UTICAJ TOPLOVODA NA EFIKASNOST SISTEMA CENTRALNOG GREJANJA INFLUENCE OF HOT WATER PIPELINES ON CENTRAL HEATING SYSTEM EFFICIENCY

Transcript

1 UTICAJ TOPLOVODA NA EFIKASNOST SISTEMA CENTRALNOG GREJANJA INFLUENCE OF HOT WATER PIPELINES ON CENTRAL HEATING SYSTEM EFFICIENCY Jelen Jnevski, Brnislv Stojnović, Dejn Mitrović, Mirko Stojiljković, Mrko Ignjtović Mšinski fkultet u Nišu Abstrct: Ekonomično uprvljnje složenim sistemim dljnskog grejnj mor d obuhvti rcionlizciju rd svih komponent koje su uključene u proces proizvodnje i distribucije toplotne energije. Jedn od mogućih pristup ekonomičnog uprvljnj zsniv se n određivnju optimlne temperture rzvodne vode, optimlnih uslov strujnj u cevovodu i optimlne proizvodnje toplotne energije. U rdu je je dt prikz model mreže dljinskog grejnj i uporođenje gubitk toplote predizolovnih cevi s vrednostim gubitk toplote izmerenim n konkretnoj mreži dljinskog grejnj, ko i nliz prmetr sistem koji utiču n njrcionlniji rd sistem. Ključne reči: toplot, toplovod, regulcij, tempertur 1. UVOD Sistem dljinskog grejnj može se podeliti u tri celine: mest potrošnje, toplovodn mrež i mest proizvodnje toplotne energije. Tčno poznvnje rd svih element sistem i njihove međusobne poveznosti je neophodn uslov z postiznje optimlnih rezultt. Uopšteno govoreći toplovod se sstoji od tri osnovn element: 1. cevovod, kroz koji se trnsportuje predjnik toplotne energije i koji se obično izvode od čeličnih cevi međusobno spojenih zvrivnjem;. izolcije, predviđene z zštitu spoljne površine čeličnog cevovod od korozije i toplovod u celini od toplotnih gubitk; 3. noseće konstrukcije, koj prim težinu toplovod i druge sile koje se jvljju pri njegovom rdu i rsterećuje čelični cevovod i njegovu izolciju od opterećenj okoline. Visok termičk otpornost izolcije tj. nizk koeficijent provođenj toplote neophodn je rdi sniženj toplotnih gubitk toplovod. Veličin ovih gubitk zvisi od provodljivosti toplote posmtrnog sloj i njegove debljine. Ist veličin gubitk toplotne energije q može se ostvriti rzličitim izolcijm odgovrjuće debljine. Podrzumev se d se isti ovj efekt može postići i odgovrjućim kombinovnjem više rzličitih izolcionih slojev istovremeno. Koj vrednost gubitk toplote i koj kombincij izolcionih slojev treb d se primeni kod sistem z trnsport toplotne energije proizilzi iz tehnoekonomske nlize celog sistem.

2 . PRORAČUN TOPLOTNE IZOLACIJE Prorčun izolcije se izvodi pomoću izrz z odvnje toplote po jednom dužnom metru cevovod. Određuje se ko: q = K ( t t ) gde je: K koeficijent prolz toplote t tempertur nosioc toplote t o tempertur okoline Ukoliko je vrednost koeficijent prolz toplote mnj utoliko je izolcij bolj. K = 1 1 = Ri, R 1 + Rc + Riz + R + R + Rk + R 3 t α α gde su: R α1 toplotni otpor prelzu toplote n unutršnju površinu cevi R c toplotni otpor prelzu toplote kroz zid cevi R iz toplotni otpor svih izolcionih slojev R α toplotni otpor prelzu toplote s spoljne površine izolcije R α3 toplotni otpor prelzu toplote n unutršnji zid knl R k toplotni otpor prelzu toplote kroz zid knl toplotni otpor tl R t α α U nšem slučju se rdi o podzemnom besknlnom dvocevnom vodu p se ukupni otpor provođenju toplote izrčunv iz: R R + R iz t + R 1 h gde je: R = ln 1+ π λ t b U slučju polgnj dvocevnog vod obrzuje se tempertursko polje oko svke cevi posebno, što dovodi do smnjenj ukupnog odvnj toplote koje se može prikzti dodtnim toplotnim otporom izrženim prethodnom jednčinom. Tempertursko polje u blizini cevovod određuje se iz: t x, y = t + ( t t ) 1 ln π λ t x x + + R ( y + h) ( y h) 3. PRORAČUN GUBITAKA TOPLOTE Pri trnsportu toplotne energije cevim moguće je rzlikovti linijske i loklne gubitke toplote. Linijski gubici toplote, Q l, izrčunvju se prem jednčini: Q = ql x gde je l dužin cevovod.

