Ciepłownictwo - ebook

Przedmowa

Cały zakres zagadnień naukowo-technicznych dotyczących dziedziny zaopatrzenia odbiorców w ciepło został określony terminem „Ciepłownictwo”.

W poradnikach wydawanych przez producentów urządzeń i materiałów z tej branży z reguły są opisane zagadnienia związane z doborem i stosowaniem ich produktów. Takie publikacje nie zawierają pełnego zakresu podstaw teoretycznych niezbędnych do kształcenia inżynierów – projektantów i wykonawców.

Z zamiarem opracowania książki, która by w pełni obejmowała zakres branży zaopatrzenia w ciepło, powstało w roku 2006 pierwsze wydanie monografii „Ciepłownictwo”. Jednak jest to jeden z najbardziej dynamicznie rozwijających się działów nauki i techniki w budownictwie lądowym i inżynierii środowiska. Dlatego w roku 2012 powstało drugie wydanie a teraz czytelnik trzyma przed sobą wydanie trzecie, gruntownie zaktualizowane.

Książka przeznaczona jest dla studentów studiów inżynierskich i magisterskich kierunku Inżynieria Środowiska i studentów kierunków pokrewnych jako podręcznik do przedmiotów „Sieci i Centrale Cieplne”, „Ekonomika Gospodarki Cieplnej” itp., jak również dla uczniów szkół zawodowych i techników uczących się przedmiotów zawodowych związanych z ciepłownictwem. Książka ta może być również przydatna dla osób zajmujących się projektowaniem, budową i eksploatacją sieci i centrali cieplnych, rozdziałem lub przesyłaniem ciepła oraz dla specjalistów odpowiedzialnych za planowanie i projektowanie systemów ciepłowniczych.

Z uwagi na poruszane w książce tematy została ona podzielona na trzy części:

I. Podstawy obliczeń i projektowania sieci cieplnych

II. Podstawy obliczeń i projektowania węzłów cieplnych

III. Oszczędzanie energii w ciepłownictwie

W pierwszej części książki szczegółowo omówiono zasady obliczeń, konstrukcji i działania sieci cieplnych z wykorzystaniem najnowszych informacji zawartych w literaturze, a także obowiązujących obecnie przepisów oraz norm polskich i europejskich. Omówiono również układy sieci cieplnych oraz zasady regulacji obciążenia cieplnego systemów ciepłowniczych.

Część druga zawiera wiedzę z zakresu projektowania węzłów cieplnych z uwzględnieniem najnowszych rozwiązań technicznych skierowanych na energooszczędne, niezawodne i bezpieczne zaopatrzenie odbiorców w ciepło.

W trzeciej części omówiono zagadnienia zastosowania metod obliczeniowych zapewniających uzyskanie optymalnych rozwiązań technicznych – najkorzystniejszych ekonomicznie przy projektowaniu sieci cieplnych, a także zasady oszczędzania energii w ciepłownictwie. Szczególną uwagę zwrócono na analizę opłacalności stosowania źródeł energii pierwotnej w ciepłownictwie.

Przy opracowaniu książki autor starał się zachować równowagę w przekazaniu informacji między podstawami teoretycznymi i ich praktycznym zastosowaniem do obliczeń i projektowania. Dlatego w podręczniku nie zabrakło przykładów obliczeniowych rozwiązań rozpatrywanych zagadnień; zamieszczone zostały także liczne tablice i nomogramy niezbędne do projektowania.

Przy wydawaniu książki, uwzględniając jej cykl wydawniczy, trudno jest nadążyć za bardzo szybkim postępem technicznym. Dlatego nie zamieszczono w tej książce szczegółowych informacji z zakresu materiałoznawstwa, przewodów i armatury sieci cieplnych, a najnowsze informacje na ten temat mogą znaleźć czytelnicy w materiałach informacyjnych i poradnikach producentów.

Podziękowania

Należy podkreślić, że takie opracowania rzadko powstają w wyniku tylko własnych wysiłków autora. W pierwszej kolejności podziękowania należą mojemu dobremu przyjacielowi panu mgr inż. Leszkowi Łatowskiemu – współautorowi pierwszych dwóch wydań książki, bez których niniejsze wydanie nie mogłoby zaistnieć.

Składam serdeczne podziękowania swemu Nauczycielowi akademickiemu panu doc. dr. inż. Aleksandrowi Kononowowi, którego wieloletnie doświadczenie dydaktyczne i praktyczne zostało wykorzystane w tej książce.

Szczególnie dziękuję pani mgr inż. Agnieszce Maliszewskiej, bez twórczego udziału której nie mógłby powstać rozdział „Analiza opłacalności stosowania różnych rodzajów energii pierwotnej w budownictwie mieszkalnym i użyteczności publicznej”.

Wyrazy podziękowania składam opiniodawcom pierwszego wydania: panu prof. dr. hab. inż. Tadeuszowi Bohdalowi i panu doc. dr. hab. inż. Krystianowi Wilkowi za wnikliwą i pouczającą recenzję.

Chcę również serdecznie podziękować firmie „Meibes”, za udostępnienie wiadomości o najnowszych rozwiązaniach z zakresu ciepłownictwa.

Panu Redaktorowi Adamowi Filutowskiemu serdecznie dziękuję za przyjęcie propozycji trzeciego wydania książki, przychylność i cenne rady w trakcie skomplikowanego procesu wydawniczego.

