3. Soojusvajadus ja tarbijad

3.1 Soojusvajadus

3.1.1 Ruumide kütmine

Ruumide kütmise eesmärk on luua mugav sisekliima, kui välistemperatuur on sisetemperatuurist madalam. Ruumide kütmiseks vajaliku soojavajaduse üksikasjalik analüüs on esitatud õpikus „Hoonete küte“ (autorid Teet-Andrus Kõiv ja Aivar Rant). Kaugküttega seonduvaid ruumide kütmise aspekte on seal käsitletud põgusalt.

Mida külmem on kohalik kliima ja mida kõrgem on sisetemperatuur, seda suurem on soojuse vajadus ruumide kütmiseks. Ruumi soojusvarustus peaks kompenseerima seinte, akende ja katuse soojusülekande kadusid ning mehaaniliste või looduslike ventilatsioonisüsteemide õhuvarustuse soojendamist. Välistemperatuur on kõige olulisem muutuja, mida on vaja, et välja selgitada nii päevase soojusvajaduse maht kui ka aastast aastasse varieeruv ruumide kogusoojusvajaduses.

Hoone soojusvajadus (kWh/a) on soojuse hulk, mida ruumi küttesüsteem peab kogu kütteperioodi jooksul andma, et siseruumides oleks kogu aasta jooksul soovitud temperatuur. Selle arvutamiseks vajalikud kraadpäevad erinevates Euroopa riikides on esitatud joonisel 3.1.

Ka Euroopa energiakasutusest moodustab ruumide kütmine suure osa. Kütte kraadpäevad on hoone kütmiseks vajaliku energiavajaduse lähtepunkt. See parameeter tuletatakse välisõhu temperatuuri mõõtmistest. Hoone puhul kasutatavaid küttenõudeid peetakse mingil määral proportsionaalseks kraadpäevade arvuga hoone asukohas. Kuid need sõltuvad ka mitmetest muudest teguritest, näiteks hoone projekteerimine ja soojustamine, kütte- ja jahutussüsteemide kättesaadavus ja tüüp, energiahinnad ning tarbijate käitumine. On näha, et Balti riikides ja Põhjamaades on Euroopa Liidu riikidest kõige külmem kliima ja kõige suurem kraadpäevade arv.

Kraadpäevade arvutusmetoodikat illustreerib joonis 3.2. Kasutatakse ruumides vajalikku sisetemperatuuri, välisõhu temperatuuri ja künnise temperatuuri ehk välisõhu temperatuuri, millest madalama temperatuuri korral hakatakse ruume kütma.

Eurostati arvutuste kohaselt on kraadpäevade arv leitav hoone sisetemperatuuri Tin (°C, joonisel 18 °C) ja välisõhu päevase keskmise temperatuuri Tmean (°C) vahena, juhul kui Tmean on väiksem kui künnise temperatuur Tk (°C, joonisel 15 °C). Kui Tmean on suurem kui künnise temperatuur Tk, , on kraadpäevade arv null. Tmean avaldub päeva maksimaalse ja minimaalse temperatuuri aritmeetilise keskmisena.

Kaugküttega kortermajades on harilikult radiaatorküttesüsteem, kuid vähesel määral esineb ka põrandakütet. Muid keskkütte liike, nagu õhkküte või aurküte, peaaegu ei esine.

Hoonete soojusvajadus on üldiselt vähenemas. See on peamiselt põhjustatud vanade hoonete renoveerimisest ja asjaolust, et uute hoonete puhul on meil tänapäeval tegemist hoonetega, mis on ehitatud energiatõhususe printsiipe arvesse võttes; sealhulgas on ka ligi-nullenergiaga hooned.

3.1.2 Sooja tarbevee koormus

Sooja tarbevee pakkumine on kaugküttevõrkude jaoks oluline, isegi olulisem kui ruumide kütmine, kuna see mõjutab kaugküttevõrgu olulisi parameetreid, milleks on tagasivoolu temperatuur ja küttevee vooluhulk, viimane eriti suveperioodil, kui ruume ei köeta. Madalatemperatuurilistes kaugküttevõrkudes on sooja tarbeveega varustamise peamine probleemkoht sooja tarbevee vajaliku temperatuuri (55 °C) kindlustamine võrgus. Mitmepereelamutes, kus tarbimiskoht võib olla üsna kaugel soojussõlmest, on tüüpiline, et sooja tarbevee edastamiseks kasutatakse eraldi tsirkulatsiooni. Sellel lahendusel on mõned puudujäägid, näiteks tõuseb kaugkütte tagasivoolu temperatuur seetõttu 40–50 °C-ni või kõrgemale, eriti öösiti. Samas võib seda ka kasulikult rakendada, näiteks kütta vannitubades asuvaid rätikukuivatamise torusid tagasivooluga.

Lisanduvad tsirkulatsioonitoru, tsirkulatsioonipumba ja soojusvaheti lisasissevoolu paigaldamise ja töös hoidmise kulud ning vee pumpamiseks kasutatav elektrienergia.

Traditsiooniliste sooja tarbevee ringluse lahenduste korral võib kaugkütte tagasivoolu temperatuuri tõstmisel olla negatiivne mõju soojuskadudele, suurem on aga negatiivne mõju energia tootmise efektiivsusele, kui süsteem ei ole korralikult seadistatud. Tagasivoolu kõrge temperatuuri probleem tarbijate jaoks on eriti märgatav suve- ja üleminekuhooajal, kui küttekoormus on minimaalne või puudub üldse. Teoreetiliselt siseneb külm vesi soojusvahetisse temperatuuril 5 kuni 20 °C, sõltuvalt veeallikast, seega peaks eeldatav sooja tarbevee tagasivoolu temperatuur olema 10 kuni 25 °C. Tegelikkuses on tagasivoolu temperatuur 40–50 °C. Temperatuuri sellise tõusu peamine põhjus on sooja vee ringlus, mis on mitmepereelamutes hädavajalik, kuna see tagab sooja vee pideva kättesaadavuse. Mõnikord võib kõrge temperatuuri põhjustada lukustunud voolukontrollklapp, mis viitab sellele, et soojussõlm on hooldamata või valesti hooldatud. Joonisel 3.3 on kujutatud sooja tarbevee ringluse analüüs tagasivoolu suvise temperatuuri korral.

