Pompy Grundfos w klimatyzacji i chłodnictwie

W większości instalacji chłodniczych i klimatyzacyjnych pracująca w nich pompa powinna dopasowywać swoje parametry do zmiennego zapotrzebowania, zależnego od warunków zewnętrznych. Maksymalna wydajność pompy wymagana jest bardzo rzadko. Oznacza to, że zastosowanie pomp z automatyczną regulacją parametrów zgodnie ze zmiennym obciążeniem, może być bardzo korzystne. Osiąga się w ten sposób oszczędność energii, duży komfort oraz zapewnienie wszystkim elementom instalacji lepszych warunków pracy. Jeżeli zdecydowano się na zastosowanie pompy z regulowanymi parametrami pracy, pompy typu E firmy Grundfos będą optymalnym rozwiązaniem.

Pompy typu E (tab.1) to typoszereg pomp łączący w sobie najnowocześniejszą technologię mikroprzetwornic częstotliwości z dobrze znanymi pompami do instalacji zasilania w wodę i podnoszenia ciśnienia w układach ciepłowniczych i chłodniczych. Wraz z wprowadzeniem w 1992 r. pomp UPE serii 2000 do instalacji grzewczych firma Grundfos przedstawiła rozwiązanie, łącząc pompę, silnik, przetwornicę częstotliwości i czujnik jako zintegrowaną jednostkę. Technologię tę wykorzystano nie tylko przy pompach cyrkulacyjnych, lecz także w przypadku pomp do innych zastosowań.

Nowe pompy typu E to połączenie silników MGE ze zintegrowaną przetwornicą częstotliwości i dobrze znanych i stosowanych już pomp. Są one dostępne z silnikami 1- i 3-fazowymi. Pompy o mocy silnika do 1,1 kW wyposażono w 1-fazowe silniki MGE z wbudowanym regulatorem PI, wejściem dla sygnałów zewnętrznych i możliwością ustawień wartości zadanej. Pompy o mocy silnika 1,5 kW i większej są wyposażone w 3-fazowe silniki MGE z wbudowanym regulatorem PI, wejściem dla sygnałów zewnętrznych i możliwością ustawień wartości zadanej. Zmiany i odczyt parametrów pracy pompy można dokonywać za pomocą pilota R 100.
Pompy 3-fazowe są wyposażone w wejście RS485 umożliwiające podłączenie do zewnętrznego systemu automatyki budynku. Pompy są dostępne z czujnikiem ciśnienia lub bez niego. Dla większości przypadków pompa typu E z czujnikiem będzie najlepszym rozwiązaniem. Jeżeli jednak jest wymagany czujnik zewnętrzny są oferowane również pompy bez czujnika.
W porównaniu do rozwiązania składającego się z pompy, przetwornicy częstotliwości i czujnika pompa typu E gwarantuje wiele korzyści. Należą do nich:
• prosty montaż; pompę montuje się tak jak pompę standardową; wystarczy podłączyć silnik do zasilania elektrycznego i uruchomić pompę, gdyż wszystkie wewnętrzne połączenia i ustawienia są wykonane fabrycznie;
• optymalna oszczędność energii; dzięki płynnej regulacji obrotów i dopasowywaniu się do zmian obciążenia praca pompy zmniejsza zużycie energii;
• jeden dostawca; pompa, przetwornica częstotliwości i czujnik dostarczane są przez jednego dostawcę, co ułatwia procedury doboru, wyboru i zamówienia;
• szeroki zakres zastosowań, umożliwiający wydajną pracę w zmiennych warunkach i sprostanie wielu wymaganiom; w ten sposób mniejsza liczba pomp może zastąpić wiele pomp standardowych o wąskim zakresie stosowalności.

Zastosowania pomp typu E

Instalacje klimatyzacyjne pracują w zmiennych warunkach, zależnych od zmian temperatury zewnętrznej, nasłonecznienia i zysku ciepła od ludzi i urządzeń (oświetlenie, elementy instalacji itp.). Wszystkie te czynniki mają wpływ na zapotrzebowanie chłodu i zmienny przepływ wody cyrkulacyjnej.
Automatyczne dopasowanie parametrów pompy do zmiennego zużycia wody zapewnia wiele korzyści.
Na rysunku 1 przedstawiono typową instalację klimatyzacyjną z obiegiem freonowym (chiller) i dwustopniowym obiegiem wtórnym wody lodowej. Pierwszy stopień obiegu wtórnego może pracować przy stałych parametrach pracy pompy P1 (Q=const.), zaś drugi stopień, ze względu na zmienne obciążenia chłodnicze, powinien pracować ze zmiennymi przepływami. W tym celu stosuje się pompę P2 z płynną regulacją wydatku.

