Artykuł jest kontynuacją cyklu poświęconego tematyce regulacji hydraulicznej w aspekcie efektywności energetycznej i komfortu użytkowego. Dotychczas w ramach tego cyklu prezentowaliśmy zagadnienia dotyczące zaworów przy grzejnikach, a także ręcznych zaworów równoważących i zaworów mieszających oraz zaworów rozdzielających. W tym odcinku przyjrzymy się kolejnym urządzeniom stosowanym w celu osiągnięcia określonych parametrów pracy instalacji ogrzewczej: automatycznym zaworom nadmiarowym i nadmiarowo-upustowym. Skupimy się na zasadzie ich pracy, konstrukcji i wytycznych dotyczących lokalizacji w sieci przewodów instalacji. Zakończymy rozważania, obrazując je na charakterystykach hydraulicznych.

Automatyczne zawory nadmiarowo-upustowe są urządzeniami mającymi za zadanie głównie nie dopuścić do przekroczenia zadanej wartości ciśnienia w instalacji bądź regulowanej jej części. Ponadto, jeśli jest to wymagane, pozwalają utrzymywać pewien minimalny poziom krążenia czynnika lub jego stałą wartość w źródle ciepła. Dla większości kotłów praca przy stałych przepływach jest bowiem korzystna z punktu widzenia sprawności i żywotności. Zawory te mogą być wykonywane analogicznie do termoregulatorów grzejnikowych – jako elementy bezpośredniego działania lub pośredniego działania, z dodatkowymi napędami, na przykład elektrycznymi.

Zasadniczo można rozróżnić zawory nadmiarowe i nadmiarowo- upustowe, w zależności od usytuowania tych urządzeń w układzie oraz zasad ich pracy.

Zawory nadmiarowe
Zawory takie są szeregowymi reduktorami ciśnienia. Montowane szeregowo w układzie, stawiają w nim dodatkowy opór hydrauliczny, tym samym dławią wymaganą wartość ciśnienia i ograniczają przepływ w części wtórnej, za zaworem. Im większe ciśnienie w części pierwotnej, przed zaworem, tym bardziej się on przymyka, redukując ciśnienie za nim, w części wtórnej. Jest to więc element automatycznej regulacji proporcjonalnej, bezpośredniego działania, tj. bez konieczności dostarczania energii pomocniczej (jeśli nie jest wyposażony w dodatkowy napęd).
Aby funkcja automatycznej redukcji ciśnienia mogła być realizowana, zawór musi być wyposażony w element pomiarowy ciśnienia – czujnik. Najczęściej jest to elastyczna membrana/przepona połączona z grzybkiem.
Schemat typowego zaworu nadmiarowego, w dwóch typowych wersjach funkcjonalnych, zaprezentowano na rys. 1.

Działanie zaworu nadmiarowego z pomiarem ciśnienia przed grzybkiem. Zawór na rys. 1 a reaguje na ciśnienie przed grzybkiem. Zawór ten jest w stanie neutralnym otwarty, dzięki wbudowanej sprężynie regulacyjnej. Kolejne etapy jego pracy można scharakteryzować następująco: po doprowadzeniu 

• na „górną” część membrany o określonej powierzchni A_M ciśnienia czynnika p_E sprzed zaworu tzw. rurką impulsową, powstaje siła F_M = p_E ∙ A_M, której przeciwstawiana jest siła F_F wynikająca z naciągu sprężyny (ciśnienie po drugiej stronie membrany jest równe ciśnieniu atmosferycznemu);
• gdy ciśnienie wzrośnie na tyle, że wartość pierwszej siły przekroczy wartość drugiej siły, nastąpi przemieszczenie grzybka w dół, który obniży się aż do uzyskania nowego naciągu sprężyny, równoważącego siłę powstającą na membranie w jego nowej pozycji. Tym samym zredukowane zostanie ciśnienie za zaworem, po jego stronie wtórnej. 

Wymagane ciśnienie, przy którym zawór ma się zacząć zamykać, otrzymuje się przez odpowiednie naciągnięcie sprężyny.

