За матеріалами…«Upgrading the performance of district heating networks. Technical and non-technical approaches» by Dominik Rutz, Carlo Winter   scheid, Thomas Pauschinger, Sebastian Grimm, Tobias Roth, Borna  Doračić, Gillian Dyer, Thomas A. Østergaard, Reto Hummelshøj 

КЛАСИФІКАЦІЯ СИСТЕМ ЦЕНТРАЛЬНОГО ТЕПЛОПОСТАЧАННЯ ЗА РОЗМІРАМИ

Важливим критерієм визначення систем центрального теплопостачання (ЦТ) є їх розміри. Вони можуть забезпечувати теплом як значні площі, наприклад, система теплопостачання Великого Копенгагена, так і невеликі райони та села, що складаються лише з кількох будинків. Розмір системи можна охарактеризувати за такими параметрами:

  • довжина трубопроводу (довжина траншеї) [м, км];
  • кількість підстанцій;
  • кількість підключених споживачів;
  • сума інвестиційних витрат [млн. €];
  • складність (наприклад, кількість теплогенераторів, точок підключення, рівня мереж);
  • розподілена енергія (продане тепло) [МВт/год, ГВт/год, TВт/год];
  • встановлена ​​потужність виробництва тепла [МВт, ГВт];
  • просторове покриття району [км²].

Ці параметри часто співвідносяться один з одним: якщо підключена велика кількість споживачів, то автоматично розподіляється значна кількість енергії. Це означає, що  рівень загальних інвестиційних витрат також високий. Іноді параметри не співвідносяться, однак ця класифікація в основному використовується для широкого опису систем ЦТ.

Часто використовують терміни малі та великі системи ЦТ, хоча такий розподіл є вільним. Великі системи теплопостачання зазвичай мають більш давню традицію, оскільки вони історично часто підключалися до теплоелектростанцій. Сьогодні у великі системи теплопостачання все більше інтегруються масштабні відновлювані джерела енергії, наприклад, геотермальна енергія або біоенергетика.

Малі мережі централізованого опалення – це локальне поняття для постачання теплової енергії домогосподарствам, малим та середнім виробництвам. У деяких випадках вони можуть поєднуватися з великими мережами ЦТ, але їх загальною концепцією є наявність індивідуальної тепломережі, яка з'єднує відносно невелику кількість споживачів. Часто малі мережі ЦТ реалізуються в невеликих містечках. Вони можуть живитися різними джерелами тепла, в тому числі сонячними колекторами, системами біомаси, тепловими насосами та надлишковими джерелами тепла. Котли на викопному паливі можуть бути встановлені для пікових навантажень та у якості резервного забезпечення, щоб збільшити економічну доцільність всієї системи. Як правило малі мережі мають комерційних операторів і є більшими, ніж мікромережі.

Мікромережі опалення встановлюються зазвичай  для меншої кількості клієнтів. Головна перевага мікромереж полягає в тому, що вони можуть бути побудовані легше та швидше через малу кількість клієнтів та без довгих публічних процедур. Клієнти домовляються про відповідний облік використаного тепла та про те, хто є оператором системи.

Незалежно від розміру сітки, важливо не змінювати її розмір під час планування. Великі розміри зумовлюють більші теплові втрати та більші інвестиції. 

КЛАСИФІКАЦІЯ ЗА ІСТОРИЧНИМИ ПОДІЯМИ В ГЕОГРАФІЧНИХ   РЕГІОНАХ

Оскільки ЦТ було запроваджено в різних європейських регіонах за різних умов та з різними цілями, системи ЦТ  класифікують за місцем їх розташування.

Північна та Центральна Європа

Системи ЦТ у північній та центральній Європі демонструють технічну схожість. Зазвичай вони працюють при температурі 120-80/50-40 °C. У деяких містах все ще зустрічаються парові системи, але вони поступово переводяться на нагріту воду. Продовжується кампанія з переведення ЦТ на низькотемпературні режими: 70/40 або 60/30 °C. Системи працюють із змінними температурами, а також із змінними потоками. В розподільчих мережах використовують, як правило, попередньо теплоізольовані сталеві труби, однак на сьогодні це все частіше – полімерні гнучкі теплоізольовані труби. Все більше інтегрується поновлювана енергія: від біомаси та теплових насосів до теплових сонячних колекторів.

