Experimentálne overenie správania sa obehových čerpadiel

V súčasnosti je množstvo vykurovacích systémov vybavených neregulovanými obehovými čerpadlami. Výsledkom je výrazná nadspotreba elektrickej energie – až desaťnásobne vyššia, ako potrebuje najnovšia generácia obehových čerpadiel. Z tohto dôvodu sa v budúcnosti budú môcť inštalovať len vysokoúčinné čerpadlá s extrémne nízkou spotrebou energie [5].

V mnohých prípadoch sa výmenou obehového čerpadla môžu ušetriť finančné prostriedky a znížiť uhlíková stopa. Prispieva sa tak nielen k ochrane životného prostredia, ale konečnému užívateľovi sa znižujú aj finančné náklady na spotrebu energie.

Vzhľadom na to, že príslušná čerpacia technológia je k dispozícii v rámci všetkých oblastí použitia už dnes, je prechod na najnovšiu generáciu obehových čerpadiel jednoznačnou investíciou do budúcnosti.
Autori sa v článku zaoberajú overením parametrov obehových čerpadiel v laboratórnych podmienkach, a to pri rôznych okrajových podmienkach a rôznych nastaveniach obehových čerpadiel.

Technické riešenie

Experimentálne merania prebiehali v laboratóriu v Ústave TZB a tepelných pochodov Strojníckej fakulty Technicko-ekonomickej univerzity v Budapešti (Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem). Pri uskutočnení experimentálnych meraní slúžil ako zdroj tepla jeden z nástenných plynových kondenzačných kotlov JUNKERS Cerapur Smart ZSB 22-3C s tepelným výkonom v rozpätí od 3,0 do 22,0 kW (obr. 1).

Obr. 1  Kondenzačný kotol JUNKERS Cerapur Smart ZSB 22-3C s výkonom 3,0 – 22,0 kW

Daný kondenzačný kotol zásobuje teplom časť laboratória, v ktorej prebiehali experimentálne merania. Od zdroja tepla vedú oceľové potrubné rozvody cez hydraulickú výhybku (anuloid) oddeľujúcu kotlové okruhy od vykurovacích okruhov. Následne pokračujú rozvody vykurovania do združeného rozdeľovača a zberača s piatimi vetvami. Na účely experimentálneho merania sa použila jedna vykurovacia vetva, ktorá reprezentovala simulovanú vykurovaciu sústavu (obr. 2).

Obr. 2 Obehové čerpadlo MAGNA 3 32-120 F 220

Obeh teplonosnej látky na sledovanej vykurovacej vetve zabezpečuje obehové čerpadlo Grundfos MAGNA 3 32-120 F 220 (obr. 2) osadené do oceľového potrubia dimenzie DN 32.
Charakteristiku sústavy, resp. jej dynamické správanie, zastupuje regulačný ventil TA Hydronics DN 32 inštalovaný v spätnom potrubí danej vykurovacej vetvy. Teplota teplonosnej látky závisela od nastavených okrajových podmienok experimentálneho merania.

Okrajové podmienky

Parametre obehového čerpadla sa analyzovali pri týchto okrajových podmienkach:
I. Simulovala sa vykurovacia sústava pri teplote teplonosnej látky okolo 40 °C, ktorá reprezentuje prechodné obdobia vykurovacej sezóny (jar, jeseň). Obehové čerpadlo bolo nastavené na rôzne charakteristiky pracovnej krivky.
II. Simulovala sa vykurovacia sústava pri teplote teplonosnej látky okolo 60 °C, ktorá reprezentuje vrchol vykurovacej sezóny (zima). Obehové čerpadlo bolo identicky nastavené na rôzne charakteristiky pracovnej krivky.

Metodika experimentálneho merania

Obehové čerpadlo (MAGNA 3 32-120 F 220) druhej vetvy rozdeľovača (obr. 2) a zberača bolo pri oboch prevádzkových teplotách (40 , resp. 60 °C) nastavené na prevádzku na konštantné otáčky, proporcionálny tlak a na záver na funkciu AutoADAPT. Keďže išlo o najmodernejšie progresívne obehové čerpadlo súčasnosti, bolo na ňom možné nastaviť všetky dané prevádzkové režimy.

Dynamické správanie sa vykurovacej sústavy počas vykurovacej sezóny, resp. počas kratších období, sa demonštrovalo pomocou regulačného ventilu TA HYDRONICS inštalovaného vo vratnom potrubí. Regulačný ventil má možnosti nastavenia od hodnoty 4,2 až po hodnotu 0.

Číslo reprezentuje počet otáčok na regulačnom ventile, pričom hodnota 4,2 znamená, že ventil je úplne otvorený (nekladie žiadny odpor) a číslo 0 znamená, že je ventil úplne zatvorený (nepreteká cez neho žiadne množstvo teplonosnej látky), kladie najväčší odpor. V tab. 1 a 2 je zhrnuté správanie sa obehových čerpadiel pri danej teplote teplonosnej látky a nastavení obehového čerpadla. Podrobnejšie sa budeme venovať analýze správania sa obehového čerpadla pri teplote 40 °C.

