Zátěžový profil čerpadla

Oblast čerpací techniky prožívá nebývalý technický pokrok. Je dán například možnostmi výpočetní techniky a konstrukčních CAD programů. Ty umožňují optimalizovat tvary hydraulických částí čerpadel tak dokonale, že rezerva pro případné další zlepšení v budoucnosti se posunuje z rozsahu desítek do jednotek a menších částí procent. Návrh optimalizovaných tvarů skříní čerpadel, oběžných kol, vstupního a výstupního kanálu aj. nezůstává v počítači, či na papíře, ale moderní výrobní technologie jej dokáží velmi přesně zrealizovat ve velkých výrobních sériích a za přijatelnou cenu.

Dalším příkladem pokroku je uplatnění historicky převratné konstrukce elektrických motorů, která pohání hydraulickou část čerpadla. Je založena na použití velmi silných permanentních magnetů, které ke své magnetické síle nepotřebují napájení elektrickou energií. Tyto magnety jsou poskládány v rotoru motoru. A aby se rotor točil, tak na něj působí točící se magnetické pole, které vyvolává stator motoru. Protože rotor není třeba napájet elektrickou energií, nemá obvyklý komutátor s uhlíky. Vlastnosti motoru s permanentními magnety se však významně liší i od vlastností běžně používaných tzv. asynchronní motorů. I tyto motory nemají elektricky napájený rotor. Potřebné magnetické pole v rotoru je vyvoláváno přenosem energie ze statoru. Jak napovídá slovo asynchronní, tak rotor těchto motorů se točí o něco pomaleji než magnetické pole statoru a jednoduchost této konstrukce je vykoupena ztrátou části elektrické energie. Ta se mění na teplo. Druhou nevýhodou je omezená schopnost regulace otáček. Elektromotory s permanentními magnety mají větší účinnost. Jejich nevýhodou, ještě před několika málo lety, byla cena permanentních magnetů a cena nezbytné elektroniky, z nichž vycházela delší ekonomická návratnost. To však dnes neplatí. Navíc se na trhu objevily i synchronní motory bez permanentních magnetů.

Třetím mezníkem vývoje čerpací techniky jsou schopnosti současné řídicí elektroniky umožňující sledovat provozní parametry čerpadla, vyhodnocovat je a následně optimalizovat výkon čerpadla jak s ohledem na hydraulické parametry napojené soustavy, tak s ohledem na ekonomiku provozu čerpadla, tedy spotřebu elektrické energie. Na tuto schopnost upozornil Ing. Luboš Hrdlička na seminářích společnosti KSB-PUMPY + ARMATURY s.r.o. ve spojitosti se zařízením PumpMeter. Protože zařízení umožňuje odhalit potenciál úspor, požádali jsme o bližší informace.

Topenářství instalace

Při nahlédnutí do archivu našeho časopisu se pojem PumpMeter vyhledá v sešitu č. 7 z roku 2010. Nejde tedy o letošní novinku.

Ing. Luboš Hrdlička

Ano, PumpMeter jsme do naší nabídky zařadili v červnu 2010 s doporučením jej používat s čerpadly KSB řady Etaline, Etanorm a Etabloc, což jsou čerpadla pracující ve výkonovém rozsahu od pouhých 3 m³/h až do zhruba 1600 m³/h. Předností tohoto zařízení je, že pomáhá dosahovat provozní úspory elektrické energie.

Topenářství instalace

Čím jsou dány možnosti úspor elektrické energie na pohon čerpadla?

Ing. Luboš Hrdlička

Budu hovořit o odstředivých čerpadlech. Jiné konstrukce čerpadel nejsou pro vytápění, chlazení a zásobování pitnou a teplou vodou běžná.

Prvotním rozlišením by mělo být, zda máme hydraulickou soustavu s průtokem konstantním anebo proměnným. Pro otopné soustavy je typický proměnný průtok se škrcením regulačními armaturami. Zde je žádoucí použít čerpadla s regulovanými otáčkami a odbourat tak zbytečný nárůst tlaku při snižujícím se průtoku. To je dnes už všeobecně známé a po­užívané opatření. I regulované čerpadlo se však dá provozovat neefektivně, se zbytečně vysokou spotřebou energie. Příkon, aneb potřeba elektrické energie na pohon čerpadla souvisí s otáčkami čerpadla. Pokud se otáčky zvýší dvakrát, příkon se zvýší s třetí mocninou, tedy osmkrát, neboť 2³  = 2 · 2 · 2 = 8.

I malé zbytečné zvýšení otáček čerpadla tedy znamená velké zvýšení spotřeby energie. Například pouhé zvýšení otáček o 5 % zvýší příkon téměř o 16 %!