Oba stopnie obiegu wtórnego są połączone poprzez akumulator chłodu, zaś pompa P2, ze względu na rozszerzenie zakresu regulacji, współpracuje z obejściem by pass. Wielkość przepływu w drugim obiegu zależy od ustawienia zaworów regulacyjnych przy klimakonwektorach. Ustawienie automatycznie zmienia się w zależności od aktualnego zapotrzebowania na chłód w budynku. Jeżeli zapotrzebowanie na chłód jest duże, zawory będą otwarte, przez co zmniejszą opory przepływu i zwiększą przepływ. Jeżeli zawory są częściowo przymknięte, zwiększają się opory i przepływ maleje. Obieg pierwotny ma zmienną charakterystykę instalacji.
W przypadku gdy w pierwszym stopniu obiegu jest zainstalowana pompa ze stałymi obrotami, musi ona być precyzyjnie dobrana do charakterystyki hydraulicznej obiegu. Zmiana charakterystyki instalacji będzie powodowała niezamierzone wysokie różnice ciśnienia w czasie częściowego obciążenia chłodniczego (rys. 2). Punkt djest punktem pracy pompy przy 100% obciążeniu chłodniczym. W czasie zmniejszonego zapotrzebowania na chłód, charakterystyka instalacji będzie bardziej stroma, a punkt pracy pompy a pokazuje zbędny przyrost różnicy ciśnień i wzrost zużycia energii elektrycznej przez pompę.

Jeżeli w takim przypadku zastosujemy pompę typu E, jej osiągi będą automatycznie dopasowywane do zapotrzebowania na zmienny przepływ. Dzięki płynnej regulacji obrotów pompa typu E dopasowuje swoje parametry zgodnie z mierzoną różnicą ciśnienia i zapewnia, że punkt pracy leży na wybranej linii charakterystyki pracy (tryb regulacji). Pompy typu E z zamontowanym czujnikiem różnicy ciśnień mają dwa rodzaje regulacji, tj.:
• ciśnienie stałe; pompa niezależnie od przepływu wytwarza stałą różnicę ciśnień w instalacji;
• ciśnienie proporcjonalne; pompa wytwarza różnicę ciśnień proporcjonalnie zależną od przepływu (różnica ciśnień rośnie w przypadku rosnącego przepływu).
Obydwa rodzaje regulacji pokazano na rys. 2. W przypadku ciśnienia stałego punktem pracy jest punkt b, natomiast przy ciśnieniu proporcjonalnym - punkt c. W obu przypadkach różnica ciśnień jest regulowana, dlatego proporcjonalnie do zapotrzebowania na chłód, pobór mocy przez pompę jest zmniejszony.
Wybór rodzaju regulacji jest zależny od charakterystyki instalacji.

Możliwe oszczędności energii ilustruje rysunek 3. Pokazuje on charakterystykę jednej z pomp typu E (jednostopniowa pompa on-line typu LPE 80-125/124). Charakterystyka przedstawia wysokość podnoszenia H i moc P1 w funkcji wydajności Q, z prędkościami przepływu podanymi w %.
Pompy mogą być zastosowane jako cyrkulacyjne w instalacjach z przepływem 70 m3/h i charakterystyką obciążenia podanymi w tabeli 2.

