Małe pompy w instalacjach c.o. i ciepłej wody

Współczesne instalacje centralnego ogrzewania i c.w.u. korzystają z wielu nowoczesnych rozwiązań zapewniających niezawodność działania, estetykę wykonania oraz niemal dowolną aranżację pomieszczeń, eliminujących problem kolizji rur z wyposażeniem wnętrz. Przewody c.o. i c.w.u. są z reguły skryte w przegrodach budowlanych, źródła ciepła sytuowane w najprzeróżniejszych miejscach, na ścianie, na dachu (instalacje solarne), w wydzielonym pomieszczeniu. Coraz częściej spotyka się też instalacje z kilkoma źródłami ciepła połączonymi w jeden system. Wszystkie tego typu rozwiązania nie byłyby możliwe bez wymuszonego przepływu wody. W artykule o pompach obiegowych i cyrkulacyjnych w małych instalacjach.

Instalacja grawitacyjna i pompowa

W starych typach instalacji c.o. krążenie czynnika grzewczego odbywało się najczęściej grawitacyjnie na zasadzie wyporu wody. Wysokość ciśnienia grawitacyjnego zależała od różnic y gęstości wody zasilającej i powrotnej w instalacji i różnicy wysokości pomiędzy kotłem a grzejnikami; im była większa, tym instalacja działała sprawniej. Rozwiązanie takie wymagało sytuowania kotła jak najniżej w budynku oraz zapewnienia dużej różnicy temperatury między zasileniem a powrotem. Częstą praktyką było np. usuwanie izolacji z przewodów powrotnych dla szybszego schłodzenia czynnika. Nawet wtedy ciśnienie grawitacyjne osiągało niewielkie wartości i dla zrównoważenia strat w obiegu, konieczne było projektowanie dużych przekrojów przewodów. Dodatkowo mała prędkość przepływu czynnika grzewczego w układach grawitacyjnych wymagała układania przewodów ze spadkiem, dla zapewnienia prawidłowego odpowietrzania zładu. Wszystko to powodowało wysokie koszty wykonania instalacji i bardzo duże straty ciepła. Jedyną zaletą rozwiązania był brak prądu do napędu pompy, instalacje mogły pracować nawet w budynkach niepodłączonych do sieci energetycznych.

Instalacje c.o. pompowe nie mają powyższych problemów; rury mogą być układane bez spadku, ich średnica uzależniona jest tylko wielkością zapotrzebowania na ciepło w pomieszczeniu, jeśli jest małe – średnice nie przekraczają kilkunastu mm. Wymuszony przepływ wody umożliwia niemal dowolne usytuowanie rur, omijanie przeszkód, stosowanie niestandardowych rozwiązań instalacji (ogrzewania podłogowe, zalistwowe, rozdzielaczowe). Układy pompowe w odróżnieniu do rozwiązań grawitacyjnych mogą  pracować nawet na niskich parametrach czynnika, wydłużając tym trwałość instalacji; źródłem ciepła może być kocioł niskotemperaturowy, ale też pompa ciepła, kolektor słoneczny. Ostatni argument zwolenników grawitacji krytykujący zużycie energii elektrycznej przez pompy obiegowe jest bardziej związany z niewiedzą o współczesnych rozwiązaniach, dlatego spróbujmy im się przyjrzeć.

Budowa pomp obiegowych

W domowych instalacjach grzewczych stosuje się głównie hermetyczne pompy bezdławnicowe, typu „In-line” (czyli instalowane bezpośrednio na przewodzie) z zamocowanym w konstrukcji pompy silnikiem. Konstrukcja bezdławnicowa powoduje, że zarówno silnik pompy, jak i łożyska ślizgowe chłodzone i smarowane są przepływającą wodą. Ponadto pompy bardzo cicho pracują. Kryterium ograniczającym stosowanie pomp bezdławnicowych jest twardość wody, jeśli przekracza 14^odH, zaleca się stosowanie pomp z „suchym” silnikiem, czyli pomp dławnicowych. Pompy bezdławnicowe do c.o. mają korpusy wykonane z żeliwa, wirniki z tworzyw sztucznych lub stali nierdzewnej. Odpowietrzenie pompy może być ręczne (zwykle centralnie, korkiem umieszczoną na korpus

ie) lub automatyczne. Pompy obiegowe wykonywane są z przyłączami śrubunkowymi lub kołnierzowymi.

