Ověření energetické náročnosti čerpací techniky v aplikacích systémů CZT
Technologických pokrok v oblasti čerpací techniky a rostoucí ceny elektrické energie vedou k úvahám o hospodárnosti dodávky tepla systémy CZT (centrální zássobování teplem) z pohledu nároků na čerpací práci respektive spotřebu elektrické energie.
Jako součást národních aktivit projektů Energy+ Pumps a 4EM-MCP, dvou evropských iniciativ cílených na propagaci úsporných řešení v oblasti aplikací s motorovými pohony, byl proto v topné sezóně 2007-2008 realizován ověřovací test energetické náročnosti dodávek tepla různými typy oběhových čerpadel. Místem realizace tzv. Technického a energetického auditu čerpadla se staly tři vybrané předávací stanice Pražské teplárenské, a.s (PT). Ve dvou případech se jednalo o menší výměníkové stanice v lokalitě Vršovic, ve třetím pak o větší stanici zajišťující dodávku tepla pro několik panelových domů v oblasti Zahradního Města.
Testovány zde byly postupně v týdenních intervalech různé typy oběhových čerpadel značky Grundfos, který je tradičním dodavatelem čerpací techniky pro PT.
ilustrační foto
V prvních dvou stanicích byl porovnáváno nejpokročilejší (mokroběžné) oběhové čerpadlo MAGNA, které je vybaveno autoadaptivní otáčkovou regulací a pohonem ECM s rotorem s permanentními magnety, oproti zde dříve instalovaným modelům UPS a UPE, které umožňují pouze ruční regulaci otáček respektive regulaci automatickou, avšak s nižší efektivitou. Čerpadla byla osazena na sekundární straně předávací stanice, tj. pracovala do otopné soustavy domu. V případě třetí stanice se jednalo o proměření stávajícího (suchoběžného) čerpadla s konstantními otáčkami motoru a po analýze naměřených dat byl výpočtovým modelem navržen model lépe odpovídající charakteristice sítě, který bude současně pracovat s vyšší energetickou účinností. Čerpadlo opět sloužilo k cirkulaci topné vody v sekundární síti.
ilustrační foto
Z měřených veličin byla následně odvozena účinnost čerpadla η (%), množství dodaného tepla Q (GJ) a měrná spotřeba elektřiny (kWh/GJ). Právě měrná spotřeba elektřiny na předání měrné jednotky tepla do objektu byla ústředním hodnotícím kritériem pro posouzení efektivnosti (návratnosti) investice vynaložené na pořízení daného čerpadla. Použité měřicí metody byly zvoleny tak, aby neovlivnily provoz sledovaných čerpadel.
Jako příklad uvádím závěry z měření na první předávací stanici s tím, že další dvě výše jmenované úvahy dále potvrdily. V prvním testu byla porovnávána tato konkrétní čerpadla:
- Původní čerpadlo UPS 50-120F (mokroběžné oběhové horkovodní čerpadlo se třemi manuálně nastavitelnými otáčkovými stupni; pro měření nastaven stupeň 2, t.j. 80% nominálních otáček)
- Nové čerpadlo Magna 50-120F (mokroběžné oběhové horkovodní čerpadlo s otáčkovou regulací dle funkce auto adapt)
Prostřednictvím odpovídající měřící techniky bylo každé z čerpadel kontinuálně sledováno po dobu 7 dnů, která se potvrdila jako postačující pro možnost provést srovnání z pohledu energetické efektivnosti při různých režimech činnosti. Sledované hydraulické parametry čerpadel se v zásadě odvíjely od průběhu venkovní teploty a tedy požadavků uživatelů v bytech na dodávku/odběr tepla.
Výsledky měření prokázaly, že čerpadlo s otáčkovou regulací pracuje v otopné soustavě mnohem hospodárněji. Průměrná spotřeba elektřiny v přepočtu na dodaný GJ u čerpadla Magna činila 1 kWh, zatímco u čerpadla UPS to bylo více než 3,5 krát více (3,7 kWh/GJ).
K nižší spotřebě elektřiny jednak přispěla vyšší účinnost čerpadla Magna (vyjádřena poměrem vykonané čerpací práce v poměru k příkonu), za níž stojí modernější koncepce čerpadla i jeho pohonu, a rovněž pak jeho schopnost kontinuálně měnit otáčky.
ilustrační foto
Zatímco tak při nasazení čerpadla UPS byly zaznamenány mezní stavy průtoků teplonosného média čerpadlem oproti průměrné denní hodnotě v rozmezí +16 až -12 %, v případě čerpadla Magna to bylo +23 až -19 %.
V konečném důsledku tak dodávku stejného množství tepla bylo čerpadlo s otáčkovou regulací schopno zajistit jen při asi 70 % průtoku a poloviční dopravní výšce ve srovnání s (neregulovatelným) čerpadlem UPS. Tím se tak potvrdila slabina čerpadel bez plynulé otáčkové regulace v systémech vytápění - jejich jmenovitý pracovní bod v oblasti maximální účinnosti je nastaven tak, aby při mezní (výpočtové) venkovní teplotě byly při jmenovitém rozdílu teplot mezi topnou a vratnou vodou schopné zajistit dodávku množství tepla odpovídajícího (výpočtové) tepelné ztrátě objektu.
