Efektywność energetyczna została zdefiniowana w ustawie jako stosunek uzyskanej wartości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji, w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji, do ilości energii zużytej przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalacje, niezbędnej do użytkowania tego obiektu (ustawa o efektywności energetycznej).

Minimalizację kosztów eksploatacji sieci ciepłowniczej można sprowadzić do zagadnienia minimalizacji sumy kosztów strat ciepła i kosztów energii pompowania. Wynika to z faktu, iż w przypadku systemu zaopatrzenia w ciepło opartym na sieci cieplnej, przy danym zapotrzebowaniu na ciepło przez odbiorców, zmniejszając temperaturę wody sieciowej (spadek strat ciepła), należy zwiększyć strumień tej wody (wzrost zużycia energii do pompowania) i odwrotnie, zmniejszając strumień wody sieciowej (spadek kosztów pompowania), należy podnieść jej temperaturę (wzrost strat ciepła). Należy zatem szukać rozwiązania kompromisowego, spełniającego narzucone na sieć ograniczenia eksploatacyjne.

Ograniczenie strat ciepła

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. Straty ciepła występujące w 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. Można ją wyrazić za pomocą wzoru:      

Q = m c_p (T_p – T_k), W                    (1)

gdzie:

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 straty 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 roku i zależy od wielkości przesyłanego ciepła i warunków atmosferycznych. Można wyrazić je za pomocą wzoru:

(2)

gdzie:

U_s  – straty ciepła, %,

Q_s  – straty ciepła, kW,

Q_w – moc węzłów cieplnych, kW.

W okresie grzewczym straty w 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.

 (3)

gdzie:

t_zc –  temperatura w źródle ciepła,

t_w –  temperatura w węźle ciepłowniczym.

Ogólnie straty ciepła w sieci ciepłowniczej można wyrazić za pomocą wzoru:      

(4)

gdzie: ΔT  – różnica temperatury między nośnikiem ciepła a temperaturą otoczenia, K,

R_c  – 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 temperatury, czyli zmniejszyć temperaturę nośnika ciepła i zwiększyć opory przewodzenia. 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. Wartość strat ciepła w sieci ciepłowniczej jest wprost proporcjonalna do różnicy temperatury wody sieciowej i temperatury otoczenia oraz odwrotnie proporcjonalna do wartości oporu przenikania ciepła na drodze od rurociągu do otoczenia (wzór 4). Z powyższej zależności wynika, że istnieją tylko dwa kierunki działań zmierzających do ograniczenia strat ciepła w sieci ciepłowniczej: 1)  zmniejszenie wartości ∆T, 2)  zwiększenie wartości R_c.

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 węzłów cieplnych. W wyniku obniżenia temperatury wody zasilającej w sieci następuje zwiększenie przepływu wody 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 graniczne 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.

***

Cały artykuł został opublikowany w nr 2/2017 półrocznika "Pompy, Pompownie".