MAGAZYNOWANIE CIEPŁA W ZASOBNIKACH

Dr inż Małgorzata Kwestarz Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Środowiska, Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych

1. Wprowadzenie
Zasobnik ciepła nazywany popularnie akumulatorem dotychczas postrzegany jest jako zbiornik buforowy współpracujący bezpośrednio ze źródłem ciepła w systemie ciepłowniczym. Korzyści jakie niesie ze sobą współpraca z tym urządzeniem w dobie gospodarki rynkowej, gdzie ciepło i energia elektryczna są towarem, są niepodważalne. Zatem montaż i eksploatacja zasobników ciepła jest konieczna z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia. Zakres inwestycji, związany z budową zasobników ciepła jest zależny od pojemności cieplnej jaką powinien mieć zasobnik. W niniejszym artykule przedstawiono drugie zagadnienie, które jest odpowiedzią na pytania: ile zasobników i w jakim miejscu należy włączyć do obiegu wody w sieci ciepłowniczej. Wyznaczanie pojemności zasobnika opiera się ma analizie trzech wariantów.: W pierwszym wariancie zakłada się dobór zasobnika o takiej pojemności cieplnej, która pozwala na pracę ciągłą źródła w okresie letnim z mocą odpowiadającą średniemu zapotrzebowaniu mocy na cele: ciepłej wody użytkowej (CWU) i ciepła technologicznego (CT) w skali doby, jest to tzw. zasobnik o pełnej akumulacyjności. Pozwala to na zainstalowanie w źródle urządzeń wytwórczych o mocy mniejszej od mocy maksymalnej – szczytowej w porównaniu do systemów niewyposażonych w zasobniki. Efektem są mniejsze koszty inwestycyjne oraz niższe koszty eksploatacyjne wynikające z wysokiej sprawności pracy źródła.

Drugi wariant, który dotyczy systemów zasilanych z układów kogeneracyjnych uwzględnia wpływ struktury taryf dla energii elektrycznej, na czas pracy układu skojarzonego. Istotną rolę odgrywa podział na grupy taryfowe, grupy przyłączeniowe oraz strefy czasowe rozliczeń. W funkcji tych trzech składników lokalne przedsiębiorstwo energetyczne ustala ceny sprzedaży energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej. Zazwyczaj wyróżnia się trzy strefy czasowe tj. szczyt przedpołudniowy i szczyt popołudniowy z największymi cenami jednostkowymi zakupu energii elektrycznej oraz tzw. pozostałe godziny z ceną jednostkową minimalną. Maksymalizując zysk z produkcji energii elektrycznej w godzinach szczytu źródło pracuje z mocą maksymalną produkując energię elektryczną i ładując zasobnik. W pozostałych godzinach układ produkcji skojarzonej obciążany jest mocą minimalną, która zapewnia możliwość rozładowania zasobnika.

W przypadku trzecim zakłada się wyłączenie z pracy układu kogeneracyjnego na czas trwania weekendu i dni świątecznych. Wówczas ciepło do sieci dostarczane jest z zasobnika naładowanego w dni robocze. Przerwa w pracy źródła ma na celu obniżenie kosztów eksploatacji np. poprzez rezygnację z jednej zmiany obsługującej urządzenia, ale także zrezygnowanie z produkcji energii elektrycznej w okresie najniższych cen sprzedaży.

Bardzo istotnym problemem jest ustalanie lokalizacji zasobników w strukturze sieci ciepłowniczej. Zasobniki ciepła w Europie budowane są w bezpośrednim sąsiedztwie źródła. Wzorem tych rozwiązań w Polsce zasobniki są lokalizowane bezpośrednio w sąsiedztwie elektrociepłowni, a w związku z tym zasobnik jest traktowany jak element źródła ciepła a nie sieci ciepłowniczej.