Для розвитку сектора ЦТ в Європі показовим є досвід Данії, оскільки ця країна має одну з найдосконаліших систем теплопостачання. ЦТ є найпоширенішим способом у Данії для обігріву будинків та подачі гарячої водопровідної води. У Копенгагені понад 98 % площі підлоги нагрівається за допомогою теплової енергії. ЦТ розглядається як спосіб вирішити питання високої залежності від імпортної нафти. Для того, щоб залучити величезні інвестиції в коґенераційні установки та зробити економічно ефективними розподіл енергії та трубопровідні мережі, була проведена велика робота на рівні національної економіки з планування розподілу тепла. Данія була розділена на невеликі зони для визначення найбільш оптимального рішення для опалення: залишкове тепло, природний газ або індивідуальні котли (мазутні). Таке національне планування теплопостачання запобігло виникненню конкуренції та залучанню подвійних інвестицій для облаштування трубопроводів для природного газу та ЦТ в одному географічному районі. Більшість домогосподарств підключилися до громадських систем постачання тепла, оскільки був створений (за допомогою податкового законодавства) економічний стимул для підключення.

Після 2000 року фокус у секторі ЦТ змістився на енергоефективність самих розподільчих мереж теплопостачання та покращення роботи обладнання кінцевих споживачів. Виробництво тепла на основі біомаси, його отримання  від сонячних установок, впровадження резервуарів для зберігання тепла, використання теплових насосів або геотермальної енергії – це технології, що використовуються в різних системах ЦТ у Данії. Величезна перебудова енергетичного сектора в поєднанні з акцентом на екологічний вплив, економію енергії та економічний вплив сприяли розвитку галузі.

Східна Європа

У Східній Європі системи ЦТ набули значного поширення, однак вони були розроблені за зовсім інших обставин. Більшість систем була побудована за системою централізованої планової економіки, саме тому оплата за тепло на рівні кінцевого споживача є однією з найбільших проблем для сьогоднішніх систем ЦТ. Перебудова економіки та сектора важкої промисловості (що використовувала пару та гарячу воду з високою температурою), призвела до зникнення значної частини доходу систем ЦТ.

ЦТ у Східній Європі часто працювало з парою та перегрітою водою. Для передачі тепла використовувались погано ізольовані сталеві труби. Контроль параметрів системи часто був негнучким. Контроль навантаження здійснювався за допомогою регулювання температури центральної подачі, але це унеможливлює регулювання подачі тепла для індивідуального споживача. Наслідком цього стало неефективне використання мережевого тепла і гідравлічний дисбаланс у мережі та нерівномірний прогрів помешкань. Системи ЦТ мають задекларовані робочі параметри 150/70 °С, але сьогодні працюють при значно нижчих температурах.  Вони весь час боролися з тепловим дисбалансом, забрудненнями теплообмінників та витоками води. Тому впровадження сучасних технологій та концепцій є сьогодні великою проблемою, оскільки багато систем ЦТ страждають від нестачі фінансових коштів та недостатнього повернення витрат.

Нові системи ЦТ

У кількох європейських країнах реалізація ЦТ є відносно «молодою». Проблема в цих країнах полягає в тому, що будинки не облаштовані тепловим обладнанням на основі теплоносія-води. Тому введення нової системі ЦТ – це не тільки створення джерела тепла, а й також  залучення значних інвестицій, які мають здійснювати власники будинків.

Іншим викликом може бути подолання негативного сприйняття системи ЦТ споживачами у деяких країнах, де його часто розглядають як централізовану  «соціалістичну» технологію. Готовність покластися на нову комунальну послугу (опалення) може суттєво відрізнятися від того, як сприймаються системи у північних країнах та південній частині Європи.

Сучасні системи можуть бути високоефективними, економічно вигідними та екологічними (заснованими на відновлюваних джерелах енергії). Новий підхід полягає у сприянні взаємодії в міському комунальному секторі: постачання тепла, електроенергії, транспортного сполучення.

КЛАСИФІКАЦІЯ ЗА РОЗПОДІЛОМ ТЕПЛА

Системи ЦТ розподіляють тепло через тепломережі – від виробничих установок (джерела тепла) до кінцевих споживачів. Різні носії – різні температури, це пов'язано з наявністю технологій різних поколінь систем ЦТ.

Сьогодні багато систем ЦТ досі працюють з температурою води  100 °C або вище. Хоча ці системи можуть бути дуже ефективними, є великий ризик збільшення втрат тепла. В першу чергу це стосується систем, які використовують погано ізольовані труби.