Działanie zaworu nadmiarowego z pomiarem ciśnienia za grzybkiem. Zawór na rysunku 1 b reaguje na ciśnienie za grzybkiem. Zasada jego działania jest identyczna jak dla poprzednio omówionego typu zaworu, z tym że dostarczenie siły na element pomiarowy –membranę i ruch elementu wykonawczego – grzybka, są odwrotne do poprzednio omówionego. Gdy ciśnienie za grzybkiem rośnie, zwiększa się siła wywierana na membranę, powodując ściśnięcie sprężyny, odkształcenie się membrany do góry, a tym samym przemieszczenie się grzybka ku górze, w stronę gniazda zaworu, co powoduje jego zamykanie.

Zadania zaworów nadmiarowych. Zawory te spełniają zadanie redukcji ciśnienia zamykając się (zwiększając swój opór hydrauliczny) i zabezpieczając daną część instalacji, np. sieć odbiorczą, przed przeniesieniem z sieci pierwotnej zbyt wysokiego ciśnienia. Stroną odbiorczą (wtórną) w tym przypadku może być np. wewnętrzna instalacja ogrzewcza budynku, a stroną pierwotną sieć ciepłownicza lub część sieci wyposażona w pompę. Za stronę pierwotną można także uważać sieć wody zimnej, przyłączaną do wewnętrznej instalacji wody czerpalnej budynku, która jest wówczas stroną odbiorczą. W takich sytuacjach zawory nadmiarowe powinny być zatem montowane na przewodzie zasilającym/doprowadzającym. Ponadto zawory nadmiarowe mogą służyć jako elementy utrzymujące napełnienie instalacji do zadanego poziomu, co pożądane jest w otwartych systemach ogrzewczych (rys. 3). Wówczas powinny być montowane na powrocie.

Zawory nadmiarowo-upustowe
Zawory nadmiarowo-upustowe różnią się w stosunku do zaworów nadmiarowych tym, że ciśnienie doprowadzane jest na przeciwną stronę membrany („dolną”), a naciąg sprężyny jest odwrotny (albo jest ona ściśnięta, albo umieszczona po drugiej stronie grzybka zaworu). Oznacza to, że w stanie neutralnym zawór jest zamknięty, a wzrost ciśnienia przed nim powoduje jego otwieranie.
Zawory nadmiarowo-upustowe mogą być wykonane jako sprężynowe lub membranowo-sprężynowe. Na rys. 2 zaprezentowano schematy i budowę takich zaworów.

Działanie sprężynowego zaworu nadmiarowo-upustowego. Obecnie zawory nadmiarowo-upustowe bezpośredniego działania wykonuje się najczęściej jako sprężynowe, jak na rys. 2 a. W takim zaworze czynnik napływa pod grzybek, zatem ciśnienie pod grzybkiem jest wyższe niż nad nim. W wyniku tego:

• powstaje siła skierowana ku górze, próbująca otworzyć zawór, którą równoważy siła pochodząca od ścisku sprężyny;
• po przekroczeniu nastawionej na sprężynie wartości zawór zaczyna się otwierać. 

W tym więc przypadku grzybek jest nie tylko elementem dławiącym przepływ, ale i mierzącym wartość powstającej siły – czujnikiem.

Działanie zaworu nadmiarowo-upustowego z dodatkową membraną. W przypadku zaworu nadmiarowo- -upustowego z dodatkową membraną (rys. 2 b), to membrana jest elementem pomiarowym. Na nią więc działa ciśnienie, które równoważyć ma sprężyna, podobnie jak w przypadku zaworu nadmiarowego. Z uwagi jednak na to, że czynnik dławiony jest na grzybku, powstająca na nim różnica ciśnień i siła zakłóca w pewnym stopniu pomiar dokonywany przez membranę. Wpływ ten można wyeliminować np. za pomocą dodatkowego elastycznego mieszka, do którego wnętrza, przez wydrążenie grzybka regulacyjnego, doprowadzany jest czynnik o ciśnieniu wtórnej, regulowanej strony, która na niego działa (rys. 2 c). Powoduje to powstawanie siły zwróconej przeciwnie do siły działającej na dolną część grzybka, równoważąc ją. Rozwiązanie takie nazywa się odciążeniem ciśnieniowym i stosowane jest w analogiczny sposób w zaworach nadmiarowych (reduktorach ciśnienia).

Obecnie zawory nadmiarowo-upustowe do instalacji ogrzewczych wyposażone w dodatkową membranę są rzadkością, z uwagi na komplikowanie konstrukcji urządzenia.