2. Nowoczesnym rozwiązaniem, które jest przedmiotem niniejszej analizy jest instalowanie zasobników w obszarze sieci ciepłowniczej, co oznacza montaż co najmniej dwóch zasobników tzw. zasobników rozproszonych w pewnej odległości od obiegów hydraulicznych źródeł ciepła. Każdy z zasobników pracuje w godzinach maksymalnego zapotrzebowania na ciepło, jako lokalne źródło ciepła, a w czasie minimalnych rozbiorów ciepła jako dodatkowy odbiornik ciepła. Wielkość zasobnika odpowiada wielkości omówionemu powyżej zasobnika o pełnej akumulacyjności. Oznacza to, że dostarczając ciepło do węzłów ciepłowniczych usytuowanych najbliżej siebie zasobnik uśrednia pobór ciepła w przyjętym okresie czasu – zazwyczaj doby. Wybór rejonów współpracy zasobnika z odbiorcami ciepła wiąże się z podziałem sieci ciepłowniczej na podsystemy, które będą zasilane ciepłem na stałym średnim poziomie w ciągu doby. Zatem sieć przesyłowa – magistralna będzie pracować ze stałym obciążeniem, co oznacza stały przepływ i minimalne wahania temperatury zasilania i powrotu przy zasilaniu podsystemów. Przepływ i temperatury będą zmieniać się w skali roku z uwzględnieniem okresu letniego, zimowego i obu okresów przejściowych, gdy system ciepłowniczy rozpoczyna bądź kończy zasilanie wymienników centralnego ogrzewania w węzłach u odbiorców. Tak skonfigurowana sieć stabilizuje temperaturę wody powrotnej do źródła na najniższym poziomie przy zachowaniu stałego przepływu czynnika. Brak jest doświadczeń w zakresie rozproszonych zasobników ciepła. W literaturze spotyka się zasobniki ciepła będące elementem obiegów hydraulicznych instalacji solarnych i obiegów hydraulicznych źródeł spalających biomasę.

Zasobnik ciepła rozproszony jest niezbędnym elementem nowoczesnej sieci ciepłowniczej, jego eksploatacja podwyższa efektywność pracy sieci ciepłowniczej poprzez zmniejszenie czasu opóźnienia transportowego i strat ciepła w procesie dystrybucji. [2] Opóźnienie transportowe jest to czas, w jakim ciepło transportowane przez czynnik, czyli gorącą wodę dopłynie od źródła ciepła do węzła ciepłowniczego, czyli odbiorcy końcowego. Dla każdego z węzłów ciepłowniczych jest to wartość zmienna w skali roku kalendarzowego. Opóźnienie transportowe jest wynikiem zmiennych prędkości wody w poszczególnych odcinkach sieci w efekcie sterowania pracą sieci.

Straty ciepła w procesie dystrybucji.
Eksploatacja zasobników rozproszonych pozwala na utrzymanie minimalnej temperatury w sieci powrotnej przy jednoczesnym ograniczeniu temperatury w sieci zasilającej (magistralnej), co przekłada się na redukcję strat ciepła.

2. Systemy ciepłownicze w Polsce – historia

Pierwsze dwa centralne systemy zasilające w ogrzewanie kilka budynków z jednego źródła powstały na przełomie wieków w kompleksie budynków obecnej Politechniki Warszawskiej (1899-1901) i w Szpitalu Dzieciątka Jezus (1897-1901) [2]. Na terenie uczelni początkowo ogrzewano cztery budynki dydaktyczne i dwa mieszkalne zasilając parą bezpośrednio grzejniki. System grzewczy poza zasilaniem parowym instalacji centralnego ogrzewania oparto także na ogrzewaniu ciepłym powietrzem szczególnie budynków dydaktycznych. Projektantem był inż. Kazimierz Obrębowicz (1853-1913) Prekursor ciepłownictwa polskiego, prezes komitetu budowy Instytutu Politechnicznego w Warszawie i doktor Honoris Causa Politechniki we Lwowie. Pierwszym scentralizowanym źródłem ciepła zlokalizowanym w budynku „Starej kotłowni” była elektrociepłownia wyposażona w kotły parowe o ciśnieniu pary pięciu atmosfer, dwie maszyny parowe po 120 KM ee każda, system centralnego ogrzewania parowy, z centralną siecią powrotu kondensatu, systemem wentylacyjnym. Po I wojnie światowej system bezpośredniego ogrzewania parowego zmodernizowano i wymieniono na układ wodny z wymiennikami ciepła para-woda. W latach 50-tych XX wieku budynki położone na Terenie Głównym Politechniki Warszawskiej zostały podłączone do miejskiej sieci ciepłowniczej. Gruntowny remont sieci na terenie PW wraz z węzłami został przeprowadzono na początku lat 90-tych.

Ten nowoczesny na ówczesne czasy system skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej zapewniał Politechnice Warszawskiej całkowitą niezależność energetyczną. Wytworzona energia elektryczna zasilała silniki elektryczne wentylatorów oraz zapewniała oświetlenie obiektów dydaktycznych.

