buildings By Global Product Specialist Kris Kaagaard, Grundfos, Denmark

Transkrypt

1 Dobór zestawu podnoszenia ciśnienia Grundfos Hydro Multi-E z funkcją zabezpieczenia ciągłej pracy i energooszczędnymi silnikami nowej generacji MGE w budynkach użyteczności publicznej Autor: Kris Kaagaard, Global Product Specialist, Grundfos, Dania buildings By Global Product Specialist Kris Kaagaard, Grundfos, Denmark Wprowadzenie Wzorce demograficzne wskazują na rosnącą urbanizację, i jedną z konsekwencji jest fakt, że nowo powstające budynki są coraz wyższe. Dla normalnego komfortu, użytkownikom tych budunków należy zapewnic ciągłe zaopatrzenie w wodę przy niezmiennym ciśnieniu. Jednak nie tylko zabezpieczenie ciągłej pracy urządzeń dostarczających wodę oraz niskie zużycie energii są jedynym wymogiem Klienta. Oczekuje się, że dostarczane produkty będą spełniać nie tylko rygorystyczne normy inżynieryjne, ale również będa spełniały wymagania dotyczące zdrowia i bezpieczeństwa. Zestawy podnoszenia ciśnienia Hydro Multi-E z pompami wysposażonymi w silniki nowej generacji (model MGE H/I/J) oferują szeroki wachlarz cech i inteligentnych funkcji, które pomagają nie tylko zmniejszyć zużycie energii, ale również zapewnić prawidłowe i ciągłe bezpieczeństwo pracy i funkcjonowanie zestawu. Spis treści Wprowadzenie... 2 Problemy z doborem... 2 Dobór zestawu Optymalizacja pracy zestawu... 4 Wpływ na wartość zadaną...4 Funkcja Stop...5 Zabezpieczenie ciągłej pracy - funkcja Multi Master..7 Bezpieczeństwo instalacji rurowa - funkcja łagodnego ciśnienia...8 Podsumowanie...9 1

2 Cel Celem tej publikacji jest zwrócenie uwagi na dobór zestawu podnoszenia ciśnienia przy użyciu dostępnych narzędzi Grundfos. Ponadto w niniejszym dokumencie uwzględniono takie elementy, jak bezpieczeństwo systemu i niższe zużycie energii w oparciu o cechy i funkcje zestawów Hydro Multi-E z silnikami model MGE H/I/J, a także ich zastosowanie w szpitalach i innych budynkach użyteczności publicznej, takich jak hotele, szkoły czy budynki wysokie. Wprowadzenie Dobór zestawu podnoszenia ciśnienia do zastosowania w budynku uzyteczności publicznej nie zawsze jest prosty. Istnieje wiele aspektów, które należy wziąć pod uwagę podczas tego procesu, takich jak zmienne ciśnienie wlotowe, strefowanie zestawów, zastosowanie pomp rezerwowych itp. Ponadto, przyglądając się profilowi zużycia i obciążenia, typ użytkownika końcowego ma ogromny wpływ na dobór właściwego zestawu do danej aplikacji. Mieszkańcy budynków mieszkalnych korzystają z wody w ciągu całego dnia, przez cały rok, natomiast zapotrzebowanie na wodę w przypadku budynków biurowych jest bardziej ograniczone. Jeśli budynek ma zarówno mieszkania, jak i powierzchnie biurowe, rozsądnym rozwiązaniem może być rozważenie podzielenie budynku na strefy podnoszenia ciśnienia, tak aby jeden zestaw obsługiwał część mieszkalną. Może to prowadzić do oszczędności energii i większego komfortu użtkowników. Problemy z doborem Dobór zestawu może odbywać się na wiele sposobów. Niektóre są oparte na normach, standardach i przewodnikach, podczas gdy inne są po prostu dobierane na podstawie doświadczenia. Problem z większością tych metod polega na tym, że często otrzymuje się zestaw przewymiarowany. Byłby to oczywiście problem, gdyby zestaw składał się z pojedyńczej pompy, ponieważ wtedy, użytkownik końcowy mógłby łatwo sprawdzić czy pompa pracuje z niską prędkością obrotową, a zatem niską efektywnością energetyczną. Zestawy podnoszenia ciśnienia wykazują dużo większą odporność jeśli chodzi o przewymiarowanie, ponieważ kilka współdziałających ze sobą pomp umożliwia równomierne rozłożenie obciążenia, dzięki czemu uzyskuje się wysoką efektywność energetyczną. Jednak pełen potencjał zestawu nigdy nie zostanie wykorzystany, co oznacza, że wszystkie pompy w zestawie nie będą działać jednocześnie. Istnieje kilka innych powodów, dla których zestawy są przewymiarowane. Przepisy lokalne w niektórych krajach wymagają zastosowania jednej lub większej liczby pomp jako pomp rezerwowych. W innych przypadkach zestawy są przewymiarowane ze względu na zapewnienie bezpieczeństwa pracy lub w celu zaspokojenia potrzeb, które wynikną w przyszłości. W eksploatacji budynków użyteczności publicznej kluczowe znaczenie ma osiągnięcie wysokiego bezpieczeństwa operacyjnego i ogólnego bezpieczeństwa systemu przy jednoczesnej oszczędności energii. Zapewnienie ciągłości zaopatrzenia w wodę oznacza zabezpieczenie nie tylko samego zestawu pompowego, ale również zabezpieczenie rurociągu w budynku. Bezpieczeństwo operacyjne można osiągnąć różnymi sposobami, zależnie od danego systemu. Jeśli zestaw posiada jedną jednostkę sterującą, dodanie pompy zapasowej rozwiąże problem w przypadku awarii jednej z pomp, jednak nie rozwiąże problemu w przypadku awarii jednostki sterującej. Z tego powodu niektóre zestawy posiadają jedną oddzielną pompę zapasową, która może pokryć całe zapotrzebowanie, jeśli z jakiegoś powodu uklad nie działa. Zabezpieczenie rurociągów w budynku ma również wpływ na poprawę bezpieczeństwa systemu i ostatecznie może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa operacyjnego. Obniżenie ciśnienia w celu uwzględnienia strat występujących przy dużych przepływach, przyczynia się do redukcji naprężeń w rurociągach, co może prowadzić do zmniejszenia zagrożenia pęknięcia rurociągu. Innym sposobem jest zmniejszenie liczby godzin pracy pomp przy użyciu małego zbiornika membranowego, dzięki któremu możliwe będzie całkowite wyłączenie zestawu w okresach niskiego rozbioru. 2

3 Dobór zestawu Przedstawiony proces doboru zestawu można zastosować w aplikacjach z budynkami użyteczności publicznej, jednak w tym konkretnym przypadku oparliśmy sie na szpitalu. Zanim zestaw zostanie zoptymalizowany, musi zostać odpowiednio dopasowany do "wymagań" szpitalnych. Proces doboru odbywa się zgodnie z DIN za pomocą programu online Katalog Techniczny Grundfos (Grundfos Product Center - GPC) dostępnym na grundfos.pl. Wymagania Dane potrzebne do prawidłowego doboru zestawu są oparte na poniższej tabeli oraz obliczeniach. Najwyżej połozony pkt. rozbioru nad poziomem gruntu: 55 m Wymagane min. ciśnienie w najwyżej położonym punkcie rozbioru: 20 m Ciśnienie wlotowe: 20m Całkowite straty ciśnienia: 3m Okres konsumpcji: 365 dni Liczba łóżek: 116 szt. Obliczenia Całkowite roczne zużycie wody opiera się na zużyciu wody potrzebnej na każde łóżko. Q rok = = m 3 rok Następnie obliczamy zużycie dzienne. Dobierajać zestaw, należy również uwzględnić maksymalny współczynnik dziennego zużycia (fd). Q dzień,maks. = = m 3 /dzień Maksymalne natężenie przepływu dla każdego łożka można znaleźć w tabeli poniżej. Dla osób bardziej zainteresowanych, przedstawiono jednak sposób obliczania tej wartości. Q godz., maks = = m 3 h Na koniec, obliczany jest maksymalny przepływ dla całego szpitala. Q godz., maks, całk. = = m 3 h Dobór zestawu Następnym krokiem jest znalezienie takiego zestawu, który spełnia obliczone parametry wydajnościowe, wysokości podnoszenia wraz z innymi parametrami, takimi jak ciśnienie wlotowe, straty tarcia itd. Sama procedura wyboru odpowiedniego zestawu przy użyciu programu online Katalog Techniczny Grundfos nie jest uwzględniona w niniejszym dokumencie, jednak wszystkie niezbędne informacje potrzebne do wyboru zestawu są tutaj dostępne. Q dzień = dni = m 3 dzień Zestaw który dobrano i na którym będziemy się dalej opierać w tej publiacji, to Hydro Multi-E 2 CRIE 5-9 (nr. katalogowy: ). Patrz zdjęcie na pierwszej stronie. 3

4 Optymalizacja układu Wpływ na wartość zadaną Hydro Multi-E oparte na pompach z silnikami MGE model H/I/J posiadają funkcję "Wpływ na wartość zadaną". Funkcja ta jest sposobem na zmniejszenie lub zwiększenie wartości zadanej w oparciu o ciśnienie, temperaturę lub przepływ itp. W naszym konkretnym przypadku funkcja znalazła zastosowanie do zmniejszenia wartości zadanej w oparciu o pomiar przepływu, aby uwzględnić stratę tarcia, która przy maksymalnym przepływie wynosi 3 m. Poniższy rysunek przedstawia charakterystykę pracy pomp wybranego zestawu pracującego ze stałym ciśnieniem. Czerwona linia pozioma wskazuje stałe ciśnienie robocze zestawu. Pięć żółtych kręgów zostało wziętych ze standardowego profilu obciążenia budynku użyteczności publicznej. Kręgi nie są punktami pracy zestawu, ale można traktowac je jako "wskaźniki" przepływu w których normalnie pracuje zestaw. Im większy okrąg, tym większa liczba godzin pracy w tym obszarze przepływu, co oznacza, że zestaw często pracuje w obszarze o małym Poniższa krzywa przedstawia dostosowaną krzywą ciśnienia dla sytuacji, kiedy strata tarcia jest brana pod uwagę w procesie doboru zestawu. Ciśnienie jest automatycznie obniżane, gdy przepływ maleje, aby zdołać nadrobić 3m straty tarcia, które występują przy największym przepływie. W oparciu o nowy scenariusz roczne zużycie energii obliczone w Katalogu Technicznym z uwzględnieniem funkcji wpływu na wartość zadaną wynosi: kwh Teraz, gdy znane są dwa scenariusze, możliwe jest obliczenie potencjalnej rocznej oszczędności energii = 398kWh 3. 67% Obliczenia przeprowadzono również dla straty tarcia 6 i 9 metrów. W tych przypadkach oszczędności były jeszcze wyższe. Oszczędność dla straty tarcia 6m % przepływie, gdzie potencjał oszczędności energii poprzez zmniejszenie nastawy jest najwyższy. W procesie doboru zestawu w Katalogu Technicznym Grundfos, obliczono roczne zużycie energii w przypadku utrzymania stałego ciśnienia i wartość ta w przypadku nie używania funkcji "wpływ na wartość zadaną" wynosi: kwh Oszczędność dla straty tarcia 9m % Biorąc pod uwagę tylko straty tarcia w układzie, można zaoszczędzić znaczną ilość energii, po prostu korzystając z funkcji "wpływ na wartość zadaną", która jest dostępna w Hydro Multi-E z nowymi silnikami MGE model H / I / J. 4

5 Optymalizacja układu Funkcja Stop Wszystkie zestawy podnoszenia ciśnienia Grundfos z co najmniej jedną pompą wyposażoną w płynną regulacją prędkości posiadają Funkcję Stop, włącznie z zestawami Hydro Multi-E z nowymi silnikami model MGE H / I / J. Funkcja Stop służy do wyłączania pomp w okresach niskiego zużycia w celu oszczędzania energii. Głównym elementem układu jest zbiornik membranowy służący do magazynowania wody i zapewniający zapotrzebowanie na wodę w momencie małego przepływu, np. w nocy. Gdy poziom wody i ciśnienie w zbiorniku spadnie, zestaw włączy się na krótki czas, aby podnieść ciśnienie i napełnić zbiornik porcją wody. Podczas tej operacji (niskiego przepływu) całkowity czas pracy zestawu zostaje skrócony, oszczędzając w ten sposób energię. Oczywiste jest, że zestaw nie operuje przez całe 9h z taką lub poniżej takiej wartości przepływu, dlatego aby obliczyć potencjalną oszczędność energii przyjęto, że zestaw podczas dnia pracuje w obszarze niskiego przepływu przez okres 4,5h. Aby znaleźć oszczędności, należy na zestaw spojrzeć z perspektywy dwóch różnych przypadków: Funkcja stop wyłączona/bez zbiornika Funkcja stop włączona/ze zbiornikiem Funkcja stop wyłączona Aby obliczyć zużycie energii, zastosujemy najgorszy scenariusz: punkt pracy zostanie ustalony na 0,345 m3/h i 58 m, tak jak pokazuje czerwona kropka na poniższej ilustracji. Na poprzedniej stronie stwierdzono, że zestaw w większości przypadków pracuje z małymi przepływami. Na podstawie profilu obciążenia (patrz Katalog Techniczny Grundfos) stwierdza się, że zestaw pracuje codziennie przez 9 godzin Korzystając z Katalogu Technicznego Grundfos, można obliczyć zużycie energii dla podanego punktu pracy. Dla okresu 4,5h dziennie, roczne zużycie energii bez aktywnej funkcją stop wynosi: kwh w obszarze o małym przepływie i który oznaczony został żółtymi kręgami po lewej stronie wykresu. Założenie Przepływ, w którym zestaw aktywuje funkcję stop, jest niższy niż wskazany na rysunku. Standardowo jest to 5% wartości znamionowej pojedynczej pompy, która w tym przypadku wynosi 5% z 6,9 m3/h = 0,345 m3/h. Teraz zostanie omówiony drugi scenariusz, aby znaleźć różnicę w zużyciu energii i ostatecznie określić roczne oszczędności. 5

6 Funkcja Stop włączona Ponownie, aby obliczyć zużycie energii zastosujemy najgorszy scenariusz, co oznacza, że punkt pracy (0,345 m3/h i 60,9 m) to punkt, w którym pompa będzie pracować podczas procesu napełniania zbiornika. Na podstawie przepływu, wielkości zbiornika i procesu napełniania szacuje się, że cykl pracy wyniesie 250 razy/h, gdzie około 1/3 czasu to praca pompy, a pozostałe 2/3 czasu to proces opróżniania zbiornika. Roczne zużycie energii z włączoną funkcją stop wynosi: kwh Potencjalną oszczędność energii można teraz obliczyć biorąć pod uwagę różnicę w działaniu zestawu bez włączonej i z włączoną funkcją stop: = kwh 5% Ponieważ pompa nie pracuje cały czas, konieczne jest znalezienie rzeczywistego czasu pracy. Wszystkie zestawy podnoszenia ciśnienia Grundfos z co najmniej jedną pompą wyposażoną w płynną regulacją prędkości posiadają funkcję stop, co oznacza, że uzyskanie oszczędności energii jest standardowym elementem zestawów Hydro Multi-E z silnikami model MGE H / I / J. 6

