Pompy
advertisement
Pompy obiegowe Warunki eksploatacji, dobór, sterowanie i regulacja. Do niedawna w budownictwie indywidualnym, w instalacjach centralnego ogrzewania stosowano prawie wyłącznie tzw. grawitacyjny obieg wody. Woda w takim obiegu krąży w instalacji dzięki różnicy gęstości spowodowanej różnicą temperatury pomiędzy zasileniem (wylot ogrzanej wody z kotła) i powrotem (wlot schłodzonej wody w grzejnikach do kotła). Wadą takiego systemu jest duża bezwładność, nierównomierne rozprowadzenie ciepła oraz duże średnice rurociągów. Zastosowanie pompy w instalacji centralnego ogrzewania pozwala na znaczne zmniejszenie przekrojów przewodów, a dzięki możliwości stosowania automatycznej regulacji całego systemu, mniejsze zużycie paliwa. Ogrzewania pompowe są najbardziej rozpowszechnionym rodzajem urządzeń ogrzewczych. Rozwiązania pompowe instalacji grzewczych zmniejszają koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne. Większość oferowanych kotłów centralnego ogrzewania jest przystosowana do pracy w instalacjach pompowych. Niektóre kotły - zwłaszcza gazowe kotły wiszące - fabrycznie wyposażone są w pompę obiegową c.o. Pompy stosuje się również w instalacjach ciepłej wody użytkowej z cyrkulacją oraz jako pompy ładujące pojemnościowe wymienniki ciepła (rys. l). Mogą być stosowane również w instalacjach ogrzewania podłogowego. Budowa pompy W zależności od konstrukcji pompy moga być: dławnicowe - pompowana ciecz jest oddzielona od silnika, szczelność pomiędzy wałem a korpusem pompy zapewniają dławnice, bezdławnicowe - wirnik silnika pompy omywany jest pompowaną cieczą. Pompa obiegowa c.o. 3-biegowa produkcji Leszczyńskiej Fabryki Pomp typu 25POr40A W pompach przeznaczonych do niewielkich instalacji stosuje się rozwiązania z tzw. silnikiem „mokrym", czyli hermetyczne pompy bezdławnicowe (rys. 2). Pompowana woda smaruje łożyska ślizgowe oraz chłodzi silnik. Konstrukcja taka ma wiele zalet. Jedną z nich jest brak konieczności stałej obsługi. W przeciwieństwie do pomp z dławnicą, nie wymagają one ciągłej konserwacji - smarowania, wymiany uszczelnień. Dodatkową zaletą jest bardzo cicha praca. Cichobieżność uzyskano dzięki zastosowaniu łożysk ślizgowych wału wirnika. Ponadto woda omywająca obracające się części pompy tłumi hałas. Pompy bezdławnicowe cechuje duża trwałość. Producenci podają, że okres eksploatacji pomp w in stalacjach grzewczych wynosi około10 lat. W praktyce, właściwie użytkowana pompa, może przepracować nawet 15-20 lat, co odpowiada w przybliżeniu 100 tys. godzin pracy. Rys. 1. Zastosowanie pomp w instalacji centralnego ogrzewania oraz ciepłej wody użytkowej z cyrkulacją. Rys. 2. Pompa bezdławnicowa - hermetyczna Dobór pompy w obiegu centralnego ogrzewania Dobór pompy polega na określeniu tzw. punktu pracy, który wyznaczają dwie wielkości - natężenie przepływu V (dm3 / s) oraz wysokość podnoszenia pompy Hp (m) rys. 3. Natężenie przepływu można uzyskać dzieląc zapotrzebowanie na moc cieplną danego obiektu przez ciepło właściwe i różnicę temperatury wody w przewodzie zasilającym i powrotnym instalacji. Rys. 3. Punkt pracy pompy Wysokość podnoszenia pompy w instalacjach obiegowych jest równa stracie ciśnienia wynikającej z oporów przepływu przez całą instalację c.o. Strata ciśnienia w instalacji to suma oporów tarcia przepływającej cieczy i oporów miejscowych armatury, grzejników oraz kotła. W wypadku braku obliczeń hydraulicznych instalacji, stratę ciśnienia można określić na podstawie danych o instalacji oraz odpowiednich nomogramów. W budynkach jednorodzinnych wysokość ta, a tym samym wysokość podnoszenia pompy wynosi w przybliżeniu 1-3 m słupa wody. Najczęściej popełnianym błędem jest przyjmowanie wysokości podnoszenia pompy równej wysokości budynku, w którym pompa pracuje. Przewymiarowanie, to znaczy zainstalowanie zbyt dużej pompy, wiąże się ze zwiększeniem nakładów inwestycyjnych, większym poborem mocy, niebezpieczeństwem głośnej pracy instalacji oraz możliwością wystąpienia kawitacji - zjawiska związanego ze spadkiem ciśnienia poniżej ciśnienia nasycenia. Wynikiem tego zjawiska jest powstawanie pęcherzyków pary, które w obszarze wyższego ciśnienia gwałtownie znikają, co z kolei może prowadzić do wżerów i erozji elementów pompy. Dlatego każda pompa ma określone przez producenta - wymagane ciśnienie napływu przy danej temperaturze. Dobranie zbyt małej pompy spowoduje, że nie wymusi ona odpowiedniego przepływu wody w obiegach najbardziej niekorzystnych, czyli tych, które mają największe opory przepływu. Dobierając pompę należy starać się, aby punkt pracy znajdował się w zakresie największej sprawności pompy tzn. w środkowej części charakterystyki. Gdy pompa ma kilka charakterystyk, należy dobierać go dla maksymalnej prędkości obrotowej. W małych instalacjach, gdy nie można dobrać pompy o obliczeniowej wydajności i wysokości podnoszenia, zaleca się stosować pompy o wydajności obliczeniowej i wysokości podnoszenia 10-20% mniejszej. Zmniejszenie wysokości podnoszenia nie spowoduje wyraźnego obniżenia mocy cieplnej grzejników (np. zmniejszenie wysokości podnoszenia pompy o 20% wywoła tylko 2% obniżenie mocy cieplnej grzejnika). Warto pamiętać, że parametry pompy oblicza się dla najbardziej niekorzystnych warunków klimatycznych. Pełne obciążenie instalacji w sezonie grzewczym jest bardzo krótkie przeciętna temperatura zewnętrzna poniżej 15°C występuje nie częściej niż 10 dni w roku. Pompy obiegowe centralnego ogrzewania Obecnie na rynku, obok takich firm jak „Grundfos" czy „Wiło" spotkać można pompy firmy „KSB", „Salmson", „Sigma", „Smedegard". Dostępne są również polskie pompy produkowane na zachodnich licencjach. Leszczyńska Fabryka Pomp współpracuje z firmą „Grundfos", Kielecka Fabryka Pomp „Białogon" z „Salmsonem", a Brzeska Fabryka Pomp „Meprozet" z „Smedegardem". Pompy obiegowe tych producentów wyposażone są w silniki z regulowaną - trzylub czterostopniową - prędkością obrotową. Regulacja prędkości może odbywać się ręcznie lub automatycznie. Większość producentów zaleca taki dobór pompy, aby pracowała ona na najwyższym biegu, kiedy osiąga największą sprawność. Stwarza to również większe możliwości regulacji parametrów pompy „w dół", co jest istotne, gdy pompa pracuje w instalacji wyposażonej w zawory termostatyczne. Dobór pompy z punktem pracy na niższym biegu może mieć uzasadnienie gdy: nieznane są straty ciśnienia (w instalacjach remontowanych Czy modernizowanych), istnieje podejrzenie, że rzeczywiste opory są wyższe niż obliczeniowe, na przykład wskutek nieodpowiednio wykonanej instalacji (niedokładne spawy, użyty inny materiał lub armatura, wykonanie niezgodne z projektem). Instalacje centralnego ogrzewania coraz częściej wyposażone są w zawory termostatyczne. W tego typu instalacjach zmieniają się warunki hydrauliczne spowodowane reakcją zaworów na zmieniające się warunki cieplne. Wzrost temperatury w pomieszczeniu, ponad wartość nastawioną na głowicy zaworu termostatycznego, powoduje przymykanie się zaworu, co z kolei wpływa na wzrost ciśnienia w instalacji. Często jest to przyczyną głośnej pracy instalacji i marnotrawstwa energii cieplnej i mechanicznej. W uproszczeniu można to wytłumaczyć w następujący sposób. Gdy zaświeci słońce, lub w pomieszczeniu przebywa większa liczba osób (każdy człowiek to „grzejnik" o mocy około 80 W) temperatura wewnątrz podnosi się powyżej wartości nastawionej na zaworze termostatycznym. Aby była ona utrzymana, zawór termostatyczny dławi tzn. zmniejsza dopływ wody do grzejnika. Odcięcie pewnej ilości wody, która nie może wpłynąć do grzejnika powoduje wzrost ciśnienia w instalacji. Aby zapobiec szumom dławienia można regulować pracę pompy lub stosować pompy wyposażone w elektroniczne układy regulacji różnicy ciśnień. Pompa obiegowa c.o. do instalacji z zaworami termostatycznymi typu UPE 25-25 firmy „Grundfos" Takie pompy produkuje firma „Grundfos" (UPE Selectronic i UPE 2000), firma „Wiło" (Wilo-Star i Wiło Top-E, Spar-Tronic) oraz firma „Smedegard" (Isobara). Pompy o płynnej regulacji obrotów wirnika, tzn. o płynnej zmianie wydajności, samoczynnie dostosowują się do zmiennych przepływów wody w instalacji grzewczej. Pompy te utrzymują stałą zadaną wartość ciśnienia lub zakresu ciśnienia (seria UPE 2000, Wilo-Star, Wiło Top-E, Isobara). W sytuacji, gdy układ grawitacyjny chcemy wyposażyć w pompę należy wybrać urządzenie o małych własnych oporach przepływu oraz płaskiej charakterystyce (tzn. dużej wydajności przy niewielkiej wysokości podnoszenia od 0,5 do 1,0 m). Taka modernizacja instalacji wymaga niejednokrotnie ponownego zrównoważenia hydraulicznego, czyli przekryzowania. Decyzję o tym, gdzie zamontować pompę - na zasileniu czy na powrocie - powinna podjąć kompetentna osoba. Lokalizację określa się tak, aby nie występowało zjawisko kawitacji oraz wysysania wody z otwartego naczynia wzbiorczego. Gdy pompa pracuje w układzie otwartym konieczne jest zachowanie odpowiedniej odległości pomiędzy najwyższym punktem obiegu wody, a dnem naczynia wzbiorczego. Dla pomp zamontowanych na zasileniu odległość ta wynosi minimum 0,3 m, a dla pomp pracujących na powrocie - 0,7 Hp. Instalując pompę na zasilaniu należy pamiętać, że nie może ona być wbudowana pomiędzy kocioł a punkt, w którym do przewodu zasilającego włączona jest wzbiorcza rura bezpieczeństwa. Pompy cyrkulacyjne ciepłej wody użytkowej Drugim rodzajem pomp obiegowych, które spotyka się w domach jednorodzinnych, są pompy cyrkulacyjne ciepłej wody użytkowej. Zadaniem cyrkulacji c.w.u. jest utrzymanie stałej temperatury wody - od źródła ciepła (podgrzewacza czy zasobnika) do odbiornika (kranu)dzięki stałemu minimalnemu przepływowi wody w całym obiegu. Instalacja c.w.u. może być jednorurowa - przewód przechodzi od podgrzewacza do kranu lub dwururowa dodatkowo zamontowana jest rura cyrkulacyjna. W pierwszym wypadku ciepła woda płynie przez przewód rozprowadzający tylko wtedy, gdy kran jest odkręcony. Gdy jest zamknięty pozostająca w nim ciepła woda stygnie. Przewód cyrkulacyjny małej średnicy, łączy koniec rurociągu rozprowadzającego z podgrzewaczem. Sprawnie działający obieg cyrkulacyjny pozwala na uzyskanie ciepłej wody tuż po odkręceniu kranu. Pompa obiegowa instalacji cyrkulacji c.w.u. typu Z firmy Wiło" ; Jeśli instalacja nie jest wyposażona w cyrkulację, tracona jest energia oraz - w oczekiwaniu na ciepłą wodę - wylewane jest niepotrzebnie do kanalizacji lub szamba wiele litrów schłodzonej wody. Problem cyrkulacji można rozwiązać w sposób grawitacyjny lub pompowy. Obiegi grawitacyjne można stosować w instalacjach niezbyt rozległych. W instalacjach c.w.u. woda jest natleniona. Nie powinno się jej podgrzewać do temperatury wyższej niż 65°C,ponieważ następuje wtedy intensywne wydzielanie powietrza i soli rozpuszczonych w wodzie, które w postaci kamienia kotłowego osadzają się na ściankach urządzeń stykających się z wodą. Osadzanie kamienia kotłowego w pompie może prowadzić do jej zablokowania. Do instalacji c.w.u. stosuje się pompy wykonane ze specjalnych materiałów odpornych na korozję. Korpusy pomp obiegowych do centralnego ogrzewania są żeliwne, a w obiegach ciepłej wody użytkowej stosuje się pompy ze stali nierdzewnej lub z brązu. Dopuszczalne są również inne rozwiązania, np. żeliwny korpus pompy pokryty specjalną powłoką emaliowaną lub teflonową (pompy firmy „Smedegard"). Niektórzy producenci pomp przeznaczonych