Zadania zaworów nadmiarowo-upustowych. Zawory nadmiarowo-upustowe montowane są równolegle w układzie, łącząc przewód zasilający z powrotnym. Rozwiązanie to w praktyce nazywane bywa też „obejściem” bądź „by-pasem”. Urządzenie takie z zasady stosuje się po to, aby otwierając się, zwiększyło całkowity strumień czynnika płynącego przed nim w obiegu pierwotnym i tym samym obniżyło ciśnienie w tej gałęzi, np. wytwarzane przez pompę. Tym samym ma ono redukować ciśnienie po stronie wtórnej, połączonej z nim równolegle. Będzie to jednak działanie skuteczne jedynie wtedy, gdy pompa (albo inne źródło ciśnienia) będzie charakteryzowała się wyraźnym spadkiem ciśnienia w funkcji przepływu. Jeśli źródło ciśnienia będzie niewrażliwe na zmiany strumienia czynnika, to układ z zaworem nadmiarowo- upustowym nie spełni swej roli. Wzrost ciśnienia po stronie pierwotnej spowoduje bowiem otwarcie zaworu i jedynie wzrost całkowitego strumienia czynnika, bez redukcji wytwarzanego ciśnienia. Z uwagi natomiast na to, że zawór nadmiarowo-upustowy jest połączony równolegle ze stroną wtórną, na której znajduje się termoregulator, pojawi się na niej takie samo ciśnienie. Pewien spadek ciśnienia od punktu włączenia tego zaworu do termoregulatora będzie powodowany jedynie oporami hydraulicznymi przewodów w tym odcinku.
! Z punktu widzenia opisanego wyżej mechanizmu, zawory nadmiarowe (szeregowe reduktory ciśnienia) mają pewną przewagę nad zaworami nadmiarowo- upustowymi. Zamykając się bowiem w przypadku wzrostu ciśnienia po stronie pierwotnej, za każdym razem ograniczają ciśnienie po stronie wtórnej. Ponadto uruchamiając się, powodują ograniczanie strumienia czynnika po stronie pierwotnej, a nie jego wzrost.

Typowe lokalizacje zaworów w instalacji
Typowe lokalizacje zaworów w instalacji pracujących jako nadmiarowe i nadmiarowo-upustowe poglądowo przedstawia rysunek 3. Analizując schemat, zauważyć można, że zawór zamontowany szeregowo, pracując jako nadmiarowy, otwierać powinien się wtedy, gdy ciśnienie przed nim rośnie (znak „+”) lub za nim maleje (znak „-”). W przypadku montażu równoległego, pracując jako nadmiarowoupustowy, otwierać powinien się wówczas, gdy ciśnienie przed nim rośnie (znak „+”).
Przyjrzyjmy się dokładniej poszczególnym przypadkom (czyli lokalizacjom zaworu w układzie i jego funkcjom) oznaczonym na rys. 3 jako A, B, C, D: 

• w przypadkach A i C zawór spełnia taką samą rolę, pracując jako nadmiarowo-upustowy. Różnica polega głównie na tym, że w przypadku A woda o temperaturze zasilania zawracana jest bezpośrednio na część ssawną pompy, a nie do przewodu powrotnego jak w przypadku C. Dzięki temu nie podwyższa się temperatura w przewodzie powrotnym, biegnącym do źródła ciepła (jest to wymagane np. gdy źródło ciepła stanowi kocioł kondensacyjny, który powinien pracować na niskich temperaturach powrotu, aby kondensacja pary wodnej ze spalin mogła wystąpić);
• w przypadku B zawór pracuje jako klasyczny zawór nadmiarowy, tj. szeregowy reduktor ciśnienia;
• w przypadku D zawór zamontowany jest tak, aby nie dopuścić do wzrostu poziomu czynnika ponad wartość h_h w zabezpieczanym zbiorniku. Słup czynnika o wysokości h_h wywołuje ciśnienie hydrostatyczne przed zaworem o wartości:

p_h= h_h · ρ · g (1) 

gdzie ρ i g to kolejno gęstość wody i przyspieszenie ziemskie. Zawór nastawiony jest na tę wartość ciśnienia. Jeśli woda dopływająca górnym przewodem do zbiornika napełni go powyżej wysokości h_h, zawór zacznie się otwierać, upuszczając wodę do przewodu powrotnego i obniżając wartość parametru h_h.

