Možnosti úspor pri nasadení čerpadiel so zmenou otáčok pri vykurovaní a príprave teplej vody

Zaujímavé sú niektoré aspekty využívania čerpadiel so zmenou otáčok v rozvodoch tepla. Viditeľné sú aj energetické úspory dosiahnuté v niektorých prevádzkach. Ako príklad môže slúžiť sústava centralizovaného zásobovania teplom (CZT) v Košiciach.

Niektoré aspekty využitia čerpadiel so zmenou otáčok

Aby mohlo čerpadlo vo vykurovacích okruhoch spoľahlivo reagovať na zmenené pomery, napr. vplyv regulácie ventilov s termostatickými hlavicami, nastavuje sa regulácia otáčok čerpadla spravidla na zmenu diferenčného tlaku teplonosnej látky medzi prívodným a vratným potrubím. Pritom sa však musia dodržať aj konkrétne parametre projektovaného prietoku. Po znížení otáčok čerpadla potom v dôsledku zníženia tlaku na ventiloch klesá riziko vzniku šumu a na samotnom čerpadle dochádza k znižovaniu čerpacej práce. Pritom zmena príkonu čerpadla v tomto prípade súvisí s treťou mocninou pomeru otáčok a práve v tom spočíva energetická efektívnosť použitia regulácie zmenou otáčok.

V jestvujúcich starších okruhoch sa napr. na hydraulické vyregulovanie objektov využíva systém s prepúšťacími ventilmi. Pri jeho použití však prepustené množstvo teplonosnej látky (vody) predstavuje z energetického hľadiska stratu, ktorú možno vyjadriť veľkosťou príkonu čerpadla potrebného na dopravu tohto prepusteného množstva. Podľa uvedeného reguláciu možno zefektívniť nahradením prepúšťacieho ventilu regulátorom diferenčného tlaku a zaradením čerpadla s plynulou zmenou otáčok do sústavy. Pri tomto spôsobe hydraulického vyregulovania vykurovacieho okruhu by sa malo podľa skúseností (napr. pre panelové domy) nastaviť vyregulovanie tlakovej diferencie za regulačným ventilom na zvislom rozvodnom potrubí na približne 10 kPa. Pri prekročení diferenčného tlaku asi 15 kPa začína ventil vykurovacieho telesa šumieť. Tento tlak na ventil sa uvažuje pri optimálnych podmienkach 5 až 6 kPa. Pred regulátorom diferenčného tlaku by sa mala čerpadlom kontrolovať rezerva diferencie na úrovni približne 20 kPa. Pri riadení otáčok čerpadla je však z energetického hľadiska potrebné zohľadniť aj rozsah regulovaných otáčok. Pri poklese otáčok na polovičnú hodnotu, vzhľadom k maximálnym otáčkam, už totiž účinnosť čerpadla klesá, a tým sa zhoršuje aj energetická efektívnosť jeho prevádzky.

Príklady energetických úspor dosiahnutých v prevádzkach CZT Košice

Okruh ústredného vykurovania v odovzdávacej stanici tepla

Prvým príkladom je okruh teplovodného ústredného vykurovania vo vybranej odovzdávacej stanici tepla (OST), v ktorej je k obehovému čerpadlu pripojený frekvenčný menič (FM). Merania, ktoré poukazujú na výhodnosť uvedeného vyregulovania, spočívali v tom, že v OST sa počas dvoch mesiacov vykurovacieho obdobia namerali priebehy tlakovej diferencie v prívodnom a vratnom potrubí s využitím frekvenčného meniča. V priebehu meraní sa jestvujúce prepúšťacie ventily v jednotlivých objektoch odstavili. Následne prebehla simulácia prevádzky sledovaného okruhu. Dodávka tepla pre teplovodné vykurovanie z odovzdávacej stanice do vykurovaných objektov sa realizovala pomocou čerpadla s menovitým výkonom P = 3 kW a menovitým prietokom M_h = 60 m³/h.

Počas sledovaného vykurovacieho obdobia sa vyčíslila celková možná úspora elektrickej energie na pohon čerpadla vo výške 4 984,6 kWh. Percentuálne zobrazenie možnej dosiahnuteľnej úspory je na obr. 1. Návratnosť investície na frekvenčný menič vyšla v tomto prípade na 3 roky. Pre každú sústavu však treba posudzovať návratnosť investície spojenej s reguláciou otáčok individuálne.

Obr. 1 Zobrazenie možných úspor na prevádzke sledovaného čerpadla

Čerpadlo v rozvode teplej vody

Ďalším príkladom je cirkulačné čerpadlo v rozvode teplej vody. Cieľom tohto vyhodnotenia bolo analyzovať prácu a funkciu dvoch obehových čerpadiel počas 24-hodinovej dodávky teplej vody vo vybranej odovzdávacej stanici. Išlo o čerpadlá s výkonom P = 765 W.

Keďže priebeh spotreby teplej vody je počas dňa rôzny, pričom pri špičkovom odbere sa práca čerpadiel javila ako nadbytočná, bolo treba preveriť, či je nutné prevádzkovať obehové čerpadlá celých 24 hodín. Merania spotreby elektrickej energie sa vykonali počas dvoch týždňov, pričom prebiehali v dvoch fázach. V prvom týždni sa obehové čerpadlo otáčkovo regulovalo pomocou frekvenčného meniča. Na začiatku druhého týždňa sa frekvencia nastavila na maximálnu hodnotu, akoby menič nebol zapojený.

Priebeh spotreby elektrickej energie pre čerpadlo je znázornený na obr. 2. Spotreba obehového čerpadla s frekvenčným meničom vychádzala priemerne približne 0,19 kWh na hodinu, bez frekvenčného meniča to bolo až niečo nad 0,7 kWh. Obr. 3 znázorňuje stúpanie hodnoty spotrebovanej elektrickej energie (W). Nárast spotreby v druhom týždni je neporovnateľne vyšší než v prvom týždni. Aj v tomto prípade vyšla návratnosť investície na frekvenčný menič do troch rokov.

Obr. 2 Priebeh dennej spotreby elektrickej energie pre cirkulačné čerpadlo
s frekvenčným meničom a bez meniča

Z merania vyplýva, že počas týždňa, v ktorom sa príprava teplej vody zabezpečovala čerpadlom s meničom, sa spotrebovalo 3,5-násobne menej elektrickej energie ako v týždni, v ktorom sa príprava teplej vody zabezpečovala bez použitia otáčkovej regulácie. Tým sa jednoznačne potvrdila efektivita využitia čerpadla so zmenou otáčok v tomto okruhu pre teplú vodu.

Obr. 3 Porovnanie rastu spotreby elektrickej energie v týždni s
frekvenčným meničom a v týždni bez meniča

Energeticko-ekonomické aspekty prevádzky čerpadiel regulovaných zmenou otáčok poukazujú na opodstatnenosť využitia týchto čerpadiel vo vykurovacích okruhoch a pri príprave teplej vody. Táto skutočnosť by mala podporiť prevádzkovateľov pri rozhodovaní sa o investíciách do technológií, ktoré na jednej strane prinášajú úspory a na druhej strane môžu zároveň významne prispievať k zlepšeniu hydraulických pomerov v rozvodoch tepla.

Literatúra

1. Lukáč, P.: Využitie výhod čerpadiel s riadenými otáčkami pri zásobovaní teplom. In: Plynár - Vodár - Kúrenár, 2005, č. Jar, s. 22 - 23.
2. Vranay, F.: Skúsenosti pri vyregulovaní jednorúrových vykurovacích sústav. In: Vykurovanie 2005, Tatranské Matliare: 2005, s. 413 - 416.
3. Kapalo, P.: Technicko-ekonomická analýza prerušovanej prevádzky distribučného systému teplej vody. In: TZB Haustechnik, 2006, č. 1, s. 33 - 35.
4. Novotný, P.: Racionalizácia spotreby tepla v komunálnych bytoch. In: Acta Mechanica Slovaca, 2004, č. 3-A, s. 625 - 630.