Энергосберегающие циркуляционные насосы: как работают, на что обратить внимание и как правильно выбрать

Почему энергопотребление в системах циркуляционных насосов заслуживает серьезного внимания

Циркуляционные насосы являются одними из наиболее часто упускаемых из виду потребителей энергии в сфере коммунальных услуг, промышленных систем и сетей централизованного теплоснабжения. В отличие от чиллеров или котлов HVAC, которые привлекают внимание из-за своих видимых размеров и очевидного энергопотребления, циркуляционные насосы работают непрерывно в фоновом режиме — часто работая с фиксированной скоростью и на полной мощности независимо от того, действительно ли система нуждается в полном расходе в любой данный момент. В типичной системе отопления жилого дома циркуляционный насос может составлять 5–10% от общего потребления электроэнергии в доме. В коммерческих зданиях с несколькими гидравлическими контурами, промышленными контурами охлаждения и установками централизованного теплоснабжения совокупная энергия, потребляемая насосными системами, может составлять 20–30% от общей электрической нагрузки объекта. Такой масштаб потребления делает повышение эффективности насосов одним из самых эффективных мер по рентабельности инвестиций, доступных как в управлении энергопотреблением зданий, так и в оптимизации промышленных процессов, однако он систематически остается недостаточно использованным, поскольку неэффективность является скрытой и постепенной, а не очевидной и резкой.

Переход от односкоростных циркуляционных насосов с фиксированной скоростью к энергосберегающим циркуляционным насосам с регулируемой скоростью и электронным управлением представляет собой наиболее значительный прогресс в насосной технологии за последние три десятилетия. Понимание того, чем современные энергосберегающие насосы отличаются от других, как они достигают повышения эффективности, а также как правильно выбирать и определять их для конкретного применения, является практической основой любой серьезной программы снижения энергопотребления в здании или процессе.

Как традиционные циркуляционные насосы с фиксированной скоростью тратят энергию

Чтобы понять, почему энергосберегающие циркуляционные насосы обеспечивают такое резкое повышение эффективности, необходимо сначала понять, почему их предшественники тратят так много энергии. Традиционные циркуляционные насосы используют асинхронные двигатели переменного тока, работающие с фиксированной скоростью, определяемой частотой питания — обычно 50 Гц в Европе и большей части Азии, 60 Гц в Северной Америке. Это означает, что крыльчатка насоса вращается с постоянной скоростью независимо от фактической потребности в потоке, предъявляемой системой в любой момент. В контуре отопления или охлаждения тепловая потребность постоянно меняется в зависимости от температуры наружного воздуха, занятости, солнечной энергии и графиков работы. Система отопления, предназначенная для обеспечения полного расхода в пиковые зимние условия – возможно, 10–15 дней в году – работает в том же режиме полного расхода в течение оставшихся 350 дней, когда спрос частичный, умеренный или минимальный.

Физика этой ситуации регулируется законами сродства насосов, которые гласят, что потребляемая мощность зависит от куба скорости вращения. Насос, работающий на 80 % расчетной скорости, потребляет только 51 % мощности на полной скорости (0,8³ = 0,512). Насос, работающий на скорости 60 % от проектной, потребляет только 22 % мощности на полной скорости. Эти отношения означают, что даже незначительное снижение рабочей скорости, достигаемое за счет согласования скорости насоса с фактической потребностью системы, а не за счет непрерывной работы на полной скорости, приводит к непропорционально большому снижению энергопотребления. Насос с фиксированной скоростью, который работает на полной мощности 8760 часов в год, в то время как системе требуется полный поток только в течение 500 из этих часов, тратит огромное количество электроэнергии, что структурно неизбежно без технологии регулирования скорости.

Технология, лежащая в основе современных энергосберегающих циркуляционных насосов

Современные энергосберегающие циркуляционные насосы достигают своей эффективности за счет интеграции трех ключевых технологий: двигателей с постоянными магнитами с электронной коммутацией, встроенных частотно-регулируемых приводов и интеллектуальных алгоритмов управления, которые постоянно согласовывают производительность насоса с потребностями системы. Эти три элемента работают вместе как неразрывная система, а не как независимые компоненты, поэтому производительность интегрированных энергосберегающих насосных агрегатов существенно превышает достижимую при дооснащении преобразователем частоты обычного асинхронного электронасоса.

