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Polybuten-Rohrleitungssysteme für Fernwärme

Polybuten-1-Rohrleitungssysteme werden weltweit für Fernwärmenetze verwendet und versorgen öffentliche Gebäude und Einrichtungen, sowie Wohn- und Büroblöcke mit Heiz- oder Kühlenergie aus effizienten und ökologisch optimalen, zentral gelegenen Quellen. Polybuten-1 bietet viele erhebliche Vorteile für Systeme, dazu gehören Flexibilität, Hochdruckfähigkeit, das Ausbleiben von Korrosion und ein geringer Wärmeverlust.
 

A ground-breaking District Energy network was created for Almere, The Netherlands using Flexalen Polybutene piping systems from Thermaflex.


Einführung

PB-1-Rohrleitungssysteme werden aufgrund ihrer Flexibilität, ihres thermischen Wirkungsgrades und ihrer Lebensdauer bei hohen Temperaturen von bis zu 95 °C für Fernwärmenetze verwendet.

Was ist Fernwärme bzw. Fernkühlung?

Fernwärme- oder -kühlsysteme liefern aus zentraler Quelle heißes Wasser oder Dampf zum Heizen und kühles Wasser zum Kühlen von öffentlichen Gebäuden und Einrichtungen, Wohn- und Büroblöcken und ähnlichen Gebäuden.

Das heiße oder kühle Wasser wird in isolierten Rohrleitungssystemen verteilt, die unterirdisch verlegt sind. In vielen europäischen Städten sind große Fernwärmenetze in Betrieb, die Heiz- oder Kühlenergie mit minimalem Wärme- bzw. Kühlverlust über viele Kilometer transportieren.

Der entscheidende Vorteil von zentral erzeugter Wärme (durch Wasser oder Dampf) liegt darin, dass umweltverträgliche Quellen genutzt und kombiniert werden können. Der größte Teil stammt aus Wärmekraftwerken, durch die Verwendung der Abwärme aus der Elektrizitätserzeugung. Dies wird als Kraft-Wärme-Kopplung bezeichnet. Die gleichzeitige Elektrizitäts-und Wärmeerzeugung verdoppelt den Wirkungsgrad im Vergleich zu einfachen elektrischen Anlagen um 40 % bis über 80 %. Die Wärme aus Müllverbrennungsanlagen und industriellen Prozessen sowie zunehmend aus Ökoenergie, wie etwa Biomasse, Biogas, Erdwärme und Solarenergie stellt eine weitere wichtige Quelle dar.

Eine weitere Form der Fernwärme ist die zentrale Wärmeversorgung für Schulen und Universitäten, Hotelanlagen, Flughäfen oder Einkaufszentren. Dies wird als Nahwärme bezeichnet.
 

Hintergrund

Fernwärme (auch bekannt als Fernwärme und Kühlung) wird in Europa seit fast 100 Jahren für die Wärmeversorgung in den Gemeinden eingesetzt. Bis 1980 wurden ausschließlich Stahlsysteme mit Wärmedämmung eingebaut, überwiegend in Betonkanälen. 1974 wurden vorisolierte Systeme eingeführt, doch auch bei diesen verwendete man immer noch Stahlrohre, bei denen es ein Hauptproblem gab: die Korrosion. Dadurch entstand der Anreiz für Energieversorger weltweit, nach korrosionsfesten Lösungen zu suchen.


Vorisolierte Rohrsysteme

Vorisolierte PB-1-Rohrleitungssysteme sind ein zentraler Bestandteil von Fernwärme. Vorisolierte Rohre werden durch eine fortschrittliche Produktionstechnologie aus umweltfreundlichen Materialien und vollständig recycelbaren Güteklassen der Polyolefinmaterialgruppe hergestellt. Zu diesen Materialien gehören das Polybuten-1-Innenrohr, der flexible geschlossenporige Polyolefinschaum und der elastische Hart-Polyethylen-Außenmantel.


