Predizolované oceľové potrubia – s difúznou bariérou alebo bez nej?
Časopis TZB Haustechnik Izolačné vlastnosti vrstvy polyuretánovej peny (PUR) v predizolovaných oceľových potrubiach sa počas prevádzky tepelných sietí postupne zhoršujú. Oxid uhličitý a cyklopentán sú postupne nahrádzané kyslíkom a dusíkom, čo zvyšuje súčiniteľ tepelnej vodivosti peny. Tento negatívny jav možno eliminovať použitím difúznej bariéry v plášti potrubí a vo všetkých komponentoch predizolovaných sietí.
Predizolované oceľové potrubie sa skladá z týchto vrstiev (obr. 1):
1. oceľové médionosné potrubie,
2. monitorovacie vodiče (na kontrolu a signalizáciu pri havarijných stavoch),
3. izolačná vrstva – polyuretánová pena PUR,
4. ochranný vonkajší plášť z HDPE.
Pri predizolovaných potrubiach s difúznou bariérou majú potrubia pridanú strednú vrstvu z EVOH, ktorá je zabudovaná priamo v plášti HDPE.
Z hľadiska tepelných strát je najdôležitejšia izolačná vrstva vďaka svojej hrúbke a najnižšiemu súčiniteľu tepelnej vodivosti. Vzhľadom na zložitú štruktúru PUR peny prebiehaprestup tepla touto vrstvou tromi spôsobmi [1], a to ako:
1. prenos tepla plynom v bunkách dvomi mechanizmami – vedením tepla (prenos energie na molekulovej úrovni) a prirodzenou konvekciou vyplývajúcou z pohybu plynu v bunke; so zmenšovaním veľkosti buniek peny sa podiel prirodzenej konvekcie v plyne v bunke znižuje,
2. vedenie tepla štruktúrou polymérnych stien,
3. tepelné žiarenie.
Počas prevádzky predizolovaných potrubí dochádza k obojsmernej difúzii plynov v dôsledku rozdielu parciálnych tlakov plynov v bunkách peny a okolí. Tlak plynu v bunkách peny sa v dôsledku výmeny plynov znižuje. Výsledkom nie je len zhoršenie tepelnoizolačných vlastností, ale aj oslabenie mechanickej odolnosti izolácie [1].
Bolo preukázané, že plynný cyklopentán sa vyznačuje veľmi nízkym difúznym koeficientom v PUR pene, preto je jeho prestup cez penu mnohonásobne menší než prestup ostatných plynov [2].
Údaje ukazujú, že miera prenosu plynu (GTR) cez EVOH je niekoľkotisíckrát nižšia ako cez HDPE. To znamená, že membrána EVOH hrubá 1 mm poskytuje rovnakú odolnosť proti prenosu plynu ako niekoľkometrová vrstva HDPE.
Vplyv difúznej bariéry na súčiniteľ tepelnej vodivosti izolácie
Pozitívny efekt difúznej bariéry bol potvrdený meraniami súčiniteľov tepelnej vodivosti PUR izolácie λ₅₀. Podľa literárnych zdrojov počas umelého starnutia štandardného potrubia DN50/125 sa tento súčiniteľ pri systémoch bez bariéry zvýšil v rozsahu od 4,3 do 14,4 % [3, 8], zatiaľ čo pri systémoch s difúznou bariérou iba v rozsahu od 0,36 do 4,23 % [4]. Hodnoty súčiniteľa λ₅₀ predizolovaných potrubí RADPOL PIPES sa tiež nachádzajú v uvedených medziach (tab. 2).
Distribučné tepelné siete sa navrhujú na 30 rokov prevádzky. Preto je nárast súčiniteľa tepelnej vodivosti v priebehu času kľúčový z hľadiska tepelných strát. Hodnoty súčiniteľa λ₅₀ sa merajú akreditovanými laboratóriami podľa EN 253 [9]; umelé starnutie sa vykonáva zahrievaním potrubného systému pri teplote 90 °C počas 150 dní. Zistilo sa však, že podmienky umelého starnutia plne neodrážajú skutočný proces degradácie izolácie [3, 8].
Pri potrubiach DN50/125 s izoláciou nafúkanou cyklopentánom je nárast súčiniteľa tepelnej vodivosti po prirodzenom starnutí viac ako dvakrát vyšší než po umelom starnutí [3]. Testy predizolovaných potrubí, ktoré boli v prevádzke 4 až 14 rokov, ukázali, že súčiniteľ λ₅₀ sa zvyšuje najrýchlejšie v prvom období, a to až do 4 rokov.
Vyvinutý model zmien súčiniteľa tepelnej vodivosti odráža skutočné zhoršovanie izolačných vlastností peny počas 30 rokov prevádzky potrubí [10].
Tento model umožňuje odhadovať tepelné straty v nasledujúcich rokoch používania distribučných tepelných inštalácií. Pri potrubiach bez difúznej bariéry sa podľa neho pomer (λ₅₀ po 30 rokoch prevádzky/λ₅₀ novej izolácie) mení v závislosti od priemeru potrubia – od 9 % pri DN450 až po 35 % pri DN20. Pri potrubiach s bariérou sa predpokladá, že nárast λ₅₀ je konštantný, nezávisí od priemeru potrubia a po 30 rokoch dosahuje 4 % [1].
Bilancia tepelných strát v distribučnej tepelnej sieti – prípadová štúdia
V nasledujúcej časti budeme prezentovať prípadovú štúdiu bilancie tepelných strát v distribučnej tepelnej sieti. Výpočty spoločnosti RADPOL PIPES boli založené na
EN 13941-1 [11] a na vyššie opísanom modeli zmien súčiniteľa tepelnej vodivosti.
Výpočty boli vykonané pre dva varianty – pre predizolované oceľové potrubia bez difúznej bariéry a s touto bariérou. V druhom variante sa predpokladalo, že bariéra sa nachádza nielen v priamych potrubiach, ale aj vo všetkých tvarovkách a v spojoch. Tepelné straty boli určené pre jeden rok, s predpokladom zmien hodnôt súčiniteľa λ₅₀ podľa Tabuľky 4 z [10].
Predpoklady pre výpočty boli stanovené takto [1]:
- doba prevádzky: 30 rokov,
- systém: jednopotrubné predizolované potrubia uložené priamo v zemi,
- celková dĺžka siete: 973,5 m; dĺžky jednotlivých úsekov pozostávajúcich z priamych potrubí a potrebných tvaroviek (oblúky, odbočky, ventily atď.) sú uvedené v tab. 3; hodnoty sa vzťahujú na dĺžky siete, pričom celková dĺžka potrubí je dvojnásobná, keďže zahŕňa prívodné aj vratné potrubie,
- štandardná izolácia na prívodnom aj vratnom potrubí,
- hĺbka uloženia H = 1 m,
- teplota zeminy Ts = 8 °C,
- teplota teplonosného média počas vykurovacej sezóny T = 124/59 °C,
- teplota teplonosného média mimo vykurovacej sezóny T = 68/25 °C,
- súčiniteľ tepelnej vodivosti zeminy λc = 1,6 W/mK,
- súčiniteľ tepelnej vodivosti
novej PUR peny pre potrubia bez difúznej bariéry aj s touto bariérou
λ₅₀ = 0,0262 W/mK, - počet dní vo vykurovacej sezóne: 220; mimo vykurovacej sezóny: 145.
Okrem toho boli pre poľský trh vypočítané náklady na stratenú tepelnú energiu a emisie CO₂ (na základe konštantnej priemernej ceny energie 32,02 eur/GJ [12] a emisií CO₂ zodpovedajúcich stratenej energii) pre niekoľko druhov palív používaných v teplárňach [13]:
- čierne uhlie: 94,99 kg CO₂/GJ,
- hnedé uhlie: 110,81 kg CO₂/GJ,
- zemný plyn: 55,73 kg CO₂/GJ,
- vykurovací olej: 76,86 kg CO₂/GJ.
Pri predpokladanej štruktúre tepelnej siete výsledky výpočtov ukazujú, že [1]:
- difúzna bariéra znižuje tepelné straty o viac než 12 %,
- úspory za 30-ročné obdobie prevádzky predstavujú 130 713 eur pri predpokladanej konštantnej cene tepla. Cena tepla má rastúci trend, takže v budúcnosti možno očakávať ešte vyššiu hodnotu úspor,
- emisie CO₂ klesnú v tomto období v rozsahu 227 až 452 ton v závislosti od použitého paliva.
Okrem toho sa v prípade fosílnych palív znížia aj emisie škodlivých látok do ovzdušia, najmä prachu, oxidu siričitého a oxidov dusíka.
Uvedené hodnoty boli získané za predpokladu, že bariéra je použitá vo všetkých častiach tepelnej inštalácie. V štruktúre siete použitej na výpočty tvorila dĺžka priamych úsekov potrubí približne 77 %. Zvyšné prvky tvoria rôzne typy tvaroviek, ktoré sú dôležitými komponentmi siete.
Príklad výrobnej štruktúry predizolovaných systémov spoločnosti RADPOL PIPES je uvedený v tab. 4. Ako vidieť, iné výrobky než priame potrubia majú v priemere až 15-percentný podiel na dĺžke siete, preto je dôležité aplikovať difúznu bariéru aj na tieto komponenty [1].
Záver
Trvalý nárast nákladov na výrobu tepla pozorovaný v posledných rokoch si vyžaduje zavádzanie pokročilých riešení, ktoré znižujú tepelné straty v systémoch diaľkového vykurovania. Použitie predizolovaných potrubných systémov s difúznou bariérou je v tejto oblasti účinnou metódou.
Difúzna bariéra znižuje migráciu nadúvadiel z izolačnej peny, ako aj prenikanie kyslíka a dusíka do buniek peny. Rozhodujúce je pritom používať difúznu bariéru vo všetkých prvkoch teplovodnej siete – nielen v priamych potrubiach, ale aj vo všetkých tvarovkách, ako aj v spojoch.
Difúzna bariéra stabilizuje tepelnoizolačné vlastnosti peny na takmer nezmenenej úrovni počas celej prevádzky systému. Výsledkom sú znížené tepelné straty a nižšie ekonomické aj environmentálne náklady.
Literatúra
1. R. Krzywda, B. Wrzesińska: Pre-insulated pipes – with or without a diffusion barrier? Euro Heat & Power, IV/2025, str. 34 – 41.
2. M. E. Olsson, U. Jarfelt, M. Froling, S. Mangs, O. Ramnas: Diffusion of Cyclopentane in Polyurethane Foam at Different Temperatures and Implications for District Heating Pipes, J. Cell. Plast., 2002, 38, 177 – 188, DOI: 10.1106/002195502022248.
3. E. Kręcielewska, I. Iwko: The Myth&Facts Concerning District Heating Preinsulated Bonded Pipes – Part II, Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 2022, 51/1, 14 – 21, DOI:10.15199/9.2022.1.2.
4. E. Kręcielewska, I. Iwko: Influence of the thickness of PE-HD casing and the diffusion barrier on thermal conductivity, specific heat loss and gas composition in PUR insulation in preinsulated pipes manufactured using traditional methods, Instal, 2022, 9,11 – 15.
5. Gas permeability of HDPE Pipes, PES.TEC, YI 610-3, Edition 0104,1 – 2.
6. C. Maes, M. te Molder, W. Luyten, G. Herremans, N. Winckelmans, R. Peeters, R. Carleer, M. Buntinx: Determination of the nitrogen gas transmission rate (N2GTR) of ethylene vinyl alcohol copolymer, using a newly developed permeation measurement system, Polym. Test., 2021, 93,106979, 1 – 14. DOI:10.1016/j.polymertesting.2020.106979.
7. C. Maes, W. Luyten, G. Herremans, R. Peeters, R. Carleer, M. Buntinx: Recent Updates on the Barrier Properties of Ethylene Vinyl Alcohol Copolymer (EVOH): A Review, Polym. Rev., 2018, 58:2, 209 – 246, DOI:10.1080/15583724.2017.1394323.
8. E. Kręcielewska, D. Menard: Thermal conductivity coefficient of pur insulation material from pre-insulated pipes after real operation on district heating networks and after artificial ageing process in heat chamber, Instal, 2014, 11, 14 – 20.
9. PN-EN 253+A1:2024-06 District heating – A system of single composite pipes for water-based district heating networks laid directly in the ground — Factory-made pipe assembly made of steel carrier pipe, polyurethane heat insulation and polyethylene sheath.
10. E. Kręcielewska, A. Starobrat, I. Iwko: The calculation of heat losses of single and twin preinsulated pipe systems in accordance with PN-EN 13941-1. Part 1: Methodology and assumptions, Instal, 2024, 9, 14 – 23.
11. PN-EN 13941-1+A1:2022-05 District heating networks – Design and installation of a system of thermally insulated single and double pipe assemblies for hot water networks laid directly in the ground – Part 1: Design.
12. https://www.spec-pec.pl/ceny-ciepla-z-wyrowaniem, access 24.3.2025.
13. Wartości opałowe (WO) i wskaźniki emisji CO2 (WE) w roku 2022 do raportowania w ramach Systemu Handlu Uprawnieniami do Emisji za rok 2025, KOBIZE, Instytut Ochrony Środowiska, 2024.
Text a foto: NRG flex, s. r. o.