Charakterystyki hydrauliczne
Na rys. 4 zobrazowano sens stosowania zaworów nadmiarowych i nadmiarowo-upustowych w instalacji ogrzewczej zmiennoprzepływowej, analizując zmianę położenia punktu pracy instalacji w przypadku regulacji ilościowej, tj. bądź dławienia na zaworach, bądź zmiany ciśnienia czynnego, na przykładzie typowych charakterystyk pomp i sieci przewodów. Załóżmy, że:

• początkowemu punktowi pracy, oznaczonemu na rys. cyfrą 1 (punkt przecięcia się charakterystyki A pompy z początkową a charakterystyką sieci przewodów), odpowiada dana wartość ciśnienia i strumienia czynnika Δp₁ i ·V₁;
• ciśnienie Δp₁ jest maksymalną dopuszczalną wartością, np. z uwagi na warunek bezszumnej pracy termoregulatorów, i wszelka jego nadwyżka musi zostać zlikwidowana. 

Zmiana stopnia otwarcia termoregulatorów grzejnikowych. Jeśli w analizowanej instalacji ogrzewczej zaczną zamykać się termoregulatory grzejnikowe, nastąpi wzrost oporu hydraulicznego i wzrost stromości charakterystyki hydraulicznej sieci do krzywej b (rys. 4). Tym samym nastąpi zmniejszenie strumienia czynnika wskutek przesuwania się punktu pracy w lewo, po charakterystyce dławienia pompy A, z równoczesnym wzrostem ciśnienia, wynikającym z tej charakterystyki. Ustali się nowy punkt pracy, oznaczony cyfrą 2 i charakteryzujący się parametrami Δp₂ i ·V₂. W sieci przewodów pojawi się nadmiar ciśnienia o wartości:

Δp₂ – Δp₁ = Δp₂ – Δp_3’

w stosunku do początkowej wartości Δp₁.
Wydawać by się więc mogło, że taka musi być wartość ciśnienia dławiona przez dodatkowy zawór nadmiarowy. Nie jest tak jednak. Jeśli bowiem zrzutujemy punkt 1 poziomo w lewo, zgodnie z warunkiem stałości ciśnienia (nieprzekraczania danej jego wartości), przetniemy nową charakterystykę b sieci przewodów w punkcie 3, nie zaś w punkcie 3’. Dla punktu 3 natomiast nadwyżka ciśnienia pompy, rzutując pionowo w górę do przecięcia z jej charakterystyką, wynosi:

Δp₄ – Δp₃ = Δp₄ – Δp₁, a nie: Δp₂ – Δp₃’.

Znając położenie wymaganego punktu 4 na charakterystyce A pompy, można określić wymagany kształt c sieci przewodów z zamontowanym zaworem nadmiarowym. Widać, że jest on bardziej stromy, co jest naturalne, gdyż dodatkowy zawór stanowi dodatkowy opór hydrauliczny.

W celu redukcji ciśnienia po stronie wtórnej sieci przewodów można także zastosować zawór nadmiarowo-upustowy zamontowany równolegle. Jego działanie będzie polegało na tym, aby zredukować ciśnienie pompy przez przesunięcie punktu pracy z punktu 2 do punktu 1, przy którym występuje maksymalna, dopuszczalna wartość ciśnienia. Zawór nadmiarowo-upustowy musi w tym celu odpowiednio zwiększyć strumień czynnika po stronie pierwotnej. Dokonując analizy podobnej jak w przypadku zaworu nadmiarowego, można stwierdzić, że będzie on musiał spowodować przepływ przez swoją gałąź (przez siebie i rury obejścia, na których jest zainstalowany) dodatkowego strumienia czynnika o wartości ·V₃ – ·V₁.

Dla obu typów zaworów (nadmiarowych i nadmiarowo-upustowych) w przedstawionej wyżej sytuacji docelowym działaniem będzie więc ograniczanie ciśnienia strony wtórnej do wartości nie większej niż zadana. Jeśli np. ustawiona zostanie wartość Δp₁, to celem będzie zapewnienie przeprzebiegu ciśnienia po stronie wtórnej biegnącego poziomo, zgodnie z linią B’ do przecięcia z linią A lub linią B (w zależności od tego, czy początkowym punktem pracy był punkt 1, czy 3), a następnie – po tych liniach w dół.
! W praktyce, z uwagi na to, że zawory takie są regulatorami proporcjonalnymi, nie są one w stanie zapewnić stałości wielkości regulowanej (ciśnienia po stronie wtórnej) i występuje pewne oddziaływanie zmiennego ciśnienia po stronie pierwotnej na wartość stabilizowanego ciśnienia po stronie wtórnej.