do wody pitnej stosują dodatkowe zabezpieczenia przed odkładaniem się osadów. Są to np. zawory zwrotne sprężynowe instalowane w wydrążonym wale pompy, dzięki którym woda znajdująca się w przestrzeni pompy nie jest wymieniana (pompy typu Z firmy „Wiło"). Spotyka się także membrany ze stali nierdzewnej, teflonu lub kopolimeru, montowane między wirnikiem pompy a silnikiem (pompy firmy „Smedegard"). Pompy obiegowe c.w.u. można wyposażyć w wyłączniki czasowe do automatycznej regulacji, nie ma bowiem potrzeby, aby pompa pracowała w nocy. Zegary sterujące montowane są bezpośrednio na skrzynce zaciskowej pompy lub przy wtyczce elektrycznej. Można je stosować również do pomp obiegowych c.o. Na rynku spotyka się zegary z programem dziennym (24-godzinnym),jak i tygodniowym z różnymi przedziałami nastawy przełączania. Stosowanie zegarów pozwala obniżać koszty eksploatacyjne. Eksploatacja Na żywotność pompy istotny wpływ ma jakość pompowanego czynnika. Pompy pracujące w zamkniętych obiegach grzewczych mają znacznie dłuższą żywotność. Ubytki czynnika grzewczego są małe, konieczność jego uzupełniania rzadka, a zatem mniejsza jest możliwość odkładania się kamienia kotłowego, który bywa przyczyną zatarcia pompy. Woda nie może być zanieczyszczona mechanicznie. Warto przed pompą zamontować filtr siatkowy, który można okresowo czyścić. Przed zainstalowaniem pompy instalację należy wypłukać. Szkodliwa dla pompy jest także praca na „sucho". Ważne jest więc, aby system odpowietrzający instalacji grzewczej działał sprawnie. Odpowietrzenie można rozwiązać stosując na przykład pompy typu Aierlectic firmy „Grundfos" lub RSL firmy „Wiło", wyposażone w separator wbudowany w korpus, w którym oddzielane jest powietrze z instalacji grzewczej. Powietrze usuwane jest z obiegu przez automatyczny zawór odpowietrzający. Pompę obiegową c.o. należy odpowietrzyć przy pierwszym uruchomieniu w sezonie grzewczym (rys. 4). Pompę obiegową c.w.u. powinno się odpowietrzać po każdorazowym okresowym braku wody. Nowością na rynku są pompy samoodpowietrzające się typu Top firmy Wiło". Rys. 4. Odpowietrzanie pompy Pompy montuje się bezpośrednie na rurociągu za pomocą dwuztłączek gwintowych tzw. śrubunków. Innym rozwiązaniem są połączenia zaciskowe (system połączeń WiloPrima). Pompy mają niewielkie rozmiary, długość zabudowy około 20 cm, ciężar średnio 1,5-5 kg. Montując pompę należy pamiętać, aby oś wału pompy znajdowała się w położeniu poziomym, ma to wpływ na trwałość łożysk (rys. 5). Rys. 5. Montaż pompy - o wirnika w poziomie Silniki pomp wymienionych firm mocy do 100 W nie wymagają dodatkowych zewnętrznych zabezpieczeń elektrycznych. Produkowane są w wersji 220 V lub 3 x 380 V. Podczas pracy pompa może się rozgrzewać nawet do 90°C, ponieważ pompuje czynnik o wysokiej temperaturze, który dodatkowo chłodzi silnik pompy. Pompy mają dwuletnią gwarancję oraz podlegają certyfikacji na Znak Bezpieczeństwa „B". Temperatura czynnika i otoczenia W tzw. pompach z suchym wirnikiem silnika, tzn. pompach wirowych z chłodzonym płaszczowo silnikiem asynchronicznym, dla zapewnienia chłodzenia silnika, a tym samym jego obciążalności, ważna jest przede wszystkim temperatura powietrza w miejscu zainstalowania. Temperatura czynnika jest istotna dla doboru materiałów uszczelek i rodzaju uszczelnienia, mechanicznego wału, pierścieniem ślizgowym. Aktualnie istnieją specjalne uszczelnienia odporne na wysokie temperatury, w razie potrzeby wyposażane także w odrębne chłodzenie. W najczęściej stosowanych pompach obiegowych c.o. - pompach z mokrym wirnikiem silnika - temperatura czynnika odgrywa ważniejszą rolę, oczywiście w pewnej zależności od temperatury otoczenia. Pompa z mokrym wirnikiem silnika określenie swoje zawdzięcza zasadzie konstrukcyjnej silnika, którego wirnik porusza się w hermetycznej koszulce, wypełnionej czynnikiem tłocznym. Tutaj moc tracona silnika w większej części przekazywana jest wodzie wewnątrz koszulki, chłodzonej z kolei przez czynnik obiegowy. Zalety tej koncepcji konstrukcyjnej, jak bezszmerową pracę, brak przejścia wału na zewnętrz i wykorzystywanie ciepła traconego, okupuje się tym, że maksymalna dopuszczalna temperatura czynnika jest dla tych pomp zazwyczaj niższa, niż w przypadku pomp z suchym wirnikiem silnika. Przy temperaturach medium niższych od temperatury otoczenia w silniku z wirnikiem mokrym mogą powstać problemy ze skraplaniem się pary wodnej. Dla takich zastosowań (do wody zimnej) należy wybierać wykonania specjalne lub pompy z suchym wirnikiem silnika. Lepkość czynnika W obiegach chłodzenia i odzysku ciepła, w pompach ciepła wykorzystujących ciepło gruntu, w instalacjach słonecznych, oraz instalacjach centralnego ogrzewania narażonych na zamarznięcie, stosuje się mieszaniny wody ze środkiem przeciwmroźnym, zazwyczaj glikolami. Im niższe temperatury, przed którymi instalacja ma być zabezpieczona, tym więcej należy dodać do wody środka przeciwmroźnego. W ten sposób jednak wraz ze spadkiem temperatury czynnika rośnie nie tylko jego gęstość i lepkość, ale i wzrastają opory tarcia w rurociągach. Ponadto osiągalna wysokość podnoszenia pompy przy przepływach Q > O jest mniejsza niż w przypadku czystej wody. Pompa z suchym wirnikiem silnika. Pompa z mokrym wirnikiem silnika. Zjawiska te można wprawdzie uwzględnić przy doborze pompy obiegowej przez dobór pompy odpowiednio większej. Przy przekroczeniu jednak lepkości dopuszczalnej, określanej przez producenta pompy na 8-10 m3/s, zapotrzebowanie mocy pompy wzrasta tak bardzo, że maksymalna moc oddawana na wale silnika, zaprojektowanego do przetłaczania wody czystej, zostaje przekroczona. Obok przeciążenia silnika spodziewać się można też problemów z ruchem, wskutek kleistości wysokolepkiej cieczy. Dlatego w przypadkach takich należy stosować pompę z suchym wirnikiem silnika i odpowiednio przewymiarowanym silnikiem. Ważny jest nie tylko stosunek składników mieszaniny, ale i rodzaj glikolu. Mieszanina bezpieczna dla temperatur do -30" C i złożona z wody i 44% objętości glikolu etylowego osiąga granicę lepkości 10 mm2/s dopiero przy ok. - 5° C, podczas gdy dla mieszanki wody z 47% glikolu propylenowego przypadek ten występuje już przy ok. +8° C. Właściwe położenie robocze i miejsce wbudowania Z uwagi na konstrukcję pomp producenci zalecają określone położenia robocze. W przypadku pompy z mokrym wirnikiem silnika montuje się ją zazwyczaj z wałem w pozycji leżącej. W tym położeniu wał wirującej pompy centruje się w osiach obu łożysk promieniowych. Ponieważ przy wirującym wale powstaje siła naporu w kierunku wirnika pompy, musi ona zostać przejęta przez łożysko oporowe. Przy zamontowaniu pompy z wałem usytuowanym pionowo, z silnikiem w dół, ciężar wirnika działałby w przeciwnym kierunku, powodując nabieganie wirnika na przednie łożysko promieniowe. Przy odwrotnym zamontowaniu pompy występowałyby problemy z gromadzeniem się powietrza w koszulce komory wirnika. Również w przypadku pomp z suchym wirnikiem mogą występować instrukcje montażowe, zabraniające montowania w określonych położeniach. Przy dużych pompach może zaistnieć konieczność dodatkowego podparcia silnika. Przy zamontowaniu z pionowym położeniem wału może dojść do problemów ze zbieraniem się powietrza przy uszczelnieniu mechanicznym wału, o ile nie podejmie się środków zaradczych. Ponadto dla wszystkich pomp obiegowych obowiązuje zasada, aby bez odpowiednich środków zabezpieczających nie umieszczać pompy w najwyższym punkcie instalacji, gdyż tam, ze względu na zawarte w wodzie powietrze, narażona jest ona na suchobieg. Również niezalecane jest instalowanie pompy w najniższym punkcie instalacji, gdyż tam zagrożona jest najbardziej osadami zanieczyszczeń. Jeśli możliwe, to pompę należy zawsze instalować w rurociągu pionowym, gdyż tutaj problemy z zapowietrzaniem i osadami są najmniejsze. Kwestia preferowania instalowania pompy na zasilaniu czy powrocie nie będzie tutaj omawiana. Czysta woda Pompy obiegowe konstruowane są do tłoczenia wody czystej. W każdej instalacji można jednak znaleźć zanieczyszczenia różnego rodzaju, mogące powodować nie tylko zakłócenia w działaniu, lecz nawet uszkodzenia elementów instalacji. Większość takich zanieczyszczeń mechanicznych dostaje się tam podczas wykonywania instalacji względnie późniejszych pracach przy instalacji. Obowiązuje zasada, że instalacja winna zostać przepłukana przed jej uruchomieniem. Ponadto także przy eksploatacji systemu dochodzi do powstawania nowych zanieczyszczeń, wskutek tworzenia się szlamu z produktów korozji. Dlatego dla zabezpieczenia się przed tymi zanieczyszczeniami może zająć konieczność wbudowania filtrów zanieczyszczeń, które są jednak często powodem przerw w eksploatacji, gdy ich sita ulegną zatkaniu. Dlatego już w fazie projektowania należy myśleć o ułatwieniu konserwacji instalacji, przewidując zawory odcinające i manometry po obu stronach filtra. Tylko w ten sposób można będzie z zewnątrz stwierdzić, kiedy konieczne jest oczyszczenie filtra. Bez tego w praktyce często zaczyna się od wymiany pompy na wydajniejszą. Jeśli natrafi się na zanieczyszczone szlamem elementy instalacji, to nie należy poprzestać na ich oczyszczaniu, ale zbadać również przyczynę zanieczyszczeń, aby zapobiec powstawaniu szlamu w przyszłości. W instalacjach ogrzewania rzadko są to ciała stałe wprowadzone przy napełnianiu instalacji wodą, lecz głównie produkty korozji metali z instalacji. Przy korozji elementów żelaznych, jak rur czarnych, grzejników lub kotłów stalowych, powstają produkty utlenienia żelaza jak wodorotlenek żelaza, tlenek żelazowy, a w pewnych okolicznościach nawet uwodniony tlenek żelazowy. W pierwszym rzędzie będzie to Fe2O3, czarny magnetyt. Powstaje on przez reagowanie elementów żelaznych z tlenem rozpuszczonym w wodzie. Uwalnia się przy tym wodór, który może łączyć się z węglem w metan. Istnieją następujące możliwości zapobiegania powstawaniu szlamu: 1. Nie stosować elementów żelaznych. Grzejniki mogą jednak ulec nasilonej korozji. Na takie uszkodzenia, określane jako efekt anody traconej, narażone są szczególnie grzejniki łazienkowe w instalacjach ogrzewania podłogowego. 2. Uniemożliwić dostęp tlenu. Próbowano tego od dawna, budując systemy hermetyczne, ale z różnych przyczyn nigdy nie powiodło się to całkowicie z uwagi na takie efekty, jak nieprawidłowe trzymanie ciśnienia w instalacji c.o. lub dyfundowanie tlenu poprzez pewne tworzywa sztuczne. 3. Związać tlen. Istnieją dodatki do wody, które mają związać tlen zanim zaatakuje on i skoroduje elementy żelazne. Ale taki środek wiążący musi reagować dostatecznie szybko i być dawkowany do systemu ciągle i w wystarczających ilościach, co wymaga regularnego nadzorowania i daje się dlatego zrealizować tylko w instalacjach większych. 4. Dodać inhibitory. Dodatki, zwane inhibitorami, mają działanie katodowe lub anodowe. Katodowe wstrzymują reakcję katodową, podczas gdy anodowe powlekają chroniony materiał warstwą ochronną i w ten sposób zapobiegać mają występującemu inaczej rozpuszczaniu metalu. Przy tego typu dodatkach należy jeszcze staranniej zwracać uwagę na dodawanie wystarczającej ilości i równomierne rozprowadzenie w instalacji, gdyż inaczej w miejscach nie chronionych wystąpi wzmożona korozja wżerowa. Jeśli nie ma możliwości pewnego zapobiegania powstawaniu szlamu, to należy zainstalować pułapki magnetytu, filtry lub odszlamiacze, które jednak z kolei należy regularnie czyścić. Inne zanieczyszczenia, jak oleje i smary używane przy gwintowaniu, lutowaniu i ciągnieniu rur mogą powodować problemy, zwłaszcza w małych pompach z mokrymi wirnikami silnika, jeśli przez ciasną szczelinę roboczą łożyska przedostaną się do koszuli przestrzeni wirnika i tam po wystygnięciu instalacji stwardnieją w kleistą masę. Oprócz takich osadów, smarów, może też, w zależności od stanu wody, dochodzić do wytrącania się mineralnych składników wody. Dlatego ważną sprawą jest konstrukcyjne zapewnienie dobrego przepłukiwania komory wirnika, a szczególnie przedniego łożyska, aby nie osadzały się tam zanieczyszczenia i nie powstawały lokalne przegrzania. Specjalnym rozwiązaniem jest np. wal antyblokujący (ABW), wyposażony w otwór podłużny dla poprawienia krążenia i rowki pierścieniowe w rejonie łożysk, zapobiegające przy ruchach osiowych wału osadzaniu się zanieczyszczeń mechanicznych w łożyskach. Ważny jest także odpowiedni dobór materiałów na łożyska. Dobrze sprawdziły się tu szczególnie pary materiałów o wysokiej twardości, jak spieki i ceramika. Skuteczność tych środków zwiększają jeszcze regularne rozruchy próbne pompy w okresie postoju, sterowane przez systemy regulacji kotła lub instalacji. Woda wolna od powietrza Każdy wie, że powietrze (lub ogólnie biorąc: gaz) stanowi najpoważniejszy czynnik zakłócający w instalacjach c.o. Powodować może ono nie tylko hałasy, ale i awarię instalacji. Jeśli do wirnika pompy zassany zostanie pęcherzyk powietrza, to obok siły wyporu i unoszenia działa nań także siła dośrodkowa, która ze względu na różnice gęstości powietrza i wody wypiera pęcherz w kierunku osi obrotu i utrzymuje go tam. Gdy pęcherz powietrza urośnie tam do pewnej, zależnej od konstrukcji pompy objętości krytycznej, następuje przerwanie tłoczenia i cala moc elektryczna pompy będzie teraz oddawana wodzie w komorze wirnika (koszulce), która ze swej strony przestaje być już chłodzona. Po krótkim czasie temperatura osiągnąć może wartość temperatury parowania czynnika i nastąpić może przerwanie (wodnego) filmu smarnego w łożyskach ślizgowych pompy. Powstające teraz tarcie suche prowadzi do uszkodzenia łożysk i tym samym zniszczenia pompy równie nieodwołalnie, jak uruchomienie pompy przed napełnieniem instalacji. Awarię pompy mogą także powodować klapy zwrotne lub zawory wyporowe bez śluz powietrznych, jeśli możliwe jest powstawanie pod nimi poduszki powietrznej, co nie pozwala temu organowi otworzyć się przy rozruchu pompy. Dlatego ważnym jest, aby odpowietrzyć dobrze pompę jak i całą instalację tylko przy rozruchu, ale i podczas eksploatacji troszczyć się o zapobiega wnikaniu powietrza i usuwanie powietrza znajdującego się już w systemie. Nawet przy starannym zaprojektowaniu i wykonaniu instalacji nie uda się trwale zapewnić jej gazoszczelności, gdyż woda obiegowa jest dobrym rozpuszczalniki dla gazów i zawsze będzie dążyła do nasycenia się ilością gazu, odpowiadając; aktualnemu stanowi. Nadciśnienie w bar Rozpuszczalność powietrza w wodzie. Rozpatrując zdolność rozpuszczania powietrza w wodzie (rys. @) zauważymy, że l m3 nasyconej wody obiegowej przy ciśnieniu układu l bar, przy podgrzaniu 10° C do 80°C uwalnia ok. 251 powietrza. Podczas cyklu nagrzewania/stygnie instalacji, warunkowanego różnicę temperatur na zasilaniu i powrocie o redukcję nocną, wydziela się ciągle (przez odgazowanie wody) mniejsza większa ilość powietrza, gdyż woda wchłania je z atmosfery w chłodniejsza częściach lub fazach pracy instalacji. Proces ten w praktyce zachodzi także w instalacjach zamkniętych. Odgazowywanie się wody obiegowej zależy więc od temperatury, a także ciśnienia. Będzie więc ono następowało w miejscach o wysokiej temperaturze i/lub niskim ciśnieniu, a więc na ściankach kotła, w wysoko położonych częściach instalacji i w miejscach zwężeń, jak w kolankach, armaturze, a także w pompie gdyż tutaj, wskutek wysokich prędkości, ciśnienie statyczne jest bardzo niskie Dlatego też skuteczne, ciągłe odpowietrzanie instalacji należy prowadzić kotłem, ale przed pompą, gdyż tam właśnie należy oczekiwać największego nasilenia występowania pęcherzyków powietrza. Zasadniczo istnieją dwa różne rodzaje odpowietrzaczy ciągłych: wyporowe i cyklonowe. W odpowietrzaczach wyporowych rozszerzenie przekroju powoduje zmniejszenie prędkości przepływu czynnika i tym samym sił unoszenia pęcherzyków przez przepływający czynnik. Badania wykazały, że pęcherzyki powietrza - zależnie od kształtu i wielkości oraz od średnicy rur - osiągają prędkości wznoszenia w granicach 0,045-0,25 m/s, a przy prędkościach przepływu ponad (0,4 m/s są nawet porywane przez wodę w dół. Dlatego odpowietrznik szybkodziałający instalowany zazwyczaj na poziomym rurociągu nie może w pompowych ogrzewaniach wodnych spełnić w ogóle swojej roli, chyba że w rejonie tym wydatnie zmniejszy się prędkość przepływu, poszerzając przekrój lub instaluj w rurociągu naczynie odpowietrzające. Przykład prawidłowego odpowietrzania na skutek zredukowania prędkości przepływu. W odpowietrzaczach cyklonowych mieszanina woda-powietrze rozdziela jest przez siłę odśrodkową. W tym celu wodę doprowadza się umieszczony w poziomie króćcami stycznie do naczynia cylindrycznego tak, aby spowodować jej zawirowanie. Przy stosunkowo małej średnicy mieszanina zostaje poddana silnym przyspieszeniom, powodującym oddzielenie się wody (na zewnątrz) od powierzchni (wewnątrz). Pęcherzyki powietrza, zbierające się przy osi wirowania pod wpływem siły wyporu działającej przeciwnie do siły ciążenia unoszą się w górę do odpowietrznika szybkodziałającego, który usuwa je w sposób ciągły z systemu. Zasada działania odpowietrzacza cyklonowego Na rynku istnieją od kilku już lat małe pompy obiegowe (Airlectric) w który odpowietrzacz wbudowany jest w część wlotową pompy. Oznacza to, że instalator dysponuje kompletnym agregatem - pompą wraz z odpowietrzaczem - i musi tylko na kadłubie pompy zamontować odpowietrznik szybkodziałający. Takie wykonanie pompy oferowane jest również z wbudowanym układem regulacji, i pozwala za jednym zamachem rozwiązać wiele problemów i jednocześnie uzyskać oszczędność energii. Równie ważnym jak usuwanie powietrza z systemu, jest zapobieganie wnikania doń nowego powietrza. Niezbędnym tego warunkiem jest prawidłowe utrzymań ciśnienia. W instalacjach zamkniętych zadanie to przejmuje membranowe naczynie wzbiorcze. Dla tego ważnego elementu instalacji istnieje jednak kilka kryteriów, które bezwzględnie muszą być przestrzegane. Jego zadaniem jest nie tylko pomieszczenie przyrostu objętości cieczy, aby przy rozgrzewaniu się instalacji zapobiec niedopuszczalnemu wzrostowi ciśnień i oddać tę wodę przy stygnięciu, lecz także wyrównywanie strat wody wskutek odgazowywania i przecieków, aby i w zimnym stanie instalacji nie powstawać w niej podciśnienie. Dopóki jeszcze w membranowym naczyniu wzbiorczym znajduje się taka woda rezerwowa, tak długo naczynie utrzymuje ciśnienie układ na poziomie ciśnienia poduszki azotowej. Z tej zasady działania wynikają następujące wnioski: l. Ciśnienie poduszki azotowej należy dobrać odpowiednio do instalacji. Jeśli będzie za niskie, to może powstać podciśnienie. Jeśli jest za wysokie, to pojemność użytkowa naczynia będzie mniejsza. 2. Ciśnienie napełnienia instalacji musi być wyższe od ciśnienia poduszki azotowej. W przeciwnym przypadku instalacja nie będzie dysponowała żadną rezerwą wody i przy ostygnięciu może w pewnych warunkach powstawać podciśnienie. 3. Pojemność użytkową naczynia należy dobrać nie tylko dla termicznego przyrostu objętości instalacji, lecz także dla rezerwy wody rzędu 1-3% pojemności instalacji. W przeciwnym przypadku, już przy nieznacznych stratach wody wskutek przecieków, odpowietrzania lub odparowania, powstać może podciśnienie. Ponadto zapewnić należy, aby naczynie było zawsze połączone ze wszystkimi częściami instalacji, aby ciśnienie było utrzymane w całym systemie. Problematyka ta jest znana szczególnie przy szczelnie zamykających mieszaczach czterodrogowych. Konieczny jest tu przewód wyrównawczy lub wpięcie po jednym naczyniu w obieg kotłowy i grzejnikowy. Właściwe trzymanie ciśnienia w instalacjach z mieszaczem czterodrogowym. Ciśnienie poduszki azotowej należy przy montażu dopasować do instalacji i następnie kontrolować je conajmniej raz w roku. W tym celu zaleca się montować membranowe naczynie wzbiorcze tak, aby można je było odcinać od instalacji (lecz z zabezpieczeniem przed przypadkowym odcięciem) i opróżniać, co pozwala łatwo i tanio osiągać wymagany do pomiaru stan bezciśnieniowy. W instalacjach wody gorącej z temperaturą czynnika ponad 100° C należy podwyższyć ciśnienie poduszki gazowej, odpowiednio do prężności pary wodnej. Minimalna wysokość napływu pompy Oprócz przedstawionego wyżej istnieją też inne powody, by wybrać wyższe ciśnienie spoczynkowe instalacji, niż wynikałoby to z geometrycznej wysokości instalacji ponad naczyniem. W określonych instalacjach, jak przy dachowych centralach ogrzewczych lub w budynkach z instalacją rozległą w poziomie, lecz o niewielkiej wysokości, miarodajnym jest zachowanie minimalnego ciśnienia na króćcu ssawnym pompy, zapobiegającego szumom kawitacji, podawanego przez producenta pompy. Taka minimalna wysokość ciśnienia napływu jest dla danego typu pompy wyznaczana przez producenta na stanowisku prób i podawana w dokumentacji pompy. Ponieważ zależna jest ona od temperatury czynnika, to jest podawana dla określonej temperatury wody. Dla innych temperatur wody minimalne ciśnienie napływu można przeliczyć w oparciu o prężność pary wodnej, nie może być ono jednak niższe od 0,5 m. Jeśli przy pracy pompy nie jest gwarantowane utrzymanie tego ciśnienia minimalnego na króćcu ssawnym, to liczyć się należy z wystąpieniem kawitacji. Pod pojęciem kawitacji rozumie się następujący proces występowania szybko zmieniających się ciśnień. W wyniku przekazywania energii w wirniku pompy powstają różnice ciśnień pomiędzy przednią, a tylną stroną łopatki wirnika, wskutek czego wewnątrz pompy istnieją obszary, w których ciśnienie jest niższe niż na króćcu ssawnym. Jeśli ciśnienie spadnie tam poniżej prężności par cieczy, zaczną powstawać pęcherzyki pary, implodujące podczas wędrówki przez wirnik. Powstają wskutek tego hałasy, może dojść do spadku wydajności i niszczenia materiału, aż do awarii pompy. O ile w instalacjach otwartych często nie jest możliwe zwiększenie ciśnienia spoczynkowego instalacji (np. przez usytuowanie wyżej naczynia wzbiorczego), to w instalacjach zamkniętych ten warunek eksploatacyjny daje się spełnić stosunkowo łatwo. Podnosząc odpowiednio ciśnienie spoczynkowe przez zwiększenie ciśnienia wstępnego i ciśnienia napełnienia można zapewnić, że nawet przy maksymalnej temperaturze czynnika wymagane ciśnienie minimalne na króćcu ssawnym pompy pozostanie utrzymane. Do tych nowych warunków należy oczywiście dopasować wielkość naczynia i ewentualnie także zawór bezpieczeństwa. Zwłaszcza przy dachowych centralach ogrzewczych należy teraz sprawdzić wytrzymałość na ciśnienie nisko położonych części instalacji. Nie wystarczy jednakże uwzględnienie tylko ciśnienia spoczynkowego, gdyż ważne są warunki napływu przy przepływie maksymalnym. Tylko w punkcie zerowym instalacji ciśnienie pozostaje stałe. Jest więc istotnym, czy punkt ten leży po stronie ssawnej czy tłocznej pompy. Przy niekorzystnym usytuowaniu membranowego naczynia wzbiorczego względem pompy może bowiem dochodzić do wyraźnego spadku ciśnienia na króćcu ssawnym pompy w porównaniu z ciśnieniem spoczynkowym, a nawet do podciśnienia w przewodach powrotnych wyżej położonych części instalacji. Dlatego montowanie pompy w zimniejszym powrocie jest czasem raczej niekorzystne, jeśli trzymanie ciśnienia realizowane jest na stronie tłocznej pompy. W pompach o większej mocy z suchym wirnikiem silnika producent nie podaje już wymaganego ciśnienia minimalnego, lecz wartość NPSH (Net Positive Suction Heat) względną nadwyżkę kawitacyjną HH pompy w postaci charakterystyki. Wartość NPSH oznacza spadek wysokości ciśnienia wewnątrz pompy, aż do punktu o ciśnieniu najniższym, i podawana jest w funkcji objętościowego natężenia przepływu. Jeśli chce się zapewnić, by pompa nie wchodziła w kawitację, należy przed pompą zapewnić wysokość ciśnienia napływu HZ, przekraczającą wysokość ciśnienia par czynnika tłocznego HD o wartość NPSH, powiększoną o dodatek bezpieczeństwa w wysokości 0,5 m. HZ gdzie: pZ pB g = 9,81 pD NPSH [bar] [bar] [kg/m3] [m/s2] [bar] [m] - - pz pB g 100 [m] nadciśnienie napływu (manometryczne) ciśnienie barometryczne gęstość przyspieszenie ziemskie prężność pary (abolutna) wartość NPSH dla pompy Wartość prężności pary odczytać można z tablicy l. Oblicza się jš w sposób następujący: HD pD g 100 [m] W uproszczeniu można więc powiedzieć, że nadciśnienie p Z, odczytywane na manometrze na króćcu ssawnym pompy musi być większe niż: pZ NPSH 0,5 10 [bar ] Właściwe zabezpieczenie silnika Silnik pompy może zostać zniszczony m.in. wskutek następujących czynników: przez przeciążenie w wyniku zbyt wysokiej lepkości, przez przeciążenie w wyniku zbyt dużego natężenia przepływu, jeśli silnik pompy zaprojektowany był dla punktu pracy, lecz natężenie przepływu jest zbyt wysokie wskutek hydraulicznego niezrównoważenia instalacji, przez przeciążenie w wyniku zbyt dużego natężenia przepływu, jeśli w instalacji wielopompowej silnik pompy zaprojektowany był dla obliczeniowej wydajności przy obciążeniu nominalnym, lecz pracuje mniej pomp niż założono, przez przeciążenie wskutek zablokowania wirnika pompy lub silnika, przez przeciążenie poszczególnych uzwojeń silnika trójfazowego przy braku fazy, przez przegrzanie wskutek niewystarczającego chłodzenia silnika. Dla ochrony silnika stosuje się zazwyczaj wyłączniki ochronne, wyzwalane termicznomagnetycznie lub tylko termicznie, jeśli prąd pobierany przez silnik przekroczy nastawioną wartość. Przy właściwym nastawieniu zapewnia się w ten sposób wprawdzie zabezpieczenie przed przeciążeniem, nie ma jednak żadnego zabezpieczenia przed skutkami niedostatecznego chłodzenia. Pompy jednobiegowe można więc w ten sposób zabezpieczyć warunkowo, nastawiając wyzwalacz na prąd znamionowy silnika. Wielobiegowe pompy obiegowe nie dają się natomiast zabezpieczyć tą metodą, gdyż znamionowy pobór prądu jest bardzo różny i zależny od układów połączeń uzwojeń. Dla każdego stopnia obrotów trzeba by więc nastawiać wyłącznik ochronny na nowo. Dlatego przemysł oferuje pompy obiegowe o mocy elektrycznej do ok. 100-150 W z ochroną impedancyjną, odporne na zwarcie nawet przy zablokowaniu wirnika i nie wymagające żadnego zabezpieczenia silnika. Przy mocach większych stosuje się zazwyczaj ochronę łącznikami termicznymi (Klixon) w uzwojeniu. W ten sposób są one zabezpieczone nie tylko przed przeciążeniem, ale i przed przegrzaniem, pod warunkiem, że łącznik termiczny spowoduje przerwanie obwodu silnika. W pompach z silnikami trójfazowymi winien on dlatego wysterowywać stycznik względnie przekaźnik, przerywający wszystkie fazy. Stycznika tego nie musi już dzisiaj instalować sam użytkownik, ponieważ albo jest on wbudowany we współpracujący z pompą sterownik, albo w skrzynkę zaciskową pompy (Z) Punkt zerowy instalacji. Przebieg ciśnienia w instalacji centralnego ogrzewał W pompach zintegrowanych z regulatorem obrotów praktykuje się dzisiaj zabezpieczanie nie tylko silnika, ale i elektroniki przy pomocy czujników temperatury, które przy przegrzaniu powodują redukowanie mocy, aż do wyłączenia pompy. Dzięki równoczesnemu kontrolowaniu napięcia zasilania i obrotów uzyskuje się w ten sposób pełną ochronę silnika. Przy silnikach znormalizowanych istnieje zazwyczaj możliwość otrzymania ich z wbudowanymi w uzwojenia oporowymi czujnikami temperatury PTC, tzw. pozystorami, które należy przyłączyć do wyzwalacza w szafce sterowniczej lub regulatorze, powodującego wyłączenie silnika przy przegrzaniu. W silnikach z regulacją obrotów, pełną ochronę termiczną lub przetwornice częstotliwości z wbudowanym elektronicznym zabezpieczeniem silnika poprzez symulację nagrzewania się silnika, należy zawsze preferować przed wyłącznikami ochronnymi, gdyż przy niskich obrotach nie jest zazwyczaj osiągany ustawiony prąd wyzwalania. Zrównoważenie hydrauliczne Jednym z ważniejszych warunków nienagannej pracy pompowej instalacji c.o. jest hydrauliczne zrównoważenie instalacji. W systemach grawitacyjnych było koniecznością takie zaprojektowanie sieci rurociągów, aby na każdy z odbiorników przypadały jednakowe opory przepływu. Lecz również w instalacjach pompowych z zaworami termostatycznymi zrównoważenie hydrauliczne jest nieodzowne. Im większe są opory sieci rurociągów, tym większe na ogół różnice ciśnień na zaworach. Bez zrównoważenia na hydrodynamicznie najkorzystniej położonych grzejnikach ustaliłyby się o wiele za duże przepływy objętościowe, a tym samym i podwyższone moce grzejne, podczas gdy niekorzystnie położone grzejniki byłyby niedogrzewane. Zadania wielu fachowców, odnośnie najlepszego sposobu zapewnienia równomiernego rozdziału wody, czy to przez precyzyjne dobranie średnic rurociągów i równe długości wszystkich gałązek, czyli tzw. system Tichelmanna, czy też przez wstępną regulację nastawnych zaworów termostatycznych lub dwuzłączek powrotu, są podzielone. Należy jednak przypomnieć, że wymaga się dla wodnych systemów centralnego ogrzewania ograniczenia przepływu dla każdej powierzchni grzejnej w pomieszczeniu i zwraca się uwagę na znaczenie autorytetu zaworu w przypadku stosowania zaworów termostatycznych w instalacjach dwuprzewodowych. Dostatecznie duży autorytet zaworu można jednak często osiągnąć tylko wtedy, gdy kompensacja przeprowadzana jest w zaworze. Właściwy dobór pomp Rozważmy raz jeszcze standardowy przypadek dwuprzewodowej instalacji c.o. z zaworami termostatycznymi na grzejnikach. Pompa musi tu zostać dobrana tak, by była w stanie przetłoczyć strumień objętościowy warunkowany przez moc grzejną instalacji, pokonując przy tym opory sieci rurociągów na odcinku do najbardziej niekorzystnie położonego odbiornika. Wychodzi się więc od przypadku pełnego obciążenia, który w większości instalacji nigdy nie jest osiągany. Jeśli uwzględni się, że w samych obliczeniach zapotrzebowania ciepła tkwią jeszcze rezerwy, lub jeśliby, jak w przypadku stosowanego w doborze kotła normowanego zapotrzebowania ciepła budynku, zredukować do połowy straty na wentylację, wynikające z równoczesnego naporu wiatru z przeciwnych kierunków, to dojdzie się do ilości ciepła tak małych, jak w przypadku PEC-ów, które obecnie przyznają swoim klientom tylko 2/3 obliczeniowego zapotrzebowania ciepła, redukując w ten sposób drastycznie objętościowe natężenia przepływu. W praktyce jednak i dziś dobiera się zazwyczaj przewymiarowane pompy obiegowe c.o. Fakt ten potwierdziło niedawne studium IKE Uniwersytetu Stuttgart na temat potencjału oszczędnościowego w pompach obiegowych w RFN. Wykazano, że pompy w domach jedno- dwurodzinnych przewymiarowane są przeciętnie 2,7-krotnie, a w budynkach wielorodzinnych - nawet 3, 4-krotnie. Przyczyną tego jest zapewne nie tylko brak obliczeń sieci i pomp, lecz często zwykła obawa przed tym, że gdzieś coś może pozostać niedogrzane. Tak jednak będzie tylko wtedy, jeśli sieć nie zostanie zrównoważona. Dla prawidłowego doboru pompy potrzebne są następujące dwa parametry instalacji: Przepływ projektowy lub znamionowy QN. Wymagane objętościowe natężenie przepływu w instalacji c.o. Q N [m3/h] otrzymuje się z koniecznej do przetransportowania mocy grzejnej Q), [kW] wg następującego równania: QN Qh c t [ m 3 / h] gdzie gdzie: c t [kg/m3] [kWh/(kg K)] [K] - gęstość ciepło właściwe różnica temperatury zasilania i powrotu Jeśli pominie się wpływ temperatury czynnika na jego właściwości fizyczne, to otrzyma się wzór przybliżony: Qh QN [m 3 / h] 1,163 t Projektowa względnie znamionowa wysokość podnoszenia HN, W praktyce międzynarodowej przyjęło się podstawowe dla pomp wysokości podnoszenia H (m), gdyż jest ona niezależna od gęstości. Można ją wyliczyć z wymaganego ciśnienia różnicowego p [Pa] wg wzoru: H p g [m] Z dostateczną dokładnością można ją wyliczyć wg wzoru: H=Ap/10000 przy p w Pa, lub H= 10 p przy p w barach Przy pełnym obciążeniu instalacji pompa musi być w stanie, przy znamionowej wydajności QN wytworzyć różnicę ciśnień pN tak dużą, aby i najmniej korzystnie położony odbiornik mógł zostać zasilany przepływem odpowiadającym jego mocy projektowej. Znamionowa wysokość podnoszenia HN przy wydajności znamionowej QN wynika więc z ciśnienia różnicowego, którego wielkość jest równa wynikowi obliczeń sieci rurociągów, a więc sumie oporów tarcia w rurociągach i oporów jednostkowych w najbardziej niekorzystnej gałęzi. Jeśli wymagane ciśnienie różnicowe jest nieznane, to dla instalacji istniejących można je wyznaczyć przy użyciu pompy pomiarowej, pozwalającej zmierzyć nie tylko wytwarzane przez nią ciśnienie różnicowe, ale i wydajność. Jeśli pomiar taki przeprowadzi się przy otwartych zaworach, to przy znamionowej wartości przepływu otrzymamy wymaganą wysokość podnoszenia. Dla szacunkowego wyznaczenia wystarcza ocena wartości R [Pa/m], przyjętej do projektowania instalacji. Pomnożona przez długość najdłuższej gałęzi da nam straty ciśnienia w sieci rurociągów. Należy do niej doliczyć jeszcze straty ciśnienia dla oporów jednostkowych, jak kocioł, mieszacz, licznik energii cieplnej i zawór termostatyczny. Jeśli straty ciśnienia nie są znane, to z wystarczającą dokładnością można zadowolić się następującymi wartościami: Wartość R: 100-200 Pa/m Dodatek na kształtki: 30% Strata ciśnienia na kotle: 0,1-0,2 m Mieszacz: 0,2-0,4 m Zawór termostatyczny: 0,5 do 1,0 m Licznik energii cieplnej: 1,0-1,5 m Przy projektowaniu nowej instalacji projektant ma szansę uniknięcia wielu problemów ujawniających się później podczas eksploatacji, jak np. szumów i zbyt wysokich kosztów eksploatacji. W obiegu grzejnym, wykonanym jako układ dwuprzewodowy, warunki brzegowe dla obliczenia sieci rurociągów i pomp determinuje zawór termostatyczny. Z jednej strony elementy regulacyjne, takie jak mieszacz lub zawór termostatyczny, winny zostać zaprojektowane z autorytetem zaworu 0,3 do 0,7, tzn. że przy zaworze otwartym (zawór termostatyczny: uchyb regulacji 2 K) powinno na nim zostać zużyte co najmniej 30% wysokości podnoszenia. Jeśli dla zaworu termostatycznego projektuje się ciśnienie różnicowe 0,5 m i autorytet 30%, to pompa winna być dobrana dla wysokości podnoszenia 1,7 m, a na straty ciśnienia w sicie pozostałoby nie więcej niż 0,12 bar. Z różnych przyczyn jednak projektuje się sieci o małych przekrojach, wymagające znacznie większych wysokości podnoszenia. Często przy tym nie docenia się wpływu średnicy rury na opory hydrauliczne. Zawsze