Sieci ciepłownicze

Sieć ciepłownicza, zwana niejednokrotnie miejską, to system urządzeń umożliwiających przesłanie energii cieplnej z elektrociepłowni lub ciepłowni do budynków.

Sieci ciepłownicze są częścią systemów ciepłowniczych, na które obok nich składają się:

• źródła ciepła;
• grupowe lub indywidualne węzły cieplne;
• przyłącza;
• instalacja odbiorcza lub zewnętrzna instalacja odbiorcza.

Systemy ciepłownicze najczęściej zarządzane są przez przedsiębiorstwa ciepłownicze a działalność związana ze zorganizowanym dostarczaniem ciepła to ciepłownictwo.

Podstawowe definicje dotyczące funkcjonowania ciepłownictwa oraz uregulowania prawne z nim związane są opisane w ustawie prawo energetyczne i delegowanych aktach wykonawczych. Uwarunkowania w zakresie dopuszczalnych emisji i korzystania ze środowiska określone są w ustawie prawo ochrony środowiska, natomiast zobowiązania w zakresie ograniczenia zużycia paliw i energii w ustawie o efektywności energetycznej.

Działalność w zakresie dostarczania dla odbiorców ciepła o łącznej mocy większej niż 5 MW wymaga uzyskania od Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki właściwych koncesji, tj:

• koncesji na wytwarzanie ciepła;
• koncesji na dystrybucję i przesył ciepła;
• koncesji na obrót ciepłem.

Według raportu Prezesa URE Energetyka cieplna w liczbach ‒ 2019 na koniec 2019 roku koncesje wydane na prowadzenie działalności w zakresie wytwarzania, przesyłania i dystrybucji oraz obrotu ciepłem posiadało 396 przedsiębiorstw eksploatujących 21 701 km sieci ciepłowniczych.

Definicje elementów systemów ciepłowniczych

Poniżej przytoczono brzmienie definicji opisujących tak charakter działalności ciepłowniczej, jak i podstawowe elementy infrastruktury wytwórczej i dystrybucyjnej w oparciu o ustawę Prawo energetyczne:

• przedsiębiorstwo ciepłownicze – przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się wytwarzaniem ciepła w eksploatowanych przez to przedsiębiorstwo źródłach ciepła, przesyłaniem i dystrybucją oraz sprzedażą ciepła wytworzonego w tych źródłach lub zakupionego od innego przedsiębiorstwa energetycznego;
• wytwórca ciepła – przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się wytwarzaniem ciepła;
• dystrybutor ciepła – przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się przesyłaniem i dystrybucją ciepła zakupionego od innego przedsiębiorstwa energetycznego;
• przedsiębiorstwo obrotu ciepłem – przedsiębiorstwo energetyczne zajmujące się wyłącznie handlem ciepłem;
• dyspozytor sieci ciepłowniczej – upoważniona przez przedsiębiorstwo ciepłownicze lub dystrybutora ciepła jednostka organizacyjna lub osoba, która jest odpowiedzialna za sterowanie pracą sieci ciepłowniczej;
• źródło ciepła – połączone ze sobą urządzenia lub instalacje służące do wytwarzania ciepła;
• sieć ciepłownicza – połączone ze sobą urządzenia lub instalacje służące do przesyłania i dystrybucji ciepła ze źródeł ciepła do węzłów cieplnych;
• przyłącze – odcinek sieci ciepłowniczej doprowadzający ciepło wyłącznie do jednego węzła cieplnego albo odcinek zewnętrznych instalacji odbiorczych za grupowym węzłem cieplnym lub źródłem ciepła, łączący te instalacje z instalacjami odbiorczymi w obiektach;
• węzeł cieplny – połączone ze sobą urządzenia lub instalacje służące do zmiany rodzaju lub parametrów nośnika ciepła dostarczanego z przyłącza oraz regulacji ilości ciepła dostarczanego do instalacji odbiorczych;
• grupowy węzeł cieplny – węzeł cieplny obsługujący więcej niż jeden obiekt;
• instalacja odbiorcza – połączone ze sobą urządzenia lub instalacje służące do transportowania ciepła lub ciepłej wody z węzłów cieplnych lub źródeł ciepła do odbiorników ciepła lub punktów poboru ciepłej wody w obiekcie;
• zewnętrzna instalacja odbiorcza – odcinki instalacji odbiorczych łączące grupowy węzeł cieplny lub źródło ciepła z instalacjami odbiorczymi w obiektach, w tym w obiektach, w których zainstalowany jest grupowy węzeł cieplny lub źródło ciepła

