Energooszczędne pompowanie w instalacjach

Pompy obiegowe i cyrkulacyjne

W polskiej nomenklaturze wyróżniamy pompy obiegowe do systemów c.o. i chłodniczych oraz cyrkulacyjne do c.w.u. (wody pitnej). Pompa obiegowa wymusza stały lub zmienny przepływ medium grzewczego albo chłodzącego (najczęściej wody lub płynu instalacyjnego) w zamkniętym obiegu, w instalacji c.o. zapewnia przepływ ciepła do grzejników z urządzenia grzewczego, węzła cieplnego lub z bufora ciepła.

Z kolei pompa cyrkulacyjna ma za zadanie wymuszać obieg ciepłej wody w instalacji cyrkulacyjnej c.w.u., tak aby na wylewce stale utrzymywana była wymagana temperatura rzędu 55–60°C (z wyjątkiem budynków jednorodzinnych, zagrodowych i rekreacji indywidualnej). Z uwagi na fakt, że instalacje c.w.u. powinny zapewnić dezynfekcję termiczną w zakresie od 70 do 80°C, pompy cyrkulacyjne powinny mieć temperatury robocze nie niższe od chwilowych. Standardowe oferowane na rynku pompy cyrkulacyjne mogą pracować w przedziale 2–110°C, ale ich zalecana temperatura robocza nie powinna przekraczać 65°C. Pompy cyrkulacyjne obsługują zwykle mniejsze instalacje, mają zatem mniejsze wydajności przepływu. Ponieważ tłoczą wodę pitną, powinny mieć atest higieniczny PZH dla materiałów mających kontakt z wodą.

W systemach c.o. stosowane mogą być obiegowe pompy dławnicowe i bezdławnicowe. Klasyczne pompy dławnicowe mają silnik oddzielony od cieczy, a bezdławnicowe są mokrobieżne z silnikami chodzonymi cieczą. Pompy dławnicowe mają szerokie zakresy wydajności i ciśnienia – są wśród nich także pompy przeznaczone do sieci. Są one w wysokim stopniu odporne na powstawanie osadów (np. kamienia kotłowego) i wpływ zanieczyszczeń znajdujących się w instalacji, ale mogą wymagać regularnej konserwacji. Ich trwałość wynosi ok. 20 lat. W domach jednorodzinnych stosuje się pompy bezdławnicowe. Nie wymagają one konserwacji w takim stopniu jak pompy dławnicowe, jednak dla ich prawidłowego funkcjonowania (podobnie jak w przypadku innych pomp) i żywotności konieczne są: poprawny dobór, zabezpieczenie filtrami, a także zapewnienie odpowiedniej jakości wody obiegowej.

Koszty pracy pomp obiegowych

Nowe pompy obiegowe mają za zadanie zapewnić nie tylko komfort temperaturowy, ale także oszczędność energii – zużywanej przez samo urządzenie oraz pracę instalacji ogrzewczej. Pompy obiegowe wprowadzane na rynek w UE powinny mieć współczynnik efektywności energetycznej (Energy Efficiency Index) EEI ≤ 0,20. Są to głównie pompy bezdławnicowe z synchronicznymi silnikami elektronicznie komutowanymi (ECM) z wirnikami z magnesu stałego (PM). Zaletą tych silników jest możliwość stopniowej (np. 3 biegi) lub płynnej regulacji prędkości obrotowej. Płynna regulacja daje potencjał redukcji zużycia energii elektrycznej przez pompy nawet o 80% w porównaniu do pomp o stałej prędkości obrotowej. Pompy wyposażone w dodatkowe wejście sterujące z regulacją prędkości obrotowej, np. przez sygnał PWM (modulacja szerokości impulsów, ang. Pulse Width Modulation), zapewniają szeroki zakres optymalizacji pracy całego układu grzewczego. PWM wykorzystuje fakt, że prąd płynie skokowo (impulsowo), a szerokość to czas przepływu. Sygnał PWM jest wykorzystywany np. w pojazdach do sterowania pracą pompy paliwowej i szeroko do sterowania silnikami elektrycznymi. Także sterowniki stosowane do układów ogrzewania w budynkach wykorzystują PWM. Technologia ta umożliwia współpracę pomp obiegowych zarówno z grzejnikowymi systemami ogrzewania i ogrzewaniem podłogowym, jak i z zaawansowanymi instalacjami klimatyzacji i chłodzenia, a także z nowoczesnymi systemami grzewczymi z pompami ciepła. Sterowniki obiegów grzewczych współpracują z regulatorami pokojowymi i zarządzają pracą pomp obiegowych. Obsługują jednocześnie wiele układów – umożliwiają np. wydajną pracę układu mieszanego, czyli łączącego instalacje grzejnikowe i podłogowe. Wydzielone dwa obiegi (każdy z własną pompą obiegową) pozwalają na wydajniejszą pracę każdej części instalacji, zapewniając niższe koszty, wyższy komfort temperaturowy oraz większą żywotność pomp obiegowych. Systemy ogrzewania płaszczyznowego pracują z mniejszą dynamiką niż grzejniki, z niższą temperaturą zasilania i powrotu. A to wymaga przepływów co najmniej dwukrotnie większych niż w grzejnikach, co z kolei skutkuje wzrostem oporów hydraulicznych.

Szczególnie duże możliwości w zakresie energooszczędnej pracy instalacji grzewczej i c.w.u. zapewniają systemy zarządzania instalacjami budynkowymi (Building Management System). W dużych budynkach komercyjnych zauważono potencjał BMS – obecnie można nie tylko sterować instalacjami, ale też optymalizować ich pracę, korzystając z gromadzonych danych oraz ich analizy i predykcji. Ten model realizowany jest także dla coraz mniejszych obiektów, a z czasem – dzięki tzw. systemom Smart Home – obejmie również małe budynki mieszkalne. Już dziś urządzenia pompowe mają charakter „smart”, co w przyszłości umożliwili włączenie ich do bardziej kompleksowego systemu zarządzania budynkiem – oferowane są np. pompy z możliwością wprowadzania ustawień bezprzewodowo (Bluetooth) za pomocą tabletu lub smartfona. Służą do tego intuicyjnie obsługiwane aplikacje, zapewniające instalatorowi komfort pracy. Sterowanie, odczyt, klasyfikacja, protokołowanie, zapisywanie w pamięci, wysyłanie maili – wszystkie te operacje, a także wiele innych, mogą być wykonywane zdalnie.

Powszechnie stosowanymi urządzeniami – dzięki sprężarkom inwerterowym zarówno na cele grzania, jak i chłodzenia – są obecnie pompy ciepła, działające tak, by uzyskać jak najwyższą efektywność pracy. Ich współczynnik wydajności (COP) zależy od parametrów dolnego i górnego źródła. W pompach ciepła wykorzystuje się zatem pompy obiegowe o szerokim zakresie modulacji, tak aby uzyskać płynną regulację w polu pracy i wysokie ciśnienie dyspozycyjne. Współdziałanie sprężarek z pompami obiegowymi dzięki układowi automatyki i sterowania w znacznej mierze decyduje o efektywności danej pompy ciepła.

Zobacz także: Problem z dostępnością pomp obiegowych

Hydraulika

Nawet najlepsza pompa obiegowa czy cyrkulacyjna nie wykorzysta swojego potencjału oszczędności energii w instalacji bez prawidłowo przeprowadzonego doboru (pod względem charakterystyki – wysokości podnoszenia i natężenia przepływu) oraz sposobu jej regulacji. Zadaniem regulacji jest dostosowanie pracy pompy do zmiennych warunków, a nie korygowanie błędów w instalacji. O kosztach pracy decydują zatem nie tylko energooszczędne silniki i zaawansowana regulacja, ale też prawidłowy dobór pompy do konkretnej instalacji, w tym strat ciśnienia na przewodach i kształtkach, grzejnikach oraz zaworach regulacyjnych. Korzyści z dobrze dobranego trybu regulacji pracy pomp są widoczne bardzo szybko w instalacjach rozbudowanych, o dużej zmienności zapotrzebowania na ciepło.

Dla domów jednorodzinnych dostępne są pompy obiegowe o tak szerokim zakresie parametrów i adaptacji, że radzą sobie nawet z bardzo dużymi powierzchniami ogrzewanymi i przy różnych rozwiązaniach – z grzejnikami naściennymi i płaszczyznowymi. Nowe pompy obiegowe do układów centralnego ogrzewania w domach jednorodzinnych są wyposażane w procesor elektroniczny automatycznie sterujący pracą pomp, co w połączeniu z przemiennikiem częstotliwości (falownikiem) umożliwia znaczną oszczędność zużywanej energii elektrycznej. Pompy obiegowe do niedużych budynków mieszkalnych i domów mają czytelne, proste w obsłudze panele sterowania, mogą być także wyposażone w elektroniczne wyświetlacze wskazujące bieżące zużycie energii. Pracują z czynnikami o temperaturze od –10 do 110°C. Pobierają niewiele energii – od kilku do kilkudziesięciu watów. Ich maksymalne natężenie przepływu wynosi od 1 do 4,5 m³/h, a maksymalna wysokość podnoszenia – od 4 do 8 m. Mają też funkcje zabezpieczające przed blokadą oraz automatycznego odpowietrzania. Większość pomp może pracować według kilku trybów regulacji (do wyboru) – np. tryb domyślny pozwalający na automatyczne dostosowanie ciśnienia i wydajności pompy do zapotrzebowania instalacji, stałe charakterystyki pracy, charakterystyki ciśnienia stałego i proporcjonalne. Regulacja prędkości obrotowej pompy może być płynna, dostępne są też rozwiązania z biegami pracy – zwykle trzema: niskim, średnim i wysokim. Dla większości instalacji grzewczych najbliższa charakterystyce układu grzewczego jest regulacja proporcjonalna pompy, dlatego stosowana jest najczęściej, a wręcz traktowana jako domyślna – właśnie dla tej charakterystyki większość producentów określa wskaźnik EEI.

W domach modernizowanych coraz częściej mamy do czynienia z układami grzewczymi wykorzystującymi bufory ciepła po to, by jak najefektywniej wykorzystywać źródła ciepła niskotemperaturowego i energię odnawialną. Tym samym urządzenia grzewcze, takie jak kotły kondensacyjne, kotły na paliwa stałe oraz pompy ciepła i kolektory słoneczne, mają własne pompy obiegowe, które pracują tylko z buforem i ich automatyka pracy jest podporządkowana efektywności pracy konkretnego urządzenia, a nie całego sytemu ogrzewania i przygotowania cieplej wody użytkowej. Z kolei pompy obiegowe za buforem podporządkowane są pracy układu, za który odpowiadają. Zwiększa to efektywność pracy, pozwala uzyskać komfort cieplny (prawidłowe i równomierne dogrzanie pomieszczeń) oraz zwiększa żywotność pomp.

Jakość wody i zabezpieczenia

Na żywotność i prawidłową pracę pomp obiegowych wpływa też jakość wody grzewczej, która powinna być zmiękczona i odpowietrzona. Warto też stosować inhibitory korozji. Niezamarzające płyny instalacyjne powinny mieć wymaganą dla danej pompy obiegowej lepkość i gęstość. Producenci zalecają także stosowanie przed pompą co najmniej filtrów siatkowych, wskazane są nawet separatory zanieczyszczeń z magnesami i mogą one posiadać filtry siatkowe. Zalecane są również zawory odcinające przed i za pompą. Na żywotność pompy pozytywnie wpłynie montaż z kablem zasilającym od dołu – to wyeliminowanie ryzyka dostawania się wody z ewentualnych wycieków do układu elektronicznego urządzeń. Dostępne są też już pompy, które można montować z dowolnym kierunkiem prowadzenia kabla zasilającego.

Literatura

1. Materiały techniczne firm: Dambat/IBO, Ferro, Grundfos, Hydro-Vacuum, KSB, LFP, Omnigena, Taconova, Wilo i WITA