trzeba mieć na względzie, że wybierając następną większą średnicę rurociągu masz do pokonania tylko jedną czwartą poprzednich oporów. Charakterystyka instalacji H = f (Q) W sezonie ogrzewczym instalacja c.o. przyjmuje różnorodne stany robocze, a każdemu z nich odpowiada pewna charakterystyka instalacji. Podstawa doboru pompy jest stan pełnego obciążenia, tzn. ta charakterystyka instalacji, którą wyznaczają oba parametry – QN i HN. Jej przebieg konstruuje się w sposób następujący: na charakterystykę pompy nanosi się wartości QN i HN. Ponadto nanosi się punkty 0,5 QN/0,25 HN i 1.4 QN /2 HN, i przez te punkty oraz punkty zerowe przeprowadza się parabolę, gdyż w instalacji c.o. opory statyczne praktycznie nie występują. Dla różnych sieci rurociągów otrzymamy parabole o rożnej stromości. Charakterystyka ta określa jednak tylko opory przy zmiennym przepływie dla całkowicie otwartych zaworów. Stany obciążenia częściowego w instalacjach c.o. ustawia się zazwyczaj przez przydławienie zaworów termostatycznych. Rosną przy tym opory, stromość charakterystyki wzrasta, aż przy przepływie zerowym osiągnie postać pionowej linii, gdyż opory przepływu stają się wtedy nieskończenie duże. W sianie obciążenia częściowego ustalają się więc charakterystyki instalacji leżące w obszarze miedzy parabola przez QN/HN , a prostą pionowa Q = 0. Często rzeczywista charakterystyka instalacji w stanie pełnego obciążenia leży poniżej tei obliczone] paraboli. Wynika to z tego. że w obliczenia sieci rurociągów wbudowywane są zazwyczaj zapasy bezpieczeństwa. Często instalacja jest później zmieniana na układ korzystniejszy, rzeczywiste współczynniki tarcia w rurociągach mogą być niższe od teoretycznych, częściowo mogły zostać użyte rury o większych średnicach. Wskutek tego pompa pracuje z wyższym objętościowym natężeniem przepływu, co prowadzi nie tylko do zwiększonego zużycia energii, ale i do problemów w instalacji. Dlatego często konieczne jest wtórne dopasowanie dobranej pompy do instalacji. Jednorazowego dopasowania wydajności pompy wirowej do rzeczywistych potrzeb instalacji można dokonać przez: wymianę pompy, wytoczenie lub obtoczenie wirnika, zdławienie kryzą lub zasuwa, zmianę obrotów. Charakterystyka pompy (charakterystyka przepływu) H = f (Q) Wysokość podnoszenia i zapotrzebowanie mocy pomp wirowych zależy od wydajności i obrotów. Zależność między wartościami osiągów H i Q przy stałych obrotach nazywamy charakterystyką przepływu pompy H(Q). Ponieważ pompy obiegowe stanowią nierozdzielne agregaty pompowe, producent podaje dla nich wyznaczoną empirycznie charakterystykę agregatu. Najlepszą sprawność pompa ma w punkcie opt. Leży on zazwyczaj w środkowej tercji charakterystyki przepływu. Punkt pracy Punkt pracy instalacji leży zawsze na przecięciu charakterystyki pompy z chwilowa charakterystyką instalacji. Jeśli więc obroty pozostają niezmienne, to przy zamykaniu zaworów wędruje on po krzywej przepływu w lewo (punkty A do B). Przy całkowicie zamkniętych zaworach osiąga on punkt C - przepływ zerowy i maksymalną wysokość podnoszenia - wysokość podnoszenia wydajności zerowej. W miarę otwierania zaworów punkt pracy wędruje znowu w prawo, aż przy całkowicie otwartych zaworach osiągnie projektowy punkt pracy A (QN/HN). Projektowy punkt pracy winien więc zawsze leżeć nieco w prawo od punktu optymalnej sprawności, aby zapewnić, że przynajmniej czasami pompa pracować będzie ze swoją sprawnością maksymalną. Dzięki temu energia elektryczna będzie optymalnie wykorzystywana, a koszty eksploatacji obniżonej. Nigdy nie wolno dobierać pompy do pracy na skrajnie lewej, czy skrajnie prawej części charakterystyki przepływu, gdyż tutaj sprawność jest zła, a ponadto może wystąpić szereg problemów, jak np. wrażliwość na zapowietrzenie, zła zdolność regulacji itp. Pompy obiegowe oferowane są w szerokim zakresie osiągów. Przebieg ich charakterystyki jest przy tym zróżnicowany w zależności od tego, dla jakiego punktu optymalnej sprawności pompę skonstruowano. Należy zawsze wybierać taką pompę, która w instalacji będzie pracowała najbardziej ekonomicznie. Czynnikiem decydującym o doborze nie może być średnica przyłączy. Jeśli np, trzeba wybierać między pompą o wydajności o 10% większej lub o 10% mniejszej, to pamiętać należy, ze dla pompy mniejszej wymagana wysokość podnoszenia będzie mniejsza o 33%, a zapotrzebowanie mocy o 45%. Powstaje więc pytanie, jak dokładnie należy dobierać pompę, względnie jakie skutki ma przyjęcie pompy mniejszej. Od instalacji c.o. me oczekuje się określonego natężenia przepływu, lecz określonej mocy cieplnej. Ta jednak zależy me tylko od objętości natężenia przepływu, ale także od różnicy temperatur t i temperatury na zasilaniu tV, Charakterystyka wymiennika ciepła przedstawia zależność mocy grzejnej od objętości natężenia przepływu przy stałej temperaturze na zasilaniu, ale przy zmiennej różnicy temperatur t . Jest ona wynikiem dwóch wzorów: Qh Qn c (tV t R ) Qh1 Qh 2 t v1 t R1 t L1 2 tv2 t R2 t L2 2 1, 3 Widzimy stad. że różnica natężenia przepływu +10% redukuje się do jedynie 2% różnicy mocy oddawanej. Odchyłka taka. przy wzięciu pod uwagę wszelkich niedokładności i rezerw przy obliczaniu zapotrzebowania ciepła, oporów sieci rurociągów i doboru powierzchni grzejników, jest praktycznie bez znaczenia. Tego rzędu zmniejszenie mocy oddawanej łatwo jest poza tym skompensować nieznacznym podwyższeniem temperatury na zasilaniu. W praktyce jednak, nawet przy dokładnie obliczonej instalacji, można z takiej korekty zrezygnować, gdyż doświadczenie wykazuje, że charakterystyki grzewcze instalacji są na ogól nastawiane zbyt wysoko. Widzimy więc, że nie ma żadnych przeszkód, by pompę obiegową c.o. wybrać nieco mniejszą - pod warunkiem jednakże, że sieć rurociągów jest zrównoważona hydraulicznie. I właśnie w prawidłowym doborze pompy i w zastąpieniu istniejących, zbyt dużych pomp tkwi olbrzymi potencjał oszczędności energii, który należy wykorzystać. Wykres charakterystyk pompy typu inline. Punkty pracy przy zastosowaniu pompy większej lub pompy mniejszej. Charakterystyka pompy i instalacji pod obciążeniem częściowym Skala wahań przepływu przy obciążeniu częściowym zależy teraz od hydraulicznego układu instalacji po stronie odbiorników. Jeśli zastosuje się układy obejściowe w postaci zaworów upustowych sterowanych różnicą ciśnień albo zaworów trójdrogowych, to przepływ będzie się zmieniał stosunkowo nieznacznie i pompa będzie pracowała w tym samym w przybliżeniu punkcie pracy. Ale już w określonych systemach ogrzewań jednoprzewodowych lub podłogowych z zaworami termostatycznymi może dochodzić do prawie tak dużych zmian obciążenia, jakie w systemach dwuprzewodowych z zaworami termostatycznymi są na porządku dziennym. Z charakterystyki grzejnika wynika, że dla uzyskania polowy mocy grzejnej zawór termostatyczny przepuszczać winien tylko 15-20% natężenia przepływu objętościowego. Dlatego też, nawet w prawidłowo zrównoważonej sieci rurociągów i z prawidłowo dobraną pompą, jej wydajność w przypadku sieci dwuprzewodowej lub innego systemu ze zmiennym natężeniem przepływu, jest przez większość czasu zbyt duża. W typowych, mieszkaniowych instalacjach c.o. znajdujemy profile obciążenia, rzadko osiągające 100% obciążenia, a przez większość czasu mieszczące się w zakresie 20-50%, ponieważ użytkownicy próbują oszczędzać energię przez zdławienie lub zamykanie zaworów. Efekt ten wzmacniany jest jeszcze przez wpływy ciepła obcego, dodatkowa izolację domów, zbyt wysoko ustawione charakterystyki grzewcze instalacji, a przy dobraniu zbyt dużych pomp problemy z szumami występują znacznie wcześniej. Przy zmianach przepływu, powodowanych zamykającymi się zaworami termostatycznymi, punkt pracy zmienia swoje położenie w ten sposób, że przy malejącym przepływie przesuwa się po charakterystyce przepływu pompy ku wyższym wysokościom tłoczenia. Skutkiem tego różnica ciśnień na zaworze termostatycznym wzrośnie nie tylko odpowiednio do wzrostu wysokości tłoczenia, lecz w stopniu znacznie większym, ponieważ równocześnie zmalały opory przepływu w przewodach. Ponieważ przy przepływie zerowym opory te zanikną całkowicie, to na zaworze osiągnięta zostanie wtedy różnica ciśnień, odpowiadająca wysokości tłoczenia pompy przy przepływie zerowym H O. Generalnie obowiązuje jednak spodziewać się szumów dławienia przepływu. Z drugiej zaś strony wzrost ciśnienia przy małym obciążeniu będzie tym mniejszy, im większy jest udział spadku ciśnienia na odbiorniku w stosunku do spadku ciśnienia w sieci, a więc im większy jest autorytet zaworu. Dlatego powinno się projektować sieci rurociągów o dużych przekrojach, wymagające pompy o malej wysokości podnoszenia, a jeśli jest to niemożliwe, to należy podjąć środki zaradcze, np. zainstalowanie urządzeń regulujących ciśnienie różnicowe. Warunek eksploatacyjny: właściwy wybór sposobu regulacji Automatyczne dopasowanie natężenia przepływu do zmiennych stanów instalacji osiągnąć można poprzez: regulację dławieniową Regulacja dławieniowa, np. zaworami regulacyjnymi różnicy ciśnień lub przepływu, redukcja dopływu czynnika do odbiorników na ogół bez korzystania z energii obcej, jest częściej spotykana jako regulacja lokalna niż centralna. Tak jak w instalacjach z zaworami termostatycznymi, punkt pracy przesuwa się przy dławieniu po charakterystyce pompy w stronę wyższych wysokości podnoszenia przy mniejszych przepływach. Pompa pracuje z gorszą sprawnością, a przy natężeniu przepływu Q < 0,1 Q ; może ulec przegrzaniu. Dlatego regulację dławieniową stosować należy tylko w instalacjach z niewielkimi zmianami natężenia przepływu. regulację upustową Regulacja upustowa pozwala na zachowanie prawie stałej wydajności pompy, otwierając przy spadku zapotrzebowania albo centralnie zawór obejściowy, włączony równolegle do pompy względnie instalacji, albo lokalnie trójdrogowe zawory obejściowe na odbiornikach. Korzyści, polegające tu na uniknięciu wzrostu ciśnienia i ryzyka przegrzania pompy, okupuje się tłoczeniem przy obciążeniu częściowym niepotrzebnie dużej ilości czynnika i większym zużyciem energii niż przy regulacji dławieniowej. przelączenie obrotów silników wielobiegowych Przełączanie obrotów przynosi stosunkowo wysokie oszczędności eksploatacyjne przy niewielkich nakładach na technikę regulacji, wadą tej metody jest jednak konieczność stosowania silników specjalnych oraz jedynie skokowa zmiana obrotów, co uniemożliwia płynne dopasowanie się do zapotrzebowania. Ten rodzaj regulacji znajduje coraz szersze zastosowanie, szczególnie w pompach z mokrym wirnikiem silnika. W pompach z silnikami znormalizowanymi wymaga użycia silników z przełączalnymi biegunami i pozwali zrealizować zazwyczaj tylko duże skoki prędkości obrotowej. układ kaskadowy kilku pomp Kaskadowy układ kilku połączonych równolegle pomp zapewnia wysoką pewność eksploatacyjną. Jeśli jedna z pomp została przewidziana jako pompa rezerwowa, to w przypadku zakłócenia jednej z pomp roboczych dysponuje się nadal 100% wydajności, względnie przy układzie obciążenia szczytowego można dysponować wydajnościami większymi od nominalnych. W większości instalacji nie jest potrzebna jednak nawet wydajność nominalna, co pozwala na rezygnację z pompy rezerwowej. Już przy tylko dwóch pompach roboczych pozostaje w przypadku awarii ponad 50% wydajności, co w normalnych instalacjach c.o. odpowiada przynajmniej 83% mocy grzejnej. W każdym przypadku należy zadbać o regularne przełączanie pomp. Jako wady należy tu wymienić większe zapotrzebowanie miejsca i wyższe koszty instalacji oraz skoki wydajności przy zataczaniu/wyłączaniu pomp, jako zalety natomiast - obok wspomnianej już pewności eksploatacyjnej - obniżenie kosztów eksploatacyjnych i opłat za moc dostawczą. Zapotrzebowanie mocy przy układzie równoległym Przy równoległym połączeniu pomp dużego znaczenia nabiera rodzaj charakterystyk pomp i instalacji. Zasadniczo (pomijając straty ciśnienia w przewodach łączących) zbiorcza charakterystyka układu równoległego wynika ze zsumowania wydajności poszczególnych pomp przy jednakowej wysokości podnoszenia. Przy pracy równoległej kilku pomp o jednakowych osiągach przyjąć można, że każda pompa pracuje z tą samą wydajnością. Dlatego przy doborze pomp dzieli się nominalną wydajność przy nominalnej wysokości podnoszenia przez liczbę pomp roboczych i na tej podstawie dobiera się odpowiednią pompę. Przy doborze silnika napędowego pamiętać jednak należy, że przy pracy jednej tylko pompy jej wydajność, a tym samym i zapotrzebowanie mocy, może ulec znacznemu podwyższeniu. Im bardziej zakrzywiona jest charakterystyka instalacji (np. w układach obiegowych) tym bardziej uwidacznia się ten efekt. Należy również pamiętać, że przy załączeniu drugiej pompy nie można oczekiwać podwojenia się wydajności, jak dzieje się to w instalacjach z wydatnym udziałem składowej statycznej wysokości ciśnienia, np. w instalacjach podwyższania ciśnienia. Kombinacja układu kaskadowego regulacją obrotów stanowi często rozwiązanie optymalne pod względem ekonomiki i dobroci regulacji. bezstopniowa regulacja obrotów Dokładnie rzecz biorąc w bardzo rzadkich przypadkach chodzi tu rzeczywiście o regulację obrotów, a najczęściej o regulowanie innych wielkości charakterystyki (różnicy ciśnień, ciśnienia, różnicy temperatur itp.) poprzez sterowanie obrotami pompy. Mimo to używa się tego pojęcia jako określenia zbiorczego tych wszystkich rodzajów regulacji. Bezstopniowa regulacja obrotów pozwala na bardzo dokładne dopasowanie pompy wirowej do zapotrzebowania instalacji i równocześnie na znaczną oszczędność energii napędowej. Wysokość kosztów inwestycyjnych zależy od rodzaju regulacji obrotów, typu konstrukcyjnego silnika, jego mocy i niezbędnej aparatury regulacyjnej. Charakterystyka wymiennika ciepła. Zmiana obrotów Przy zamianie obrotów pompy wirowej jej wydajność, wysokość podnoszenia i moc hydrauliczna zmieniają się zgodnie z trzema prawami podobieństwa modelowego (każdorazowo w odniesieniu do paraboli przechodzącej przez początek układu współrzędnych): Objętościowe natężenie przepływu Q zmienia się wprost proporcjonalnie do zmiany obrotów: pierwsze prawo podobieństwa modelowego: Q1/Q2 = n1/n2, Wysokość podnoszenia H zmienia się proporcjonalnie do kwadratu zmiany obrotów: drugie prawo podobieństwa modelowego: H1/H2 = (n1/n2)2 Moc hydrauliczna PQ zmienia się proporcjonalnie do sześcianu zmian obrotów: trzecie prawo podobieństwa modelowego: PQ1/PQ2 = (n1/n2)3 Przy zmniejszonych do potowy obrotach wydajność spada więc do polowy, wysokość podnoszenia do jednej czwartej, a moc hydrauliczna do jednej ósmej. Moc hydrauliczną pompy wirowej oblicza się ze wzoru: PQ gdzie: Q [m3/h] H [m] [kg/dm3] QH 367 [kW ] Zapotrzebowanie mocy na wale pompy wynosi: P = PQ / pompy Sprawność pompy wirowej pompy jest w szerokim zakresie obrotów (80-120%) niezmienna, a nawet poza tym zakresem zmienia się jedynie nieznacznie, co w przybliżeniu, rozpatrując przebieg wzdłuż parabolicznej charakterystyki rurociągu przechodzącej przez początek układu współrzędnych, opisać można następującym wzorem: 0,1 n x 1 1 n x Oznacza to, że amplituda krzywej sprawności prawie się nie zmienia, tylko położenie jej punktu wierzchołkowego opi , przesuwa się po paraboli. Dzięki temu w trzecim prawie podobieństwa modelowego można w uproszczeniu podstawić zamiast mocy hydraulicznej PQ zapotrzebowanie mocy P względne w sztywno sprzężonych agregatach pompowych nawet moc wyjściową silnika P 2. To, jak zachowuje się moc pobierana silnika P1,. P1 P2 si ln ika PQ silonika pompy zależy od rodzaju regulacji obrotów i samego silnika. W mocy pobieranej przez cały agregat, wraz z regulatorem obrotów, uwzględniane są ponadto straty w bloku mocy regulatora. PO P1 PCz PQ silonika pompy PCz Jak, widzimy, przez zmianę obrotów można dopasować pompę wirową do zapotrzebowania instalacji i równocześnie zaoszczędzić większa część energii napędowej. Kwestia, jak duży jest potencjał oszczędności energii, zależy jednakże w znacznym stopniu od rodzaju instalacji, rozkładu w niej strat ciśnienia oraz rodzaju regulacji i rozmieszczenia czujników. Z tych to powodów niemożliwe jest podanie jednolitej stopy procentowej. Ważna jest przy tym nie tylko oszczędność energii elektrycznej jako takiej, ale i redukcja powstającej przy jej wytwarzaniu emisji dwutlenku węgla. Właśnie ograniczenie emisji dwutlenku węgla o 25-30% do roku 2005, celem przeciwdziałania dalszemu zwiększaniu się efektu cieplarnianego, jest dzisiaj celem działań rzędu RFN. W 1006,6 milionach lon dwutlenku węgla wyemitowanego w Niemczech w 1990 ogrzewanie budynków i potrzebne do tego celu agregaty pomocnicze maja swój wydatny udział. Fakt, że praca pomp obiegowych ma znaczący udział w użyciu energii pierwotnej, objaśnia się m.in. ich bardzo długim czasem pracy, wynoszącym przeciętnie 5500 godzin rocznie. Wspomniane uprzednio studium mówi więc o potencjale oszczędności, odpowiadającym jedynie w starej RFN 1467 milionom kWh wzgl. 880 tysiącom ton dwutlenku węgla, możliwym dzięki zastosowaniu pomp regulowanych. Wymiana istniejącej, przewymiarowanej pompy na pompę regulowaną daje nie tylko stosunkowo dużą redukcję emisji dwutlenku węgla, ale dzięki okresom amortyzacji, o jakich przy innych przedsięwzięciach w zakresie oszczędności energii można pomarzyć, winna spotkać się z dużym zainteresowaniem użytkowników. Niestety, w rachunku ekonomicznym instalacja c.o. nadal nie uwzględnia się użycia energii przez pompy obiegowe, mimo że wyraźnie zmniejszyłoby to wskaźnik skuteczności rocznej, zwłaszcza małych instalacji. Już dzisiaj istnieją instalacje, w których udział pompy obiegowej w zużyciu energii pierwotnej wynosi 10%. Po wejściu w życie nowego rozporządzenia o zapobieganiu stratom ciepła w budynkach stosunki te ulegają jeszcze zwiększeniu. Znowelizowane niemieckie rozporządzenie o budowie instalacji ogrzewania po raz pierwszy stawia wymogi wyposażeniu pomp obiegowych: Pompy obiegowe w instalacjach c.o. należy dobierać wg zasad technicznych. Pompy obiegowe instalowane po l stycznia 1996 w instalacjach z mocą koltów powyżej 50 kW muszą być wyposażone lub zbudowane tak, aby pobór mocy elektrycznej samoczynnie dopasował się do uwarunkowanego eksploatacyjnie zapotrzebowania w co najmniej trzech stopniach, o ile nie jest to w sprzeczności i wymogami bezpieczeństwa eksploatacji wytwornicy ciepła (HeizANIV 7 pkt. 4). W ten jednak sposób ustawodawca zmarnował nie tylko możliwość zaoszczędzenia 489,8 milionów kWh, istniejącą zgodnie z wspomnianym studium w domach wielorodzinnych, ale i 972,2 milionów kWh przypadających na domy jedno- i dwurodzinne. Oznacza to, że 2/3 potencjału oszczędności nie zostało (jeszcze) uwzględnione przez przepisy, mimo że już dzisiaj wyposażania takich instalacji w pompy regulowane jest technicznie możliwe i ekonomicznie uzasadnione. Także prawo budowlane szwajcarskiego kantonu Zurych wymaga instalowania pomp regulowanych. Zmiana obrotów silnika elektrycznego W jaki sposób można asynchronicznego wynoszą: więc oddziaływać f n 60 1 s p f p s - na obroty? Obroty silnika 1 min częstotliwość na zasilaniu silnika, liczba par biegunów silnika poślizg silnika Jeśli rozpatrywać będziemy tylko stosowane dzisiaj elektryczne metody bezstopniowej zmiany obrotów, to pozostają zasadniczo trzy możliwości: l. Metoda sterowania kątem zapłonu. 2. Metoda kaskady impulsów. 3. Przetwornica częstotliwości. O ile dwie pierwsze metody wpływają na poślizg przez zmianę napięcia skutecznego na silniku, to przy przetwornicach częstotliwości zmienna jest, np. w zakresie od O do 200 Hz, częstotliwość napięcia zasilającego silnik. Charakterystyka pompy przy zmianie obrotów. Sterowanie kątem zapłonu Sterowniki te są układami stosunkowo tanimi, w których część półfali przebiegu sinusoidalnego prądu silnika jest odcinana przez półprzewodnik energoelektryczny, tzn. prąd zaczyna być przewodzony z pewną zwloką, przy określonym kącie fazowym. Umożliwia to bezstopniową zmianę napięcia skutecznego, osłabiającego pole magnetyczne silnika i zwiększające tym samy poślizg, wskutek czego następuje spadek obrotów. Należy rozróżnić układy sterowań kątem zapłonu w zależności od częstotliwości taktowania. W sterowaniach taktowych częstotliwością 20 000 Hz w przeciwieństwie do zwykłych metody taktowania częstotliwością 50 Hz uzyskuje się na wyjściu napięcie bardzo zbliżone do sinusoidalnego, dzięki czemu znacznie zmniejszają się straty w silniku. Obie metody dają się stosować jednak tylko w silnikach z mokrym wirnikiem, gdyż silniki znormalizowane nie sš w stanie skutecznie odprowadzać ciepła traconego, powstającego w wirnikach klatkowych przy większych poślizgach. Kaskada impulsów W metodzie kaskada impulsów nie stosuje się modyfikacji półfal, lecz opuszczanie całej półfali. Dopiero przy następnym przejściu sinusoidy przez zero prąd zaczyna płynąć ponownie, czyli że w wypadku tym pompa jest wyłączana na 1/100 sekundy. Pozwala to uzyskiwać wprawdzie tylko określone, ale bardzo zestopniowane skoki prędkości obrotowej. Zaletą metody jest włączanie w momencie przejścia przez zero z wysokim momentem obrotowym i z niskim obciążeniem termicznym. Przetwornica częstotliwości Dla chłodzonych płaszczowo znormalizowanych silników asynchronicznych o mocach do ok. l kW przetwornice częstotliwości były już stosowane od dawna. Wejściowe napięcie przemienne jest tu najpierw prostowane, a prąd wyprostowany jest następnie przekształcany w falowniku w pršd przemienny o zmiennej częstotliwości. Jeśli zmienia się przy tym proporcjonalnie także napięcie, to pole magnetyczne pozostanie prawie nieoslabione, dzięki czemu silnik wykazuje wysoki moment obrotowy nawet przy niewielkich obrotach. Ponieważ przy zmiennej częstotliwości odtwarzam jest także lepiej lub gorzej przebieg sinusoidalny na wyjściu, to sprawność silnika jest tu lepsza niż przy innych metodach. Przetwornice częstotliwości różnią się między sobą sposobem odtwarzania przebiegu sinusoidalnego prądu silnika. Do wysterowywania pomp stosuje się normalnie przetwornice działające wg metody modulacji amplitudy impulsów (PAM) lub modulacji szerokości impulsów (PWM). Przetwornice różnią się także częstotliwościami taktowania. O ile dotychczas stosowano normalnie częstotliwości taktowania powyżej 10 kHz, to ostatnio na rynku oferowane są przetwornice o częstotliwościach ok. 20 kHz. Dzięki temu lepiej odtwarzany jest sinusoidalny przebieg prądu wyjściowego i unika się niepożądanych szumów, ponieważ częstotliwości te leżą już poza progiem słyszalności. Tak wysokie częstotliwości taktowania stały się możliwe dzięki dostępnym obecnie nowym rodzajom półprzewodników. Tabela 1. Potencjał oszczędności domy 1- i 2-rodzinne domy wielorodzinne w zużyciu prądu 106 kWh/rok 977,2 489,8 w emisji CO 103 t/rok 585 295 We wszelkich układach elektronicznych należy spodziewać się ich oddziaływania na sieć i przyłączone odbiorniki, jak też i oddziaływania na układ zakłóceń z sieci wzgl. innych źródeł. Problemy te określane są zbiorczo mianem tolerancji elektromagnetycznej (EMV) i stale nabierają na znaczeniu. Konieczne sa więc odpowiednie zabiegi przeciwzakłóceniowe, jak m.in. eliminacja zakłóceń radioelektrycznych. W tym zakresie obowiązywały stopnie eliminacji zakłóceń radioelektrycznych G, N i K wg VDE 0875 dla częstotliwości taktowania do 10 kHz oraz krzywe A lub B - dla częstotliwości taktowania powyżej 10 kHz. W ramach harmonizacji norm europejskich obowiązują obecnie nowe krzywe. Dla częstotliwości taktowania powyżej 10 kHz obowiązuje charakterystyka leżąca pomiędzy krzywymi A i B. Należy nadto brać po uwagę, że różnicowe wyłączniki ochronne starego typu nie mogą być stosowane w obudowach z przetwornicami częstotliwości, z uwagi na istnienie składowej stałoprądowej. Ostatnio jednak na rynku oferowane wyłączniki ochronne prądu różnicowego, niewrażliwe na składową stałonapięciową. W obwodzie regulacji można zasadniczo stosować jednocześnie tylko jedną przetwornicę częstotliwości, może ona jednakże wysterowywać kilka pomp połączonych hydraulicznie równolegle lub szeregowo. Z hydraulicznego punktu widzenia jednoczesna regulacja obrotów wielu pomp w tym samym obiegu nie przynosi żadnych korzyści, wymaga natomiast bloku zasilającego o większej mocy, a więc i droższego. Dlatego w instalacjach wielopompowych przyjęto się przełączanie przetwornicy częstotliwości w różnym czasie na poszczególne pompy, aby przeprowadzić ich rozruch względnie osiągnąć określone punkty pracy, podczas gdy pozostałe pompy są w tym czasie zasilane bezpośrednio z sieci. Często przetwornica częstotliwości współpracuje przez określony czas pracy z daną pompą i dopiero przy obciążeniu zerowym lub w innym określonym memencie przetaczana jest na inną pompę. Należy przy takich układach zadbać o regularną zmianę funkcji pompy obciążenia podstawowego, o przełączanie w przypadku zakłócenia, o zataczanie pomp rezerwowych przy obciążeniu szczytowym i ewentualnie realizację funkcji pompy pilotowej. Rozwój mikroelektroniki umożliwi! dzisiaj budowanie pomp zintegrowanych ze sterownikiem, które z punktu widzenia ekonomiki opłaca się także łączyć w instalację wielopompową. Zmiana sprawności przy zmianie obrotów. Regulacja Wybór wielkości regulowanej zależy od zadania regulacyjnego, rodzaju instalacji, jej układu hydraulicznego, rozkładu oporów sieci rurociągów i charakterystyki eksploatacyjnej. Wielkościami sterującymi i regulowanymi, stosowanymi najczęściej w sterowaniach pomp, są: czas Czas, jako wielkość sterująca, można obok zwykłego sterowania dwustanowego ZAŁ/WYŁ stosować także do przełączania na określone poziomy wartości zadanej (praca dzienna/nocna, redukcja świąteczna/wakacyjna). Największą oszczędność energii uzyskuje się przez przełączanie, nocą lub w okresach zmniejszonego zapotrzebowania, na stałe, niskie obroty (np. 50%). W ten sposób zapobiega się również temu, że w czasie, kiedy układ regulacji temperatury na zasilaniu powoduje ostyganie instalacji, a nieproporcjonalnie otwierające się zawory termostatyczne sygnalizują zapotrzebowanie maksymalne, dojdzie do niepotrzebnego zwiększania obrotów. temperatura zewnętrzna Temperatura zewnętrzna może być stosowana zarówno jako wielkość sterująca, przełączająca na inny poziom wartości zadanej, jak też po przetworzeniu w sygnał analogowy służyć jako wielkość prowadząca wielkości regulowanej. Zwłaszcza w instalacjach CO temperatura zewnętrzna jest ważnym wskaźnikiem obciążenia instalacji. Ogólną tendencją jest zmniejszenie obrotów przy rosnącej temperaturze zewnętrznej. temperatura na zasilaniu Temperatura na zasilaniu wykorzystywana jest podobnie jak temperatura zewnętrzna, jednakże tylko w tych instalacjach, w których prowadzona jest ona w zależności od pogody. Można wtedy objąć nią także fazy redukcji zapotrzebowania. W instalacjach CO przy rosnącej temperaturze na zasilaniu obroty są podwyższane. W instalacjach, w których moc oddawana źródła ciepła/zimna ma być sterowana objętościowym natężeniem przepływu, można ją zastosować także jako wielkość regulowaną. temperatura na powrocie Temperatura na powrocie może stanowić wielkość regulowaną dla regulacji obrotów we wszystkich instalacjach, w których albo ma być ona utrzymywana na stałym poziomie, niezależnie od obciążenia instalacji (mieszanie w powrocie kotła), albo w instalacjach ze stałą temperaturą na zasilaniu, w których temperatura na powrocie może być miarą obciążenia instalacji (np. wymienniki ciepła w instalacjach RLT). W instalacjach c.o. przy rosnącej temperaturze na powrocie obroty pompy są zmniejszane. Niebezpieczeństwo występuje w instalacjach z regulacją dławieniową na odbiornikach, gdyż przy malejącym zapotrzebowaniu - aż do całkowitego odcięcia odbiorników - regulator zwiększać będzie obroty pompy ze względu na spadek temperatury na powrocie. różnica temperatur Różnicę temperatur można wykorzystywać analogicznie jak temperaturę na powrocie, jednak z tą korzyścią, że przez jednoczesne uwzględnianie temperatury na zasilaniu wyeliminowany zostaje jej wpływ, co pozwala określić obciążenie instalacji poprzez różnicę temperatur także w instalacjach ze zmienną temperaturą na zasilaniu. Przy rosnącej różnicy temperatur obroty są zwiększane. Również tu występuje niebezpieczeństwo w przypadku odcięcia odbiorników. Dla tego sposób ten preferowany jest w instalacjach ze stałym natężeniem przepływu z regulacją upustową, w instalacjach jednoprzewodowych i podłogowych, oraz w przewodach pierścieniowych. Przy każdej regulacji temperatury w instalacji pompowej pamiętać należy, że ze względu na ograniczone prędkości przepływu i przestrzenne oddalenie czujników od odbiorników mogą występować znaczne czasy martwe. Również zmiany temperatury przy wahaniach obciążenia następują często bardzo wolno i dlatego należy zabezpieczyć się przed wystąpieniem przeregulowań, nastawiając bardzo dużą zwlokę regulacji. natężenie przepływu Wadą regulacji natężenia przepływu jest wciąż bardzo wysoka cena odpowiednich przetworników pomiarowych, aczkolwiek niektóre z instalowanych obecnie liczników energii cieplnej dostarczają odpowiedniego sygnału, który wykorzystać można do dalszego przetwarzania. Obszarem zastosowań czystej regulacji natężenia przepływu są instalacje, w których konieczne jest dokładne wyregulowanie natężenia przepływu. Przy rosnącym przepływie obroty pompy winny maleć. Jeśli rejestrowane jest objętościowe natężenie przepływu i różnica ciśnień, to możliwe jest nawet dokładne zaprogramowanie charakterystyki regulacji pompy. W niektórych zwartych regulatorach sygnał objętościowego natężenia przepływu jest emulowany przez wyliczenie go z poboru prądu przez silnik. W pompach, w których zapotrzebowanie mocy w obszarze regulacji wzrasta w sposób ciągły wraz ze wzrostem wydajności, metoda ta jest nawet stosunkowo dokładna. Wykres osiągów pompy wirowej. Wykres ciśnień i charakterystyka regulacji przy różnym usytuowaniu czujników. różnica ciśnień Regulacja różnicy ciśnień jest zapewne najczęściej stosowanym rodzajem regulacji obrotów. Po pierwsze zapobiega niedopuszczalnemu wzrostowi różnicy ciśnień w instalacji, np. na zaworach termostatycznych, co pozwala na uniknięcie problemów z szumami. Po drugie pozwala uniknąć niedogrzewania odbiorników. Jej referowanym obszarem zastosowań sš więc instalacje dwuprzewodowe z regulacją dławieniową, jaką stanowi np. każdy zawór termostatyczny. Warunkiem uzyskania prawidłowej charakterystyki jest zmniejszanie się objętościowego natężenia przepływu w obiegu regulowanym przy zamykaniu odbiorników. W obiegu nieregulowanym punkt pracy pompy przemieściłby się wówczas po charakterystyce pompy do maksymalnej wysokości podnoszenia. Regulator natomiast będzie zmieniał obroty tak długo, aż wysokość podnoszenia spadnie tak, by w punkcie pomiarowym przywrócić zadaną różnicę ciśnień. W instalacjach ze stałym przepływem nie będzie powstawać przyrost różnicy ciśnień, niezbędny dla sensownego działania regulacji różnicy cisnień. Również w instalacjach z ręcznie nastawianymi zaworami warunki są zazwyczaj niekorzystne, ponieważ rzadko je się przydławia. Ekonomika stosowania regulacji obrotów zależy od tego, jak długo pompa pracuje na możliwie najniższych obrotach. Bowiem dopiero przy znacznym zredukowaniu obrotów pobór przez agregat pompowy maleje na tyle, by można było myśleć o szybkiej amortyzacji systemu regulacji. Najniższe obroty pompa osiąga przy przepływie Q = 0 jako: nmin n znam H zad Ho co jest przedstawione na wykresie rys. 22 Im bardziej stroma jest charakterystyka pompy i im niższa jest zadana różnica ciśnień, tym większa będzie oszczędność energii. Widać stąd, że także w pompach z regulacją obrotów opłaca się dobierać je wg punktu pracy leżącego na prawo od punktu najwyższej sprawności i ustawiać wartość zadaną regulatora na jak najniższym poziomie. Jeszcze większą oszczędność można osiągnąć próbując uzyskać charakterystykę regulacji do pasowaną do charakterystyki instalacji. Taka charakterystyka nie jest nigdy osiągalna w pełni, gdyż dla osiągnięcia dokładnej regulacji zawsze musi istnieć zdefiniowany punkt przecięcia charakterystyki regulacji z chwilową charakterystyką instalacji. Ryzyko wystąpienia przy tym niedogrzania jest niewielkie, gdyż przy zmniejszonej do połowy różnicy ciśnień zapewnione jest jeszcze 70% objętościowego natężenia przepływu, co przy znormalizowanym radiatorze D1N odpowiada wciąż mocy grzejnej rzędu 90%. Usytuowanie czujników Kształt charakterystyki regulacji zależy zarówno od rozkładu oporów przepływu w sieci, jak i od usytuowania czujników. Jeśli w instalacji z równomiernym rozkładem oporów przepływu umieści się czujnik przy pompie w punkcie l rys. 23, to jako stałą wartość zadaną regulatora należy nastawić różnicę ciśnień, jaką musi wytworzyć pompa, aby zasilić także ostatni z odbiorników. W przypadku obciążenia zerowego na najmniej korzystnie położonym odbiorniku będzie też panowała taka różnica cisnień, podczas gdy w przypadku pompy nieregulowanej przy obciążeniu zerowym osiągnięta by tam została nawet maksymalna wysokość podnoszenia. Charakterystyka regulacji pompy regulowanej odpowiada w przypadku l linii prostej na wysokości podnoszenia odpowiadającej wartości zadanej. Lekko obniżona bezie ona natomiast przy umieszczeniu czujnika w punkcie 2. W tym przypadku wartość zadaną regulatora należy nastawić dla różnicy ciśnień, jaka ustala się w punkcie 2 przy pełnym obciążeniu. Jest to równocześnie wartość minimalna, do jakiej wysokość podnoszenia zostaje zredukowana przy obciążeniu zerowym. Idealnym z punktu widzenia oszczędności energii i uniknięcia niedopuszczalnych wzrostów ciśnienia w sieci jest umieszczenie czujnika w najgorszym punkcie instalacji, punkcie 3. Teraz regulator zmniejszy wysokość podnoszenia pompy do wartości odpowiadającej różnicy ciśnień na ostatnim odbiorniku. Przy pełnym obciążeniu i w tym przypadku osiągana będzie znamionowa wysokość podnoszenia. 