Zaujalo nás: Čerpadla s vysokou účinností

Spolu s klasikem bychom mohli začít slovy „již staří Řekové“… Čerpadla a čerpací technika provází lidstvo věky. V okamžiku, kdy lov přestával být hlavním zdrojem obživy, s usazováním společenstev dávných předků na stálém sídlišti a s rozvojem zemědělství se objevila nutnost zavlažování polí, které vedlo k jistějším a také větším výnosům. S rozvojem sídlišť a s jejich růstem, vznikem měst a městských států bylo potřeba stále více kvalitní vody k mnoha různým účelům. Vznikaly stále sofistikovanější mechanické prostředky na dopravu vody, poháněné živou silou - lidmi i zvířaty. Voda byla dopravována na velké vzdálenosti a na její kvalitě závisela životaschopnost společnosti. Rozvoj důlního průmyslu kladl stále větší nároky na čerpané množství a výšku, do které bylo třeba vodu dopravit. Mechanické principy a živou sílu nahradil parní stroj. Efektivita čerpání mohutně poskočila. Čerpadla dopravovala vodu pro průmyslové technologie, parní pohon vystřídala elektřina, která přinesla další zlepšení. Asynchronní nebo také indukční motory se staly, mimo jiné, pro svoji výrobní nenáročnost, standardním pohonem v mnoha odvětvích, tedy i pohonem čerpadel. Vznikal tak jednoduchá a nenáročná zařízení, která našla uplatnění v mnoha oborech.

V roce 1929 si německý inženýr Wilhelm Opländer nechal patentovat „Urychlovač oběhu“ a dal tak světu topenářské oběhové čerpadlo. Princip byl jednoduchý. V koleni umístěná vrtulka poháněná elektromotorem. Účinnost vytápění objektů však udělala mohutný skok. Do té doby využívanému samotížnému principu, který vyžadoval velký objem topné vody, vysokou teplotu ohřevu a velké průřezy potrubí odzvonilo. Zavedením oběhového čerpadla nebylo již potřeba ohřívat velké množství na vysokou teplotu, vznikla úspora energie na vytápění, úspora paliva, a v neposlední řadě úspora na pořízení topné soustavy jako takové. Na druhou stranu zde byl požadavek na dlouhou životnost a spolehlivost oběhového čerpadla, které bylo relativně hlučné, motor byl chlazen vzduchem pomocí ventilátoru, a vyžadovalo poměrně častý dozor a údržbu. Úspěch „urychlovače“ vedl ke vniku firmy, které dal Ing. Opländer jméno Wilo.

Ideálem je takový produkt, který slouží dlouho, spolehlivě a s minimální údržbou, výrobek, o kterém uživatel ani neví. Tedy tiché, bezúdržbové čerpadlo. S takovým přišlo Wilo v padesátých letech minulého století. Bezucpávková nebo také mokroběžná čerpadla přinesla svým uživatelům mnoho výhod. Jsou tichá, jejich motor je chlazený a ložiska jsou mazána protékající topnou vodou. Asynchronní motor, pro malá čerpadla s kotvou na krátko, se stal ideálním pohonem takových čerpadel a byl králem až do roku 2000. Topenářské soustavy a jejich prvky prošly také překotným vývojem a účinnost jednotlivých komponentů a celků se postupně stala hlavním cílem svých tvůrců. Topná soustava je navrhována na referenční teplotu, která se podle regionů liší, u nás okolo 15 °C pod nulou. Topíme cca 6000 hodin ročně, ale -15 °C je řádově 120 hodin ročně. Jinými slovy, dvě procenta celkové doby provozu soustavy běží čerpadlo na plný výkon, po zbývající čas funguje v režimu částečného zatížení. Termostatické ventily, kterými jsou osazená topná tělesa, přivírají a škrtí průtok. V místě zúžení profilu, v sedle termostatického ventilu, může dojít ke kavitačnímu jevu. S rostoucí rychlostí protékající vody klesá tlak a na hranách dochází k odpařování. Jev je vysoce korozivní, doslova žere materiál, zanáší a zaplyňuje soustavu. Navíc je to jev velmi hlučný.

Pro účinnost, životnost a spolehlivost soustavy a pro komfort uživatele bylo třeba řídit otáčky čerpadel. Objevila se čerpadla se čtyřmi stupni pevných otáček. Přepnutí bylo mechanické, ruční, případně elektromechanické v závislosti na různých veličinách, nejčastěji diferenčním tlaku. Opět velká úspora. Při polovičním průtoku spotřebuje čerpadlo s asynchronním motorem osminu energie, zdvojnásobení průtoku však vede k osminásobku spotřeby. Úsporné, efektivní, ale složité a na obsluze závislé řešení. Otáčky asynchronního motoru lze však velmi elegantně regulovat změnou frekvence napájecího napětí. Rozvoj a miniaturizace výkonové elektroniky umožnily na počátku devadesátých let nasazení oběhových čerpadel s integrovanou změnou otáček, která měla frekvenční měnič přímo ve svorkovnici. Firma Wilo byla opět průkopníkem a její tehdejší čerpadla Star-E a TOP-E byla na dlouhou dobu etalonem. Plynulé přizpůsobení otáček čerpadla v závislosti na potřebách soustavy přineslo až padesátiprocentní úsporu elektrické energie oproti čerpadlům s pevnými otáčkami.

Cena elektrické energie stále stoupala a svět si stále více uvědomoval, že jednou z cest pro zachování zdravého životního prostředí je její využití s maximální možnou efektivitou. Jedním z oborů, který ovlivnil myšlení inženýrů, je bionika. Zkoumá, jak si s využitím energie poradila příroda, která se vždy snaží o maximální efekt s minimálními nároky na vloženou energii. Ať už se jedná o mechaniku a konstrukce (vajíčko) nebo o hladkost povrchů (žraločí kůže). Výchozí myšlenkou ve Wilo byla skutečnost, že asynchronní motor s frekvenčním měničem je jako pohon na hranici možností.

A co použít ECM motor? To byla v devadesátých letech v oboru čerpadel nevyzkoušená novinka. Elektronicky komutovaný motor má permanentně magnetický rotor a výkonová elektronická řídící jednotka umístěná přímo ve svorkovnici čerpadla se stará o pulzy do po obvodu statoru umístěných cívek. Vzniklé točivé magnetické pole pak unáší permanentně magnetický rotor synchronními otáčkami. Náhle byl k dispozici mnohem větší použitelný rozsah otáček. Dvoupólový asynchronní motor točí při 50 Hz 3000 synchronních otáček (točivé pole statoru, rotor se při tom otáčí zhruba 2800 otáček. Rozdíl mezi otáčkami se nazývá skluz, odtud asynchronní motor). Změna frekvence napájecího napětí se na motoru projevuje negativně. Zvyšují se ztráty v železe, dochází k degradaci izolace motoru, u velkých výkonů jsou pak problémem kapacitní proudy a ložiskové proudy. Motoru tedy dlouhodobý provoz se níženou frekvencí neprospívá a jak uvedeno, čerpadlo běží v 98% režimu částečného zatížení. Naproti tomu u ECM motoru, kdy u čerpadel točí až 4800 otáček, je jejich změna otáček dána jen proměnou buzení protilehlých cívek po obvodu statoru, jedná se prakticky o bezeztrátovou regulaci otáček. To sebou nese opět velký skok v účinnosti.

U Wilo šli ještě dál. Jak oddělit suchý prostor statoru od prostoru rotou, který je protékán dopravovanou topnou vodou „vzduchovou“ mezerou mezi rotorem a statorem, vrtaným hřídelem. Tato topná voda také motor chladí a maže kluzná ložiska. Elektronická čerpadla s FM měla rotor uložený v kartuši z chromniklové nemagnetické oceli, a to se na účinnosti také negativně projevovalo. Ideální by byl dielektrický materiál, ale jak na to?

Na přelomu let 2000 a 2001 přišlo Wilo s čerpadly Wilo Stratos, která se stala po následujících 13 let etalonem energetické účinnosti ve své třídě. Bylo třeba kladně vyřešit spoustu technických a technologických otázek. Na rotor byl použit neodymový magnet na bázi vzácné zeminy Neodym, který je nejsilnějším permanentním magnetem vůbec. Mokrý prostor v čerpadle od suchého odděluje kompozitová dielektrická trubka a požadovaná střední doba životnosti elektronického prvku je sto tisíc provozních hodin… Stratos bylo první čerpadlo svého druhu umožňující provoz s teplotou vody od -10 °C do +110 °C, bylo tedy univerzálním elektronickým čerpadlem na topení i chlazení. Tedy první čerpadlo s vysokou účinností.  

  Vývojem prošly ovšem i automatizované systémy řízení budov. Možnost řízení jednotlivých prvků soustavy na dálku se stala další možností jak s maximální efektivitou řídit topení, klimatizaci, chlazení či větrání v celých budovách či komplexech budov. Inteligentní čerpadla s rozsáhlou konektivitou a s možností komunikace mezi jednotlivými čerpadly se stala dalším stupněm k dosažení nejefektivnějšího využití vložené energie. Nejnovější čerpadla Stratos Maxo, která navázala na úspěšného předchůdce, jsou toho příkladem. Kromě vlastních integrovaných regulačních režimů disponují analogovými a digitálními vstupy. Ty umožňují propojení se stávajícími, ale i budoucími systémy řízení. Výměnou původních neřízených čerpadel s asynchronními motory a renovací spolu s optimalizací stávajících soustav lze, a také bylo dosaženo, až devadesátiprocentní úspory elektrické energie. Zajímavé je, že investiční náklady na pořízení čerpadla s vysokou účinností se vrátí během záruční doby…

Dnes jsou ECM motory rozšířené prakticky ve veškerých řadách čerpadel užívaných v technických zařízeních budov. Nejen mokroběžná, ale i ucpávková čerpadla vyšších výkonů dosahují vysoké účinnosti. Všichni renomovaní výrobci je mají ve svém portfoliu. Avšak Wilo zahájilo cestu, bylo první a stále je na špici. Od roku 1929.

Pavel Synáč (9.12.2023)