Přínos technických zařízení při rozvodu vody k vytápění a chlazení
Jedním z prvních pokusů o celkové energetické hodnocení budovy bylo Nařízení o úspoře energií vydané v roce 2002 (SRN), podpořené normami DlN V 4108-6 a DIN V 4701-10. Dalšího zlepšení metody energetické bilance se dosáhlo normou DIN V 18599, neboť jsou posuzována vzájemná působení mezi stavebně-fyzikálními a technickými opatřeními zařízení a je možné bilancování užitečné energie k vytápění a chlazení pro nová a stávající zařízení. Podobně i česká legislativa se připravuje na zavedení standardizovaného komplexního hodnocení budov. Proti potřebě tepla nebo chladu stojí náklady na transport jejich nositele - vody. Jaké možnosti a nástroje mají projektanti a instalační firmy, aby minimalizovali náklady na rozdělení tepla a chladu?
Obr. 2 - Čerpadla Grundfos ALPHA+, ALPHA Pro a MAGNA jsou vybavena automatickou funkcí redukovaného nočního provozu
Náklady na rozdělení
Jestliže se rozhodneme prostory budovy vytápět nebo chladit, znamená to z energetických hledisek udržet i co nejnižší náklady na dopravu teplo- nebo chladonosné látky, vody. Voda je na základě svých fyzikálních vlastností znamenitým prostředkem pro transport tepla. Za prvé má vysokou specifickou tepelnou kapacitu a za druhé je k dispozici téměř všude v dostatečném množství. Hydraulický výkon Phyd k dopravě kapaliny je přímo úměrný součinu objemového průtoku čerpadla Q a dopravní výšky H.
Oběhová čerpadla jsou často v provozu 6000 provozních hodin/rok. S každou provozní hodinou musí být překonávány hydraulické odpory potrubí a jednotlivých armatur. Následujícími opatřeními lze minimalizovat náklady na rozvod vody.
1. Snížení provozních hodin a využití funkce redukovaného provozu
Oběhová čerpadla by měla být stále vypnutá, pokud se nepoužívají. Avšak některá oběhová čerpadla v praxi pracují i proti uzavřeným armaturám, prohánějí bezúčelně vodu v obtoku nebo dopravují studenou topnou vodu ještě dlouho po odpojení hořáku. Oběhová čerpadla by proto měla být připojena na řízení kotlů. Není-li toto žádoucí nebo možné, disponují dnes moderní čerpadla funkcemi tlumení svého provozu v závislosti na určitém poklesu teploty čerpané kapaliny. Čerpadlo se samočinně přepojí na minimální otáčky, když se teplota dopravovaného média, která je naměřená na čerpadle, sníží v určitém časovém úseku o 10 K. Toto je případ, když jsou časově řízené topné křivky náhle sníženy, přechází se na tzv. redukovaný provoz. Na konci redukovaného provozu zaznamená čerpadlo zvýšení teploty a vrací se zpět na původně nastavenou regulační charakteristiku.
2. Snížení průtoku čerpadla Q prostřednictvím velkého rozdílu teplot čerpané kapaliny
Ze vztahu
Q - průtok čerpadla
Φ - tepelná zátěž podle DIN EN 12831
ρ - hustota dopravovaného média
c - specifická tepelná kapacita dopravovaného média
ΔΘ - tepelný spád
je zřejmé, že mezi průtokem čerpadla potřebným pro transport tekutiny a rozdílem teplot ΔΘ vzniká nepřímo úměrná lineární závislost. Čím je vyšší rozdíl teplot, tím je zapotřebí nižší výkon čerpadla. Při dimenzování vytápěných a chlazených ploch místností a stanovení rozdílu teplot se musí rozhodovat mezi pohodou prostředí (nízké teplotní rozdíly) a hospodárností (velké teplotní rozdíly).
Obr. 1 - V provozu stojí vždy proti potřebě nabídka, a ta je vyšší. Rozdílem jsou zbytečné náklady. Příklad z vytápění: Zóna budovy má potřebu tepla nebo chladu (užitečná energie). Pro přepravu tepla z tepelného zdroje k zóně je čerpána voda jako teplonosná látka oběhovým čerpadlem. Vícenáklady jsou dány cenou elektrické energie k provozu oběhového čerpadla na přepravu té části energie, která není v dané zóně potřeba.
