Cálculo da economia de energia da bomba

Para sistemas de aquecimento ou água gelada que atendem instalações de ar condicionado, a exigência de aquecimento ou resfriamento máximo ocorre apenas na inicialização ou em dias de pico pouco frequentes. Na maior parte do tempo, uma saída reduzida de aquecimento ou resfriamento será suficiente. Durante estes períodos existe potencial para bombear menos água, reduzindo assim o consumo anual de energia da bomba.

Chiller refrigerado a ar e tubulação

A energia da bomba pode ser economizada porque existe uma correlação útil entre velocidade, pressão, vazão e potência da bomba. Para qualquer bomba que bombeia contra uma resistência fixa, as consequências da alteração da velocidade da bomba (de N1 para N2) podem ser previstas a partir das leis de similaridade da bomba:

onde N é a velocidade da bomba (rev/s), Q é a vazão (m3 /s), Δp é a pressão diferencial na bomba (Pa) e P é a potência da bomba (W). Por outras palavras, se a velocidade da bomba for reduzida para 25% do seu valor anterior, então:

  • a vazão (Q) também é reduzida para 25% de seu valor anterior
  • a pressão gerada pela bomba (Δp) é reduzida para 6,25% (ou seja, um décimo sexto do seu valor anterior)
  • o consumo de energia da bomba (P) é reduzido para 1,6% (ou seja, um sessenta e quatro do seu valor anterior)

A mesma consequência pode ser vista quando estas relações são aplicadas à equação padrão para determinar a potência da bomba:

onde η é a eficiência geral da bomba (%).

Pode-se observar que se a velocidade da bomba for reduzida para 25%, fazendo com que o fluxo seja reduzido para 25% e a pressão da bomba seja reduzida para 6,25%, então, conforme previsto pelas leis de similaridade da bomba, a potência da bomba reduz para 1,6% (ou seja, 0,25 vezes 6,25).

Esta relação é verdadeira desde que a bomba esteja bombeando contra uma resistência fixa porque, nesta situação, a eficiência da bomba geralmente permanece razoavelmente constante, independentemente das alterações na velocidade da bomba. Portanto, se o sistema de tubulação estiver servindo uma carga uniforme de aquecimento ou resfriamento, então deverá ser possível manter a resistência do sistema constante e regular a velocidade da bomba para cima e para baixo em resposta à demanda, alcançando assim toda a economia de energia de 98,4% prevista em 25%. fluxo.

Contudo, a maioria dos sistemas atende múltiplas zonas com cargas variáveis, cada uma exigindo controle individualizado de unidades terminais. Este controle é normalmente fornecido por válvulas de controle de 2 portas que modulam o fluxo conforme necessário para se adequar à zona. Num sistema com válvulas de controle de 2 portas, a resistência geral do sistema não será fixa, mas aumentará e diminuirá à medida que as válvulas abrem e fecham.

Nesta situação, a poupança real de energia da bomba alcançável dependerá da forma como a velocidade da bomba é controlada. A maneira mais fácil de controlar a velocidade da bomba é fazê-la responder a um sinal de pressão diferencial entre dois pontos em algum lugar do sistema. As melhores opções de economia de energia são:

  • varie a velocidade da bomba com base na pressão diferencial da bomba e usando uma característica de controle de velocidade integral designada pelo fabricante da bomba.
  • variar a velocidade da bomba para manter a pressão constante nas extremidades do sistema (usando sensores remotos de pressão diferencial).

As consequências de cada opção em termos de características de resistência da bomba e do sistema são mostradas nas Figuras 1a e 1b. Para cada exemplo, foi assumida uma vazão mínima do sistema de 25%.

Figura 1a: Condições variáveis ​​em um sistema com pressão da bomba controlada pelo controlador integral da bomba
Figura 1b: Condições variáveis ​​em um sistema com pressão da bomba controlada para manter pressão constante nas extremidades do sistema

Pode-se observar na Figura 1a que os controladores integrais da bomba são capazes de gerar suas próprias características de controle de velocidade que determinam como a bomba responderá às mudanças na resistência do sistema. Pode-se observar na Figura 1a que os controladores integrais da bomba são capazes de gerar suas próprias características de controle de velocidade que determinam como a bomba responderá às mudanças na resistência do sistema. O ponto de operação da bomba sempre estará em algum lugar nesta característica. A Figura 1a mostra uma característica de controle em linha reta, mas os fabricantes de bombas também podem fornecer características curvas que proporcionam maiores reduções na velocidade da bomba para as mesmas condições operacionais.