Úsporný provoz čerpadel s otáčkami v průměru jen o 5 % vyšším, než je nutné, je v současné realitě až na výjimky spíše pohádkou. Často bývá požadovaná hodnota diferenčního tlaku nastavena zbytečně vysoko, a to jen proto, že její zvýšení je nejjednodušším, nikoliv však vždy správným, opatřením, když některé prostory nejsou dostatečně vytápěny. Prostě se jen otočí knoflíkem doprava a problém je někdy vyřešen. Že se tak děje na úkor neúměrného zvýšení spotřeby energie, v tu chvíli málokoho zajímá a po skutečných příčinách problému se nepátrá. Může to být třeba i ucpaný filtr nebo nesprávné zaregulování jednotlivých větví soustavy.

Také využití efektivnějších způsobů regulace, než je obvyklá regulace na konstantní delta p, zatím není příliš rozšířené. Mám tím na mysli regulaci na variabilní delta p anebo regulaci dle snímače diferenčního tlaku umístěného v soustavě, nikoliv přímo na přírubách čerpadla.

A v neposlední řadě je také důležité vybrat správnou velikost čerpadla. Je třeba uvažovat s tím, že vypočtený jmenovitý provozní bod je u otopných soustav s proměnným průtokem jen bodem, ve kterém bude čerpadlo běžet pouze několik dní, kdy je minimální venkovní teplota. Po zbytek topné sezóny bude průtok podstatně nižší.

Topenářství instalace

Dobře, to byly soustavy s proměnným průtokem. A jak je to u soustav s průtokem konstantním?

Ing. Luboš Hrdlička

U soustav s konstantním průtokem, což může být například chladicí okruh bez regulačních armatur anebo zásobování vodou nějakého technologického procesu se stálou spotřebou vody, bývá regulace otáček zbytečná. Předpokladem ale je, že požadovaný jmenovitý provozní bod čerpadla je přesně spočítán, a že teoretickému výpočtu bude odpovídat i provoz v praxi. Jakmile hrozí nějaká odchylka – třeba nepřesnými vstupními údaji při výpočtu tlakových ztrát – frekvenční ­měnič může pomoci k energeticky efektivnějšímu provozu čerpadla. Ještě bych rád dodal, že při provozu bez měniče je samozřejmě velice důležité vybrat správné čerpadlo tak, aby v provozním bodě byla co nejvyšší účinnost. A pokud se s tímto bodem netrefíte přímo na křivku sériového čerpadla, pak se doporučuje nechat oběžné kolo stočit na menší průměr.

Topenářství instalace

Víme tedy, jaké teoretické zásady je třeba při výběru čerpadel dodržovat. Jsou však aplikace, kde se podmínky v provozu neustále mění. Dovedu si představit, že v takovýchto případech nebude výběr čerpadla s ohledem na minimální spotřebu energie jednoduchý.

Ing. Luboš Hrdlička

Ano, a nemusí to být žádná zvláštní aplikace, ani žádná mimořádná provozní situace. V Německu proběhl před několika lety výzkum provozních podmínek běžných oběhových čerpadel ve vytápění a bylo zjištěno, že čerpadla pracují v projektovaném provozním bodě pouze 6 % provozní doby z celé topné sezóny.

Projektanti mají k dispozici různé návrhové softwary, které po zadání hydraulických parametrů napojené soustavy, jmenovitých podmínek, dokáží vybrat vhodné čerpadlo. I KSB takovou projekční pomůcku svým partnerům nabízí, v programu EasySelect si projektant může zadat více provozních bodů, porovnat si příkony a účinnosti různých velikostí čerpadel. Bohužel, jak již to v praxi chodí, ne vždy mohou být a jsou zadávaná data přesná. Důvodů je řada. Časté jsou změny záměrů investora až po zhotovení projektu, u stávajících soustav chybí podrobná dokumentace, mění se využití objektů a s nimi hydraulické sítě atd. Neřízená čerpadla sice mají určitou schopnost se změnám částečně přizpůsobit na základě principu své konstrukce, ale o hodně lépe jsou na tom řízená čerpadla, tedy čerpadla s regulovanými otáčkami. Jejich řízení na konstantní rozdíl tlaků mezi vstupem a výstupem, které se na trhu objevilo zhruba před 15 až 20 lety, bylo tehdy vskutku revolučním řešením. Ale vývoj jde dál, používá se řízení na variabilní diferenční tlak, elektronika čerpadel si dokáže zmapovat obvyklé provozní tlakové situace a podle nich optimalizovat chod čerpadla.

Topenářství instalace

Jak do této situace zapadá PumpMeter?

