Optimization of heating network operation parameters
Wprowadzenie
Dążenie do poprawy efektywności energetycznej systemów ciepłowniczych nie powinno wzbudzać wątpliwości. Jest to jednak proces złożony, mający wiele uwarunkowań zarówno technicznych jak i ekonomicznych. Często istotne są też aspekty prawne i organizacyjne, a nawet polityczne (!). System ciepłowniczy to połączone ze sobą urządzenia składające się na źródła ciepła, sieci przesyłowe, węzły ciepłownicze i instalacje odbiorcze. Nie ulega wątpliwości, że poprawa sprawności lub sposobu wytwarzania ciepła będzie korzystna dla całego systemu, jednak już zmiany parametrów nośnika ciepła muszą uwzględniać wpływ na pozostałe elementy systemu. Podobnie będzie w przypadku modernizacji sieci przesyłowych gdzie poprawa izolacyjności jest w oczywisty sposób korzystna, ale już zmiana średnicy musi uwzględniać zarówno obecne jak i przyszłe uwarunkowania. Zawsze musimy postrzegać system ciepłowniczy jako całość, gdyż zmiany wprowadzane w każdym z jego elementów mogą mieć wpływ na pracę pozostałych. Nie wszystko co poprawia efektywność w zakresie odbioru ciepła przełoży się na oszczędność energii pierwotnej w odniesieniu do źródła, które np. wytwarza ciepło w kogeneracji. Przyłączenie nowego źródła, nawet najbardziej sprawnego i ekologicznego, może spowodować, że w pozostałych pogorszyły się warunki do efektywnej pracy. Obniżenie temperatury nośnika ciepła spowoduje zmniejszenie strat na przesyle, ale jednocześnie wzrost zużycia energii na pompowanie wskutek wzrostu przepływu. Takich przykładów można przytoczyć wiele. Złożoność całego procesu pogłębia fakt, że często mamy do czynienia z różnymi właścicielami każdego z elementów systemu, a ich interesy nie zawsze są spójne. Dlatego każde działanie, które w efekcie ma istotnie usprawnić pracę systemu ciepłowniczego i doprowadzić do zmniejszenia jednostkowego zużycia energii pierwotnej, powinno być poprzedzone pełną i staranną analizą uwarunkowań oraz audytem efektywności energetycznej.
Standardy jakościowe dostawy ciepła
Standardy jakościowe dostawy ciepła przez wytwórcę do przedsiębiorstwa energetycznego oraz przez przedsiębiorstwo energetyczne do odbiorców reguluje umowa sprzedaży ciepła, która standardowo zawiera wymagania zgodne z przepisami ustawy Prawo energetyczne [1]; [2]. W szczególności w zakresie dotrzymania parametrów dostawy i ewentualnych bonifikat ma zastosowanie §25 ust.1 i 2 Rozporządzenia systemowego oraz §38 Rozporządzenia taryfowego.
Standardy jakościowe obsługi odbiorców obejmują warunki sprzedaży ciepła w zakresie zapewnienia obliczeniowego natężenia przepływu nośnika ciepła, dotrzymywania parametrów nośnika ciepła, dostarczenia mocy, rozpoczęcia i przerwania dostarczania ciepła w celu ogrzewania i wentylacji, planowanych przerw w dostarczaniu ciepła w okresie letnim. Zaliczamy do nich również warunki wstrzymania dostarczania ciepła do odbiorców oraz dotrzymywanie terminów załatwiania interwencji, skarg i zażaleń. Istotna z punktu widzenia tematu niniejszego artykułu jest kwestia zawiadamiania odbiorców o planowanych zmianach warunków dostarczania ciepła, które wymagają dostosowania instalacji odbiorczych do nowych warunków.
W niniejszym artykule autorzy skupiają się na opisie optymalizacji pracy sieci ciepłowniczej w zakresie obniżenia parametrów temperaturowych. Potencjał do obniżenia temperatury zasilania systemu ciepłowniczego można wykorzystać poprzez jej optymalizację dla aktualnych standardów jakościowych jak i poprzez zmianę tych standardów.
Podział Polski na strefy klimatyczne
Rzeczywiste parametry nośnika ciepła na wyjściu ze źródła na tle krzywej grzewczej
Zgodnie z Rozporządzeniem systemowym odchylenie temperatury nośnika ciepła dostarczanego do węzła cieplnego w stosunku do tabeli regulacyjnej nie powinno przekraczać w sieciach gorącej wody: +2 % i – 5 %, pod warunkiem, że temperatura wody zwracanej z węzła cieplnego do sieci ciepłowniczej jest zgodna z tabelą regulacyjną, z tolerancją +7 % i – 7 %. Zwykle zapisy umów z odbiorcami powielają ten zapis.
Odniesieniem dla wymaganych parametrów temperaturowych dostawy ciepła jest tzw. tabela regulacyjna, która zawiera przedstawioną w postaci tabeli lub na wykresie (krzywa grzewcza) zależność temperatury nośnika ciepła od warunków atmosferycznych. Warunki atmosferyczne mogą być zdefiniowane jako temperatura zewnętrzna lub poprzez tzw. współczynnik obciążenia φ, uwzględniający dodatkowo nasłonecznienie i prędkość wiatru. Najczęściej stosowane są tabele uproszczone zawierające zależność temperatury zasilania od temperatury zewnętrznej. Tabele regulacyjne obejmują zakres od temperatury przyjętej umownie jako nie wymagającej ciągłego dostarczania ciepła w celu ogrzewania obiektów do temperatury obliczeniowej dla danej strefy klimatycznej (rys.1) lub dla współczynnika obciążenia φ w zakresie 0 ÷ 1. W Polsce wyszczególnionych jest 5 stref klimatycznych, dla których temperatury obliczeniowe to odpowiednio – 16, – 18, – 20, – 22 i – 24oC.
Parametry nośnika ciepła na zasilaniu i powrocie sieci ciepłowniczej w warunkach obliczeniowych są określone w tabeli jako maksymalne i nazywane parametrami obliczeniowymi. Dla warunków i parametrów obliczeniowych przeprowadza się wymiarowanie urządzeń wykorzystywanych w systemach ciepłowniczych oraz przeprowadza obliczenia cieplne ogrzewanych budynków. Są one istotne nie dlatego, że występują często w sieciach cieplnych, ale dlatego, że wykorzystuje się je w projektowaniu.
Rzeczywiste temperatury nośnika ciepła na wyjściu ze źródeł są wynikiem uzgodnień pomiędzy operatorami sieci i źródła. Zwykle w systemach ciepłowniczych mamy do czynienia z tzw. zadawaniem parametrów przez operatora sieci i ich realizacją przez operatora źródła. Przedsiębiorstwa ciepłownicze regulują zasady zadawania temperatur w umowach z wytwórcami lub poprzez instrukcje wewnętrzne. W praktyce, w szczególności temperatura zasilania sieci, nie jest zadawana i realizowana w sposób optymalny. W uproszczeniu możemy to ocenić analizując rozkład rzeczywistych temperatur zasilania sieci w zależności od temperatury zewnętrznej na tle krzywej grzewczej (rys. 2). Wyraźnie widać, że temperatura zasilania jest najczęściej wyższa niż wymagana.
Należy zdefiniować co oznacza termin optymalna temperatura zasilania. Z naszego punktu widzenia jest to najniższa temperatura na wyjściu ze źródła ciepła, która zapewni spełnienie standardów jakościowych pracy we wszystkich punktach odbioru bez względu na czas dopływu nośnika ciepła do konkretnego węzła.
Standardy jakościowe dostawy ciepła powinny być dotrzymane w odniesieniu do aktualnie obowiązujących tabel regulacyjnych, które też niekoniecznie są optymalne. Optymalizacja tabel regulacyjnych jest przedsięwzięciem złożonym i wymaga wnikliwej analizy systemu ciepłowniczego jako całości. Prawidłowy dobór parametrów dostawy musi uwzględniać uwarunkowania formalno – prawne i techniczne. Dotyczy to w równym stopniu źródeł ciepła, sieci przesyłowych, węzłów cieplnych i instalacji odbiorczych.
W dalszej części niniejszego artykułu przytoczono uwarunkowania i spodziewane efekty zarówno optymalizacji parametrów jak i optymalizacji tabel regulacyjnych.
Optymalizacja parametrów
Zakłada się, że wskutek optymalizacji zadawania parametrów dla źródeł ciepła uzyska się obniżenie średniej temperatury zasilania i powrotu sieci. Optymalizacja polega na obliczeniu minimalnej zadanej temperatury zasilania dla źródła w taki sposób, że spełnione będą standardy jakościowe dostawy ciepła do odbiorców we wszystkich punktach sieci bez względu na czas transportu nośnika ciepła do tych odbiorców.
Do optymalizacji temperatury służy narzędzie informatyczne TERMIS produkcji Schneider Electric. Narzędzie wykorzystuje model sieci zbudowany na bazie aktualnej geometrii z uwzględnieniem charakterystyki hydraulicznej i termodynamicznej przewodów. Na podstawie zbudowanego i skalibrowanego modelu matematycznego sieci ciepłowniczej oraz 24 godzinnej prognozy obciążenia, narzędzie dobiera optymalne parametry zasilania oraz wylicza pozostałe parametry dostawy. Jednocześnie w czasie rzeczywistym, na bazie danych pomiarowych, kontrolowane są wskazane punkty krytyczne w sieci pod względem spełnienia zadanych kryteriów jakościowych rys.3.
Efektem pracy optymalizatora dla pracy węzła cieplnego jest maksymalne zbliżenie temperatury zasilania do dolnej granicy korytarza tolerancji rys. 4.
Na rys. 5 pokazano na przykładzie rzeczywistego węzła cieplnego efekt pracy optymalizatora. Na wykresie uporządkowanym po temperaturze zewnętrznej widać odchyłki rzeczywistej temperatury zasilania względem korytarza tolerancji. Wyliczano również średnią temperaturę zasilania przy temperaturze zewnętrznej 2oC w okresie bez i z optymalizatorem. Uzyskano obniżenie średniej temperatury zasilania aż o 2,9oC.
Proces optymalizacji TERMIS Optymalizator Temperatury
Efekt pracy optymalizatora dla pracy węzła cieplnego
Przykład pracy rzeczywistego węzła bez optymalizatora i z optymalizatorem
Średnia temperatura dla całego okresu grzewczego w przeliczeniu na rok standardowy obniżyła się z 81,5oC w sezonie 2015/2016 na 76,0oC w sezonie 2017/2018. Obniżenie wyniosło zatem 5,5oC.
Oszczędność energii związana z obniżeniem średniej temperatury zasilania w sezonie grzewczym, będzie tym większa im mniej optymalnie była prowadzona sieć przed wdrożeniem narzędzi optymalizacyjnych.
Obliczeniu podlega efekt zmniejszenia strat ciepła na przesyle, będący następstwem obniżenia średniej temperatury zasilania sezonu grzewczego, wskutek optymalizacji, w odniesieniu do roku standardowego.
Optymalizacja tabeli regulacyjnej
Zakłada się, że wskutek zmiany tabeli regulacyjnej dla źródeł ciepła uzyska się obniżenie średniej temperatury zasilania i powrotu sieci w okresie ogrzewania. Zmiana tabeli polega na obniżeniu zarówno parametrów obliczeniowych w sieci odniesionych do konkretnej strefy klimatycznej, jak i całego przebiegu zależności temperatury zasilania i powrotu sieci od warunków atmosferycznych rys. 6.
Działanie takie poprzedzone jest szczegółową analizą rzeczywistych parametrów nośnika i wyznaczeniem wariantów zmiany tabeli regulacyjnej do szczegółowych obliczeń. Sprawdzane są również wszelkie uwarunkowania formalno-prawne i organizacyjne. Następnie przeprowadzana jest weryfikacja za pomocą modelu sieci TERMIS off-line. Określa się wpływ zmiany tabeli regulacyjnej na pracę źródeł ciepła, sieci ciepłowniczej i węzłów cieplnych. Oceniany jest wpływ zmiany tabeli regulacyjnej dla źródeł na tabele regulacyjne instalacji wewnętrznych odbiorców ciepła. W szczególności sprawdzane jest wypełnienie jakościowych standardów dostaw ciepła po zmianie tabeli regulacyjnej. Dokonywana jest również ocena wpływu zmiany tabeli regulacyjnej na wymiarowanie urządzeń w instalacjach istniejących i nowo projektowanych.
Obliczeniu podlega efekt zmniejszenia strat ciepła na przesyle, będący następstwem obniżenia średniej temperatury zasilania i powrotu sezonu grzewczego, wskutek zmiany tabeli regulacyjnej, w odniesieniu do roku standardowego.
Przykład zmiany wykresu regulacyjnego
Podsumowanie kosztów i korzyści
Dokładne zwymiarowanie efektów z oszczędności energii i kosztów związanych z dostosowaniem systemu ciepłowniczego do nowych warunków pracy pozwala na kompletną analizę techniczno – ekonomiczną przedsięwzięcia.
Istotną okolicznością związaną z wdrożeniem zarówno optymalizacji parametrów jak i optymalizacji tabel jest możliwość uzyskania świadectw efektywności energetycznej. Efekty można rozliczyć w ramach obowiązku uzyskania oszczędności energii zgodnie z Ustawą o efektywności energetycznej z dnia 20 maja 2016 roku (Dz. U. 2016 poz. 831 ze zm.).
Przedsięwzięcia tego rodzaju są wymienione w Załączniku do obwieszczenia Ministra Energii z dnia 23 listopada 2016 r. (poz. 1184) [3] „Szczegółowy wykaz przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej” ust. 5. Przedsięwzięcia służące poprawie efektywności energetycznej w zakresie ograniczeń strat: pkt. 4). w sieciach ciepłowniczych, w tym dokonując: lit. c). zmiany parametrów pracy sieci ciepłowniczej lub sposobu regulacji tej sieci, lit. e). wprowadzenia lub rozbudowy systemu monitoringu i sterowania pracą sieci ciepłowniczej.
Autorzy artykułu realizując szereg wdrożeń w zakresie narzędzi do zarządzania pracą sieci ciepłowniczej posiadają bardzo duże doświadczenie w obszarze optymalizacji parametrów dostawy ciepła. Współpracujemy z niezależnymi ekspertami, praktykami w dziedzinie ciepłownictwa i energetyki oraz z firmami audytorskimi realizującymi projekty związane z poprawą efektywności energetycznej. Poniżej przedstawiamy, jak naszym zdaniem powinien wyglądać proces obniżenia parametrów dostawy ciepła.
Pierwszym krokiem powinno być wykonanie analizy uwarunkowań dla zmiany tabel regulacyjnych w miejskim systemie ciepłowniczym i potencjału optymalizacji.
Celem wykonania analizy wstępnej jest identyfikacja uwarunkowań prawnych, organizacyjnych i technicznych oraz oszacowanie nakładów pracy, kosztów i korzyści wynikających ze zmiany tabel regulacyjnych i optymalizacji pracy sieci.
Efektem analizy jest wskazanie czynności jakie należy wykonać w celu określenia zakresu rzeczowego oraz nakładów finansowych na dostosowanie sieci i węzłów do planowanych zmian.
Jednocześnie należy ocenić potencjał optymalizacji parametrów i oszacować korzyści z tytułu poprawy efektywności energetycznej przy zastosowaniu narzędzi informatycznych do optymalizacji pracy sieci.
W ramach analizy wstępnej należy również dokonać oceny zasobów w przedsiębiorstwie w zakresie niezbędnym do zwymiarowania działań koniecznych do podjęcia w trakcie realizacji projektu zmiany tabel regulacyjnych i późniejszego nadzoru nad pracą sieci.
W celu oszacowania potencjalnych korzyści związanych z poprawą efektywności energetycznej, w związku z obniżeniem parametrów i optymalizacją pracy sieci, niezbędne jest wykonanie Audytu efektywności energetycznej przedsięwzięcia polegającego na zmianie parametrów pracy sieci ciepłowniczej, sposobu regulacji tej sieci oraz rozbudowy systemu monitoringu i sterowania. Istotne jest wypracowanie prawidłowej i akceptowalnej metodyki obliczenia oszczędności energii.
Celem sfinalizowania efektów należy sporządzić i złożyć do rozpatrzenia przez Prezesa URE kompletny wniosek o uzyskanie świadectwa efektywności energetycznej, o którym mowa w art. 20 ust. 1 Ustawy o efektywności energetycznej z dnia 20 maja 2016 roku (Dz. U. 2016 poz. 831).
Opisane powyżej działania są przedmiotem wspólnej oferty firm Kelvin sp. z o.o., Narodowej Agencji Poszanowania Energii S.A. oraz firmy Termoptima. Zainteresowanych wdrożeniem omawianych rozwiązań prosimy o kontakt: Kelvin Sp. z o.o.
Podsumowanie
Szeroko rozumiana optymalizacja parametrów dostawy ciepła jest obecnie jednym z głównych elementów decydujących o docelowym kształcie systemów ciepłowniczych. Sieci niskotemperaturowe umożliwiają wykorzystanie ciepła odpadowego i rozwój systemów prosumenckich. Zmiany te powinny zachodzić możliwie najbardziej ewolucyjnie. Odkładanie pewnych działań na później powoduje, że gotowość do tych zmian jest coraz mniejsza. Związane jest to z realizowanymi przez większość przedsiębiorstw ciepłowniczych modernizacjami systemów, które mogłyby uwzględniać w projektowaniu ich dostosowanie do nowych warunków pracy. Jeśli tak się nie stanie to w przyszłości będzie konieczna przebudowa nowych odcinków sieci i węzłów, aby je odpowiednio przystosować do zmian. Warto już teraz zrobić krok w dobrą stronę, gdyż stanie w miejscu jest w tym przypadku niestety cofaniem.
Przepisy prawa przywołane w tekście:
1. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 stycznia 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemów ciepłowniczych (Dz. U. z 2007 r. Nr 16, poz. 92)
2. Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 22 września 2017 r. w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń z tytułu zaopatrzenia w ciepło (Dz. U. z 2017 r., poz. 1988)
3. Ustawa o efektywności energetycznej z dnia 20 maja 2016 roku (Dz. U. 2016 poz. 831 ze zm.) tekst jednolity: Obwieszczenie Marszałka Sejmu Rzeczypospolitej Polskiej z dnia 22 lutego 2019 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu ustawy o efektywności energetycznej (Dz.U. 2019 poz. 545).
4. Obwieszczenie Ministra Energii z dnia 23 listopada 2016 r. w sprawie szczegółowego wykazu przedsięwzięć służących poprawie efektywności energetycznej (Monitor Polski 2016 poz. 1184)
L I T E R AT U R A
[1] SEKRET R.: Obniżenie parametrów temperaturowych miejskiej sieci ciepłowniczej, Nowoczesne Ciepłownictwo, Maj 2, 2019, http://nowoczesnecieplownictwo. pl/obnizenie-parametrow- temperaturowych-miejskiej-siecicieplowniczej/
O autorach:
mgr inż. Michał Świątecki – Usługi Inżynierskie TERMOPTIMA niezależny ekspert z zakresu ciepłownictwa i energetyki
Absolwent wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej, gdzie w 1987 roku uzyskał tytuł magistra inżyniera mechanika w specjalności termoenergetyka, specjalizacja – kotły parowe wysokoprężne.
W 1996 roku ukończył Studia podyplomowe na wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej w zakresie „Ciepłownictwo i ogrzewnictwo z auditingiem energetycznym”
Od 30 lat związany z ciepłownictwem poprzez pracę w Miejskim Przedsiębiorstwie Energetyki Cieplnej, a następnie (po zmianie właściciela i nazwy) w Enea Ciepło sp. z o.o. w Białymstoku.
mgr inż. Jerzy Zielasko – Wiceprezes Zarządu Kelvin Sp. z o.o.
Absolwent wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Śląskiej. Od 30 lat zawodowo związany z ciepłownictwem w zakresie sprzedaży nowoczesnych rozwiązań i systemów dla ciepłownictwa. Praktyk. Od ponad 15 lat aktywnie promuje i wdraża narzędzia informatyczne do zarządzania i optymalizacji pracy sieci ciepłowniczych.