e-gépész online szaklap

A szivattyúk hatékonysága

| | |  0 | |

A szivattyúk hatékonysága

Szivattyúk kiválasztásánál általában az élettartamot, azaz az anyagi minőséget, illetve az energetikai hatékonyságot célszerű figyelembe venni. A mai napig léteznek AC motoros szivattyúk beépítve, de ahol csak lehetett, ezeket frekvenciaváltókkal korszerűsítették. A legújabb szivattyúmotorok jellemzően már EC (elektronikus kommutációjú) és PM (állandó mágneses) jelölést kaptak.

Elektromos hajtású motorokról lévén szó, bevezetőként egy kis villamosságtan keretében nézzük át, milyen szivattyúk vannak, illetve melyek ezek ismérvei. A hagyományos AC, azaz aszinkron motorok kora lejárt a szivattyúk területén, mert ezek a berendezések nem szabályozhatók gazdaságosan. Tény az, hogy léteznek olyan területek, ahol minden esetben teljes terhelésen, 100 százalékon kell üzemeltetni a motorokat (például egy kapumozgató motor), ebben az esetben jól használható egy AC motor is, de ahol szabályozásra van szükség, lehetőség, ott kevésbé. Miért is van szükség a szabályozásra? Beszéljenek a számok.

Teljes életciklust érdemes nézni

Egy szivattyú vizsgálatánál célszerű a teljes élettartam-költséget alapul venni, azaz a beszerzési áron túl figyelembe kell venni az élettartamra (általában 10 vagy 15 évvel számolnak) levetített energetikai, valamint a karbantartási költségeket is.Talán meglepően hangzik, de a nedves tengelyű szivattyúk esetén a beszerzési ár a 12 százaléka, az energetikai költség pedig a 88 százaléka a teljes költségnek. A száraz tengelyű szivattyúknál az energiaköltség 85 százalék, a beszerzési ár a teljes költség 8 százaléka, míg a karbantartás 7 százalékos szeletet hasít ki a költségtortából. Látható, hogy a legnagyobb megtakarítás az energetikai költségek lefaragásával valósulhat meg. Ennek megfelelően tehát valamilyen módon az AC motorokat szabályozni, vagy cserélni kell – hangsúlyozzuk –, ahol lehet és szükséges. Úgy kell tehát szabályoznunk a motorok fordulatszámát, hogy közben ne történjék teljesítménycsökkenés. Ezt kezdetben többfokozatos transzformátor-kapcsolással oldották meg, ami azt jelenti, hogy egy motor 4-5 fokozaton tudott működni, de nem volt köztes állapot. Sokkal jobb, kézenfekvőbb megoldás a motorokat tápláló feszültség frekvenciájának változtatása egy arra alkalmas frekvenciaváltó készülék beépítésével. Így megvalósítható a fokozatmentes szabályozás. Ezzel óriásit léptünk előre az energiamegtakarítás, és a technológia fejlődése területén.

Azonban a fejlődés nem állt meg, újabb lehetőségek jelentek meg a szivattyú- és a ventillátortechnikában is, amelyek még több energiamegtakarítást eredményeztek. Mi tagadás, az EU-s irányelvek, direktívák, az ErP-rendelet is lépésre sarkallta a gyártókat. Megjelentek az EC motorok. Az EC motor egy állandó gerjesztésű egyenáramú motor, ahol az elektromos áram átvezetését a forgórészre a hagyományos szénkefék helyett elektromos kapcsolók végzik. A hagyományos egyenáramú motoroknál az áram szabályozott átvezetését az állórész szénkeféitől a forgórész megfelelő kommutátorszeleteihez irányítják, így hozzák létre a forgórészben a forgó mágneses mezőt, ami által a rotor forgómozgást végez. Ennél az egyenáramú motornál az irányítástechnika, hajtástechnika fejlődése, méretcsökkenése, költségcsökkenése lehetővé tette Hall érzékelő szenzorok beépítését a rotorhelyzet felismeréséhez. Így a hagyományos mechanikus működés közben kopó szénkefe és rézötvözet–kommutátor-kapcsolatot felváltotta a megbízható félvezetőkből, integrált áramkörökből felépített vezérlő elektronika (teljesítményelektronika). A maximális elérhető fordulatszámot nem a kommutátorszeletek mechanikus rögzítése határozza meg. A lég-és klímatechnika, valamint a szivattyútechnika igényelte a kompaktabb, jól szabályozható, higiéniás követelményeknek is megfelelő motorokat, mivel a hajtás direkt vagy ékszíjhajtáson keresztül valósult meg az AC motorok esetében.