3. Snížení hydraulických odporů prostřednictvím větší dimenze potrubí
Ne každý projektant a instalatér si je vždy vědom toho, že hydraulické odpory se ve vztahu k vnitřnímu průměru potrubí mění v 5. mocnině.
při Q = konst.
kde:
Q - průtok čerpadla
H1 - tlaková ztráta při vnitřním průměru potrubí d1
H2 - tlaková ztráta při vnitřním průměru potrubí d2
Co to znamená? Když se například místo potrubí o jmenovité světlosti DN 50 zvolí potrubí o rozměru DN 65, zmenší se hydraulické odpory a potřebný hydraulický příkon poklesne na jednu čtvrtinu!
při Q = konst.
Tato zásada je principiální. Její respektování při dimenzování jednotlivých potrubí a potrubních sítí má vedle energetických efektů mimořádně pozitivní účinky na hydrauliku vytápěcího systému.
Jsou-li ztráty tlaku v rozdělovacích potrubích malé, budou připojené větve zásobeny přibližně stejným diferenčním tlakem. Bude-li mimo to zajištěno to, aby diferenční tlaky ve větvích nepřekročily 0,2 kPa (mez hluku termostatických ventilů), potom toto opatření často uspoří ve velmi rozvětvených sítích instalaci regulátorů diferenčního tlaku. Další předností velkoryse dimenzovaných rozdělovacích vedení je, že oběhová čerpadla mohou být dimenzována na nepatrnou dopravní výšku. Z poznatků rovnice (1) a (4) kromě toho vyplývá, že se investice ve velkoryse dimenzovaném potrubí v nejkratším čase amortizuje. Dimenzování potrubí by se mělo vždy provádět z hlediska úspornosti a techniky zařízení. Odpověď na otázku: "Jaký rozměr má optimální rozdělovací potrubí?", může tedy znít jen: "Větší rozměr!"
4. Používání oběhových čerpadel energetické třídy A, jako je ALPHA Pro a MAGNA.
Obr. 3. Konstrukční řada čerpadel Grundfos ALPHA Pro a MAGNA je vybavena výkonově úsporným motorem s permanentním magnetem (ECM technologie) a je zařazena do nejlepší energetické třídy A
Náklady na pomocný zdroj energie na rozvod tepla příp. chladu závisí na celkové účinnosti oběhového čerpadla. Toho se dosáhne podle definice z koeficientů příkonu P1 a hydraulického výkonu Phydr.
kde:
Phydr = Q.H.ρ-g - hydraulický výkon čerpadla
P1 - elektrický příkon čerpadla
5. Používání oběhových čerpadel s automatickou změnou regulačních křivek.
Regulovaná oběhová čerpadla automaticky přizpůsobují své otáčky měnící se potřebě dané soustavy. Regulační veličinou je ve většině případů diferenční tlak. Požadovaná hodnota (žádaná vstupní hodnota) regulátoru čerpadla musí být předvolena prostřednictvím ovládacího panelu svorkovnice, přes infračervené rozhraní, například ovladačem Grundfos R100, nebo sběrnicovou komunikací. Prostřednictvím změny otáček (regulovaná veličina) se nyní čerpadlo pokouší řídit provoz podle nastavené požadované hodnoty. Takto úspěšně pracují regulovaná oběhová čerpadla, která jsou již mnoho let na trhu. Správné nastavení čerpadla tudíž vyžaduje zadat správnou velikost žádané veličiny "dopravní výška".
Čerpadlo Grundfos MAGNA je prvním a jediným čerpadlem, které se již nemusí nastavovat. Při použití regulační funkce AUTOADAPT se čerpadlo automaticky učí od systému a nalézá svou optimální požadovanou hodnotu a tím optimální charakteristiku.
Nastavování čerpadla Grundfos MAGNA s funkcí AUTOADAPT není tudíž zapotřebí, nicméně je nastavování čerpadla možné, pokud jsou známa detailní data, jako je jmenovitý průtok a jmenovitá dopravní výška. Vedle nového druhu regulace AUTOADAPT jsou totiž nadále k dispozici známé druhy regulace - konstantní a proporcionální regulace tlaku. U všech druhů regulace lze aktivovat funkci redukovaného nočního provozu.
