoků tepla v teplovodních sítích Při projektování rozvodu tepla vyjdeme opět z míst spotřeby. Nejprve stanovíme celkovou spotřebu, dále vybereme materiál potrubí a provedení tepelné isolace, zvolíme topologii sítě a uložení do země nebo kolektorů, spočteme potřebné průměry a průřezy, zvolíme uzavírací a regulační prvky a ověříme na matematickém modelu možnosti regulace sítě při provozu. Rozvodem tepla máme na mysli výrobu a rozvod tepelné energie. Výroba tepla znamená že teplo vzniklé při spalování pevného nebo plynného paliva se v kotli předává nositeli tepla, což je většinou voda nebo pára. Tímto médiem se teplo přenese do míst spotřeby kde se předá prostoru který je ohříván. Pokud se teplo v místě spotřeby předává prostoru kde mohou lidé přijít do styku s radiátorem, tak jeho teplota musí být výrazně nižší než u radiátorů se kterým lidé nemohou přijít do styku. Z toho vyplývá že při přenosu tepla na větší vzdálenosti je nutné použít vyšší teploty nosného media a ve vhodných místech předat přenášené teplo médiu s nižší teplotou, která nemůže lidi popálit. Z toho opět vyplývá, že často je tepelná soustava rozdělena na primární a sekundární část. Hned v úvodu této kapitoly je nutné upozornit na jednotky a základní pojmy které budeme používat. Teplo – je to energie kterou můžeme přeměnit na energii jiného druhu fyzikální jednotka je Joule – J což je Ws – wattsekunda Joule je poměrně velmi malá jednotka a proto se často používají její násobky Teplota – je fyzikální veličina vyjadřující teplotní potenciál vůči nulovému potenciálu což je absolutní nula -273 0C Tepelný tok – množství tepla které protéká větvi inženýrské sítě – potrubím. V programu Grafit je to J.s-1 čili tepelný výkon [W]
7.1 Tepelné sítě Jako zdroje tepla se používají teplárenské kotle, pára z elektráren a také spalovny (organických) tuhých městských odpadů a kalů. Perspektivní se též jeví spolupráce klasických a nekonvenčních tepelných zdrojů (s využitím tepelných čerpadel či solárních systémů). Progresivní změny se odehrávají zejména ve směru uplatnění nových konstrukcí tepelných sítí využíváním nových materiálů pro zkvalitnění ochrany proti korozi všech zařízení a prvků v systému centrálního zásobování teplem - SCZT, rozsáhlejším a důslednějším uplatněním měření, regulace a automatizace provozu a lepším využíváním výpočetní techniky při projektování SCZT. Klasickým příkladem je námi používaný systém Grafit. Mimo to se zlepšuje účinnost zařízení zdrojů tepla, předávacích stanic, vlastních tepelných sítí a spotřebičů tepla a pro úsporu energie uplatněním dokonalejších tepelně izolačních systémů. Hospodárnost tepelné soustavy je tím lepší, čím koncentrovanější je spotřeba tepla, což vyjadřujeme tzv. tepelnou hustotou H: Gi H [MW. km2] S kde G je nárokovaná spotřeba tepla v MW S plocha zásobovaného území v km2
56
Pro území husté městské zástavby_(střed města) s H = 120 až 230 MW . km2 a území s typem sídlištní vysokopodlažní zástavby s H = 55 až 70 MW . km2 je obvykle vhodné centralizované zásobování teplem. Soustavy centralizovaného zásobování teplem jsou tvořeny ústředními zdroji tepla, tepelnými sítěmi, předávacími stanicemi a vnitřním zařízením. Tepelné sítě se v obytném pásmu koncipují buď jako jednostupňové , nebo dvoustupňové soustavy. Jednostupňová soustava (obr.7.1.) představuje obvykle tepelnou síť 3-tí kategorie která je čtyřtrubková (2 trubky pro rozvod tepla a dvě trubky pro rozvod teplé užitkové vody TUV). Při tomto řešení odpadají investice na předávací stanice, při centrální přípravě TUV lze snáze zajistit potřebnou úpravu vody, systém má relativně nízké nároky na regulační techniku.
1 2
palivo
2 3
2
3
1
vzduch
Obr. 7.1 Princip jednostupňového rozvodu tepla Naopak lze očekávat větší průměry potrubí, a tedy i vyšší prostorové nároky pro jeho uložení (v montážním kanálu, kolektoru apod.). Tento způsob je vhodný při menším rozsahu zástavby zásobované obvykle z jednoho zdroje tepla, a tím i při malém rozsahu tepelných sítí.
1 2 palivo
2
2 3
3
3 4
1
4
3
voda
Obr. 2 Princip dvoustupňového rozvodu tepla Dvoustupňová soustava s nepřímým připojením spotřebních objektů na zdroj tepla pomocí předávacích stanic. Používá se u bytové zástavby většího rozsahu pokud je k dispozici velký zdroj tepla. Dvoutrubkové primární vedení (2. kategorie) vede obvykle ze zdroje do předávacích stanic. Spotřebitelská rozvodná sít ( 3. kategorie), pro rozvod tepla dvoutrubková, vede z předávacích stanic ke spotřebním objektům. Předávací stanice jsou v suterénech některých spotřebních objektů nebo v objektech na ně bezprostředně navazujících (obr. 7.6.). 57
Při vhodném uspořádání zástavby lze volit počet a polohu předávacích stanic tak, aby spotřebitelská sít byla z větší části vnitřní rozvodnou síti. V případě, že se teplo přivádí z větší vzdálenosti dálkovým vedením (1. kategorie), pak se rozvodná síť 2. kategorie připojuje přes výměníkovou stanici. V tomto případě je tepelná síť 2. kategorie napojena na výměníkovou stanici a spotřebitelská síť je napojena přes předávací stanici. Ve výměníkových stanicích je současně umístěno zařízení pro přípravu TUV.
7.2 Zdroje tepla Tepelné zdroje mohou být řešeny v mnoha variantách podle konkrétních podmínek. V současné době to jsou hlavně: - teplárny vyrábějící teplo a zároveň elektrickou energii a používají se tehdy, dosahuje-li požadavek na kapacitu zdroje hodnoty alespoň 35 MW. Teplárny mohou být na uhlí, plyn případně také naftu. - výtopny jsou samostatné výrobny tepla pro zásobování městských obvodů, sídlišť nebo průmyslových závodů, pro tepelný výkon 10 až 35 MW. Podle druhů kotlů rozlišujeme výtopny parní a horkovodní. - okrskové kotelny jsou nejjednodušší zdroje tepla pro nejnižší tepelné výkony od 3 do 10 MW; způsob zapojení rozvodu tepla okrskové nebo blokové kotelny je podobné jako u výtopny t.zn. dvoutrubkový rozvod k předávacím stanicím nebo přímo dovoutrubkový rozvod až po konečné radiátory, - zvláštní zdroje tepla mohou být spalovny tuhých odpadů, zdroje odpadního tepla např. průmyslových závodů a tepelných elektráren, dále geotermální a sluneční energie, popř. i další. Zdroje tepla se dále dělí na zdroje základní a špičkové. . Základními zdroji jsou zdroje, které dodávají teplo ke krytí základní části diagramu ročního průběhu potřeby tepla a tudíž pracuji s poměrně vysokým ročním využitím instalovaného výkonu.
Obr. 7.3 Příklad provedení kotelen Špičkové zdroje jsou v provozu v době kdy je vysoký odběr tepla který není možné pokrýt základními zdroji, což je v zimním období.
7.3 Doprava a rozvod tepla Teplonosná látka musí vyhovovat řadě podmínek. Nejdůležitější jsou příznivé tepelné, provozní a ekonomické vlastnosti: musí být snadno dopravovatelná potrubím i na větší vzdálenosti při malé spotřebě 58
energie a při zajištění provozní spolehlivosti a stability, musí být levná a relativně snadno dosažitelná, musí mít co největší tepelnou kapacitu, vysoký součinitel vodivosti a přestupu tepla, nesmí nepříznivě působit na vedení a zařízení, zvláště korozi, musí být zdravotně nezávadná, musí umožnit snadné řízení průtoku Tyto požadavky nejlépe splňuje voda a vodní pára, i když jejím nedostatkem je korosivní působení a nutnost udržovat dostatečný tlak, zvláště při teplotě nad 100 0C. Pro zásobování bytového fondu a komunálních objektů je výhodnější horká voda, protože je možné zajistit jednoduchou centrální regulaci změnou rozdílu teplot přívodní a zpětné vody v závislosti na změně venkovní teploty. Pára je vhodná u průmyslových závodů, pokud spotřeba tepla pro technologické účely přesahuje 1/3 celkového výkonu teplárny, nebo u dlouhých rozvodů se značnými výškovými rozdíly. Výhodou páry je to, že proudění je způsobeno jejím tlakem a není nutné používat čerpadla. Parní síť je také levnější, protože vratné kondenzátní potrubí má malý průměr a hydraulické jsou menší. Její nevýhodou je, že v důsledku většího teplotního rozdílu mezi párou a okolním prostředím jsou větší tepelné ztráty. 7.3.1 Druhy tepelných sítí
Podle provozního tlaku dělíme tepelné sítě na nízkotlaké, středotlaké a vysokotlaké. Podle druhu teplonosné látky na vodní a parní. Podle způsobu odběru tepla a doplňování teplonosné látky na uzavřené, otevřené, polootevřené. Podle způsobu napojení zdroje na sítě na spotřebiče přímé, oddělené (izolované) a polooddělené. Podle způsobu dopravy teplonosné látky na sítě s přirozeným oběhem, s nuceným oběhem, s kombinovaným oběhem. . Podle počtu paralelních potrubí na jednotrubkové (pára se pouští přímo do vody), dvoutrubkové (nejčastější), třítrubkové (uplatňuje se, je - li dodáváno teplo ve dvou teplotních či tlakových úrovních, nebo má - li jeden druh spotřebičů časově značně odlišnou spotřebu tepla), Podle geometrického tvaru tepelných rozvodných sítí rozlišujeme sítě: větvené, radiální, okruhové, mřížové, kombinované (obr.7.4).
Základní informace o materiálu potrubí teplovodů lze nalézt na internetu. Způsob uložení teplovodů může být různý. Několik příkladů je uvedeno v závěru tématu 2. Ukládáme je: do teplovodních kanálů, kde funkce kanálu je jednak ochranná a jednak isolační a to bývá nejčastější, do kolektorů nebo technických chodeb (právě existence teplovodů často rozhoduje o aplikaci kolektorů a technických chodeb), do země bezkanálovým způsobem kde tepelná isolace je provedena pórobetonem nebo pěnobetonem, jiné typové řešeni využívá azbestocementové chráničky, či chráničky teplovodu z umělé hmoty nebo předisolované potrubí.
59
zdroj
radiální
zdroj
zdroj
mřížová
okružní zdroj
zdroj zdroj zdroj zdroj
radiální
Obr.7.4 Uspořádání tepelných sítí podle geometrického tvaru Podmínkou dobrého uložení je uspokojivě vyřešit ochranu tepelné izolace proti vlhkosti. Rozhodnutí jestli bude tepelné potrubí uloženo nadzemí nebo podzemí záleží na vedení trasy. U dálkových napáječů a v zastavěném území a v průmyslových závodech dáváme přednost nadzemním trasám. K uložení vlastního potrubí se u podzemních tepelných síti, uložených v montážních kanálech či kolektorech se z důvodů axiálních kompensátorů roztažnosti potrubí používá kluzné uložení. U nadzemních síti vedených na stožárech, sloupech nebo jiných nosných konstrukcích, které není možno zatěžovat vodorovnou silou od reakce třecích sil, se používá válečkové uložení. Pevné body (třmenové) přivařovací s opěrkami, zamezují jakýkoli pohyb potrubí a spolehlivě zachycují veškeré síly, které na ně působí. 7.3.2 Vřazené armatury a objekty U tepelných sítí je třeba zajistit co nejmenší hydraulický odpor. Z toho důvodu je nutno pro uzavírací armatury v tepelných potrubích ( s výjimkou pomocných a kontrolních zařízení, kde lze použít ventily), použít přednostně šoupátka. Umísťujeme je na všech velkých odbočkách z hlavní trasy, na přípojkách delších než 20 m a v přímém úseku potrubí po 300 až 500 m až max. 1 000 m a u tepelných napáječů mimo zastavěné území až 2 500 m. Těsně před uzavíracími armaturami se vzájemně přes uzávěr propojí přívodní a vratné potrubí.
60
Pro odvedení kondenzátu z parního rozvodu slouží samočinné odváděče kondenzátu, které se umísťují do nejnižších míst trasy i mimo ně na vzájemnou vzdálenost 300 až 500 m. Pro parní sítě se nejčastěji používají plovákové odvaděče kondenzátu. Mezi sběrače kondenzátu a odvaděče kondenzátu se zařazuje uzavírací armatura; rovněž kondenzátní potrubí je od odvaděče kondenzátu odděleno uzavírací armaturou K zachycování mechanických nečistot se používají sběrače kalů (filtry). Do vrcholových lomů potrubních tras vodního potrubí se umísťují odvzdušňovače ruční, nebo automatické Z dalších armatur to jsou : pojistné ventily které chrání před nepřípustným zvýšením tlaku, redukční ventily které snižují redukují tlak na požadovanou hodnotu, zpětné klapky a zpětné ventily které zabrání zpětnému proudění. Dilatace potrubí, vzniká tepelnou roztažností potrubí při změnách teploty média a to řešíme pomocí kompenzátorů Obr. 7.5 Schéma předávací stanice na obrazovce od spol. CORAL Kompenzátory: tvaru U jsou lyrové, dále ucpávkové, vlnové a čočkové. Dilataci potrubí přes kompensátory řešíme také vhodnými podpěrami potrubí které jsou pevné a kluzné. 7.3.3 Předávací stanice Tvoří spojovací článek mezi primární (výrobní) a sekundární (odběratelskou) částí. Jejím úkolem je propustit požadované množství tepla mezi sítěmi a upravit parametry teplonosné látky na hodnoty technicky optimální, bezpečnostně a hygienicky přípustné a vhodné pro použití v odběratelské části systému. Předávací stanice rozdělujeme : Podle způsobu hydraulického připojení primární a sekundární sítě na: tlakově závislé - primární a sekundární sít hydraulicky souvisí, v obou proudí stejná teplonosná látka a připojení je přímé, pomocí směšovací smyčky, ejektorů či čerpadel, popř. redukčních ventilů, tlakově nezávislé - primární a sekundární sít jsou hydraulicky odděleny pomocí výměníků tepla a v každé z nich proudí jiná teplonosná látka, alespoň s jinými technickými parametry. Podle druhu teplonosné látky na vstupu a výstupu: pára - pára, pára - voda, voda - voda, voda - pára.
