Pompy obiegowe i cyrkulacyjne w inteligentnym budynku

We współczesnej technice grzewczej układy pompowe (takie, w których woda krąży między źródłem ciepła a grzejnikiem dzięki różnicy ciśnienia wytworzonej przez pompę obiegową) wciąż są najpopularniejszym rozwiązaniem. Koszty pracy pomp obiegowych mogą stanowić do 10–15% kosztów całkowitej energii elektrycznej zużywanej w budynku. Wskaźnik ten może być wyższy, jeśli pompa została źle dobrana (np. w przypadku przewymiarowania) lub jeśli nie ma odpowiedniej regulacji.

Problemy te były przez wiele lat charakterystyczne dla instalacji grzewczych.

Dzięki coraz szerszym możliwościom regulacji i sterowania technika pompowa ma istotny wpływ na energooszczędność i inteligencję budynku. Ta druga rozumiana jest jako:

1. autonomiczne (bez ingerencji użytkownika) reagowanie na dynamikę warunków panujących w budynku poprzez optymalne dostosowanie parametrów pracy systemów budynkowych do bieżącej sytuacji, ze szczególnym uwzględnieniem równowagi między komfortem, wydajnością i oszczędnością;
2. gromadzenie i analiza danych pomiarowych, co umożliwia prognozowanie problemów, ale też korektę pracy instalacji w budynku.

Wymagania dotyczące energooszczędności

Od 2015 r. pompy wprowadzane na rynek, podlegające dyrektywie ErP (ekoprojekt) [1], muszą mieć wskaźnik efektywności energetycznej (Energy Efficiency Index – EEI) niższy niż 0,23 [2, 3, 4]. Od początku 2020 r. wartość ta dotyczy także wszystkich pomp przeznaczonych do serwisu, zarówno wyprodukowanych przed 1 stycznia 2015 r., jak i bezdławnicowych pomp stałoobrotowych pracujących poza źródłem ciepła, wyprodukowanych przed 10 października 2013 r. W jednym z europejskich rozporządzeń określono kryterium odniesienia dla najbardziej energooszczędnych pomp cyrkulacyjnych – EEI ≤ 0,20 [3, 4]. Na rynku dostępne są także pompy o wskaźniku EEI jeszcze niższym, np. 0,15.

Rzeczywiście energooszczędny układ z pompą zużywającą minimum energii do efektywnej pracy musi spełniać kilka warunków:

• prawidłowy dobór pompy do instalacji;
• zastosowanie płynnej regulacji prędkości obrotowej – wymaganie dyrektywy ErP [1, 2];
• zastosowanie rozwiązań „inteligentnych”: umożliwiających automatyczną reakcję na zmieniające się warunki w budynku; zapewniających zdalne sterowanie i chociaż częściową diagnostykę; pozwalających na zbieranie i analizę dużych zbiorów danych, dzięki którym można, chociażby skorygować reżimy pracy urządzeń i podwyższyć energooszczędność całego układu.

Prawidłowy dobór pompy – podstawa energooszczędności

Pierwszym krokiem jest prawidłowy dobór pompy do konkretnej instalacji. Pompy dobiera się na podstawie:

• Q [m³/h] – natężenia przepływu wody grzewczej do przepompowania,
• H [m] – wysokości podnoszenia, na którą składają się straty (opory przepływu) liniowe i miejscowe (na wartość tę wpływa m.in. rozbudowanie instalacji, obecność zaworów termostatycznych i średnice rur – im mniejsze, tym większe opory przepływu).

