Czym charakteryzują się energooszczędne pompy obiegowe do instalacji ogrzewczych, jakie wymagania prawne są im stawiane z punktu widzenia energooszczędności oraz w jaki sposób liczy się kluczowe wskaźniki energetyczne? – Odpowiedź na te pytania znajdą Państwo w poniższym artykule. Zastanowimy się również, jak wygląda stosowanie energooszczędnych pomp obiegowych w praktyce i o czym warto jednak informować klientów zanim podejmą decyzję o wyborze konkretnego modelu.
W pierwszych słowach warto pokrótce wytłumaczyć dwie rzeczy, które mogą budzić wątpliwości, gdy czyta się tytuł niniejszego artykułu. Dlaczego „pompa obiegowa”, a nie „pompa cyrkulacyjna” i dlaczego „instalacja ogrzewcza”, a nie „instalacja grzewcza”?
Cóż – obie wersje nazewnictwa są prawidłowe z praktycznego punktu widzenia i powszechnie używane, ale z punktu widzenia polskich zapisów prawnych tylko jedna z nich jest poprawna. Otóż w odniesieniu do instalacji, zgodnie z [12], mowa jest o „instalacji ogrzewczej”. Z kolei „pompa cyrkulacyjna”, zgodnie z tym dokumentem, to pompa zapewniająca cyrkulację wody w instalacji ciepłej wody użytkowej, a nie w instalacji (o)grzewczej. W instalacji takiej mowa jest o pompie obiegowej.
Pomijając semantykę, wiemy, że stosowane dziś powszechnie pompy (obiegowe) zapewniają obieg czynnika w instalacji ogrzewczej. Obieg ten jest możliwy także bez pompy dzięki działaniu tzw. ciśnienia grawitacyjnego i takie instalacje były kilkadziesiąt lat temu bardzo popularne, a jeszcze wcześniej były jedynymi spotykanymi – z uwagi na brak dostępności odpowiednich pomp. Jednak projektowanie takiej instalacji, dobór elementów, zasada pracy i regulacji oraz inne aspekty eksploatacyjne nastręczają wielu niedogodności, także z punktu widzenia zapewnienia warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniach. Z tych powodów rozpowszechniły się instalacje pompowe.
Zmiany, zmiany, zmiany
Pierwsze pompy dedykowane do instalacji ogrzewczych były urządzeniami dość prostymi, dużymi i mało efektywnymi, bez możliwości regulacji wydajności. Wraz z rozwojem tych produktów poprawiano wiele cech konstrukcyjnych i eksploatacyjnych.
Regulacja ręczna. Na rys. 1 zaprezentowano typową pompę obiegową, jeszcze do niedawna powszechnie stosowaną w instalacjach ogrzewczych. Jej cechą charakterystyczną jest możliwość regulacji wydajności w sposób skokowy – pompa ma 3 biegi. Wydajność ustawia się ręcznie i też tylko w taki sposób można dopasować wysokość podnoszenia i strumień pompowanego czynnika do aktualnego zapotrzebowania instalacji.
Użytkowanie takiej pompy w instalacji ogrzewczej wiąże się z podwyższonymi kosztami eksploatacyjnymi. Trzeba bowiem pamiętać, że współczesne instalacje są instalacjami zmiennoprzepływowymi, w których strumień czynnika w sposób ciągły zmienia się z uwagi na pracę termoregulatorów grzejnikowych, stabilizatorów różnicy ciśnień i/lub przepływów itp., co wynika z konieczności zapewnienia odpowiednich warunków komfortu cieplnego w pomieszczeniach i optymalizacji zużycia energii, przez ciągłe dopasowywanie się do bieżących warunków pracy [5, 6]. Pompa, pracując na danym biegu, z daną wydajnością, pobiera określoną moc elektryczną. Jeśli zapotrzebowanie na strumień czynnika w instalacji np. maleje, to zmniejsza się też wymagane ciśnienie pompowe. Jeśli pompa pracuje na zbyt wysokiej prędkości obrotowej wirnika, to niepotrzebnie wytwarza zbyt wysokie ciśnienie, pobiera zbyt wysoką moc elektryczną, a dodatkowo obciąża inne elementy instalacji, które muszą zdławić nadmiar ciśnienia. Oczywiście, można sterować taką pompą ręcznie, ale nie jest to w praktyce realizowalne. Pompa ma bowiem do wyboru tylko 3 biegi, więc gradacja jest niska. Ponadto użytkownikowi trudno określić, bez dodatkowego opomiarowania i oprzyrządowania instalacji, jakie jest faktyczne chwilowe zapotrzebowanie na strumień czynnika.
Nie bez znaczenia jest też aspekt komfortu użytkowania – trudno sobie wyobrazić, że użytkownik będzie ciągle nadzorował pracę instalacji, stojąc przy pompie.
Wymagania dotyczące energochłonności pomp obiegowych. Aspekt zużycia energii i związanej z tym emisji gazów cieplarnianych był jednym z głównych czynników, dla których wprowadzono wymagania dotyczące energochłonności pomp obiegowych.
Początkowo pompom przyporządkowywano literowe klasy energetyczne: od A do G, w zależności od obliczonego wskaźnika EEI (Energy Efficiency Index). Była to klasyfikacja dobrowolna, opracowana przez stowarzyszenie Europump i wprowadzona w 2005 r. Opisano ją w dokumencie [3] wraz z ówczesną procedurą obliczania wartości EEI (nieco zmodyfikowaną rozporządzeniami [11] i [10]). Podane w nim przyporządkowanie literowych klas energetycznych do wartości wskaźnika EEI pokazano w tabeli 1.
Z czasem wymagania te zostały usystematyzowane i sformalizowane wprowadzoną na szczeblu UE dyrektywą 2009/125/WE (nazywaną dyrektywą energetyczną ErP) [2], która ustalała wymogi ekoprojektu w odniesieniu do urządzeń i produktów wykorzystujących energię, a także dedykowanym pompom obiegowym rozporządzeniem [11] w sprawie wymagań dotyczących ekoprojektu dla pomp bezdławnicowych wolnostojących i zintegrowanych z produktami oraz zmieniającym je rozporządzeniem [10], aktualnie obowiązującym. Wraz z wejściem w życie rozporządzenia [11] zrezygnowano z definiowania energochłonności pomp za pomocą etykiety literowej, a wskazano współczynnik EEI jako parametr porównawczy. Rozporządzenie to ograniczyło odgórnie rynek pomp dedykowanych do instalacji ogrzewczych, narzucając stosowanie pomp o odpowiednio niskim zużyciu energii, mierzonym wskaźnikiem EEI.
! Dla pomp wprowadzanych na rynek po 2013 r. wskaźnik EEI nie może być wyższy niż 0,27, a od 2015 r. – wyższy niż 0,23. Dotyczy to zarówno pomp wbudowanych w inne urządzenia, np. w kotły, jak i pomp oferowanych indywidualnie, tzw. wolnostojących.
Zużycie energii przez pompę w instalacji ogrzewczej – od czego zależy?
Aby wywołać cyrkulację, konieczne jest dostarczenie określonej mocy pompowania. Jest to iloczyn wydatku objętościowego (strumienia) czynnika Q, wyrażonego w [m3/s] i (różnicy) ciśnienia Δp, wyrażonej w [Pa]. Często, zamiast pojęciem (różnicy) ciśnienia Δp operuje się pojęciem wysokości podnoszenia H, wyrażonej w [m]. Obrazuje ona wówczas wysokość strat ciśnienia w metrach słupa wody. Wielkości te są przeliczalne w prosty sposób – na potrzeby praktycznych analiz można założyć, że: 105Pa = 10 m.
Po zamianie jednostek strumienia objętościowego i ciśnienia odpowiednio na [m3 /h] i [m] oraz zakładając gęstość wody dla temperatury 20°C i wartość przyspieszenia ziemskiego na poziomie g = 9,81 m/s2 , otrzymuje się zapis jak w przedstawionym w dalszej części artykułu wzorze 3 (patrz: ramka).
Przypomnę, że wydatek objętościowy jest to suma strumieni ze wszystkich obiegów, czyli po prostu całkowita wartość strumienia czynnika, jaki musi pompować pompa w instalacji. Różnica ciśnienia, bądź wysokość podnoszenia, jaką musi wytworzyć pompa, to (zazwyczaj) suma strat ciśnienia czynnika krążącego przez wszystkie odcinki przewodów w najbardziej niekorzystnym obiegu, wymagającym największej wartości ciśnienia, czyli w praktyce tym, w którym odbiornik (np. grzejnik) jest w stosunku do pompy najdalej i najniżej położony i/lub ma największą moc.
Moc pompowania zależy więc w praktyce od:
- wielkości i rozległości instalacji,
- średnic przewodów użytych do jej budowy,
- ilości i rodzaju użytej armatury oraz jej funkcji,
- mocy odbiorników ciepła.
! Generalnie – im większa instalacja, tym większa wymagana moc pompowania. Im większe średnice przewodów instalacji i im mniej przeszkód miejscowych w postaci zaworów, kolan, trójników, rozgałęzień itp., tym moc pompowania mniejsza [5, 6].
Warunki projektowe a profil obciążenia. Pompy obiegowe w instalacjach ogrzewczych projektowane są, podobnie jak inne urządzenia, na tzw. warunki projektowe. Są to warunki najbardziej niekorzystne, występujące dla najniższych temperatur zewnętrznych, w zimie. Dla takich warunków występują maksymalne temperatury pracy instalacji (temperatura zasilania), jak i maksymalne przepływy czynnika. Warunki projektowe występują jednak bardzo rzadko, w związku z czym przez większy czas pracy elementy instalacji, w tym pompa, są, poniekąd, przewymiarowane. W przypadku pomp nieregulowanych oznacza to ciągłą pracę przy zbyt wysokiej wydajności i marnotrawstwo energii elektrycznej.
Warto wiedzieć, że na podstawie badań opracowano dane wskazujące procentowe udziały czasów pracy pompy obiegowej w sezonie ogrzewczym w zależności od stopnia obciążenia, mierzonego stosunkiem bieżącej wartości strumienia pompowanego czynnika do wartości maksymalnej dla danej pompy (ograniczonej maksymalną wartością mocy hydraulicznej, a nie bezwzględnie maksymalną wartością strumienia, dla której wartość H = 0; patrz rys. 3). Taki profil obciążenia został opracowany w Niemczech pod nazwą Blauer Engel, jeszcze przed wejściem w życie zapisów dotyczących klasyfikacji pomp obiegowych [1]. Dane te pokazano na rys. 4.
Pompa energooszczędna, czyli jaka?
Pompa energooszczędna to oczywiście pompa o niskiej wartości współczynnika EEI. W praktyce jedynie pompy z elektronicznym sterowaniem wydajnością spełniają ten warunek. Pompy np. 3-biegowe nie spełniają go. Postęp w dziedzinie energochłonności pomp nie odbył się poprzez rewolucyjne zmiany konstrukcyjne – tutaj zasadniczo główną zmianą była wymiana indukcyjnych silników szczotkowych na silniki synchroniczne, bezszczotkowe, z magnesami trwałymi (m.in. brak strat tarcia szczotek). Dało to znaczący zysk, ale głównym powodem tak dużych różnic w wartościach parametru EEI pomiędzy „starymi”, a „nowymi” pompami jest stosowanie automatycznej adaptacji wydajności i możliwość programowania harmonogramów pracy.
Dobór według punktu pracy. Warto pamiętać, że wskaźnik EEI określany jest dla danej pompy, o danej mocy i wydajności. Każda pompa charakteryzuje się jednym punktem pracy H(Q) o maksymalnej sprawności (patrz rys. 3). Pompę trzeba dobierać tak, aby jej praca odbywała się jak najbliżej tego punktu, nie należy więc dobierać pompy przewymiarowanej. Układy automatycznego sterowania dopasowują wydajność do aktualnych potrzeb, ale nie mają wpływu na sprawność hydrauliczną, która jest składową sprawności całkowitej pompy.
Regulacja obrotów pompy. Może się ona odbywać w kilku trybach: proporcjonalnym (H~Q), ze stałą prędkością obrotową (n = const) oraz ze stałym ciśnieniem (H = const), jak pokazano na rys. 6.
Z tych trzech najbliższa charakterystyce hydraulicznej sieci przewodów instalacji jest charakterystyka proporcjonalna. Doskonalszą odmianą tego trybu pracy jest autoadaptacja, czyli „uczenie” się pompy w trakcie pracy i płynny dobór parametrów pracy, niezależny od ww. trybów. Pompa powinna mieć możliwość wyboru tego trybu pracy.
Programowanie pracy i inne atuty. Dodatkowym sposobem obniżającym zużycie energii jest możliwość zadawania programów pracy, np. czasowych dodatkowych obniżeń wydajności, programowanego wyłączania (np. przy braku użytkowników w budynku), wykorzystania sterowania zewnętrznego (PWM) itp. Producenci już od dłuższego czasu oferują pompy spełniające te wymagania i oferujące dodatkowe funkcjonalności. Warto też, aby pompa miała wyświetlacz pobieranej mocy. W ten sposób można na bieżąco kontrolować ten parametr. Dodatkowo, najlepsze modele osiągają wartości EEI < 0,15.
Stosowanie pomp energooszczędnych w praktyce
Wiemy już, jakie pompy w myśl zapisów prawnych powinny być stosowane w instalacjach ogrzewczych – pompy automatyczne, ze sterowaniem elektronicznym. Jak jest w praktyce? – Cóż, analizując rynek pomp widać, iż tego rodzaju pompy to mniejsza część sprzedaży ilościowej. Ciągle silną pozycję w wynikach firm operujących w tym segmencie, a nierzadko dominującą, mają pompy 3-biegowe. Jak to się dzieje? – Otóż producenci deklarują w swoich katalogach przeznaczenie ich do instalacji ciepłej wody użytkowej, dla których nie obowiązują wymagania związane z energochłonnością pomp. Klienci natomiast widząc różnicę w cenie pompy 3-biegowej i elektronicznej o tych samych parametrach (wydajność, wysokość podnoszenia) zwykle wybierają tę pierwszą, bo jest tańsza. I wilk (producent) więc syty i owca (klient) cała. O ile jednak producenta można w tej sytuacji zrozumieć, bo stara się dostarczyć klientowi taki produkt, jakiego ten potrzebuje (niska cena zakupu), to jednak szkoda klienta, który co prawda nabywając taką pompę zaoszczędzi na kosztach inwestycyjnych, ale pompa sterowana elektronicznie, zużywając znacznie mniej energii, dość szybko się zwraca i finalnie jest po prostu tańsza niż pompa 3-biegowa – tego klient zwykle nie jest świadomy lub nie jest o tym należycie informowany.
Literatura:
[1] Classification of Circulators, N. Bidstrup, G. Hunnekuhl, H. Heinrich, T. Andersen, Europump 2003
[2] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią
[3] Industry Commitment To improve the energy performance of StandAlone Circulators Through the setting-up of a Classification Scheme In relation to Energy Labelling, Europump, Styczeń 2005
[4] Karaśkiewicz K., Jędral W., Badania i ocena wskaźnika energochłonności pomp obiegowych, „Energetyka”, str.: 679-682, 9/2013
[5] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017
[6] Muniak D.: Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne. Wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019
[7] PN-EN 16297-1:2013-04 – Pompy – Pompy wirowe – Pompy obiegowe bezdławnicowe – Część 1: Wymagania ogólne oraz procedury badań i obliczeń wskaźnika energochłonności (EEI)
[8] PN-EN 16297-2:2013-04 – Pompy – Pompy wirowe – Pompy obiegowe bezdławnicowe – Część 2: Obliczanie wskaźnika energochłonności (EEI) dla wolno stojących pomp obiegowych
[9] PN-EN 16297-3:2013-04 – Pompy – Pompy wirowe – Pompy obiegowe bezdławnicowe – Część 3: Obliczanie wskaźnika energochłonności (EEI) dla pomp obiegowych wbudowanych w urządzenia
[10] 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
[11] Rozporządzenie Komisji (WE) Nr 641/2009 w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolno stojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych zintegrowanych z produktami
[12] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 02.75.690 z późn. zm.)
[13] https://invena.pl/
[14] https://wilo.com/pl/pl/
[15] https://www.grundfos.com/pl/
[16] https://www.taconova.com/pl/
[17] Dane katalogowe firmy Arka