3 Z loklne gubitke toplote koji potiču od noseće konstrukcije cevovod (klizne i čvrste tčke), prirubnic, rmture i kompenztor uobičjeno je d se izržvju u procentim linijskih gubitk. Ukupn gubitk toplotnog kpcitet može se prikzti ko: Q = Q + Q = q l 1 l M ( + β ) gde je β koeficijent loklnih gubitk toplote. Efiksnost toplotne izolcije može se proceniti pomoću sledećeg izrz: Qiz η iz = 1 Qn gde su: Q iz gubitk izolovnog cevovod Q n gubitk neizolovnog cevovod η iz =,85-,95 i zvisi od temperture fluid, debljine i kvlitet izolcije i dužine cevovod. Gubitk toplote cevovod Q izziv pd temperture nosioc toplote. Toplotnim bilnsom dolzi se do: q l ( 1+ β ) = G c ( t1 t1 ) gde su: G protok nosioc toplote c specifični toplotni kpcitet nosioc toplote * t 1 tempertur n krju cevovod U slučju kd cevovod im veliku dužinu i kd je smnjenje polzne temperture nosioc toplote veliko, potrebno je uzeti u rzmtrnje i neprekidno menjnje specifičnog gubitk toplote q: q ( 1 + β ) dl = G c dt odnosno, uzimjući u obzir d je ( t t ) R t t dl = G c dt R odnosno dt 1+ β = dl t t RG c Nkon integrcije dobij se: t1 t ( 1+ β ) l1 ln = t1 t R G c odkle je: = t + t t e A ( 1 ) ( 1+ β ) l RG c t1 A = 1 q =, dobij se: Prethodni izrzi su izvedeni pretpostvljjući d su površine kroz koje se vrši rzmen toplote izotermne i d su fizičke krkteristike mterijl (λ) konstntne i ne zvise od vrednosti temperture. 3

4 Ovkv rešenj su ssvim zdovoljvjuć z njveći broj prktičnih problem. U slučjevim gde se uzim d površin izolcije nije izotermn i d se u konkretnim uslovim koeficijenti provodljivosti tl menjju duž cevovod, prorčun se sprovodi više put metodom približvnj. Ekonomično uprvljnje složenim sistemim dljinskog grejnj mor d obuhvti rcionlizciju rd svih komponent koje su uključene u proces proizvodnje i distribucije toplotne energije. Jedn od mogućih pristup ekonomičnog uprvljnj zsniv se n određivnju optimlne temperture rzvodne vode, optimlnih uslov strujnj u cevovodu i optimlne proizvodnje toplotne energije u bliskoj budućnosti (nekoliko čsov ili nekoliko dn unpred). Ekonomično uprvljnje treblo bi d se zsniv n tčnom poznvnju proizvodnih i distributivnih kpcitet ko i n predviđnju potrošnje toplotne energije iz energetskog sistem u budućnosti. Cilj uprvljnj je d u potpunosti odgovori potrebm potrošč, uz istovremeno održnje njnižih mogućih vrijbilnih troškov proizvodnje i distribucije toplotne energije. Ekonomično uprvljnje zhtev tčnu procenu potrošnje toplotne energije u budućnosti ko i utvrđivnje rizik prekorčivnj grničnih vrednosti potrošnje u budućnosti. Predviđnj neophodnih promenljivih mogu se izvršiti pomoću rznih postojećih progrmskih pket. Izrčunte vrednosti dlje se prosleđuju u ekonomski modul koji određuje optimlni ekonomski profil proizvodnje toplotne energije f(φ(t)), temperturu rzvodne vode f(t s (t)) i temperturu povrtne vode f(t r (t)), uzimjući u obzir relevntne grnične uslove. 4. MODELIRANJE MREŽE SISTEMA DALJINSKOG GREJANJA Mreže dljinskog grejnj su, ko što je rečeno, po prvilu složeni cevovodi koje čine brojne prve deonice, rčve ili strujni krugovi. Postojeći nmenski progrmski pketi omogućuju d se izvrši sttičk hidruličk nliz rzličitih tipov cevnih mrež. Dobijeni podci su od vitlnog znčj z projektovnje cevne mreže dljinskog grejnj, određivnje optimlne konfigurcije pumpnih stnic, otkrivnje kritičnih tčk u sistemu i procenu mogućnosti z povećnje potrošnje. Z optimlno uprvljnje sistemom modele cevovod treb pojednostviti grupisnjem u pojedinčne celine čime se model može pojednostviti z 8 do 95% bez zntnijeg smnjenj tčnosti. P ipk, vžno je zdržti neke bitne odlike cevne mreže, ko što su zpreminj fluid u cevovodu, vreme kšnjenj, zpreminski protok, toplotni gubici i pritisk u sistemu. Pojednostvljeni model mor biti u sglsnosti s stvrnim modelom do izvesnog stepen tčnosti, nročito po pitnju pritisk u sistemu i dinmike predje toplote Model toplotnog fluks z distribuciju toplotne energije Mtemtički model z distribuciju toplotnog fluks n prgu izvor toplote može se izrziti ko: Φ = Φ + Φ + Φ + Φ + Φ + Φ ds cp hl kn hlkn k gde su: Φ ds toplotni fluks z rzvod n prgu izvor Φ cp toplotni fluks kod potrošč Φ hl toplotni fluks z gubitke toplote Φ kn toplotni fluks z kumulciju toplote u cevnoj mreži Φ hlkn toplotni fluks gubitk toplote nstlih usled kumulcije u cevnoj mreži Φ k toplotni fluks z kumulciju toplote u kumultoru toplote hlk 4

5 Φ hlk toplotni fluks gubitk toplote nstlih usled kumulcije u kumultoru toplote 4. Model korigovnog toplotnog fluks n mestu potrošnje U modelu korigovnog toplotnog fluks n mestu potrošnje potrebno je uzeti u obzir vremensko kšnjenje u distribuciji toplotne energije t k (od izvor toplote do poslednjeg potrošč), u zvisnosti od zpreminskog protok t k =f(q vt ). Kšnjenje mođe biti određeno preko: simulcije rzličitih rdnih stnj sistem u sistemu z hidruličku nlizu cevne mreže, merenj vremenskog kšnjenj u rzličitim rdnim stnjim. Funkcije minimlne rzvodne temperture T st i mksimlne temperture povrtne vode T rt su ztim korigovne z vremensko kšnjenje f(t st (t+t k )) i f(t rt (t+t k )). N osnovu nvedenih funkcij korigovn funkcij zpreminskog protok u zvisnosti od vremen može se izrčunti ko f(q vt (t+t k )). Promene vremenskog kšnjenj usled korigovnog zpreminskog protok su minimlne, p se zbog tog mogu znemriti. Zpreminski protok, u zvisnosti od izbrne rzvodne temperture T s i povrtne temperture T r tople vode u cevovodu može se izrziti ko: Tst Trt qv = qvt Ts Tr Jednčin toplotnog fluks n mestim potrošnje je: Φ = q ρ c T T cp v p ( ) s r 4.3 Model toplotnog fluks z toplotne gubitke u cevnoj mreži Ovj model se odnosi n distribuciju tople vode u dvocevnom sistemu dljinskog grejnj. Toplotni gubici mogu se podeliti u dve grupe: gubitke u rzvodnoj i gubitke u povrtnoj cevnoj mreži. Pri izrčunvnju gubitk toplote neophodno je uzeti u obzir efekte povrtnog cevovod n gubitke u rzvodnoj mreži i obrnuto. Specifični gubici toplote po jedinici dužine, λ, zvise od nčin n koji je izveden cevn mrež: predizolovne cevi direktno položene u zemlju cevi postvljene u betonskim knlim ndzemne cevne mreže. Mtemtički model toplotnog fluks koji odgovr gubicim toplote z temperture T st i T rt z predizolovne cevi direktno položene u zemlju, n pojednostvljen nčin, je sledeći: hl ( T + T T ) Φ = L λ st rt so Mtemtički model toplotnog fluks koji odgovr gubicim toplote z temperture T st i T rt z ndzemne cevne mreže, n pojednostvljen nčin, je sledeći: Φ = L λ hl ( T + T ) st rt T Specifični gubici toplote po jedinici dužine z individulne mreže dljinskog grejnj mogu se odrediti n osnovu: 5

6 podtk proizvođč cevi, u zvisnosti od dimenzij i kvlitet izolcije pojedinih cevnih deonic, merenj i prorčun koji se zsnivju n količini toplotne energije koj je proizveden i prodt u višegodišnjem periodu. 4.4 Model toplotnog fluks z kumulciju toplote u cevnoj mreži Z kumulciju toplote u cevnoj mreži pri mnjoj potrošnji energije u toplovodnoj mreži neophodno je postviti obilzne vodove n odgovrjućim deonicm, koje omogućvju zpreminski protok q v,bp. Stepen otvorenosti obilznog vod reguliše se putem sistem dljinskog ndzor i uprvljnj, u zvisnosti od potrebe z kumulcijom toplote. Akumulcij toplote u toplovodnoj mreži može se izrziti objedinjeno z rzvodni i povrtni cevovod: Φ kn = q v, bp ρ c p ( T + T T T ) s r st rt 4.5 Model toplotnog fluks z toplotne gubitke u zvisnosti od kumulcije toplote u cevnoj mreži Toplotni gubici u zvisnosti od kumulcije toplote u toplovodu mogu se objedinjeno izrziti z rzvodni i povrtni cevovod: Φ = L λ hlkn ( T + T T T ) s r st rt 4.6 Model toplotnog fluks z kumulciju toplote u kumultoru toplote Akumultor toplote je čelični cilindrični sud definisne visine i prečnik. Nmen kumultor toplote je kumulcij višk toplotne energije u slučju kd je potrošnj toplotne energije mnj od proizvodnje i povrćj kumulisne toplotne energije sistemu dljinskog grejnj u slučju kd je proizvodnj mnj od potrošnje energije. Akumultor toplote može biti koristn u cilju optimizcije rzličitih rdnih režim od kojih su sledeć dv njbitnij: korišćenje kumulisne toplote z povećnje proizvodnje električne energije tokom čsov vršnog opterećenj korišćenje kumulisne toplote z pokrivnje fluktucij u potrošnji toplotne energije u sistemu dljinskog grejnj. Toplotni fluks z punjenje i pržnjenje kumultor toplote zvisi od zpreminskog protok i temperturske rzlike između tople i hldne cevi što je moguće uočiti iz model toplotnog fluks z kumulciju toplote u kumultoru toplote: k p ( T T ) Φ = q ρ c r 4.7 Model toplotnog fluks z gubitke toplote u zvisnosti od kumulcije toplote u kumultoru toplote Toplotni gubici u zvisnosti od kumulcije toplote u kumultoru toplote mogu se izrziti ko: 6

7 Φ hlk = A k ( T ) T 5. METODE RACIONALIZACIJE RADA TOPLOVODNE MREŽE Rcionlizcij rd toplovodne mreže može se podeliti n tri del: ekonomično uprvljnje pumpnim stnicm, smnjenje toplotnih gubitk u rzvodnoj cevnoj mreži smnjenje toplotnih gubitk u povrtnoj cevnoj mreži. Toplotni gubici u povrtnoj cevnoj mreži mogu se smnjiti stimulisnjem potrošč d postignu njnižu moguću temperturu povrtne vode u sekundrnom delu mest potrošnje. Toplotni gubici u rzvodnoj cevnoj mreži mogu se smnjiti izborom optimlne temperture rzvodne vode T st. D bi se izvel optimln kontrol temperture rzvod od ključne vžnosti je dobro poznvnje potroščkih krkteristik krjnjih potrošč u funkciji rzličitih tempertur rzvodne vode. Potrebno je uzeti u obzir vreme koje je potrebno d topl vod stigne do krjnjeg korisnik, ko i buduće vremenske prilike (spoljn tempertur, vetr...) koje se obrđuju od nekoliko čsov do nekoliko dn unpred. Alrmi i upozorenj n kritičnim mestim potrošnje unpred upozorvju operter d li je trenutn tempertur rzvodne vode prenisk (žlbe potrošč) ili previsok (povišen tempertur povrtne vode). U osnovi, optimln tempertur rzvodne vode određuje se prćenjem izvesnih prmetr: prćenjem temperture i zpreminskog protok n određenim mestim. Kontrol temperture obezbeđuje d tempertur rzvodne vode u sistemu dljinskog grejnj bude dovoljno visok d zdovolji zhteve svih potrošč. U prksi je potrebno obrđivti smo ogrničen broj tzv. kritičnih mest potrošnje. Z regulisnje zpreminskog protok koriste se predviđnje toplotnog fluks i poznvnje mksimlnog zpreminskog protok u toplovodu. N osnovu tog rčun se njniži mogući temperturski profil (uz istovremeno obezbeđenje dovoljne toplotne energije u sistemu). 6. GUBITAK TOPLOTE PREDIZOLOVANE CEVI Ekonomičnost toplovodne mreže ipk njviše zvisi od gubitk toplote cevi, odnosno od vrste i kvlitet izolcije. Kko je nlizirni toplovod izrđen od predizolovnih cevi izvršiće se nliz gubitk toplote ovih cevi i upoređenje s izmerenim vrednostim n konkretnom toplovodu. Anliz gubitk toplote izvršen je z predizolovne cevi jednog od njznčjnijih proizvođč ISOPLUS iz Nemčke. N gubitke toplote predizolovne cevi utiču sv tri sloj cevi: čelični zid, izolcij i zid zštitne PEHD cevi. Pri prorčunu toplotnih gubitk, bez velike greške mogu se uzeti sledeće vrednosti koeficijent toplotne provodnosti: midijum-cev λ ST = 5.33 W/mK PUR-izolcij λ PUR =.75 W/mK PEHD-omotč λ PE8 =.4 W/mK 7