A szivattyúk mechanikai hatásfokát már nem nagyon lehet javítani, de jelentős potenciál rejlik a villanymotor üzemelésének fejlesztésében

Kétségtelen előnyök

Miért is jobb az egyenáramú EC motor, mint a frekvenciaváltós váltakozó áramú AC? Erre vonatkozóan nézzünk egy egyszerű példát, egy VRV rendszerű folyadékhűtőt. Abban az esetben, ha változó térfogatáramú rendszerünk van, akkor kisebb térfogatáramnál a rendszer nagyobb és nagyobb nyomásviszonyok mellett fog üzemelni. Viszont a kisebb térfogatáram ellenére a teljesítményfelvétel közel azonos. Ez a felismerés ösztönözte a fejlesztőket a VRV rendszerek energiatakarékosabb üzemeltetését biztosító, kompakt EC motoros hajtás kifejlesztésére. A fentieken túlmenően a váltóáramú aszinkronmotoros hajtás nyomatéktartása a fordulattal változik. Így automatikusan adódott a gondolat, hogy az egyenáramú motor kiváló nyomatéktartását és az aszinkronmotor megbízhatóságát a jelenlegi műszaki színvonal mellett össze lehet vonni.

Egyszerű AC villanymotor

Így épül fel egy EC motor

Manapság már 7 kW-ig gyártanak EC motorokat. Ennek megvalósításához a gyártók a motor tekercselését állandó mágnesekkel helyettesítik, kommutációs áramköri elemeket építenek be, így kiküszöbölhető a szénkefék mechanikus kopása. Egy EC motorban az elektromágnesek nem mozognak; helyettük az állandó mágnesek forognak, és az armatúra marad nyugvó, így a mozgó armatúrába könnyen átvihető az áram. Az állórész egyszerűen tekercspárokból áll, melyek egy ferromágneses lemezekből álló magon vannak. A kefe–kommutátor rendszert felváltja egy elektronikus vezérlő. A vezérlő hasonlóan osztja el az áramot, mint ahogy az egyenáramú kefés motornál történik, de ez egy félvezetős áramkör a kefe–kommutátor rendszer helyett. A tekercspárokra egymás után kapcsol feszültséget a vezérlő, így jön létre a forgó mágneses mező.

Az állandó mágneses motoroknak 1–10%-kal jobb a hatásfokuk, mint egy átlagos hárompólusú aszinkronmotornak, mert az állandó mágnesek miatt a forgórész-veszteségek gyakorlatilag elkerülhetők. Ez függ az aszinkronmotor minőségétől és teljesítménytartományától, nagyobb teljesítménytartományoknál a hatásfokok közti eltérés lecsökken. Ami azonban még számottevőbb, hogy alacsony fordulatszámon, részterheléses üzemben (az esetek 80%-a ilyen) jelentős mértékben jobb az EC motorok hatásfoka, mint akár az AC, akár a frekvenciaváltós AC motorok esetében.

Frekvenciaváltós AC villanymotor

Hatékonyabb szivattyúüzem

Ami egy teljesen új trend, az adaptív, öntanuló technikák megjelenése a szivattyútechnológiában. Ennek lényege, hogy az eszközök önmagukban is rengeteg információt gyűjtenek, mérnek. Képesek arra, hogy a rendszerben bekövetkező változások hatására saját magukat beállítsák egy gazdaságos üzemre. Például a HMV cirkulációs szivattyúknál is van már egy érzékelő, amely az előremenő ágban van, figyeli, hogy mikor van fogyasztás a hálózaton, és önmaga beállítja a szivattyúhoz tartozó időprogramot. Manuális, nem öntanuló esetben sajnos a legtöbb szerelő, kivitelező nem figyel a beállításokra, például ezt az időprogramot nem állítják be megfelelően. Ha változnak a fogyasztási szokások, ráadásul át kellene konfigurálni a beállításokat is. Az idő előrehaladtával az üzemeltetők is ráunnak, és hagyják a szivattyút fix fordulaton járni. Tehát, mivel kibővült mérő és diagnosztikai funkcióval gazdagodtak az eszközök, ezt az üzemeltetőknek is követniük kellene. A berendezések immár olyan adatokat szolgáltatnak, melyekkel optimalizálni lehet a rendszer működését. Egy épületfelügyeleti rendszernek ez lenne a feladata, de jelenleg ez „vakvágány”. Ha vannak is adatok, senkit nem érdekelnek, csak – a spórolás miatt – alapinformációkat gyűjtenek: működik, nem működik. Manapság egy korszerű szivattyú 10-12 adatot képes szolgáltatni, valamint különböző trendadatokat is. Ennek a segítségével annyi a feldolgozható információ egy adott berendezésről, hogy felismerhető a hibás működés is, sőt, segíti az üzemeltetőt abban is, hogy mit kell változtatni a hiba kiküszöbölésére.

EEI-index

A szivattyúk hidraulikai hatásfokának fejlesztése tekintetében nincsenek csodák, jelentős előrelépés a technika és a tudomány jelenlegi állása szerint nem lehetséges. Viszont a villanymotoroknál több keresnivalónk van. Az állandó mágneses (PM motor) technológia 2002 táján forradalmasította a lehetőségeket, csaknem megduplázódott a nedves tengelyű motorok hatásfoka. Ami viszont még ennél is többet jelent, hogy leszabályozott fordulatszám mellett is képesek magas értéken tartani a hatásfokot.

A nedves tengelyű szivattyúk esetén az ErP szabályozás új szemléletmódot is hozott. Míg a ventilátorok, a villanymotorok és sok más berendezés esetén kizárólag a névleges hatásfok alapján határozták meg a teljesítési kritériumokat, addig a nedves tengelyű szivattyúknál más megközelítést alkalmaztak. A legtöbb épületgépészeti berendezés üzemidejének kb. 10 százalékában működik csúcsteljesítményen, általában visszaszabályozva használják a gépeket. A névleges hatásfokot a névleges teljesítményre határozzák meg, részteljesítményen azonban ezek az értékek jelentős mértékben csökkenhetnek, csökkennek. A keringtető szivattyúk esetén kevésbé releváns a névleges hatásfok. Ezeknél a berendezéseknél egy EEI (Energy Efficiency Index, azaz energiahatékonysági mutató) indexet kell meghatároznia a gyártóknak, melyet az adattáblán fel kell tüntetni. A rendelet ennek megfelelően definiál egy terhelési profilt, és gyakorlatilag a teljes éves energiafogyasztás alapján kerül meghatározásra az EEI index. Ez a terhelési profil egy változó térfogatáramú rendszert modellez, különböző munkapontoknál meghatározott üzemórákkal. Mivel a részterhelésű állapotok gyakorisága magasabb, egy állandó fordulatú szivattyú, amely nem képes a teljesítményét visszaszabályozni, még magasabb névleges hatásfok esetén is rosszabb EEI indexet fog produkálni, mint egy szabályozott gép.

Ezzel a termékeket életszerű módon minősítették, mert a valós működést veszik figyelembe. A nedves tengelyű keringtető szivattyúkon már nincs energiacímke, hanem az EEI értékeket kell tizedes tört alakban feltüntetni. Minél alacsonyabb ez az érték, annál gazdaságosabb a készülék. (Ez egy kicsit furcsa, mert a kazánoknál, légkezelőknél most vezetik be az energiacímkét, a szivattyúknál pedig már el is törölték.) Ez a szemléletmód az energiahatékonyság meghatározásánál már a kazánoknál, hőtermelőknél is kezd megjelenni azzal, hogy nem a névleges, hanem a szezonális hatásfokot definiálják (például a kritérium 86%, amit csak a kondenzációs technológia teljesít).

A fejlesztés töretlen

Az ErP/EuP hatása a fejlesztésekre óriási volt. 2013-ban történt egy hatalmas ugrás, az EEI=0,27 lett a minimális követelmény, amely 2015. augusztus 1-jével tovább szigorodott. Ma már az EEI= 0,17-es értéket is elérték egyes gyártók, ami 80 százalékkal alacsonyabb energiafogyasztást jelent. Az EEI index egy dimenzió nélküli mérőszám, ezért hasznos lehet érzékeltetni, mit jelent 0,01 különbség: a 0,30 alatti tartományban ez éves energiafogyasztásban 2–3 % különbséget jelent. A piac ennek alapján érzékelheti, hogy a gyártóknál felgyorsult a fejlesztés.

Vannak azonban olyan rendszerek is, melyeknek tömegárama állandó. Sokan az ErP rendeletek ellenlábasaként sérelmezik, hogy miért kell egy ilyen rendszerbe is drága, szabályozható fordulatszámú szivattyút beépíteni. Erre vonatkozóan is történtek vizsgálatok, ahol egy állandó fordulatú, „régi” gépet és egy korszerű, szabályozott, állandó mágneses technológiával rendelkező szivattyút hasonlítottak össze maximális fordulaton üzemeltetve. Ha utóbbi, állandó mágneses motor nem szabályoz, maximum fordulaton jár, akkor is sokkal gazdaságosabb, mint a régi AC motorok. Elsősorban a kis teljesítményű, menetes szivattyúknál kiugró a különbség, itt 43 százalékos az energiamegtakarítás. Nagyobb rendszereknél, karimás szivattyúk esetében, ahol a fajlagos veszteségek alacsonyabbak, az ErP követelményeinek megfelelő keringtető szivattyúk 23 százalékkal gazdaságosabbak. A felár a fix tömegáramú rendszerek esetén is rövid idő alatt megtérül.

Újratekercselni tilos!

Ha valahol tönkremegy egy 10–15 éves villanymotor, akkor azt mindenáron újratekercselik. Manapság ez az egyik legnagyobb bűn. Az újratekercselt motor hatásfoka alacsonyabb lesz, mint újszerű állapotában. Ennek oka, hogy a tekercshornyokban a tekercs kitöltési tényezője rosszabb, nem tudják besűríteni a rezet a hornyokba, kialakul egy légrés. Ennek köszönhetően egy újratekercselt motor 5–7%-kal alacsonyabb hatásfokot produkál, mint új korában, ami az új, nagyhatásfokú motorokétól már eleve jelentősen elmaradt. Ha egy motor mindössze 180 napot üzemel, és egy régi IE1-es motort kicserélünk IE3-asra, a csere egy év alatt megtérül. Az IE2-es motorok cseréje másfél, két év alatt térül meg. Nem éri meg tehát újratekercseltetni. A nagy hatásfokú motoroknak ezen felül jóval alacsonyabb a zajszintjük, az alacsonyabb disszipált hő miatt a csapágyak élettartama többszörösére növekedett.

Ne csak nézz, üzemeltess!

Vajon mennyire készült fel a szakma, hogy a modern, energiatakarékos technológiákat megfelelően hasznosítsa? Készült egy felmérés e tekintetben. Már a 2005-ös időszakban is építettek be állandó mágneses villanymotorral hajtott szivattyúkat, vagy olyan technológiát, ami szabályozható. Az egyik gyártó azt vizsgálta, hogy az öt éve beépített szivattyúk közül mennyi azoknak a száma, amelyek ténylegesen jól működtek. Döbbenetes a tapasztalat: 5 év után a beépített elektronikus szivattyúk 80%-a szabályozatlanul, maximális fordulatszámon üzemel. A gyártók sok pénzt fektetnek abba, hogy az EU irányelvei teljesüljenek a készülékekre, a felhasználók energiamegtakarítást várnak, a mérnökök megtervezik a korszerű rendszereket, ennek ellenére az üzemeltetés nem megfelelő. Itt hatalmas pazarlás érhető tetten, amely ellen valamilyen módon fel kell lépni.

Végül mérjünk is!

A fent említett három motort (AC motor, frekvenciaváltós AC, valamint EC motor + frekvenciaváltó) energiahatékonyság szempontjából módunk volt összehasonlítani. Az egyik vezető szivattyúgyártó, -forgalmazó telephelyén volt elhelyezve a mérési összeállítás. A mérés lényege, hogy összehasonlítottuk különböző térfogatáramok mellett a 3 szivattyú teljesítményfelvételét. A szükséges munkapont Q = 14 m3/h és H = 40 m volt. Mértünk részterhelésen is, 5 m3/h teljesítménynél. A szabályozatlan AC motorral meghajtott szivattyú nem tud leszabályozni 40 m nyomásra (mivel csak 50 Hz frekvencián hajt), ezért feleslegesen sok villamos energiát vesz fel. A frekvenciaváltós AC már jobb, mert alacsonyabb fordulaton működik, hiszen ez is elég a 40 m tartásához (főleg részterhelésen, 5 m3/h esetén). Az EC motoros szivattyú pedig jelentősen kevesebb energiát vesz fel, mint az első két eset. A mérés azt bizonyítja, hogy érdemes jó hatásfokú, szabályozott szivattyúkat használni, főleg olyan területeken, ahol magasabb az üzemidő.

A mérés kiértékelése

  Q (m3/h) H (m) P (kW)
AC motoros szivattyú 14 55 4
AC motoros szivattyú 5 63 2,7
AC + frekvenciaváltó 14 40 3,1
AC + frekvenciaváltó 5 40 1,7
EC + frekvenciaváltó 14 40 2,7
EC + frekvenciaváltó 5 40 1,4

A cikk a VGF 2020/5. számában jelent meg, közlése a kiadó engedélyével történt.

Szivattyú

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul