Управление на циркулационни помпи за отопление и БГВ

Циркулационните помпи за отопление и битова гореща вода (БГВ) работят продължителни периоди от време и са сред основните потребители на енергия в сградите. Поради тази причина основните усилия на производителите през последните години са насочени към подобряване на тяхното управление и регулиране, което е пряко свързано с надеждността и енергийната им ефективност.

Съществен напредък в това отношение е 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. По този начин се намалява консумираната електроенергия и експлоатационните разходи, особено в случаите на частично или слабо натоварване, например нощно време.

Най-елементарният метод за изменение на честотата на въртене е ръчното превключване на броя намотки. Това решение обаче 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.

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.

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.

При подбора на 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. 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. В този случай разходът на топлоносителя ще е по-малък от изчисления, но това няма да се отрази значително, 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.

Управление с честотни преобразуватели
В момента най-доброто техническо решение е безстепенното регулиране на честотата на въртене посредством изменение честотата на тока с честотни преобразуватели, наричани още честотни инвертори (variable frequency drive, VSD).

В областта на помпите този метод бе внедрен серийно преди около 20 години. 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.

Чрез задвижване с честотен инвертор е възможно регулиране на скоростта, въртящия момент, посоката, пуска и спирането на стандартните асинхронни или синхронни променливотокови двигатели.

Основни предимства на това регулиране са: значителни възможности за енергоспестяване; удължен живот на механичното оборудване; намаляване на пусковия ток; по-висок пусков момент; възможността за регулиране скоростта на двигателя под и над синхронната стойност.

Честотният преобразувател променя не само честотата, но и приложеното към мотора напрежение. По този начин се осигурява необходимият момент на вала на двигателя, без да се стига до прегряване и се разкрива допълнителна възможност за икономии на енергия. Съществуват различни принципи на регулиране, но 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%.

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.

Управление без външни сензори
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 на сдвоени помпи
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.

Сдвоените помпи са много ефективна и надеждна при експлоатация конструктивна разновидност на циркулационните. Представляват два еднакви помпени агрегата, обединени в общ корпус и разделени посредством превключващи клапани.

Еднаквите присъединителни размери позволяват безпроблемната замяна на единична помпа със същата мощност. Сдвоените помпи могат да реализират два режима на работа. При режим работна/резервна едната от двете работи непрекъснато, а другата е в готовност за включване при авария или включване по време от таймер.

В режим на паралелна работа работят и двете, като при частични натоварвания едната може да се изключи. Периодично, обикновено на 24 часа, управляващият блок разменя ролите на двете помпи за осигуряване на еднакъв експлоатационен срок.

Основните предимства на тази схема са няколко: реализира се значителна икономия на енергия и се намаляват с около 50% експлоатационните разходи, защото втората помпа се включва само при върхови натоварвания; повишава се надеждността благодарение на наличието на втора помпа, която може да се включи по всяко време.

Ретрофит на помпи с честотни инвертори
Повечето от съществуващите помпени системи са преоразмерени от проектантите поне с 20%. Това разкрива отлични възможности за модернизация с честотни инвертори, за да се изравни възможно най-точно дебитът на помпите с действителните нужди в системата.

В такива случаи е много важно да се съгласуват електрическите характеристики на двигателя и инвертора. По-старите инвертори създават значителни хармонични изкривявания, което води до допълнително загряване на намотките на електродвигателя.

Най-евтиният и благоприятен вариант включва използването на честотен инвертор, пригоден за директен монтаж върху стандартен двигател без никаква допълнителна преработка на корпуса.

Съществува сериозно предлагане на двигатели и помпени агрегати с интегриран честотен преобразувател с мощности до около 25 kW. Сред предимствата на този вариант са, че двигателят и инверторът са съгласувани в оптимална степен; намалени са разходите за инсталация; няма допълнителни кабели; инверторът използва охладителната система на двигателя; по-добрата съвместимост между компонентите намалява шума и вибрациите и много други.