Jednym z pierwszych miast w Polsce, w którym powstał system ciepłowniczy była Warszawa. Realizację inwestycji rozpoczęto od przebudowy elektrowni kondensacyjnej na Powiślu na elektrociepłownię o mocy 234 Gcal/h. (232 MWth) Elektrownia Powiśle powstała w 1904r o mocy 1,5 MWee, ale w okresie międzywojenny już osiągała moc 83 MWee Pierwszą magistralę łączącą EC Powiśle z Pałacem Kultury i Nauki uruchomiono w grudniu roku 1953. Parę lat później w roku 1956 prawobrzeżną Warszawę zaczęła zaopatrywać w ciepło elektrociepłownia Żerań. Wybudowano również tunel pod Wisłą (1960r.), aby zasilać w ciepło Żoliborz, Bielany i Młociny. W 1962 roku uruchomiono elektrociepłownię Siekierki.

Obecnie w Polsce szacuje się, że istnieje i jest eksploatowanych około 500 systemów ciepłowniczych, które obsługują 19 000 000 mieszkańców ogrzewając 472 mln m2 powierzchni mieszkalnej.

3. Klasyfikacja zasobników ciepła

Rozróżnia się dwa typy akumulacji energii [5]:
 Jawny, polegający na zmianie temperatury czynnika magazynującego ciepło – ozn. z ang. TES (Thermal Energy Storage),
 Utajony, bazujący na zmianie fazy czynnika magazynującego ciepło (topnienie, parowanie, zmiana struktury itp.) – ozn. z ang. PCMs (Phase Change Materials)

Zagadnienie magazynowania ciepła jest problemem wieloaspektowym. Poza wyborem sposobu akumulacji i rodzaju czynnika magazynującego energię cieplną pozostaje problem konstrukcji zbiornika i jego usytuowania w systemie ciepłowniczym. Zasobniki rozproszone należą do grupy zasobników magazynujących ciepło w sposób jawny (TES). Oznacza to, że akumulacja odbywa się w stałej objętości wody i opiera się na różnicy temperatury.

Poniżej, dla porównania, omówiono najbardziej popularny zasobnik typu PCMs czyli magazynujący energię w sposób utajony wykorzystujący zmianę fazy czynnika, w tym przypadku odparowanie wody.

W układach parowych pracujących w zakładach przemysłowych powszechnie stosowano zasobniki-akumulatory pary określane także nazwą zasobnice bądź cieplarki.[4] Do najbardziej rozpowszechnionych zaliczano zasobniki konstrukcji Rateau, Ruths’a tzw. mokry- opatentowany w 1913 roku oraz typu Harle (teleskopowe) bądź Estner-Ladewig o stałej objętości – określane jako suche. Ich celem było magazynowanie nadmiaru wytworzonej pary w chwili gdy obciążenie silników, turbin bądź kotłów gwałtownie malało.

Zasobniki Ruths’a (cieplarki nieizobaryczne) [4] – powszechnie stosowane były do kompensowania dużych wahań w poborze pary w stałym przedziale czasowym, zwykle ograniczonym do 24 godzin. Para zasilająca zasobnik jest parą przegrzaną, następnie ulega wymieszaniu z wodą wewnątrz zbiornika. Para opuszczająca zasobnik jest parą nasyconą powstającą na skutek odparowania wody wewnątrz zbiornika – stąd nazwa zasobnik „mokry”. Na bazie tej konstrukcji powstały pierwsze zasobniki izobaryczno-nieizotermiczne, budowane jako wysokie zbiorniki pionowe. Kondensacja pary zachodzi wówczas w górnej części zbiornika. W zasobniku występuje zjawisko stratyfikacji temperatury wody czyli podział na warstwy wody różniące się temperaturą. Obszar wody gorącej i ochłodzonej rozdziela warstwa dyspersyjna, w której następuje znaczący skok temperatury.

Stosując zasobnik zgodny z niemieckim patentem dr Ruths’a w 1929 powstała instalacja w Malmo – Szwecja. Jednak największa i pracująca od 1929 roku do dziś instalacja znajduje się w Charlottenburgu – Berlinie (Niemcy). Ciśnienie robocze układu wynosi 14 bar, moc elektryczna 50 MW, a pojemność cieplna zasobnika kształtuje się na poziomie 67MWh.