Na słowa uznania zasługują także studenci Politechniki Koszalińskiej, współpraca z którymi była bardzo owocna zarówno podczas opracowywania książki, jak i w doskonaleniu procesu dydaktycznego.

Autor1. Podstawowe pojęcia i definicje

Sieć cieplna jest to zespół urządzeń technicznych służących do transportu energii cieplnej od źródła ciepła do odbiorców za pośrednictwem czynnika grzejnego (nośnika ciepła). Tak więc sieć cieplna łączy się z jednej strony z urządzeniami do centralnego regulowania w źródle ciepła, a z drugiej strony z węzłami cieplnymi odbiorców ciepła (indywidualnymi lub grupowymi).

Należy zwrócić szczególną uwagę na znaczenie sieci cieplnych w zagadnieniach ekonomicznych. Rozpatrując cały układ zaopatrzenia w ciepło lub układ ciepłowniczy (to znaczy: centrale, sieci cieplne i instalacje wewnętrzne centralnego ogrzewania, ciepłej wody, wentylacji i klimatyzacji oraz instalacje przemysłowe), jedynie przy projektowaniu i wykonawstwie sieci cieplnych uzyskać można duże oszczędności w przypadku nakładów inwestycyjnych, a w konsekwencji również kosztów eksploatacyjnych. Wynika to z faktu, że oszczędności w dwóch pozostałych przypadkach (centrale i instalacje wewnętrzne) bezpośrednio wpływają na jakość dostarczania ciepła i niezawodność działania systemu ciepłowniczego, dlatego też ograniczają się one zwykle do kilku procent.

Inne możliwości wiążą się z transportem ciepła. Wiele zagadnien inżynieryjnych i ich optymalne rozwiązania wywierają decydujący wpływ na zmniejszenie kosztów zarówno budowy, jak i eksploatacji sieci cieplnych. W tym przypadku istotne jest, aby w trakcie procesu projektowania , :

- – określić właściwy układ przewodów, ukształtowanie i trasowanie sieci,
- – wyznaczyć wzajemne ustalenie magistrali i odgałęzień,
- – określić odpowiednie parametry nośnika ciepła,
- – wyznaczyć korzystne natężenie przepływu czynnika, decydujące o średnicach przewodów,
- – dobrać rodzaj materiału rur,
- – określić sposób układania przewodów,
- – określić rodzaj i grubość izolacji cieplnej,
- – określić rodzaj i sprawność hydroizolacji i osłony ochronnej,
- – wyznaczyć optymalne ominięcie kolizji z przewodami innych miejskich sieci inżynieryjnych itp.

Działania te są tym bardziej istotne, jeśli weźmie się pod uwagę, że udział kosztów inwestycyjnych sieci cieplnej jest w przeciętnych warunkach około dwukrotnie wyższy od kosztów inwestycyjnych centrali i w podobnej mierze wyższy od kosztów instalacji wewnętrznych. W przybliżeniu 40U60% kosztów wspólnych stanowią koszty sieci i po 20U30% koszty centrali i instalacji wewnętrznych.

1.1. Czynniki grzejne stosowane w systemach ciepłowniczych

Czynnik fizyczny służący do przekazywania energii w formie ciepła od źródła ciepła do konsumentów nosi nazwę czynnika grzejnego (nośnika ciepła). Podstawowe wymagania wobec czynników są następujące , :

- – duża wartość entalpii (tzw. „zawartość ciepła”) w stanie ogrzewanym,
- – małe straty energii związane z procesem transportowania,
- – małe straty potencjału cieplnego podczas transportowania,
- – nieszkodliwy i nieagresywny dla człowieka, rur, środowiska,
- – tani i dostępny.

W największej mierze tym wymaganiom odpowiadają woda i para wodna. Tylko w specjalnych przypadkach stosowane mogą być inne czynniki, na przykład w systemach narażonych na schłodzenie poniżej 0°C są to zwykle wodne roztwory glikolu, w pewnych obiegach reaktorów elektrowni jądrowych cyrkuluje roztopiony sód.

Porównując wodę i parę wodną, uzyskuje się następujące podstawowe informacje , :

- • Woda ma większą niż para wodna jednostkową objętościową entalpię, a para wodna większą masową entalpię.
- • Para wodna może być transportowana za pośrednictwem własnej energii wewnętrznej, w przypadku wody istnieje potrzeba doprowadzenia dodatkowej energii z zewnątrz w celu jej przetłoczenia. Z tego wynika, że:
- – para ma większe niż woda straty potencjału cieplnego podczas transportowania,
- – woda może być skutecznie transportowana na większe odległości.
- • Woda wytwarza znacznie większe niż para ciśnienie hydrostatyczne, co należy uwzględniać na terenach o dużych spadkach geodezyjnych.
- • Woda jako czynnnik grzejny powoduje ścisłe powiązanie stanów hydraulicznych między instalacjami użytkowników i siecią cieplną. W przypadku pary powiązanie takie jest znacznie mniej istotne.
- • Przy zaopatrywaniu w ciepło przez elektrociepłownie woda jako czynnik grzejny sieci cieplnej pozwala na wytworzenie większej ilości energii elektrycznej niż uzyskanej w przypadku pary jako czynnika grzejnego.
- • Parowe sieci cieplne zawsze mają większe straty ciepła niż sieci wodne.
- • Straty kondensatu w sieciach parowych powodują większe koszty ekonomiczne niż straty wody w sieciach wodnych.