Analýza nameraných hodnôt

Na základe nameraných hodnôt možno konštatovať, že pri nastavení obehového čerpadla (OČ) na konštantný tlak bola daná hodnota výtlačnej výšky H = 9,5 m úspešne dodržaná, aj pri znižujúcom sa objemovom prietoku V (m³/h) obehové čerpadlo stále dodržiavalo konštantnú výtlačnú výšku. Otáčky na obehovom čerpadle n boli počas celého merania zhruba identické a takisto aj účinnosť obehového čerpadla η (%) .

Pri nastavení OČ na reguláciu na proporcionálny tlak môžeme potvrdiť, že s klesajúcim objemovým prietokom adekvátne klesá aj dopravná výška obehového čerpadla H (m), ako to možno vidieť v tab. 1. Proporcionálne s dopravnou výškou klesá aj potrebný príkon P (W), otáčky čerpadla n a následne aj jeho účinnosť η (%).

Zaujímavosťou bolo, že pri nastavení ventilu na hodnotu 1,5 bolo počuť určité pískanie vo ventile a pri hodnote 1,0 nastavenia ventilu bolo dodatočne počuť aj syčanie. Obehové čerpadlo si podľa premenlivých podmienok prispôsobovalo pásmo proporcionality, čo sa zobrazovalo na displeji.

Nasledujúce nastavenie – regulácia podľa konštantnej krivky – predstavuje reguláciu, ktorú používali najstaršie modely obehových čerpadiel (NTV, NTR). Tu môžeme sledovať, že pri poklese prietoku ventilom (uzatváranie ventilu) klesá aj objemový prietok V (m³/h) teplonosnej látky obehovým čerpadlom, avšak paradoxne sa zvyšuje dopravná výška obehového čerpadla z hodnoty H = 9,8 m až do vysokých hodnôt H = 12,76 m. So zvyšujúcou sa dopravnou výškou sa rapídne zvýšili aj otáčky n a účinnosť η (%) zostáva po celé meranie rovnaká η = 96,1 %.

Hlavným negatívnym javom bola okrem zvyšujúcich sa otáčok veľká hlučnosť čerpadla a veľmi nekomfortná prevádzka.
Posledným meraným spôsobom regulácie bolo nastavenie obehového čerpadla na funkciu AutoADAPT, ktorá by mala samostatne zabezpečiť a vyhodnotiť požiadavky vykurovacej sústavy a podľa nich nastaviť prevádzku obehového čerpadla. Ako môžeme sledovať z tab. 2, samotný objemový prietok V (m³/h) bol pri úplne otvorenom regulačnom ventile (4,2) o 50 % nižší ako pri všetkých ostatných prípadoch.

Dopravná výška H (m) obehového čerpadla bola skoro počas celého merania konštantná na úrovni približne H = 1,5 m. Potrebný príkon OČ klesal so znižujúcim sa objemovým prietokom, pričom otáčky a účinnosť OČ boli počas celého merania takmer identické. Čerpadlo išlo veľmi ekonomicky a nebolo ho takmer počuť. Porovnanie príkonov obehových čerpadiel s rôznymi prevádzkovými nastaveniami je na obr. 3.

Obr. 3 Vzájomné porovnanie príkonov jednotlivých obehových čerpadiel

Záver

Môžeme konštatovať, že namerané hodnoty v laboratórnych podmienkach nám potvrdili údaje deklarované výrobcami a všeobecne zaužívane vedomosti o daných druhoch obehových čerpadiel. Z obr. 3 vyplýva, že najlepšie sa požiadavkám vykurovacej sústavy približuje čerpadlo pri nastavení na AutoADAPT, vtedy sú zabezpečené potrebné parametre pri minimálnej spotrebe elektrickej energie.

Literatúra
1.    PETRÁŠ, D. a kol.: Vykurovanie rodinných a bytových domov. Bratislava: JAGA, 2005.
2.    CSONKAI, I. – DOHOLUCZKI, T.: Tӧbb, mint hidraulika, Wien – Budapest – 2013.
3.    HOMONNAY Gy.-né. a kol.: Épületgépészet 2000 – Fűtés­technika II. Budapest, Épületgépészet kiadó Kft. 2001.
4.    HURYCH, M. – DOUBRAVA, J.: Vyvažování potrubních sítí. Praha: IMI International s.r.o., 2000.
5.    SKOVRAARD, A.: Grundfos System Guide: Comercial Building Services 2004.
6.    GARBAI, L.: Távhőellátás, hőszállítás. Typotex Elektronikus kiadó kft., Budapest 2012, s. 935.
7.    BÁNHÍDI, L. – CSONKAI, I.: Távfutott lakások résleges fűtés kikapcsolásának kӧvetkezményei , Tanulmány, 2006.
8.    BÁBHIDI, L. – KAJTÁR, L.: Komfortelmélet, Műegyetemi Kiadó, Budapest 2000.
9.    RÁCZ, L.: Analýza vplyvu obehových čerpadiel na energetic­kú náročnosť prevádzky vykurovacích sústav v bytových domoch, Dizertačná práca, Bratislava, september 2015.

Text: doc. Ing. Ján Takács, PhD., Ing. Lukáš Rácz, PhD.
Autori pôsobia na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.
Obrázky: autori

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 5/2016.