Tedy při denní a sezónní dynamice změn vyvolaných odběratelskou soustavou (výkon, hmotnostní tok) pak čerpadlo pracuje pouze v rozsahu své charakteristiky a dochází k maření čerpací práce. Navíc při nedokonalé regulaci v odběrných místech pak i k nedostatečnému vychlazení teplonosného média, což má další negativní vliv na měrnou hodnotu spotřeby elektřiny. V přepočtu na dodané teplo se tak při mírnějších venkovních teplotách dostává na vysoké hodnoty.
Navíc bývá časté, že po zásadním poklesu potřeby tepla, k jakému dnes často dochází v důsledku úprav na odběratelském zařízení (úspory vlivem zateplování a nasazení regulačních prvků), není dodavatel tepla vždy zcela o této skutečnosti informován. Výsledkem je pak ještě vyšší energetická náročnost, která nijak kvalitu dodávané služby nezlepšuje.
Čerpadlo s otáčkovou regulací a inteligentní funkcí automatického řízení otáček tato rizika ve většině případů odstraňují a dodávají jen tolik čerpací práce, kolik je skutečně s ohledem na potřeby tepla nutné. Efekt těchto úsporných čerpadel však může být, a to i významně, omezen tam, kde otopná soustava je z pohledu současné potřeby tepla předimenzovaná a má nadměrný vodní objem. Tato skutečnost se pak projevuje tím, že i při teplotách hluboko pod bodem mrazu nemá topná voda zdaleka takový teplotní spád, jaký projektant předpokládal.
Výsledky uskutečněného experimentu lze shrnout do následujících (zobecňujících) závěrů:
- V otopných soustavách s výrazněji se měnícími provozními parametry průtoku a tlaku je nasazení čerpadla s plynulou otáčkovou regulací zpravidla nejlepší cestou k dosažení maximálních energetických úspor.
- Za takto vhodné soustavy lze specielně označit ty, v menších bytových domech (v řádu max. několika desítek bytů), zvláště jedná-li se o novostavby.
- Je-li v nich dnes instalováno čerpadlo bez (plynulé) otáčkové regulace, jeho náhrada za otáčkově regulovatelné je natolik přínosná, že tuto výměnu je z ekonomických důvodů vhodné provést co nejdříve, přestože stávající čerpadlo je ještě provozuschopné.
- U (již instalovaných) oběhových čerpadel s otáčkovou regulací na konstantní či proporciální tlak v těchto topných systémech již lepší úroveň regulace, jakou dnes poskytuje například čerpadlo Magna, tak velký potenciál úspor nepřináší. Z tohoto důvodu je ekonomicky výhodnější vyčkat technického "dožití" stávajícího čerpadla. Uvažovaná životnost je 7-10 let.
- U otopných soustav s méně proměnnými talkovými a průtokovými poměry (typický příklad sekundárních soustav systémů CZT zásobujících větší obytné celky) přinášejí nejvyšší hospodárnost z pohledu spotřeby energie a celkových nákladů na čerpací práci čerpadla s konstantními otáčkami a motorem s vysokou účinností (energetické třídy EFF1). Avšak za podmínky, že jejich optimální pracovní bod odpovídá převažujícímu pracovnímu bodu soustavy.
ilustrační foto
Jak test na jedné z předávacích stanic PT prokázal, v důsledku značných změn na straně odběratelů (změna odběratelského chování z titulu změn ceny tepla, nasazení regulačních prvků na otopných soustavách v domech a rovněž renovace a zateplování), ke kterým v posledních 10-15 letech došlo, může být řada předávacích stanic systémů CZT dnes na sekundární straně odběru značně předimenzovaná, a to i pokud jde o čerpací výkon. Instalovaná čerpadla pak pracují významně mimo své optimum s výrazně nižší účinností, než pokud by v soustavě pracovalo čerpadlo, jehož výkonová Q-H charakteristika by odpovídala dnešním potřebám tepla. Vzhledem k možným úsporám elektrické energie lze instalaci výkonově vhodnějšího čerpadla v těchto případech z pohledu energetických úspor doporučit prakticky k okamžité realizaci.
Výše uvedený příklad prakticky dokumentuje, jak velké zdroje energetických úspor se nacházejí v procesu čerpání kapalin. Firma Grundfos sama nebo ve spolupráci s provozovateli realizovala již několik desítek Technických a energetických auditů čerpadel v oblasti teplárenství, vodárenství a průmyslu. Ve většině případů se podařilo nalézt nové úspornější řešení čerpání a jeho regulace, jehož ekonomický efekt zajistil návratnost vložených investic za velmi krátkou dobu (obvykle do 2 let).
Roční produkce více než 16 milionů kusů čerpadel činí ze společnosti Grundfos jednoho z předních výrobců čerpací techniky. Grundfos se dlouhodobě zaměřuje na vývoj energeticky úsporných a účinných čerpadel. Součástí výrobního sortimentu jsou čerpadla ...