Regulacja pomp może się odbywać:

a) ręcznie – pompa ma przełącznik prędkości obrotowej, zwykle 3- lub 4-stopniowy. Zmiana prędkości obrotowej zmienia wydajność i wysokość podnoszenia pompy. Rozwiązanie cenne w instalacjach lub budynkach, które ulegają rozbudowie, przez przyłączanie nowych grzejników. Zmiana prędkości obrotowej może tutaj wyeliminować potrzebę wymiany pompy na nową;

b) elektronicznie – rozwiązanie droższe, ale bezobsługowe, zmiana wydajności pompy następuje automatycznie

poprzez silnik z przetwornicą częstotliwości, z płynną regulacją prędkości obrotowej, sterowany elektronicznie. Pompy takie są zalecane w instalacjach z termostatycznym i zaworami grzejnikowymi; zmiana temperatury w pomieszczeniach powoduje w tym przypadku okresowe przymykanie i otwieranie się zaworów grzejnikowych, tym samym zmianę oporów przepływu czynnika grzejnego. Zastosowanie tutaj pompy z regulacją ręczną jest nieekonomiczne, pompa taka przy zmniejszonym zapotrzebowaniu na ciepło będzie dalej tłoczyć wodę z wyższym ciśnieniem, powodując dodatkowo wzrost szumów w instalacji.  Pompa elektroniczna automatycznie dostosowuje prędkość obrotową do nowych warunków, zmieniając punkt pracy pompy. Spada nie tylko zużycie ciepła, ale i moc pobierana przez pompę;

Elektroniczne pompy z funkcją AUTOadapt to kolejne usprawnienie i wyeliminowanie ingerencji ze strony użytkownika. Pompy z tą funkcją automatycznie rozpoznają warunki panujące w instalacji od chwili uruchomienia i modyfikują swoją moc tak, by zapewnić pracę zgodnie z charakterystykąodpowiadającą najwyższej sprawności pompy. Zużycie energii maleje do minimum, pompy z funkcją AUTOadapt spełniają  najostrzejsze wymagania norm europejskich w dziedzinie ekologii, wskaźnik EEI spada poniżej 0,3.

Pobór mocy przez najbardziej energooszczędne modele pomp obiegowych jest obecnie znikomy, np. model pompy obiegowej Wilo-Stratos PICO zużywa zaledwie 46,5 kWh energii podczas całego sezonu grzewczego. Przy średnich cenach energii i dwutaryfowym liczniku to nie więcej niż 20 zł/rok.

Pompy cyrkulacyjne c.w.u.

Mają zastosowanie w rozległych instalacjach ciepłej wody, w których odległości pomiędzy źródłem ciepła (termą, zasobnikiem), a punktami poboru (np. baterią natryskową), przekraczają kilka metrów. Czas oczekiwania na ciepłą wodę po otwarciu baterii spada wtedy do minimum; daje to duże oszczędności w zużyciu wody, zwiększa też komfort jej użytkowania. Krążenie wody pomiędzy zasobnikiem a punktami poboru umożliwia dodatkowy przewód w instalacji c.w.u. tzw. cyrkulacyjny, poprowadzony obok przewodu wody ciepłej. Na przewodzie tym instalowana jest pompa cyrkulacyjna. W małych instalacjach w domach jednorodzinnych jest to zwykle pompa bezdławnicowa:
– z tzw. wirnikiem kulistym,
– z „mokrym silnikiem” i manualną zmianą prędkości obrotowej,
– elektroniczna z „mokrym silnikiem” z płynną regulacją prędkości obrotowej.
Dwie ostatnie konstrukcje są bardzo podobne do wcześniej opisanych, dlatego skupię się na  pompie z wirnikiem kulistym. Jedyna ruchoma część tej pompy to wirnik w kształcie półkuli, który osadzony jest jednostronnie na ceramicznej kulce. Wirnik wprawiany jest w ruch obrotowy przez pole magnetyczne wytwarzane przez specjalny silnik dwubiegunowy z magnesami trwałymi. Zapewnia to bardzo cichą pracę pompy, pozwala też na całkowite rozdzielenie przestrzeni wodnej pompy od silnika, eliminując szereg elementów występujących w pompach z silnikami mokrymi asynchronicznymi, jak: uszczelnienia, łożyska ślizgowe.
Dzięki takiej budowie uzyskano m.in.:
• hermetyczne oddzielenie przestrzeni wodnej pompy od silnika,
• bardzo cichą pracę pompy,
• przedłużony okres eksploatacji pompy, brak elementów ulegających naturalnemu niszczeniu,
• bardzo łatwy montaż i demontaż wirnika, może go wykonać sam użytkownik bez potrzeby wzywania serwisu,
• oszczędność energii elektrycznej; dzięki bardzo małej powierzchni styku wirnika z kulką ceramiczną potrzebuje bardzo mało energii do uruchomienia pompy.
Pompy z wirnikiem kulistym z uwagi na budowę silnika znane są też pod nazwą  pomp cyrkulacyjnych w technologii ECM (electronically commutated motor). To obecnie najbardziej energooszczędne konstrukcje na rynku krajowym. Pobór mocy w różnych modelach waha się od kilkunastu do nawet kilku watów.

Pompy bezdławnicowe w instalacjach c.w.u. w odróżnieniu do bezdławnicowych pomp obiegowych c.o., pracują na innych parametrach czynnika. Temperatura wody w instalacji ciepłej wody jest znacznie niższa, w granicach 2-65^oC, ale bardziej agresywna korozyjnie, dlatego korpusy pomp cyrkulacyjnych wykonywane są najczęściej z brązu lub mosiądzu. Okresowe korzystanie z ciepłej wody w ciągu doby powoduje też, że większość konstrukcji wyposażona jest w tzw. TIMER (programator czasowy), ustawiany manualnie przez użytkownika, pompa załącza się dzięki temu tylko w określonych godzinach doby (np. 6.00-8.00 i 13.00-24.00), zapewniając dużą oszczędność energii.
Jeszcze innym rozwiązaniem charakterystycznym dla pomp cyrkulacyjnych jest wewnętrzny termostat, wyłączający pompę w momencie przekroczenia dopuszczalnej temperatury  w obiegu. W praktyce termostat taki może mieć dwa rozwiązania, jako:
– termostat ochronny z ustawieniem fabrycznym,  wyłączenie pompy przy przekroczeniu temperatury 55^oC i ponowne jej załączenie przy schłodzeniu do temp. 35^oC;
– termostat elektroniczny z płynną nastawą dokonywaną przez użytkownika; umożliwia nastawienie temperatury wyłączającej pompę w przedziale np. 20-60^oC, ponowne załączenie po spadku temperatury wody o 5^oC poniżej nastawy.
Oba rozwiązania dają dodatkowe oszczędności energii i chronią pompę przed zarastaniem kamieniem kotłowym. W instalacjach wyposażonych w zasobniki ciepła występuje problem rozwoju bakterii Legionella i zgodnie z rozporządzeniem ministra infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. (DzU Nr 75, poz.690) konieczna jest w nich okresowa dezynfekcja termiczna wody. Dezynfekcja przeprowadzana jest z reguły raz na tydzień w godzinach nocnych, a więc w czasie, gdy pompa cyrkulacyjna może być wyłączona.
Aby uniknąć sytuacji braku krążenia w czasie dezynfekcji, konieczne jest zastosowanie pompy z tzw. funkcją przegrzewu. Elektronika takiej pompy rozpoznaje samoczynnie podgrzanie i załącza pompę niezależnie od ustawienia zegara sterującego. W ten sposób dezynfekuje się termicznie nie tylko wodę w podgrzewaczu, ale także w całej instalacji.
W instalacjach c.w.u. o wodzie twardej niewyposażonych w zmiękczacz dobrym rozwiązaniem jest z kolei pompa z funkcją zabezpieczenia przed zablokowaniem. Polega ona na okresowym (co 60 minut) niezależnym od programatora czasowego załączaniem pompy na okres 10 sekund w celu usunięcia gromadzących się osadów kamienia.
Dane publikowane przez regionalne PWiK pokazują, że maksymalne twardości wody w Polsce znacznie przekraczają średnie wartości. Do pracy w trudnych warunkach, czyli tam, gdzie woda ma wysoką zawartość związków wapnia – do 20°dH, a więc potocznie mówiąc jest bardzo „twarda” dostosowana jest pompa Wilo-Star-Z NOVA. To pompa bezdławnicowa z przyłączem gwintowanym i odpornym na prąd przy zablokowaniu silnikiem synchronicznym.

Zasady doboru pomp

Pompy obiegowe – dobiera się w oparciu o wielkość przepływu i wymaganą wysokość  podnoszenia niezbędną do pokonania oporów przepływu w obiegu najbardziej niekorzystnym w instalacji.  Podstawą doboru i oceny pomp są ich charakterystyki hydrauliczne, czyli graficzne odwzorowanie zależności wysokości podnoszenia od wydajności pompy. Pompy należy dobierać tak, aby przy zadanych parametrach (wydajności i wysokości podnoszenia) pompa pracowała z optymalną sprawnością. Wielkość przepływu oblicza się na podstawie zapotrzebowania na energię cieplną budynku ze wzoru:

V_p=  Q . a/ (c_p . p . Δt )   [m³/s]

gdzie:
Q – obliczeniowe zapotrzebowanie na moc cieplną instalacji c.o. [W],
Δt – obliczeniowa różnica temperatury wody zasilającej i powrotnej [K],
c_p – ciepło właściwe wody [4186 J/(kg.K)],
ρ – gęstość wody dla średniej temperatury czynnika [kg/m³],
a – współczynnik korekcyjny do wydajności pompy.
Przykład: Obliczenie wydajności pompy obiegowej c.o. dla instalacji w domu jednorodzinnym o zapotrzebowaniu na ciepło Q=10 kW, przy parametrach pracy instalacji 75/65^oC.
– gęstość wody dla średniej temperatury
czynnika t_śr = (t_z + t_p)/2 =(75+65)/2 = 70^oC stąd ρ = 977,8 kg/m³
– wydajność pompy V_p = (10000 . 1,15)/
(4186 . 997,8 . 10) = 0,000275 m³/s = 0,99 m³/h

Wysokość podnoszenia pompy można obliczyć ze wzoru:
H_p = [∑ (R . L + Z) – 0,7 . p_{cz gr}] . b  [Pa]
gdzie:
∑ (R . L + Z) – strata ciśnienia najniekorzystniejszego obiegu wraz ze stratą ciśnienia w źródle ciepła [Pa],
p_{cz gr} – obliczeniowa wartość ciśnienia czynnego grawitacyjnego w najniekorzystniejszym obiegu [Pa],
b – współczynnik korekcyjny do doboru wysokości podnoszenia pompy uwzględniający rezerwy na nieprzewidziane straty ciśnienia.
Współczynniki korekcyjne a i b stosowane są dla instalacji bez automatyki sterującej, a=1,15, b=1,1.
Ogólnie obliczenia hydrauliczne są dość skomplikowane.
Jeśli nie ma projektu, w przybliżeniu można przyjąć, że w domu jednorodzinnym, wysokość podnoszenia pompy waha się w granicach 1,0-3,0 m, przy czym większe wartości występują jedynie przy ogrzewaniach podłogowych.

Uruchomienie i konserwacja pomp

Przed pierwszym uruchomieniem pompa musi być bezwzględnie odłączona od sieci. Instalację należy wcześniej dokładnie przepłukać w celu usunięcia zanieczyszczeń. Pompę w pierwszej kolejności trzeba dokładnie odpowietrzyć, otwierając powoli dopływ wody. Pompy z odpowietrznikiem automatycznym same się odpowietrzają w miarę napełniania instalacji, pozostałe pompy odpowietrzamy przez odkręcenie nakrętki nasadowej lub korka.
Po odpowietrzeniu przykręcamy nakrętkę i możemy próbnie uruchomić pompę. Pompy wielostopniowe zaleca się uruchamiać zawsze na najniższym stopniu. Jeśli w czasie uruchomienia słychać przemieszczające się powietrze w instalacji, pompę ponownie można odpowietrzyć przez lekkie poluzowanie nakrętki.

Uwagi końcowe

Wiele pomp sprzedawanych obecnie na rynku to urządzenia z inteligentną technologią i narzędziami diagnostycznymi do samoistnego wykrywania sytuacji awaryjnych. Pompy takie wyposażone są w ciekłokrystaliczny wyświetlacz, pokazujący aktualny stan pracy pompy. Każda przyczyna awarii ma swój osobny kod cyfrowy, wyświetlający się na ekranie. Kody opisane są szczegółowo w instrukcji obsługi pompy, ułatwia to użytkownikowi samodzielne usunięcie awarii lub jej profesjonalne zgłoszenie serwisantowi.