Odczytując wartości z charakterystyki na rys. 3 można obliczyć roczne zużycie energii przez pompę. Rozważając trzy rodzaje regulacji: „Nie regulowana", „Ciśnienie stałe" i „Ciśnienie proporcjonalne", aktualną wartość mocy elektrycznej P1 należy pomnożyć przez przewidywaną liczbę godzin pracy.
Z tabeli 2 wynika, że jest możliwe zmniejszenie zużycia energii prawie o 50% i w ten sposób dodatkowy koszt zakupu pompy typu E (w porównaniu do standardowej pompy) zwraca się w ciągu 1 do 2 lat. Przykład ten dotyczy raczej małych pomp. Oszczędności są znacznie większe w przypadku pomp dużych.
Na tej podstawie można stwierdzić, że regulacja w funkcji różnicy ciśnień pompy cyrkulacyjnej w drugim stopniu obiegu instalacji klimatyzacyjnej ze zmiennym przepływem daje następujące korzyści:
- oszczędność energii, zużycie energii przez pompę może być zmniejszone do 50%;
- zwiększone możliwości regulacji zaworów termostatycznych;
- zmniejszenie hałasów spowodowanych zbyt dużą różnicą ciśnień (stabilizacja przepływu).
W tego rodzaju instalacjach mogą być zastosowane pompy typu E: TPE serii 2000, LME lub LPE. W mniejszych instalacjach pojedyncze pompy typu E zapewnią wymagane parametry. W przypadku większych przepływów, lub jeżeli jest wymagana pompa rezerwowa, firma Grundfos oferuje typoszereg szaf sterowniczych umożliwiających regulację pracy pomp typu E w układzie równoległym.
Inne instalacje klimatyzacyjne i chłodnicze zawierające klimakonwektory lub zawory trójdrogowe, co oznacza iż mają prawie stałą charakterystykę (rys. 4). Dopasowanie parametrów pompy według stałej różnicy ciśnień będzie w takich przypadkach niemożliwe i dlatego musi być użyty inny parametr regulacji. Najlepszym wyborem jest regulacja pompy cyrkulacyjnej w funkcji temperatury.

Sygnał wartości temperatury w rurociągu powrotnym określa obciążenie chłodnicze instalacji. Zmniejszenie temperatury na powrocie, tj. gdy temperatura osiąga wartość temperatury na zasilaniu, sygnalizuje zbyt duży przepływ przez zawory regulacyjne z powodu zmniejszonego zapotrzebowania na chłód w budynku. W takiej sytuacji oczywiste jest zmniejszenie przepływu w instalacji, w celu zmniejszenia poboru energii przez pompę i podaż chłodu na poziomie zapotrzebowania.
Alternatywnie do regulacji według stałej temperatury powrotu można zastosować regulację w zależności od różnicy temperatur. Regulacja w funkcji temperatury daje takie same korzyści, jak regulacja w funkcji różnicy ciśnień.
W instalacjach chłodniczych często występują chłodnie kominowe, w których następuje schłodzenie cieczy cyrkulującej. Ciepła woda (od 27 do 32°C) jest przetłaczana z agregatu wody lodowej do chłodni kominowej, gdzie jest następnie schładzana poprzez oddanie ciepła i odparowanie do powietrza atmosferycznego.
Wiele instalacji ma proste systemy regulacji wydajności chłodni kominowej, która zależy od przepływu wody, a także od przepływu powietrza przez chłodnie. W połączeniu z małym zapotrzebowaniem na chłód, wentylator często nie pracuje, a woda schładza się tylko poprzez swobodny spływ po ścianach. W chwili zwiększenia zapotrzebowania na chłód, wentylator załącza się. W niektórych przypadkach wentylatory mają płynną regulację obrotów. Przepływ wody przez chłodnie kominowe jest także kontrolowany w celu utrzymania stałej temperatury wody powrotnej do wymiennika. Przeważnie stosuje się zawory przelotowe lub trójdrogowe i pompę o stałych obrotach. Zawory regulują przepływ przez chłodnię kominową, a w ten sposób ustalają moc chłodniczą zgodnie z temperaturą wody powrotnej.
W przypadku zaworów trójdrogowych pompa pracuje prawie ze stałą wydajnością, niezależnie od obciążenia chłodni. Jeżeli zastosowano zawory przelotowe, pompa będzie dławiona w chwili zmniejszenia obciążenia. Bardziej energooszczędnym rozwiązaniem będzie zastosowanie pompy typu E, gdyż:
- eliminuje zastosowanie zaworów regulacyjnych,
- zmniejsza zużycie energii w czasie zmniejszonego obciążenia.
Możliwe jest podłączenie przetwornika temperatury bezpośrednio do pompy typu E, która ma wbudowany regulator PID umożliwiający regulację instalacji w obiegu zamkniętym (rys. 5). Dla zapewnienia sprawnej pracy dysz chłodni wieżowej wymagany jest minimalny przepływ. Jeżeli jest on za mały, dyszę nie będą dostatecznie rozpylać wody. Dlatego też należy ustawić minimalne obroty pompy, aby te wymagania były zawsze spełnione.


Pompy typu E w instalacjach z cieczami innymi niż woda
Wiele roztworów wodnych jest stosowanych dzisiaj w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych, pracujących przy temperaturach niższych od 0°C. Takimi cieczami niskokrzepnącymi mogą być wodne roztwory glikolu lub soli (solanki chłodnicze). Ciecze te mają właściwości inne niż woda i mogą mieć wpływ na działanie i czas użytkowania pomp. Przy doborze pompy do takich zastosowań należy sprawdzić wymaganą moc silnika oraz czy materiał uszczelnienia wału i innych uszczelek jest odpowiedni do tłoczonej cieczy. Pompy typu E są dostępne w wykonaniach przystosowanych do tłoczenia prawie wszystkich cieczy chłodniczych.
Obecnie bardzo często stosuje się „częściowo zamrożone" ciecze chłodnicze, tzw. papki lodowe. Poza ciepłem jawnym, ciecze te wykorzystują także ciepło utajone (ciepło topnienia) do przenoszenia energii chłodu. W instytucie DTI (Danish Technological Institute) przetestowano mieszaninę lód/woda/etanol i stwierdzono, że jest ona odpowiednia do instalacji lad chłodniczych w supermarketach. Wytwornice lodu wytwarzają lód, dlatego też 16% roztwór etanolu w temperaturze -10°C zawiera 30% lodu i ma entalpię 100 kJ/kg. (dla porównania 30% roztwór mieszaniny glikolu etylowego ma entalpię 37 J/kg). Mieszanina lodowa wyróżnia się wysoką entalpią i można ją pompować. Testy przeprowadzone przez DTI pokazały, że standardowe pompy wielostopniowe typu CR i CRE z wirnikami o przelocie min. 2,5 mm mogą bezproblemowo pompować mieszaninę lodową o zawartości lodu do 30%. Porównanie z charakterystykami pomp przy tłoczeniu czystej wody wykazało niewielkie różnice.

Podsumowanie
Nowoczesne, regulowane pompy mają znaczący wpływ na zapewnienie bardziej sprawnego działania instalacji chłodniczej i klimatyzacyjnej. Jak już opisano, dopasowanie parametrów pompy do aktualnych wymagań zapewnia stosunkowo duże oszczędności energii. Zużycie energii przez pompę to około 7% całkowitego zużycia energii przez instalację w czasie pełnego obciążenia. Jeżeli instalacja jest tylko częściowo obciążona, a taka sytuacja występuje przez większość czasu pracy, zużycie energii przez pompę w stosunku do całkowitego zużycia będzie procentowo jeszcze większe. Jeżeli zapotrzebowanie chłodu jest zmniejszone do około 1/3 maksymalnego zapotrzebowania, zużycie energii przez pompę (nieregulowaną) będzie wynosiło około 30% zużycia całkowitego. Ponadto, w przypadku pomp w instalacjach chłodniczych, główna część energii elektrycznej dostarczonej do pompy jest przekazywana do wody w postaci ciepła i usuwana w wymienniku. Odnosi się to do około 70% pobieranej mocy przez pompę. Dla usunięcia tego ciepła należy zwiększyć moc wytwornicy wody lodowej (1/współczynnik mocy). Jeżeli współczynnik mocy wynosi 3,5, aktualna moc pompy jest równa:

P1pompy (1+ 0,7/3,5) = 1,2 P1pompy

Widać więc, że zmniejszenie parametrów pompy wpływa na oszczędność jej energii, a także wytwornicy wody lodowej.
Jednocześnie poprzez rozbudowę instalacji chłodniczej, włączając zastosowanie cieczy chłodniczych bazujących na wodzie w obiegu wtórnym, pompa staje się bardzo ważnym elementem takich instalacji. Duże instalacje chłodnicze supermarketów i inne wymagają pomp zapewniających energooszczędne tłoczenie cieczy chłodniczych. W przypadku dużych agregatów, może być także konieczna wewnętrzna cyrkulacja cieczy chłodniczej. Dla takich zastosowań bardzo dobrze nadają się pompy typu E, ponieważ pokrywają one zakres przepływu od kilku do ok. 160 m³/h. Jeżeli wydajność jest niewystarczająca w przypadku bardzo dużych instalacji, firma Grundfos oferuje układy równoległe pomp, wyposażone w zewnętrzną szafę sterowniczą, regulującą parametry pomp według wymaganych wartości (różnica ciśnień, temperatura, różnica temperatur, przepływ).

mgr inż. Adam Kowalka
GRUNDFOS POMPY Sp. z o.o.
Źródło: