Regulační charakteristiky čerpadel až po kvadratickou „Eco-Mode“
Od doby, kdy se otáčky čerpadla a tedy výtlačná výška a průtočné množství daly řídit jen energeticky neúspornou odporovou regulací hnacího elektromotoru nebo škrcením průtoku za čerpadlem, jsme se přesunuli do doby, kdy řídicí elektronika čerpadel nabízí více druhů provozních charakteristik. Od omezení na zvolenou maximální výtlačnou výšku až po charakteristiky založené na kvadratických matermatických vztazích vedoucích k co největšímu přiblížení provozní charakteristiky čerpadla charakteristice napojené teplovodní nebo chladicí soustavy.
Charakteristikou myslíme vztah mezi výstupním tlakem z čerpadla (resp. výtlačnou výškou) a množstvím protékající kapaliny. V praxi vytápění máme na mysli tedy oběhová čerpadla a jako kapalinu myslíme otopnou vodu. Každé konkrétní čerpadlo, bez regulace, má konkrétní konstrukční vlastnosti. Z nich vyplývá vzájemná provázanost mezi množstvím otopné vody čerpané čerpadlem a tlakem, který musí čerpadlo překonávat. V praxi se místo tlaku v bar hovoří často o výtlačné výšce v metrech. Ale čerpáme-li vodu, jde o totéž. Neboť výšce, do jaké čerpadlo otopnou vodu čerpá, odpovídá hydrostatický tlak toho sloupce vody. Pro upřesnění ještě nutno uvést, že charakteristiky čerpadel se znázorňují s nulovým vstupním tlakem. V uzavřeném potrubním systému je tedy nutné odečíst hodnotu tlaku na vstupním hrdle čerpadla, proto se často místo o výstupním tlaku hovoří o tlakové diferenci.
Každé čerpadlo má někde své tlakové - výškové maximum, kdy sice pracuje na plný výkon, ale již nedodává žádné množství otopné vody. A stejně tak u každého čerpadla existuje protipól, kterým je maximální průtok otopné vody při doslova nulovém tlaku, výtlačné výšce. Tyto dva protipóly jsou základními body charakteristiky každého čerpadla. Jak roste výtlačná výška, snižuje se čerpané množství. Příklad viz obr. 1.
Obr. 1 Příklad charakteristik oběhového čerpadla typ Calio S, KSB, které je dostupné v osmi konstrukčních velikostech. Typy 15-40, 25-40 a 30-40 mají maximální výtlačnou výšku 4 metry, tedy 0,4 bar a maximální čerpané množství 2,5 m3/h. Výkonnější typy mají maximální výtlačnou výšku 6 metrů. Pro zjednodušení jsou zde znázorněny pouze charakteristiky při provozu na maximální otáčky.
Na jedné straně tak v uzavřeném okruhu tvořeném pouze čerpadlem a potrubím, tedy nejjednodušší možnou otopnou soustavou, stojí čerpadlo se svou charakteristikou a proti němu potrubí. I toto potrubí má svoji charakteristiku, tedy vztah mezi tlakem a průtočným množstvím. Zatímco čerpadlo je aktivní, vytváří tlak a tím podporuje proudění, tak potrubí je pasivní, omezuje proudění, a tím vytváří protitlak, tlakovou ztrátu. Ani zde nejde o jednoduchou lineární závislost. Matematicky řečeno je kvadratická, to znamená, že zdvojnásobení protékajícího množství způsobí zčtyřnásobení odporu proudění, které musí překonat tlak od čerpadla. Příklad charakteristiky potrubí je na obr. 2.
Obr. 2 Charakteristika potrubí, čerpadla, pracovní bod
Každý přírodní jev, i proudění otopné vody, si najde rovnováhu. Jak je zřejmé z obrázku 2, tak ta nastane tehdy, když se vzájemně vyrovná tlak od čerpadla, tedy jeho výtlačná výška s odporem, který klade potrubí, s jeho hydraulickou ztrátou při shodném protékajícím množství otopné vody. Množství je pochopitelně shodné, neboť co čerpadlo dodává, to potrubím protéká. Tento rovnovážný stav se nazývá pracovním bodem čerpadla v daném okruhu.
V reálné otopné soustavě je nejen potrubí, ale jsou tam i různé regulační armatury, jejichž činností se mění hydraulická ztráta okruhu, do kterého je čerpadlo zařazeno. Armatury mění jeho charakteristiku. To znamená, že se v závislosti na nastavení armatur posouvá pracovní bod čerpadla.
Obr. 3 Změna pracovního bodu čerpadla
Charakteristika čerpadla je určena jeho konstrukcí, takže pracovní bod na ní musí ležet. Pokud se například armatura v okruhu více uzavře, omezí průtok. Omezení vyvolá růst výtlačné výšky na čerpadle a přesun pracovního bodu. Jako na obr. 3, kde jde o průsečík červené charakteristiky okruhu, kterou okruh získal přivřením armatury a neměnící se charakteristiky čerpadla. Pokud se armatura naopak více otevře, sníží se hydraulická ztráta okruhu, ten získá jinou charakteristiku, například na úrovni zelené křivky. Opět se nastaví rovnovážný stav, pracovní bod se přesune do místa průsečíku zelené charakteristiky okruhu a neměnící se charakteristiky čerpadla.
Přírodní zákony jsou mocné a pokud je známe a umíme využívat, tak dosáhneme hodně. Ne vždy je smysluplné zůstat jen na té nejjednodušší formě, jak bylo naznačeno na obrázku 3.
Změna charakteristiky změnou otáček motoru
Z grafu závislosti mezi výtlačnou výškou a čerpaným množstvím u čerpadla je vidět, že nejde o jednoduchou, lineární závislost, kterou by byla přímka, ale jde o křivku. Základní charakteristiku čerpadla, která odpovídá konkrétní konstrukci čerpadla, tedy jeho tvarovému řešení ovlivňujícímu vnitřní proudění a charakteristice hnacího motoru (i motor má konkrétní vlastnosti), lze nejsnáze měnit regulací hnacího motoru. Měnit konstrukci čerpadla, byť je to možné například změnou polohy lopatek oběhového kola, je složité a u čerpadel v oblasti TZB se nepoužívá. Když se podíváme na obr. 1, tak například omezením otáček hnacího motoru výkonnějšího typu čerpadla 15-60 bychom jeho charakteristiku mohli snížit na maximální výtlačnou výšku 4 metry, jako má čerpadlo 15-40. Charakteristiky by nemusely být zcela totožné, ale hodně by se k sobě přiblížily. K čemu by to bylo dobré?
Každá otopná soustava musí umět dodat dost tepla pro nejchladnější okamžik. Jeho podmínky určují maximum. Mnohem více tepla v chladné noci než během teplejšího dne. Aby se nepřetápělo, tak se musí umět omezit množství otopné vody. Jak? Regulační armaturou, která se přivře, zvýší tlakovou ztrátu okruhu, změní jeho charakteristiku (viz obr. 3 - červená křivka), a tudíž způsobí přesun pracovního bodu do místa s menším průtokem, což chceme. Pokud nezměníme charakteristiku okruhu, tak musíme změnit charakteristiku čerpadla. To znamená snížit otáčky hnacího motoru tak, aby průtok okruhem poklesl na takovou hodnotu, aby protékající otopná voda nesla jen to snížené, právě potřebné množství tepla.
Obr. 4 Příklady různých charakteristik oběhových čerpadel KSB dosažených regulací výkonu hnacího motoru
U nyní používaných hnacích EC motorů lze velmi dobře měnit jejich výkon. Mechanická konstrukce čerpadla je daná, ale změnou výkonu hnacího motoru řízenou ovládacím software lze původní charakteristiku čerpadla různě deformovat. Nelze ji samozřejmě posunout výš a dál, hranice je dána maximálním výkonem motoru a hydraulickými parametry těla a oběžného kola čerpadla. Ale pod touto limitní charakteristikou lze provozní charakteristiku čerpadla velmi výrazně měnit.