Obr. 4 Automatické přizpůsobení výkonu čerpadla Grundfos MAGNA pomocí funkce AUTOADAPT
1. Čerpadlo reguluje podle regulační křivky A (z Ho/2 na 1,5 m)
2. Ventily se otevírají, pracovní bod dosahuje A4 (max. charakteristická křivka čerpadla)
3. Ventily se dále otvírají, pracovní bod se automaticky přesunuje do Bo
4. Čerpadlo se nastavuje na novou regulační křivku B (z Bo na 1,5 m)
5. Čerpadlo reguluje podle nové regulační křivky B
Porovnání nákladů na elektrickou energii
Roční náklady na spotřebu elektrické energie otopného systému lze vypočítat na základě standardizovaného profilu zatížení dle "Blauen Engels". V tomto profilu zatížení, vycházeje z výpočtového bodu, bude na konkrétních bodech zjištěn a procentuálně zvážen příkon oběhového čerpadla. Již se zavedením konstrukční řady UPS série 200 s prostorově zakřivenými, laserově svařovanými oběžnými koly z jakostní korozivzdorné oceli a se zlepšenou účinností motoru bylo oproti předchozí konstrukční řadě UPC dosaženo úspor ve spotřebě elektrické energie o cca 20%. Význam regulovaných oběhových čerpadel UPE a MAGNA v zařízeních s časově variabilním objemovým průtokem je patrný ze zobrazení v grafu 2. S vývojem čerpadel Grundfos MAGNA bylo pomocí technologie ECM dosaženo dalšího zlepšení účinnosti. Vliv automaticky adaptovatelné funkce AUTOADAPT čerpadla Grundfos MAGNA nebyl při výpočtu zohledněn, jelikož se vycházelo z toho, že je již čerpadlo správně nastaveno.
Graf 1 Zátěžový profil otopného systému podle "Blauen Engels"
Graf 2 Srovnání spotřeby elektrické energie (dvě neregulovaná oběhová čerpadla
UPC 40-120 a UPS 40-120 F a dvě regulovaná čerpadla UPE a MAGNA stejné velikosti)
Vysoká účinnost je u čerpadel Grundfos standardem
Projektanti, instalační firmy a také provozovatelé mohou volit mezi dvěma druhy oběhových čerpadel - regulovaná a neregulovaná. Zavedením konstrukční řady čerpadel MAGNA se firma Grundfos rozhodla vyřadit ze svého sortimentu regulovaná čerpadla UPE stejných velikostí jako čerpadla MAGNA. Energeticky úsporná regulovaná čerpadla MAGNA, zařazená v nejlepší energetické třídě A, nastavila vysoko laťku pro regulovaná čerpadla. Rozhodnutí, zda použít regulovaná čerpadla MAGNA nebo neregulovaná čerpadla UPS, ulehčuje tabulka 1. Tato tabulka ukazuje dobu návratnosti regulovaného čerpadla MAGNA 40-120 F při záměně za neregulované čerpadlo UPS 40-120 F, a to v závislosti na ceně za kWh elektrické energie. Kromě toho lze z této tabulky zjistit úsporu za 10 let při stálých cenách el. energie. Podmínky zátěžového profilu dle "Blauen Engels" jsou uvedeny v grafu 1.
Příklad výpočtu (viz tabulka 1): Při ceně 3 Kč za kWh el. energie uspoří čerpadlo MAGNA 40-120 F za 10 roků cca 65 tis. Kč a doba návratnosti činí cca 1,5 roku.
| UPS 40-120 F | MAGNA 40-120 F | |
|---|---|---|
| Investiční náklady (základní ceníková cena čerpadla, bez DPH) (Kč) | 18 365 | 29 262 |
| Roční spotřeba el. energie (kWh) | 3 580 | 997 |
| Cena el. energie (Kč/kWh) | 3 | |
| Celkové náklady za 10 roků (Kč) | 125 765 | 59 172 |
| Úspory za 10 roků (Kč) | 66 593 | |
| Návratnost (roky) | 2 | |
Závěr
Předpokladem pro moderní, energeticky úspornou techniku budov zůstává promyšlené projektování a svědomitá realizace, které zahrnuje hydraulické vyvážení. Ani moderní čerpací technikou nelze zcela eliminovat chyby při projektování a instalaci. Výhoda regulovaných oběhových čerpadel v zařízeních s variabilním objemovým průtokem byla v odborných kruzích nesporně uznána - čerpadla musí být pouze správně nastavena. Nové strategie regulace, jako např. automaticky adaptovatelná regulační funkce AUTOADAPT čerpadla Grundfos MAGNA a automatická funkce redukovaného nočního provozu, dávají projektantu a instalatérovi jistotu, že se čerpadlo od systému učí automatickému nastavení a že spolehlivě a energeticky úsporně pracuje.
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 ...