Багато систем опалення працюють із температурою значно нижче 100 °C. Застосування  попередньо ізольованих труб підвищує ефективність системи ЦТ в цілому та зумовлює суттєві переваги: зменшення втрат у мережі (нижче 10 %) та можливість використання низькотемпературної відновлюваної енергії та надлишкових джерел тепла в поєднанні з тепловими накопичувачами. Завдяки цим перевагам сьогодні загальною тенденцією є ЦТ з низькою температурою: з температурою подачі нижче 50 °C та «підсилювальними установками» з боку споживачів.

Ефективною може бути така система центрального теплопостачання, що складається з високоефективних компонентів. Сценарій та схема облаштування ЦТ у різних умовах передбачає аналіз різноманітних факторів – географію об’єкта (клімат, геологія, відстань між  ґенераційними потужностями та кінцевими споживачами), демографічну ситуацію та перспективи розвитку даного регіону, технічне завдання проекту та джерела його фінансування.   

Кожний з компонентів ЦТ (генерація теплової енергії, розподільчі мережі,  теплове обладнання в приміщенні споживача) за останні 10-20 років пройшов еволюційний розвиток, а завдяки сучасним досягненням науки їх асортимент поповнився новими рішеннями. Сьогодні ми впроваджуємо технології, використання яких ще 15 років тому здавалось сміливим експериментом. Проте в 2020 році їх тривала попередня експлуатація в мережах ЦТ підтвердила системну надійність, ефективність технології, що є гарантованою перепусткою в проекти майбутнього – це стосується в першу чергу гнучких полімерних теплоізольованих трубопроводів.

Розподіл теплової енергії в системах ЦТ відбувається через розгалужені трубопровідні мережі. Геометричні параметри, режим експлуатації  магістральних трубопроводів (температура теплоносія до 150 оС, тиск до 1,6 МПа, діаметр провідної труби до 1400 мм) передбачає використання виключно сталевих теплоізольованих трубопроводів – з огляду на високий рівень температурного та фізичного навантаження на матеріал провідної труби. В той самий час параметри та умови експлуатації розподільчих, в тому числі внутрішньо квартальних мереж (робоча температура теплоносія до 70-115 оС, тиск до 1,0 МПа, діаметр провідної труби до 160 мм) уможливлюють впровадження полімерних трубопроводів, які мають численні переваги у порівнянні зі сталевими трубопроводами малих діаметрів для тієї самої сфери застосування. Сьогодні вже складно уявити енергоефективні проекти без використання попередньо ізольованих полімерних гнучких труб для підключення споживачів до джерела теплової енергії та гарячого водопостачання.

Ця технологія дозволяє прокладати труби – безканально, з мінімальною кількістю з’єднань, без відводів та урахування перепадів висоти, без облаштування нерухомих опор,  без компенсаторів, довгомірними відрізками – в найскладніших умовах: просідаючи ґрунти, високий рівень ґрунтових вод, жорсткі обмеження за часом виконання монтажних робіт. Сталеві трубопроводи в розподільчих мережах потерпають від різних видів внутрішньої та зовнішньої корозії, що значно скорочує їх загальний термін експлуатації та примушує щорічно передбачати бюджет на ремонт чисельних аварійних ділянок. Однак ситуація докорінно змінюється якщо йдеться про заміну трубопроводів всієї розподільчої мережі на полімерні теплоізольовані труби: в такому випадку відпадає необхідність повертатися до заміни та ремонту, оскільки можна спрямовувати кошти наступного фінансового періоду виключно на розвиток та підтримання стабільної ефективної схеми теплопостачання на базі попередньо теплоізольованих полімерних гнучких труб. Теплові втрати є низькими (3 % на 1 км траси) та залишаються практично незмінними протягом усього терміну експлуатації мережі завдяки фізичним характеристикам самої полімерної труби  та її теплової ізоляції.

Базовий матеріал провідної труби може бути різним, це залежить від  сфери призначення. Вітчизняне виробництво надає можливість обирати ПЕ-РТ (поліетилен з підвищеною термостійкістю) – для гарячого водопостачання, ПЕ-КСа (зшитий поліетилен) та армований ПЕ-КСа – для мереж опалення та гарячого водопостачання. В Україні широкий асортимент труб саме на базі ПЕ-КСа виробляється на Калуському трубному заводі (Івано-Франківська область).

Наявні рішення:

  • для приватного сектора – підключення будинків до невеличких котелень;
  • для міського комунального господарства та промислових об’єктів – ремонт/реконструкція розподільчих мереж, що існують;
  • нові підключення об’єктів до джерел тепла – за новими схемами, з урахуванням нових концепцій теплопостачання.

Огляд сьогоднішнього ЦТ в Європі

Загальний обсяг продажу теплової енергії для європейських споживачів поки що порівняно невеликий. Частка становить близько 11-12 % потреби в теплі в ЄС, яке забезпечують близько 6000 теплових мереж. ЦТ є найпоширенішим у традиційно холодно-зимових країнах Північної/Східної Європи. Найбільший ринок ЦТ – у Німеччині, за ним – Польща та Швеція. На півдні Європи воно в даний час відіграє лише другорядну роль. Приблизно 60 мільйонів громадян ЄС обслуговуються ЦТ, при цьому ще 140 мільйонів проживають у містах, які мають хоча б одну систему ЦТ.

За минуле десятиріччя встановлена ​​потужність ЦТ зросла в десяти країнах, та найбільший відсотковий приріст відбувся у Швейцарії (36 %), за нею слідують Італія (24 %), Норвегія та Литва (обидві 16 %).

ЗАГАЛЬНІ РАМКОВІ УМОВИ: КОНКУРЕНТИ ЦТ

Незважаючи на те, що в Європі є понад 6000 систем теплопостачання, вони покривають лише близько 13 % потреби в тепловій енергії в ЄС. Для опалення на побутовому та будівельному рівні переважно використовуються індивідуальні рішення. Існує кілька причин такої ситуації.

Частка ЦТ у покритті попиту на тепло в певній країні значною мірою залежить від її географічного положення, а також від історичного розвитку. Данія, Литва та Швеція є європейськими лідерами за рівнем використання ЦТ. Частка домогосподарств, підключених до системи ЦТ в Ісландії, становить 92 % – завдяки використанню геотермальної енергії. Данія також відома тим, що впроваджує енергоефективні рішення: до ЦТ підключено 63,3% громадян. Однак південь Європи  потребує менше тепла, тому частка ЦТ значно зменшується. Тим не менш, опалення все ще потрібне протягом зими в таких країнах, як Іспанія, Греція, Португалія тощо, де використовуються різні рішення, таки як системи кондиціонування та індивідуальні котли.

Країни Східної Європи часто мають високу частку систем ЦТ, але це здебільшого передбачає використання старих великих генераторів, що працюють на викопних видах палива з низькою ефективністю. Саме тому більшість громадян відмовляється від послуг таких ЦТ  на користь індивідуальних рішень.

Найчастішою заміною ЦТ в країнах Південної та Східної Європи є індивідуальні котли. Паливом для них служить природний газ та біомаса в різних формах, інколи навіть мазут. Котли на природному газі мають найвищу ефективність (понад 90 %) та зазвичай використовуються у містах, де є розвинена мережа розподілу природного газу.

Сучасні котли на біомасі мають високоефективну та якісну систему фільтрації, що значно зменшує викиди забруднюючих речовин, але висока вартість технології не дозволяє їй стати дуже популярною.

На півдні Європи для опалення взимку та охолодження влітку часто використовуються кондиціонери. Їх аналог – теплові насоси «повітря-повітря» та інші моделі – можуть стати альтернативою системам теплопостачання в районах з низькою щільністю теплового споживання по всій Європі.

Системи ЦТ економічно доцільні у районах, які мають досить високу щільність попиту на тепло. Потенціали для розвитку ЦТ в даний час дуже високі. Для досягнення фази розвитку ЦТ «стабільного/енергоефективного/екологічного» слід розширити ці системи, щоб охопити значно більшу частку попиту на тепло. Це повинно поєднуватися з впровадженням енергозберігаючих заходів у будівлях (забезпечення використання низькотемпературного тепла).

Систематизація інформації про ефективний досвід впровадження нових рішень, комбінування нових технологій та географічних, кліматичних, демографічних особливостей окремих регіонів та цілих країн – своєчасна та доцільна, з огляду на наше мінливе економічне/екологічне середовище. Якщо є нагода застосувати успішний досвід інших країн з ЦТ – в локальних умовах з урахуванням всіх «за» та «проти» – це допоможе побудувати реалістичний перспективний план розвитку ЦТ з конкретним набором технологічних інструментів. Зрозуміло, що кожна запропонована технологія має бути ретельно проаналізована локальним ринком та мусить чесно відповідати вимогам місцевої економіки. Тривала ефективна експлуатація с високими показниками ККД слугує доброю підказкою, якщо йдеться про гнучкі полімерні теплоізольовані труби від ТД «Євротрубпласт», які вже багато років працюють як на приватних об’єктах, так й на комунальних підприємствах теплової енергетики України.

 

ЖУРНАЛ ПОЛИМЕРНЫЕ ТРУБЫ - УКРАИНА