Sieć ciepłownicza, zwana niejednokrotnie miejską, łączy elektrociepłownię, elektrownię lub ciepłownię z budynkami odbiorców ciepła. Transport gorącej wody ze źródła do grzejników w ogrzewanych pomieszczeniach, systemem najczęściej podziemnych, izolowanych rurociągów (ciepłociągów), klasyfikowanych jako przesyłowe, magistralne, rozdzielcze, realizuje wiele funkcji:

• przesył i rozdział ciepła w postaci gorącej wody;
• sterowanie temperaturą w ciepłociągu, która uzależniona jest od temperatury zewnętrznej – im zimniej na zewnątrz, tym wyższa temperatura w rurociągu;
• ustawianie odpowiedniej ilości przepływającej gorącej wody, jej ciśnienia i rozdział pomiędzy podłączone budynki;
• dostosowanie parametrów tej wody (ilości zawartej w niej energii) do indywidualnych wymagań budynku i właściwości samych grzejników.

Miejska sieć ciepłownicza to zatem system urządzeń umożliwiających przesłanie energii cieplnej z elektrociepłowni lub ciepłowni do budynków. Proces ten nazywa się dystrybucją i podlega koncesjonowaniu.

Jakie są zasady dostawy ciepła sieciami?

Koncesje na dystrybucję ciepła wydaje Prezes Urzędu Regulacji Energetyki (URE) po sprawdzeniu czy przedsiębiorstwo (właściciel) sieci spełnia warunki opisane w ustawie prawo energetyczne. Te warunki to m.in.:

• dysponowanie pracownikami z odpowiednimi uprawnieniami i umiejętnościami do obsługi urządzeń ciepłowniczych;
• posiadanie koniecznych maszyn i narzędzi;
• dysponowanie środkami finansowymi;
• zawarcie prawidłowych umów z dostawcami energii i odbiorcami;
• przestrzeganie wymagań prawa, płacenie podatków i zobowiązań;
• dobra sytuacja finansowa gwarantująca zapewnienie ciągłości świadczenia usługi.

Uzyskanie koncesji nie wystarczy, aby rozpocząć dostarczanie ciepła. Konieczne jest zatwierdzenie tzw. taryfy dla ciepła, czyli cennika. Jest to zbiór cen i stawek opłat (stałych i zmiennych), na podstawie których będą obciążani odbiorcy. Ceny mogą być zatem różne w każdym mieście, ale podlegają one kontroli Prezesa URE. Czuwa on zatem w imieniu odbiorców nad prawidłowością ich kalkulacji – czy przedsiębiorstwo ustaliło je w sposób roztropny i nie będzie czerpać nieuzasadnionych zysków.

Aby ogrzewać budynek poprzez sieć ciepłowniczą konieczne jest przyłączenie go do sieci. Jedyną skuteczną metodą sprawdzenia możliwości przyłączenia jest wystąpienie do lokalnego przedsiębiorstwa ciepłowniczego o wydanie warunków przyłączenia. Prawie każde przedsiębiorstwo ciepłownicze na swojej stronie internetowej opisuje zasady i publikuje gotowe wnioski do wypełnienia. Określają one szereg parametrów. Warto skorzystać z popularnych wyszukiwarek wpisując np. PEC (MPEC), nazwa miasta, wniosek o przyłączenie do sieci ciepłowniczej, warunki przyłączenia do sieci ciepłowniczej itp.

Nakłady na przyłączenie w większości pokrywane są przez przedsiębiorstwo ciepłownicze. Zgodnie z taryfą dla ciepła pobiera ono jednak częściowe opłaty za te czynności wg stawek określonych w „taryfie dla ciepła”. Jeśli budynek jest znacznie oddalony od miejsca, w którym istnieją techniczne możliwości przyłączenia się do sieci ciepłowniczej, wówczas wydatki przyszłego odbiorcy mogą być bardzo wysokie.

Parametry techniczne sieci ciepłowniczych

Ciepłownictwo dostarcza energię w postaci gorącej wody wyprodukowanej w ciepłowniach i elektrociepłowniach, czyli tzw. źródłach zdalaczynnych (ang. district heating, niem. Fjernwarme) do urządzeń grzewczych odbiorców za pomocą sieci ciepłowniczych. W Polsce występują zasadniczo dwa rodzaje sieci, tzw.:

• wysokoparametrowe, dla których w temperaturze obliczeniowej (od -24°C do -16°C w zależności od strefy klimatycznej) dostarczana jest woda o temperaturze 125–135°C (w rurociągu zasilającym) i ok. 65–80°C w rurociągu powrotnym;
• niskoparametrowe, dla których w temperaturze obliczeniowej (od -24°C do -16°C w zależności od strefy klimatycznej) dostarczana jest woda o temperaturze 85–90°C (w rurociągu zasilającym) i ok. 55–65°C w rurociągu powrotnym.

Dostawa czynnika do odbiorcy odbywa się najczęściej w trybie tzw. regulacji jakościowej – tzn., że temperatura wody grzewczej w sieci ciepłowniczej jest zależna od temperatury zewnętrznej. Zależności te opisuje tzw. tabela regulacyjna.

Bieżące zarządzanie systemem ciepłowniczym sprowadza się do podania odpowiednich temperatur w rurociągu zasilającym i uzyskania właściwej w powrotnym oraz przepływu, czyli strumienia wody w systemie, który często ma stałą wartość. Faktyczny obraz pracy systemu ciepłowniczego w warunkach rzeczywistych temperatur w ciągu roku przedstawiono na rysunku.

Rzeczywiste temperatury zasilania i powrotu w ciągu roku w systemie niskoparametrowym

Jak widać im niższa jest temperatura zewnętrzna (ciemna linia „Temp śr. dob.”), tym wyższa jest temperatura zasilania w ciepłociągu. Odwrotnie, gdy temperatury na zewnątrz rosną.

Przyszłość systemów ciepłowniczych

Jednym z mierników oddziaływania systemu ciepłowniczego na klimat jest emisja dwutlenku węgla. Redukcja emisji na jednostkę dostarczonego ciepła do klienta może być osiągnięta kilkoma ścieżkami:

• poprzez zmniejszenie strat w wytwarzaniu, przesyłaniu i dystrybucji ciepła;
• poprzez zwiększanie udziału OZE i ciepła odpadowego w strukturze wytwórczej.

Niskie temperatury sieciowe posiadają cechy klasycznych sieci ciepłowniczych, a ponadto zapewniają następujące zalety:

• rozwój dodatkowych lokalnych źródeł ciepła (w szczególności wykorzystanie bezpaliwowych zalet technologii niskotemperaturowych, takich jak kolektory słoneczne i ciepło odpadowe; pompy ciepła, jak również inne wysokotemperaturowe źródła ciepła, których do tej pory nie można było wykorzystać, na przykład ze względu na łatwiejsze zaspokojenie przestrzeni dostępnej dla kolektorów słonecznych lub dużych pomp ciepła na peryferiach sieci);
• wzrost uzysku ciepła (kolektory słoneczne) i efektywności (pompy ciepła);
• zmniejszenie strat sieciowych, szczególnie na obszarach o niskiej gęstości ciepła;
• zmniejszone naprężenia termiczne w materiałach rur, skutkujące mniejszą degradacją;
• obniżenie kosztów poprzez rozwój odnawialnych źródeł energii z ekonomią skali i innymi zaletami systemowymi.