Ogólnie, w naszym kraju jako czynnik grzejny stosowana jest woda. Zastosowanie pary wodnej z reguły ma miejsce tylko w sieciach przemysłowych, lecz może być uzasadnione również w innych przypadkach w wyniku analizy techniczno-ekonomicznej.

1.2. Klasyfikacja układów ciepłowniczych i sieci cieplnych

Układy ciepłownicze i sieci cieplne podzielić można w zależności od ich przeznaczenia na , :

- – komunalne,
- – przemysłowe,
- – mieszanego przeznaczenia.

Podział ten rzutuje w znacznej mierze na rodzaj stosowanego czynnika grzejnego, w wyniku czego można wyróżnić sieci:

- – wodne o niskich parametrach, czyli transportujące wodę o temperaturze poniżej 115°C,
- – wodne o wysokich parametrach, czyli transportujące wodę o temperaturze powyżej 115°C,
- – parowe o niskich parametrach, czyli transportujące parę o ciśnieniu manometrycznym poniżej 0,7 bar (0,07 MPa),
- – parowe o wysokich parametrach, czyli transportujące parę o ciśnieniu manometrycznym powyżej 0,7 bar (0,07 MPa),
- – mieszane (łączące w jednym układzie przewody transportujące różne czynniki i/lub czynniki o różnych parametrach).

Rys. 1.1. Podstawowe rodzaje poziomego ukształtowania sieci cieplnych: a) liniowe, b) rozgałęzione (promieniste), c) rozgałęzione z łącznikami, d) pierścieniowe

Zgodnie z ukształtowaniem – poziomym kształtem geometrycznym sieci – można wyróżnić następujące podstawowe ich rodzaje (rys. 1.1):

- – liniowe,
- – rozgałęzione (promieniste),
- – rozgałęzione z łącznikami,
- – pierścieniowe,
- – o ukształtowaniu mieszanym.

W rzeczywistości znacznie większa jest różnorodność ukształtowania sieci cieplnych. Promienista sieć z centralnie usytuowanym źródłem ma charakterystyczny pajęczy kształt. Sieć pierścieniowa w przypadku geometrycznie prawidłowego planu miasta ma postać kratownicy itd. Bardzo różnorodne są sieci dużych miast o ukształtowaniu mieszanym, zwłaszcza w przypadku zastosowania grupowych węzłów cieplnych. Sieć główna może być pierścieniowa lub rozgałęziona, a poszczególne części sieci, poczynając od węzłów grupowych, mogą być promieniste, liniowe lub kratowe. Należy zwrócić uwagę na to, że duże sieci miejskie zwykle sa zasilane z kilku źródeł ciepła.

W zależności od liczby przewodów w układzie sieci można wyróżnić:

- – sieci wodne jednoprzewodowe,
- – sieci wodne dwuprzewodowe,
- – sieci wodne trój-, cztero- i wieloprzewodowe,
- – sieci parowe jednoprzewodowe (bez zwrotu kondensatu),
- – sieci parowe dwu- i wieloprzewodowe,
- – sieci mieszane, z kombinacją różnej liczby przewodów wodnych i parowych.

Stosowane są następujące sposoby układania przewodów sieci cieplnych:

- – nadziemny – w różnej osłonie, na przykład na własnych podporach (wysokich lub niskich), z wykorzystaniem istniejących konstrukcji mostów, tuneli itp.,
- – podziemny kanałowy – kanały przechodnie, półprzechodnie i nieprzechodnie,
- – podziemny bezkanałowy.

W zależności od układu podłączenia instalacji ciepłej wody (dalej c.w.) występują:

- – sieci z bezpośrednim poborem ciepłej wody z sieci cieplnej,
- – sieci z pośrednim poborem ciepłej wody z sieci cieplnej (z podgrzewaniem wody z wodociągu w węźle cieplnym).

Z uwzględnieniem podanych podziałów omówione zostaną podstawowe schematy układów ciepłowniczych i sieci cieplnych (rozdział następny).

2. Układy ciepłownicze

Z reguły pod pojęciem sieci cieplnej rozumie się system techniczny służący tylko do transportu ciepła od źródła ciepła do miejsca odbioru. Nie można jednak pominąć ścisłego powiązania wszystkich zagadnień związanych z działaniem sieci ze sposobami podłączenia do niej odbiorców. Z tego powodu korzystniejsze jest określenie schematy i układy systemów ciepłowniczych . W literaturze technicznej krajowej powszechnie stosowany jest termin „układy sieci cieplnych” .

Wśród odbiorców ciepła można generalnie wyróżnić pasywnych i aktywnych . Do pasywnych odbiorców ciepła zalicza się systemy centralnego ogrzewania, wentylacyjne, klimatyzacyjne oraz odbiorców technologicznych. Nazwa „pasywni” oznacza, że odbiorcy potrzebują tylko dostarczenia pewnej ilości ciepła, nie oddziałując znacznie na charakter pracy centrali cieplnej, sieci cieplnej oraz jej układ. Dlatego podłączenie takich odbiorców można rozpatrzyć osobno.

