Prawidłowa eksploatacja pomp i systemów pompowych przyczynia się do poprawienia efektywności transportu cieczy, co z kolei korzystnie przekłada się na wyniki finansowe zakładu. Jakie zatem czynniki mają decydujący wpływ na energooszczędne użytkowanie instalacji pompowej? Kluczowym zagadnieniem jest niewątpliwie odpowiedni dobór pompy. Jakie kryteria powinno się wziąć pod uwagę, podejmując decyzję o jej zakupie? Chcąc zminimalizować niepotrzebne straty energii, warto także poznać skuteczne sposoby ich ograniczania. Dzięki temu będziemy potrafili racjonalnie i efektywnie użytkować dany układ pompowy.
Transport cieczy w każdej gospodarce pochłania ogromne ilości energii elektrycznej. W związku z tym kluczową kwestią jest podejmowanie wszelkich działań zmierzających do zredukowania energochłonności tego procesu, a tym samym do zmniejszenia emisji ciepła, dwutlenku węgla oraz innych zanieczyszczeń. Pochłaniające mniej energii instalacje pompowe oznaczają także niższe wydatki eksploatacyjne ponoszone przez użytkowników.
Korzyści wynikające z takiego podejścia do tematu są więc oczywiste. Dlatego warto zastanowić się nad tym, jakie czynniki mają wpływ na wysoką efektywność energetyczną procesu pompowania. Z pewnością ważną rzeczą jest wybór instalacji zbudowanej z dobrych jakościowo elementów. Oprócz tego liczy się jednak coś więcej – optymalne dopasowanie oraz użytkowanie wszystkich elementów wchodzących w skład systemu pompowego. Tylko w ten sposób można uzyskać najwyższą wydajność energetyczną.
Zbliżone do ideału układy pompowe zgodnie z wizją użytkowników powinny składać się z doskonałych pomp napędzanych przez wysoko sprawne silniki elektryczne. Cechą pożądaną są także stosunkowo krótkie rurociągi, o dużych średnicach, w których liczba oporów miejscowych w postaci zaworów, kolanek itd. jest jak najmniejsza. Poza tym obiekt taki powinien być niezawodny, dostarczać w każdym momencie wymagany strumień cieczy, zapewniając tym samym niezbędną różnicę ciśnień na wyjściu i wejściu oraz wiązać się z niskimi kosztami eksploatacyjnymi.
Jak wynika z praktyki, prawidłowo dobrana instalacja należy do rzadkości. Najczęściej można spotkać się z systemami pompowymi, które pochłaniają dużo więcej energii, niż jest to konieczne. Skąd bierze się ten problem? Otóż projektanci instalacji na wszelki wypadek dobierają przewymiarowane w stosunku do realnego zapotrzebowania pompy, chcąc w ten sposób uniknąć reklamacji ze strony klientów. Cenę za to ponoszą jednak klienci, płacąc wyższą cenę za zakup samego urządzenia oraz za rachunki z tytułu zużycia energii w czasie eksploatacji pompy.
Dodajmy, że standardowa pompa stosowana w europejskich systemach ogrzewania pobiera moc od 80 do 100 W, podczas gdy wystarczające byłyby te o mocy od 25 do 35 W. Produkowane obecnie nowoczesne pompy z silnikami o elektronicznej regulacji obrotów pozwalają ograniczyć zużycie prądu co najmniej o 60%.
Zagadnienia energetyczne znajdują się w obszarze zainteresowań nie tylko samych użytkowników. W ostatnich latach stały się elementem debaty polityczno-społecznej w większości rozwiniętych krajów na świecie.
Zgodnie z literą prawa
Niewiele osób zdaje sobie sprawę z tego, że ok. 15% całkowitego zużycia energii elektrycznej w Europie przypada na proces pompowania. Dlatego tak istotną kwestią jest dobór odpowiedniej pompy. Najlepiej takiej, która będzie pobierała jak najmniej prądu. Świadomość rzeczywistego poziomu strat generowanych na każdym z etapów procesu pompowania jest punktem wyjścia do prowadzenia działań zmierzających do poprawy efektywności energetycznej układów pompowych. W 2005 r. Parlament Europejski i Rada Europy uchwaliły dyrektywę wprowadzającą konieczność konstruowania produktów, które wykorzystują energię w sposób przyjazny dla środowiska. W 2009 r. została ona zastąpiona nowym aktem prawnym poszerzającym zakres obowiązywania dyrektywy z produktów „wykorzystujących energię” na produkty „związane z energią” („Energy related Products”). Rozporządzenie podaje dopuszczalną wartość współczynnika efektywności energetycznej (EEI) pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych wolno stojących i pomp cyrkulacyjnych bezdławnicowych dostępnych na rynku Unii Europejskiej.
Plan „3 x 20” będzie wdrażany w następujący sposób:
- od początku 2013 r. pompy cyrkulacyjne bezdławnicowe wolno stojące osiągną poziom efektywności EEI nieprzekraczający wartości 0,27 (z wyjątkiem pomp specjalnie zaprojektowanych dla obwodów pierwotnych systemów cieplnych, które wykorzystują energię słoneczną oraz pomp ciepła),
- od sierpnia 2015 r. pompy cyrkulacyjne bezdławnicowe wolno stojące oraz pompy cyrkulacyjne bezdławnicowe zintegrowane z produktami osiągną poziom efektywności EEI nieprzekraczający wartości 0,23,
- od 2020 r. będą obowiązywać ograniczenia także w zakresie serwisu pomp w eksploatowanych już urządzeniach do wytwarzania ciepła. Ograniczeniom będą podlegać także pozostałe bezdławnicowe pompy obiegowe używane do ogrzewania i klimatyzacji, które pracują samodzielnie poza źródłem ciepła.
Warto dodać, że obecnie poziom współczynnika efektywności energetycznej (EEI) dla pomp klasy energetycznej A nie przekracza wartości 0,4. Mimo to w aktualnej ofercie rynkowej już dziś nie brakuje energooszczędnych urządzeń zgodnych z przepisami zawartymi w powyższej dyrektywie. Przykładem niech będą chociażby firma WILO – jeden z największych producentów pomp na świecie – oferująca wysokosprawne serie pomp pojedynczych Wilo-Stratos i Wilo-Stratos PICO, które na chwilę obecną spełniają rygorystyczne wymagania drugiego etapu rozporządzenia dotyczącego pomp bezdławnicowych. Niskim zużyciem energii elektrycznej charakteryzuje się także Wilo-Stratos GIGA – nowa pompa o najwyższej sprawności, bazująca na innowacyjnej konstrukcji hydraulicznej i nowej koncepcji napędu HED (ang. High Efficiency Drive). Wysoce energooszczędnym produktem jest również pompa MAGNA3 firmy Grundfos. Jej wskaźnik efektywności energetycznej EEI wynosi 0,19, co oznacza, że jest ona uznawana za najbardziej efektywną energetycznie pompę obiegową na rynku. Nowe rozwiązania w postaci opatentowanego przetwornika różnicy ciśnienia, kompozytowej tulei osłonowej wirnika silnika i kompaktowego stojana, który minimalizuje straty w uzwojeniu, sprawiają, że pompa ta z dużą nadwyżką spełnia wszystkie wymagania Unii Europejskiej zaplanowane na najbliższe lata.
Przyczyny strat energii
Żeby osiągnąć wysoką efektywność energetyczną instalacji pompowych, warto zapoznać się z głównymi przyczynami strat energii:
- · zastosowanie kilku/kilkunastu małych pomp zamiast jednej lub dwóch dużych,
- · nieuwzględnianie zmian warunków pracy, w których stosowana jest instalacja (sytuacja typowa np. dla sieci wodociągowych, w których zachodzą częste zmiany parametrów wymaganych dla pomp, spowodowanych rozwojem miast i zmianami technologicznymi),
- · nieodpowiedni stan techniczny pomp eksploatowanych przez bardzo długi czas lub ich zła jakość,
- · zastosowanie zbyt dużych elektrycznych silników napędowych,
- · zbyt duża energochłonność w sposobie regulacji wydajności,
- · niewłaściwe dobranie pomp do instalacji, mających zbyt duży zapas wysokości podnoszenia oraz/lub wydajności,
- · nieracjonalne rozwiązanie instalacji pod względem hydraulicznym,
- · błędy eksploatacyjne.
Jak zmniejszyć energochłonność instalacji pompowej?