24 Przykład zasilania czterech odbiorników przez jedną pompę. Co dzieje się jednak na hydrodynamicznie najmniej korzystnie położonym odbiorniku przy obciążeniu zerowym, gdy regulator zeszedł do wartości minimalnych? Tutaj różnica ciśnień może spaść do ułamka tej wartości, jaka w tym punkcie panuje przy pełnym obciążeniu. Jeśli odbiornik ten zdławiony jest na wysoką wartość, to w przypadku obciążenia zerowego może dojść do problemów z jego zasilaniem. Jeśli by jednak ten odbiornik nie był zdławiony, to przy pełnym obciążeniu instalacji lub w fazie nagrzewania po fazie zmniejszonego obciążenia pojawił się zapewne poważne problemy w części instalacji. Przy dużych różnicach w instalacji pomocne byłoby zastosowanie zaworów regulacyjnych różnicy ciśnień na podejściach odbiorników. Z hydraulicznego punktu widzenia idealne byłoby, gdyby straty ciśnienia w instalacji były małe w stosunku do różnic ciśnień występujących na odbiornikach, a więc gdyby sieć rozdzielcza miała tak duże przekroje, by podobna była do bezciśnieniowego kolektora. Zróżnicowane oddziaływania rozkładu oporów sieci rurociągów omówimy na przykładzie prostej instalacji. Jedna pompa ma zasilać cztery odbiorniki o tej samej mocy (np. l m3/!! przy wysokości oporów l m). W przypadku I rys.24/I przyjmuje się, że opory rurociągów są małe (można je pominąć). Wobec tego na każdym odbiorniku będzie występowała taka sama różnica ciśnień i wystarczy utrzymywanie stałej wysokości podnoszenia pompy na wartości l m. Odpowiadałoby to instalacji o 100% autorytecie zaworów (stare instalacje grawitacyjne). W przypadku II rys. 24/II zakłada się, że opory w sieci rurociągów pomiędzy odbiornikami l i 4 (b-d) są małe (można je pominąć), lecz w przewodzie zasilającym a przy pełnym obciążeniu występuje jednak strata ciśnienia w wysokości 4 m. W tym układzie idealna charakterystyka regulacji przebiegałaby przez punkty (4 m3/h/5 m), (3/3,25); (2/2) i (1/2,25). W każdym przypadku, przy odłączeniu poszczególnych odbiorników zapewniona byłaby minimalna różnica ciśnień l m i optymalna oszczędność energii. Taki sposób regulacji można osiągnąć przez umieszczenie przetwornika na odbiorniku i regulowaniu tam różnicy ciśnień na l m. W przypadku III rys. 24/III stosunki są już bardziej skomplikowane. Zakłada się tu równomierny rozkład oporów na odcinkach a-d w wysokości po l m. Poszczególne odbiorniki zdławione są na różnicę ciśnień panującą na ich podejściach przy pełnym obciążeniu: odbiornik l na 4 m, 2 na 3 m, 3 na 2 m i 4 na l m. Pompę dobrano ponownie dla 4 m3/h i 5 m. Teraz wyniknie jednak bardzo zróżnicowany rozkład ciśnień w zależności od tego, który z tych 4 odbiorników zostanie właśnie otwarty. Przy wyznaczaniu wymaganej wysokości podnoszenia przyjęto założenie, że na danym podejściu powinna panować przynajmniej taka różnica ciśnień, dla jakiej odbiornik został zdławiony. Wartość rzeczywista podaje rzeczywiście uzyskaną wysokość podnoszenia, gdy przetwornik umieszczony jest na ostatnim odbiorniku i utrzymywana jest różnica ciśnień l m. Na rys. 24/I zakreskowano obszar wymaganej wysokości podnoszenia, krzyżyki przedstawiają wymaganą wysokość podnoszenia, a kółka, odpowiednie wartości rzeczywiste. Widzimy więc, jak trudno jest utrzymać pożądane stosunki ciśnieniowe nawet w tak prostej sieci. W sieciach znacznie rozgałęzionych, czy zwłaszcza oczkowych wybór właściwego usytuowania przetwornika staje się loterią. Jak widzimy bowiem, najgroszy punkt instalacji jest rzeczą zmienną. Stąd też zazwyczaj trzeba rezygnować z dodatkowych oszczędności energii i obniżenia występujących różnic ciśnień, jeśli jest to konieczne dla uzyskania pewności zasilania. Nowoczesne systemy regulacji zapewniają obecnie możliwość porównywania wielu przetworników i regulowania wg najmniej korzystnego, lub wykorzystywania łączników wartości granicznej, które w wypadku niedostatecznego zasilania w miejscu ich zainstalowania podnoszą wartość zadaną regulacji. W każdym z tych wypadków są jednak konieczne pewne nakłady na okablowanie przetworników. Dlatego w rozległych sieciach sygnał przekazywany jest albo drogą radiową, albo poprzez modem - siecią telefoniczną. Rozsądnym kompromisem, który w wielu wypadkach bywa wystarczającym, jest więc regulowanie różnicy ciśnień na samej pompie. Jeśli występują duże straty ciśnienia przed podejściem do pierwszego odbiornika (np. instalacja z kotłownią i długim rurociągiem zasilającym do ogrzewanego budynku), lub jeśli chce się wykluczyć wpływ poprzedzających części instalacji, np. obiegu kotłowego, lub wymiennikowni w przypadku sieci ogrzewania zdalaczynnego, to różnicę ciśnień pomiędzy magistralą zasilania a powrotu winno rejestrować się możliwie blisko podejścia pierwszego odbiornika. W nowoczesnych regulatorach możliwa jest również symulacja składowej oporu rurociągów przez liniowe wyliczenie jej z obrotów pompy i aktualnych strat ciśnienia oraz odpowiednią redukcję wartości zadanej różnicy ciśnień. Przy programowaniu takiego regulatora nie można jednak zadawać zbyt wysokiej składowej oporu rurociągów, jeśli nie chce się tego okupić ryzykiem niewystarczającego zasilania. Zaletą tego sposobu jest możliwość wyłączenia w każdej chwili funkcji składowej oporu rurociągów, przez przełączenie z trybu pracy ciśnienie proporcjonalne na ciśnienie stale. Jak widać z rys. 25, charakterystyka regulacji ciśnienia proporcjonalnego lepiej odpowiada potrzebom typowej instalacji dwuprzewodowej, niż charakterystyka stałego ciśnienia. Wykresy przedstawione na rys. 25 winny ułatwić wybór między ciśnieniem stałym, a ciśnieniem proporcjonalnym: Oszczędność energii byłaby optymalna wtedy, gdyby pompa zawsze pracowała tylko z taką wydajnością, jakiej właśnie wymaga instalacja. W tym celu konieczne jest jednak rejestrowanie wielu danych, co jest w stanie zrealizować tylko system pełnej automatyki budynku. Stąd bierze się zainteresowanie sprzęganiem regulacji pomp z systemem automatyki budynku. Pompy ze zintegrowanymi regulatorami przetwarzają nie tylko wewnętrznie różne wartości pomiarowe, lecz już dzisiaj dysponują interfejsami szyny danych, poprzez którą pompa może nie tylko przesyłać różne dane systemom automatyki budynku (GLT/DDC) ale i otrzymywać stamtąd sygnały sterujące. Odpowiednie przetworzenie poszczególnych algorytmów regulacji pozwoliłoby więc optymalnie pracować pompie, łącznie z jej sterownikiem jako nastawnikiem obrotów. Pożądane punkty pracy w instalacji c.o. Ciśnienie stale: Możliwe do stosowania w: ~ ogrzewaniach dwuprzewodowych - z zaworami termostatycznymi - przy dużym autorytecie odbiorników np.: - w instalacjach z HN<2 m - w byłych instalacjach grawitacyjnych - w instalacjach z silnie zdławionymi zaworami odcinającymi pionów w instalacjach z nieznacznymi stratami ciśnienia w tych częściach instalacji, przez które przepływa cały strumień czynnika (kocioł, wymiennik ciepła i przewód rozprowadzający aż do pierwszego odejścia) - w instalacjach przestawionych na dużą różnicę temperatur na zasilaniu i powrocie (np. ciepło z elektrociepłowni) - - ogrzewaniach podłogowych - z zaworami termostatycznymi - ogrzewaniach jednoprzewodowych - z jednoprzewodowymi zaworami termostatycznymi - z zaworami strefowymi dla zróżnicowanych obiegów - obiegach pierwotnych - w instalacjach z nieznacznymi stratami ciśnienia w obiegu pierwotnym Ciśnienie proporcjonalne: Możliwe do stosowania w: - ogrzewaniach dwuprzewodowych - z zaworami termostatycznymi - przy małym autorytecie odbiorników np.: - w instalacjach z HN>4 m - w instalacjach z bardzo długimi przewodami rozprowadzającymi - w instalacjach z dużymi stratami ciśnienia w tych częściach instalacji, przez które przepływa cały strumień czynnika (kocioł, wymiennik ciepła i przewód rozprowadzający aż do pierwszego odejścia) - w instalacjach z niewielką różnicą temperatur w zasilaniu i powrocie - ogrzewaniach podłogowych i jednoprzewodowych - z zaworami termostatycznymi i dużymi oporami w tych częściach instalacji, przez które przepływa cały strumień czynnika - ogrzewaniach - z jednoprzewodowymi zaworami termostatycznymi - z zaworami strefowymi dla zróżnicowanych obiegów - obiegach pierwotnych - w instalacjach z wysokimi stratami ciśnienia w obiegu pierwotnym Oszczędność kosztów eksploatacji Oszczędność kosztów eksploatacji instalacji pompowej z przetwornicą częstotliwości zależy od wielu różnych czynników. Chcąc przeprowadzić wstępny rachunek ekonomiczny trzeba dokonać wielu założeń, nie widząc wcale, czy będą one słuszne. Sposób postępowania jest przy tym następujący: Przyjmujemy jedną z charakterystyk regulacji (np. dla stałej różnicy ciśnień), oceniamy czas pracy w określonych stanach (np. obciążenie pełne, obciążenie częściowe, obciążenie szczątkowe, obciążenie zerowe, redukcja nocna), określamy zużycie prądu podczas jednego okresu eksploatacji. Zużycie prądu w danym stanie roboczym można wyznaczyć albo z charakterystyk sprawności i mocy hydraulicznej P Q, albo z zapotrzebowania mocy P przy obrotach znamionowych. W tym celu przez punkt pracy i punkt zerowy prowadzi się parabolę i dla jej punktu przecięcia z charakterystyką pompy odczytuje się wysokość podnoszenia, a na charakterystyce P - zapotrzebowanie mocy w tym punkcie. Podstawiając 2 zasadę podobieństwa modelowego do zasady 3 otrzymujemy zależność: P=P' x (H/H') 3/2 Zapotrzebowanie mocy przy różnych obrotach. Dzieląc tak otrzymane zapotrzebowanie mocy w punkcie pracy przez sprawność silnika i przetwornicy częstotliwości i uwzględniając, że oba te urządzenia będą przy niskich obrotach i małym obciążeniu nawet o 10% gorsze, otrzymamy pożądany wynik. Wartości porównawcze należy oczywiście wyznaczyć dla warunków występujących przed wprowadzeniem regulacji lub jakie panowałyby przy jej braku. Przy regulacji upustowej można w przybliżeniu wyjść od zużycia prądu w punkcie nominalnego obciążenia, pomnożonego przez godziny pracy. Przy regulacji dławieniowej zużycie prądu jest już niższe i musi zostać odniesione do konkretnego punktu pracy na charakterystyce pompy. Zakładając np. dla instalacji c.o. z pompą QN= 100 m3/!"!, regulowanej na stałą wartość HN= 19,5 (ok. 80% Ho ), czas pracy 5500 godzin rocznic i przyjmując, że na pełne obciążenie (100%) przypada 2%, obciążenie częściowe (60%i) 38%, obciążenie szczątkowe (25%) 27% i redukcję nocną (n = 50%) 33%> sezonu ogrzewczego, to w porównaniu do pompy nieregulowanej z regulatorem obejściowym w instalacji można wykazać obniżkę zużycia energii przekraczającą 50%. Przy takiej pompie o mocy 7,5 kW można więc zredukować roczne zużycie energii z 45 000 kWh do 21 000 kWh, co odpowiada oszczędności kosztów eksploatacji wynoszącej 4 800 DM/rocznie przy cenie 0,20 DM/kWh albo 10800 DM/rocznie przy cenie 0,45 DM/kWh, wobec czego koszty inwestycji uległyby amortyzacji w ciągu 2 do 4 lat. Ponieważ jednak powyższe obliczenie kosztów eksploatacji oparte jest na konkretnym przykładzie, który niekoniecznie musi być reprezentatywny. należy do przykładu tego, jak i wykresów, z których oszczędności te wyliczono, podchodzić z rezerwą. Szczególnie przy dużych instalacjach z przewymiarowaną zazwyczaj pompą opłaca się jednak przemyśleć nie tylko zastosowanie przetwornicy częstotliwości, ale i kwestii zastąpienia tej pompy kilkoma mniejszymi, pracującymi równolegle pompami z regulacją obrotów. Obok kilku innych zalet osiągniętoby wtedy porównywalne zużycie energii przy (zazwyczaj) wyraźnie niższych kosztach inwestycyjnych. Również w przypadku małych pomp obiegowych c.o. rynek będzie się, z pewnością silniej, niż dzieje się to już dzisiaj, domagał typów wyposażonych w zintegrowane układy regulacji, nawet jeśli przepisy jeszcze tego nie wymagają.