 


PB-1 für Fernwärme

PB-1 verfügt über die höchste Druckfestigkeit im Vergleich zu PE-X und PP, einen geringen Wärmeverlust sowie führende chemische Beständigkeit, insbesondere bei aggressivem Thermalwasser.

Die Auswahl von hochwertigen Systemen für Fernwärme

  • Große Durchmesser für unterirdische und Inneninstallationen
  • Hohe Dampfbeständigkeit
  • Wärmeverlust von weniger als 1 °C pro Kilometer.
  • Hohe Flexibilität bei kleinen/mittleren Durchmessern, die in Rollen versendet und verlegt werden
  • Lange Stücke reduzieren die Verbindungen
  • Mit schweißgeeigneten Armatursystemen kombinierbar
  • Geringes Gewicht für effiziente Logistik und Handhabung
  • Keine Korrosion oder Probleme mit Verkalkung
  • Ausgezeichnete chemische Beständigkeit, insbesondere bei aggressivem Thermalwasser
  • Langzeitverhalten bis zu einer maximalen Betriebstemperatur von 95 °C, mit der höchsten Druckauslegung im Vergleich zu PE-X und PP.
  • Umfassende Systeme von vorisolierten Rohren und schweißgeeigneten Armaturen für das vollständige Anforderungsspektrum.


     

PB-1 vs. PEX & PE-RT for District Energy Piping

A true cost comparison between piping systems should include installation time, jointing options, life span and SDR rating.

Polybutene-1 offers tangible benefits for District Energy systems compared to PEX and PE-RT

For District Energy projects, the true cost variation of piping systems across competing materials is more than a per length cost comparison for the same outside pipe diameter.

Specifiers look at: ease of installation impacting onsite costs; jointing options, long-term system performance and projected life span; and Standard Dimension Ratio (SDR) comparing pipe materials for durability against pressure.

When compared to PEX and PE-RT systems, PB-1 offers significant benefits across a broad range of performance categories all contributing to make PB-1 piping systems the optimum choice for high performance District Energy installations.
 

Standard Dimension Ratio (SDR)

What is SDR?

SDR rates pipe durability against pressure and correlates a pipe's outside diameter and wall thickness.

The SDR or the Standard Dimension Ratio refers to the geometry of a pipe. SDR is a method of rating a pipe's durability against pressure and it describes the correlation between the pipe dimension and the thickness of the pipe wall. SDR 11, for example means that the outside diameter of the pipe is eleven times the thickness of the wall.

  • High SDR ratio
    The pipe wall is thin compared to the pipe diameter
  • Low SDR ratio
    The pipe wall is thick compared to the pipe diameter

Example calculation:
SDR for a pipe with an outside diameter of 100mm and wall thickness of 5mm can be calculated as:
100mm / 5mm = SDR 20
 

Why does SDR matter for District Energy systems?

Due to the higher SDR ratio of PB-1 compared to either PEX or PE-RT, PB-1 piping systems deliver the following benefits because of its lower wall section requirements for the same pressure rating and outside pipe diameter:

  • Less material for the same pressure capability
  • Less weight per meter of pipe
  • Lower outside pipe diameter for the same performance
  • Larger inside area for the same outside diameter providing:
    - Higher flow rate at the same pressure
    - Lower pressure loss, requiring less energy to run a system or pumps with lower capacity

SDR Classes and Pipe Dimensions

SDR classes quoted in National Standards for District Energy piping systems


National Standards (RU & NL)
The source for District Heating piping dimensions comparing materials PB-1, PEX and PE-RT

The current Russian standard for District Heating (GOST 56730 – 2015) and the Dutch guideline (BRL 5609 - and the draft of renewed BRL 5609) both include a comparison of 3 materials for District Heating piping systems: PB-1, PEX and PE-RT.

Both the Russian standard and the Dutch guideline have the same requirements in relation to the pipe dimensions and SDR classes of the 3 service pipe materials operating at pressures of 6 bar, 8 bar and 10 bar.

Per the Russian standard and the Dutch guideline the table (at right) is an excerpt of the relevant table showing the SDR classes for the listed materials at different pressure ratings. As indicated, for each operating pressure PB-1 is listed in the highest SDR class when compared to either PEX or PE-RT. The section below explains what this means, why standards refer to pipe dimensions and SDR classes and what are the benefits for pipe system specifiers.


Pipe Dimensions and SDR Classes
PB-1 pressure capability delivers benefits versus PEX and PE-RT

The higher SDR class of PB-1 delivers the following benefits:
• Thinner wall section
• Less material (less weight)
• Larger inside diameter and area

To illustrate the performance of PB-1, PEX and PE-RT in relation to the given operating pressure of 8 bar at the small pipe diameter of 50mm ø, the table and diagram below provide a comparison of the internal pipe dimensions required.
 

Example 1:  Small pipe – 50mm diameter @ 8 bar

PB-1 is stronger than both PEX and PE-RT and with an operating pressure of 8 bar and an outside pipe diameter of 50mm ø the required wall thicknesses are:

Per above, at the same water pressure, the larger inside diameter of PB-1 50mm outside ø pipe delivers a substantially higher flow rate than the other two materials. Taken the other way, at a given flow rate PB-1 pipes yield a lower pressure loss requiring less energy to run systems and/or pumps with a lower capacity.

As shown in the graphs above and for the purposes of comparison, PE-RT may be considered the benchmark at 100%. When comparing the inside cross-section area of a 50mm ø pipe (left graph) PB-1 clearly outperforms PE-RT with an additional 27% of volume. Also, in comparing the amount of material per meter for a 50mm ø pipe rated for 8 bar (right graph), PB-1 pipe uses 29% less material than PE-RT.

Once again for the purposes of comparison, PE-RT may be considered the benchmark at 100%. Per the above graph (left), using the same operating water pressure, a 50mm outside diameter pipe (8 bar) made from PB-1 delivers a substantially higher flow rate of +35% when compared to the identically rated PE-RT pipe of the same outside diameter.

Measured using the other comparison point (right): at a given flow rate (output) PB-1 pipes yield a 44% lower pressure loss versus PE-RT pipes. This means that PB-1 pipes require less energy to run a system - or - can accommodate pumps with a lower capacity for the same output.
 

Example 2:  Large pipe – 160mm diameter @ 10 bar




Due to a higher SDR rating (and therefore a thinner wall section) a PB-1 pipe of 140mm ø delivers the same performance as a PE-RT pipe of 160mm ø, but with a smaller outside diameter and larger inside pipe cross-section area.

At a 10 Bar operating pressure pipe of 160mm outside diameter:

  • PE-RT @ SDR 6
    60mm ø pipe has an internal cross section area of 8,958mm2

  • PEX @ SDR 7.4
    160mm ø pipe has an internal cross section area of 10,605mm2

  • PB-1 @ SDR 9
    With a smaller outside diameter of 140mm ø PB-1 has an internal cross section area of 9,263mm2

In addition, as shown in the graph (right), the weight of 160mm outside diameter PB-1 pipe rated for 10 bar is almost half of the weight for the same outside diameter and rating pipe made from PE-RT.
 

Jointing Techniques for District Heating Pipes
PB-1 is a versatile material for all available jointing techniques


The Bottom Line
Specifying PB-1 piping systems for District Energy offers:

  • Substantial material saving opportunities, while at the same time increasing the capacity of the system
    – thinner walls
    – increase of the available inside cross section area
  • A higher degree of design freedom for District Energy grids
    – opportunity for using smaller outside pipe and fitting diameters
  • A clear opportunity for reduced integral installation cost and operating cost
    – smaller pipe support frames
    – use of less insulation material
    – smaller pumps running at reduced energy consumption
    – lighter overall weight for easier handling and lower shipping costs
  • In addition: PB-1 can be fully re-used and recycled

PB-1 vs. PEX & PE-RT – download
 


Universitätstests

Universitätsergebnis: „Nach 8 Jahren im Einsatz zeigte sich, dass PB-1-Rohrproben aufgrund der Anlassbehandlung und des Tempervorgangs während dieses Zeitraums stärker als neue PB-1-Rohre sind.“

Universitätstests für das optimale Kernrohr

Ein Energieunternehmen mit Sitz in Österreich war einer der Vorreiter, die alternativen Lösungen nachgingen, und es wies das Kunststoffinstitut der Montanuniversität Leoben an, ein Testprogramm durchzuführen, um optimale Lösungen für Fernwärmenetze zu finden.
 

Universitätsergebnisse

Die Ergebnisse für das Kernrohr waren eindeutig: Polybuten-1 war das beste Kunststoffmaterial für hohe Temperaturen (max. 95 °C).

Dieses Ergebnis ermutigte das österreichische Energieunternehmen, ein Joint Venture mit einem Rohrhersteller zu gründen, um vorisolierte Rohrsysteme mit Polybuten-1-Kernrohren zu produzieren und zu vermarkten.
 


Fallstudien

Österreichisches Fernwärmenetz

Anschließend an diese Studien wurden in Österreich seitdem 42 Netze mit 210 km Rohrleitung verlegt. Vor 1987 wurden 70 km Rohrleitung verlegt. Diese Netze wurden als sogenannte „Sekundärnetze“ bezeichnet, die von Primärleitungen mittels zentraler Wandlerstationen mit Wärmeübertragern gespeist wurden, um die Temperaturen auf maximal 90 °C und den Druck auf 5 bar zu reduzieren.

Nachdem sie 8 Jahre im Betrieb waren, wurden Stichproben dieser Polybuten-1-Rohre an Prüfinstitute in Österreich versendet, um die sich bereits in Betrieb befindlichen Rohre mit neuen zu vergleichen. Das erstaunliche Ergebnis war, dass die benutzten Rohre sogar noch stärker als die neuen Polybuten-1-Rohre waren. Das Tempern und Vergüten der Rohre während deren Einsatzes in den ersten acht Jahren hatten sich positiv ausgewirkt.
 

Erdwärmezentrum Wien

Das aggressive Thermalwasser in Wien verursachte große Korrosionsprobleme bei Metallrohren. Während der Planung des neuen Erdwärmezentrums in Wien im Jahr 1972 wurde daraufhin ein 2-jähriger Testzyklus mit mehreren Rohren aus Edelstahl, PVC-C, Epoxid und Polybuten-1 durchgeführt.

Polybuten-1 erwies sich als das beste Material und wurde daraufhin vom Ursprung bis zum Erdwärmezentrum in allen Erdwärmeleitungen verlegt, mit einer Doppelhauptleitung mit einem Außendurchmesser von 225 mm und einer Länge von 1,4 km sowie Innenrohrleitungen von 2 km Länge mit Außendurchmessern von 20 mm bis 225 mm. Diese Rohrleitungen wurden über 30 Jahre lang (bis die Einrichtung erweitert wurde) fortlaufend bei 54 °C und 10 bar ohne jegliche Störung betrieben.
 


Beispiele vor Ort




 

 

Polybuten-1 wird häufig auch als Polybuten, PB, PB-1 oder Polybutylen bezeichnet.

Die PBPSA-Mitglieder verkaufen Polybuten-1 nicht für Rohrleitungsanwendungen, die für den Gebrauch in Nordamerika vorgesehen sind, und den Kunden und Händlern dieser Parteien ist es untersagt, aus PB-1 hergestellte Produkte für den Gebrauch in Rohrleitungsanwendungen für Nordamerika zu verkaufen.