Pompy obiegowe i cyrkulacyjne

Terminologia

W polskiej branży instalacyjnej i w informacjach producentów pojęciem pompy obiegowe określa się pompy do wymuszania obiegu medium w instalacjach c.o., systemach ogrzewania podłogowego i klimatyzacji oraz instalacjach przemysłowych. Natomiast pod nazwą pompy cyrkulacyjne kryją się pompy stosowane w instalacjach c.w.u. Z kolei wprowadzona do katalogu polskich norm norma europejska EN 1151 ma tytuł Pompy.

Pompy wirowe. Pompy cyrkulacyjne o znamionowej mocy elektrycznej nieprzekraczającej 200 W do instalacji centralnego ogrzewania i domowych instalacji ciepłej wody użytkowej [6]. Natomiast rozporządzenie Komisji (WE) nr 641/2009 (tekst w jęz. polskim) mówi o wymaganiach dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolno stojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami i w art. 2 podaje definicje, w tym m.in.: 1) pompa cyrkulacyjna oznacza pompę wirnikową o znamionowej mocy hydraulicznej od 1 W do 2500 W, zaprojektowaną do użytku w instalacjach grzewczych lub w obwodach wtórnych dystrybucyjnych układów chłodzenia [5]. A w materiałach Europump (Europejskiego Stowarzyszenia Producentów Pomp) [3] w sprawie wprowadzania klas energetycznych (w polskim tłumaczeniu) operuje się pojęciem pompa obiegowa.

Z tego powodu powstawać mogą pewne trudności z odpowiednim nazewnictwem produktów, można ich jednak uniknąć, pamiętając o tych różnicach, a zwłaszcza o tym, że angielskie słowo circulation oznacza i obieg, i cyrkulację.

Efektywność energetyczna

Unia, wychodząc z założenia, że produkty wykorzystujące energię mają duży udział w zużywaniu zasobów naturalnych i energii we Wspólnocie i że wywierają również poważny wpływ na środowisko, inicjuje i stymuluje działania zmierzające do poprawy wydajności energetycznej niektórych urządzeń. Dróg i form osiągania tego celu jest wiele, jednym z nich jest samoregulacja, czyli dobrowolne umowy będące jednostronnymi zobowiązaniami danych branż. Ten mechanizm został wykorzystany do znakowania pomp.

Badania pokazały, że pompy obiegowe w instalacjach c.o. pracują jedynie w pewnych okresach roku, lecz wówczas czerpią energię przez całą dobę i w sumie zużywają jej sporo. Pompy obiegowe przez większość czasu pracują pod częściowym obciążeniem. Dzięki zastosowaniu pomp z regulacją prędkości obrotowej możliwe jest uzyskanie oszczędności energii rzędu 25 do nawet 80% w porównaniu do pomp nieregulowanych.

Małe pompy obiegowe stosowane w instalacjach c.o. w gospodarstwach domowych według danych z 2003 r. [3] zużywały rocznie ok. 40 TWh energii, co było porównywalne z łącznym zużyciem energii przez wszystkie pralki w Unii. Skłoniło to Europump do wprowadzenia w 2005 r. – przy wsparciu tej inicjatywy przez Komisję Europejską – dobrowolnego systemu oznakowania pomp obiegowych o mocy do 2,5 kW, co pozwala przyszłemu użytkownikowi świadomie wybrać urządzenie bardziej efektywne.

W załączniku do dokumentu porozumienia pt. „Industry Commitment to improve the energy performance of Stand-Alone Circulators through the setting-up of a Classification Scheme in relation to Energy Labelling” szczegółowo opisano procedurę wyznaczania wskaźnika efektywności energetycznej (EEI) pompy dla zadanego profilu obciążenia, typowego dla systemów ciepłowniczych.

Do oznaczania klas przyjęto wzór etykiety podobny do stosowanego na urządzeniach AGD. Jest on prosty i czytelny dla każdego. Pompy są kwalifikowane w zależności od wyznaczonego wskaźnika efektywności energetycznej do kategorii sprawności od A do G. Klasy te odnoszą się do odpowiedniego indeksu efektywności energetycznej pompy EEI (tab. 1). Na tej podstawie tworzona jest etykieta, która powinna być umieszczona w widocznym miejscu na pompie i/lub opakowaniu. Za treść etykiety odpowiada producent.

Na etykiecie nie ma − jak w przypadku urządzeń AGD – informacji o zapotrzebowaniu na moc i rocznym zużyciu energii. Czas pracy pompy obiegowej zależy bowiem od konkretnych warunków regulacji w danej instalacji, a także od temperatur zewnętrznych. Poziom zużycia energii elektrycznej może się znacznie różnić nawet w przypadku identycznych geometrii instalacji i pomp.

Obciążenia hydraulicznego pomp, a tym samym zużycia energii, nie porównuje się bezpośrednio nawet w pompach tego samego typu, ponieważ zależy ono od rodzaju obiegu, w którym urządzenia zainstalowano. Etykieta mówi o ogólnej różnicy pomiędzy poszczególnymi klasami energetycznymi. Pompę o przeciętnej sprawności energetycznej oznaczono klasą energetyczną D, przyjmując jej zużycie energii jako 100%. Pompa o klasie energetycznej A może zużywać tylko 30% energii pobieranej przez odpowiadającą jej pompę klasy D.

W celu dalszej poprawy efektywności energetycznej tych urządzeń Komisja Europejska przyjęła w lipcu 2009 r. rozporządzenie w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE dotyczące ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolno stojących i zintegrowanych z produktami [5]. Komisja wskazuje, że na rynek wspólnotowy co roku wprowadzane jest ok. 14 mln tych pomp, największy zaś wpływ na środowisko naturalne w całym cyklu życia produktu wywiera faza użytkowania, w której zużycie energii wynosiło w 2005 r. 50 TWh, co odpowiada 23 mln ton emisji CO₂.

Jeżeli nie zostaną podjęte konkretne działania, przewiduje się, że do 2020 r. zużycie energii przez te urządzenia wzrośnie do 55 TWh. Badania wykazały, że istnieje możliwość znacznego ograniczenia zużycia energii w fazie użytkowania pomp. Celem tego rozporządzenia jest zapewnienie szybkiego wprowadzenia na rynek technologii ograniczających oddziaływanie tych pomp na środowisko w trakcie ich cyklu życia, co do 2020 r. ma doprowadzić do oszczędności energii elektrycznej rzędu 23 TWh, odpowiadających 11 Mt ekwiwalentu CO₂.

W rozporządzeniu pojęcie pompa cyrkulacyjna oznacza pompę wirnikową o znamionowej mocy hydraulicznej od 1 do 2500 W, zaprojektowaną do użytku w instalacjach grzewczych lub w obwodach wtórnych dystrybucyjnych układów chłodzenia. Rozporządzenie ustala dopuszczalną wartość wskaźnika efektywności energetycznej pomp EEI sprzedawanych na rynku UE oraz zawiera metody pomiarów i metodykę obliczania współczynnika efektywności energetycznej.

Wdrożenie wymagań rozporządzenia jest rozłożone w czasie. Od 1 stycznia 2013 r. pompy bezdławnicowe wolno stojące powinny osiągnąć poziom efektywności określony współczynnikiem efektywności energetycznej (EEI), który nie przekracza wartości 0,27 (z wyjątkiem pomp specjalnie zaprojektowanych dla obwodów pierwotnych systemów cieplnych wykorzystujących energię słoneczną oraz pomp ciepła).

Z kolei od 1 sierpnia 2015 r. pompy bezdławnicowe wolno stojące oraz pompy bezdławnicowe zintegrowane powinny osiągnąć poziom efektywności określony współczynnikiem efektywności energetycznej (EEI), który nie przekracza wartości 0,23. Dodatkowo od 1 stycznia 2013 r. współczynnik efektywności energetycznej pomp powinien być podawany na tabliczce znamionowej i opakowaniu produktu oraz w dokumentacji technicznej w następujący sposób: „EEI ≤ 0,[xx]” wraz z informacją: „Kryterium odniesienia dla najbardziej energooszczędnych pomp cyrkulacyjnych wynosi EEI ≤ 0,20”.

Producenci powinni ponadto udostępnić zakładom przetwarzania informacje na temat demontażu, recyklingu lub usuwania komponentów i materiałów pod koniec użytkowania pomp. Należy także podać informacje dotyczące instalacji, użytkowania i konserwacji pomp w celu zminimalizowania ich oddziaływania na środowisko. Producenci powinni zamieszczać te informacje w widocznym miejscu na swoich ogólnodostępnych stronach internetowych.

Rodzaje, budowa i montaż

Między pompami stosowanymi na potrzeby instalacji c.o. i c.w.u., zwłaszcza w małych budynkach i domach jednorodzinnych, występują istotne różnice. Inne są nie tylko materiały, z których pompy są zbudowane, ale także maksymalne temperatury oraz charakterystyki pracy i regulacja. Przepisy jasno podają, kiedy należy stosować cyrkulację c.w.u. i tym samym pompy cyrkulacyjne.

