referat

Universitatea “Politehnica” din TimişoaraFacultatea de Construcţii – Secţia InstalaţiiMaster Anul II – Optimizarea şi modernizarea sistemelor de instalaţii

REFERATOptimizarea sistemelor de utilizare a

energiei electrice

Optimizarea consumului de energie electrică pentru acţionarea pompelor

din punctelor termice

Prof. Îndrumător: Prof. Ioan BORZA

Student masterand: Cornel PĂTRAŞCU

UPT REFERAT - Optimizarea sistemelor de utilizare a energiei electrice. 2

-2010-

Cuprins:

1. Introducere.

2. Rolul şi importanţa pompelor cu turaţie variabilă în instalaţiile de

încălzire.

3. Optimizarea consumului de energie electrică prin modificarea

soluţiei de alimentare cu energie termică cu puncte termice de

imobil.


Optimizarea consumului de

energie electrică pentru acţionarea pompelelor din punctelor termice

1. Introducere.

Principalele consumatoare de energie electrică în punctele termice sunt pompele de circulaţie a agentului termic pentru încălzire.

Pentru reducerea consumului de energie electrică este necesar ca pompele de circulaţie să fie corect dimensionate, să fie înlocuite pompele vechi cu pompe noi moderne la care consumul de energie electrică este scăzut.

De asemenea o altă posibilitate de reducere a acestor consumuri este utilizarea pompelor economice cu turaţie variabilă.

2. Rolul şi importanţa pompelor cu turaţie variabilă în instalaţiile de

încălzire

Pompele din instalaţiile de încălzire cu apă caldă sau fierbinte, cu circulaţie forţată, reprezintă elementele componente de bază, ele asigurând circulaţia agentului termic între sursă şi consumatori, participând, totodată, cu o pondere destul de însemnată la consumurile de energie în perioada de funcţionare. Aceasta impune o analiză mai profundă privind legea şi modul de implementare a lor în circuitul unei instalaţii. Dat fiind modul de funcţionare al unei instalaţii de încălzire, practica a demonstrat că utilizarea pompelor cu turaţie variabilă asigură o bună exploatare a acestor instalaţii cu consumuri reduse de energie termică şi electrică .

Este cunoscut că, o instalaţie de încălzire se compune din sursa termică, reţeaua de transport şi consumatori, iar circulaţia agentului termic se realizează cu ajutorul pompelor. Numărul, poziţia şi caracteristicile tehnice ale acestor pompe sunt stabilite în funcţie de sistemul de încălzire adoptat , puterea termică şi regimul de funcţionare .

În timpul funcţionării unei instalaţii de încălzire, dezideratul urmărit este ca, la consumatori, să se asigure debitele de fluid, respectiv de căldură, corespunzătoare condiţiilor


cerute (funcţie de parametrii exteriori), de aceea, instalaţia este prevăzută a lucra cu un reglaj calitativ, cantitativ sau combinat .

Reglajul cantitativ impune o variaţie a debitului de fluid, în timpul exploatării instalaţiei, păstrând parametrii fluidului, respectiv ai agentului termic, practic, constanţi. Acest reglaj cantitativ se poate realiza :

- cu pompe cu caracteristici tehnice diferite (debite şi înălţime de pompare);- cu pompe cu turaţie variabilă, respectiv cu posibilităţi de a modifica debitul şi

înălţimea de pompare ale aceleiaşi pompe, funcţie de necesităţi.Caracteristicile hidraulice ale unei pompe (debitul Gp şi înălţimea de pompare Hp)

sunt determinate, astfel încât, să se asigure, la consumatori, puterile termice maxime de calcul. În figura 1 este prezentat ciclul de funcţionare al unei pompe, în perioada de încălzire. Se observă că, la debitul maxim, pompa lucrează cca 3 % din durata de funcţionare, cel mai mult lucrând cu un debit de 70 % din debitul normal, aceasta reprezentând cca 23 % din perioada de funcţionare.