8 Specifični gubici toplote z tri srednje temperture vode dte su u nrednoj tbeli Nzivni prečnik Specifični gubitk toplote q pri srednjoj temperturi T M =1 K u W/m Specifični gubitk toplote q pri srednjoj temperturi T M =7 K u W/m Specifični gubitk toplote q pri srednjoj temperturi T M =5 K u W/m Debljin izolcije Debljin izolcije Debljin izolcije DN Stndrd 1xpojč xpojčn Stndrd 1xpojčn xpojčn Stndrd 1xpojč xpojčn 13,588 11,687 1,74 9,51 8,181 7,518 6,794 5,844 5, ,516 13, ,653 8,74 8, , ,884 14, ,819 1,483 9,533 8,44 7,488 6, ,348 16,881 15,177 13,543 11,817 1,64 9,674 8,441 7, ,555 18,851 16,436 15,88 13,196 11,55 1,777 9,46 8, ,67 1,19 18,445 17,687 14,776 1,911 1,633 1,554 9, 8 6,58,115 19,7 18,41 15,48 13,791 13,9 11, ,615 3,18,371 19,331 16,53 14,6 13,88 11,69 1, ,791 6,684,75,54 18,679 15,95 15,896 13,34 11, ,458 3,14 5,13 6,1 1,99 17,586 18,79 15,71 1,56 4,754 3,7 6,366 8,58,419 18,456,377 16,14 13, ,685 31,41 6,488 7,78 1,987 18,541 19,843 15,75 13, ,575 35,895 9,3 31,9 5, ,948 14, ,533 34,73 8,199 31,173 4,9 19,739,67 17,35 14, ,41 36,56 3,64 33,195 5,4,445 3,71 18,8 16, ,87 41,3 36,176 33,465 8,7 5,33 3,93,516 18, , ,368 38,37 3,491 4,757 7,36 3,8 17,684 Srednj tempertur T M određen je ko rzlik srenje temperture polznog i povrtnog vod i temperture zemlje (T E =1 o C) TVL + TRL TM = TE U sledećoj tbeli su dti prosečni gubici toplote rzmtrnog toplovod prečnik DN8 i DN15 dužine 5m (1m cevi) i pd temperture z stndrdnu izolciju i T M =1 o C. DN q (W/m) Qg(W) t( o C) Qg(%) U slučju rzmtrnog toplovod s sledećim polznim podcim: T VL =13 o C, T RL =8 o C, T E =1 o C srednj tempertur iznosi T M =95 o C. 8

9 Korišćenjem npred dtih jednčin prorčunom se došlo do vrednosti z gubitke u toplovodu u kome je srednj tempertur u toku merenj bil T M =65 o C: DN q 1 q 65 Qg(W) t( o C) Q(kW) Qg(%) Izmerene vrednosti su pokzle nešto veće pdove temperture od toplne do podstnice t=.6 o C što je posledic kko vlžnosti pesk tko i uticj gubitk cevovod u toplni i kotlrnici, p su gubici iznosili oko.4% u odnosu n isporučenu toplotnu energiju. 7. ZAKLJUČAK N osnovu npred iznetog može se zključiti sledeće: - ekonomično uprvljnje složenim sistemim dljinskog grejnj mor d obuhvti rcionlizciju rd svih komponent koje su uključene u proces proizvodnje i distribucije toplotne energije, - cilj uprvljnj je d u potpunosti odgovori potrebm potrošč, uz istovremeno održnje njnižih mogućih vrijbilnih troškov proizvodnje i distribucije toplotne energije, - toplotni gubici u cevnoj mreži mogu se smnjiti izborom optimlne temperture rzvodne vode - toplotni gubici u rzvodnoj cevnoj mreži mogu se smnjiti izborom nčin polgnj cevovod i vrste izolcijejoptimlne temperture rzvodne vode - toplotni gubici u cevnoj mreži nezntno odstupju od prorčunskih zbog specifičnosti polgnj cevne mreže. 9