1.1. Scentralizowane systemy dostawy ciepła
Scentralizowanym systemem dostawy ciepła, zwanym także scentralizowanym systemem
ciepłowniczym, określa się system składający się z:
f& z
ródła ciepła,
f& sieci ciepłowniczej,
f& węzłów cieplnych.
Przykładowy schemat scentralizowanego systemu dostawy ciepła pokazano na rys. 1.1.
Rys. 1. 1. Przykładowy schemat scentralizowanego systemu dostawy ciepła
W budynkach (obiektach ogrzewanych) znajdują się instalacje odbiorcze. Zadaniem
scentralizowanych systemów dostawy ciepła jest dostarczenie do instalacji odbiorczych nośnika ciepła
do celów:
f& centralnego ogrzewania budynków,
f& podgrzewania powietrza w układach wentylacyjnych i klimatyzacyjnych,
f& ogrzewania w procesach technologicznych,
f& przygotowania ciepłej wody użytkowej.
W przeciwieństwie do scentralizowanych systemów, w indywidualnych systemach dostawy ciepła,
z
ródło ciepła jest zlokalizowane w obiekcie, do którego jest dostarczany nośnik ciepła.
y
ródłem ciepła zarówno w systemie scentralizowanym, jak i indywidualnym, może być kotłownia
lub centrala cieplna, wyposażona, np. w urządzenia do podgrzewania elektrycznego lub w pompy
ciepła. Szczegółową klasyfikację kotłowni i z
ródeł ciepła podano w [8,30]. Sieć ciepłownicza
transportuje nośnik ciepła ze z
ródła ciepła do węzłów cieplnych. Węzeł cieplny stanowi zespół
urządzeń łączących sieć ciepłowniczą z instalacją odbiorczą, stanowi także najczęściej granicę
eksploatacji pomiędzy dostawcą i odbiorcą ciepła. Węzły cieplne są wyposażone w elementy
pomiarowo-rozliczeniowe, elementy automatyzacji dostawy ciepła, urządzenia zmieniające parametry
nośnika ciepła (temperaturę i ciśnienie) oraz zespoły pompowe. Strona zasilana z sieci ciepłowniczej
nazywa się stroną pierwotną, strona instalacji - wtórną. Węzły bez elementów automatycznej regulacji
i pomiarowo-rozliczeniowych należą dziś do rzadkości, choć jeszcze 10 lat temu niemal wszystkie
węzły cieplne były pozbawione prawidłowo działających urządzeń pomiarowych i regulacyjnych.
Jedną z przyczyn wzrastającego stopnia automatyzacji węzłów cieplnych i instalacji odbiorczych
są wymagania obowiązujących przepisow prawnych, z drugiej stale rosnące ceny nośników energii
pierwotnej, zwlaszcza paliw kopalnych.
Większość miast dużych i średnich w Polsce posiada scentralizowane systemy dostawy ciepła.
Początki ich budowy przypadają przeważnie na lata 50. XX wieku. Systemy te w ciągu kilkudziesięciu
lat były rozbudowywane, w miarę rozwoju urbanistycznego miast. Także w miastach małych (kilka
lub kilkanaście tysięcy mieszkańców) rozwinęły się, choć nieco póz
niej - w latach 60., 70., i 80.
