Pompy obiegowe w instalacjach chłodzących klimatyzacyjnych

W sposób oczywisty i natychmiastowy termin „pompa obiegowa” kojarzymy z instalacją grzewczą (C.O.), w której taka pompa przetłacza wodę. Jednak od wielu już lat urządzenia te z powodzeniem sprawdzają się również w instalacjach chłodzących i klimatyzacyjnych. Tam też istnieje czynnik w postaci płynu, który musi cyrkulować, stąd ich obecność w tych instalacjach jest równie naturalna. Jednak charakterystyka pracy w takich warunkach jest nieco inna w porównaniu do pracy ze zwykłą wodą, co implikuje wiele ciekawych zagadnień.

Pompy obiegowe to wirowe pompy wymuszające obieg wody w instalacjach grzewczych lub instalacjach z ciepłą wodą użytkową (c.w.u.), ale też i w instalacjach służących do chłodzenia, z układami klimatyzacyjnymi na czele. Ich historia zaczęła się niemal sto lat temu w chwili skonstruowania przez niemieckiego inżyniera Wilhelma Oplandera tzw. pompy kolanowej – pierwszej pompy zasilanej zamkniętym silnikiem i przyspieszającej obieg wody w instalacji grzewczej dzięki umieszczeniu jej bezpośrednio w kolanie rurociągu. Od tamtej pory pompy obiegowe przeszły ogromną ewolucję, niemal wszystko w nich się zmieniło – nie zmieniło się tylko jedno: trudności, jakie nastręcza właściwy dobór pompy do instalacji, w której ma być zamontowana i przetłaczać medium. Warto przypomnieć sobie w tym punkcie podstawowe informacje dotyczące ich funkcjonowania. Każda pompa obiegowa to hydrauliczna maszyna przepływowa, której dwa główne moduły to silnik i wirnik. I niezależnie od tego, po jaki wariant pompy sięgniemy, ich zasada działania jest wspólna i opiera się na osiowym dopływie cieczy (wody lub roztworu opartego na glikolu, stosowanego w instalacjach chłodzących) do wirnika. Wirnik napędzany silnikiem – kiedyś oddzielonym całkowicie od pompowanej cieczy, a dziś praktycznie zawsze zanurzonym w cieczy i nią chłodzonym – działa na ciecz poprzez siłę odśrodkową powodując zwiększenie prędkości jej przepływu i wskutek tego również wzrost ciśnienia. Przepchana przez wirnik ciecz trafia do spiralnej obudowy (korpusu) w której wytraca prędkość, natomiast zwiększa swoje ciśnienie, które pomaga jej pokonać opory przepływu na całym obiegu grzewczym.

Dzisiejsza oferta producentów skupia się na energooszczędnych i cichych pompach mokrobieżnych (bezdławnicowych), które napędzane są silnikami komutowanymi elektronicznie (EC – Electronical Commutation), czyli synchronicznymi napędami z wirnikami z magnesów neodymowych, zanurzonymi w całości w przetłaczanym medium i nim chłodzonymi. Silniki EC dzisiejszych pomp obiegowych wyposaża się w regulację prędkości obrotowej – czasem kilkustopniową, częściej płynną – przy czym regulacja może być ręczna lub (i) automatyczna, czyli wykorzystująca stosowny układ elektroniczny czuwający nad zmieniającymi się w instalacji parametrami – wszystko tym celu, by utrzymać w instalacji stałą wartość optymalnego ciśnienia. Należy zauważyć, że nowoczesne pompy obiegowe nie tylko powodują skuteczny obieg medium w instalacji przy zmiennych warunkach przepływowych, ale też umożliwiają zastosowanie przewodów o mniejszych średnicach i pozwalają je swobodniej (elastyczniej) poprowadzić. To ogromna korzyść zarówno dla projektantów, jak też wykonawców instalacji grzewczych i klimatyzacyjnych.

Zdaniem Eksperta

„Praca z wodą dla każdej pompy obiegowej ma inną charakterystykę niż praca z medium
w układach chłodzących. Na czym polega główna różnica ?”

Pompy w układach chłodzących pracują często z wodnymi roztworami substancji obniżających temperaturę zamarzania. Ponadto w układach chłodzących mniejsze są projektowe spadki temperatur. Z uwagi na większe opory przepływu takich substancji, ich gorsze właściwości cieplne i wynikające stąd większe wymagane strumienie objętościowe, pompy muszą mieć większą wydajność i większą moc w porównaniu z instalacją wodną. Ponadto pompa powinna mieć dopuszczenie na pracę z danym czynnikiem, np. z wodnym roztworem glikolu, który jest popularnym rozwiązaniem w tego typu zastosowaniach.

Damian Muniak, Kierownik Kategorii Produktowej Grupy FERRO
– Technika Hydrauliczna i Grzewcza

Warunki pracy pomp w instalacjach klimatyzacyjnych

W przeciwieństwie do instalacji C.O., gdzie pompy obiegowe przetłaczają ciepłą wodę, w instalacjach chłodzących urządzenia te mają do czynienia z innym medium i innymi temperaturami. Najczęściej są to wodne roztwory glikolu na bazie etylenu lub propylenu, o stężeniu 30%, 35% lub 50%. Medium takie charakteryzuje się wyższą gęstością, niższym ciepłem właściwym i przewodnością cieplną, znacznie wyższą lepkością oraz niższą temperaturą zamarzania (od -20 do -13ºC przy stężeniu 30-35% oraz około -35ºC dla stężenia 50%). Sama zaś pompa musi się zmierzyć z bardzo niskimi temperaturami pracy – znacznie niższymi od tych kojarzonych z instalacjami C.O. – które poprzez zjawisko rozszerzalności cieplnej materiałów użytych do jej budowy wpływają m.in. na jej szczelność. Istotny jest też aspekt korozji, która w przypadku roztworów na bazie glikolu, pozbawionych dodatkowych składników (inhibitory), może się mocno nasilić i wpłynąć na szybszą degenerację pompy, mało kto bowiem zdaje sobie sprawę z tego, że zwykły roztwór glikolu w wodzie przyjmuje w pewnym sensie właściwości podobne do kwasu.

Dobór pompy obiegowej do układu chłodzenia – czym się kierować

Dziś w całej Unii Europejskiej obowiązuje dyrektywa ErP (Energy rated Products), która pozwala wprowadzać na rynek europejski wyłącznie niskoenergetyczne pompy obiegowe (sprzedawane osobno lub w komplecie z innymi urządzeniami, np. kotłami grzewczymi) o odpowiednio niskim współczynniku efektywności energetycznej. Oznacza to, że najnowsze generacje pomp obiegowych to urządzenia energooszczędne, pozwalające na znaczną redukcję kosztów w stosunku do starszych odpowiedników. Właśnie na takie pompy należy zwrócić uwagę – pozwalają na szybkie zwrócenie się inwestycji. Dla upewnienia się, że mamy do czynienia z właściwym urządzeniem, zaleca się dokładne przestudiowanie danych umieszczonych na etykiecie pompy. W pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na jej podstawowe parametry, takie jak m.in. natężenie przepływu, sprawność pompy, wysokość podnoszenia (ciśnienie), pobór mocy, prędkość obrotowa wirnika oraz poziom hałasu, przy czym dwa pierwsze parametry są kluczowe, dlatego wykres ich zależności powinien być umieszczony w specyfikacji pompy. Wartość tej zależności powinna być też określona dla instalacji (podana w projekcie) i korelować z wartością umieszczoną w specyfikacji pompy. Innymi słowy: pompa nie może być zbyt słaba, ale też nie powinna być zbyt mocna dla danej instalacji.

Doświadczeni instalatorzy zalecają stosować pompy wyposażone w elektroniczne układy regulacji ciśnienia, czyli wspomniane wcześniej pompy z płynną regulacją obrotów napędu, które automatycznie i samoczynnie dostosowują się do ewentualnych zmian w przepływie medium w instalacji (praca w trybie automatycznym). Odpowiada za to sterownik, który stale analizuje warunki pracy urządzenia i automatycznie dostosowuje wydajność pompy (pobór mocy, moment obrotowy) celem zapewnienia optymalnej pracy całego systemu przy zachowaniu stałego i efektywnego ciśnienia. Mając na uwadze pracę pompy w instalacji chłodzącej, należy baczną uwagę zwrócić w stronę oznaczeń dotyczących zakresu temperatur medium i rodzajów medium. Nie wszystkie pompy są zdatne do pracy w układach chłodzących – te, które producent przeznaczył do takich zastosowań, z reguły mają w specyfi kacji określony zakres temperaturowy medium ze wskazaniem dolnej granicy od minimum -10ºC. Istotne jest też określenie medium, jakie producent dopuszcza – w specyfi kacji powinien pojawić się zapis o medium cechującym się charakterystyką mniej lub bardziej bliską charakterystyce wody (wskazanie maksymalnej zawartości % glikolu). Pompa powinna być energooszczędna m.in. dzięki zastosowaniu silnika komutowanego elektronicznie, wpływającego na znaczne obniżenie poboru energii elektrycznej. Polega to na umieszczeniu w silniku (w wirniku) stałego magnesu neodymowego, który nie wymaga już magnesowania, a więc procesu powodującego dodatkowe zużycie prądu.

W synchronicznych silnikach komutowanych elektronicznie – czyli pod kontrolą układu elektronicznego – płynna regulacja prędkości obrotowej pompy jest wynikiem elektronicznego sterowania przetwornicą częstotliwości prądu, co prowadzi do optymalnego zasilania silnika przy maksymalnej eliminacji strat i tzw. „poślizgu” dzięki identycznej prędkości wirnika i pola magnetycznego (stąd w nazwie „synchroniczność”). Warto zauważyć przy tym jeszcze jedną korzyść płynąca z wykorzystania silników synchronicznych – rozpędzają się do prędkości niemal dwukrotnie wyższych niż ma to miejsce w przypadku silników asynchronicznych, pobierając wciąż dokładnie tyle samo energii elektrycznej. Innym słowy – ich sprawność (wysokość podnoszenia i wydajność) jest bez porównania wyższa. Kolejnym atrybutem nowoczesnych pomp obiegowych, który warto wziąć pod uwagę przy ich dobieraniu dla układów chłodzących, jest praca w wielu trybach. Czasem bowiem okazuje się, że w trybie automatycznym – wspomnianym już wcześniej – wydajność pompy jest niewystarczająca. Wówczas przydaje się tryb pracy wysokociśnieniowej, pozwalający na osiągnięcie optimum przy zwiększonym ciśnieniu i wydajności, ale z utrzymaniem możliwości płynnego balansowania między tymi parametrami. Podobnie jest w sytuacji gdy tryb automatyczny cechuje się zbyt wysokim poziomem proporcji między ciśnieniem a wydajnością (zdarza się w instalacjach C.O.) – wówczas z pomocą przychodzi tryb pracy niskociśnieniowej. Warto wiedzieć, że oba te dodatkowe tryby mogą oferować alternatywną opcję, w postaci trybu utrzymania stałej wysokości podnoszenia pompy (innymi słowy stałego ciśnienia), niezależnie od tego jaka jest wydajność. Coraz częściej instalatorzy zwracają uwagę na to, czy pompa może być sterowana za pomocą odpowiednio przygotowanego oprogramowania i czy potrafi wymieniać dane oraz stale informować o funkcjach realizowanych w danym momencie lub też raportować o błędach w pracy bądź o ilości przepracowanych godzin. To kolejny atrybut, którym można się kierować przy doborze pompy do instalacji chłodzącej. Ponadto dobrze jest, jeśli wybrana pompa wyposażona została przez producenta w wyświetlacz LCD i moduły pozwalające sterować nią nie tylko z poziomu tabletu czy komputera, ale też przy pomocy pilota zdalnego sterowania.

