Энергоэффективность насосного оборудования

По разным оценкам до 20-25% мирового потребления всей вырабатываемой электроэнергии приходится на насосное оборудование. В некоторых отраслях этот показатель достигает 50% и более.

Ведущие производители циркуляционных насосов добровольно объединились и объявили о введении маркировки эффективности энергопотребления для своей продукции. И хотя для такого рода устройств, как циркуляционные насосы, до сих пор не существовало соответствующих указаний ЕС, результатом сотрудничества производителей насосов стали разработка и внедрение классификации энергопотребления. Критерий, используемый для этого, предполагает сопоставление энергопотребления конкретного исследуемого насоса с энергопотреблением среднего насоса, обладающего такой же гидравлической мощностью. Введение подобной маркировки должно привести к осознанию необходимости использования энергоэффективных технологий разработчиками, проектировщиками, монтажниками отопительного оборудования, а также рядовыми домовладельцами. Новая маркировка распределяет эффективность энергопотребления по классам, обозначаемым буквами с «А» по «G» и, таким образом, четко и ясно видны энергосберегающие способности насосов. Главная цель разработки стандартов энергоэффективного оборудования – дать потребителю представление о том, что же такое современная энергоэффективная техника. А самое главное – дать потребителю реальное представление, какую именно выгоду он получает при использовании энергоэффективного оборудования. В среднем на циркулярные насосы уходит до 15% от общего количества электроэнергии, потребляемой жилым домом. Расчёты показывают, что, используя энергосберегающие насосы, можно сэкономить до 75% энергии, потребляемой насосами, а в целом для всего дома это даст уменьшение потребления электроэнергии в размере до 10%.

Основным параметром, который позволяет классифицировать насосное оборудование по энергоэффективности, является индекс EEI. Индекс эффективности «А» присваивается самым энергоэффективным насосам, «G» – самым неэффективным насосам. В настоящее время уровень развития мировой насосной промышленности таков, что подавляющая масса насосного оборудования относится к классам «C» и «D». Ведущие мировые производители сегодня стремятся повысить классность своего оборудования до «A» и «B». В России основная масса насосного оборудования относится к классам «C» и «D», которого больше в 4-5 раз, чем энергоэффективного оборудования классов «A» и «B». Для примера, в России эксплуатируется более 3 млн насосов, и повышение их энергоэффективности позволит сэкономить столько же электроэнергии, сколько потребляет за год промышленный центр Набережные Челны. Расчет индекса EEI и классификация энергетической эффективности насосов производится на основании измерений. Измеряется потребляемая мощность насосов в четырех различных рабочих точках в соответствии с профилями загрузки. Результатом вычислений является индекс энергоэффективности EEI. Чем он ниже, тем меньше электроэнергии потребляет насос и тем выше его энергетический класс.

Между двумя соседними классами разница в расходе энергии составляет около 20% от принятого за основу энергопотребления класса «D». То есть насос класса «А» потребляет около трети электроэнергии по сравнению с насосом класса «D». Например, если в доме стоит насос класса «D», то при замене его насосом класса «А» экономия электроэнергии может составить до 75%.

Ведущие европейские производители насосов совершили качественный скачок в области оптимизации потребления электроэнергии отопительными насосами, создав ряд современных высокоэффективных энергосберегающих циркуляционных насосов с мокрым ротором. Это стало возможным благодаря применению новейших электродвигателей постоянного тока. Такие насосы представляют оборудование класса «А» – наиболее энергосберегающего. Класс энергетической эффективности «А» – это новая отличительная особенность европейских циркуляционных насосов. Существующие насосы перекрывают диапазон от 0,09 до 1,3 кВт.

Компанией Грундфос разработана серия новых энергоэффективных насосов ALPHA2 и MAGNA3. ALPHA2 – это циркуляционный насос для систем отопления и горячего водоснабжения частных домов. Насос ALPHA2, обладает самым низким индексом энергоэффективности (всего 0,15) и намного опережает общепринятые стандарты и любую другую модель циркуляционного насоса, представленную на рынке. Циркуляционные насосы MAGNA3 оснащены функцией AUTOAdapt, и способны самостоятельно выбирать оптимальный режим энергопотребления. MAGNA3 отвечает самым современным требованиям к экономичности, производительности и надежности промышленного оборудования. Эти насосы могут использоваться в системах отопления и охлаждения не только частных и многоэтажных домов, но и промышленных предприятий.

MAGNA3 уже получил ряд европейских премий, в том числе за дизайн и экономичность. Так, высокую оценку продукту дал специализированный профессиональный журнал «Ingeniørens», отдав ему первое место в премии «Sustainability Award» за энергосбережение и рациональное использование ресурсов. По оценке издания, наибольший интерес представляет беспроводной интерфейс GRUNDFOS GO. Он дает пользователю возможность контролировать работу насоса и управлять им через смартфон или планшетный компьютер (IOS и Android).