Warunki techniczne znowelizowane w kwietniu 2009 r. [1] stanowią w § 120.1: W budynkach, z wyjątkiem jednorodzinnych, zagrodowych i rekreacji indywidualnej, w instalacji ciepłej wody powinien być zapewniony stały obieg wody, także na odcinkach przewodów o objętości wewnątrz przewodu powyżej 3 dm³ prowadzących do punktów czerpalnych.

Korpusy pomp wykonuje się najczęściej z żeliwa, brązu lub stali nierdzewnej. Użycie tych materiałów jest konieczne, gdyż woda w instalacji powyżej 60°C zwiększa swoją aktywność chemiczną i wchodzi w reakcje z żelazem, tworząc tlenki. Dla potrzeb instalacji c.w.u. i instalacji niskotemperaturowych stosowane są pompy o niższej temperaturze pracy – przeważnie 65°C. Jednak pompy te powinny być przystosowane do okresowego podnoszenia temperatury w instalacji c.w.u. powyżej 70°C.

Wymóg dezynfekcji instalacji c.w.u. w celu zapobieżena skażenia jej bakteriami Legionella wprowadziło rozporządzenie w sprawie warunków technicznych [1], które w § 120.2a stanowi: Instalacja wodociągowa ciepłej wody powinna umożliwiać przeprowadzanie ciągłej lub okresowej dezynfekcji metodą chemiczną, lub fizyczną (w tym okresowe stosowanie metody dezynfekcji cieplnej), bez obniżania trwałości instalacji i zastosowanych w niej wyrobów. Do przeprowadzenia dezynfekcji cieplnej niezbędne jest zapewnienie uzyskania w punktach czerpalnych temperatury wody nie niższej niż 70°C i nie wyższej niż 80°C.

Na potrzeby instalacji c.o. używa się zwykle pomp o maksymalnej temperaturze medium 110°C. Niektóre elementy produkowane są z kompozytów lub specjalnych stopów ułatwiających chłodzenie oraz cichszą i efektywniejszą pracę. Np. wał i łożyska mogą być wykonane z ceramiki o wysokiej twardości i odpornej na korozję. Niektóre pompy mają specjalne wirniki wzmacniane włóknem szklanym.

Silniki elektryczne pomp są zasilane prądem jedno- lub trójfazowym. Silnik i pompa tworzą całość. Na potrzeby instalacji c.o. i c.w.u. stosuje się przeważnie pompy bezdławnicowe, tj. bez mechanicznego oddzielenia silnika elektrycznego od pompy. Łożyska silnika i pompy są smarowane cieczą tłoczoną przez pompę. Dzięki temu nie wymagają stałej obsługi i cicho pracują. Woda pełni także funkcję płynu chłodzącego. To rozwiązanie ma wiele zalet, ale wymaga przestrzegania pewnych zasad podczas eksploatacji. Woda w instalacji zawiera bowiem pewne ilości powietrza, a wzrost jego zawartości wpływa niekorzystnie na pompy tego typu. Po napełnieniu instalacji wodą należy zawsze odpowietrzyć pompę.

Oferowane są też pompy połączone z separatorem powietrza. W tych modelach medium zawierające powietrze krąży w tzw. komorze oddzielacza powietrza. Intensywne krążenie medium w dużej komorze powoduje powstanie niskiego ciśnienia w jej górnej części, wskutek czego następuje oddzielenie powietrza od medium. Odseparowane powietrze wydobywa się następnie przez automatyczny odpowietrznik zainstalowany w komorze.

Niezależnie od tego, czy pompy są wyposażone w separatory, czy nie, warto przestrzegać zasady odpowietrzania instalacji. Powietrze zawarte w wodzie wydziela się cały czas podczas pracy instalacji z gorącym medium. Dlatego bardzo ważnym elementem instalacji jest jeden lub kilka odpowietrzników automatycznych. Pompy są też wyposażane w odpowietrzniki ręczne. Wówczas odpowietrzenia dokonuje się poprzez włączenie pompy na najwyższy bieg i poluzowanie specjalnej śruby odpowietrzającej na 2–3 minuty.

Oferowane są także pompy w układach podwójnych (dwie pompy w jednej obudowie). Pompy podwójne mogą pracować: w systemie pracy naprzemiennej (każda jako pompa główna, a następnie rezerwowa, zmiana następuje w określonych odstępach czasu albo w przypadku awarii), w systemie gotowości (jedna pracuje jako główna, druga jako rezerwowa) oraz w systemie równoległym (obie pracują równocześnie niezależnie od siebie, przy obciążeniu częściowym jedna może być wyłączona).

Dostępne długości montażowe oraz przyłącza sprawiają, że pompy są łatwe w montażu. W przypadku pomp bezdławnicowych należy przestrzegać zasady, że powinny być one montowane w takiej pozycji, aby wały pompy i silnika znajdowały się w pozycji poziomej. Gwarantuje to prawidłową i długą pracę pompy. Podczas montażu należy też przewidzieć taką ich lokalizację, by zapewniony był łatwy dostęp do przełącznika biegów.

Pompy są montowane w pomieszczeniach, w których może dochodzić do wykraplania się pary na obudowie pompy, dlatego kabel zasilający powinien być zawsze od dołu podłączany do skrzynki zaciskowej. Warto zainwestować w zawory odcinające przed i za pompą, aby nie spuszczać wody z całej instalacji w przypadku awarii. Istotny jest też montaż filtrów i ich usytuowanie, tak aby móc je wyczyścić przed każdym uruchomieniem instalacji.

Regulacja

Prędkość obrotowa silnika pompy może być regulowana ręcznie lub automatycznie. Niektóre modele nie mają regulacji. Regulacja ręczna może być dwu-, trzy- lub czterostopniowa. Pompy mogą być też wyposażone w regulator, który pozwala na ustawienie prędkości nawet od 0 do 100% wartości maksymalnej. Automatyczna regulacja zapewnia płynne zmiany obrotów silnika, które mogą przebiegać samoczynnie w zależności od zmiany warunków hydraulicznych w instalacji, np. w przypadku zmian ciśnienia w instalacji c.o. wywołanych pracą zaworów termostatycznych. Pozwala to nie tylko uniknąć powstawania hałasu przy pracy pomp, ale też zapewnia mniejsze zużycie energii do napędu pomp.

Pompy stosowane w instalacjach c.o. mogą być wyposażane w dodatkowe elementy sterowania wydajnością, np. wyłączniki czasowe z programatorem dobowym lub tygodniowym albo układ wykrywania spadku temperatury medium. Współpracują z czujnikami temperatury na zewnątrz i wewnątrz obiektu. Parametry pracy pomp można ustawiać także zdalnie, za pomocą pilota, urządzenia mogą też mieć moduły umożliwiające komunikację i przesyłanie danych.

Zabezpieczenia

Pompy mogą być wyposażone w funkcje przeciwdziałania zablokowaniu oraz automatycznego przeprowadzania serii odblokowujących uruchomień i zatrzymań, które usuwają wszelkie osiadłe cząstki lub zanieczyszczenia nagromadzone podczas przestoju. Możliwy jest też system wspomagania rozruchu, gdyby doszło do zablokowania wirnika, oraz zabezpieczenia przed przegrzaniem i odkładaniem się kamienia kotłowego. Silniki pomp mają wbudowane zabezpieczenie termiczne uzwojeń współpracujące z dodatkowym wyposażeniem, bądź uzwojenia odporne na zwarcie.

Dołączone do pomp charakterystyki pracy ułatwiają dobór, jednak są one sporządzane dla uśrednionych warunków (określona gęstość i temperatura cieczy), a zawarte w nich wartości natężenia przepływu oraz ciśnienia są orientacyjne. Dlatego we wszystkich przypadkach, w których wymagana jest minimalna wartość ciśnienia wody w instalacji, producenci zalecają wykonanie indywidualnych pomiarów. Nieodpowiedni dobór spowoduje niepoprawną pracę instalacji. Pompy o zbyt małej wydajności nie zapewnią odpowiedniego przepływu, natomiast te o zbyt dużej wydajności mogą powodować hałas w instalacji i szybciej się zużywać.

Literatura

1. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. (DzU nr 75, poz. 690, ze zm.).
2. Katalogi firm: Grundfos, Halm, Wilo.
3. Bidstrup N., Hunnekuhl G., Heinrich H., Andersen T., Classification of Circulators, Europump.
4. http://www.portal.pemp.pl/efektywnosc-energetyczna/ pompy.
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 wolno stojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami (DzU UE nr L 191/35).
6. PN-EN 1151-1:2007 Pompy. Pompy wirowe. Pompy cyrkulacyjne o znamionowej mocy elektrycznej nieprzekraczającej 200 W do instalacji centralnego ogrzewania i domowych instalacji ciepłej wody użytkowej. Część 1: Pompy cyrkulacyjne nieregulowane automatycznie, wymagania, badania, oznakowanie.
7. Dyrektywa 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 6 lipca 2005 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów wykorzystujących energię oraz zmieniająca dyrektywę Rady 92/42/EWG, oraz dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 96/57/WE i 2000/55/WE (DzU UE nr L 191/29).