Máy bơm tuần hoàn tiết kiệm năng lượng: Cách chúng hoạt động, những điều cần tìm và cách chọn loại phù hợp

Tại sao mức tiêu thụ năng lượng trong hệ thống bơm tuần hoàn đáng được quan tâm nghiêm túc

Bơm tuần hoàn là một trong những người tiêu dùng năng lượng thường xuyên bị bỏ qua nhất trong các dịch vụ xây dựng, hệ thống quy trình công nghiệp và mạng lưới sưởi ấm khu vực. Không giống như các thiết bị làm lạnh hoặc nồi hơi HVAC thu hút sự chú ý do kích thước có thể nhìn thấy và nhu cầu năng lượng rõ ràng, máy bơm tuần hoàn hoạt động liên tục ở chế độ nền—thường chạy ở tốc độ cố định và toàn bộ công suất bất kể hệ thống có thực sự cần lưu lượng tối đa tại bất kỳ thời điểm nào hay không. Trong hệ thống sưởi ấm dân dụng điển hình, bơm tuần hoàn có thể chiếm 5–10% tổng mức tiêu thụ điện của hộ gia đình. Trong các tòa nhà thương mại có nhiều mạch hydronic, vòng làm mát công nghiệp và hệ thống sưởi ấm khu vực, tổng năng lượng tiêu thụ bởi hệ thống bơm có thể chiếm 20–30% tổng phụ tải điện của cơ sở. Quy mô tiêu thụ này làm cho việc cải thiện hiệu suất máy bơm trở thành một trong những biện pháp can thiệp mang lại lợi tức đầu tư cao nhất hiện có trong cả quản lý năng lượng tòa nhà và tối ưu hóa quy trình công nghiệp, tuy nhiên nó vẫn chưa được sử dụng đúng mức một cách có hệ thống vì sự kém hiệu quả diễn ra âm thầm và diễn ra từ từ thay vì rõ ràng và gay gắt.

Sự chuyển đổi từ máy bơm tuần hoàn một tốc độ, tốc độ cố định sang máy bơm tuần hoàn tiết kiệm năng lượng chuyển mạch điện tử, tốc độ thay đổi thể hiện sự tiến bộ đáng kể nhất trong công nghệ máy bơm trong ba thập kỷ qua. Hiểu được điều gì làm cho máy bơm tiết kiệm năng lượng hiện đại trở nên khác biệt, cách chúng đạt được hiệu suất tăng cũng như cách chọn và chỉ định chúng một cách chính xác cho một ứng dụng nhất định là nền tảng thực tế của bất kỳ chương trình giảm năng lượng quy trình hoặc tòa nhà nghiêm túc nào.

Máy bơm tuần hoàn tốc độ cố định truyền thống lãng phí năng lượng như thế nào

Để hiểu tại sao máy bơm tuần hoàn tiết kiệm năng lượng lại mang lại những cải tiến hiệu quả đáng kể như vậy, trước tiên cần phải hiểu tại sao các máy bơm tiền nhiệm lại lãng phí nhiều năng lượng đến vậy. Máy bơm tuần hoàn truyền thống sử dụng động cơ cảm ứng xoay chiều hoạt động ở tốc độ cố định được xác định bởi tần số cung cấp—thường là 50 Hz ở Châu Âu và hầu hết Châu Á, 60 Hz ở Bắc Mỹ. Điều này có nghĩa là cánh quạt máy bơm quay với tốc độ không đổi bất kể nhu cầu lưu lượng thực tế do hệ thống áp đặt vào bất kỳ thời điểm nào. Trong mạch sưởi ấm hoặc làm mát, nhu cầu nhiệt thay đổi liên tục theo nhiệt độ ngoài trời, công suất sử dụng, mức tăng năng lượng mặt trời và lịch trình vận hành. Một hệ thống sưởi ấm được thiết kế để cung cấp toàn bộ dòng điện trong điều kiện cao điểm của mùa đông—có thể là 10–15 ngày mỗi năm—hoạt động ở cùng điều kiện dòng chảy đầy đủ đó trong 350 ngày còn lại khi nhu cầu ở mức một phần, vừa phải hoặc tối thiểu.

Tính chất vật lý của tình huống này bị chi phối bởi định luật ái lực của máy bơm, trong đó nêu rõ rằng mức tiêu thụ điện năng thay đổi theo lập phương tốc độ quay. Một máy bơm chạy ở 80% tốc độ thiết kế chỉ tiêu thụ 51% công suất ở tốc độ tối đa (0,8³ = 0,512). Một máy bơm chạy ở tốc độ 60% tốc độ thiết kế chỉ tiêu thụ 22% công suất ở tốc độ tối đa. Những mối quan hệ này có nghĩa là ngay cả việc giảm tốc độ vận hành ở mức khiêm tốn—đạt được bằng cách điều chỉnh tốc độ bơm phù hợp với nhu cầu thực tế của hệ thống thay vì chạy liên tục ở tốc độ tối đa—sẽ tạo ra mức giảm tiêu thụ năng lượng lớn một cách không tương xứng. Một máy bơm tốc độ cố định chạy hết công suất trong 8.760 giờ mỗi năm trong khi hệ thống chỉ yêu cầu lưu lượng tối đa trong 500 giờ trong số đó đang lãng phí một lượng điện khổng lồ theo cách không thể tránh khỏi về mặt cấu trúc nếu không có công nghệ điều khiển tốc độ thay đổi.