Aplikacje do doboru pomp obiegowych

Na rynku pomp obiegowych producenci oferują pompy sprzedawane pod własną marką, jak też pompy obiegowe, zwane pompami OEM, które oferują pod różnymi nazwami na zamówienie producentów urządzeń grzewczych i chłodniczych oraz z reguły według podanej przez nich specyfi kacji. W tej drugiej sytuacji producenci pomp OEM są poddostawcami i często wręcz przygotowują konkretną pompę OEM pod konkretny model kotła grzewczego czy pod konkretny układ chłodzący (klimatyzacyjny), w który zostaje ona wbudowana i z którym współpracuje. Obojętnie jednak, czy musimy wymienić pompę typu OEM w funkcjonującej już instalacji, czy też dobrać właściwe urządzenie do nowej instalacji, warto podeprzeć się aplikacją wspierającą dobór pompy – jedną z wielu wypuszczonych na rynek przez renomowanych producentów pomp. Aplikacje te łączy wiele wspólnych cech, wynikających z celu, dla którego powstały. Najważniejszymi wspólnymi cechami są: zapewnienie bezpośredniego dostępu do szczegółowych danych technicznych wszystkich produktów danej fi rmy (aktualnych i tych wycofanych), zapewnienie dostępu do wiedzy z zakresu techniki pompowej (porady, wskazówki, samouczki, tutoriale itp.) oraz dostarczenie algorytmu, który dobiera pompy zamienne do istniejących już instalacji oraz pompy z aktualnej oferty do nowo przygotowywanych instalacji – za każdym razem w oparciu o kilka podstawowych danych, które instalator musi wprowadzić do programu. Geneza powstania takich aplikacji leży w dwóch ideach. Pierwszą była chęć przeniesienia całej wiedzy branżowej, całego „vademecum” danego producenta, do urządzenia, które wszyscy mają przy sobie – czyli do smartfona lub tabletu. To idealne rozwiązanie – po prostu wszystko w jednym, niewielkim i przenośnym urządzeniu, które mieści w pamięci wewnętrznej (lub na karcie micro SD) całą tą bibliotekę wiedzy i danych, dzięki czemu nawet połączenie z siecią poprzez Wi-Fi nie jest konieczne. Drugą ideą, która dała początek pomysłowi na takie aplikacje, była potrzeba wsparcia instalatorów regularnie stających przed problemem jakim są stare pompy wymagające wymiany – niezależnie od tego, czy chodzi o instalację C.O. czy też instalację chłodzącą.

Błędy nieprawidłowego doboru pompy obiegowej do instalacji chłodzącej

Najbardziej oczywistym błędem jest sięgnięcie po model pompy, który nie jest przeznaczony do pracy z czynnikami występującymi w instalacjach chłodzących. Dlatego jeszcze raz trzeba to powtórzyć: pompa musi być przystosowana przez producenta do pracy w tych odmiennych warunkach, a więc wykonana z właściwych materiałów, odpowiednio uszczelniona, zdatna do znoszenia wysokich obciążeń przy temperaturach medium schodzących sporo poniżej zera stopni Celsjusza i odporna na degradacyjne działanie roztworu, jakim jest przepompowywane medium. Zdarzają się tu również błędy popełniane przy instalacjach grzewczych, a więc przewymiarowanie pompy lub dobranie pompy zbyt słabej w stosunku do wymagań instalacji chłodzącej.

W pierwszym przypadku przewymiarowana pompa z automatycznym dopasowaniem mocy do wymagań instalacji przejdzie w pracę na zbyt niskich obrotach, co nie jest „zdrowe” ani dla napędu ani też wirnika. Natomiast pompa ustawiona w trybie stałej prędkości obrotowej – zbyt wysokiej w stosunku do potrzeb – wymusi na inwestorze dławienie przepływu, co oznacza straty. Warto pamiętać, że każda przewymiarowana pompa oznacza większy pobór energii elektrycznej, niż jest to w rzeczywistości potrzebne oraz szybsze zużycie jej podzespołów. Inną kwestią jest przepłacenie takiej pompy – tu skutek negatywny jest oczywisty: inwestycja będzie się zwracać dużo wolniej. Drugi przypadek – dobór zbyt słabej pompy – kończy się niemal zawsze tak samo: pompa nie jest w stanie wymusić odpowiedniego przepływu medium i w efekcie użytkownik nie uzyskuje oczekiwanego efektu działania instalacji. Z punktu widzenia inwestora sytuacja taka jest wręcz podwójnie niekorzystna, gdyż po pierwsze: poniesione zostały pewne koszty, a efektu brak, zaś po drugie: inwestora czekają kolejne koszty związane z doborem i zakupem mocniejszej pompy, co jeszcze bardziej pomnaża stratę.

Łukasz Lewczuk

Na podstawie materiałów
publikowanych m.in. przez:
Wilo Polska Sp. z o.o.,
Grundfos Pompy Sp. z o.o.,
LFP Sp. z o.o., Ferro S.A.,
DAB Pumps Poland Sp. z o.o.,
Taconova Sp. z o.o. i w oparciu o analizę
„Wpływ stosowania środków przeciwzamrożeniowych
na parametry cieplno-hydrauliczne instalacji ogrzewczej”
autorstwa Damiana Muniaka (Instytut
Maszyn i Urządzeń Energetycznych,
Politechnika Krakowska).