61
Podle technologického zařízení (provozního schématu): tlaková regulační stanice, výměníková stanice, směšovací stanice, ejektorová stanice. Nejčastější se používají výměníkové stanice, protože mají řadu funkčních a provozních výhod. Nevýhodou jsou však vyšší pořizovací náklady na výměníku, tlaková ztráta výměníku, spotřeba teplotního spádu na výměníku která je 5 až 10°C a relativně vyšší nároky na velikost obestavěného prostoru.
Obr. 7.6 Příklad provedení výměníkové a předávací stanice. Výhodou ejektorové stanice ( pára se vstřikuje do ohřívané vody) jsou nízké nároky na velikost obestavěného prostoru, jednoduchost, provozní spolehlivost, nízké investiční náklady, snadná údržba a nezávislost na zdroji elektrické energie. Nevýhodou je kolísání teplot, vyvolané změnami tlaků v přívodním potrubí, což je provázeno změnou průtoku i změnou směšovacího poměru v ejektoru, a také nehospodárný provoz, který je dán častým přetápěním. Nejsou vhodné pro systémy dimenzované na konstantní průtok vody. Směšovací stanice se směšovacími čerpadly se uplatňuje tam, kde je pro přímé připojení příliš malý tlakový spád a kde se směšovací poměr během topné sezóny mění, nebo kde je pro činnost směšovacího ejektoru tento poměr nepříznivý. Hlavní výhodou směšovacích čerpadel je velmi snadné připojení k tepelné síti těch otopných soustav, které byly při nuceném oběhu zásobovány teplem z vlastních domovních kotelen a kde se jako směšovací čerpadla využijí oběhová čerpadla otopných soustav. Používáme je tedy tam, kde již nelze použít ejektor a kde pro výměník nemáme dostatek místa.
7.4 Modelování rozvodů tepla Pro modelování rozvodu tepla ve vodovodní síti použijeme program Tsit který je založen na programu Grafit s tím, že vypočítává i množství tepla které větvemi sítě uniká do okolí. Řečeno jinak, vypočítává množství tepla které přechází z proudícího média do okolí. Toto je důležité pro kontrolu množství tepla předávaného do prostoru který chceme ohřívat.
62
kotel
radiátory
Obr. 7.7 Princip rozvodu tepla včetně teplot v uzlech sítě a teplotních ztrát v potrubí
Obr. 7.8 Model rozvodu tepla s teplotou zdroje 78 0C v případě že se ze sítě žádné teplo neodvádí. Pro větší přehled při modelování nakreslíme síť rozvodu tepla rozvinutou na obě strany jak je to na obr. 7.8. Tzn. že pravá strana jsou trubky které vedou od výměníků tepla zpět. Na obr. 7.8 je rozvod tepla v teoretickém případě kdy nezadáme žádné tepelné ztráty v potrubí a proto je teplota vody v celé síti stejná. Toto je pouze teoretický příklad. Ve skutečnosti se teplo i přes velmi dobrou isolaci po cestě ztrácí – uniká do okolí. V programu Tsit zadáváme ztráty hodnotou x a to v desetinných číslech. Tak např. když zadáme ztrátový součinitel 0.02 tak to znamená, že při proudění horké vody potrubím se v zadaném úseku ztrácí 2% tepelné energie. Na obr. 9 je teoretický příklad kdy tepelná isolace potrubí je dokonalá a všechno teplo odchází uprostřed sítě t. zn. na radiátorech.
63
Obr. 7.9 Rozvod tepla s teoreticky ideální tepelnou isolaci potrubí, ale s různým přestupem tepla na radiátorech Na obr. 7.10 je simulován reálný příklad, kdy teplo se ztrácí pro celé dopravní cestě.
Obr. 7.10 Průtok vody pro topení síti která má různou tepelnou isolací potrubí Ověřte si sami jaký vliv na přenos tepla má kvalita tepelné isolace.
64