Pompa powinna być dobierana tak, by punkt pracy instalacji grzewczej przecinał się z charakterystyką pompy możliwie blisko jej parametrów nominalnych, czyli w obszarze największej sprawności pompy. W tym obszarze pompa ma największą możliwość wykorzystania wszystkich swoich funkcjonalności. Zbyt mała nie umożliwi odpowiedniego przepływu przez obiegi o największych stratach hydraulicznych. Zastosowanie zbyt dużej pompy wpływa z kolei na zwiększenie poboru mocy, przyczynia się do głośnej pracy instalacji i naraża urządzenie na szybsze zużycie (niszczenie elementów). Szczególnie niekorzystna dla efektywności i trwałości pompy jest praca z granicznymi parametrami charakterystyki (np. maksymalną wydajnością i wysokością podnoszenia) – pompa pracuje głośno i szybciej się zużywa.

Producenci pomp dają projektantom możliwość łatwego i szybkiego doboru swoich urządzeń dzięki specjalnym programom doborowym, do których wprowadza się parametry pracy zarówno pompy, jak i instalacji grzewczej. Dodatkowym narzędziem cyfrowym, adresowanym głównie do projektantów bardziej rozbudowanych instalacji, są biblioteki produktowe dla programów do projektowania zintegrowanego (BIM). Umożliwiają one symulację zmienności pracy instalacji z konkretnym urządzeniem (a także z jego zamiennikiem) i dynamiczną korektę w przypadku zmian w projekcie.

Ważnym, a czasem niedocenianym aspektem doboru pompy do instalacji jest jakość wody grzewczej, na którą składają się m.in.:

• prawidłowa temperatura,
• pH wody grzewczej: do 8,5 (dla instalacji z grzejnikami aluminiowymi) [5],
• odpowiednio niski wskaźnik korozyjności: jony siarczanowe (SO42–) i chlorkowe (Cl–) do 150 mg/l, w tym 100 Cl– (instalacje obiegu zamkniętego ze stali z grzejnikami stalowymi, żeliwnymi lub aluminiowymi); lub do 50 mg/l, w tym 30 Cl– (instalacje obiegu otwartego ze stali z grzejnikami żeliwnymi lub aluminiowymi oraz instalacje wykonane z materiałów mieszanych stal/miedź) [5],
• zawartość amoniaku: do 0,5 mgNNH+/l (instalacje zawierające elementy wykonane z miedzi lub jej stopów),
• przewodność elektrolityczna: 100–1000 µS/cm,
• twardość ogólna: 8,2–10,0 dH (1,45–1,78 mmol/l),
• niska zawartość tlenu,
• brak zawiesin i osadów.

Nieodpowiednia jakość wody grzewczej sprzyja korozji i wtórnemu zanieczyszczeniu wody np. przez zawiesiny magnetytu. Prowadzi to z jednej strony do blokad i zatarcia pomp, a z drugiej do zmiany warunków pracy instalacji grzewczej, co zwiększa zarówno zapotrzebowanie na ciepło, jak i opory przepływu (np. poprzez zmniejszenie średnic przewodów). Pompy są więc narażone bezpośrednio na uszkodzenia mechaniczne, a nawet jeśli do nich nie dojdzie – pracują poza zakresem swoich optymalnych parametrów, co wyklucza efektywność.

Konieczne jest zastosowanie odpowiednich zabezpieczeń lub środków wpływających na jakość wody. Przed pompą powinien być zainstalowany filtr siatkowy lub filtr z separatorem magnetycznym (wybór zabezpieczenia powinien zależeć od rzeczywistych parametrów wody i prognozowanych problemów). Jeśli do poprawy jakości wody grzewczej stosuje się płyn instalacyjny (zawierający glikole i inhibitory korozji), musi być on zgodny z wymaganiami producenta danej pompy. Dotyczy to np. dopuszczalnego stężenia roztworu glikolu, z jakim może pracować pompa.

Regulacja – sposób na optymalizację pracy urządzeń

Współczesne instalacje grzewcze wyposażone są najczęściej w zawory regulacyjne, umożliwiające reakcję instalacji na zmianę warunków (np. termostatyczne zawory grzejnikowe mogą reagować na zmiany temperatury w obsługiwanym pomieszczeniu). Instalacja może więc pracować ze zmiennym obciążeniem, co powinno znaleźć odzwierciedlenie w pracy pompy i jej automatycznemu dostosowywaniu się do zapotrzebowania ze strony instalacji. Za tę możliwość odpowiada regulacja pracy pompy.