Sooja tarbevee kasutamine sõltub hoonete renoveerimisest ja tehnoloogilistest uuendustest vähem kui kütte tarbimine. Peamiselt sõltub sooja tarbevee kasutus majaelanike harjumustest. Olukorras, kus küttekoormus väheneb, jääb sooja tarbevee tarbimine enamasti endiseks, moodustades peale renoveerimist suurema osa hoone koguenergiatarbest. Ligi-nullenergia hoonete korral on tüüpiline, et soe tarbevesi moodustab suurema osa hoone küttekoormusest.

Sooja tarbevee ettevalmistamisel kasutatakse peamiselt kahte meetodit: sooja tarbevee otsene ettevalmistamine ja kuuma vee salvestamine. Otsese ettevalmistamise puhul kuumutatakse vesi vahetult enne kasutamist hoone soojussõlme soojusvahetis. Sel juhul on oluline, et soojussõlme võimsus oleks piisav ka tiputarbimise katmiseks. Sooja tarbevee salvestamise korral võib soojussõlme võimsus olla väiksem ja tiputarbimise ajal kasutatakse salvestuspaagis olevat sooja vett. Mahuti tühjenemisel täidetakse see külma veega. Sooja tarbevee otsene ettevalmistus on levinud pigem vanemates hoonetes ja salvestusega meetod pigem uuemates, energiatõhusates hoonetes.

Sooja tarbevee otsese ettevalmistuse puhul tõuseb öösiti tagasivoolu temperatuur 5 kuni 10 °C võrra soojuse vähese tarbimise tõttu, võrreldes päevase tarbimisega. Mõnel juhul võib tõus olla ka kuni 25 °C, mis on põhjustatud sellest, et kui sooja vett ei tarbita, siis vesi kütte tsirkulatsioonis jahtub vaid 5–10 °C ja kaugkütte tagasivoolu vesi on ligikaudu 45–50 °C. Kehvasti seadistatud soojussõlmede puhul võib juhtuda, et tagasivoolu temperatuur võib olla võrdne pealevoolu temperatuuriga.

Väga vähesed tarbijad sulgevad sooja vee ringluse ööseks või vähendavad ringlustemperatuuri (joonis 3.4). Sel juhul välditakse tagasivoolu temperatuuri tõusu, kuid mõnede korterite puhul ei ole seda nii mugav teostada, kuna kuuma voolava vee temperatuur võib mõne aja madalam olla, sõltuvalt torujuhtme pikkusest ja läbimõõdust. Samas annab selline käitumine energiasäästu ringlusega seotud soojuskadude vähendamise arvelt.

 Ärihoonete tüüpilisest ajakavast tingituna võib nende puhul olla ööpäevane tagasivoolu temperatuuri muutus kuni 20 °C, ka nädalavahetuse ja tööpäevade temperatuuride erinevused on suured. Selle põhjuseks on asjaolu, et päeval tarbitakse palju vett (köök, nõudepesumasin, dušš) ning öösel ja nädalavahetustel tarbimine peaaegu puudub. Seda tüüpi hoonetes on soovitatav veeringlus nädalavahetuseks välja lülitada või vähemalt temperatuuri seadepunkti vähendada.

Hoone energiatõhususe metoodika järgi leitud sooja tarbevee erikulu saab näha tabelis 3.1.

  Tabel 3.1. Sooja tarbevee erikulu ja netoenergia vajadus köetava pinna ruutmeetri kohta

Hoone kasutusotstarve	Sooja vee erikulu l/(m²·a)
Väikeelamu	430
Korterelamu	520
Büroohoone, raamatukogu ja teadushoone	100
Kaubandushoone ja terminal	65
Majutushoone	520
Toitlustus- ja teenindushoone	400
Avalik hoone	340
Haridushoone (v.a koolieelne lasteasutus)	180
Koolieelne lasteasutus	460
Tervishoiuhoone	520

3.1.3 Soojuskoormuse kestvusgraafik

Soojuskoormuse kestusgraafik näitab, kui mitu tundi aastas kestab kindla soojusvõimsuse nõudlus soojusvõrgus. Soojuskoormuse kestusgraafikut on tarvis soojusvõrgu jaoks vajalike tootmisvõimsuste määramiseks ja torustiku dimensioneerimiseks.

Soojuskoormuse aastast kestusgraafikut kasutatakse soojuse tootmise planeerimiseks. Enim sõltub soojuskoormuse kestusgraafik välisõhu aastastest temperatuuridest. Sisuliselt moodustub kaugküttesüsteemi soojuskoormuse kestusgraafik kogu süsteemi osade soojuskoormuste summast – selleks on ruumide kütmiseks kuluv soojusenergia, sooja tarbevee tootmine, protsessi töös hoidmiseks kuluv soojus ja kaugküttevõrgu soojuskaod. Alltoodud joonisel (joonis 3.6) on näidatud klassikaline soojuskoormuse kestusgraafik, millel on eristatud ruumide kütmisele kuluv soojus, soe tarbevesi ja võrgukaod.

Joonisel 3.6 esitatud graafikul on lihtsuse mõttes eeldatud, et kaugküttevõrgu aastane soojuskadu on konstantne. Kuna aga küttevee pealevoolu temperatuur ja torustikku ümbritseva keskkonna temperatuur aasta lõikes muutub, siis tegelikkuses varieerub ka võrgukadu aasta lõikes veidi. Teine soojuskoormuse aastaringne ja muutumatu komponent on sooja tarbevee nõudlus, mis suveperioodil siiski veidi väheneb. Lihtsuse mõttes eeldatakse soojuskoormuse graafikuid koostades, et sooja tarbevee nõudlus on aasta ringi ühesugune.

Eeldatakse, et hoonete energiatõhusus ajas paraneb, mistõttu ruumide kütmisele kuluv soojusenergia osakaal võib märgatavalt väheneda.