Công nghệ đằng sau máy bơm tuần hoàn tiết kiệm năng lượng hiện đại

Máy bơm tuần hoàn tiết kiệm năng lượng hiện đại đạt được hiệu quả thông qua việc tích hợp ba công nghệ chính: động cơ nam châm vĩnh cửu chuyển mạch điện tử, bộ truyền động biến tần tích hợp và thuật toán điều khiển thông minh liên tục khớp công suất máy bơm với nhu cầu hệ thống. Ba bộ phận này hoạt động cùng nhau như một hệ thống không thể tách rời chứ không phải là các bộ phận độc lập, đó là lý do tại sao hiệu suất của các bộ phận bơm tiết kiệm năng lượng tích hợp vượt xa đáng kể những gì có thể đạt được bằng cách trang bị thêm bộ điều khiển tần số thay đổi vào máy bơm động cơ cảm ứng thông thường.

Động cơ nam châm vĩnh cửu chuyển mạch điện tử

Động cơ trong máy bơm tuần hoàn hiệu suất cao là động cơ nam châm vĩnh cửu DC không chổi than (còn gọi là ECM—động cơ chuyển mạch điện tử) chứ không phải là động cơ cảm ứng AC được sử dụng trong máy bơm thông thường. Động cơ nam châm vĩnh cửu loại bỏ tổn thất đồng rôto chiếm một phần đáng kể trong sự tiêu tán năng lượng của động cơ cảm ứng, vì trường rôto được cung cấp bởi nam châm vĩnh cửu chứ không phải dòng điện cảm ứng. Điều này mang lại cho động cơ ECM hiệu suất đầy tải ở mức 90–95% so với 75–85% của động cơ cảm ứng tương đương và—quan trọng—duy trì hiệu suất cao trên nhiều điểm vận hành tải một phần. Động cơ cảm ứng hoạt động ở mức 30% tải định mức thường giảm hiệu suất xuống còn 60–65%; động cơ ECM nam châm vĩnh cửu ở cùng tải một phần sẽ duy trì hiệu suất 85–90%. Do hệ thống bơm tuần hoàn dành phần lớn thời gian hoạt động ở mức tải một phần nên lợi thế về hiệu suất tải một phần này trong thực tế quan trọng hơn nhiều so với chỉ riêng con số hiệu suất định mức toàn tải.

Ổ đĩa biến tần tích hợp

Bộ truyền động điện tử tích hợp trong bơm tuần hoàn tiết kiệm năng lượng chuyển đổi nguồn AC đến thành nguồn DC có tần số thay đổi, điện áp thay đổi và sau đó là đầu ra AC điều khiển tốc độ động cơ một cách chính xác để đáp ứng với tín hiệu điều khiển. Trong bộ phận bơm tuần hoàn chuyên dụng, bộ truyền động này được thiết kế dành riêng cho động cơ mà nó điều khiển—khớp trở kháng, tần số chuyển mạch và quản lý nhiệt đều được tối ưu hóa cho động cơ cụ thể thay vì tối ưu hóa chung theo yêu cầu của VFD phổ thông. Phương pháp tích hợp này mang lại hiệu suất truyền động là 97–99% so với 93–96% của các biến tần thông dụng và loại bỏ sự phức tạp trong lắp đặt, yêu cầu nối dây và các vấn đề EMC tiềm ẩn liên quan đến việc lắp đặt ổ đĩa riêng biệt.

Các chế độ và thuật toán điều khiển thông minh

Trí thông minh điều khiển được tích hợp trong các máy bơm tuần hoàn tiết kiệm năng lượng hiện đại là yếu tố biến khả năng điều chỉnh tốc độ thành mức tiết kiệm năng lượng thực tế khi vận hành hệ thống thực. Các nhà sản xuất máy bơm hàng đầu cung cấp một số chế độ điều khiển phù hợp với các loại hệ thống và triết lý vận hành khác nhau. Kiểm soát áp suất theo tỷ lệ duy trì áp suất chênh lệch trên máy bơm tỷ lệ thuận với tốc độ dòng chảy—khi nhu cầu lưu lượng giảm, áp suất điểm đặt cũng giảm tương ứng, cho phép máy bơm giảm tốc độ nhiều hơn mức kiểm soát áp suất chênh lệch không đổi cho phép. Kiểm soát áp suất không đổi giữ áp suất chênh lệch cố định bất kể lưu lượng, phù hợp với các hệ thống nơi tổn thất áp suất tập trung tại một điểm duy nhất thay vì phân bổ trên mạng. Điều khiển dựa trên nhiệt độ, có sẵn trong một số kiểu máy bơm sưởi, điều chỉnh tốc độ bơm dựa trên chênh lệch nhiệt độ cung cấp và hồi lưu của hệ thống, làm chậm máy bơm khi chênh lệch nhiệt độ thu hẹp (cho thấy nhu cầu nhiệt giảm) và tăng tốc độ khi nó mở rộng. Điều khiển tự động thích ứng—do một số nhà sản xuất cao cấp cung cấp—cho phép máy bơm tìm hiểu các đặc tính vận hành thực tế của hệ thống theo thời gian và liên tục tối ưu hóa điểm đặt của chính nó mà không cần nhập liệu vào vận hành thủ công.

Phân loại hiệu quả năng lượng và tiêu chuẩn quy định

Hiệu suất năng lượng của máy bơm tuần hoàn được định lượng và điều chỉnh thông qua Chỉ số hiệu quả năng lượng (EEI), một số liệu được đưa ra bởi Chỉ thị ErP (Sản phẩm liên quan đến năng lượng) của Ủy ban Châu Âu để đo mức tiêu thụ năng lượng thực tế của máy bơm trong một phạm vi điều kiện vận hành tiêu biểu so với máy bơm tham chiếu. Thang đo EEI chạy từ 0 đến 1, với giá trị thấp hơn thể hiện hiệu quả tốt hơn. Bảng sau đây tóm tắt các ngưỡng EEI hiện tại và trước đây cũng như ý nghĩa thực tế của chúng đối với máy bơm