Należy podkreślić, że regulacja nie zapewni efektywności energetycznej pompy źle dobranej czy pracującej w źle zaprojektowanej instalacji. Niektóre rozwiązania regulacyjne rzeczywiście są odpowiedzią na problemy, np. sprawdzają się przy doborze pompy do instalacji bez dokumentacji projektowej, i pozwalają zoptymalizować pracę urządzenia w istniejących warunkach. Nie uda się jednak zaoszczędzić energii na poziomie takim, jak przy pompie i instalacjach prawidłowo zaprojektowanych i wykonanych.

Dlatego kiedy celem doboru pompy jest „wyśrubowanie” efektywności energetycznej, regulacja musi zostać uwzględniona już podczas doboru. Po pierwsze, należy ocenić zasadność zastosowania regulacji. Będzie ona miała sens w instalacjach rozbudowanych, o dużej zmienności zapotrzebowania na ciepło. W mniejszych instalacjach o małych stratach miejscowych system automatycznej regulacji może w ogóle nie zostać wykorzystany.

Po drugie, dla każdego układu pompa–instalacja optymalny będzie inny rodzaj regulacji (a producenci oferują całą gamę rozwiązań). Po trzecie, zmienne parametry instalacji muszą się znaleźć również w zakresie pracy (charakterystyki) pompy. Tylko przy takim punkcie wyjścia pompa będzie pracować wydajnie i możliwie energooszczędnie w całym zakresie.

Pompy powinny mieć płynną regulację prędkości obrotowej, zgodnie z dyrektywą ErP [1]. Umożliwia to zastosowanie odpowiedniego silnika – najczęściej EC (elektronicznie komutowanego) z wirnikami z magnesu stałego. Regulacja odbywa się za pomocą falownika (inwertera, przetwornika częstotliwości). W porównaniu do pomp bez takiej regulacji, oszczędności zużycia energii mogą wynosić nawet 70–80%. Pompa może być regulowana według kilku trybów regulacji:

1. Często stosowanym rozwiązaniem jest regulacja ciśnieniowa stała (Δ_p-c) – utrzymanie stałej różnicy ciśnień między zasilaniem i powrotem z instalacji dzięki korygowaniu prędkości obrotowej pompy. Rozwiązanie to chętnie stosowane jest w instalacjach modernizowanych, dla których nie jest znana dokumentacja projektowa. Umożliwia bowiem ustawienie ciśnienia dyspozycyjnego bez znajomości rozkładu strat ciśnienia w instalacji.
2. Regulacja ciśnieniowa proporcjonalna (Δ_p-v) polega na zmianie różnicy ciśnienia w zakresie 0,5 · H_s – H_s (H_s – wysokość ssania) zależnie od wielkości przepływu. Możliwa jest wówczas zmiana wysokości podnoszenia pompy (przy zachowaniu ciśnienia dyspozycyjnego na odbiorniku), co pozwala na ograniczenie energii przez nią pobieranej.
   1. Ten rodzaj regulacji jest najbliższy charakterystyce instalacji grzewczej, więc jest korzystny energetycznie i często stosowany domyślnie. Wielu producentów określa wskaźnik EEI pompy przy założeniu regulacji proporcjonalnej – efektywność pompy przy innym trybie regulacji może być inna.
   2. Bardziej zaawansowana forma takiej regulacji to automatyczne ustalenie punktu pracy pompy przez dostosowanie parametrów (wydajność, prędkość obrotowa i zużycie energii) do warunków pracy w instalacji. Uzupełnieniem tego rozwiązania jest ograniczenie wielkości przepływu – dzięki tej funkcji nie zostanie przekroczona jego wartość graniczna.
3. Regulacja temperaturowa stała pozwala na zachowanie stałej temperatury na zasilaniu – zmienia się wielkość przepływu, aby ilość dostarczanej energii cieplnej odpowiadała bieżącemu zapotrzebowaniu. Stosowana jest dla pomp cyrkulacyjnych, umożliwiając zachowanie równowagi, tj. unikanie zarówno niepotrzebnej pracy pompy, jak i wychłodzenia zbiornika c.w.u.
4. Regulacja stałoobrotowa stosowana jest zwykle dla instalacji bez elementów regulacyjnych i wymagających stałego przepływu. Prędkość obrotową ustawia się wówczas bardzo precyzyjnie, a pompa zachowuje się jak jednobiegowa.

Producenci umożliwiają łatwy wybór charakterystyki działania regulacji za pomocą pojedynczego, zlokalizowanego na obudowie pompy przycisku lub pokrętła serwisowego. Dodatkową możliwością jest wybór tzw. charakterystyki minimalnej – redukowanie wydajności pracy pompy nocą, kiedy zapotrzebowanie na ciepło jest mniejsze. Po wykryciu spadku temperatury w instalacji pompa przełącza się automatycznie na ten tryb pracy. Ułatwieniem dla użytkownika i instalatora jest podawanie na wyświetlaczu pompy danych dotyczących jej aktualnych parametrów – m.in. poboru mocy w określonym momencie i wybranej charakterystyki.

Kiedy pompa jest inteligentna?

Automatyczna regulacja otwiera szerokie możliwości tzw. inteligentnej pracy pomp. Urządzenia wyposażone w odpowiednie sterowniki i moduły komunikacyjne mogą:

• pracować według zadanych scenariuszy, uwzględniając sprzężenia zwrotne zadanych parametrów (np. różnicy temperatury);
• przynajmniej częściowo być sterowane zdalnie (np. przez specjalną aplikację mobilną);
• zostać włączone do układu BMS, który pozwala na wzajemną współpracę urządzeń i większą energooszczędność instalacji oraz zbieranie danych, których analiza umożliwia korekty pracy instalacji.

Ważną kwestią, dobrze ilustrującą zalety sterowania rozumianego jako praca według scenariusza, jest sterowanie pompami cyrkulacyjnymi. Obsługują one instalację przygotowującą c.w.u. i odpowiadają za ciągły obieg wody od podgrzewacza c.w.u. do punktu czerpalnego, zapewniając szybki dostęp do wody o oczekiwanej (zadanej przez użytkownika) temperaturze. Pompy cyrkulacyjne mogą być sterowane według różnych scenariuszy uwzględniających potrzeby użytkownika. 

Zasadniczym zadaniem jest skrócenie czasu oczekiwania na ciepłą wodę w punkcie poboru przy zachowaniu najwyższej możliwej energo­oszczędności. Przykładowo sterownik wykrywa moment poboru wody przez użytkownika, wówczas pompa przyspiesza napływ ciepłej wody do punktu poboru. Jednocześnie kontrolowana jest temperatura w gałęzi cyrkulacji – pompa jest uruchamiana tylko po obniżeniu temperatury poniżej wartości zadanej. Praca układu cyrkulacji następuje zatem w momencie uruchomienia punktu poboru i jednoczesnego spadku temperatury w danej gałęzi cyrkulacji – nie powstają dzięki temu straty cieplne w instalacji c.w.u., występuje oszczędność wody i energii oraz skrócenie czasu pracy pompy (a więc zwiększenie jej trwałości).

Dodatkową możliwością sterowania pompą cyrkulacyjną jest zabezpieczenie układu c.w.u. przed przegrzaniem (uruchomienie pompy w przypadku przekroczenia określonej temperatury granicznej w urządzeniu przygotowującym ciepłą wodę) czy ochrona przed zablokowaniem wirnika pompy. Można również regulować czas pracy pompy cyrkulacyjnej – sterownik przejmuje wówczas rolę wyłącznika czasowego.

Dla obsługi technicznej budynku przydatna jest współpraca z aplikacjami mobilnymi, które umożliwiają zdalny dostęp do urządzenia, pozwalając m.in. na ocenę jego bieżącej pracy (np. odczyt charakterystyki). Producenci umożliwiają zwiększenie „inteligencji” pompy poprzez jej włączenie do systemu sterowania instalacjami budynkowymi lub sterowanie zdalne. W tym celu pompa musi być wyposażona w moduły komunikacyjne (CIM) przystosowane do połączenia się z sieciami przemysłowymi (np. LON, Profibus, Modbus, GPS/GPRS czy BACnet) – wbudowane moduły umożliwiają zwykle współpracę z różnymi systemami BMS. W coraz większej liczbie pomp są one dostępne jako wyposażenie opcjonalne, a nawet podstawowe. Producenci oferują też możliwość doposażenia układu pomp w moduły zewnętrzne montowane w skrzynce sterowniczej. Pompy wyposaża się w przekaźniki konfigurowalne i wejścia analogowe umożliwiające podłączenie zewnętrznych przetworników różnicy ciśnienia, temperatury, pomiaru energii cieplnej czy zdalnego sterowania.

Włączenie pomp do systemu sterowania budynkiem (BMS) pozwala na programowanie urządzeń i bardziej zaawansowane sterowanie ich pracą, np. w powiązaniu z pracą innych układów budynkowych czy poprzez sprzęgnięcie większej liczby pomp we wspólnym układzie. Współpraca układów pomp oparta jest na wspólnym sterowaniu, które umożliwia pracę według kilku scenariuszy:

• naprzemiennie – praca jednej pompy w danym momencie powoduje równomierne obciążenie poszczególnych urządzeń, co zwiększa trwałość całego układu;
• pompa główna + pompa rezerwowa – jedna pompa pracuje ciągle, druga uruchamia się automatycznie w przypadku usterki;
• kaskadowo – osiągi pomp i ich uruchomienie dostosowywane są do zapotrzebowania instalacji cieplnej. Dla tego scenariusza ważne jest wyposażenie pompy w funkcję miękkiego startu, tak by częste wyłączanie i włączanie nie obniżyło jej trwałości.

Ważnym aspektem „inteligencji” pomp związanym z włączeniem tych urządzeń w układ BMS jest też gromadzenie danych dotyczących ich pracy. Duży zbiór danych, takich jak charakterystyka rzeczywistej pracy pompy oraz jej warunki pracy (temperatura medium grzewczego i zużycie energii), może być przedmiotem zaawansowanej analizy, prowadzonej np. przy wsparciu uczącej się sztucznej inteligencji. Taka analiza danych pozwala m.in. na wczesne zidentyfikowanie nieprawidłowości pracy, kontrolę spełnienia założeń projektowych (w tym tych dotyczących energooszczędności) oraz opracowanie i wdrożenie korekt pracy zarówno pojedynczych urządzeń, jak i całego układu. Można dzięki temu zapobiec awarii oraz poprawić energooszczędność urządzeń, instalacji i całego budynku podczas eksploatacji.

Inteligentne pompy mogą mieć udział w wartości wskaźnika gotowości budynków do obsługi inteligentnych sieci (Smart Readiness Indicator). SRI został wprowadzony w nowelizacji dyrektywy 2018/844 [6] i ma oceniać gotowość budynków do obsługi inteligentnych sieci. Ma informować o zdolności budynku (lub jego modułu) do dostosowania funkcjonowania oraz poprawy efektywności energetycznej i ogólnej charakterystyki pod względem:

• zdolności do utrzymania charakterystyki energetycznej i funkcjonowania budynku poprzez dostosowanie zużycia energii;
• zdolności do dostosowania swojego trybu działania do potrzeb użytkownika;
• elastyczności ogólnego zapotrzebowania budynku na energię elektryczną [7, 8].