3.1.4 Soojuskoormuse kõikumine

Soojuskoormuse hooajaline kõikumine

Soojuskoormuse hooajaline kõikumine on ilmne ja tavapärane. See tuleneb peamiselt välistemperatuuri suurest erinevusest talve ja suve vahel ning nõudest, et temperatuur hoonet ümbritsevas soojustuses oleks enam-vähem konstantne. Soojuskoormused saab jagada kahte kategooriasse: füüsiline soojuskoormus ja sotsiaalsetest teguritest tingitud soojuskoormus. Füüsiliseks soojuskoormuseks nimetatakse füüsilistest tingimustest, nagu temperatuuride erinevused ja isolatsiooniastmed, tingitud soojuskoormusi. Ka soojuse jaotamisest tingitud kaod kuuluvad füüsilise soojuskoormuse hulka. Need sõltuvad kaugküttevee ja kaugküttetorusid ümbritseva keskkonna temperatuuri erinevusest.

Muud füüsikalised soojuskoormuse mõjutajad on tuul ja päikesekiirgus. Tuul suurendab soojusvajadust, kuna soojusülekanne hoone seinte pinnalt on suurem ja külm õhk tungib hoonesse, asendades sooja õhu külmaga. Päikesekiirgus vähendab välise soojuse vajadust kahel viisil: see suurendab katmata välisseinte temperatuuri ja vähendab seeläbi soojuse voogu läbi seinte ja akende, ning tekib ka kasvuhooneefekt – hoonesse lastakse päikesekiirgust, kuid läbi klaasi ja seinte tunginud ja korduvalt peegeldunud pikalaineline kiirgus ei levi enam läbi klaasi tagasi. Nii tuule- kui päikesekiirgus suurendavad hooajalist soojuskoormuse kõikumist.

Sotsiaalne soojuskoormus sõltub hoone elanike käitumisest ja harjumustest. Tüüpiline sotsiaalne soojuskoormus on sooja tarbevee ettevalmistamine. See on igapäevase soojuskoormuse kõikumist mõjutav oluline tegur. Ka sooja vee ettevalmistamine sõltub hooajast. Talvel veedavad inimesed rohkem aega siseruumides ja kasutavad seepärast rohkem sooja vett. Suvel ja pühade ajal lahkuvad mõned inimesed ajutiselt oma linnaelamutest ega kasuta kodus üldse sooja vett. Seega suurendab sooja tarbevee ettevalmistamine hooajalist soojuskoormuse muutust. Sooja tarbevee füüsilise soojuskoormuse üks osa on sissetuleva vee temperatuuri muutumine aasta jooksul, eriti linnades, kus värsket vett võetakse pinnaveehoidlast (nagu enamikus Eesti linnades). Sellisel juhul suureneb hooajalise soojuskoormuse kõikumine, kuna tarbitav külm vesi on talvel külmem kui suvel.

Soojuskoormuse päevane kõikumine

Kaugküttesüsteemi soojusvajadust mõjutavad eelkõige kliendid. Soojusvajadus ei ole päeva jooksul ühesugune, ehkki kaugküttesüsteemides ühtlustuvad geograafilise mitmekesisuse tõttu igapäevased soojuskoormuse muutused ja soojuskoormuse tipud ei teki samal hetkel. Kaugküttesüsteemide igapäevastel soojuskoormuse kõikumistel on mitu põhjust. Enamik neist lähtub sotsiaalsest soojavajadusest. Kui inimene otsustab käte pesemiseks soojaveekraani lahti keerata, suureneb hoone soojusvajadus, mis jõuab kaugküttevõrgu kaudu soojusvarustusjaama. Sotsiaalse soojusvajaduse põhjusteks on nii individuaalne kui ka kollektiivne sotsiaalse käitumine. Üks näide individuaalsest sotsiaalsest käitumisest on sooja vee tarbimine. Ühtlustatud tööaeg on kollektiivse sotsiaalse käitumise näide.

Avalikes hoonetes, nagu koolid, lasteaiad ja kontorid, kus öösel ja nädalavahetustel pole ühtegi inimest, saab langetada ventilatsioonisüsteemi võimsust. Hea oleks ventilatsiooni automaatikat rakendada kõikides ventileeritavates ruumides, mida 24 tundi ööpäevas ei kasutata. See vähendab soojusvajadust, kuid tekitab ka igapäevaseid soojuskoormuse erinevusi. Elamutes elavad inimesed tavaliselt öösel sooja vett ei tarbi, kuid ärgates on soe vesi üks esimestest asjadest, mida tarbitakse. Sama juhtub siis, kui inimesed tulevad õhtul töölt koju ja hakkavad taas sooja vett kasutama. Öine režiim on olemas enamikus küttejuhtimissüsteemides. See ei vähenda kogu soojuse kasutamist, kuid suurendab soojuskoormuse varieerumist sarnaselt ventilatsiooni automaatikaga. Eelnevas peatükis mainiti sooja tarbevee ettevalmistamist kahel viisil: otseselt ja salvestusega. Otsese ettevalmistuse korral langeb sooja vee tarbimine selle kasutusajaga kokku, tekitades soojuskoormuse varieerumist. Kuuma vee salvestamisel mahupaaki ei väljendu päevased koormuse kõikumised nii tugevalt.

Tüüpiline soojuskoormuse muster on kujutatud joonisel 3.7.

Tavaliselt võib igapäevaseid soojuskoormuse muutusi iseloomustada järgmiselt:

1. Tarbimistipp on pärast lõunat.
2. Kevadel ja sügisel tekitavad öiste ja päevaste välistemperatuuride suured erinevused märgatava soojustarbimise languse keset päeva.
3. Väikesed erinevused nädalapäevade vahel.

3.2 Tarbijad

Tarbijad mõjutavad nii võrgu toimimist kui ka selle parameetreid. Kaugkütte tarbijateks võivad olla nii elamud kui ka mitteelamud.