Figura 1. Ciclul de funcţionare al unei pompe într-o instalaţie de încălzire

Asigurarea debitelor de fluid, respectiv a debitelor de căldură, solicitate de consumator, impun asigurarea unor reglaje pe traseul reţelei, de conducte, între sursa termică şi consumatori. Funcţie de metodele de reglare, adaptate în exploatare, consumurile energetice sunt destul de diferite. În figura 2 sunt prezentate, orientativ, curbele de consum energetic pentru diferite metode de reglare într-o instalaţie în care circulaţia agentului termic este asigurată de pompe.

Figura 2.

Consum de energie funcţie de tipul

pompei.

4

6

15

21

23

21

7

3

0

5

10

15

20

25

35 45 55 65 70 80 90 100

Debitul pompei (%)

Du

rata

de

fu

nc

tio

na

re (

%)


Forma unei curbe de consum energetic depinde de randamentul în ansamblu al instalaţiei, configuraţia reţelei de conducte, punctul de funcţionare şi natura echipamentului de reglare şi comandă.

Din analiza celor două curbe, se observă că utilizarea reglajului cantitativ cu pompa de circulaţie, cu caracteristici hidraulice constante, combinat cu un reglaj local cu vane, comparativ cu utilizarea reglajului cantitativ cu pompe de circulaţie cu turaţie variabilă, duce la consumuri mari de energie.

Cu o pompă cu turaţie fixă există două metode de a face să varieze debitul într-o reţea de conducte :

- se poate bay-passa o parte din debit, în care caz, pompa lucrează întotdeauna cu acelaşi punct de funcţionare, iar puterea absorbită rămâne constantă;

- se poate crea o pierdere de sarcină, prin prevederea unor vane sau robinete de reglaj. În acest caz, punctul de funcţionare se deplasează spre stânga diagramei H , G (figura 3).

Figura 3.

Caracteristicile hidraulice ale funcţionării pompei cu turaţie fixă şi variabilă.În ultimul caz, înălţimea manometrică creşte, iar randamentul hidraulíc scade. Mai

mult chiar, puterea absorbită este disipată în energie termică, apare fenomenul de cavitaţie, cu urmări de instabilitate în funcţionare, zgomote şi riscul degradării pompei. În tabelul 1 se arată urmările diminuării debitului cu 20 % respectiv 50 % - în varianta utilizării pompelor cu turaţie fixă .

Tabelul 1. Variaţia puterii absorbite în cazul variaţiei debitului la o pompă cu turaţie fixă

Debit m3/h 100 80 50

Înălţimea de pompare mCA 10,00 10,70 11,20

Randament - 0,80 0,76 0,62

Putere Kw 3,40 3,10 2,45

Reducere % - 9,00 28,00


Inconvenientele prezentate pot fi eliminate dacă în circuitul instalaţiilor , care necesităvariaţii de debit, se utilizează pompe cu turaţie variabilă. În tabelul 2 sunt prezentate caracteristicile hidraulice ale pompei cu turaţie variabilă , care asigură aceleaşi debite ca şi pompa cu turaţie fixă , din tabelul 1.

Tabelul 2 Variaţia puterii absorbite în cazulvariaţiei debitului la o pompă cu turaţie variabilă

Din prezentarea modurilor de comportare în funcţionare a celor două tipuri de pompe, se pot trage unele concluzii :

- variaţia debitului cu pompe cu turaţie fixă duce la o diminuare a randamentului hidraulic, la supraîncălzirea motorului şi la deteriorarea acestuia, ca urmare a apariţiei fenomenului de cavitaţie;

- variaţia debitului cu pompe cu turaţie variabilă, asigură menţinerea unui randament hidraulic ridicat, elimină fenomenul de supraîncălzire a motorului, reduce substanţial consumul de energie şi nu generează fenomenul de cavitaţie.

Din succinta comparaţie, făcută între cele două tipuri de pompe, utilizate frecvent în reţelele binare din instalaţii, reiese clar că pompele cu turaţie variabilă se impun a fi montate, acolo unde au loc variaţii importante de debite, în timpul funcţionării.

Generalizarea utilizării pompelor cu turaţie variabilă în reţelele din instalaţiile de încălzire, este de preferat, pe de o parte, pentru economia de energie consumată, iar pe de altă parte, pentru fiabilitatea lor.

Pentru a preciza mai bine rolul şi importanţa aportului adus de pompele cu turaţie variabilă, în combinaţie cu organele de închidere, la reglajul debitelor de fluid, în continuare, se va analiza una din soluţiile folosite curent în practică şi anume: reglajul puterii termice prin variaţia debitului de fluid.

Se ştie că puterea termică a unui aparat utilizator variază în funcţie de temperatura fluidului de alimentare (cazul corpurilor de încălzíre) sau a debitului de fluid al acestuia. Se va analiza cazul variaţiei puterii termice numai prin variaţia debitului.

Soluţia, în această situaţie, se poate rezolva pe două căi:- prevederea în circuitul instalaţiei a unei pompe eu debit şi înălţime de pompare

constante, iar la aparatele utilizatoare, organe de reglaj;- prevederea în circuitul instalaţiei a unei pompe cu turaţie variabilă, iar la aparatele

utilizatoare, aceleaşi organe de reglaj.

Debit m3/h 100 80 50

Înălţimea de pompare mCA 10,00 6,40 2,50

Randament - 0,80 0,80 0,80

Putere Kw 3,40 1,75 0,45

Reducere % - 49,00 87,00


În varianta cu pompa cu debit şi presiune constantă, în graficul din figura 4, ţinând seama de curba caracteristică a reţelei, punctul 1 reprezintă punctul de funcţionare al pompei cu parametrii (G1, H1).

În cazul în care se doreşte un alt debit la utilizator, organul de închidere (vana), cu care este prevăzut consumatorul, va intra în funcţiune, reglând debitul la valoarea cerută,astfel încât, fluidul purtător de căldură să cedeze debitul de căldură necesar.

Figura 4.

Pompa cu debit constant şi reglarea locală a debitului la

consumator

Când debitul de fluid scade la valoarea G2, vana se închide progresiv, introducând o pierdere de sarcină locală (pierdere prin laminare), care, adăugată la pierderile de sarcină din reţea, compensează înălţimea manometrică a pompei, care creşte la valoarea H2. Ţinând seama de cele menţionate, cu privire la inconvenientele pe care le prezintă, în exploatare, pompa cu debit constant, în timpul variaţiilor de debit în instalaţie, materializate printr-un consum suplimentar de energie, o scădere a randamentului hidraulic al pompei şi perturbaţii în funcţionare, impune ca această soluţie să nu fie admisă din punct de vedere tehnic, făcând necesară adoptarea unor alte variante: mai multe pompe cu debite diferite, pompe cu debit variabil etc.

Soluţia care poate să corespundă cât mai bine, atât din punct de vedere economic, cât şi tehnic, necesităţilor solicitate, este de a prevedea în circuitul instalaţiei, pompe cu debite variabile, iar la consumatori (sau grupe de consumatori), organe de reglaj, locale. În felul acesta, pompa va avea posibilitatea să-şi schimbe turaţia, respectiv debitul, la o valoare dată (considerată optimă), pentru toţi consumatorii, iar prin organele de reglaj locale (printr-o laminare cu valoare redusă), să se asigure debitele de fluid la consumatori (figura 5).

Variaţiile de debit sunt obţinute printr-o comandă automată, trimisă atât pompei şi vanei (vanelor) de reglaj. În figura 6 este prezentată schema de acţionare a organului de reglaj, ale puterii termice, la un utilizator. Ea cuprinde:

- comanda X;- caracteristica organului de reglare (kv/kvs), adică, variaţia debitului vanei singure,

în funcţie de comanda X;


- variaţia debitului (G/Gmax), în reţea, în funcţie de autoritatea vanei şi caracteristica organului de reglaj (kv/kvs);

- variaţia puterii termice QC la consumator, în funcţie de caracteristicile tehnice ale acestuia.

Figura 5. Figura 6.Pompă cu turaţie variabilă şi reglare locală Reglarea locală prin comandă automată a debitului la consumator a debitului la consumator

Această prezentare schematică se poate reda grafic, mai riguros, sub forma a 4 cadrane (figura 7):

- cadranul I, reprezintă caracteristicile organului de reglaj (kv/kvs), în funcţie de comanda X;

- cadranul II reprezintă variaţiile debitului G, de fluid, din reţeaua de conducte a instalaţiei, funcţie de caracteristica organului de reglaj (kv/kvs);

- cadranul III reprezintă variaţia puterii termice QC la consumator, în funcţie de autoritatea organului de reglaj;

- cadranul IV reprezintă variaţia puterii termice QC, în funcţie de comanda dată X (respectiv de gradul de deschidere al organului de reglare (kv/kvs) ).

Figura 7. Analiza grafică a reglării debitului la consumatori în varianta cu pompă cu

turaţie constantă şi turaţie variabilă

Pe acest grafic se pot foarte uşor urmări cele două soluţii prezentate mai sus :


instalaţie cu pompă de circulaţie cu caracteristici hidraulici constante şi instalaţie cu pompă de circulaţie cu debit variabil .

În prima variantă, considerând două situaţii extreme, adică, asigurarea unei puteri termice nominale Q1 şi a unei puteri termice minime Q2 - la consumator, pe grafic se observă că:

- puterea termică Q1 se obţine cu organul de reglare, practic deschis (raportul kv/kvs

= 1), existând pericolul depăşirii acestei valori, ca urmare a variaţiilor de debit din reţeaua de conducte (pe diagramă comanda X1);

- puterea termică Q2 se obţine cu organul de reglaj, practic închis (raportul kv/kvs = 0), deci, laminare puternică în vană, o scădere a debitului de fluid în reţea, cu urmările nefaste în funcţionare ale pompei (pe diagramă comanda X2).

În varianta a doua, caracteristica debitului de fluid a reţelei G/Gmax, funcţie de autoritatea şi caracteristica organului de reglaj, poate fi modificată, prin modificarea caracteristicilor pompei, respectiv, prin prevederea unei pompe cu turaţie variabilă (curba punctată din cadranul II din fig. 7). Se observă că, dacă alegerea pompei este bine făcută, se obţine, cu aceeaşi comandă X1 = X2, două puteri termice diferite, organul de reglaj având acelaşi grad de deschidere (kv/kvs). Se elimină astfel influenţa mare a laminării prin obturarea puternică a organului de reglaj. În timpul funcţionării instalaţiei, odată cu reglarea debitului pompei şi a unei superficiale modificări a caracteristicii vanei (închidere sau deschidere mică a orificiului vanei), se pot obţine, la utilizator, puterile termice solicitate.

Din această succintă comparaţie reies destul de clar avantajele pe care le prezintă reglajul debitului de fluid într-o instalaţie, utilizând soluţia combinată cu pompa de circulaţie cu turaţie variabilă şi organe de reglaj la consumatori.

Diagrama din figura 8, permite calculul economiei de energie electrică, rezultată în cazul utilizării pompelor cu viteză variabilă, în funcţie de puterea motorului pompei, raportul G/Gmax şi durata de funcţionare anuală a pompei.


Figura 8. Economia de energie anuală în varianta cu turaţie variabilă.