7 Zabezpieczenie ciągłej pracy - funkcja Multi Master Zapewnienie ciągłości zaopatrzenia w wodę jest bardzo ważnym zagadnieniem. Obecnie istnieje kilka różnych sposobów radzenia sobie z tym problemem, np. użycie oddzielnej pojedynczej pompy zapasowej w przypadku, kiedy układ główny jest niedostępny. Innym rozwiązaniem może być posiadanie dwóch identycznych zestawów. W momencie awarii zestawu głównego, obciążenie przejmuje zestaw zapasowy. Oba te rozwiązania pozwolą na wykonanie zadania, jednak koszt zakupu pompy zapasowej może być wysoki, a zakup identycznego zestawu podwoi koszt inwestycji. Inną wadą jest potrzeba zwiększonej obsługi i konserwacji oraz dodatkowe miejsce na zapasową pompę lub cały zestaw. Zestawy Hydro Multi-E posiadają unikalną cechę, która pozwala na ciągłą pracę zestawu nawet podczas awarii, co w praktyce oznacza wyeliminowanie zastosowania pompy zapasowej lub dodatkowego zestawu. Sterowanie zestawem realizowane jest przez oprogramowanie pompy, co oznacza, że każda z pomp sterować pracą całym zestawem. Jedyne, co jest potrzebne, to przetwornik ciśnienia podłączony do przynajmniej dwóch pomp w zestawie, które mogą funkcjować jako pompa główna i przejąć kontrolę nad sterowaniem całym zestawem i "nakazać" innym pompom uruchomienie, zatrzymanie itd. Standardowo, bez względu na ilość pomp, Hydro Multi-E dostarczane jest z dwoma przetwornikami ciśnienia zamontowanymi po stronie tłocznej zestawu. Opcjonalnie, w celu zapewnienia najwyższej niezawodności, zestaw może być wyposażony w przetworniki na wszystkich pompach. W takim przypadku każda z pomp może pracować jako pompa główna i przejąć kontrolę nad sterowaniem zestawem. Hydro Multi-E radzi sobie z sytuacjami awaryjnymi w sposób wyrafinowany, bez wpływu na poziom komfortu użytkownika końcowego. Poniżej wymieniono kilka sytuacji awaryjnych oraz sposób ich rozwiązania przez Hydro Multi-E. Sytuacja awaryjna 1 W przypadku awarii przetwornika ciśnienia podłączonego do pompy głównej która steruje całym zestawem, jedna z pozostałych pomp która jest podłączona do drugiego przetwornika, automatycznie przejmie kontrolę nad sterowaniem zestawem, który kontynuuje pracę, jakby nic się nie wydarzyło. Wyświetlacz pompy podłączonej do uszkodzonego czujnika wskaże ostrzeżenie, a sama pompa nadal będzie działać w oparciu o polecenia pochodzące z nowej pompy głównej. Sytuacja awaryjna 2 Jeśli pompa jest serwisowana lub niedostępna z innego powodu, sterowanie zestawem zostanie przejętę automatycznie przez kolejną pompę z podłączonym przetwornikiem, a ciągłość pracy pozostałych pomp zostanie zachowana. 7

8 Bezpieczeństwo instalacji rurowej - funkcja łagodnego wzrostu ciśnienia Dla niektórych użytkowników ochrona rurociągów w instalacji jest ważniejsza niż obniżenie zużycia energii. Pęknięcie rury np. w szpitalu, może być nie tylko kosztowne, ale również niebezpieczna dla pacjentów. Taka awaria może się wiązać z przeniesieniem pacjentów do innej części lub nawet innego szpitala. Funkcja łagodnego wzrostu ciśnienia posiada dwie fazy: Napełnienie pustych rurociągów podczas procesu uruchamiania, może zostać przeprowadzone ręcznie przez stopniowe podnoszenie ciśnienia, aż do momentu wypełnienia rurociągu i usunięcia powietrza przez najdalej lub najwyżej zamontowany w instalacji otwarty kran. Jeśli z jakiegoś powodu zestaw jest unieruchomiony, a poziom wody w rurociągach spada ze względu na naturalne zużycie wody w budynku, może wystąpić podciśnienie, które może spowodować rozerwanie rury w momencie ponownego uruchomienia zestawu i szybkiego napełnienia rurociągu. Można temu zaradzić instalując automatyczny zawór przeciwuderzeniowy, na końcu instalacji lub w górnej części budynku. Zawór umożliwia dopływ lub odpływ powietrza w celu przeciwdziałania wytworzonego podciśnienia lub nadciśnienia w rurociągu. Jeśli zawór przeciwuderzeniowy zostanie połączony z funkcją łagodnego wzrostu ciśnienia zestawu Hydro Multi-E, wówczas zapewniona jest automatyczna ochrona rurociągu. Faza 1 Napełnianie Definiując odpowiednie ustawienia (liczba pracujących pomp, ciśnienie napełniania) rurociąg jest powoli wypełniany wodą aż do osiągnięcia wymaganego ciśnienia. Ciśnienie to powinno być odpowiednie do wysokości rury wznośnej w taki sposób, aby rurociąg był całkowice zalany. Faza 2 Wzrost ciśnienia Po zakończeniu fazy napełniania rozpoczyna się faza wzrostu ciśnienia i powoli podnoszone jest ciśnienie do wymaganej wartości zadanej. 8

9 Wnioski Dobór zestawu Do doboru zestawu należy podchodzić krytycznie i aby uniknąć przewymiarowania, należy używać uznanej metody. Nie jest problemem dobór zbyt dużego zestawu, który mógłby obsłużyć daną aplikację, natomiast zdolność do poprawnego doboru stanowi ogromna zaletę producenta, gdzie przewymiarowanie może wiązać sie z niepotrzebnymi podwyższonymi kosztami zakupu i użytkowania. Oszczędność energii Funkcja Stop oraz funkcja wpływu wartości zadanej w Hydro Multi-E z silnikami MGE model H/I/J mogą zaoszczędzić znaczną ilość energii. Funkcja Stop W naszym konkretnym przypadku oszczędność energii pomiędzy zestawem z aktywną i nieaktywną funkcją stop wynosi 5%. Wielkość zbiornika jest zdefiniowana fabrycznie na podstawie wymaganej liczby uruchomień/ zatrzymań. Gdyby zastosowano większy zbiornik, potencjalne oszczędności energii mogłyby być większe, trzeba jednak zrównoważyć większy koszt zakupu związany z większym zbiornikiemz większą przestrzenią zajmowaną przez zbiornik i wielkością potencjalnej oszczędności energii. Wpływ na wartość zadaną W większości budynków użyteczności publicznej może tkwić ogromny ukryty potencjał oszczędności energii. Wyzwaniem są straty tarcia, a najczęstszym rozwiązaniem przeciwdziałania stratom, jest zwiększenie wartości stałego ciśnienia. W naszym przypadku, funkcja wpływu na wartość zadaną w momencie malejącego przepływu obniża ciśnienie automatycznie, aby zdołać nadrobić 3m straty tarcia, które występują przy największym przepływie. Oszczędności wynikające z aktywnej funkcji wpływu na wartość zadaną w celu przeciwdziałania na straty tarcia przez obniżenie ciśnienia w miarę spadku przepływu, są następujące: Strata tarcia: 3 m 3.67 % Strata tarcia: 6 m 7.49 % Strata tarcia: 9 m % Zabezpieczenie ciągłej pracy - funkcja Multi Master Zapewnienie ciągłości zaopatrzenia w wodę jest ważnym czynnikiem we wszystkich budynkach użyteczności publicznej. Hydro Multi-E z silnikami MGE model H/I/J posiadają unikalną cechę, która sprawia, że każda pompa może sterować pracą całym zestawem. Zestaw w standardzie wyposażony jest w dwa przetworniki ciśnienia, co oznacza, że w przypadku awarii przetwornika lub pompy zestaw będzie kontynuował pracę jako zestaw podnoszenia ciśnienia nawet wtedy, gdy jedna z pomp lub przetwornik znajdzie się w stanie zakłócenia. Funkcja łagodnego wzrostu ciśnienia Bezpieczeństwo całej instalacji rurowej to kolejna ważna część każdego budynku użyteczności publicznej. Pęknięta rura w budynku może mieć poważne konsekwencje nie tylko dla samego budynku, ale także dla ludzi, którzy w nim mieszkają lub z niego korzystają. Funkcja łagodnego wzrostu ciśnienia zapewnia powolne wypełnienie rurociągów wodą oraz łagodny wzrost ciśnienia podczas uruchamiania zestawu lub w przypadku braku i powrotu zasilania elektrycznego, przez co zabezpiecza przed uderzeniem hydraulicznym, które mogłyby doprowadzić do pęknięcia rur. 9

10 Wydanie: The name Grundfos, the Grundfos logo, and be think innovate are registered trademarks owned by Grundfos Holding A/S or Grundfos A/S, Denmark. All rights reserved worldwide. GRUNDFOS POMPY SP. Z O.O. ul. Klonowa 23, Baranowo k. Poznania Przeźmierowo Tel: