Τηλεθέρμανση

Γενικά

Τηλεθέρμανση ονομάζουμε το σύστημα που παράγει θερμότητα σε μια κεντρική εγκατάσταση παραγωγής ενέργειας και τη διανέμει σε ένα μικρό ή μεγάλο σύνολο κτιρίων, που βρίσκονται μακριά από το σημείο παραγωγής.





Η θερμότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί από οικιακούς, εμπορικούς και βιομηχανικούς καταναλωτές για τη θέρμανση χώρων, την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης και άλλες διεργασίες που απαιτούν θερμότητα.



Σε αντίθεση με τα κλασσικά συστήματα θέρμανσης όπου κάθε κτίριο διαθέτει τη δική του μονάδα παραγωγής ενέργειας, (λέβητας, αντλία θερμότητας κ.λ.π.), στα συστήματα τηλεθέρμανσης υπάρχει μία μόνο κεντρική εγκατάσταση παραγωγής θερμότητας, από την οποία η ενέργεια μεταφέρεται μέσω σωληνώσεων στα επιμέρους κτίρια των καταναλωτών.





Η τεχνολογία αυτή εφαρμόζεται στις Ευρωπαϊκές χώρες εδώ και πολλές δεκαετίες. Τα συστήματα τηλεθέρμανσης καλύπτουν το 98% των αναγκών θέρμανσης στην Ισλανδία, το 50% περίπου στις βόρειες χώρες (Δανία, Σουηδία, Φιλανδία) καθώς και στην Πολωνία, ενώ εφαρμόζεται σε πολλές άλλες χώρες σε μικρότερα ποσοστά. Στην Ελλάδα η τηλεθέρμανση εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στις πόλεις της Πτολεμαΐδας και της Κοζάνης, τη δεκαετία του 90, και στις Σέρρες από το 2007.







Τμήματα μιας εγκατάστασης τηλεθέρμανσης

Μία εγκατάσταση τηλεθέρμανσης αποτελείται από τα παρακάτω τμήματα:


α) Τον κεντρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας


Η ενέργεια στους σταθμούς παραγωγής, μπορεί να προέρχεται από την καύση πετρελαίου, φυσικού αερίου, ορυκτών καυσίμων, καύση βιομάζας, γεωθερμία, ή ακόμη και πυρηνική ενέργεια και συνήθως συνδυάζεται με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σε σταθμούς συμπαραγωγής.




β)Το δίκτυο διανομής ενέργειας


Δίκτυο διανομής ονομάζουμε το δίκτυο σωληνώσεων που μεταφέρει τη θερμότητα από το σταθμό παραγωγής στα κτίρια των καταναλωτών με την κυκλοφορία του εργαζόμενου μέσου που μπορεί να είναι νερό, υπέρθερμο νερό ή ατμός.

Το δίκτυο σωληνώσεων κατασκευάζεται συνήθως από προμονωμένους χαλύβδινους αγωγούς ενταφιασμένους στο έδαφος ή σε υπόγεια κανάλια από μπετόν.




γ)Τους υποσταθμούς των κτιρίων


Στους υποσταθμούς των κτιρίων συνδέονται οι εγκαταστάσεις των καταναλωτών με το δίκτυο.








Κεντρικός σταθμός παραγωγής ενέργειας

Στον κεντρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας είναι εγκατεστημένος όλος ο εξοπλισμός για την παραγωγή ατμού, θερμού ή υπέρθερμου νερού.

Στους σταθμούς συμπαραγωγής και σε πολλές βιομηχανικές μονάδες παράγεται ατμός, που είτε χρησιμεύει ως φορέας θερμότητας και διανέμεται απευθείας στο δίκτυο τηλεθέρμανσης είτε μετατρέπεται σε θερμό ή υπέρθερμο νερό, μέσα σε κατάλληλους εναλλάκτες ατμού-νερού.
Στα συστήματα με φορέα θερμότητας το νερό, στον κεντρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας είναι εγκατεστημένοι οι λέβητες θερμού ή υπέρθερμου νερού, και όλα τα άλλα απαραίτητα μηχανήματα και συσκευές (αντλίες κυκλοφορίας του νερού, δοχεία διαστολής, βάννες ανάμιξης, όργανα μετρήσεων και ρυθμίσεων, συστήματα επεξεργασίας του νερού κ.λ.π.)

Τα τελευταία χρόνια τα συστήματα με φορέα θερμότητας τον ατμό άρχισαν να εγκαταλείπονται. Αυτό συμβαίνει διότι τα συστήματα νερού παρουσιάζουν πολλαπλά πλεονεκτήματα έναντι των συστημάτων με φορέα τον ατμό, μερικά από τα οποία είναι

• ο ευκολότερος σχεδιασμός του δικτύου τηλεθέρμανσης
• καλύτερες δυνατότητες για κεντρική ρύθμιση του φορτίου
• λιγότερη συντήρηση και αποφυγή προβλημάτων από τη συμπύκνωση και τα συμπυκνώματα του ατμού
• δυνατότητα ταμιεύσεως στο δίκτυο ποσοτήτων θερμού νερού για αντιμετώπιση αιχμών


Ο κεντρικός σταθμός παραγωγής θερμού νερού περιλαμβάνει τους παρακάτω χώρους:

• Λεβητοστάσιο με 2 ή περισσότερους λέβητες



• Αντλιοστάσιο




• Πίνακας ελέγχου με τα όργανα ρυθμίσεων και μετρήσεων




• Μηχανουργείο

• Βοηθητικούς χώρους προσωπικού

• Δεξαμενές καυσίμου


Συνήθως η εγκατάσταση είναι κλειστού τύπου, απαιτεί την κατασκευή δοχείου διαστολής, το οποίο συνήθως τοποθετείται στο έδαφος έξω από το κτίριο του σταθμού παραγωγής.




Κατα την επιλογή του καυσίμου θα πρέπει να ληφθούν υπόψη το κόστος του καυσίμου, η επάρκεια, η δυνατότητες μεταφοράς και αποθήκευσης, και η ρύπανση του περιβάλλοντος.









Δίκτυα διανομής ενέργειας.

Το πιο διαδεδομένο σύστημα διανομής είναι το δισωλήνιο σύστημα, το ίδιο υδραυλικό σύστημα που συναντάμε και στις κλασσικές εγκαταστάσεις θέρμανσης των κτιρίων. Στο σύστημα αυτό υπάρχουν δύο αγωγοί προς κάθε καταναλωτή, ένας προσαγωγής και ένας επιστροφής. Η θερμοκρασία προσαγωγής ρυθμίζεται κεντρικά στο σταθμό παραγωγής ανάλογα με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος και το εργαζόμενο μέσο.





Η διαστασιολόγηση του δικτύου σωληνώσεων γίνεται με παρόμοιο τρόπο με αυτόν που γίνεται η διαστασιολόγηση των σωληνώσεων θέρμανσης με τη βοήθεια κατάλληλων προγραμμάτων Η/Υ.

Ο σχεδιασμός του δικτύου καθώς και ο τρόπος τοποθέτησης των σωληνώσεων εξαρτώνται από πολλούς παράγοντες όπως εδαφολογικές συνθήκες, κατάστρωμα του δρόμου, διασταυρώσεις, δημοτικοί κ.λ.π. κανονισμοί, εμπόδια (σωληνώσεις νερού, ηλεκτρικού, αερίου), κ.λ.π. Δεν υπάρχουν γενικοί κανόνες για την τοποθέτηση επειδή οι κυριότερες επιδράσεις όπως θερμικές απώλειες, διάβρωση, στεγανότητα, ύψος υπόγειων υδάτων, βρόχινα νερά κ.λ.π. διαφέρουν κατά περίπτωση.

Η σημαντικότερη απαίτηση είναι η απόλυτη ασφάλεια λειτουργίας. Το χαμηλό κόστος των σωληνώσεων είναι επίσης σημαντικό για την αποδοτικότητα της εγκατάστασης.


Οι τρόποι τοποθέτησης των σωληνώσεων είναι:

Α) Εναέρια τοποθέτηση

Στην εναέρια τοποθέτηση οι σωλήνες διανομής στηρίζονται πάνω σε μεταλλικά ή τσιμεντένια υποστηρίγματα. Οι σωλήνες περιβάλλονται από θερμική μόνωση και εξωτερική προστατευτική επένδυση από αλουμίνιο ή ανοξείδωτο χάλυβα ή πλαστικό φύλλο ή συνδυασμό των παραπάνω. Στην περίπτωση πλαστικών φύλλων αυτά πρέπει να είναι ανθεκτικά στην υπεριώδη ακτινοβολία.
Είναι ο οικονομικότερος τρόπος όδευσης των σωληνώσεων. Ο έλεγχος και η συντήρηση γίνονται εύκολα, αλλά εκτός από τα αισθητικά προβλήματα εμπεριέχει και κινδύνους για ζημίες από εξωτερικούς παράγοντες π.χ. αυτοκίνητα.

Β) Υπόγεια τοποθέτηση

Η υπόγεια τοποθέτηση λύνει τα προβλήματα αισθητικής και ασφάλειας από εξωτερικούς παράγοντες, αλλά έχει πολύ μεγαλύτερο κόστος κατασκευής, λειτουργίας και συντήρησης. Το δίκτυο διανομής πρέπει να κατασκευάζεται έτσι ώστε να μη παρουσιάζει διαρροές ενώ διάφοροι παράγοντες όπως θερμικές διαστολές, θερμικές απώλειες, υψηλές πιέσεις, υδραυλικά πλήγματα και διάβρωση πρέπει να λαμβάνονται υπόψη με πολλή προσοχή στο σχεδιασμό.

Οι κυριότεροι τύποι υπόγειας τοποθέτησης είναι:

α) τοποθέτηση σε σήραγγες
β) ενταφιασμός


α) Εγκατάσταση σε σήραγγες

Οι σήραγγες είναι συνήθως κατασκευασμένες από σκυρόδεμα και είναι σταθερής διατομής. Οι σωλήνες τρέχουν κατά μήκος της σήραγγας και περιβάλλονται από θερμική μόνωση και εξωτερική προστατευτική επένδυση από μεταλλικό ή πλαστικό φύλλο.



Φρεάτια επιθεώρησης κατασκευάζονται σε κατάλληλες θέσεις για τον έλεγχο των εξαρτημάτων και της αποστράγγισης. Τα φρεάτια διαθέτουν ανθρωποθυρίδα για την είσοδο του προσωπικού συντήρησης.



Κατά το σχεδιασμό των φρεατίων θα πρέπει να λαμβάνεται μέριμνα για την αποστράγγιση των υδάτων (υπόγειων ή όμβριων) που εισέρχονται στις σήραγγες.


β) Ενταφιασμός

Το σύστημα αυτό απαιτεί ιδιαίτερα επιμελημένη κατασκευή, γιατί τα λάθη και οι κακοτεχνίες ανιχνεύονται πολύ δύσκολα εκ των υστέρων. Οι σωληνώσεις είναι προμονωμένοι χαλύβδινοι αγωγοί με εξωτερική προστατευτική επένδυση.


σε μικρότερες διατομές, οι σωληνώσεις μπορεί να είναι χάλκινες, ή ακόμη και πλαστικές.




Τα τρία βασικά στοιχεία των αγωγών, δηλ. ο σωλήνας, το θερμομονωτικό υλικό και το εξωτερικό προστατευτικό περίβλημα είναι συγκολλημένα μεταξύ τους από το εργοστάσιο παραγωγής και αποτελούν μία συμπαγή ενότητα. Επίσης όλα τα ειδικά τεμάχια του δικτύου (γωνίες, διακλαδώσεις, καμπύλες κ.λ.π.) είναι προκατασκευασμένα.



Οι σωληνώσεις τηλεθέρμανσης, χωρίζονται σε τρεις βασικούς τύπους:

•ο πρώτος τύπος ανάμεσα στο θερμομονωτικό υλικό και το εξωτερικό περίβλημα έχει κενό αέρα, το οποίο προστατεύει τον χαλύβδινο αγωγό από είσοδο υγρασίας (η υγρασία εξατμίζεται εξάτμιση στο κενό αέρα)

• ο δεύτερος τύπος, χωρίς κενό αέρα ανάμεσα στο θερμομονωτικό υλικό και το εξωτερικό περίβλημα, έχει ειδική προστασία (φύλλο πολυουρεθάνης) που εμποδίζει την υγρασία να μπει μέσα στο θερμομονωτικό υλικό.





Ο εντοπισμός των διαρροών στο σύστημα αυτό γίνεται με την τοποθέτηση ειδικού καλωδίου (αισθητήριο διαρροών) σε όλο το μήκος του αγωγού, το οποίο ελέγχει συνεχώς και εντοπίζει το σημείο διαρροής.





Θερμικοί υποσταθμοί κτιρίων

Η θερμική ενέργεια που παράγεται στον κεντρικό σταθμό παραγωγής ενέργειας, μεταφέρεται μέσω του δικτύου διανομής στους καταναλωτές.

Η παροχή της θερμότητας στην εγκατάσταση θέρμανσης γίνεται στον υποσταθμό κάθε κτιρίου, είτε απευθείας είτε μέσω εναλλάκτη θερμότητας. Αν η σύνδεση γίνει απευθείας, τότε μιλάμε για θερμικούς υποσταθμούς άμεσης σύνδεσης, αν γίνει μέσω εναλλάκτη για θερμικούς υποσταθμούς έμμεσης σύνδεσης.


Θερμικοί υποσταθμοί άμεσης σύνδεσης

Στην περίπτωση αυτή το θερμό ή υπέρθερμο νερό του δικτύου διοχετεύεται κατευθείαν στο δίκτυο του κτιρίου (κοινά θερμαντικά σώματα, fan-coils, αερόθερμα, θερμαντικά στοιχεία κεντρικών κλιματιστικών μονάδων κ.λ.π.).

Ο τρόπος αυτός σύνδεσης συνήθως είναι φθηνότερος από την έμμεση σύνδεση διότι δεν υπάρχει το επιπλέον κόστος για τον εναλλάκτη θερμότητας και για επεξεργασία του νερού. Υπάρχει όμως κίνδυνος να προκληθούν βλάβες ή μολύνσεις από την χαμηλή ποιότητα νερού του δικτύου.

Η χημική επεξεργασία του νερού του δικτύου γίνεται κεντρικά και πρέπει να παρακολουθείται συνεχώς η ποιότητα του νερού, ώστε να μη δημιουργούνται προβλήματα.

Μία τυπική διάταξη υποσταθμού με απευθείας σύνδεση, σε δισωλήνιο σύστημα θέρμανσης θερμού νερού, φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.



Η εγκατάσταση περιλαμβάνει βαλβίδα ασφαλείας, βαλβίδα μείωσης της πίεσης, ρυθμιστική βαλβίδα (αναλογική) για τη ρύθμιση της θερμοκρασίας, βαλβίδα σταθερής πίεσης (διαφορική), μετρητή θερμότητας, θερμόμετρα, μανόμετρα, βαλβίδες διακοπής και κυκλοφορητή.

Η βαλβίδα μείωσης της πίεσης μειώνει την πίεση του δικτύου τηλεθέρμανσης στα επιτρεπτά επίπεδα της εγκατάστασης θέρμανσης του κτιρίου, και προστατεύει την εγκατάσταση από υπερπιέσεις.

Η ρύθμιση της πίεσης γίνεται ανάλογα με τον τύπο των θερμαντικών σωμάτων που είναι εγκατεστημένα σε κάθε κτίριο. Η βαλβίδα σταθερής πίεσης διατηρεί την εγκατάσταση υπό σταθερή πίεση (διαφορική).

Η ρύθμιση της θερμοκρασίας του θερμού νερού στο κτίριο γίνεται με τη ρυθμιστική βαλβίδα, η οποία αυξομειώνει την παροχή του νερού του δικτύου συνήθως ανάλογα με την εξωτερική θερμοκρασία.

Με τη μείωση της παροχής, το νερό επιστροφής από τα θερμαντικά σώματα ανακυκλοφορεί στην εγκατάσταση θέρμανσης και έτσι ρυθμίζεται η θερμοκρασία προσαγωγής.


Θερμικοί υποσταθμοί έμμεσης σύνδεσης

Στην περίπτωση αυτή το θερμό ή υπέρθερμο νερό του δικτύου τηλεθέρμανσης συνδέεται με το κύκλωμα νερού της εγκατάστασης θέρμανσης κάθε κτιρίου μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας.




Τα πλεονεκτήματα της έμμεσης σύνδεσης είναι ότι η εγκατάσταση θέρμανσης δεν επηρεάζεται ούτε από την πίεση ούτε από την ποιότητα του νερού του δικτύου τηλεθέρμανσης. Μειονεκτήματα είναι το επιπλέον κόστος για τον εναλλάκτη και το δοχείο διαστολής, που είναι απαραίτητο στην εγκατάσταση κάθε κτιρίου.

Μία τυπική διάταξη υποσταθμού με έμμεση σύνδεση, σε δισωλήνιο σύστημα θέρμανσης θερμού νερού, φαίνεται στην παρακάτω εικόνα





Και στην περίπτωση αυτή η ρύθμιση της θερμοκρασίας γίνεται μέσω μια ρυθμιστικής βαλβίδας, η οποία ρυθμίζει την παροχή του νερού του δικτύου μέσα στον εναλλάκτη θερμότητας.



Με την αυξομείωση της παροχής του νερού του δικτύου (σταθερής θερμοκρασίας) στο εναλλάκτη, ρυθμίζεται η θερμοκρασία προσαγωγής του θερμού νερού στο κτίριο. Η ρύθμιση γίνεται συνήθως ανάλογα με τη εξωτερική θερμοκρασία.

Για μονοκατοικίες και πολυόροφα κτίρια υπάρχουν προκατασκευασμένοι υποσταθμοί, πλήρως συναρμολογημένοι και με όλα τα απαραίτητα όργανα και συσκευές (εικόνες 4 και 4α). Οι υποσταθμοί αυτοί μπορεί να είναι μόνο για θέρμανση, μόνο για παροχή θερμού νερού χρήσης ή με συνδυασμό θέρμανσης και θερμού νερού χρήσης.





Στοιχεία σχεδιασμού συστημάτων τηλεθέρμανσης

Για τον υπολογισμό του συστήματος παραγωγής ενέργειας, του συστήματος διανομής και των υποσταθμών των κτιρίων, απαιτείται ο υπολογισμός των θερμικών φορτίων των κτιρίων.

Οι απαιτήσεις σε θερμική ενέργεια των οικιακών και εμπορικών καταναλωτών είναι κυρίως για θέρμανση χώρων και για παρασκευή θερμού νερού χρήσης. Η ζήτηση θερμικής ενέργειας για θέρμανση είναι μέγιστη κατά τη διάρκεια του χειμώνα, ελαττώνεται κατ την άνοιξη και το φθινόπωρο και μηδενίζεται το καλοκαίρι. Η ζήτηση για θερμό νερό χρήσης είναι περίπου σταθερή σε όλη τη διάρκεια του χρόνου. Οι απαιτήσεις σε θερμική ενέργεια των βιομηχανικών καταναλωτών είναι συνήθως σταθερές όλο το χρόνο.

Η ακριβής εκτίμηση των θερμικών φορτίων και επομένως της θερμικής ισχύος μιας εγκατάστασης τηλεθέρμανσης απαιτεί:

• Λεπτομερή κατασκευαστικά δεδομένα όλων των κτιρίων που πρόκειται να συνδεθούν
• Κλιματολογικά στοιχεία της περιοχής
• Στοιχεία για την κατανάλωση θερμού νερού χρήσης
• Στοιχεία για τις βιομηχανικές καταναλώσεις ή της καταναλώσεις χρηστών ειδικού τύπου π.χ. νοσοκομεία

Ο υπολογισμός των θερμικών φορτίων των κτιρίων γίνεται σύμφωνα με το DIN 4701. Η απαιτούμενη ισχύς για θερμό νερό χρήσης υπολογίζεται από την απαιτούμενη κατανάλωση ανά άτομο. Η απαιτούμενη ισχύς για άλλες χρήσεις εκτιμάται σύμφωνα με τις ειδικές απαιτήσεις κάθε χρήσης.
Ιδιαίτερα χρήσιμα για τον υπολογισμό των αιχμών ζήτησης στα συστήματα τηλεθέρμανσης, είναι στοιχεία για την συχνότητα εμφάνισης της εξωτερικής θερμοκρασίας ξηρού θερμομέτρου.

Στις παρακάτω εικόνες παρατίθενται οι καμπύλες εξωτερικής θερμοκρασίας για την Αθήνα (μετεωρολογικός σταθμός Εθνικού Αστεροσκοπείου) και τη Θεσσαλονίκη (μετεωρολογικός σταθμός Α.Π.Θ.). Με βάση παρόμοια στοιχεία υπολογίζονται τα φορτία αιχμής, τα οποία παρατηρούνται συνήθως πολύ λίγες ώρες το χρόνο και αντιμετωπίζονται από ανεξάρτητους λέβητες, ώστε η βασική εγκατάσταση παραγωγής θερμότητας να μην υπολειτουργεί.






Υπολογισμός διατομών του δικτύου σωληνώσεων

Ο υπολογισμός των διατομών των σωληνώσεων της τηλεθέρμανσης γίνεται όπως στα κλασσικά συστήματα κεντρικής θέρμανσης. Επειδή τα δίκτυα της τηλεθέρμανσης είναι εκτεταμένα, ο σχεδιασμός του δικτύου πρέπει να γίνεται έτσι ώστε να προκύπτει ελαχιστοποίηση του κόστους.



Πλεονεκτήματα της τηλεθέρμανσης

Στα βασικότερα πλεονεκτήματα της τηλεθέρμανσης θα μπορούσαν να συγκαταλέγονται τα εξής:

1. Οικονομικότερη ενέργεια, μεγάλος βαθμός απόδοσης, ειδικά όταν η τηλεθέρμανση γίνεται σε συνδυασμό με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας.

2. Χαμηλό κόστος συντήρησης για τους καταναλωτές.

3. Εξοικονόμηση χώρων (λεβητοστάσια).

4. Κεντρικός έλεγχος ρύπων.

5. Μείωση κινδύνων από πυρκαγιά και ατυχήματα.


Επίλογος

Η τηλεθέρμανση είναι μια πολύ ελκυστική λύση για τη θέρμανση πόλεων ή τμημάτων πόλεων, καθώς και βιομηχανικών περιοχών, ειδικά όταν η επένδυση περιλαμβάνει την συμπαραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, την ύπαρξη φθηνής γεωθερμικής ενέργειας, ή την χρήση πολύ φθηνών καυσίμων που σε διαφορετική περίπτωση θα επιβάρυναν με κόστος για την απομάκρυνση τους.


Γρηγόρης Μοναχός

Διπλ. Μηχανολόγος Μηχανικός Α.Π.Θ.