Na rys. 5 a zaprezentowano charakterystyki hydrauliczne typowego zaworu nadmiarowo-upustowego obrazujące to zjawisko. Linie na tym rysunku odnoszą się do wartości nastawionego ciśnienia otwierania zaworu. Widać, że do przyrostu stopnia otwarcia zaworu i wzrostu strumienia czynnika, jaki przez niego płynie, jako warunku redukcji ciśnienia pompy, konieczny jest wzrost tego ciśnienia. Z kolei na rys. 5 b zobrazowano poglądowo, jaki ma to wpływ na ciśnienie po stronie wtórnej, opisanej linią C, odnosząc się do analizy z rys. 4.

Jeśli za początkowy punkt pracy przyjmie się punkt 1 oraz krzywą a i ciśnienie na zaworze ustawi się na poziomie Δp₁, to przy zamykaniu się termoregulatora, np. do uzyskania krzywej b, osiągnie się punkt pracy 3’’ z ciśnieniem Δp₃’’, większym od ciśnienia Δp₃ w przypadku stałości ciśnienia. Dobór natomiast zaworu nadmiarowo-upustowego musi być przeprowadzony tak, aby w całym zakresie pracy termoregulatorów nie została przekroczona dopuszczalna wartość ciśnienia różnicowego. Będzie to więc wartość ciśnienia niższa niż oczekiwana o tyle, o ile wzrasta ona przy użyciu danego zaworu, gdy strumień czynnika maleje od wartości projektowej do zera, przy zamykaniu się termoregulatorów. W praktyce oznacza to też, że dla projektowego strumienia czynnika płynącego przez zawór założona strata ciśnienia na nim (punkt 1) musi być niższa niż wartość dopuszczalna.

! To, czy dany zawór jest w stanie obniżyć ciśnienie pompowe do wymaganej wartości warunkowane jest relacją jego przepustowości do wymaganej wartości strumienia czynnika, który należy nim zawrócić, przy spadku przepływu w sieci wtórnej. Przepustowość ta musi być wyższa od wartości tego zawracanego strumienia. Zawór należy więc dobierać zarówno w oparciu o wartość niepożądanego wzrostu ciśnienia mimo jego zastosowania, jak i w oparciu o wymaganą przepustowość.

Zmiana wartości ciśnienia wytwarzanego przez pompę. Alternatywnie rozważyć można sytuację, w której stopień otwarcia termoregulatorów się nie zmienia (a tym samym nie zmienia się opór hydrauliczny, tj. kształt i stromość charakterystyki sieci przewodów), a zmienia się wytwarzane przez pompę ciśnienie. Sytuacją początkową będzie np. punkt pracy 3 na charakterystyce dławienia B pompy, charakteryzujący się parametrami Δp₃ i ·V₃. Wzrost ciśnienia pompy, czyli przesunięcie jej charakterystyki dławienia w górę do krzywej A, spowoduje przesunięcie się punktu pracy na sieci przewodów do punktu 2, skutkując nową, większą wartością strumienia czynnika ·V₂. Chcąc przywrócić początkową wartość strumienia ·V₃ czynnika w sieci, należy również przywrócić w niej początkową wartość ciśnienia _Δp3. Analogicznie jak poprzednio, rzutując punkt 3 pionowo w górę, po stałym strumieniu, na nową charakterystykę pompy A, otrzymuje się punkt przecięcia 4, o ciśnieniu Δp₄. W wyniku tego nadmiarową wartością ciśnienia jest Δp₄ – Δp₃. W przypadku zaworu nadmiarowo-upustowego nadmiar strumienia czynnika to ·V₃ – ·V₁.
! Oba rozwiązania, tj. zastosowanie zaworu nadmiarowego i nadmiarowo-upustowego, potencjalnie generują straty energii w instalacji ogrzewczej. W przypadku zaworu nadmiarowego redukcji ulega strumień czynnika, ale powstaje nadmiar ciśnienia przed zaworem, w sieci pierwotnej, który tracony jest na zaworze i zamieniany głównie na energię cieplną, przez tarcie czynnika. Z kolei przy zastosowaniu zaworu nadmiarowo-upustowego redukcji ulega wytwarzane ciśnienie, ale powstaje nadmiar strumienia czynnika w sieci pierwotnej, który, przepływając przez zawór i przewód obejścia, również powoduje przekształcenie głównie w energię cieplną.