As bombas controladas desta forma têm a vantagem de evitar a necessidade de sensores remotos de pressão diferencial. No entanto, com todos os controladores integrais, presume-se que o sistema tenha um padrão de carga razoavelmente uniforme e previsível e que todas as válvulas de 2 portas abrirão e fecharão aproximadamente juntas. Se o padrão de carga não for uniforme, ou seja, é provável que alguns circuitos permaneçam totalmente abertos enquanto a maioria fecha, então existe o risco de os circuitos totalmente abertos ficarem sem fluxo à medida que a velocidade da bomba diminui.

A utilização de sensores remotos de pressão diferencial nas extremidades do sistema é uma forma mais precisa de controlar a velocidade da bomba. A velocidade da bomba é controlada de forma que a pressão mínima projetada esteja sempre disponível em cada extremidade. Portanto, como mostrado na Figura 1b, o ponto de operação da bomba com carga parcial pode estar em qualquer lugar dentro de uma faixa de valores entre as condições de carga máxima e mínima. Vários sensores são necessários porque em um sistema de fluxo variável onde as válvulas de 2 portas podem fechar em ordem aleatória, o índice do sistema pode não permanecer em um local, mas pode se mover para diferentes partes do sistema.

Pode ser visto na Figura 1b que para um sistema controlado desta forma o ponto operacional de carga mínima não é fixado por nenhuma característica de controle pré-determinada, mas é livre para cair tanto quanto necessário. É, portanto, provável que a utilização de sensores remotos proporcione maiores poupanças de energia do que se forem utilizados controladores de velocidade integrados.

Para cada método de controle de velocidade da bomba, a economia de energia da bomba alcançável entre as condições de carga máxima e mínima será igual à diferença entre a potência da bomba de carga máxima e mínima, ou seja:

Economia de energia da bomba = (Δp1 Q1 / η1) – (Δp2 Q2 / η2)

Ao traçar a perda de pressão de carga máxima e mínima e as condições de vazão na curva da bomba do fabricante da bomba, a mudança na eficiência da bomba e a consequente economia de energia podem ser determinadas. Contudo, para completar este cálculo, as funções da bomba precisam ser estimadas para condições de carga máxima e mínima. Isto pode exigir a repetição do exercício de dimensionamento da bomba.

CIBSE Knowledge Series — Sistemas de tubulação de fluxo variável

FREQUENTLY ASKED QUESTIONS

What is the primary opportunity for pump energy savings in heating or chilled water systems?
The primary opportunity for pump energy savings in heating or chilled water systems lies in the fact that the maximum heating or cooling requirement only occurs at startup or on infrequent peak design days. For the majority of the time, a reduced heating or cooling output suffices, allowing for reduced pumping and energy consumption.
How does pump speed relate to pressure, flow rate, and power in heating or chilled water systems?

The pump speed has a direct impact on pressure, flow rate, and power in heating or chilled water systems. As pump speed increases, so does the pressure and flow rate, resulting in higher power consumption. Conversely, reducing pump speed decreases pressure, flow rate, and power consumption, leading to energy savings. This correlation can be leveraged to optimize pump operation and reduce energy waste.

What is the relationship between pump flow rate and system pressure drop?

The pump flow rate is directly proportional to the system pressure drop. As the flow rate increases, the system pressure drop also increases, requiring more pump power to overcome the resistance. By reducing the pump flow rate, the system pressure drop decreases, resulting in lower pump power consumption and energy savings.

How can variable speed pumping be used to optimize pump energy consumption?

Variable speed pumping allows the pump speed to be adjusted in response to changing system demands, optimizing pump energy consumption. By slowing down the pump during periods of reduced demand, energy consumption can be significantly reduced. This approach can be particularly effective in heating or chilled water systems where demand varies throughout the day.

What are some common control strategies for optimizing pump energy consumption in heating or chilled water systems?

Common control strategies for optimizing pump energy consumption in heating or chilled water systems include proportional-integral-derivative (PID) control, model predictive control (MPC), and simple scheduling. These strategies can be used to adjust pump speed, flow rate, and pressure in response to changing system demands, optimizing energy consumption and reducing waste.

How can pump energy savings be calculated and verified in heating or chilled water systems?

Pump energy savings can be calculated using energy consumption data from the pump motor and system flow rates. The savings can be verified by comparing the energy consumption before and after the implementation of energy-saving measures, such as variable speed pumping or optimized control strategies. Additionally, energy meters and data loggers can be used to monitor and track energy consumption in real-time.

What are some common obstacles to implementing pump energy-saving measures in heating or chilled water systems?

Common obstacles to implementing pump energy-saving measures in heating or chilled water systems include inadequate system instrumentation, lack of data on system performance, and insufficient resources for implementation and maintenance. Additionally, concerns about system reliability, safety, and performance may also hinder the adoption of energy-saving measures.