Suurim osa kaugküttevõrku ühendatud elamutest on korterelamud. Mitteelamute hulka kuuluvad avalik-õiguslikud hooned (haiglad, koolid, lasteaiad), kommertshooned (kauplused, bürood) ja tööstushooned. Mõnel juhul on olemas täiendavad lokaalsed soojustootmisvõimalused, nagu kohalik katlamaja, soojuspump või geotermiline soojus, mida saab kasutada paralleelselt, asendada või kasutada kaugkütte tagavarana. Tarbijad on kaugküttevõrguga ühendatud soojussõlmega (3.2.1). Kaasaegsetes kaugküttesüsteemides kasutatakse kauglugemist tarbijate andmete kogumiseks (3.2.2). Täiendavalt on paralleeltarbimise probleemidest kirjutatud peatükis 3.2.3.

Mõnikord on tarbijad ka soojuse tootjad ning soovivad seda müüa kaugküttevõrku (tootvad tarbijad).  Tootvaid tarbijaid on kirjeldatud peatükis 3.2.4.

3.2.1 Soojussõlmed

Soojussõlm on hoone või hoonerühma seadmestik, mille abil soojusenergia tarbijad on ühenduses soojus- ehk kaugküttevõrguga.

Soojussõlmes muudetakse välise soojusvõrgu soojuskandja temperatuur ja rõhk sobivaks hoone kütte- ja ventilatsioonisüsteemile. Soojussõlme abil soojendatakse vajaliku temperatuurini sooja vee süsteemis tarbitav vesi. Soojussõlm võib olla avatud tüüpi (kaugkütte soojuskandjat kasutatakse otse hoone küttesüsteemides) või suletud tüüpi. Tänapäeval ehitatakse suletud ühendusega ehk plaatsoojusvahetitega soojussõlmi. Iga soojussõlme kontuur vajab sekundaarpoolel erineva temperatuuriga soojuskandjat.

Soojussõlmede põhikomponendid on: soojusvahetid, pumbad, automaatika ja toruarmatuur (sulgeventiilid, mudafiltrid, tagasilöögiklapid ja torustik).

Soojusvaheti

Soojusvaheti on soojussõlme üks tähtsamaid seadmeid. Soojusvaheti eraldab hoone küttesüsteemi kaugküttevõrgust, st primaarkontuuris voolava vee temperatuur ja rõhk on sõltumatu sekundaarpoolel kasutavast keskkonnast ja rõhust. Plaatsoojusvaheteid on kahte tüüpi: joodetud ja avatavad ehk tihenditega.

Tänapäeva soojussõlmedes kasutatakse üldjuhul joodetud plaatsoojusvaheteid, mis taluvad kõrgeid temperatuure ning rõhke, tagavad tõhusa soojusülekande,  on hooldusvabad ja soodsa hinnaga.

Soojusvaheti parameetrid arvutatakse ette antud võimsuse, temperatuurigraafikute ja lubatud rõhukadude järgi spetsiaalsete, soojusvaheti tootjafirmade poolt koostatud arvutusprogrammide abil.

Joodetud plaatsoojusvahetid koosnevad reljeefsete roostevabast terasest plaatide pakist, mis on vase- või niklijoodisega kokku joodetud. Plaadipaki koostamisel pööratakse iga teist plaati 180°, mille ühendamisel tekib kaks eraldi voolukanalit – primaar- ja sekundaarpool, kus mõlemal pool plaati voolavad erinevad vedelikud vastassuunas.

Soojusvahetite kasutusotstarve on mitmekeseine – peale kütmise kasutatakse neid  jahutus-, aurustus- ja kondenseerimisprotsessides.

Automaatne reguleerimissüsteem

Automaatsed soojussõlme reguleerimisseadmed peavad võimaldama hoone soojuskadude võimalikult täpset kompenseerimist, et hoone kõikides ruumides oleks tagatud hea sisekliima võimalikult väikese energiakuluga.

Regulaator-seadekeskus võtab vastu signaale anduritelt, võrdleb neid ette antud reguleerimisparameetritega ning sisestatud programmiga ja vastavalt sellele juhib soojussõlme reguleerventiili täiturmootori kaudu. Seadeventiili avamise ja sulgemisega muudetakse primaarkontuuri vooluhulka ja sellega automaatselt ka sekundaarpoolel kütte või sooja vee kontuuri siseneva keskkonna temperatuuri.

Regulaatorid, mis paigaldatakse uutesse või rekonstrueeritavatesse soojussõlmedesse, peaksid võimaldama soojussõlme jälgimist ja juhtimist üldise hooneautomaatika kaudu.

Temperatuuriandurid

Temperatuuriandureid kasutatakse soojussõlmes voolava vee ja väliskeskkonna temperatuuride mõõtmiseks. Üldjuhul kasutatakse soojussõlmedes nn vette uputatud temperatuuriandureid. Pinnal asuvaid temperatuuriandureid on otstarbekas kasutada ainult aeglase temperatuurimuutusega reguleerimiskontuuris ja väikemaja reguleerimisseadmes, kui nad on hoolikalt torule kinnitatud ja isoleeritud.

Sõltumatu ühendusskeemi korral tuleb temperatuuriandur paigutada vahetult soojusvaheti järele sellisesse kohta, kus temperatuur on piisavalt ühtlustunud. Välistemperatuuri andur tuleb paigaldada hoone loode- või põhjapoolsele seinale.

Täiturmootor

Täiturmootor reguleerib seadekeskuse kaudu seadeventiili asendit. Täiturmootorid on erineva reageerimiskiirusega. Aeglasemaid mootoreid kasutatakse suure soojusliku inertsiga süsteemides (radiaator- ja põrandaküte), kiiremaid ventilatsiooni ja sooja tarbevee korral.

Reguleerventiilid

Reguleerventiili avamise ja sulgemisega muudetakse läbivooluhulka süsteemide primaar- ja sekundaarpoolel. Nad jagunevad 2-, 3- ja 4-tee ventiilideks, soojussõlmede primaarpoolel kasutatakse tavaolukorras 2-tee ventiile.

Soojussõlmes paigutatakse reguleerventiilid sõltumatu ühendusskeemi korral pealevoolutorule. Reguleerventiilid valitakse, kasutades primaarpoole arvutatud vooluhulkasid ja majaühenduses teada olevat rõhkude vahet.

Tsirkulatsioonipumbad

Tsirkulatsioonipumpasid kasutatakse soojussõlmes tagamaks vedelike ringlus torustikus; sõltumatu küttesüsteemi korral paigaldatakse need tagasivoolu- ja segamissõlmes pealevoolutorule.

Pumbad võivad olla kuiv- või märgmootoriga. Elamutes ja ühiskondlikes hoonetes võib kuivmootoriga ringluspumpasid kasutada, kui pöörlemiskiirus on maksimaalselt 1500 pööret minutis, märgmootorpumba pöörlemiskiirus võib igas olukorras olla maksimaalselt 3000 pööret minutis.

Tsirkulatsioonipumbad valitakse vastavalt süsteemi arvutatud rõhukaole ning vooluhulgale ja soojussõlme takistusele. Euroopa Liidu direktiivide kohaselt tuleb küttesüsteemides kasutada sagedusmuunduriga pumpasid, soojal tarbeveel võib olla ka konstantse kiirusega seade.

Filtrid

Soojusvahetite, pumpade, reguleerventiilide, soojus- ja veemõõtjate kaitsmiseks vedelikes sisalduvate mehaaniliste osakeste, rooste ja sodi eest peavad soojussõlmed olema varustatud filtritega.

Tavakasutuses olevad filtrid on flants- või keermesühendustega, filterelemendiks on roostevabast materjalist võrk-sõel, mille augud on eri suurusega (0,6–1 mm). 

Mudafiltrid paigaldatakse sissevoolu torustikele enne kaitsmist vajavaid seadmeid, näiteks soojustrassi ja külma tarbevee sisenditele ja sekundaarpoole tagasivooludele kütte ja sooja tarbevee tsirkulatsioonikontuurile.

Paisupaak

Paisupaak on silindriline suletud anum, mis on kummimembraaniga jagatud kaheks osaks. Paagi üks osa on ühendatud küttetorustikuga ja täidetud veega, teine pool täidetud gaasiga (lämmastik, õhk). Normaalolekus on membraan surutud vastu sisendtoru ja paak on veest tühi tänu gaasi rõhule, mida nimetatakse paisupaagi eelrõhuks. Gaasi rõhku saab reguleerida, lisades seda ventiili kaudu gaasipoolsesse ossa. Temperatuuri tõusul vedelik paisub ja gaas surutakse membraani abil kokku, paisupaak täitub teatud osas veega, hoides ära rõhu ohtliku tõusu süsteemis; mahu vähenedes surutakse liigne vesi tagasi süsteemi, säilitades ettenähtud rõhu kontuuris.

Süsteemi ja ka paisupaagi kaitseks vedeliku liigse rõhutõusu puhul kasutatakse vedruga kaitseklappe. Rõhu tõusul klapil seadistatud suuruseni surutakse vedru kokku ja klapp avaneb, lastes liigse vedeliku kanalisatsiooni või vastavasse mahutisse, rõhu tasakaalustumisel klapp sulgub.
Kaitseklapid paigaldatakse paisumistorustikule.

Muud seadmed

Soojussõlme seadmete hulka kuuluvad ka tasakaalustusventiilid, mille abil seadistatakse täpselt süsteemile projekteeritud soojuskandja vooluhulk.

Sulgeventiilide ülesandeks on erinevate kontuuride sulgemine kas soojussõlme seiskamiseks või teatud remondi- ja hooldustöödeks (filtrite puhastus, seadmete vahetus). Spetsiaalsed tasakaalustusventiilid võivad töötada ka sulgeventiilidena.

Normidest tulenevalt soovitatakse puhkudel, kui ringleva kaugküttevee rõhkude vahe tarbija majaühenduses muutub enam kui 200 kPa, kasutada diferentsiaalrõhu regulaatorit.

3.2.2 Kauglugemine

Täpne ja vähemalt igatunnine mõõtmine on neljanda põlvkonna kaugküttevõrgus väga oluline. Veebimõõdikud ja kodused energiajuhtimissüsteemid on nutika kaugküttevõrgu oluline osa. See võimaldab mõista ja optimeerida energiatarbimist, teha võrgu täpseid geomeetrilisi arvutusi ja toota energiat ka detsentraliseeritud tootmisüksuses (peatükk 2.3.5).

Endiselt on olemas kaugküttevõrke, kus tarbitud soojushulga määramine toimub ilma arvestita, kasutades ainult arvutusmeetodit. Selliseid võrke leidub enamasti Ida-Euroopas. Õnneks on alustatud kõikides teadaolevates arvestita võrkudes soojusarvesti paigaldamist iga tarbija soojussõlme. Elanike arvete koostamiseks üksikasjalikke mõõtmisi enamasti ei tehta. Lihtsaim ja levinuim lähenemisviis on soojuskulu jaotamine elamispinna kohta (kWh/m2), kuid see ei motiveeri elanikke energiat säästma. Tuginedes Tallinna tarbijastatistikale, mõjutab radiaatoritele termostaatide paigaldamine energiasäästu pigem negatiivselt – majad hakkavad kulutama veelgi rohkem energiat, võrreldes olukorraga, kui arveid koostatakse elamispinna ruutmeetite järgi. Sel juhul tuleks kasutada teistsugust arveldusmeetodit, näiteks paigaldada soojuse jaoturid.

Tänapäeval on selleks vajalik tehnoloogia küllalt arenenud ja odav, mistõttu kauglugemisest on saamas standardlahendus. Esimesed kaugloetavad mõõtesüsteemid ilmusid 1990. aastatel, kuid hästi arenenud ja mõistliku hinnaga süsteemid on populaarseks saanud alles viimasel kümnendil, kuna internetiühendus ja mobiilsidetehnoloogia on muutunud odavamaks. Kauglugemine on elektrivõrkudes väga levinud – seda on seal üsna lihtne rakendada, kuna elektrijaotuse ettevõtetel on rohkem võimalusi ja neil on rohkem tarbijaid (seega on ühiku hind madalam) ning andmeid saab edastada elektriliini kaudu.

Lokaalne raadioside mõõtmine teostatakse käsitsi või sõidukitele kinnitatud seadmetega. Mõõturid on ühendatud väikese võimsusega raadiosaatjatega ja andmeid saab lugeda ainult siis, kui vastuvõtja on saatja lähedal (kuni 50 m). Seda tüüpi mõõteseadmeid kasutatakse tarbimisandmete kogumiseks kuu lõpuks, sest andmetöötlus on pigem aeganõudev ja igapäevane tarbimisandmete lugemine võib võtta aega, mis muudab suurte võrkude korral kõigi tarbijate andmete lugemise võimatuks. Pisut nutikam lahendus on paigaldada vastuvõtjad prügiveokitele, kuna need liiguvad pidevalt kogu linnas ja nad sõidavad vähemalt kord nädalas igast majast mööda. Veokitele kinnitatud seadmetel on kohalik andmete salvestusruum ja andmed saadakse sealt „baasist“. Nii kogutakse andmeid vähemalt kord kuus, minimeerides samal ajal transpordi- ja tööjõukulusid. Selle mõõtmismeetodi negatiivne külg on vajadus saada erinevad ettevõtted koostööd tegema, mis võib osutuda problemaatiliseks.

Raadiosidega lugemismõõdikud üle linna või selle osades

Saatjad on kas ise võimsamad või ühendatud võimenditega. Andmekogumissüsteemis on tavaliselt üle kogu linna paigaldatud kohalikud vastuvõtjad mõõtetulemuste salvestamiseks konkreetses piirkonnas ja seejärel saadetakse need raadioside teel põhivastuvõtjale või laaditakse internetiühenduse abil otse serverisse. Sellisel juhul toimub andmetöötlus tavaliselt iga 24 tunni järel, kuid andmed saadetakse enamasti tunnimõõtmiste paketina. Ühe arvesti kohene lugemine on teatud piirangutega võimalik ja võtab paar minutit. Selle süsteemi peamine negatiivne külg on suured investeeringud tugijaamade paigaldamiseks. Arvestades tänapäeval saada olevaid tehnoloogiaid, on märksa otstarbekam valida mõni muu viis andmete kogumiseks.

Perioodiline andmelugemine Etherneti või GSMi teel

Tegemist on eelnevalt kirjeldatud tehnoloogia täpsema versiooniga. Peamine erinevus on vahepealsete vastuvõtjate ja saatjate puudumine linnas, arvesti näidud laaditakse otse serverisse kord päevas tunninäitude paketina. Ühe arvesti kohene lugemine on võimalik väikeste piirangutega ja kuni paariminutilise viivitusega. Investeeringud on väiksemad, kuid lugemisintervall on siiski piiratud ühe kuni mitme tunnini.

Näidud kogu linna kohta laaditakse otse serverisse vähemalt kord tunnis. Ühe näidu lugemine on võimalik minimaalse viivitusega, samas kui andmete lugemise praktiline intervall on sõltuvalt soojusarvesti riistvarast piiratud 5–15 sekundiga. Selle lahenduse puhul saab andmeid vahetada mõlemas suunas, seega on võimalik lubada soojusettevõtjal soojussõlme juhtimist ja reguleerimist, kuna tarbijad saavad soojussõlme parameetreid muuta igast internetiühendusega seadmest. Samuti on võimalik läbi viia tarbimise parameetrite ja käitumise üksikasjalikku analüüsi, mis võimaldab kaugküttesüsteemi optimeerida.

Kõigi andmelugemissüsteemide puhul on oluline märkida, et mistahes arvestiga andmete tootmine on energiat tarbiv toiming ja kui andmete lugemist plaanitakse teha sagedamini kui üks kord tunnis, tuleks arvestit laadida patareide asemel toiteallika abil. Kogemustest on teada, et kord tunnis lugemine vähendab aku kasutusaega umbes kaks aastat. Näiteks on aku tüüpiline eluiga 10 aastat ilma lugemissüsteemi kasutamata, kuid kaheksa aastat koos süsteemiga. Tavaliselt tekitab toiteallika kasutamine küsimusi, kes peaks arvestite elektritarbimise eest maksma ja kuidas saab arvutada soojustarbimist elektrivarustuse häirete korral. Tegelikkuses on arvestite energiatarve mitte üle 2–3 kWh aastas ja vastavat elektriarvet ei saa võrrelda pumpamiseks vajaliku elektrienergiaga. Vastuseks teisele küsimusele – elektrikatkestuse korral ei anta soojust kütteseadmetesse, kuna küttevee ringlus ei saa ilma tsirkulatsioonipumbata toimuda, mistõttu pole mittetöötav arvesti sel juhul probleem. Samuti on saadaval dubleeritud energiaallikate arvestid, mida kasutatakse mõnes võrgus standardlahendusena. Kaugmõõtesüsteemi olulisuse ja peamised eelised saab välja tuua järgmiste punktidena:

• Täpne tarbimisstatistika – leibkonnad esitavad sageli tarbimisteavet konkreetse perioodi erinevatel päevadel ning igakuine energiamüügi ja soojuskao statistika võib osutuda sellisel juhul valeks.
• Detailne ülevaade võrgu parameetritest – parem peale- ja tagasivoolu temperatuuri reguleerimine, paigaldatud rõhuandurid võimaldavad võrgus paremat rõhureguleerimist ja selle tulemusel saab võrgu parameetreid optimeerida.
• Petmise tuvastamine – tavaliselt külastavad inspektorid soojussõlmi paar korda aastas ja ülejäänud aasta jooksul võivad mõned majapidamised mõõdikuid petta. Soojussõlme parameetrite pidev jälgimine aitab pettureid kiiresti tuvastada ja võimaliku petmiskatse tõendamise jaoks tõendid salvestada.
• Kliendi mugavuse uus tase – alajaama parameetreid ja tarbimist saab interneti kaudu jälgida reaalajas ja igast kohast; kliendid ei pea tarbimisandmeid esitama konkreetsel päeval.
• Soojussõlme tööparameetreid jälgitakse pidevalt, vigu ja tõrkeid saab tuvastada väga lühikese aja jooksul.

3.2.3 Tarbija mõju: tagasivoolu temperatuur ja paralleeltarbimine

Hoone energiatarbimist on võimalik vähendada kütte- ja ventilatsioonisüsteemide renoveerimise abil. Küttesüsteemide parendamine hõlmab soojussõlmede renoveerimist, mille käigus need varustatakse kõrgetasemeliste ja töökindlate kontrollsüsteemidega ning tsirkulatsioonipumpadega. Tänu kaasaegsele soojussõlmele on hoone küttesüsteem paindlikum. Tuleks eelistada soojustagastusega ventilatsiooni, sest see aitab vähendada hoone energiatarbimist. Ka hoone välisfassaadi renoveerimine, akende vahetamine ja katuse soojustamine on suure energiasäästupotentsiaaliga tegevused. Kütte hinna pidev tõus muudab hoonete energiatõhususe parendamise aegamööda aina kulutõhusamaks. Kõik eespool mainitud tegevused langetavad küttekoormust, mida peab arvesse võtma ka kaugküttesüsteemi elementide planeerimisel ja projekteerimisel, et valida optimaalse võimsusega seadmed ja torustike renoveerimisel optimaalse diameetriga torud.

Probleemid ilmnevad siis, kui hoonete renoveerimisel lisatakse süsteemi uusi soojusallikad, mis vähendavad kogu kaugküttesüsteemi energianõudlust. Kui kaugküttevõrguga ühendatud tarbija tarbib soojust ka teistest, kaugküttevõrgust väljaspool asuvatest allikatest, viib see paralleeltarbimiseni.

Uued energiatõhususe standardid toovad kaasa olemasolevate hoonete renoveerimise, sealhulgas korterelamute sektoris, millel on oluline roll energiatarbimise ja süsinikdioksiidi heitmete vähendamisel. Märkimisväärne hulk tarbijaid kaugküttevõrkudes renoveerib hooneid, et jõuda Eesti renoveerimistoetuse programmi C-klassi, (energiatõhususe näitaja (EPI – energy performance indicator) ehk arvutatud aastane primaarenergia (PE) tarbimine peab olema ≤ 150 kWh/m2), et saavutada renoveerimiskulude 40% tasuvus.

Toetuse abil renoveeritud hoonetes saavutatud energiasääst peaks 2030. aastal jõudma korterelamutes 50%-ni ja väikeelamute 40%-ni. Sealjuures võib tekkida paralleelne energiatarbimine, mis on üks takistus üleminekul neljanda põlvkonna kaugküttesüsteemile, kuna paralleeltarbimise tõttu tõuseb kaugküttesüsteemis tagasivoolu temperatuur. Hetkeseisuga on kahe ventilatsioonisüsteemi abil võimalik saavutada suurepärane energiatõhusus ja hoone hea sisekliima. Eesti korterelamute renoveerimise programm toetab ventilatsioonisüsteemidest heitõhu soojuspumba (EAHP – exhaust air heat pump) ja soojustagastusega ventilatsiooni (HRV – heat recovery ventilation) kasutuselevõttu. Heitõhu soojuspump on eelistatav lahendus ühiselt mitme hoone peale, kuna vaid siis on võimalik saavutada vajalik energiatõhususe näitaja, et saada soovitud renoveerimistoetus minimaalse investeerimiskuluga (heitõhu soojuspumba elektritarve on märkimisväärne). Heitõhu soojuspumba kasutamisel on negatiivne mõju ka kaugküttesüsteemile, sest see mõjutab soojuskadusid, vähendab tarbimist ja põhjustab hinnatõusu. Lisaks suurenevad kaugküttesüsteemis olevate tarbijate energiatootmise CO2 heitmed. Heitõhu soojuspumba positiivseks küljeks on, et peaaegu sama primaarenergia tarbimise tase on saavutatav väiksemate aastaste kulutustega (aastased kapitalikulud, sooja tarbevee soojuskulud ja elektrikulud) ning väiksema alginvesteeringuga. Samal ajal on igal heitõhu soojuspumbaga renoveeritud hoonel negatiivne mõju soojuse hinnale. Kaugküttepiirkondades, kus peaaegu kõiki hooneid renoveeritakse heitõhu soojuspumpade abil, ei ole kulude kokkuhoid nii ilmne kui kaugküttepiirkondades asuvate soojustagastusega ventilatsiooniga hoonete korral, kus paralleelsete tarbimislahenduste kasutamine on minimaalne.

3.2.4 Tootvad tarbijad

Tarbijad, kes lisaks tarbimisele ka toodavad soojust ja soovivad seda müüa kaugküttevõrku, on järgmise põlvkonna tarbijad pärast kahe allikaga tarbijaid (peatükk 2.1.4). Esimesed sellised tarbijad on kaugküttevõrkudes juba olemas ja tulevikus tuleb neid tõenäoliselt juurde. Elektrivõrkudes on tootvad tarbijad tegutsenud juba aastaid, kuid kaugküttevõrgus muudab hüdraulika tootva tarbija ühendamise kaugküttevõrguga palju keerulisemaks. Seda tüüpi tarbija on problemaatiline ka soojusettevõtte jaoks, eriti seoses kaugküttesüsteemi tehtavate investeeringutega, kuid tänu võimalusele müüa üleliigset energiat kaugküttevõrku võib see tekitada mõnel juhul teatud sümbioosi.

Tootvad tarbijad ei ole tuleviku tarkades kaugküttevõrkudes mitte ainult olulised sidusrühmad, vaid nende roll võib olla oluline ka nõudluse tippude katmisel. Soojuse detsentraliseeritud tootmine tagab võrgu suurema paindlikkuse ja see võib vähendada ka ehitamiskulusid, kuna tsentraalse katlamajaga ühendamiseks pole vaja üle kogu linna suuri torustikke paigaldada. Soojuse jaotatud tootmine parandab ka soojuse kättesaadavust, kuna võrgu rikked mõjutavad väiksemat arvu tarbijaid ja on olemas paindlikkus anda soojust muust allikast. Puuduseks on see, et õhusaaste kontroll võib olla palju keerulisem, samuti on vaja lahendada võrgu hüdrauliline reguleerimine, parameetrite kontroll ning tagavaratootmisüksuste asukohad.

Siin arvestatakse ainult tarbijate heitsoojusega, kuna kütuseressursside asemel on mõistlik kasutada muidu kasutamata energiat ehk heitsoojust. Selliste allikate kasutamine suurendab energiatarbimise tõhusust ja vähendab kaudset keskkonnareostust. Suurte külmutussüsteemidega supermarketid on üks paremaid näiteid energiat tootvatest tarbijatest. Tavaliselt on jahutusseadmed ühendatud katusel paiknevate soojusvahetitega, kus kõrge temperatuuriga energia eraldub keskkonda. Halvimal juhul võib ruumide ja sooja vee kütmiseks kasutatud soojuse tarbimisega kaasneda soojuse liigne eraldumine keskkonda. Erinevad tootmiskohad, näiteks klaasitehased, tsemendi tootmishooned jms peaksid olema ühendatud kaugküttevõrguga, sest nende heitsoojus on tavaliselt saadaval aasta ringi ja seda on võimalik kasutada baaskoormuse katmiseks.

Korterelamud ja eramajad võivad samuti olla tootvad tarbijad. Päikesepaneelid ja soojuspumbad on odavad ning päikese kõrge aktiivsusega perioodidel võib paneelide abil toodetu ületada maja tarbimisvajaduse. Siin on peamine probleem, kuidas seda energiat võrku anda ja millised on selle parameetrid. Rakendamiseks on siinkohal välja pakutud neli ühendusskeemi (joonis 3.9). Igal skeemil on omad plussid ja miinused.

1. Soojusvarustus pealevoolutemperatuuril – seda võimalust võib kaaluda, kui heitsoojus on kõrge temperatuuriga. Torustikus võib soojuskadu suureneda. Samuti erineb toitetemperatuur võrgugraafikust, mis on kõrgem läheduses asuvate tarbijate jaoks. Pealevoolutoru peab olema ühendatud suurema torujuhtmega, vastasel juhul ei tarnita energiat suletud ahela tõttu. Pumpamiskulud on suhteliselt väikesed, ületada tuleb ainult sisemine rõhulangus.
2. Soojusvarustus pealevoolu temperatuurilt tagasivoolu temperatuurile – siin on ainus eelis see, et lisapumpasid pole vaja. Sellel on samad probleemid nagu esimesel võimalusel, lisaks tõuseb tagasivoolu temperatuur, mis võib vähendada tootmiskoha efektiivsust ja suurendada vee vooluhulka ning soojuskadu võrgus. Kaugkütteettevõtte vaatenurgast on see kõige halvem variant, aga parim tarbija seisukohast.
3. Soojusvarustus tagasivoolu temperatuurilt pealevoolu temperatuurile – see on kaugküttevõrgu jaoks parim skeem, kuna võimaldab kasutada madalama temperatuuriga heitsoojust ja vähendab energiakulu soojuskandja pumpamisel. Puudusena nõuab see tootva tarbija juures suurt pumpamisvõimsust. Arvestades, et neljanda põlvkonna kaugküttevõrkudes ei ületa pealevoolu temperatuur 60 °C, pole ühendusel olulist tehnilist mõju.
4. Soojusvarustus tagasivoolu temperatuuril – sellel variandil on samad probleemid, mis esimesel ja teisel võimalusel; seda võib kaaluda, juhul kui tootmise efektiivsus ei sõltu soojuskandja tagasivoolu temperatuurist.

Esimest ja kolmandat ühendusvõimalust tasub kaaluda, kuna nende üldine mõju kaugküttevõrgule on kõige väiksem. Igat tootva tarbija juhtumit tuleb analüüsida eraldi, et mõista selle mõju teistele tarbijatele ja kaugküttesüsteemile.

Mõned üldised põhimõtted:

• naabertarbijate pealevoolu temperatuur võib langeda, kuna tootva tarbija (soojuspumba ja päikesepaneeli) efektiivsus sõltub temperatuurist, mistõttu võib tarbija tahta soojusvõrku anda soojust kavandatust madalamatel temperatuuridel;
• hoolimata asjaolust, et vee vooluhulk tootmisjaamades väheneb, suureneb kiirus tarbija lähedal, kui pealevoolu temperatuurid on kavandatust madalamad;
• võib tekkida rõhu erinevusi tootmisettevõtte lähedal, kui tootva tarbija võimsus on soojust tootvate seadmetega võrreldes suhteliselt väike.

Üldiselt peab rõhk langema, kui pealevoolu temperatuur on sama, mis plaanitud, ja rõhk jääb samaks või tõuseb, kui temperatuur on madalam. Neljanda põlvkonna kaugküttevõrgu vaatenurgast võib tarbijate heitsoojus kaugküttevõrgule kasu tuua, vähendades kütteperioodil kasutatud fossiilkütuste hulka. Võrkude jaoks, kus vähese koormusega küttevajadus on juba kaetud mittefossiilse kütusega, on hooajaline soojusenergia salvestamine heitsoojuse kasutamisel ülioluline.

3.3 Kontrollküsimused

1. Millistest parameetritest sõltub hoone soojuskoormus?
2. Millest sõltub hoone sooja tarbevee koormus?
3. Kuidas on võimalik vähendada sooja tarbevee ebaühtlasest kasutamisest tingitud tagasivoolu temperatuuri tõusu?
4. Mida näitab soojuskoormuse kestusgraafik ja kuidas seda koostatakse?
5. Iseloomusta tüüpilist soojuskoormuse mustrit. Kirjelda erinevaid võimalikke lahendusi, kuidas ühendada tootvaid tarbijaid kaugküttevõrguga. Millised on nende lahenduste eelised ja puudused?
6. Milleks on vajalikud kaugküttesüsteemi soojussõlmed?
7. Millised on tänapäevase soojussõlme peamised komponendid?
8. Kuidas mõjutab tarbija temperatuuritaset kaugküttevõrgus?
9. Mis on paralleeltarbimine ja kuidas see mõjutab kaugküttesüsteemi toimimist?
10. Nimeta erinevaid võimalusi kaugküttevõrgus kauglugemise korraldamiseks? Millist moodust kasutatakse kõige rohkem ja miks?