Управление и енергийна ефективност на циркулационни помпи за отопление и гореща вода

ОВКСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 5, 2012

През последните двайсетина години най-голямо развитие на циркулационните помпи е осъществено в областта на управлението и регулирането им, което е свързано пряко с надеждността и енергийната ефективност на инсталациите за отопление и БГВ.
Най-ниското стъпало по отношение на енергийната ефективност заемат помпите с постоянна честота на въртене. При тях не съществува икономичен метод за регулиране на производителността и следователно дебитът на топлоносителя не може да се съгласува ефективно с реалните потребности на инсталацията.

Съществен напредък се получава с разработването на помпи с променлива честота на въртене, фиксирана на няколко стойности - двускоростни, трискоростни и по-рядко четирискоростни агрегати, познати и като помпи със степенно регулиране. Тази технология открива възможност за по-добро съгласуване на разхода на изпомпвания топлоносител с изменението на хидравличното съпротивление на системата в даден период от време. Съществено се намалява консумираната електроенергия и експлоатационните разходи, особено в случаите на частично или слабо натоварване, например нощно време.

Ръчно превключване на броя намотки
Най-простият метод за изменение на честотата на въртене е ръчното превключване на броя намотки. Това обаче не е кардинално решение, защото изисква постоянна човешка намеса. Подобни помпи се използват за работа в отоплителни системи със слабо изменящ се разход. Пълна мощност, т. е. максимална честота на въртене, е нужна за кратък период от отоплителния сезон. В техническата документация на помпата се дават задължително работните характеристики, представляващи зависимостите на напора Н и консумираната мощност Р1 от дебита Q, при различните честоти на въртене. На фиг. 1 са показани типични характеристики на трискоростна циркулационна помпа с мокър ротор. Максимален к. п. д. на помпата се постига при максималната честота на въртене, но тогава се повишава и консумираната мощност. Различните честоти на въртене дават възможност за индивидуален избор във всеки конкретен случай.
 При подбора на такава циркулационна помпа е добре да се изхожда от условието изчислената работна точка, т. е. дебит и напор, да лежи на характеристиката при максимална честота на въртене и то в областта на максималния к. п. д. или да е наблизо. За съжаление, производителите по-рядко дават и третата работна характеристика на помпата дебит - к. п. д., но обикновено максималният к. п. д. се достига около средата на характеристиката дебит - напор.   

Ако изчислената работна точка се намира между характеристиките на две помпи, обикновено се избира помпата с по-малка мощност - фиг. 2. В този случай разходът на топлоносителя ще е малко по-малък от изчисления, но това няма да се отрази значимо, тъй като проектантите често преоразмеряват системата, а и периодите когато е нужен максимален разход не са продължителни.

При помпите за БГВ се налага превключване на честотата на въртене основно при първоначалното настройване на системата. След което не се налага допълнителна регулировка. Добро и ефективно решение в този случай е допълнителната доставка на програмируем таймер за включване/изключване на помпата по време, например през нощта.

В повечето действащи отоплителни системи параметрите се променят непрекъснато и съответно се изменя необходимият дебит на топлоносителя. Статистическите анализи на товаровите графици на различни отоплителни системи са показали, че пълната мощност на помпата е необходима само за около 6% от времето през отоплителния сезон. През останалото време за нормалното действие на системата стигат 40% от мощността на помпата. Следователно останалите примерно 60% мощност не се използват и остават като резерв или още по-лошо - в някои случаи се губят неоползотворени. Това е причината вече масово да се използва автоматично регулиране на честотата на въртене. Степенното автоматично регулиране се осъществява чрез сензори, контактори и релета, но не осигурява достатъчна гъвкавост по отношение избора на работен режим.

В момента най-доброто техническо решение е безстепенното регулиране на честотата на въртене посредством изменение честотата на тока с добре известните честотни преобразуватели, наричани още честотни инвертори (variable frequency drive, VSD). В областта на помпите този метод бе внедрен серийно преди около 20 години. Съществуват различни принципи на регулиране, в настоящата статия ще бъдат разгледани само тези, които се използват най-често при циркулационните помпи.

Регулиране по диференциално налягане
Сензор следи диференциалното налягане между изхода и входа на помпата. При изменение на консумацията (дебита) например чрез термостатните вентили, честотата на въртене също се изменя, като се поддържа зададена, най-често постоянна стойност на диференциалното налягане. Тъй като диференциалното налягане всъщност е равно на напора на помпата, то работа с постоянно диференциално налягане означава работа с постоянен напор, независимо от изменението на дебита. Предимствата на този принцип на регулиране са няколко. Всеки консуматор може да се регулира и да работи независимо от състоянието на останалите. Редуцираният напор в сравнение с работата при постоянна честота намалява шума в термостатните вентили. Особено важно е, че могат да се постигнат значителни икономии на енергия - до 60%. Принципът на регулиране е илюстриран на фиг. 3. При намаляване на дебита на топлоносителя, например чрез дроселиране от някакъв регулатор (притваряне на термостатните вентили), ако честотата на въртене е постоянна, в случая nB, работната точка ще се измества по линията АВ и напорът H на помпата ще нараства. От долната графика се вижда съответното изменение на мощността Р, като при редуцирания дебит Qmin консумираната мощност отговаря на т. В. Ако се поддържа постоянно диференциално налягане, т. е. постоянен напор, работната точка ще се премества по линията АС, като честотата на въртене се намалява от регулиращата система до nC. Вижда се, че и консумираната мощност при редуцирания дебит - т. С, е по-малка. Допълнителни икономии на енергия могат да се постигнат, ако при намаляване на дебита диференциалното налягане също намалява - линия АD. Обикновено се приема линеен или квадратичен характер на изменение. Това е в съответствие с обстоятелството, че при намаляване на дебита се намаляват и хидравличните загуби в тръбопроводите. Въвеждането на подобен принцип на регулиране е много подходящо при реконструкцията на съществуващи стари отоплителни системи, когато се налага например монтирането на термостатни вентили, което не е предвидено в първоначалния проект.

Най-новите електронно управляеми помпи регулират диференциалното налягане без допълнителни външни сензори. За целта се използват характеристиките на помпата, въведени в подходящ цифров вид в паметта на процесора. Както е известно, съществува еднозначна връзка между дебит, напор, мощност и честота на въртене. Това позволява определянето на дебита и напора да става по подходящ алгоритъм, без никакви допълнителни външни сензори, само като се следи честотата на въртене и консумираната мощност. Последното става чрез измерване на големината на тока.
 Допълнително оптимизиране на отоплителната система може да се постигне чрез

регулиране на диференциалното налягане в зависимост от стойността на външната температура
С повишаване на температурата се намалява диференциалното налягане, а оттам и производителността на помпата. При падане на външната температура диференциалното налягане се повишава. Ясно е, че такава система изисква допълнителен сензор за температура.

Честотно регулиране се използва и в сдвоените помпи. Втората помпа се включва автоматично при върхово натоварване, като се осигурява точно необходимата работна точка, а не работа с параметри над нея. В този случай двете помпи работят с понижена честота и консумираната енергия е по-малка, отколкото от единична помпа с по-голяма честота.

Съвременните честотни задвижвания за помпи позволяват избор между различни режими на регулиране и съответните им настройки, което ги прави много гъвкави при употреба. Освен това, често са включени и други функционални възможности.

Енергийна ефективност
В рамките на Протокола от Киото европейските правителства се стремят значително да намалят емисиите на СО2 в атмосферата, като едно от направленията за това е намаляване на енергопотреблението.

Циркулационните помпи на отоплителните системи работят продължителни периоди от време и затова те също се отнасят към основните потребители на енергия. През 2005 г. водещи европейски производители на помпи за отопление, които са и членове на Европейската асоциация на производителите на помпи Europump, подписват доброволно споразумение да адаптират и въведат съществуващата в ЕС обща класификация за енергопотребление и към циркулационните помпи. Благодарение на това, потребителите, на основата на вече известна система на класификация, могат да определят дали дадената циркулационна помпа се отнася към енергоефективните. Класификацията се основава на съпоставката на енергопотреблението на конкретната изследвана помпа с енергопотреблението на една “средна” помпа със същата хидравлична мощност. Маркировката разпределя ефективността на енергопотребление в класове, които се обозначават с букви от “А” за най-високия клас до “G” за най-ниския. Класовете се дават в техническата документация и се маркират с графичен знак върху опаковката. При изследването на помпата се измерва консумираната мощност в четири различни работни точки в съответствие с профила на натоварване. Резултатите от изчисленията дават индекса на енергийна ефективност, означаван с EEI. Колкото той е по-нисък, толкова по-малко енергия консумира помпата и съответно толкова по-висок е енергийният й клас. Относителното енергопотребление за отделните класове е дадено на фиг. 4. Вижда се, че разликата в разходите на енергия между два съседни класа е около 22% от приетия за основа клас D. Помпа клас А консумира само 33% от енергията на помпа със същата хидравлична мощност, но от клас D. С помощта на тези осреднени стойности за относително енергопотребление може много лесно да се оцени икономичността на помпа с по-висок клас. Например, ако помпа от клас D със средна консумирана мощност P = 500 W се замени с аналогична по параметри помпа от клас А, консумираната мощност ще бъде само P = 0,33.500 = 165 W.
Тук е необходимо да се отбележи, че съгласно Директивата относно изискванията за екологичен дизайн на енергоемките продукти, от 2013 г. влизат в сила по-високи изисквания към енергийната ефективност на циркулационните помпи, използвани в отоплителни и климатични инсталации. В тази връзка от 2013 г. голяма част от циркулационните поми, които в момента се предлагат на пазара, вече няма да могат да бъдат предлагани, тъй като към момента само помпите с енергиен клас А съответстват на изискванията на директивата.

На пазара се предлагат и специални помпи за соларни инсталации. Всъщност конструктивно те не се различават съществено от останалите. За тях е характерна малка производителност - до около 3 m3/h, максимални напори до 6-7 m и консумирана мощност до 100 - 150 W.




ЕКСКЛУЗИВНО

Top