Ing. Luboš Hrdlička

PumpMeter, jak napovídá název, je určen k měření provozních parametrů čerpadla. Parametry jsou zobrazeny na displeji a mohou být on-line předávány řídicímu systému čerpadla pro řízení chodu. Další údaje pak mohou být zjištěny po napojení přístroje PumpMeter na počítač vybavený příslušným ovládacím softwarem.

Topenářství instalace

PumpMeter snímá tlak na vstupu do čerpadla a na výstupu z něj. Na základě znalosti charakteristické křivky daného čerpadla, kterou má uloženou v paměti, vypočítá konkrétní provozní bod. Má technik možnost tyto údaje vidět?

Ing. Luboš Hrdlička

Ano, na displeji se okamžitý provozní bod zobrazí jako jeden ze 4 úseků, na které je rozdělena charakteristická křivka. A to jako extrémně nízký průtok menší než 30 % optimálního průtoku, a tedy nepříliš vhodný pro trvalý provoz, nízký průtok mezi 30 až 70 % s potenciálem úspory energie, optimální průtok 70 % až 120 % nebo přetížení nad 120 % optimálního průtoku. Souběžně se zobrazuje vstupní tlak, výstupní tlak a dopravní výška čerpadla.

Topenářství instalace

K tomu, aby technik zjistil, zda čerpadlo pracuje maximálně úsporně, přece nestačí sledovat jen okamžitý stav.

Ing. Luboš Hrdlička

Samozřejmě, k tomu je určena další funkce zařízení PumpMeter. Zjištěná data mohou být přenášena on-line nebo se ukládají do vnitřní paměti. Lze je pak do počítače stáhnout a zjistit skutečný zátěžový profil čerpadla, například za období jedné topné sezóny. To je velmi zajímavá funkce zařízení a silný nástroj k odhalení potenciálu pro úspory. Pokud má provozovatel, dodavatelská firma, projektant aj. zájem, tak pomocí přístroje PumpMeter může vyhodnotit provoz daného čerpadla a posoudit, zda by nebylo přínosné jej dovybavit frekvenčním měničem nebo nahradit čerpadlem jiným.

Topenářství instalace

Máte s tímto využitím zařízení PumpMeter nějaké zkušenosti?

Ing. Luboš Hrdlička

Uvedenou schopnost je nutné brát jako jednu z důležitých výchozích informací při posouzení systému. Určitě bych se však vyhnul kategorickým závěrům typu „čerpadlo běží jen na čtvrtinu svého jmenovitého průtoku, bylo tedy chybně vybrané“. Jednak je provoz v částečné zátěži pro některé aplikace typický (třeba zrovna pro vytápění) a nelze se mu vyhnout. A také často neznáme všechny výchozí údaje, které měl projektant v době vzniku projektu k dispozici, a nebo také neměl, musel je třeba nějakým způsobem odhadnout, podmínky se mohly od té doby nějakým způsobem změnit, například dispozice budovy, instalatér použil jiné materiály s jinými ztrátami apod.

Topenářství instalace

Pro jaká čerpadla lze PumpMeter použít?

Ing. Luboš Hrdlička

PumpMeter je určen pro čerpadla KSB řady Etaline, Etanorm, Etabloc a Movitec, a to ve variantě s frekvenčním měničem nebo s klasickým normovaným motorem s konstantními otáčkami. Přístroj je napájen 24 V DC z výstupu na frekvenčním měniči nebo lze použít vhodný síťový zdroj 24 V / 750 mA. Důležitou podmínkou je možnost osazení čidel tlaku na vstup a výstup čerpadla.

Topenářství instalace

Lze jej použít i pro jiná čerpadla? Například kdyby si chtěl provozovatel nechat zjistit zátěžový profil současného čerpadla, aby měl vodítko pro volbu čerpadla nového?

Ing. Luboš Hrdlička

Ano, je to možné. Pokud koupíte PumpMeter jako příslušenství nového čerpadla, má charakteristickou křivku tohoto čerpadla uloženu ve své paměti. Pokud však koupíte PumpMeter samostatně a použijete jej na stávající čerpadlo, musíte si v dokumentaci najít křivku čerpadla a do PumpMetru ji přes ovládací software zadat, spolu s některými dalšími údaji, jako je průměr sacího a výtlačného hrdla v místě měření tlaku.

Zjistit dopředu skutečný zátěžový profil je určitě ta nejlepší cesta k optimalizaci volby čerpadla. Tu počítačové simulace nenahradí. Lze se tak vyhnout zbytečně velké investici a zbytečně velkým provozním nákladům.

Topenářství instalace

Děkujeme za rozhovor