Příklady charakteristik
Jako první se nabízí využít změny charakteristiky čerpadla pro omezení nejvyšší výtlačné výšky. Reálné otopné soustavy pracují vždy v nějakém rozmezí tlaků a průtoků, a tak je v daném případě žádoucí, aby čerpadlo nevytvářelo podmínky, které by z toho rozmezí vybočovaly.
Obr. 5 Charakteristika čerpadla byla řízením jeho výkonu omezena na nepřekročení limitní výtlačné výšky - červená křivka. V oblasti s nižší, než limitní výškou si charakteristika čerpadla ponechává svůj původní tvar.
Cílem regulace výkonu čerpadla může být vylepšit provozní podmínky regulačních armatur. I armatury mají své charakteristiky a optimální provozní podmínky. Proto je výhodné, pokud se řízení výkonu čerpadla odvíjí od bodu s nulovým průtočným množstvím, kterému se přiřadí minimální výtlačná výška až po bod s maximálním průtočným množstvím a maximální výtlačnou výškou.
Obr. 6 Regulací výkonu čerpadla stanovením dvou bodů propojených přímkou byla jeho charakteristika zásadně změněna. Až na jediný bod nemá s původní charakteristikou neřízeného čerpadla nic společného.
Obrázek 6 dokumentuje, jak obrovské možnosti, co se týká ovlivnění chodu čerpadla a jeho charakteristiky, přinesla elektronická regulace výkonu hnacího motoru. Porovnáme-li si tvar této charakteristiky čerpadla s tvarem charakteristiky potrubního okruhu na obr. 2 vidíme, že se obě charakteristiky k sobě tvarově hodně přiblížily. Co to znamená? Nic jiného než to, že takto řízené oběhové čerpadlo snižuje nároky kladené na regulační armatury.
Soulad charakteristiky čerpadla a potrubí
Charakteristika potrubí má kvadratický průběh. To je dáno tím, že hydraulická ztráta potrubí roste s kvadrátem rychlostí proudění. Dvojnásobná rychlost, čtyřnásobně větší hydraulická ztráta. A co je ještě horší, tak osminásobně větší spotřeba elektrické energie na pohon čerpadla, neboť ta závisí na rychlosti proudění se třetí mocninou. Čím více se charakteristika čerpadla blíží charakteristice potrubí, tím méně je zapotřebí korigovat průtok jeho škrcením armaturami. Škrcení protékající kapaliny samo o sobě nepředstavuje ztrátu energie, byť se to občas a někde takto mylně prezentuje. Energetická ztráta vzniká tím, že čerpadlo na vyvolání většího tlaku, výtlačné výšky, potřebuje větší příkon.
Z tohoto pohledu se jeví regulace výkonu čerpadla na charakteristiku s kvadratickým průběhem jako nejvyšší přiblížení charakteristice potrubí, tedy otopné soustavě. Reálným příkladem dostupným na trhu je kvadratická regulační charakteristika u čerpadel KSB nazvaná „Eco-Mode“, která při nulovém průtoku začíná na dopravní výšce HEco Start = ¼ x HS, tedy na jedné čtvrtině žádané dopravní výšky Hs, viz obr. 7. Oproti variabilní regulační křivce dokáže tento způsob regulace ušetřit až 40 % spotřebované elektrické energie.
Obr. 7 Srovnání proporcionální charakteristiky regulace tlaku po přímce a kvadratické charakteristiky regulace tlaku ECo-Mode.
Na závěr je třeba říci, že cílem tohoto článku nebylo ukázat problém regulace otopných soustav v jeho plné šíři, ale pokusit se v oboru méně vzdělanému čtenáři alespoň trochu nahlédnout do tajů regulačních charakteristik čerpadel, jejich významu a možností při snižování energetické náročnosti v oboru TZB.