scentralizowane systemy ciepłownicze, mimo że ich budowa nie zawsze byłaby uzasadniona
ekonomicznie, przy zastosowaniu przyjętych obecnie kryteriów oceny atrakcyjności ekonomicznej
inwestycji. Miejskie systemy ciepłownicze budowano nawet w miastach o średniej gęstości cieplnej
40-50kW/ha. Lata 45.-90. były okresem gospodarki planowej, w której kryteria ekonomiczne nie były
decydujące w ocenie przedsięwzięć inwestycyjnych. Planowano budowę ciepłowni ogrzewających
aglomeracje miejskie odległe od z
ródla o kilkadziesiąt kilometrów, nierzadko ciepłownie o mocy
planowanej znacznie przekraczającej rzeczywiste potrzeby cieplne zasilanych obszarów. Po minionym
okresie pozostały nie w pełni zrealizowane obiekty w rodzaju z
ródeł ciepła bez magistral
ciepłowniczych lub sieci ciepłowniczych o znacznych średnicach, zasilających obecnie obszary o
wielokrotnie mniejszym zapotrzebowaniu na moc cieplną niż zapewnia przepustowość sieci. Jednym z
elementów gospodarki planowej były tzw. opinie i decyzje kordynacyjne Wojewódzkich Komisji
Planowania Gospodarczego, w których arbitralnie decydowano o sposobie rozwiązania gospodarki
cieplnej w obiektach polożonych na terenie miast i wsi. Głos decydujący w sprawie rozwiązań
systemów ciepłowniczych miały Inspektoraty Gospodarki Paliwowo-Energetycznej, póz
niej
Inspektoraty Gospodarki Energetycznej. W wielu przypadkach Inspektoraty narzucały szczegółowe
rozwiązania, np. stosowanie węzłów hydroelewatorowych w miejsce wymiennikowych, choć korzyści
ze stosowania węzłów bezpośrednich nie równoważyły ujemnych cech węzłów bezpośredniego
połączenia [29].
W gospodarce rynkowej decydującym kryterium w wyborze rozwiązania w sferze gospodarki
cieplnej jest dostępność nośników energii i koszt rozwązania, zarówno inwestycji, jak i eksploatacji.
Inwestor ma dziś do wyboru szereg ofert: kotlownię gazową, kotłownię olejową, ogrzewanie
elektryczne, centralę z pompami ciepła lub włączenie do sieci ciepłowniczej. Jednym z elementów
projektowania jest dziś analiza ekonomiczna wyboru z
ródła ciepła. Inwestor powinien znać nie tylko
koszty inwestycji w sferze gospodarki cieplnej, lecz także przyszłe koszty eksploatacji. Te ostatnie, z
powodu stale zmieniających się cen nośników energii jest czasem trudno precyzyjnie określić,
zwłaszcza w perspektywie kilkunastu lat. Przykładem jest obecnie, po latach intensywnego
stosowania, zanik zainteresowania budową kotłowni spalających olej (styczeń 2001r.), za kilka lat -
prawdopodobnie - podobne zjawisko dotknie kotłownie spalające gaz. Intensywnie poszukuje się
innych z
ródeł ciepła, przede wszystkim z
ródeł ciepła odpadowego i odnawialnych. Wzrosło
zainteresowanie pompami ciepła, kolektorami słonecznymi i systemami skojarzonymi wytwarzania
ciepła i chłodu. Z kolei w z
ródłach ciepła poszukuje się sposobów zwiększenia sprawności spalania
przez powiązanie różnego rodzaju nośników energii i stosowanie urządzeń do schładzania spalin [25].
W miastach i dzielnicach miast, w których istnieją scentralizowane systemy dostawy ciepła,
włączenie obiektów ogrzewanych do sieci ciepłowniczej jest jedną z możliwości. Wybór zależy
przede wszystkim od oferowanej ceny ciepła w porównaniu z innymi nośnikami energii. Tendencja
wzrostu ceny oleju i gazu będzie prawdopodobnie czyniła coraz bardziej atrakcyjnym podłączenie
budynku do miejskiej sieci ciepłowniczej. Cena węgla, który stanowi główne paliwo w
scentralizowanych systemach ciepłowniczych w Polsce nie będzie prawdopodobnie wzrastać tak
dynamicznie jak innych paliw, choć - być może - wzorem innych krajów zostanie wprowadzony
podatek ekologiczny, związany z oddziaływaniem spalania paliwa na stan środowiska naturalnego.
Opracowanie założeń do planu i planu zaopatrzenia w ciepło jest obecnie zadaniem gmin.
Rozwiazania w planach zaopatrzenia w ciepło mają charakter globalny, a głównym czynnikiem
decydującym o możliwości zrealizowania planu jest zdolność do poniesienia kosztów, zarówno
samorządów lokalnych, jak i bezpośrednich inwestorów. Większość systemów ciepłowniczych w
kraju wymaga wciąż nadal gruntownej przebudowy, stąd należy się także spodziewać
systematycznego wzrostu kosztów dostawy ciepła z sieci ciepłowniczej.
1.2. Klasyfikacja sieci ciepłowniczych
Można dokonać podziału sieci ciepłowniczych ze względu rodzaju nośnika ciepła. Są to:
f& wodne sieci ciepłownicze,
f& parowe sieci ciepłownicze,
f& inne (np. sieci gorącego oleju lub innych mediów energetycznych).
Wodne sieci ciepłownicze dzielą się na:
f& sieci niskotemperaturowe (niskoparametrowe) - o maksymalnej temperaturze nośnika ciepła
do 100oC,
f& sieci wysokotemperaturowe (wysokoparmetrowe) - o maksymalnej temperaturze nośnika ciepła
powyżej 100oC.
Parowe sieci ciepłownicze dzielą się na:
f& sieci niskiego ciśnienia (niskoprężne) -o maksymalnym nadciśnieniu nośnika ciepła do 0.7 bar,
f& sieci wysokiego ciśnienia (wysokoprężne) - o maksymalnym nadciśnieniu nośnika ciepła
powyżej 0.7 bar.
Ze względu na rodzaj zapotrzebowania na moc cieplną sieci ciepłownicze można podzielić na:
f& sieci dostarczające nośnik ciepła do celów centralnego ogrzewania,
f& sieci dostarczające nośnik ciepła do celów przygotowania ciepłej wody,
f& sieci dostarczające ciepłą wodę,
f& sieci dostarczające nośnik ciepła do celów podgrzewania powietrza w instalacjach wentylacji i
klimatyzacji,
f& sieci dostarczające nośnik ciepła do zasilania układów chłodniczych (np. absorpcyjnych pomp
ciepła),
f& sieci dostarczające nośnik ciepła do celów technologicznych.
Sieci ciepłownicze, pod względem liczby przewodow, dzielą się na:
f& sieci jednoprzewodowe,
f& sieci dwuprzewodowe,
f& sieci trójprzewodowe,
f& sieci czteroprzewodowe,
f& sieci o większej liczbie przewodów.
Przykładem sieci jednoprzewodowej jest sieć ciepłownicza zasilająca obiekty ogrzewane z
zastosowaniem otwartych zbiorników akumulacyjnych w z
ródle i u odbiorców. Schemat sieci
przedstawiono na rys. 1.2. Nośnik ciepła jest przesyłany przez sieć ciepłowniczą w dwóch kierunkach.
Po ogrzaniu w z
ródle woda jest doprowadzana do otwartego zbiornika akumulacyjnego u odbiorców.
Układ pomp przetłacza nośnik ciepła przez urządzenia odbiorcze, po czym po schłodzeniu
zakumulowanej objętości, woda jest przesyłana do z
ródła i następnie z powrotem dostarczana do
odbiorców.
Swoistym eksperymentem było stosowanie w Związku Radzieckim w latach 30. XX wieku
jednoprzewodowego systemu ciepłowniczego, w którym woda, po przepłynięciu przez grzejniki,
zasilała instalacje ciepłej wody użytkowej [9].
Rys. 1.2. Schemat jednoprzewodowej sieci ciepłowniczej z otwartym zbiornikiem akumulacyjnym
Dwuprzewodowa sieć ciepłownicza może dostarczać nośnik ciepła do celów centralnego
ogrzewania, centralnego ogrzewania i przygotowania ciepłej wody oraz do celów centralnego
ogrzewania, przygotowania ciepłej wody i ogrzewania powietrza w układach wentylacyjnych i
klimatyzacyjnych. Schemat dwuprzewodowej sieci ciepłowniczej ilustruje rys. 1.3.
Dwuprzewodową siecią ciepłowniczą jest też sieć dostarczająca bezpośrednoio do odbiorców
ciepłą wodę. Jeden z przewodów to przewód zasilający (dostarczający ciepłą wodę), drugi
cyrkulacyjny. Schemat sieci ciepłej wody pokazano na rys. 1.4.
Rys. 1.3. Schemat dwuprzewodowej sieci ciepłowniczej
Rys. 1.4. Schemat dwuprzewodowej sieci ciepłej wody
Sieć pary i skroplin jest także siecią dwuprzewodową. Schemat parowej sieci ciepłowniczej
pokazano na rys. 1.5.
Rys. 1.5. Schemat parowej, dwuprzewodowej sieci ciepłowniczej
Sieci trójprzewodowe stosowane są w układach dostawy nośnika ciepła do celów centralnego
ogrzewania, przygotowania ciepłej wody, wentylacji oraz technologicznych, np. w zakładach
przemysłowych, gdy w procesie technologicznym wymagana jest stała temperatura czynnika
zasilającego. Wspólnym przewodem powrotnym płynie nośnik ciepła powracający z układów
technologicznych i układów o zmiennej temperaturze zasilania. Schemat trójprzewodowej sieci
ciepłowniczej ilustruje rys. 1.6. W sieci czteroprzewodowej występują dwa przewody powrotne: z
układów o stałej temperaturze zasilania oraz dwa przewody z układów o zmiennej temperaturze
zasilania. Schemat tego rodzaju sieci przedstawia rys. 1.7.
Rys. 1.6. Schemat trójprzewodowej sieci ciepłowniczej
Rys. 1.7. Schemat czteroprzewodowej sieci ciepłowniczej
Sieci czteroprzewodowe lub o większej liczbie przewodów mogą występować w różnych
konfiguracjach, np.:
f& sieci czteroprzewodowe centralnego ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody oraz
technologii,
f& sieci czteroprzewodowe centralnego ogrzewania i ciepłej wody (np. sieci po stronie wtórnej
wqęzłów grupowych),
f& sieci czteroprzewodowe wodne i parowe,
f& sieci sześcioprzewodowe centralnego ogrzewania, wentylacji, przygotowania ciepłej wody,
technologii oraz ciepłej wody,
f& sieci sześcioprzewodowe wody, pary i ciepłej wody i.t.p.
Ze względu na miejsce ułożenia sieci ciepłownicze dzielą się na:
f& sieci nadziemne,
f& sieci podziemne.
Podziemne sieci ciepłownicze dzielą się na:
f& sieci kanałowe,
f& sieci bezkanałowe.
Sieci kanałowe można sklasyfikować według wysokości kanału. Są to:
f& sieci w kanałach nieprzechodnich (o wysokości poniżej 1.2m),
f& sieci w kanałach półprzechodnich (o wysokości od 1.2m do 1.9m),
f& sieci w kanałach przechodnich (o wysokości co najmniej 1.9m).
Na rys. 1.8. pokazano przekroje sieci prowadzonej w kanałach.
Rys. 1.8. Przekroje sieci kanałowej
Kanały przechodnie, jeśli prowadzą jeszcze inny rodzaj uzbrojenia, nazywane są kanałami zbiorczymi.
Poza jednostkowymi przypadkami kanały takie nie znalazły szerszego zastosowania w warunkach
polskich. Kanały, stanowiące obudowę sieci ciepłowniczej, mogą być wykonane w różnej technologii,
np. jako:
f& murowane z cegły,
f& żelbetowe, wylewane na mokro,
f& żelbetowe, prefabrykowane (w kształcie litery U, L, łupinowe - o sklepieniu łukowym).
Sieci bezkanałowe można podzielić na
f& sieci prowadzone w obudowie bezkanałowej (np. w pianobetonie lub zasypce hydrofobowej),
f& sieci prowadzone w rurach ochronnych (stalowych lub z tworzyw sztucznych),
f& sieci preizolowane.
W latach 70. stosowano  eksperymentalne sposoby układania rurociągów ciepłowniczych, np. w
pianobetonie lub w zasypce hydrofobowej FIL135.  Eksperymenty okazały się chybione. Żaden ze
sposobów nie zapewnił, jak się okazało po kilku-kilkunastu latach, właściwej jakości transportu ciepła
i trwałości rurociągów. W większości przypadków odcinki wymieniono na kanałowe lub
preizolowane.
Sieci preizolowane, w zależności od sposobu kompensacji wydłużenia cieplnego, można podzielić
na:
f& sieci w systemie ślizgowym (obudowa sieci nie jest związana z materiałem rurociągu),
f& sieci w systemie związanym (obudowa sieci jest ściśle związana z materiałem rurociągu).
Sieci nadziemne, w zależności od wysokości umieszczenia przewodów, dzielą się na:
f& sieci na podporach niskich (oś przewodu na wysokości do 1m nad poziomem terenu),
f& sieci na podporach wysokich (oś przewodu na wysokości powyżej 1m nad poziomem terenu).
Na rysunku 1.9. pokazano przekroje sieci ciepłowniczych na podporach niskich i wysokich.
a. b.
Rys. 1.9. Sieć ciepłownicza na podporach niskich (a.) i wysokich (b.)
Klasyfikację ze względu na miejsce ułożenia i sposób budowy przedstawiono na rysunku 1.10.
Elementy sieci kanałowych, nadziemnych i preizolowanych omówiono szczegółowo w rozdziale 4.
Pod względem materiału, z jakiego jest wykonany przewód, sieci ciepłownicze można podzielić
na:
f& sieci z rur stalowych, czarnych,
f& sieci z rur stalowych, ocynkowanych,
f& sieci z rur z tworzyw sztucznych (PE, PEX,PP,PB i inne),
f& sieci z rur miedzianych.
Innym kryterium klasyfikacji sieci ciepłowniczych jest struktura geometryczna. Sieci dzielą się na:
f& promieniowe,
f& pierścieniowe,
f& pajęcze.
Rys. 1.10. Klasyfikacja sieci ciepłowniczych ze względu na ułożenie i sposób budowy
Schematy sieci o różnej strukturze geometrycznej pokazano na rys. 1.11. Strukturę geometryczną
sieci promieniowej stanowi graf z wieloma węzłami bez cykli. Istnieje tylko jedna droga ze z
ródła
ciepła do każdego z odbiorców, droga z odcinkami wspólnymi. Sieć pierścieniową opisuje graf z
cyklami, tj. zamkniętymi pierścieniami. Istnieją alternatywne drogi, przynajmniej do niektórych
odbiorców. W systemie pajęczym do każdego z odbiorców prowadzi odrębny odcinek sieci (jest to
graf z jednym węzłem i liczbą gałęzi odpowiadającą liczbie odbiorców - węzłów cieplnych).
Rys. 1.11. Schemat rodzajów sieci o różnej strukturze geometrycznej. a. sieć promieniowa
b. sieć pierścieniowa. c. sieć pajęcza.
Sieci ciepłownicze można podzielić ponadto ze względu na pełnioną rolę w systemie dostawy
ciepła. Są to:
f& sieci magistralne (główne sieci systemu dostawy ciepła),
f& sieci rozdzielcze (sieci prowadzące do grupy odbiorców),
f& przyłącza (sieci prowadzące do jednego odbiorcy).
Podstawowym parametrem sieci ciepłowniczej jest średnica przewodów. Jest kwestią umowną, od
jakiej średnicy sieć jest traktowana jako magistralna. W dużych systemach ciepłowniczych sieć
magistralna może mieć średnicę, np. 600-1000 mm, w mniejszych - 150-200 mm. W celu
sporządzenia obliczeń hydraulicznych, ze względów praktycznych, sieć ciepłowniczą dzieli się zwykle
na część magistralną i na sieci rozdzielcze z przyłączami. Pozwala to na bardziej przejrzysty obraz
układu ciśnienia w całości systemu ciepłowniczego bez konieczności drukowania i przeglądania
wydruku obliczeń o dużej objętości.
Sieci ciepłownicze bez odgałęzień, transportujące nośnik ciepła od z
ródla ciepła do pierwszego
rozgałęzienia określa się mianem sieci tranzytowych.