Двигатели с постоянными магнитами с электронной коммутацией

Двигатель высокоэффективного циркуляционного насоса представляет собой бесщеточный двигатель постоянного тока с постоянными магнитами (также называемый ECM — двигатель с электронной коммутацией), а не асинхронный двигатель переменного тока, используемый в обычных насосах. Двигатели с постоянными магнитами устраняют потери в меди ротора, которые составляют значительную часть рассеивания энергии асинхронного двигателя, поскольку поле ротора создается постоянными магнитами, а не наведенным током. Это обеспечивает эффективность полной нагрузки двигателей ECM на уровне 90–95 % по сравнению с 75–85 % для эквивалентных асинхронных двигателей и, что особенно важно, сохраняет высокий КПД в широком диапазоне рабочих точек при частичной нагрузке. КПД асинхронного двигателя, работающего при 30% номинальной нагрузки, обычно падает до 60–65%; двигатель ECM с постоянными магнитами при той же частичной нагрузке сохраняет эффективность 85–90%. Поскольку системы циркуляционных насосов проводят большую часть своего рабочего времени при частичной нагрузке, это преимущество эффективности при частичной нагрузке на практике гораздо важнее, чем только номинальный показатель эффективности при полной нагрузке.

Интегрированные частотно-регулируемые приводы

Встроенный электронный привод энергосберегающего циркуляционного насоса преобразует входящий переменный ток в выходной сигнал постоянного и переменного напряжения переменной частоты и переменного напряжения, который точно контролирует скорость двигателя в ответ на управляющие сигналы. В специальном циркуляционном насосном агрегате этот привод разработан специально для двигателя, которым он управляет: согласование импеданса, частота переключения и управление температурой оптимизированы для конкретного двигателя, а не для общей оптимизации, необходимой для универсального частотно-регулируемого привода. Такой интегрированный подход обеспечивает эффективность привода на уровне 97–99 % по сравнению с 93–96 % для частотно-регулируемых приводов общего назначения, а также устраняет сложность установки, требования к проводке и потенциальные проблемы ЭМС, связанные с установкой отдельных приводов.

Интеллектуальные режимы и алгоритмы управления

Интеллектуальное управление, встроенное в современные энергосберегающие циркуляционные насосы, превращает возможности регулирования скорости в реальную экономию энергии в реальной работе системы. Ведущие производители насосов предлагают несколько режимов управления, подходящих для разных типов систем и принципов работы. Пропорциональное управление давлением поддерживает перепад давления на насосе, пропорциональный расходу — когда потребность в расходе падает, заданное давление соответственно снижается, что позволяет насосу замедляться больше, чем позволяет регулирование постоянного перепада давления. Регулирование постоянного давления поддерживает фиксированный перепад давления независимо от расхода, что подходит для систем, в которых потеря давления сосредоточена в одной точке, а не распределяется по сети. Управление на основе температуры, доступное в некоторых моделях тепловых насосов, регулирует скорость насоса в зависимости от разницы температур подачи и обратки в системе, замедляя работу насоса, когда разница температур сужается (что указывает на снижение потребности в тепле), и увеличивая скорость, когда она увеличивается. Автоматическое управление, предлагаемое несколькими производителями премиум-класса, позволяет насосу со временем изучать фактические рабочие характеристики системы и постоянно оптимизировать собственную уставку без ручного ввода в эксплуатацию.

Классификации энергоэффективности и нормативные стандарты

Энергетическая эффективность циркуляционных насосов количественно оценивается и регулируется с помощью индекса энергоэффективности (EEI), показателя, введенного Директивой ErP (продукции, связанной с энергетикой) Европейской комиссии, который измеряет фактическое потребление энергии насосом в репрезентативном диапазоне рабочих условий по сравнению с эталонным насосом. Шкала EEI варьируется от 0 до 1, причем более низкие значения соответствуют большей эффективности. В следующей таблице приведены текущие и исторические пороговые значения EEI и их практическое значение для насосов s.