SRI jest nowym narzędziem informacyjnym. W Polsce (jako nieobowiązkowe) nie zostało do tej pory wprowadzone do porządku prawnego. Już sama idea tego wskaźnika wskazuje jednak na duże znaczenie inteligentnych urządzeń dla efektywności energetycznej budynku.

Pompy w czasie pandemii

Możliwości regulacji i sterowania pomp mogą być wykorzystane także w czasie pandemii, kiedy możemy mieć do czynienia z dwoma problemami – zmienioną eksploatacją urządzeń w budynku częściowo lub całkowicie nieużywanym oraz koniecznością izolowania społecznego, w myśl której serwisant urządzeń powinien przebywać w obiekcie możliwie krótko i bez kontaktu z innymi osobami.

Instalacje budynkowe, szczególnie grzewcze, nie powinny być wyłączane całkowicie, mogą zostać np. przełączone w tryb nocny (praca z zapewnieniem niższej temperatury w pomieszczeniach). Jeśli pompa, na przykład cyrkulacyjna, nie pracuje, dostępna jest funkcja uruchomienia jej co kilka dni, by zapobiec blokadzie urządzenia w wyniku stagnacji wody. Pompa może być także elementem ochrony instalacji przed zamarzaniem – jeśli na czujniku temperatury kotła spadnie ona poniżej zadanej wartości, pompa załączy się i będzie pracować do osiągnięcia zadanej temperatury granicznej. Ważną rolę odgrywa tu także system automatycznego odpowietrzania instalacji oraz funkcja automatycznego zatrzymania pompy przy braku czynnika, aby urządzenia nie pracowały „na sucho”. Pomocna może się okazać także funkcja automatycznego powrotu do ustawionych parametrów pracy w razie zaniku napięcia.

Drugim aspektem pomocnym w czasie pandemii jest wskazana już możliwość zdalnego kontaktu z urządzeniem – z poziomu systemu BMS lub przez aplikację mobilną. W przypadku konieczności zmiany ustawień pracy pompy może to zostać przeprowadzone bez konieczności wizyty serwisanta w obiekcie. Zdalny dostęp umożliwia też wstępną diagnostykę w przypadku jakichkolwiek nieprawidłowości. Pozwala to serwisantowi przygotować się do wizyt, ograniczając do minimum zarówno ich liczbę, jak i czas przebywania w obiekcie.

Artykuł pochodzi z wydania 1-2/2021 Rynku Instalacyjnego.

Literatura

1. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią (Dz.Urz. UE L 285/10 z 31.10.2009).
2. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 547/2012 z dnia 25 czerwca 2012 r. w sprawie wykonania dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp do wody (Dz.Urz. UE L 165/28 z 26.02.2012).
3. Rozporządzenie Komisji (WE) nr 641/2009 z dnia 22 lipca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami (Dz.Urz. UE L 191/35 z 23.07.2009).
4. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 622/2012 z dnia 11 lipca 2012 r. zmieniające rozporządzenie (WE) nr 641/2009 w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolnostojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami (Dz.Urz. UE L 180/4 z 12.07.2012).
5. PN-C-04607:1993 Woda w instalacjach ogrzewania. Wymagania i badania jakości wody.
6. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/844 z dnia 30 maja 2018 r. zmieniająca dyrektywę 2010/31/UE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków i dyrektywę 2012/27/UE w sprawie efektywności energetycznej (Dz.Urz. UE L 156/75 z 19.06.2018).
7. Lachman Paweł (red.), Poradnik „Dom bez rachunków”, Polska Organizacja Rozwoju Technologii Pomp Ciepła, Kraków 2019.
8. Krysik Piotr, Najważniejsze zmiany w dyrektywach EPBD oraz EED wprowadzone dyrektywą 2018/844/EU, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2018, rynekinstalacyjny.pl.
9. Materiały firm: DAB, Dambat/IBO, Ferro, Grundfos, Hel-Wita, Hydro-Vacuum, KSB, Xylem, Wilo.