Jak zadbać o efektywność energetyczną?
Dla obu typów zaworów straty energii mogą być jednak różne nawet wtedy, gdy zawory zapewniają te same parametry pracy, tj. to samo ciśnienie i strumień czynnika po stronie wtórnej. Moc potrzebna do napędu pompy jest iloczynem wytwarzanego ciśnienia i strumienia objętościowego czynnika, z uwzględnieniem sprawności pompy. Ta wartość jest zmienna w funkcji punktu pracy pompy (przecięcia się jej charakterystyki z charakterystyką sieci przewodów). Dopiero więc po dokonaniu obliczeń konkretnego przypadku, przy uwzględnieniu charakterystyki dławienia pompy, przesunięcia na niej punktu pracy dla obydwu wariantów, charakterystyki sprawności i końcowym obliczeniu energii elektrycznej potrzebnej do napędu pompy, można stwierdzić, które z rozwiązań jest bardziej korzystne z punktu widzenia zużycia energii. Najczęściej jest to rozwiązanie z zaworami nadmiarowymi. Wynika to z tej prostej przyczyny, że w przypadku zaworu nadmiarowego (szeregowego reduktora ciśnienia), wraz z zamykaniem się termoregulatorów i tym samym zamykaniem zaworu nadmiarowego, całkowity strumień czynnika maleje i przy pełnym zamknięciu jest zerowy.

Pompa pobiera więc w przybliżeniu jedynie moc biegu jałowego, nie musząc zapewniać cyrkulacji czynnika (przy założeniu hipotetycznej sytuacji pracy pompy przy braku przepływu czynnika – oczywiście w praktyce jest to niewskazane z uwagi na bezpieczeństwo pracy pompy; ponadto nowoczesne pompy sterowane elektronicznie mają możliwość samoczynnego wyłączenia się w takiej sytuacji). Natomiast w przypadku zaworu nadmiarowo-upustowego, przy zamykaniu się termoregulatora, strumień czynnika tłoczonego przez pompę pozostaje w przybliżeniu bez zmian (w granicach charakterystyki hydraulicznej działania zaworu), gdyż zawór nadmiarowo-upustowy otwiera się, powodując wzrost strumienia czynnika w swojej gałęzi. Nawet zatem przy całkowitym zamknięciu się termoregulatorów i zatrzymaniu przepływu w sieci wtórnej pompa pobiera podobną moc. Należy jednak pamiętać, że opisana przewaga zaworu nadmiarowego nad nadmiarowo-- -upustowym w praktyce nie jest tak istotna. Wynika to stąd, że typowa pompa w systemie ogrzewczym i (zwłaszcza) kocioł grzewczy nie powinny pracować przy zerowym strumieniu czynnika i zapewnione musi być pewne minimalne krążenie.
! Najkorzystniejszym sposobem regulacji instalacji i dostosowywania wytwarzanego po stronie pierwotnej ciśnienia do wymaganej wartości jest zmiana ciśnienia samej pompy. Nie występują wówczas dodatkowe urządzenia wytracające nadmiar energii.

Odpowiedni dobór i wyposażenie pompy. Przy spadku prędkości obrotowej wirnika pompy charakterystyka dławienia przesuwa się w dół. Na rys. 6 zaprezentowano zasadę obniżania ciśnienia pompowego w zależności od bieżącego zapotrzebowania na ciśnienie w sieci przewodów. Pompy przeznaczone do instalacji ogrzewczych są obecnie wyposażane w elektroniczne regulatory mające możliwość płynnego dopasowywania prędkości obrotowej wirnika do bieżącego zapotrzebowania na strumień czynnika w instalacji.

Parametr n widoczny na rys. 6 oznacza prędkość obrotową. Istotna z punktu widzenia zużycia mocy elektrycznej (Pel) potrzebnej do napędu pompy jest znajomość relacji wiążących prędkość obrotową z wytwarzaną różnicą ciśnień i strumieniem pompowanego czynnika. Można zapisać, że:

Δ^'V ~ Δn     (2)
Δ_Δp ~ Δn²   (3)
ΔP_el ~ Δn³  (4)

Zmiana strumienia objętościowego jest proporcjonalna do zmiany prędkości obrotowej. Z uwagi na to, że zmiana ciśnienia jest proporcjonalna do zmiany strumienia czynnika w kwadracie, jest ona również w kwadracie proporcjonalna do zmiany prędkości obrotowej. Ponieważ moc potrzebna do napędu jest iloczynem strumienia objętościowego i wytwarzanego ciśnienia, to zmiany mocy są proporcjonalne do zmian prędkości obrotowej w trzeciej potędze.

Wynika stąd (równanie 3), że np. zmniejszając ciśnienie dwukrotnie, wymaganą prędkość obrotową należy zmniejszyć około 1,41 razy (o tyle też zmieni się wartość strumienia czynnika), a moc potrzebna do napędu (równanie 4) zmniejszy się wówczas około 2,82 razy. Zmniejszając natomiast strumień czynnika dwukrotnie, wymagane ciśnienie spadnie czterokrotnie, a wymagana moc ośmiokrotnie. Zatem odpowiednie dobranie parametrów pracy pompy albo wyposażenie jej w automatyczne regulatory prędkości obrotowej może skutkować znaczącą redukcją kosztów eksploatacyjnych w porównaniu z pompą o zbyt dużym ciśnieniu i stosowaniem dodatkowych urządzeń dławiących.
! Pamiętać przy tym należy, że zmiana mocy wymaganej do pompowania nie jest tożsama ze zmianą zapotrzebowania mocy do napędu pompy. Sprawność pompowania, jak i sprawność silnika, również są zależne od prędkości obrotowej wirnika.

Charakterystyki dławienia i sprawności (oraz poboru mocy elektrycznej) obrazujące to zjawisko zaprezentowano na rys. 7 na przykładzie rzeczywistej pompy dużej mocy.

Kiedy stosowanie zaworów nie ma uzasadnienia?
Jak wspomniano w pierwszej części cyklu, w małych instalacjach (np. w domkach jednorodzinnych) zdarza się, że maksymalne ciśnienie wytwarzane przez dobraną pompę, pomniejszone o straty ciśnienia na sieci przewomniejsze od tego, które warunkuje bezszumną pracę termoregulatorów. Wówczas zawory nadmiarowo-upustowe montowane w instalacji do współpracy z termoregulatorami grzejnikowymi mogą nie mieć uzasadnienia ekonomicznego.

Ponadto występują sytuacje, w których zawory te mogą powodować niepożądane skutki w pracy instalacji. Takim przykładem może być instalacja z gazowym kotłem kondensacyjnym. Zaworu nadmiarowo-upustowego nie należy wówczas montować jako obejścia w pobliżu takiego źródła ciepła, gdyż powinno ono pracować na niskiej temperaturze powrotu, w celu zapewnienia kondensacji pary wodnej ze spalin. Zawór nadmiarowo-upustowy zawracałby czynnik z przewodu zasilającego bezpośrednio na przewód powrotny, podwyższając w nim temperaturę czynnika. Jeśli konieczne jest zastosowanie tego typu zaworu w takiej sytuacji, to powinien on być zamontowany możliwie daleko od kotła, aby zawracać wodę o możliwie niskiej temperaturze.

Dodatkową kwestią, którą należy rozważyć, jest rodzaj zastosowanej pompy. Jak wspomniano wcześniej – w przypadku pomp ze sterownikami elektronicznymi i pracującymi w trybie proporcjonalnym (automatyczne dopasowywanie prędkości obrotowej wirnika do bieżącego zapotrzebowania na strumień czynnika) może nie być konieczności stosowania tego typu zaworów, zwłaszcza jeśli instalacja nie jest rozległa i nie ma wielu stref o różnych wymaganiach dotyczących podawanego ciśnienia.

Literatura:
[1] Muniak D.: Armatura regulacyjna w wodnych instalacjach grzewczych. Typy, konstrukcje, charakterystyki, zastosowania, PWN, Warszawa 2017