Pompy obiegowe i cyrkulacyjne a zrównoważenie zużycia energii w instalacjach c.o. i c.w.u.

W polskiej nomenklaturze wyróżniamy pompy obiegowe do systemów c.o. i chłodniczych oraz cyrkulacyjne do c.w.u. (wody pitnej). W systemach c.o. stosowane mogą być obiegowe pompy dławnicowe (odporne na powstawanie osadów i trwałe, ale bardziej wymagające pod względem konserwacji) i bezdławnicowe (mniej wymagające pod względem konserwacji, jednak wrażliwe na warunki pracy).

Pompa obiegowa wymusza stały lub zmienny przepływ medium grzewczego albo chłodzącego (najczęściej wody grzewczej/lodowej lub płynu instalacyjnego) w zamkniętym obiegu. W instalacji c.o. zapewnia przepływ ciepła do grzejników z urządzenia grzewczego, węzła cieplnego lub bufora ciepła.

Pompa cyrkulacyjna w porównaniu do pompy obiegowej ma mniejszą wydajność, ale jednocześnie pracuje w wymagających warunkach (obecność wapnia i magnezu wiążąca się z odkładaniem osadów oraz całoroczna praca). Jej zadaniem jest wymuszenie obiegu ciepłej wody w instalacji cyrkulacyjnej c.w.u., tak aby na wylewce przyboru sanitarnego stale utrzymywana była wymagana temperatura rzędu 55–60°C (z wyjątkiem budynków jednorodzinnych, zagrodowych i rekreacji indywidualnej) [1]. Instalacje c.w.u. powinny zapewnić dezynfekcję termiczną w zakresie od 70 do 80°C – dlatego choć zalecana temperatura robocza nie powinna przekraczać 65°C, pompy cyrkulacyjne muszą być odporne na chwilową pracę w temperaturze ponad 90°C. Ponieważ tłoczą wodę pitną, powinny mieć także atest higieniczny PZH dla materiałów mających kontakt z wodą.

Koszty pracy pomp obiegowych – zapewniających obieg wody grzewczej między źródłem ciepła a grzejnikiem – mogą stanowić do 10–15% kosztów całkowitej energii elektrycznej zużywanej w budynku, szczególnie w przypadku pomp źle dobranych (np. przewymiarowanych), nieregulowanych lub regulowanych nieprawidłowo [2]. Jednak dzięki coraz szerszym możliwościom regulacji, sterowania i komunikacji technika pompowa może zwiększyć nie tylko energooszczędność, ale także inteligencję budynku, rozumianą jako autonomiczne dostosowanie parametrów pracy systemów budynkowych do bieżącej sytuacji.

Energooszczędna praca pomp

Od 2015 r. pompy nowo wprowadzane na rynek, podlegające dyrektywie ErP (ekoprojekt) [3], muszą mieć wskaźnik efektywności energetycznej (Energy Efficiency Index – EEI) niższy niż 0,23 [4, 5, 6]. Od początku 2020 r. wartość ta dotyczy także wszystkich pomp przeznaczonych do serwisu, zarówno wyprodukowanych przed 1 stycznia 2015 r., jak i bezdławnicowych pomp stałoobrotowych pracujących poza źródłem ciepła wyprodukowanych przed 10 października 2013 r. W rozporządzeniach wykonawczych UE do ekoprojektu [3] określono kryterium odniesienia dla najbardziej energooszczędnych pomp cyrkulacyjnych – EEI ≤ 0,20 [5, 6]. Na rynku dostępne są pompy obiegowe i cyrkulacyjne o wyraźnie niższym wskaźniku EEI, np. 0,15.

Wielu producentów określa wskaźnik EEI pompy przy założeniu trybu regulacji proporcjonalnej. Efektywność energetyczna rzeczywiście pracującej pompy obiegowej czy cyrkulacyjnej nie tylko może być odmiennym przy innym trybie regulacji, ale też silnie zależy od prawidłowego doboru urządzenia i trybu regulacji dla danej instalacji i jej potrzeb oraz od właściwej eksploatacji całego układu. Regulacja i sterowanie pozwolą w pełni wykorzystać możliwości danej pompy tylko pod warunkiem prawidłowego doboru. W sytuacjach problemowych, np. konieczności dobrania pompy na wymianę do instalacji bez dokumentacji projektowej, odpowiednia regulacja może rzeczywiście zniwelować niedokładności projektowe, nie można natomiast wówczas mówić o pełnym wykorzystaniu potencjału pompy.

Prawidłowy dobór pomp – podstawa efektywności energetycznej

Parametry nominalne pompy obiegowej – natężenie przepływu wody grzewczej Q [m³/h] oraz wysokość podnoszenia H [m] – powinny być dobrane tak, by punkt pracy instalacji był im jak najbliższy. Pompa będzie wówczas pracować w obszarze swojej największej sprawności, co daje największą możliwość wykorzystania wszystkich funkcjonalności. Pompa zbyt mała nie umożliwi odpowiedniego przepływu przez obiegi o największych stratach hydraulicznych, a zbyt duża (przewymiarowana) powoduje zwiększenie poboru energii elektrycznej, przyczynia się do głośnej pracy instalacji i jest narażona na szybsze zużycie (niszczenie elementów). Szczególnie niekorzystna dla efektywności energetycznej i trwałości pompy jest praca z parametrami granicznymi charakterystyki (np. z maksymalną wydajnością i maksymalną wysokością podnoszenia). Pompa pracuje wówczas głośno i szybciej się zużywa.

Ważnym aspektem doboru pompy i środków jej ochrony jest jakość wody grzewczej w danej instalacji, na którą składają się m.in.: prawidłowa temperatura i pH, odpowiednio niska zawartość jonów siarczanowych i chlorkowych (niski wskaźnik korozyjności), przewodność elektrolityczna 100–1000 μS/cm, twardość ogólna 1,45–1,78 mmol/l, niska zawartość tlenu oraz brak zawiesin i osadów [7]. Nieodpowiednia jakość wody grzewczej sprzyja korozji i wtórnemu zanieczyszczeniu wody, co prowadzi do blokad i zatarcia pomp, a pośrednio – do ich pracy poza optymalnym zakresem parametrów. Zatem woda grzewcza powinna być zmiękczona i odpowietrzona.

Warto też stosować płyny instalacyjne (zawierające ciecze tzw. niezamarzające, inhibitory korozji i bakteriostatyki), mające odpowiednią dla danego urządzenia lepkość i gęstość (wskazaną przez producenta). Producenci zalecają także stosowanie przed pompą co najmniej filtrów siatkowych. Wskazywane są wręcz separatory zanieczyszczeń z magnesami, które mogą być zintegrowane. Zalecane są również zawory odcinające przed i za pompą.

Przeczytaj także: Budynek inteligentny – możliwości pomp obiegowych i cyrkulacyjnych | RynekInstalacyjny.pl

Regulacja pompy – sposób na optymalizację pracy urządzeń

Stosowanie pomp z płynną regulacją prędkości obrotowej – odpowiednio do przepływu w instalacji – wymagane jest przez unijną dyrektywę ErP [3]. Fundamentem technologicznym regulacji prędkości obrotowej pompy jest zastosowanie silników podatnych na taką regulację. W przypadku nowoczesnych pomp są to najczęściej synchroniczne silniki elektronicznie komutowane (ECM) z wirnikami z magnesu stałego. Regulacja odbywa się za pomocą falownika (inwertera, przetwornika częstotliwości), często zintegrowanego z silnikiem. W porównaniu do pomp bez regulacji prędkości obrotowej oszczędności zużycia energii mogą wynosić nawet 70–80%.

Regulacja musi być jednak prawidłowo dobrana do układu pompa–instalacja (np. będzie miała sens w instalacjach rozbudowanych, o dużej zmienności zapotrzebowania na ciepło). Zmienne parametry pracy instalacji muszą się również znaleźć w zakresie pracy (charakterystyki) pompy. Straty związane z nieprawidłową regulacją mogą przekraczać nawet połowę energii pobranej z sieci przez silnik elektryczny [2]. Tylko przy takim punkcie wyjścia pompa będzie pracować wydajnie i możliwie energooszczędnie w całym zakresie zmiennych warunków pracy. Konstrukcja oraz wyposażenie nowoczesnych pomp sprawiają, że wybór trybu regulacji i jej ustawienie są proste i przyjazne dla instalatora.

Często stosowanym rozwiązaniem jest regulacja ciśnieniowa stała (Δp-c) – utrzymanie stałej różnicy ciśnień między zasilaniem i powrotem z instalacji dzięki korygowaniu prędkości obrotowej pompy. Szczególnie chętnie regulacja ta wykorzystywana jest w instalacjach modernizowanych, dla których nie jest dostępna dokumentacja projektowa. Umożliwia bowiem ustawienie ciśnienia dyspozycyjnego bez znajomości rozkładu strat ciśnienia w instalacji. Ten rodzaj regulacji sprawdzi się także przy dużych stratach ciśnienia na odbiorniku ciepła/chłodu w stosunku do oporów liniowych.

Regulacja ciśnieniowa proporcjonalna (Δp-v) polega na zmianie różnicy ciśnienia w zakresie 0,5 · Hs – Hs (gdzie Hs to wysokość ssania), zależnie od wielkości przepływu. Możliwa jest wówczas zmiana wysokości podnoszenia pompy (przy zachowaniu ciśnienia dyspozycyjnego na odbiorniku), co pozwala ograniczyć ilość pobieranej przez nią energii. Ten rodzaj regulacji jest najbliższy charakterystyce instalacji grzewczej, dlatego jest korzystny energetycznie i często stosowany jako domyślny, szczególnie w przypadku instalacji grzejnikowej. Bardziej zaawansowana forma takiej regulacji to automatyczne ustalenie punktu pracy pompy poprzez dostosowanie parametrów (wydajność, prędkość obrotowa i zużycie energii) do warunków pracy w instalacji. Uzupełnieniem tego rozwiązania jest ograniczenie wielkości przepływu – dzięki tej funkcji nie zostanie przekroczona jego wartość graniczna.

Regulacja temperaturowa stała pozwala na zachowanie stałej temperatury na zasilaniu – zmienia się wielkość przepływu, aby ilość dostarczanej energii cieplnej odpowiadała bieżącemu zapotrzebowaniu. Temperatura cieczy monitorowana jest zależnie od lokalizacji urządzenia – na przewodzie powrotnym pompa utrzymuje stałą temperaturę, wykorzystując wbudowany przetwornik; na przewodzie zasilającym konieczny jest dodatkowy przetwornik podłączony do modułu sterującego. Stosowana jest ona w przypadku pomp cyrkulacyjnych, umożliwiając zachowanie równowagi, tj. unikanie zarówno niepotrzebnej pracy pompy, jak i wychłodzenia zbiornika c.w.u.

Regulacja stałoobrotowa stosowana jest zwykle dla instalacji bez elementów regulacyjnych i wymagających stałego przepływu. Prędkość obrotową ustawia się wówczas bardzo precyzyjnie, a pompa zachowuje się jak jednobiegowa. Regulacja ta zalecana jest m.in. do systemów ogrzewania podłogowego.

Producenci umożliwiają także prosty wybór charakterystyki działania regulacji za pomocą pojedynczego, łatwo dostępnego (zlokalizowanego na obudowie pompy) przycisku lub pokrętła serwisowego. Można też wybrać tzw. charakterystykę minimalną – redukowanie wydajności pracy pompy nocą, kiedy zapotrzebowanie na ciepło jest mniejsze. Po wykryciu spadku temperatury w instalacji pompa przełącza się automatycznie na ten tryb pracy. Ułatwieniem dla użytkownika i instalatora jest podawanie na wyświetlaczu urządzenia danych dotyczących jego aktualnych parametrów pracy, m.in. poboru mocy w określonym momencie i wybranej charakterystyki.

Regulacja pracy pojedynczego urządzenia może być uzupełniona o sterowanie układem pomp. Pompy obiegowe mogą pracować według kilku scenariuszy sterowanych przez układ automatyki. Praca naprzemienna pozwala równomierne obciążyć pompy pracą, co zwiększa trwałość całego układu. W układzie pompa główna i pompa rezerwowa jedno urządzenie pracuje ciągle, a drugie uruchamia się automatycznie w razie usterki. W układzie kaskadowym praca pomp – ich włączanie, wyłączanie oraz modulowana wydajność – dostosowywana jest do zapotrzebowania. Szczególnego znaczenia nabiera wówczas funkcja tzw. łagodnego rozruchu (Soft Start), dzięki której częste wyłączanie i włączanie nie ma wpływu na trwałość pomp.

Praca pomp według scenariusza a energooszczędność

Przygotowanie pomp do regulacji umożliwia również ich pracę według scenariusza. Dobrym przykładem takiego rozwiązania jest sterowanie pracą pomp cyrkulacyjnych. Obsługują one instalację przygotowującą c.w.u. i odpowiadają za ciągły obieg wody od podgrzewacza c.w.u. do punktu czerpalnego, zapewniając szybki dostęp wody o oczekiwanej (zadanej przez użytkownika) temperaturze. Praca według scenariusza pozwala skrócić czas oczekiwania na ciepłą wodę w punkcie poboru przy zachowaniu najwyższej możliwej energooszczędności. Na przykład sterownik wykrywa moment poboru wody przez użytkownika, wówczas pompa przyspiesza napływ ciepłej wody do punktu poboru. Jednocześnie kontrolowana jest temperatura w gałęzi cyrkulacji – pompa uruchamia się tylko po obniżeniu temperatury poniżej wartości zadanej. Zatem praca układu cyrkulacji następuje w momencie uruchomienia punktu poboru i jednocześnie spadku temperatury w danej gałęzi cyrkulacji – nie powstają dzięki temu straty cieplne w instalacji c.w.u., następuje oszczędność wody i energii, a także skrócenie czasu pracy pompy. Dodatkową możliwością sterowania pompą cyrkulacyjną jest zabezpieczenie układu c.w.u. przed przegrzaniem (uruchomienie pompy w przypadku przekroczenia określonej temperatury granicznej w urządzeniu przygotowującym ciepłą wodę) czy ochrona przed zablokowaniem wirnika pompy. Można też regulować jej czas pracy – sterownik pompy cyrkulacyjnej przejmuje wówczas rolę wyłącznika czasowego.

Inteligencja pomp obiegowych i cyrkulacyjnych

Automatyczna regulacja pracy pomp otwiera szerokie możliwości tzw. inteligentnej pracy urządzeń, co wymaga ich doposażenia we wbudowane lub zewnętrzne moduły komunikacyjne (CIM), przystosowane do połączenia się z sieciami przemysłowymi (np. LON, Profibus, Modbus, GPS/GPRS czy BACnet) oraz w sterowniki. Urządzenia takie mogą m.in. pracować według zadanych scenariuszy, podlegać sterowaniu zdalnemu czy stać się elementem układu BMS, który umożliwia współpracę pomp z innymi urządzeniami i instalacjami budynkowymi oraz gromadzenie i analizę danych o rzeczywistych warunkach pracy urządzeń. Duże zbiory danych, takich jak charakterystyka rzeczywistej pracy pompy oraz warunki pracy, mogą być przedmiotem zaawansowanej analizy, prowadzonej np. przy wsparciu uczącej się sztucznej inteligencji (AI). Pozwala ona m.in. na wczesne zidentyfikowanie nieprawidłowości pracy, kontrolę spełnienia założeń projektowych oraz opracowanie i wdrożenie korekt pracy urządzeń. Takie podejście umożliwia zwiększenie zarówno energooszczędności, jak i trwałości urządzeń i instalacji.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2019 r., poz. 1065, z późn. zm.)

2. Jędral Waldemar, Efektywność energetyczna pomp i instalacji pompowych, Krajowa Agencja Poszanowania Energii, Warszawa 2007

3. Dyrektywa 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią (Dz.Urz. UE L 285/10 z 31.10.2009)

4. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 547/2012 z dnia 25 czerwca 2012 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp do wody (Dz.Urz. L 165/28 z 26.06.2012) 

5. Rozporządzenie Komisji (WE) nr 641/2009 z dnia 22 lipca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami (Dz.Urz. UE L 191/35 z 23.07/2009)

6. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 622/2012 z dnia 11 lipca 2012 r. zmieniające rozporządzenie (WE) nr 641/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami (Dz.Urz. UE L 180/4 z 12.07.2012)

7. PN-C-04607:1993 Woda w instalacjach ogrzewania. Wymagania i badania jakości wody

8. Materiały firm: DAB, Dambat/IBO, Ferro, Grundfos, Wita, Hydro-Vacuum, KSB, LFP, Pedrollo, Wilo