Pompy obiegowe są dziś nieodzownych elementem każdej instalacji, w której zapewnione ma być krążenie czynnika. I chociaż zarówno w instalacji ogrzewczej, jak i w instalacji ciepłej wody użytkowej (mowa o przewodach cyrkulacyjnych) jest to możliwe bez użycia pompy, to jednak z punktu widzenia ogółu właściwości użytkowych, niezawodności i sterowalności zastosowanie pompy będzie zdecydowanie korzystniejsze. W artykule omówię wybrane aspekty doboru pomp obiegowych do instalacji ogrzewczych w ujęciu praktycznym, aczkolwiek nie obędzie się bez odrobiny teorii, bo, jak mówił Kurt Lewin – Nie ma nic bardziej praktycznego, niż dobra teoria.

Od braku regulacji po zdalne sterowanie
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 ich cech konstrukcyjnych i eksploatacyjnych.

Pompy wirowe, 3-biegowe. Jeszcze do niedawna powszechnie stosowane w instalacjach ogrzewczych były pompy obiegowe wirowe 3-biegowe (przykład takiego urządzenia zaprezentowano na rys. 1). Ich cechą charakterystyczną jest możliwość regulacji wydajności w sposób skokowy. Wydajność pompy ustawia się ręcznie i też tylko w taki sposób można dopasować wysokość podnoszenia i strumień pompowanego czynnika do aktualnego zapotrzebowania instalacji. Nie jest to zatem rozwiązanie, które pozwala spełnić wymogi współczesnych, wysokoefektywnych instalacji.

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 [1, 3]. Pompa, pracując na danym biegu, z daną wydajnością, pobiera określoną moc elektryczną. Jeśli zapotrzebowanie na strumień czynnika w instalacji np. zmniejsza się, 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. Taki charakter pracy wiąże się więc z podwyższanymi kosztami eksploatacyjnymi.

Oczywiście, można taką pompą sterować ręcznie, ale nie jest to w praktyce realizowalne. Pompa ma bowiem do wyboru tylko trzy 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.

Pompy elektroniczne. Z czasem na rynku rozpowszechniły się pompy o płynnej regulacji prędkości obrotowej wirnika i tym samym – o regulowanej wydajności, które w praktyce nazywane są „pompami elektronicznymi”. Takie działanie tych urządzeń było możliwe dzięki zastosowaniu zintegrowanych falowników. Pozwoliło to również na implementowanie bardziej zaawansowanych układów sterowania i programatorów oraz interfejsów zewnętrznych, przez co pompy te zyskały dużą elastyczność pracy i możliwość swobodnego sterowania wydajnością i trybem pracy, także z użyciem zewnętrznych sterowników. Dodatkowym atutem takich pomp jest ich niska energochłonność, co opisałem szczegółowo w artykule [2].

Na rys. 2 i 3 pokazano kilka przykładowych pomp elektronicznych.

Dobór pompy – potrzebne dane i obliczenia
Pompa do pracy w instalacji ogrzewczej dobierana jest w oparciu o co najmniej dwa parametry:

• wymagany wydatek masowy/objętościowy – wymaganą ilość pompowanego czynnika;
• wymaganą wysokość podnoszenia – wartość strat ciśnienia czynnika.

Odpowiednie obliczenia (strat ciśnienia czynnika krążącego w instalacji i wymaganego strumienia objętościowego) są w praktyce dosyć pracochłonne i najczęściej wykonuje się je z użyciem dedykowanych programów komputerowych. Warto jednak znać zasadnicze zależności, o czym krótko poniżej.

Moc pompowania. Aby wywołać cyrkulację czynnika w instalacji, konieczne jest dostarczenie określonej mocy pompowania P. Jest to iloczyn wydatku objętościowego (strumienia) czynnika V^· (w praktyce często oznaczanego jako Q), wyrażonego w [m³/s] i (różnicy) ciśnienia ∆p, wyrażonej w Paskalach, zgodnie ze wzorem (1).

Wymagana moc elektryczna pompy. Jest ona większa od mocy pompowania, gdyż zarówno proces pompowania (przekazywanie energii z łopatek wirnika do czynnika), jak i proces zamiany energii elektrycznej na mechaniczną, obarczone są stratami energetycznymi i sprawność tych procesów jest niższa niż 100%. Z reguły im większa pompa, tym większa jej sprawność całkowita.

Zależność wyrażającą całkowitą moc elektryczną pompy można w uproszczeniu zapisać wzorem (2).

Nadmienić należy, że w powyższych wzorach pominięte jest ciśnienie grawitacyjne, które występuje w praktyce w pracującej instalacji ogrzewczej i które sumuje się z ciśnieniem pompowym, pozwalając nieco zmniejszyć wymagane ciśnienie pompowe, a tym samym także wymaganą moc pompy. Bardziej szczegółowe omówienie tego zagadnienia można znaleźć w pracy [5].

Wysokość podnoszenia. W praktyce często, zamiast pojęciem (różnicy) ciśnienia ∆p, operuje się pojęciem wysokości podnoszenia H, wyrażonej w metrach (najczęściej – w metrach słupa wody). W przypadku pompy pracującej w układzie, w którym czynnik krąży – a takim układem jest instalacja ogrzewcza – obrazuje ona wówczas wysokość strat ciśnienia czynnika przy przepływie w instalacji. Wielkości te są przeliczalne w prosty sposób. Na potrzeby praktycznych analiz dla instalacji ogrzewczych można założyć, że 105 Pa = 10 m. Dokładnego przeliczenia można natomiast dokonać zgodnie ze wzorem (3).

Jeśli mówimy o pompie, to na pierwszy rzut oka wysokość podnoszenia jest pojęciem mniej intuicyjnym niż wytwarzana różnica ciśnienia. Parametr ten można jednak opisać w obrazowy sposób, jak pokazano to na rys. 4.

Załóżmy, że punkt 1 (na rys. 4) to pozycja początkowa, w której znajduje się czynnik w układzie. Chcemy, aby czynnik w nim krążył. Jeśli puścimy go swobodnie, to zacznie opadać, a następnie wpłynie do przeciwległego odcinka i zacznie płynąć w górę. Nie dopłynie jednak na tą samą wysokość, z której początkowo został spuszczony, a do pozycji 3, charakteryzującej się mniejszą wysokością. Przy przepływie wystąpiły bowiem straty energii – zarówno w postaci tarcia na odcinkach prostych, jak i na przeszkodach miejscowych (łuki). Różnica wysokości H to właśnie ta różnica wysokości, która wynika z tych strat. Aby czynnik mógł dopłynąć do początkowej pozycji/ wysokości i zacząć krążyć w instalacji, konieczne jest zastosowanie pompy o co najmniej wysokości podnoszenia H – pokryje ona zaistniałe straty energii, skutkujące stratą wysokości H przepływającego czynnika.

! Wysokości podnoszenia pompy nie należy więc mylić, ani utożsamiać z rozległością w pionie instalacji ogrzewczej, w której ta pompa ma pracować. Nie ma tutaj związku geometrycznego. Na przykład pompa o wysokości podnoszenia H = 8 m zapewni krążenie czynnika zarówno w instalacji o pionowej rozległości 3 m, 8 m, jak i np. 20 m.

W instalacji otwartej natomiast, w której czynnik nie krąży, a wypływa do atmosfery (np. instalacja wody zimnej – krany) z danego przewodu i nie „napędza” krążenia, opadając w przeciwległym przewodzie, wysokość podnoszenia mówi wprost o tym, na jaką wysokość pompa jest w stanie „wypchnąć” wodę pionowo w górę.

Inne ważne parametry doboru pompy
Dobierając pompę, warto również zwracać uwagę na parametry niezwiązane bezpośrednio z zapewnieniem wymaganego krążenia czynnika, ale istotne z użytkowego i ekonomicznego punktu widzenia, a mianowicie na:

• klasę energetyczną, wyrażoną wskaźnikiem EEI [2] – im niższa wartość tego parametru, tym bardziej energooszczędna jest pompa; zasadniczo, warunki prawne stawiane temu wskaźnikowi w odniesieniu do pomp obiegowych do instalacji grzewczych wykluczają stosowanie pomp 3-biegowych, bez sterowania elektronicznego/ automatycznego;
• możliwość sterowania zewnętrznego;
• klasę odporności uzwojenia na przegrzanie – w praktyce najwyższa klasa w tego typu produktach to klasa H, dla której maksymalna temperatura to 180°C;
• warunki środowiskowe, w których pompa może pracować, w tym zakres temperatur i wilgotności powietrza;
• medium, z którym pompa może pracować – dobrze, jeśli jest to nie tylko woda, ale także wodne roztwory glikolu;
• stopień ochrony IPXX – parametr mówiący m.in. o tym, jak dobrze obudowa urządzenia chroni jego wnętrze przed dostaniem się ciał obcych (i wody) i jak dobrze osłania przed kontaktem z niebezpiecznymi elementami urządzania; generalnie – im wyższe numery w miejscach liter X po symbolu IP, tym lepszy stopień ochrony;
• ewentualny atest higieniczny, pozwalający stosować pompę również w instalacjach wody pitnej.

Pompę należy również dobrać z punktu widzenia średnicy przyłączy i ich rozstawu.

Jak rozumieć zakodowane informacje o produkcie?
W większości przypadków producenci w oznaczeniu parametrów danej pompy kodują informacje o średnicy przyłączy i ich rozstawie, zwykle wraz z informacjami o wysokości podnoszenia, wyrażonej w metrach bądź decymetrach słupa wody. Najczęściej typoszeregi obejmują pompy o wysokości podnoszenia 4, 6, 7 lub 8 m, o rozstawie przyłączy 130 i 180 mm oraz o średnicach (króćców) 20, 25 i 32 mm.

Na rys. 5 pokazano przykładową pompę wraz z typowymi oznaczeniami parametrów. Przykładowo:

• 25 – oznacza średnicą nominalną;
• 4 lub 40 – wysokość podnoszenia w [m] bądź w [dm] słupa wody;
• 180 – rozstaw króćców przyłączeniowych w [mm].

Co istotne – często w kodowaniu takim średnica nominalna to nie średnica gwintu przyłączeniowego, a średnica nominalna króćca pompy. Średnica gwintu przyłączeniowego jest zwykle większa o dwa kroki w typoszeregu. Jeśli np. pompa ma oznaczenie dotyczące średnicy nominalnej 25, to średnica nominalna króćca przyłączeniowego wynosi DN40.

Pompy obiegowe – przykład obliczeniowy
Dane do obliczeń:

• projektowe obciążenie cieplne: φ = 10 kW (typowy domek jednorodzinny w obecnym standardzie energetycznym);
• straty ciśnienia w instalacji dla projektowego obciążenia cieplnego: ∆p = 31 kPa;
• projektowe temperatury pracy: t_z = 75°C, t_p = 65°C; są to wartości wskazane jako normatywne w normie „grzejnikowej” [4], ale można przyjmować inne – w Polsce, dla grzejników konwekcyjnych, najczęściej przyjmowane jest t_z – t_p = (10÷20)°C;
• gęstość wody: ρ = 978 kg/m³ ;
• ciepło właściwe wody: c_p = 4190 [J/(kgK)] – iloczyn ρ · c_p jest wartością względnie stałą z punktu widzenia warunków pracy instalacji ogrzewczej.

Określenie strumienia czynnika i strat ciśnienia. Jak wspomniano wcześniej, aby dobrać odpowiednią pompę, należy wyznaczyć co najmniej wymaganą wydajność pompy, czyli strumień V^· czynnika w instalacji, oraz wysokość podnoszenia, dla której strumień ten będzie przez pompę zapewniony. Ważne jest, aby te dwa warunki były jednocześnie spełnione (rys. 6a i 6b).

O ile sam strumień czynnika można oszacować dość szybko i jest on mało zależny od rozległości orurowania instalacji, typów i średnic rur oraz zastosowanej armatury (te aspekty wpływają na ew. straty i zyski mocy cieplnej, które należy uwzględnić w bilansach – parametr φ), a zależy głównie od projektowego obciążenia cieplnego i przyjętych temperatur pracy instalacji, o tyle nie da się tego zrobić w przypadku strat ciśnienia – tutaj konieczne są bardziej obszerne obliczenia, uwzględniające całość instalacji, wraz z trasami przewodów. W przykładzie podano już wyliczoną wartość tego parametru.

Określenie mocy pompowania. 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. Z kolei wydatek objętościowy V · jest to suma strumieni ze wszystkich obiegów, czyli po prostu całkowita wartość strumienia czynnika, jaki musi pompować pompa w instalacji. 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 i przyjętych temperatur pracy instalacji.

! 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 [1, 3].

Charakterystyki pompy i instalacji – wskazówki doboru urządzeń. Na rys. 6a pokazano zbiór charakterystyk dławienia (wydajności) typowej pompy 3-biegowej, wraz z rodziną przykładowych charakterystyk hydraulicznych instalacji. Naniesiono tam linię wymaganego strumienia objętościowego czynnika i kilka linii wymaganego ciśnienia, wraz z wartością zadaną w tym przykładzie (linia 1). Przecięcie się obu linii daje wymagany punkt pracy. Natomiast na rys. 6b pokazano analogiczny wykres dla przykładowej pompy elektronicznej, nanosząc już tylko linie dla wymaganych wartości strumienia czynnika i wytwarzanego ciśnienia. Posługując się zaprezentowanymi (na rys. 6a i 6b) przykładami charakterystyk, można sformułować kilka praktycznych wskazówek doboru pompy obiegowej, które przedstawiam poniżej.

• Charakterystyka pompy nie powinna przebiegać poniżej wymaganego punktu pracy układu pompa obiegowa – instalacja;
• W przypadku pompy o ręcznie dobieranej wydajności (np. 3-biegowej) należy dobrać ją tak, aby powyższy warunek spełniony był dla najwyższego dostępnego biegu. Rozważana pompa (rys. 6a) co prawda spełnia warunki zadania (równocześnie spełnione są oba warunki – strumień czynnika i wytwarzane ciśnienie), ale nie dla najwyższego biegu, dlatego należałoby poszukać innej pompy.
• W przypadku pompy o ręcznie dobieranej wydajności (np. 3-biegowej) dopuszczalne są pewne odstępstwa i generalnie, jeśli stajemy przed wyborem: pompa o charakterystyce leżącej trochę poniżej wymaganego punktu pracy, czy pompa o charakterystyce leżącej znacząco powyżej, to należy wybrać tę pierwszą. Wynika to z faktu, iż zmiana mocy cieplnej grzejnika związana jest nieliniową zależnością ze strumieniem czynnika, a także sama zmiana strumienia czynnika związana jest nieliniową zależnością ze zmianą różnicy ciśnienia. Wypadkowa nieliniowość ma charakter silnej redukcji wpływu powodu – zmiany ciśnienia pompowego na finalny skutek – temperaturę w pomieszczeniu. Zatem nawet przy dużych zmianach ciśnienia pompowego, zmiana mocy cieplnej grzejnika, a tym samym temperatury w ogrzewanej strefie, nie jest duża. Dodatkowo zmiana ciśnienia pompowego związana jest silnie nieliniową zależnością z pobieraną przez pompę mocą elektryczną. Nieliniowość ta ma charakter wzmacniania wpływu powodu – wytwarzanego ciśnienia pompowego na finalny skutek – pobór mocy elektrycznej. Zatem nawet nieduże zmiany ciśnienia pompowego mocno wpływają na zużycie energii elektrycznej, a tym samym na koszty pompowania. Szczegółowe omówienie tego zagadnienia można znaleźć w pracach [1, 3].
• W przypadku pompy elektronicznej wymagany punkt pracy instalacji powinien leżeć w zakresie automatycznej pracy pompy, tj. pomiędzy liniami „max” i „min”, korzystnie – blisko górnej linii.

Literatura:
[1] Muniak D.: „Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania”, PWN, Warszawa 2017
[2] Muniak D.: „Energooszczędne pompy obiegowe w instalacjach ogrzewczych”, „Polski Instalator” 3/2021 (293), str.: 22-26
[3] Muniak D.: „Grzejniki w wodnych instalacjach grzewczych. Konstrukcja, dobór i charakterystyki cieplne”, wydanie II (rozszerzone i poprawione), PWN, Warszawa 2019
[4] PN-EN 442: „Grzejniki i konwektory”
[5] Zima W., Muniak D, Cisek P., Ojczyk G., Pacura P.: „Zagadnienia cieplne, hydrauliczne oraz jakości wody w instalacjach grzewczych”, Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków 2015
[6] www.ferro.pl, dostęp w dniu 25.06.2021