2.1. Podłączenie instalacji centralnego ogrzewania i wentylacji

2.1.1. Podłączenie instalacji centralnego ogrzewania do sieci wodnych

Podłączenie instalacji centralnego ogrzewania (dalej c.o.) do wodnej sieci cieplnej może być wymiennikowe (pośrednie) lub bezpośrednie. Połączenie wymiennikowe (rys. 2.1) jest stosowane w przypadku, jeżeli stan hydrauliczny sieci jest nieodpowiedni dla istniejącej instalacji. Poza tym mogą występować inne przyczyny techniczno-ekonomiczne narzucające takie podłączenie (różne czynniki w sieci i w instalacjach, obawa właściciela sieci przed narażeniem się na straty uzdatnionego czynnika w instalacjach itp.). Na ogół w nowoczesnych systemach ciepłowniczych w kraju stosuje się przeważnie podłączenie wymiennikowe.

Rys. 2.1. Wymiennikowy układ podłączenia instalacji c.o. do sieci cieplnej (WC – wymiennik ciepła, S.C. -sieć cieplna)

Przy zgodności hydraulicznego stanu pracy sieci i instalacji stosowane mogą być układy bezpośrednie (rys. 2.2). Bezpośredni układ bez mieszania (rys. 2.2a) wprowadzić można, jeżeli zarówno stan termiczny, jak i hydrauliczny sieci są odpowiednie dla instalacji c.o. Właśnie w taki sposób podłącza się zwykle instalacje c.o. budynków jednorodzinnych i innych obiektów wyposażonych we własne kotły.

Rys. 2.2. Bezpośrednie układy podłączenia c.o. do wodnej sieci cieplnej: a) bez mieszania, b) z mieszaniem hydroelewatorowym, c) z mieszaniem pompowym

Jeżeli stan termiczny sieci różni się od stanu termicznego instalacji c.o., powinny być stosowane układy z mieszaniem hydroelewatorowym (rys. 2.2b) lub pompowym (rys. 2.2c).

Przy mieszaniu wyłącznie pompowym istnieją trzy ewentualne możliwości usytuowania pompy (rys. 2.3), które zależą od ciśnień panujących w przewodach sieci (tzw. ciśnienie dyspozycyjne) i ich stosunku do ciśnienia potrzebnego do zapewnienia normalnej pracy instalacji (tzw. ciśnienie wymagane). Szczegóły dotyczące zagadnień działania punktów mieszania pompowego będą podane w drugiej części podręcznika.

Rys. 2.3. Ewentualne możliwości usytuowania pomp mieszających na różnych przewodach: a) zasilającym, b) powrotnym, c) łączącym

W dużych scentralizowanych systemach ciepłowniczych stosowano wcześniej układy pompowe tylko w przypadku, gdy sieć cieplna nie mogła zapewnić właściwej pracy hydroelewatora. Obecnie ze względu na niezawodność dostarczania ciepła, możliwości regulowania automatycznego i efektywne zużycie energii układy hydroelewatorowe w praktyce nie sa stosowane.

2.1.2. Podłączenie centralnego ogrzewania do sieci parowych

Wyróżniamy dwa podstawowe warianty podłączenia:

- – wodna instalacja c.o. połączona z siecią parową,
- – parowa instalacja c.o. połączona z siecią parową.

Podłączenie wodnej instalacji c.o. do parowej sieci cieplnej w postaci stałego rozwiązania technicznego może być tylko pośrednie (rys. 2.4).

Rys. 2.4. Wymiennikowe podłączenie wodnej instalacji c.o. do parowej sieci cieplnej

Niezbędnymi urządzeniami w takim układzie są: klapa kondensacyjna – uniemożliwiająca przepływ niezużytej pary do przewodu kondensatu, zbiornik kondensatu typu otwartego lub zamkniętego, pompa do zwrotu kondensatu do źródła ciepła.

Należy zwrócić uwagę na nieco paradoksalną możliwość bezpośredniego podłączenia wodnej instalacji c.o. do parowej sieci cieplnej jako czasowe rozwiązanie techniczne.

Taką możliwość daje zastosowanie wymiennika ciepła typu bezpośredniego – mieszającego (rys. 2.5). Jest to ejektor mieszający podobny w swym działaniu do hydroelewatora instalacji centralnego ogrzewania. W tym urządzeniu wykorzystuje się zarówno ciśnienie pary – do powstania wymaganego ciśnienia w celu zapewnienia obiegu w instalacji c.o., jak i jej energię w formie utajonego ciepła parowania – do podgrzewania schłodzonej wody powracającej z instalacji. Na rysunku 2.5 pokazano dwustopniowy system podłączenia bezpośredniego z zastosowaniem ejektora mieszającego.

Rys. 2.5. Bezpośrednie podłączenie wodnej instalacji c.o. do parowej sieci cieplnej

Praca takiego układu cechuje się stałym zwiększaniem ilości cieczy w instalacji, która równa jest ilości pary zasysającej (ejektującej). Do magazynowania i zwrotu kondensatu służy zbiornik. Położenie zbiornika powyżej istalacji umożliwia spływ kondensatu pod jego własnym ciężarem.

Podłączenie parowej instalacji c.o. do parowej sieci cieplnej jest zawsze bezpośrednie (rys. 2.6). Jeżeli ciśnienie pary jest zbyt wysokie z uwagi na działanie instalacji c.o., przyłącze powinno być wyposażone w reduktor (regulator) ciśnienia. Przy roboczym ciśnieniu pary w obiegu instalacji wynoszącym do 0,03 MPa (0,3 bar) funkcję klapy kondensacyjnej może pełnić zawór hydrauliczny , .

Rys. 2.6. Bezpośrednie podłączenie parowej instalacji c.o. do parowej sieci

2.1.3. Podłączenie instalacji wentylacji i klimatyzacji

Podłączenie nagrzewnic wentylacji i klimatyzacji do wodnych sieci cieplnych w zasadzie może być zrealizowane w sposób dowolny, to znaczy zarówno równolegle, jak i szeregowo, a także zarówno „z dołu do góry”, jak i „z góry w dół” (rys. 2.7a) , .

Rys. 2.7. Sposoby podłączenia nagrzewnic wentylacyjnych do wodnych sieci cieplnych: a) dopuszczalny, b) zapobiegający zamarzaniu

W przypadku gdy warunki eksploatacji instalacji dopuszczają możliwość zamarzania czynnika w przewodach (surowy klimat, nierównomierny stan pracy itp.), nagrzewnice powinny być podłączone tylko równolegle i tylko „z góry w dół” (rys. 2.7b) , . Taki układ zapewnia dopływ do każdej nagrzewnicy świeżego (nieschłodzonego) czynnika, a kierunek przepływu czynnika odpowiada działaniu sił grawitacyjnych.

Z uwagi na przytoczone wymagania bezpieczeństwa (niedopuszczenie do zamarzania) podłączenie nagrzewnic wentylacji i klimatyzacji do parowych sieci cieplnych powinno być zrealizowane tylko w sposób równoległy i tylko „z góry w dół” (rys. 2.8). Zapewnia to dopływ niezużytej pary do każdej z nagrzewnic i zapobiega powstawaniu korków kondensacyjnych.

Rys. 2.8. Podłączenie nagrzewnic wentylacyjnych do parowych sieci cieplnych

W sposób analogiczny do podanych podłącza się również do sieci cieplnych odbiorców technologicznych .

Rozpatrzone zostały zagadnienia podłączenia do sieci cieplnych tzw. pasywnych odbiorców ciepła, którzy nie oddziałują w znaczny sposób na pracę sieci. Przy dowolnym układzie sieci podłączenie takich odbiorców jest analogiczne, a zadaniem sieci jest jedynie dostarczanie obliczeniowej ilości ciepła.

Inny charakter ma współpraca sieci z aktywnym odbiorcą ciepła, jakim jest instalacja ciepłej wody użytkowej. Sama klasyfikacja sieci zależy od podłączenia instalacji c.w. (patrz p. 1.2). W takim właśnie powiązaniu będą dalej rozpatrywane podstawowe układy sieci cieplnych. Nie biorąc pod uwagę wartości parametrów czynnika, generalnie można mówić o dwóch rodzajach sieci cieplnych: wodnych i parowych.

2.2. Sieci wodne z bezpośrednim poborem ciepłej wody

2.2.1. Sieci jednoprzewodowe

Należy zwrócić uwagę, że w przypadku bezpośredniego poboru ciepłej wody z sieci cieplnej woda sieciowa powinna odpowiadać wymaganiom stawianym wodzie pitnej.

Układy jednoprzewodowe z reguły mają uzasadnione zastosowanie w ciepłownictwie, na przykład ze względu na zmniejszenie kosztów inwestycyjnych. Jak wynika z nazwy układu, sieć cieplna w takim przypadku składa się jedynie z przewodu zasilającego (rys. 2.9). Wówczas woda schłodzona do odpowiednich parametrów wykorzystywana jest w instalacjach c.o., wentylacji i technologicznych oraz bezpośrednio jako ciepła woda użytkowa .

Rys. 2.9. Przykładowy schemat wodnej sieci jednoprzewodowej bezpośredniej

Określenie ilości wody dostarczanej siecią na potrzeby c.o. i wentylacji oraz określenie ilości wody wykorzystanej bezpośrednio w celach użytkowych jest dość złożonym zadaniem technicznym i może być rozwiązane przez:

- – odpowiednie wyznaczanie temperatury wody zasilającej i spadku jej temperatury w instalacjach,
- – wyposażenie każdego użytkownika w zbiorniki ciepłej wody, magazynu jące wodę na wypadek braku jej poboru,
- – zastosowanie regulatorów w celu zapewnienia bezpośredniego zwięk szenia dopływu wody sieciowej podczas maksymalnego zużycia ciepłej wody użytkowej.

Istotną wadą sieci jednoprzewodowych są stałe wahania ciśnienia towarzyszące wahaniom poboru ciepłej wody. Wymagane jest zatem wyposażenie instalacji w urządzenia automatycznego regulowania przepływów, ciśnienia i temperatury. Wystąpienie zakłóceń działania regulatorów przy połączeniu sieci zewnętrznej o wysokiej temperaturze z przewodami instalacji c.w. grozi oparzeniem. Wspomniane przyczyny powodują, że sieci jednoprzewodowe stosuje się w kraju w niewielkim zakresie.

W przypadku transportu ciepła na duże odległości można jednak zapobiec większości tych wad, uniezależniając pracę sieci przesyłającej od pracy sieci rozdzielczej. Przy takim układzie mieszanym tylko siec przesyłająca ciepło pracuje jako sieć jednoprzewodowa (rys. 2.10). W rejonowej centrali cieplnej (podstacji) następuje przekształcenie sieci jedno-przewodowej w dwuprzewodową. Sieć zasilająca działa w sposób najbardziej ekonomiczny, dostarczając czynnik o wysokich parametrach w ilości równej średniemu dobowemu zapotrzebowaniu na c.w. .

Rys. 2.10. Przykładowy układ z przekształceniem zasilającej sieci jednoprzewodowej w rozdzielczą sieć dwuprzewodowa

Przekształcenie sieci jednoprzewodowej w dwuprzewodową wymaga zastosowania pomp (obiegowej i zasilającej) i zbiornika ciepłej wody. Przy odpowiednim uzasadnieniu techniczno-ekonomicznym w układzie może występować dogrzewacz wody (gazowy lub elektryczny), zapewniający szczytowe zapotrzebowanie na ciepło.

2.2.2. Sieci dwuprzewodowe

Układ dwuprzewodowy (rys. 2.11) jest najbardziej rozpowszechnionym rodzajem układu miejskich sieci cieplnych. Jak wiadomo, w układzie bezpośrednim (otwartym) do punktów czerpalnych instalacji c.w. dopływa woda bezpośrednio z sieci cieplnej. Przygotowanie ciepłej wody o wymaganej temperaturze dokonywane jest z wykorzystaniem regulatora temperatury RT. Regulator ten stanowi zawór mieszający sterujący przepływami wody z przewodów sieci (zasilającego i powrotnego), zastosowanie którego ma na celu utrzymanie wymaganej temperatury w przewodach rozdzielczych instalacji c.w. .

Rys. 2.11. Przykładowy schemat wodnej sieci dwuprzewodowej z bezpośrednim poborem c.w.

Z przeprowadzonych rozważań wyraźnie wynika, że pobór wody w okresie obliczeniowym zimowym dokonywany jest tylko z „powrotu”. Zatem w najzimniejszym okresie sezonu grzewczego temperatura wody w instalacji c.w. osiąga obliczeniową temperaturę wody w przewodzie powrotnym. Układy dwuprzewodowe najbardziej rozpowszechnione są na terenach byłego Związku Radzieckiego, gdzie maksymalna dopuszczalna temperatura wody w instalacji c.w. wynosi 75°C (w punkcie czerpalnym) , . W Polsce maksymalna dopuszczalna temperatura wody w instalacji c.w. wynosi 55°C (na wlocie do instalacji), zatem układy otwarte (z bezpośrednim poborem) stosowane mogą być tylko przy parametrach pracy sieci cieplnej o maksymalnej możliwej temperaturze wody powrotnej nie wyższej niż 60°C .

Jednoczesne dostarczanie ciepła na potrzeby różnorodnych odbiorców, którymi z jednej strony są co., wentylacja i klimatyzacja (są to odbiorcy sezonowi i o zmiennym zapotrzebowaniu na ciepło), a z drugiej strony c.w.u. (odbiorca całoroczny o stosunkowo stałym zapotrzebowaniu na ciepło), powoduje duże utrudnienia i problemy w eksploatacji sieci. Eliminacja takich problemów była głównym powodem zastosowania układów wieloprzewodowych , .

2.2.3. Sieci wieloprzewodowe

Najprostszym wieloprzewodowym układem jest układ trójprzewodowy, którego dodatkowy przewód w zespole sieci służy do pokrycia zapotrzebowania na ciepłą wodę o odpowiednich parametrach (rys. 2.12).

Rys. 2.12. Schemat wodnej sieci trójprzewodowej z bezpośrednim poborem wody

Układ ten umożliwia rozwiązanie problemu rocznych i dobowych nierównomierności w pracy odbiorców, jednak nie zapobiega stygnięciu ciepłej wody w przewodzie sieci. Z tego powodu może on znaleźć zastosowanie jedynie w systemach ciepłowniczych o stałym poborze c.w. (np. w systemach przemysłowych) .

Rozwiązaniem eliminującym tę niedogodność jest układ czteroprzewo-dowy (rys. 2.13), który różni się od trójprzewodowego występowaniem odrębnej pary przewodów na potrzeby c.w. To daje możliwość cyrkulacji (obiegu) ciepłej wody użytkowej w sieci, zapobiegającej jej stygnięciu .

Rys. 2.13. Schemat wodnej sieci czteroprzewodowej z bezpośrednim poborem wody

Z reguły czteroprzewodowe układy mogą być stosowane:

- – przy obciążeniu cieplnym c.w. przewyższającym obciążenie c.o.,
- – w przypadku zastosowania grupowych węzłów cieplnych – gdy sieci miejskie funkcjonują w układzie dwuprzewodowym, a zaczynające się od grupowych węzłów sieci osiedlowe (dzielnicowe) – w układzie czteroprzewodowym.

Dowolny odbiorca może zostać oddzielony od pozostałych w wyniku podłączenia osobnego rurociągu, co czyni regulowanie sieci prostszym, ale sama sieć jest bardziej materiałochłonna.

W układzie pięcioprzewodowym osobny przewód przeznaczony jest na potrzeby cieplne wentylacji, przy czym przewód powrotny jest wspólny z centralnym ogrzewaniem. W układzie sześcioprzewodowym osobna para przewodów zasila wentylację.

Sieć ośmioprzewodowa ma w swoim układzie odrębną parę przewodów przeznaczonych do pokrycia obciążenia cieplnego klimatyzacji lub innych odbiorców technologicznych. Należy zwrócić uwagę, iż układy o ilości przewodów większej niż cztery stosowane są tylko w przypadku dużych przemysłowych systemów ciepłowniczych.

Cechą charakterystyczną bezpośrednich układów sieci cieplnych jest konieczność stałego uzupełnienia ubytku wody sieciowej w ilości równej poborowi ciepłej wody. Uproszczony schemat układu uzupełniającego podano na rysunku 2.14.

Rys. 2.14. Schemat instalacji uzupełnienia ubytku wody sieciowej

Woda ogrzewana przez sieciowy wymiennik ciepła SW cyrkuluje w sieci cieplnej w wyniku działania pompy sieciowej PS. Woda uzdatniona w stacji dekarbonizacji i zmiękczania dopływa do odgazowywacza O w celu usunięcia z niej rozpuszczonych gazów agresywnych (przeważnie tlenu i dwutlenku węgla). Tak przygotowana woda przetłaczana jest do przewodu powrotnego sieci za pomocą pompy ładującej PŁ. W celu złagodzenia pracy układu stosowany jest zbiornik magazynujący (akumulator) A, podłączony w układzie szeregowo (przepływowo) lub równolegle.

2.3. Sieci wodne z podgrzewaniem ciepłej wody

W układach sieci cieplnych z pośrednim (wymiennikowym) podłączeniem ciepła woda podgrzewana jest za pomocą podgrzewaczy PW. Woda sieciowa w tego typu układach nie jest pobierana przez odbiorców, a tylko oddaje swoje ciepło jako czynnik grzejny.

Układy dwuprzewodowe (rys. 2.15) stosowane są w kraju jako podstawowe układy służące do zaopatrzenia w ciepło miasta i osiedla.

Rys. 2.15. Schemat wodnej sieci dwuprzewodowej z wymiennikowym podłączeniem ciepłej wody

Układy czteroprzewodowe (rys. 2.16) mają dwa niezależne przewody na potrzeby ogrzewczo-wentylacyjne i dwa przewody na potrzeby c.w. .

Rys. 2.16. Schemat wodnej sieci czteroprzewodowej z wymiennikowym podłączeniem ciepłej wody

Zastosowanie każdego z tych układów wymaga wyposażenia poszczególnych budynków w indywidualny węzeł cieplny z wymiennikiem ciepła na potrzeby c.w. W przypadku zastosowania grupowych węzłów cieplnych układy sieci stają się mieszane. Miejska część sieci wodnej, aż do węzła grupowego, nie traci czynnika i powinna być traktowana jako siec pośrednia, gdyż sieci rozdzielcze mają wyraźne cechy sieci z poborem bezpośrednim.

Stosowane są również trój przewodowe układy sieci typu pośredniego. Takie układy mają dwa przewody zasilające (jeden na potrzeby c.o. i wentylacji, drugi na potrzeby c.w.) i wspólny przewód powrotny. Przy takim rozwiązaniu układu ilość i prędkość przepływu wody oraz opory hydrauliczne w przewodzie powrotnym ulegają przypadkowym zmianom, w zależności od pracy odbiorników podłączonych do obu przewodów zasilających. Powoduje to znaczne trudności eksploatacyjne , .

Należy jednak zwrócić uwagę na pewne zalety sieci trój przewodowych jako taniej metody rozbudowy już istniejących sieci . W przypadku takiego rozwiązania jeden dodatkowy przewód, o przekroju dwukrotnie większym niż przekroje dwóch dotychczas działających przewodów, pozwala na szybkie dwukrotne zwiększenie ilości ciepła dostarczanego siecią przy tych samych parametrach czynnika (rys. 2.17).

Wydzielając w zestawie sieci osobne przewody w celu pokrycia obciążenia wentylacji, klimatyzacji oraz odbiorników technologicznych, otrzymuje się układy o większej liczbie przewodów – sześcio- i ośmio-przewodowe.

Uzupełnienie ubytków wody sieciowej w układach pośrednich dokonywane jest w ten sam sposób, jak w przypadku układów otwartych (rys. 2.14). Jednak układ uzupełniający w układach pośrednich ma za zadanie tylko uzupełnienie strat wody spowodowanych nieszczelnościami sieci i jej uzbrojenia oraz wypuszczaniem wody do kanalizacji podczas robót remontowych i konserwacyjnych (płukanie okresowe itp.). Przy normalnym stanie technicznym nowoczesnych sieci straty czynnika grzejnego w ciągu doby G_(ub). nie powinny przekraczać 0,5% zładu sieci (objętości wody zawartej w przewodach sieci). Wyznaczając średnią wartość średnicy rurociągów sieci d_(śr), i jej sumaryczną długość Σ2l_(i), , dopuszczalne straty czynnika określić można wzorem:

(2.1)

Rys. 2.17. Ewentualny sposób zastosowania układu pośredniego trójprzewodowego do rozbudowy sieci: a) sieć do rozbudowy, b) sieć po rozbudowie

2.4. Porównawcza analiza układów wodnych sieci cieplnych

Minimalizacja kosztów eksploatacyjnych oraz zapewnienie jakości i niezawodności dostarczania ciepła odbiorcom to najważniejsze warunki, jakie należy spełnić przy wyborze układu sieci cieplnej. Przeprowadzona zostanie porównawcza analiza wad i zalet układu bezpośredniego, przy czym należy pamiętać, że wady układu bezpośredniego automatycznie przekształcają się w zalety układu pośredniego i odwrotnie .