Astfel , pentru o putere instalată de 15 KW , cu o funcţionare a pompei la un debit mediu de 70 % din debitul normal, pe o durată de 60 % din totalul orelor dintr-un an (5.300ore), se realizează o economie de aproximativ 43.000 KWh.

Din analiza comparativă între pompele cu turaţie variabilă şi cele clasice, privind modul lor de comportare în exploatare, se desprind unele concluzii importante, de care este necesar să se ţină seama în implementarea lor în instalaţii. Astfel:

- variaţia debitului de fluid, cu pompele clasice, duce la creşterea nejustificată a înălţimii de pompare, care are drept efect negativ: supraîncălzirea motorului, scăderea randamentului hidraulic, precum şi perturbaţii în funcţionare a instalaţiei;

- variaţia debitului de fluid, cu pompele cu turaţie variabilă, elimină inconvenientele semnalate la pompele clasice, asigurând, în plus, pe lângă o bună funcţionare a instalaţiei şi un consum redus de energie;

- asigurarea puterii termice în instalaţii sau la consumatori, se realizează, cel mai bine, cu ajutorul pompelor, cu o turaţie variabilă, în combinaţie cu organele de reglaj (generale şi locale);

- buna funcţionare a pompelor în instalaţiile de încălzire impune prevederea de comenzi automate, care să asigure, în limitele cerute, debitele de fluid, în reţea şi la consumatori.

3. Optimizarea consumului de energie electrică prin modificarea soluţiei

de alimentare cu energie termică cu puncte termice de imobil.

Ţinând cont de cele prezentate în capitolul anterior, în acest capitol se analizează o situaţie practică din municipiul Reşiţa unde în zona unui punct termic (PT 39), s-a optat pentru reabilitarea reţelelor de termoficare secundare prin desfiinţarea punctului termic existent şi înlocuirea acestuia cu o reţea termică de apă fierbinte care alimentează puncte termice modulare pentru fiecare imobil din zonă (MPT). Astfel din punctul termic iniţial s-a plecat cu reţele de apă fierbinte, apă rece, şi cablu de alimentare cu energie electrică pentru MPT-urile din zonă – Anexa 1.

În figura 9 este prezentată schema monofilară a tabloului electric din fostul punct termic, iar în figura 10 este prezentată schema monofilară de distribuţie a energiei electrice către punctele termice de imobil cu precizarea lungimilor şi a tipului de cablu utilizat.

Punctele termice de imobil sunt complet automatizate, utilizănd regulatorul de termoficare Siemens SAPHIR ACX 36. De asemennea toate pompele de circulaţie pentru încălzire sunt pompe cu turaţie variabilă, consumul de energie electrică fiind redus.

În tabelul 3 este prezentată o comparaţie a consumurilor de energie electrică activă şi reactivă a punctului termic înainte de reabilitare şi a punctelor rermice de imobil după finalizarea reabilitării. În acest tabel se observă că în anul 2009 faţă de anul 2007 consumul de


energie electrică activă a scăzut cu 40 %, iar energia reactivă facturată pentru întreg anul 2009 este 0, cosφ fiind mai mare de 0,95 pe toată perioada.

Figura 9.Schema monofilară a tabloului electric de distribuţie din vechiul punct termic

Figura 10


Schema monofilară de distribuţie a energiei electrice către punctele termicede imobil cu precizarea lungimilor şi a tipului de cablu utilizat.

Tabelul 3.

În concluzie se observă că prin montarea punctelor termice de imobil performante au scăzut considerabil consumurile de energie electrică.

Bibliografie.

1. Mihai Ilina,

Sorin Burchiu

- Rolul şi importanţa pompelor cu turaţie variabilă în instalaţiile de încălzire. Revista Buletin Informativ R.A.D.E.T. nr. 1 , 1996

2. ISPE - Reabilitare sistem termoficare minipuncte termice zona PT 13, PT 14, PT 15, PT 26 şi PT 39 în municipiul Reşiţa – proiect tehnic

referat

Documents