W przyszłości konieczna jest transformacja do sieci o niższych parametrach. Charakterystykę takich systemów zaprezentowano w tabeli.

Tabela 1 Charakterystyka systemów ciepłowniczych 3G–6G

KATEGORIA	ISTNIEJĄCA 3G	4G	5G	6G
Temperatura zasilania w sieci tz °C	135	70	45	35
Temperatura powrotu w sieci tp °C	60	30	25	20
Temperatura zasilania w budynku tzw °C	95	50	40	–
Temperatura powrotu w budynku tpw °C	70	35	30	–
Zapotrzebowanie na energię końcową EK kWh/(m2rok)	90–350	50–90	0–50	nadmiar +30
Zapotrzebowanie na energię pierwotną EP kWh/(m2rok)	99–383	44–79	0–33	–
Ciepło odpadowe z procesów technologicznych	3%	10%	15%	20%
OZE	5% instalacje pilotażowe: kolektory słoneczne, biomasa	15% kolektory słoneczne, PV, siłownie wiatrowe biomasa, geotermia	30% kolektory słoneczne, PV, siłownie wiatrowe biomasa, geotermia	50% kolektory słoneczne, PV, siłownie wiatrowe biomasa, geotermia
Ciepło z odpadów i biogazu – wysypiska	2%	5%	5%	20%
Chłodzenie	brak	centralne lub lokalnie scentralizowane	lokalnie scentralizowane	indywidualne lub lokalnie scentralizowane
Magazynowanie	zasobniki wodne źródło	zasobniki wodne źródło + węzły	zasobniki wodne, materiały PCM	materiały PCM oraz termochemiczne
Kontrola	tabele temperaturowe	regulacja pogodowa źródło + węzły	pełna regulacja pogodowa oraz profile użytkowników	pełna regulacja pogodowa oraz profile użytkowników

Źródło: Opracowano na podstawie: Konieczność reorganizacji systemów ciepłowniczych w świetle zmian zachodzących w sektorze budowlano-instalacyjnym, Michał Turski, Robert Sekret, „Rynek Energii”, sierpień 2015.

W przyszłości przewidywane jest zintegrowanie systemów ciepłowniczych w hybrydowe systemy energetyczne pozwalające na kombinowane połączenie i jednoczesne koordynowanie sieci elektroenergetycznej, ciepłowniczej, chłodniczej oraz gazowej.

Ciepłownictwo a smog

Ciepłownictwo bez wątpienia jest sprzymierzeńcem w walce ze smogiem. Energia wprowadzana do sieci ciepłowniczej najczęściej pochodzi ze źródła ciepła, które podlega nie tylko koncesjonowaniu, ale także ostrym wymaganiom w zakresie wielkości dopuszczalnych emisji pyłów i gazów. Przepisy te narzucają nie tylko wysokość komina, ale także konieczność budowy i stosowania instalacji do oczyszczania spalin: odsiarczania i odazotowania. Ilość i skuteczność tych instalacji zależy od wielkości ciepłowni czy też elektrociepłowni. Ich działanie jest przedmiotem kontroli Wojewódzkich Inspekcji Ochrony Środowiska.

Wyposażenie w instalacje oczyszczania spalin i surowe wymagania norm europejskich sprawiają, że jednostka ciepła dostarczona do ogrzania mieszkania za pośrednictwem sieci ciepłowniczej wytworzona w takim źródle ciepła niesie ze sobą ładunek zanieczyszczeń wielokrotnie mniejszy, niż gdyby wytworzona została w małej lokalnej kotłowni lub nawet własnym kotle spełniającym kryteria 5 klasy a nawet ekoprojektu.