Kamler [1] opisywał zasobniki ciepła, jako urządzenia stosowane w ciepłowniach do zabezpieczenia przed wahaniami i przed krótkotrwałymi szczytami obciążenia urządzeń wytwarzających ciepło. W elektrociepłowniach stosowane były dla wyrównania w czasie zapotrzebowania na energię elektryczną i dostawy ciepła. Zgodnie z definicją zasobnik stanowił rozdzielacz hydrauliczny pomiędzy źródłem a siecią ciepłowniczą, który zmniejszał nierównomierność zapotrzebowania na ciepło sprowadzając do stałego obciążenia źródła, bądź nadążał za produkcją energii elektrycznej. Kamler jako postawę swoich rozważań przyjął zasobnik Ruths`a i zagadnienia magazynowania ciepła w postaci pary. Nie mniej w [1] pojawia się pojęcie magazynowania ciepła przy wykorzystaniu dużej pojemności wodnej urządzeń w sieciach wodnych i instalacjach ogrzewczych, a w przypadkach gdy należy magazynować wodę gorącą dla potrzeb ogrzewania podaje za celowe stosowanie zasobników włączonych w sieć. Na rys. 1 przedstawiono zasobnik ciepła włączony w sieć ciepłowniczą. Wykorzystuje on równicę temperatur pomiędzy zasilaniem a powrotem. Zwyczajowo, jako zasobniki stosowane były kotły cylindryczne pionowe. Na rys. 1 przedstawiono zasobnik bezciśnieniowy, przepływowy, bez poduszki gazowej lub parowej w górnej części zbiornika stabilizującej nadciśnienie. Rozwiązanie to jest pierwowzorem zasobnika rozproszonego, który jest przedmiotem omawianych analiz w kolejnych rozdziałach.

Zdaniem Kamlera [1] jednym z największych rozwiązań technicznych w tej dziedzinie był uruchomiony w Hamburgu 1930 roku zasobnik o pojemności 2600 m3 , wysokości 35,5 m i średnicy 10 m, o pojemności cieplnej 418 GJ. Ciepłem wykorzystywanym do procesu ładowania było to ciepło odlotowe z turbiny kondensacyjnej. Schemat przedstawiono na rys. 2.

4. Zasobniki wodne

W systemach ciepłowniczych w układach hydraulicznych źródeł ciepła instaluje się zasobniki wodne tzw. wyporowe. Podział zasobników ciepła z grupy wodnych, wyporowych uwzględnia trzy kryteria:
 ciśnienie pracy,
 parametry pracy – temperaturę maksymalną i minimalną
 oraz pojemność czyli wymiary geometryczne.

Zasobnik rozproszony plasuje się w klasie zasobników średnich czyli o pojemności wodnej 1000 – 10 000 m3 – bezciśnieniowy, w którym maksymalna temperatura pracy nie przekracza 100°C, a typowe parametry pracy to 95/55°C. Tego typu zasobnik ciepła jest pionowym, najczęściej cylindrycznym zbiornikiem, połączonym bezpośrednio lub pośrednio z siecią ciepłowniczą [2,3,6,7,8]. Z eksploatacyjnego punktu widzenia zbiornik powinien być smukły tj, proporcja wysokości zbiornika do jego średnicy powinna być większa bądź równa co najmniej 3. W zasobniku gorąca woda gromadzi się w jego górnej części i oddzielona jest warstwą dyspersyjną tzw. termokliną o grubości zwykle kilkunastu centymetrów od wody zimnej zalegającej w dolnej części zbiornika. Wysokości tego typu zbiorników sięgają nawet kilkudziesięciu metrów, a ich pojemność kilkudziesięciu tysięcy metrów sześciennych. Podczas ładowania zasobnika, gorąca woda z generatorów ciepła (kotłów, silników, turbin) wypycha zimną wodę ku dołowi, która następnie wpływa do kolektorów zasilających kotły lub innych urządzeń wytwórczych. Przy rozładowywaniu zaś woda powrotna wypiera wodę gorącą do góry, do rurociągu zasilającego sieć ciepłowniczą.

Schemat zastosowania bezciśnieniowego zasobnika ciepła w systemie ciepłowniczym przedstawiono na rys. 3. W tym przypadku wysokość zbiornika tj. wysokość zwierciadła wody (ciśnienie hydrostatyczne) równoważy ciśnienie na ssaniu pomp obiegowych. Zbiornik jest wtedy bezciśnieniowy, tak więc koszt zbiornika jest niższy niż dla przypadku ciśnieniowych, wyporowych zasobników ciepła. Na rys. 3 zamieszczono schemat podłączenia bezpośredniego zasobnika położonego z dala od źródłaciepła czyli zasobnika rozproszonego [2].

Zaproponowano podłączenie bezpośrednie z układem dwóch pomp ładującej P1 i mieszającej P2. Zasobnik jest zbiornikiem cylindrycznym, z dwoma dyszami (dyfuzorami) górną i dolną. Podczas eksploatacji nad zwierciadłem wody przestrzeń wypełniana jest azotem bądź parą wodną tworząc tzw. poduszkę.