Преимущества насосов класса «А» по достоинству оценили и в России. Они позволяют экономить до 80% электроэнергии по сравнению с обычными насосами. С пополнением семейства насосов класса «А» появляется возможность обеспечить здание и производственные объекты любой величины соответствующей высокоэффективной отопительной системой.

Среди основных преимуществ новых насосов класса «А» можно отметить:

• оснащенность электродвигателями класса Eff1 — наивысшего класса энергоэффективности согласно европейской классификации;
• высокий КПД проточной части;
• коррозионностойкое катафорезное покрытие внутренней и внешней поверхности корпуса насосов;
• наличие исполнений для перекачивания различных жидкостей (воды, гликольсодержащих растворов и т.п.).

Основные области применения, где новые насосы приносят максимальную экономию — крупные коммунальные системы централизованного теплоснабжения и водоснабжения, а также промышленные водооборотные системы, промышленные системы вентиляции и кондиционирования, промышленные холодильные системы. Но и владельцы индивидуальных домов при установке насосов класса «А» в свои системы отопления и водоснабжения почувствуют выгоду уже в первый год эксплуатации.

Пути повышения энергоэффективности насосных систем

Основой энергоэффективного использования насосного оборудования является согласованная работа на сеть, т.е. рабочая точка должна находиться в рабочем диапазоне характеристики насоса. Выполнение этого требования позволяет эксплуатировать насосы с высокой эффективностью и надежностью. Рабочая точка определяется характеристиками насоса и системы, в которой установлен насос. На практике многие водоснабжающие организации сталкиваются с проблемой неэффективной эксплуатации насосного оборудования. Зачастую к.п.д. насосной станции значительно ниже к.п.д. установленных на ней насосов.

Исследования показывают, что в среднем к.п.д. насосных систем составляет 40%, а 10% насосов работают с к.п.д. ниже 10%. В основном это связано с переразмериванием (выбором насосов с большими значениями подачи и напора, чем требуется для работы системы), регулированием режимов работы насосов при помощи дросселирования (т.е. задвижкой), износом насосного оборудования. Выбор насоса с большими параметрами имеет две стороны.

Как правило, в системах водоснабжения график водопотребления в сильной степени меняется в зависимости от времени суток, дня недели, времени года. При этом станция должна обеспечить максимальное водопотребление в штатном режиме во время пиковых нагрузок. Зачастую к этому добавляется и необходимость подачи воды на нужды систем пожаротушения. При отсутствии регулирования насос не может эффективно работать во всем диапазоне изменения водопотребления.

Эксплуатация насосов в условиях изменения требуемых расходов в широком диапазоне приводит к тому, что оборудование большую часть времени работает за пределами рабочей области, с низкими значениями к.п.д. и низким ресурсом. Иногда к.п.д. насосных станций составляет 8-10% при том, что к.п.д. установленных на них насосов в рабочем диапазоне составляет свыше 70%. В результате такой эксплуатации у потребителей складывается ложное мнение о ненадежности и неэффективности насосного оборудования. А учитывая тот факт, что значительную его долю составляют насосы отечественного производства, возникает миф о ненадежности и неэффективности отечественных насосов. При этом практика показывает, что целый ряд отечественных насосов по показателям надежности и энергоэффективности не уступает лучшим мировым аналогам. Для оптимизации энергопотребления существует множество способов, основные из которых приведены в таблице 1.

Таблица 1. Методы снижения энергопотребления насосных систем

Методы снижения энергопотребления насосных систем	Снижение энергопотребления
Замена регулирования подачи задвижкой на регулирование частотой вращения	10 — 60%
Снижение частоты вращения насосов, при неизменных параметрах сети	5 — 40%
Регулирование путем изменения количества параллельно работающих насосов.	10 — 30%
Подрезка рабочего колеса	до 20%, в среднем 10%
Использование дополнительных резервуаров для работы во время пиковых нагрузок	10 — 20%
Замена электродвигателей на более эффективные	1 — 3%
Замена насосов на более эффективные	1 — 2%

Эффективность того или иного способа регулирования во многом определяется характеристикой системы и графиком ее изменения во времени. В каждом случае необходимо принимать решение в зависимости от конкретных особенностей условий эксплуатации. Например, получившее в последнее время большое распространение регулирование насосов при помощи изменения частоты не всегда может привести к снижению энергопотребления. Иногда это дает обратный эффект. Применение частотного привода имеет наибольший эффект при работе насосов на сеть с преобладанием динамической составляющей характеристики, т.е. потерь в трубопроводах и запорно-регулирующей арматуре. Применение каскадного регулирования путем включения и выключения необходимого количества насосов, установленных параллельно, имеет наибольший эффект при работе в системах с преимущественной статической составляющей.

Поэтому основным исходным требованием для проведения мероприятий по снижению энергопотребления является характеристика системы и ее изменение во времени. Основная проблема при разработке энергосберегающих мероприятий связана с тем, что на действующих объектах параметры сети практически всегда неизвестны, и сильно отличаются от проектных. Отличия связаны с изменением параметров сети вследствие коррозии трубопроводов, схем водоснабжения, объемов водопотребления и т .п.

Для определения реальных режимов работы насосов и параметров сети возникает необходимость проведения замеров непосредственно на объекте с использованием специального контрольно-измерительного оборудования, т.е. проведения технического аудита гидравлической системы. Для успешного проведения мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности установленного оборудования, необходимо располагать как можно более полной информацией о работе насосов и учитывать ее в дальнейшем. В целом можно выделить несколько определенных последовательных этапов аудита насосного оборудования.
1. Сбор предварительной информации о составе оборудования, установленного на объекте, в т.ч. сведений о технологическом процессе, в котором используются насосы (станции первого, второго, третьего подъемов и т.д.)
2. Уточнение на месте предварительно полученной информации о составе установленного оборудования, возможностей получения дополнительных данных, наличия средств проведения измерений, системе управления и т.д. Предварительное планирование проведения испытаний.
3. Проведение испытаний на объекте.
4. Обработка и оценка результатов.
5. Подготовка технико-экономического обоснования для различных вариантов модернизации.

Таблица 2. Причины повышенного энергопотребления и меры по его снижению

Причины высокого энергопотребления	Рекомендуемые мероприятия по снижению энергопотребления	Ориентировочный срок окупаемости мероприятий
Наличие в системах периодического действия насосов, работающих в постоянном режиме независимо от потребностей системы, технологического процесса и т.п.	— Определение необходимости в постоянной работе насосов. — Включение и выключение насоса в ручном или автоматическом режиме только в промежутки времени.	От нескольких дней до нескольких месяцев
Системы с меняющейся во времени величиной требуемого расхода.	— Использование привода с регулируемой частотой вращения для систем с преимущественными потерями на трение — Применение насосных станций с двумя и более параллельно установленными насосами для систем с преимущественно статической составляющей характеристики.	Месяцы, годы
Переразмеривание насоса.	— Подрезка рабочего колеса. — Замена рабочего колеса. — Применение электродвигателей с меньшей частотой вращения. — Замена насоса на насос меньшего типоразмера.	Недели — годы
Износ основных элементов насоса	— Ремонт и замена элементов насоса в случае снижения его рабочих параметров.	Недели
Засорение и коррозия труб.	— Очистка труб — Применение фильтров, сепараторов и подобной арматуры для предотвращения засорения. — Замена трубопроводов на трубы из современных полимерных материалов, трубы с защитным покрытием	Недели, месяцы
Большие затраты на ремонт (замена торцовых уплотнений, подшипников) — Работа насоса за пределами рабочей зоны, (переразмеривание насоса).	— Подрезка рабочего колеса. — Применение электродвигателей с меньшей частотой вращения или редукторов в тех случаях, когда параметры насоса значительно превосходят потребности системы. — Замена насоса на насос меньшего типоразмера.	Недели-годы
Работа нескольких насосов, установленных параллельно в постоянном режиме	— Установка системы управления или наладка существующей	Недели

Рис. 1. Работа насоса на сеть с преимущественной статической составляющей при частотном регулировании

Рис. 2. Работа насоса на сеть с преимущественными потерями на трение при частотном регулировании

При первичном посещении объекта можно определить «проблемные», с точки зрения энергопотребления, насосы. В таблице 2 приведены основные признаки, которые могут свидетельствовать о неэффективной эксплуатации насосного оборудования и типовые мероприятия, которые могут исправить положение с указанием ориентировочного срока окупаемости мероприятий по энергосбережению.

В результате проведения испытаний необходимо получить следующую информацию:
1. Характеристики системы и ее изменения с течением времени (часовой, суточный, недельный графики).
2. Определение действительных характеристик насосов. Определение режимов работы насосов для каждого из характерных режимов (наиболее продолжительный режим, максимальная, минимальная подача).

Оценка применения различных вариантов модернизации и способа регулирования принимается на основании расчета стоимости жизненного цикла (LCC) оборудования. Основную долю в затратах жизненного цикла любой насосной системы составляют затраты на электроэнергию. Поэтому на этапе предварительной оценки различных вариантов необходимо воспользоваться критерием удельной мощности, т.е. мощности, потребляемой насосным оборудованием, отнесенной к единице расхода перекачиваемой жидкости.

Выводы:
Задачи снижения энергопотребления насосного оборудования решаются, прежде всего, путем обеспечения согласованной работы насоса и системы. Проблема избыточного энергопотребления насосных систем, находящихся в эксплуатации, может быть успешно решена за счет модернизации, направленной на обеспечение этого требования.

В свою очередь, любые мероприятия по модернизации должны опираться на достоверные данные о работе насосного оборудования и характеристиках системы. В каждом случае необходимо рассматривать несколько вариантов, а в качестве инструмента по выбору оптимального варианта использовать метод оценки стоимости жизненного цикла насосного оборудования.

Александр Костюк, кандидат физико-математических наук, директор программы насосов для воды;
Ольга Диброва, инженер;
Сергей Соколов, ведущий инженер. ООО «УК «Группа ГМС»