Na szczęście istnieje wiele sprawdzonych sposobów, które skutecznie zwiększają efektywność energetyczną instalacji pompowej. Ogromnym ich atutem jest to, że mogą być zastosowane zarówno podczas projektowania nowego układu pompowego, jak też przy modernizacji obiektu istniejącego. Wśród tych metod można wyróżnić:
- · przemyślany dobór pomp do instalacji nowych lub poprawa doboru pomp w instalacjach już istniejących,
- · poprawa rozwiązań związanych z hydrauliką instalacji w celu zmniejszenia strat przepływu, a nade wszystko w celu wyeliminowania strat dławienia,
- · regulacja wydajności w celu redukcji energochłonności oraz zastosowanie wysokosprawnych układów napędowych w postaci energooszczędnych silników oraz układów regulacyjnych o wysokiej sprawności w całym zakresie pracy,
- · stosowanie nowych pomp cechujących się wysoką sprawnością lub poprawa sprawności pomp wcześniej zainstalowanych za pomocą racjonalnej modernizacji,
- · eksploatacja instalacji mająca na względzie oszczędność energii.
Dobór pompy
Najważniejszą sprawą jest dobór pompy o parametrach odpowiednich do potrzeb. Powinna ona tłoczyć objętość cieczy lub osadów odpowiednią do zapotrzebowania. Bardzo istotna jest również właściwa wysokość podnoszenia, co gwarantuje transportowanie cieczy pod odpowiednim ciśnieniem. Dlatego też moc pompy powinna być dobierana do pożądanej wydajności i wysokości podnoszenia. I chociaż pompa może pracować przy każdej kombinacji parametrów wynikających z charakterystyki, to trzeba pamiętać, że prawidłowo pracuje jedynie w pobliżu tzw. parametrów nominalnych, to znaczy takich, na jakie została skonstruowana. W tym zakresie sprawność pompy jest najwyższa. Z praktyki wiadomo, że im bardziej rzeczywisty punkt pracy pompy jest oddalony od punktu nominalnego, tym bardziej zmniejsza się sprawność, a dodatkowo występują inne niekorzystne zjawiska w postaci zwiększonego poziomu drgań i hałasu. Przykładowo, jeśli ciecz pompowana jest na maksymalną wysokość, jej wydajność będzie niższa. Oczywiście to, w jakim punkcie swojej charakterystyki pracuje pompa, jest zależne w dużej mierze od jej współpracy z układem, w którym jest zainstalowana. Istotny jest zatem dobór takiej pompy, której charakterystyka przetnie się z charakterystyką układu w zakresie optymalnych sprawności.
Warto dodać, że mając przeciętną lub dosyć słabą pompę i doskonaląc układ – jak również samą pompę – można uzyskać dużo większe korzyści, niż instalując w niezbyt dobrym hydraulicznie układzie najnowocześniejszą pompę, lecz źle dobraną i pozostawiając tę sytuację bez zmian.
– Jeśli chodzi o efektywność pomp, to najważniejszą, stanowiącą sedno sprawy, rzeczą jest właściwy dobór pompy. Tutaj mają znaczenie informacje z dwóch stron – użytkownika, który określi punkt pracy, i projektanta, który dobierze odpowiednią pompę. Niestety projektanci popełniają często błędy polegające na doborze pompy, która ma parametry niezgodne z wytycznymi. W konsekwencji pompa ma zawyżoną moc silnika lub pracuje na końcu charakterystyki, w wyniku czego intensywnie się zużywa – mówi Urszula Gaczoł z firmy Pomex.
Zastanawiając się nad typem i wielkością pompy, powinniśmy wziąć pod uwagę następujące czynniki: przeznaczenie pompy (ciepłownicza, wodociągowa itd.), parametry cieczy (jej temperatura, ciśnienie, własności fizyczne i chemiczne), warunki, w jakich ona pracuje (np. wilgotność powietrza), wymagana nadwyżka antykawitacyjna, a także dysponowany obszar zabudowy.
Tym wszystkim, którzy zamierzają kupić odpowiednią pompę, z pomocą przychodzą specjalne programy komputerowe służące do jej doboru. Osoby zainteresowane mogą skorzystać np. z oferowanego przez firmę WILO programu Wilo-Select, który zawiera pakiet narzędzi niezbędnych do projektowania, doboru oraz obliczeń pomp i systemów pompowych lub znajdującego się w ofercie firmy Hydro-Vacuum Programu Doboru Pomp, Tłoczni i Przepompowni.
Istotnym czynnikiem wpływającym na decyzję zakupową jest również cena pompy. Jeśli jednak przyjmiemy, że według szacunkowych danych koszt energii elektrycznej zasilającej systemy pompowe o przeciętnych parametrach oraz wydatki związane z ich naprawą i obsługą w całym okresie użytkowania są ok. 10–20 razy większe od jednorazowego kosztu zakupu, to dużo bardziej ekonomicznym rozwiązaniem wydaje się być zakup urządzenia droższego, o dużo wyższych sprawnościach. W ten sposób zwiększymy efektywność energetyczną, zmniejszając jednocześnie koszty związane z eksploatacją urządzenia.
Nieprawidłowo dobrane pompy to zjawisko powszechne. Prowadzi to do zaniżenia ich wydajności. Jak wynika z badań Hydraulic Institute czy Europejskiego Stowarzyszenia Producentów Pomp Europump, dobierając poprawnie pompę do układu pompowego, można zaoszczędzić do 40% energii, czego z pewnością nie da się osiągnąć za pomocą podnoszenia sprawności samych pomp. Jeśli chodzi o poprawę sprawności wynikającą z postępu technologicznego, to nie należy spodziewać się tu spektakularnych zmian, a jedynie kilkuprocentowego wzrostu.
Żeby zmniejszyć energochłonność pompy, należy zacząć od ogólnego audytu systemu pompowego, który pozwoli oszacować potencjał (jeśli w ogóle takowy jest) do uzyskania oszczędności.
Sposoby regulacji parametrów pracy pomp
Jeżeli wymagania odbiorcy cieczy zmieniają się w czasie, należy pamiętać o dostosowaniu do nich parametrów pracy pompy bądź systemu pompowego. Zmienność zapotrzebowania układu zawsze wymaga zastosowania odpowiedniej metody regulacji parametrów. Regulacja ta ma na celu zapewnienie takiej wydajności układu pompowego, jakiej wymaga instalacja oraz możliwie najniższego poboru mocy elektrycznej, uwzględniając jednocześnie ewentualne ograniczenia, a także wymogi niezawodnościowe i technologiczne.
Do najbardziej znanych metod regulacji należą:
Regulacja dławieniowa
Nadaje się głównie do pomp i systemów pompowych o płaskich charakterystykach oraz do pomp o rosnącej charakterystyce mocy. Regulacja ta realizowana jest zaworem tłocznym i polega na takim zdławieniu przepływu zaworem, aby uzyskał on wymaganą wartość. Ta metoda nie wymaga wprawdzie wysokich nakładów inwestycyjnych, ale także nie przyczynia się do dużych oszczędności energii. Efekt energetyczny regulacji dławieniowej jest identyczny jak przy zainstalowaniu innej pompy, o mniejszej wysokości podnoszenia oraz mniejszej sprawności.
Regulacja za pomocą zmiany prędkości obrotowej
Jest najbardziej efektywna w przypadku systemów pompowych, gdzie wysokość strat dominuje nad wysokością statyczną (np. w systemach obiegowych). Mimo że wymaga stosunkowo dużych nakładów finansowych, to jednak stwarza większą możliwość oszczędności energetycznej w porównaniu np. do regulacji dławieniowej.
Regulacja przez upust
Nadaje się jedynie do pomp o malejącym poborze mocy (np. pompy śmigłowe i niektóre diagonalne). Regulacja upustowa polega na odprowadzeniu części cieczy, która jest pompowana z przewodu tłocznego, z powrotem do zbiornika wyjściowego lub do innego odbiornika cieczy.
Regulacja przez zmianę liczby pomp pracujących równolegle
Metoda ta dotyczy regulacji całej pompowni, a nie tylko jednej pompy. Jej największą zaletą jest niski nakład inwestycyjny. Niestety trzeba być świadomym, że pompy o mniejszej wydajności przeważnie mają znacznie gorsze sprawności niż jedna większa pompa, która z powodzeniem mogłaby je zastąpić. To rozwiązanie na pewno docenią ci wszyscy, którym zależy na uzyskaniu zmieniającej się w dużym zakresie wydajności pompowni przy jednoczesnym utrzymaniu stosunkowo stałego ciśnienia w kolektorze tłocznym.
Korekta parametrów pomp
W przeciwieństwie do wyżej wymienionych sposobów ciągłej regulacji parametrów pomp, ich korekta należy do czynności jednorazowych. Najbardziej znanymi metodami korekty parametrów pomp są:
Zmniejszenie średnicy zewnętrznej wirnika
Ta powszechnie używana metoda jest możliwa do zastosowania jedynie w ograniczonym zakresie. Im mniejsza jest średnica wirnika, tym bardziej zmniejsza się wydajność oraz wysokość podnoszenia pompy. Zaletą tego sposobu korekty pomp jest niewielki koszt jego zastosowania;
Zmiana kąta wylotowego łopatek
Ta metoda pozwala na kilkuprocentowe zwiększenie wysokości podnoszenia pompy. Polega ona na pocieniowaniu łopatki od strony biernej na wylocie z wirnika, co powoduje, że kąt wylotowy strugi staje się większy. Słabą stroną tego zabiegu jest duże prawdopodobieństwo skrócenia żywotności wirnika oraz brak większego wpływu na poprawienie sprawności pompy;
Zmiana liczby stopni pompy
W przypadku pomp wielostopniowych wysokość podnoszenia zmienia się wprost proporcjonalnie do liczby stopni. Usunięte elementy zastępuje się tulejami prowadzącymi ciecz na kolejne stopnie. Największą zaletą tej metody jest niezmienna wydajność oraz sprawność pompy. W przeciwieństwie do redukcji średnicy wirnika, którą można samodzielnie przeprowadzić, tego rodzaju zabieg wymaga większej precyzji. Dlatego też warto go przeprowadzić we współpracy z producentem pompy;
Zmiana prędkości obrotowej
Zmiana prędkości obrotowej jest nie tylko metodą regulacji, ale także może być stosowana jako jednorazowa korekta parametrów. Ponieważ zmiana prędkości obrotowej nie skutkuje pogorszeniem sprawności pompy, zakres jej stosowania nie jest tak ograniczony jak w przypadku redukcji średnicy wirnika. Efektem redukcji prędkości obrotowej jest zarówno zmniejszenie wysokości podnoszenia pompy, jak i wartości wymaganej nadwyżki antykawitacyjnej oraz wartości hydraulicznych sił wzdłużnych i poprzecznych wpływających np. na zwiększenie trwałości pompy;
Wymiana pompy
Wymiana pompy na nowy, odpowiadający co do parametrów model wydaje się być rozwiązaniem idealnym, ale niestety bardzo drogim. Mało kto decyduje się na zakup nowej pompy, jeśli nie jest to naprawdę konieczne. Wysoki koszt jednorazowy powoduje, że większość użytkowników próbuje szukać innych rozwiązań, stosując dużo tańsze metody. Jeśli jednak zastosowane zabiegi nie przynoszą oczekiwanych rezultatów, warto rozważyć nabycie nowej pompy. Często okazuje się, że w perspektywie czasu zakup nowego urządzenia jest posunięciem dalece bardziej opłacalnym niż ciągłe inwestowanie w naprawę starej, wyeksploatowanej już pompy;
Modernizacja pompy
Modernizacja pompy ma na celu zaprojektowanie nowego układu przepływowego przy zachowaniu istniejących korpusów pomp. To rozwiązanie jest z pewnością tańsze niż zakup nowej pompy, jednak ma swoje wady. Przede wszystkich należy podkreślić, że w przypadku zachowania korpusów zakres korekty parametrów jest znacznie ograniczony. Ponadto eksploatowana przez długi czas powierzchnia korpusów jest skorodowana i chropowata, co ma bezpośrednie przełożenie na sprawność pomp o dużej wydajności w stosunku do wysokości podnoszenia. Owszem, można zastosować specjalne powłoki wygładzające te newralgiczne miejsca, jednak nie zawsze przynosi to oczekiwane rezultaty. Z tego powodu zmodernizowana pompa, mimo nowego układu przepływowego, ustępuje sprawnością nowej pompie. Ponadto ze względu na wyeksploatowane już elementy żywotność takiej pompy jest niewątpliwie krótsza. Do listy słabych stron dochodzą jeszcze: niepewność co do uzyskanych parametrów technicznych oraz wydajności zmodernizowanej w ten sposób konstrukcji, a także wysokie nakłady inwestycyjne związane z przebudową układu przepływowego.
Jak widać, istnieje wiele sposobów, których zastosowanie, w mniej lub bardziej efektywny sposób, przyczynia się do zwiększenia wydajności energetycznej pomp i systemów pompowych. Z uwagi na fakt, że transport cieczy pochłania ogromną ilość energii elektrycznej, każdy użytkownik powinien mieć świadomość konieczności jej oszczędzania. Dotyczy to przede wszystkim dużych odbiorców przemysłowych, dla których wskaźniki energetyczne powinny być kwestią priorytetową.
Autor: Agata Grabowska