Proces ładowania zasobnika rozpoczyna się, gdy temperatura wody powrotnej w sieci ciepłowniczej osiągnie wartość wyższą od ustalonej temperatury wynikającej z procesu sterowania pracą systemu ciepłowniczego. Wzrost temperatury wody w przewodzie powrotnym sieci ciepłowniczej jest sygnałem do rozpoczęcia procesu ładowania zasobnika. Różnica ciśnienia w przewodach sieci miejskiej zasilającym i powrotnym wymusza przepływ przez układ wodny zasobnika ciepła. W przypadku ładowania pompa P1 nie włącza się. Istotną rolę odgrywa zawór regulacyjny trójdrogowy, mieszający ZR. Jest to zawór mieszający strumień wody wpływający z sieci ciepłowniczej zasilającej ze strumieniem wody chłodnej wypływającej z zasobnika, tłoczonym przez pompę mieszającą P2. Pompa mieszająca i zawór regulacyjny ZR mieszający pracują wówczas, gdy temperatura wody w sieci ciepłowniczej przekracza 100 °C. Pompa mieszająca jest sterowana w oparciu o pomiar temperatury wody dopływającej do zaworu regulacyjnego ZR. Ma to miejsce w okresie zimowym, gdy temperatura otoczenia, czyli powietrza zewnętrznego obniży się do poziomu ok. -10°C.

Na okres lata, gdy poprzez sieć ciepłowniczą dystrybuowane jest ciepło na potrzeby przygotowania centralnie ciepłej wody użytkowej, obieg pompy mieszającej jest odcięty zaworami. Podobnie wyłączony z eksploatacji jest zawór regulacyjny mieszający ZR, a otwarty jest przewód obiegowy i zawór odcinający. Woda opuszcza zasobnik i wpływa do miejskiej sieci ciepłowniczej przewodu powrotnego. Proces ładowania trwa do momentu wzrostu temperatury w przewodzie powrotnym w MSC lub do momentu, gdy termoklina osiągnie poziom dyszy dolnej.

Proces rozładowywania zasobnika to pozornie zwierciadlane odbicie procesu ładowania (odwracając kierunki przepływu w przewodach łączących sieć ciepłowniczą z zasobnikiem ciepła). Sygnałem do rozpoczęcia rozładowywania zasobnika jest obniżenie temperatury wody w sieci ciepłowniczej powrotnej poniżej narzuconej wartości podanej w tabeli regulacyjnej. Rozładowywanie zasobnika rozpoczyna się od momentu otwarcia zaworów odcinających (oraz uruchomienia zestawu pompy P1). Woda chłodna wpływająca poprzez dolną dyszę do zasobnika wypycha ku górze termoklinę i będącą pona nią wodę gorącą, która poprzez dyszę górną opuszcza zasobnik. Pompa mieszająca P2 i zawór regulacyjny ZR nie biorą udziału w procesie rozładowywania, dlatego woda gorąca przepływa przez przewód obiegowy zaworu. Proces trwa do momentu wzrostu temperatury wody w przewodzie powrotnym sieci ciepłowniczej bądź, gdy termoklina osiągnie poziom zwierciadła górnego, a zatem temperatura wody opuszczającej zasobnik będzie na tym sam poziomie, co wpływającej do zbiornika.

5. Symulacja pracy sieci ciepłowniczej bez zasobników i z zasobnikami rozproszonymi
Symulację statyczną pracy sieci ciepłowniczej wykonano programem SimNet SSV Heat w oparciu o dane rzeczywistego systemu ciepłowniczego miasta położonego w województwie mazowieckim [2]. Sieć ciepłowniczą opisano w postaci wektorowej tworząc graf. W trzech węzłach grafu zainstalowano rozproszone zasobniki ciepła. Miejsca montażu wybrano autorytatywnie nie mniej sugerując się następującymi przesłankami:
 Miejscem zainstalowania pompowni wody ciepłowniczej,
 Lokalizacją sieci ciepłowniczej magistralnej zasilającej obszar o gęstej zabudowie,
 Lokalizacją sieci przebiegającej przez obszar o charakterze przemysłowym.

Każdy z zasobników współpracuje z gałęzią sieci ciepłowniczej zasilającej odpowiednio obszary miasta: północno-wschodni, północny oraz zachodni (rys.4).

Przyjęto, że zasobnik ciepła rozproszony jest włączony bezpośrednio w obieg wodny sieci ciepłowniczej i posiada stałą pojemność wodną 1000 m3. Zatem nie może współpracować z siecią jako naczynie wzbiorcze, przejmujące wahania wielkości objętości zładu na skutek zmiany temperatury.

W obliczeniach symulacyjnych przyjęto następujące założenia:
1. Zasobniki ciepła zainstalowane we wskazanych węzłach sieci zasilane są podczas procesu ładowania 50 proc. udziałem strumienia wody przepływającej przez przewód sieci ciepłowniczej zasilającej.

2. Podczas procesu ładowania zasobnika ciepła strumień odpowiadający 50 proc. udziałowi strumienia wody dopływającej do węzła początkowego zasobnika przepływa przez zasobnik. Woda wpływając do zasobnika charakteryzuje się temperaturą, jaka aktualnie panuje w sieci zasilającej. Jednocześnie w węźle końcowym do sieci powrotnej wpływa taki sam strumień wody o temperaturze wody powrotnej.

3. Podczas magazynowania ciepła przyjęto, że w zasobniku temperatura wody gorącej i chłodnej obniżą się do poziomu temperatury wody zasilającej i powrotnej w sieci ciepłowniczej występującej podczas procesu rozładowania zasobnika. Dla okresu zimowego są to różnice w wysokości od 0,1°C do 1°C. Dla okresu lata, gdzie okres magazynowania ciepła wydłuża się, spadek temperatury osiąga 2°C. Przyjęcie takiego założenia uwzględnia w obliczeniach wychłodzenie zasobników.

Obliczenia symulacyjne wykonano dla dwóch scenariuszy LATO i ZIMA uwzględniających następujące warianty pracy: w scenariuszu zima dla trzech miesięcy: stycznia, marca i listopada; w scenariuszu LATO dla miesiąca lipca oraz dla wariantów obciążenia wymienników CWU na poziomie 20 proc. i 80 proc. , co odpowiada minimalnym oraz największym rozbiorom.

Analizę wyników symulacji, jak wspomniano wcześniej, ograniczono do dwóch parametrów określający wpływ pracy rozproszonych zasobników ciepła na parametry pracy sieci ciepłowniczej.
 Pierwszy to opóźnienie transportowe, czyli czas, w jakim woda czyli nośnik ciepła opuszczający źródło dopłynie do węzła ciepłowniczego. Badania przeprowadzono porównując czas opóźnienia transportowego dla trzech najbardziej odległych węzłów ciepłowniczych położonych na peryferiach sieci ciepłowniczej.

Na rys. 5, 6 i 7 przedstawiono porównanie czasu opóźnienia transportowego dla badanych węzłów ciepłowniczych zasilanych z sieci ciepłowniczej bez zasobników ciepła oraz sieci ciepłowniczej współpracującej z rozproszonymi zasobnika ciepła dla scenariusza ZIMA.

Dla wariantów w scenariuszu ZIMA, gdzie współpraca rozproszonych zasobników ciepła z siecią ciepłowniczą przekłada się na dwa stany pracy – procesy. Proces ładowania następuje w okresie zmniejszonych odbiorów ciepła przez węzły ciepłownicze i wówczas zasobnik staje się dodatkowym odbiorcą. Proces rozładowywania – następuje, gdy węzły ciepłownicze odbierają z sieci zwiększoną ponad wartość średnią ilość ciepła. Wówczas zasobniki współpracują z siecią, jako dodatkowe źródła ciepła uzupełniające źródło podstawowe.

Z perspektywy czasu dostawy ciepła, czyli czasu opóźnienia transportowego widoczna jest redukcja 20 proc czasu w przypadku węzła ciepłowniczego położonego w obszarze północo-wschodnim. W przypadku węzła ciepłowniczego w obszarze północnym wzrasta do 32 proc., a dla węzła ciepłowniczego z obszaru zachodniego ograniczenie opóźnienia transportowego plasuje się na poziomie 29-30 proc. W scenariuszu LATO rozproszone zasobniki ciepła w okresach zwiększonego zapotrzebowania na ciepło pracują, jako lokalne źródła ciepła. Wówczas czas opóźnienia transportowego dla węzłów ciepłowniczych położonych na krańcach sieci ciepłowniczej znacząco maleją.

Na rys. 8 przedstawiono porównanie czasu opóźnienia transportowego dla obszaru północno-wschodniego. Czas dla węzła ciepłowniczego w obszarze północno-wschodnim dla 20 proc. wykorzystania mocy wymienników CWU sięga poziomu 18 godzin. Przy takim obciążeniu cieplnym sieci następuje proces ładowania zasobników rozproszonych. W szczytach poboru CWU, czyli przy 80 proc. wykorzystaniu mocy wymienników CWU rozproszone zasobniki ciepła przejmują rolę źródeł lokalnych i zasilają odbiorców ciepła położonych za zasobnikiem licząc od źródła ciepła. W takim układzie czas opóźnienia transportowego spada do wartości 2 godzin, 23 minut i 2 sekund. Jest to także redukcja opóźnienia transportowego o 47prvov stosunku do czasu dla sieci bez zasobników ciepła. Z perspektywy miesiąca lipca średniomiesięczna redukcja opóźnienia transportowego wynosi 17 proc.

Na rys. 9 przedstawiono wyniki obliczeń symulacyjnych dla obszaru północnego. Czas opóźnienia transportowego dla wspomnianego węzła przy 20 proc. obciążeniu wymienników CWU wynosi 18 godzin, 20 minut i 18 sekund. Przy wykorzystaniu mocy wymienników w 80% czas opóźnienia transportowego wynosi dla sieci bez zasobników 4 godziny, 35 minut i 4 sekundy. W układzie zasilania wyłącznie z zasobnika ciepła czas ulega 35 proc. redukcji i spada do poziomu 3 godzin. Uśredniając dane dla pracy
skali miesiąca lipca czas opóźnienia transportowego dla węzła ciepłowniczego zasilanego z sieci ciepłowniczej wyposażonej w rozproszone zasobniki ciepła wynosi 5 godzin, 44 minuty i 26 sekund.
Jest on krótszy o 33 proc. w stosunku do czasu opóźnienia transportowego dla węzła zasilanego przez sieć ciepłowniczą bez rozproszonych zasobników ciepła.

Kolejną analizę porównawczą czasu opóźnienia transportowego przeprowadzono dla obszaru zachodniego. Dla 80 proc. obciążenia wymienników CWU obszar ten zasilany jest z zasobnika ciepła III, co w efekcie powoduje redukcję czasu opóźnienia transportowego do pięć godzin, 59 minut i 6 sekund z 10 godzin, czyli o 40 proc. Porównanie wartości średniomiesięcznych odniesionych do lipca 2010 wykazało redukcją czasu opóźnienia transportowego na poziomie 32 proc. do 13 godzin, 50 minut i 29 sekund. Omówione dane liczbowe prezentuje rys. 10.

Drugim czynnikiem analizowanym, jako wskaźnik wpływu rozproszonych zasobników ciepła na pracę sieci ciepłowniczej są straty w procesie dystrybucji ciepła przez sieć ciepłowniczą.

Analizowano wyniki symulacji dla sześciu wariantów. Straty ciepła w każdym z wariantów przeliczono na wartość względną wyrażoną procentowym udziałem straty mocy w sieci ciepłowniczej w stosunku do mocy źródła.

Analizę wyników obliczeń symulacyjnych także podzielono na dwa scenariusze ZIMA i LATO. Bazując na danych średniomiesięcznych porównano udział strat w procesie dystrybucji podczas procesu ładowania i rozładowywania zasobników rozproszonych oraz wartość strat w skali miesiąca dla systemu współpracującego z zasobnikami rozproszonymi czyli obejmującą straty podczas ładowania, rozładowywania jak i pracy sieci ciepłowniczej bez zasobników tj. podczas gdy zasobniki ciepła są w stanie oczekiwania na proces ładowania bądź rozładowywania.

W scenariuszu ZIMA największy udział strat zaobserwowano w listopadzie. Udział strat waha się od 7,43 proc. podczas procesu ładowania zasobników do 6,37 proc. podczas procesu rozładowywania. Wartość średniomiesięczna strat na poziomie 7,01 proc. jest wartością o blisko 1 proc. niższą od średniomiesięcznych strat dla sieci bez zasobników ciepła. Pozostałe dwa warianty symulacji dla danych bazowych ze stycznia 2010 r. i marca 2010 r. wskazują na redukcję udziału strat w procesie dystrybucji dla sieci współpracującej z rozproszonymi zasobnikami ciepła w porównaniu do udziału strat dla sieci bez zasobników ciepła.

Dla wariantu symulacji miesiąca stycznia udział strat waha się od 4,61 proc. do 4,12 proc. Średniomiesięcznie utrzymuje się na poziomie 4,41 proc. co odpowiada wartości 4,68 proc. dla sieci ciepłowniczej bez zainstalowanych zasobników ciepła. Symulacja dla marca także potwierdza tę zależność. Proces ładowania zasobników podwyższa udział strat do poziomu 6,69 proc., aby w procesie rozładowywania spadł do 5,97 proc.. Wartości średniomiesięczne pracy sieci ciepłowniczej z rozproszonymi zasobnikami ciepła charakteryzuje udział strat na poziomie 4,41 proc., a sieć ciepłowniczą bez zainstalowanych zasobników ciepła 6,92 proc.. Zatem w okresie sezonu grzewczego współpraca z rozproszonymi zasobnikami ciepła generuje oszczędność straty ciepła na poziomie dwóch punktów procentowych.

Okres lata symulowany w scenariuszu LATO charakteryzuje znacznie wyższe oszczędności ciepła. Na rys. 11 przedstawiono przebieg zmian udziału strat w procesie dystrybucji w odniesieniu do mocy źródła dla scenariusza LATO. W obliczeniach oparto się na danych z miesiąca lipiec oraz dwóch wariantach 80 proc. i 20 proc. wykorzystania mocy wymienników CWU. Analogicznie jak w analizie czasu opóźnienia transportowego, obciążenie sieci 20 proc. CWU odpowiada okresowi ładowania zasobników rozproszonych. Obciążenie 80% wymienników CWU w węzłach ciepłowniczych odpowiada procesowi rozładowywania zasobników w sieci ciepłowniczej. W celu zobrazowania istotnych zmian w parametrach pracy sieci ciepłowniczej porównano moc źródła i udziały procentowe strat dla wariantów symulacji sieci ciepłowniczej bez zasobników ciepła i z rozproszonymi zasobnikami ciepła.

Dla systemu ciepłowniczego bez zasobników ciepła udział strat ciepła średniomiesięcznie wynosi 34,78 proc.. W okresach minimalnej sprzedaży tj. dla 20 proc. obciążenia wymienników CWU osiąga poziom rzędu 70 proc., natomiast przy intensywnym tj. 80 proc. wykorzystaniu mocy CWU spada do 9,29 proc.

Współpraca sieci ciepłowniczej z rozproszonymi zasobnika ciepła zmniejsza tak dużą amplitudę wielkości udziału strat w procesie dystrybucji. Stabilizując pracę źródła na średniomiesięcznym poziomie 8736 MW sprowadza udział strat do wartości 16,37 proc. w skali miesiąca. W trakcie ładowania zasobników ciepła udział strat wzrasta o 10 proc. do wartości 26,45 proc., natomiast podczas rozładowywania maleje do 13,72 proc.

6. Podsumowanie

Wykazano, że stosowanie zasobnika ciepła bądź zasobników ciepła rozproszonych, czyli zainstalowanych w pewnej odległości od źródła ciepła wpływa na redukcję czasu opóźnienia transportowego i minimalizuje względne straty ciepła w stosunku do wartości, jakimi charakteryzuje się sieć ciepłownicza nieposiadająca w swojej strukturze zasobnika ciepła bądź zasobników.

Instalacja rozproszonych zasobników ciepła pozwala na efektywniejsze zarządzanie siecią ciepłowniczą w miejskim systemie ciepłowniczym:
 rozproszenie zasobników w sieci ciepłowniczej zwiększa bezpieczeństwo zasilania odbiorców poprzez tworzenie podsystemów z lokalnymi źródłami ciepła jakimi są zasobniki ciepła podczas procesu rozładowywania,
 współpraca rozproszonych zasobników ciepła wpływa na stabilizację obciążenia sieci ciepłowniczej magistralnej, co przekłada się na obniżenie kosztów pompowania tj. pracy pomp obiegowych jak i stabilizujących,
 praca sieci magistralnych ze stałym sezonowym obciążeniem pozwala na sterowanie obciążeniami metodą jakościową,co wymusza oraz pozwala na właściwy dobór temperatury wody zasilającej rejony i wody powrotnej, a to z kolei przekłada się na redukcję strat ciepła w sieci magistralnej.

Literatura
1. Kamler W.: Ciepłownictwo, Państwowe Wydawnictwo Naukowe , Warszawa 1979 r.
2. Kwestarz M.: Analizy wpływu zasobnika ciepła na parametry pracy sieci ciepłowniczej, rozprawa doktorska Politechnika Warszawska, Warszawa 2011 r.
3. Pluta Z., Wnuk R.: Zbiorniki magazynujące ciepło w instalacjach pozyskujących energię promieniowania słonecznego – Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo , Wentylacja, nr 10, 1997 r.
4. Stefanowski B.: Gospodarka cieplna i jej kontrola w zakładach przemysłowych – Wydawnictwa Naukowe Komisji Wydawniczej T-wa Bratniej Pomocy Studentów Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1925 r.
5. Ter-Gazarian A.: Energy storage for power systems – Peter Peregrinus Ltd. on behalf of the Institution of Electrical Engineers, United Kingdom 1988 r.
6. Wojciechowski H., Musner H.: Wodne wyporowe zasobniki ciepła w systemie energetycznym. Gospodarka Paliwami i Energią, Nr 9, 1991 r.
7. Wojciechowski H.: Zasobniki ciepła w skojarzonych układach wytwarzana energii elektrycznej i ciepła, Instal 5/2007 r.
8. Zwierzchowski R., Kwestarz M.: Rola centralnych zasobników ciepła w miejskich systemach ciepłowniczych, VIII Forum Ciepłowników Polskich, Międzyzdroje 2004 r.

Redakcja