Zalety układów otwartych (bezpośrednich) przede wszystkim dotycza następujących cech:

- • Z powodu braku podgrzewacza ciepłej wody węzły cieplne są konstrukcyjnie prostsze i mniej materiałochłonne niż w przypadku układów pośrednich. Należy bowiem zauważyć, że nowoczesny wymiennik ciepła jest jednym z najdroższych elementów węzła cieplnego.
- • Dopływ do instalacji c.w. zmiękczonej i odgazowanej wody sieciowej zapewnia jej dłuższe działanie (nie występuje osadzanie soli spowodowane twardością wody oraz ograniczona jest korozja spowodowana tlenem i dwutlenkiem węgla).
- • Koszty eksploatacyjne związane z przetłaczaniem czynnika grzejnego są mniejsze wskutek obniżonego natężenia przepływu w przewodzie powrotnym. Proporcjonalnie mniejsze są również koszty inwestycyjne związane z instalacjami pompowymi.

Podstawowymi wadami układów otwartych są:

- • Zmienność jakości wody w punktach czerpalnych c.w. wskutek występowania mułów i osadów z rurociągów sieci i instalacji wewnętrznych podłączonych do sieci w sposób bezpośredni.
- • Zwiększona strefa kontroli zdrowotnej (sanitarno-epidemiologicznej), ponieważ kontroli tej podlegają nie tylko instalacje c.w., ale również cała sieć cieplna.
- • Bardzo utrudniona i złożona kontrola szczelności sieci cieplnej ze względu na połączenie procesów normalnego poboru wody sieciowej i jej strat w wyniku nieszczelności.
- • Zwiększony przepływ wody przez urządzenia do jej uzdatniania wpływa jący bezpośrednio na koszty eksploatacyjne (zwłaszcza w miejscowościach, w których występuje twarda woda naturalna) oraz wynikające z tego podwyższone koszty inwestycyjne.

Systemy ciepłownicze w naszym kraju budowano głównie w postaci układów z pośrednim poborem wody. Obecnie powstają w Polsce przede wszystkim pośrednie układy sieci cieplnych, co jest wynikiem porównania wad i zalet układów bezpośrednich i pośrednich. Istotne wady układów pośrednich, takie jak korozja i występowanie osadów soli w instalacjach c.w., zostały w znacznej mierze złagodzone przez obniżenie parametrów ciepłej wody użytkowej (temperatura nie wyższa niż 55°C ). Przy takiej temperaturze prawie nie występują procesy osadzania soli spowodowane twardością wody, a korozja tlenowa jest znacznie obniżona. Zastosowanie w instalacjach c.w. rur i uzbrojenia z materiałów odpornych na korozje eliminuje również wadę układów pośredniego poboru wody związaną z występowaniem twardej wody naturalnej, jej uzdatnianiem i podwyższonymi kosztami inwestycyjnymi. Należy zwrócić uwagę, że problem oszczędzania zasobów wodnych zmienił stosunek do układów „otwartych” także na obszarach ich historycznego szerokiego zastosowania. Wypełnianie całej sieci cieplnej wodą pitną poddano krytycznej analizie i uznano za pozbawione sensu ekonomicznego. W Rosji zastosowanie układów z bezpośrednim poborem ciepłej wody z sieci zostało już zabroniono w nowych projektach. Natomiast tysiące węzłów cieplnych działających na takiej zasadzie mają być stopniowo zmodernizowane w celu przejścia na wymiennikowe podłączenie instalacji c.w.

2.5. Sieci parowe

Sieci parowe z reguły stanowią rozwiązanie techniczne dla zakładów przemysłowych oraz rzadko w przypadku aglomeracji miejskich i odbiorców technologicznych o dużym wspólnym zapotrzebowaniu na parę. Sieci parowe należy projektować tak, aby następował powrót kondensatu (rys. 2.18), ponieważ jego straty rażąco obniżają ekonomiczne wskaźniki efektywności cieplnej. Zmusza to do uzupełniania straconej wody jako substancji fizycznej i wyrównywania jej entalpii jako nośnika ciepła. Wpływa to również na koszty uzdatniania wody z uwagi na bardzo wysokie wymagania stawiane wodzie kotłowej.

Przy odpowiednim uzasadnieniu techniczno-ekonomicznym sieć lub odrębne jej części składowe mogą pracować bez powrotu kondensatu. Ma to miejsce przede wszystkim w przypadku zanieczyszczania kondensatu lub w przypadku prawdopodobieństwa jego wystąpienia (np. w układach mazutowych kotłowni). Para może być przy tym wykorzystana nie tylko jako czynnik grzejny w wymiennikach typu mieszającego, ale również jako środek technologiczny (autoklawy przemysłowe, obróbka sanitarna itp.). Sieć w takim przypadku jest jednoprzewodowa.

Rys. 2.18. Schemat dwuprzewodowej parowej sieci cieplnej z powrotem kondensatu

Sieci parowe mogą być sieciami wieloprzewodowymi w następujących przypadkach:

- – przy dużym sumarycznym zapotrzebowaniu na parę,
- – przy nierównomiernym zużyciu pary przez różnych odbiorców,
- – przy zapotrzebowaniu na parę o różnych parametrach.

Należy zwrócić uwagę na dużą liczbę celowo istniejących i sprawdzających się w działaniu mieszanych układów sieci cieplnych. W takich układach, przeważnie przemysłowych, sieć składa się z przewodów wodnych i parowych. Wodna część sieci może pokrywać zapotrzebowanie na obciążenie c.o. i c.w., a część parowa zapewnia pracę wentylacji i klimatyzacji oraz odbiorców technologicznych, przy czym zarówno przewody parowe, jak i wodne mogą transportować czynnik o różnych parametrach.