省エネ循環ポンプ: 仕組み、注意点、適切なポンプの選び方

循環ポンプシステムのエネルギー消費が真剣な注目に値する理由

循環ポンプ これらは、建築サービス、産業プロセス システム、地域暖房ネットワークにおけるエネルギー消費者の中でも最も見逃され続けているものの 1 つです。目に見えるサイズと明らかなエネルギー需要のために注目を集める HVAC チラーやボイラーとは異なり、循環ポンプはバックグラウンドで継続的に動作し、システムがその瞬間に実際に全流量を必要とするかどうかに関係なく、多くの場合、固定速度とフルパワーで動作します。一般的な住宅用暖房システムでは、循環ポンプが家庭の総電力消費量の 5 ～ 10% を占めることがあります。複数の温水回路、産業用冷却ループ、および地域暖房設備を備えた商業ビルでは、ポンプ システムによって消費される総エネルギーが施設の総電気負荷の 20 ～ 30% に相当する場合があります。この消費規模により、ポンプ効率の改善は、建物のエネルギー管理と産業プロセスの最適化の両方で利用できる最も投資収益率の高い介入の 1 つとなりますが、その非効率性が明らかで急激なものではなく、静かで段階的なものであるため、体系的に十分に活用されていないままです。

固定速度の単一速度循環ポンプから可変速の電子整流式省エネ循環ポンプへの移行は、過去 30 年間のポンプ技術における最も大きな進歩を表しています。最新の省エネポンプの特徴、効率の向上をどのように実現するか、特定の用途に合わせてポンプを正しく選択および指定する方法を理解することは、本格的な建物やプロセスのエネルギー削減プログラムの実践的な基礎となります。

従来の固定速度循環ポンプがエネルギーを浪費する仕組み

省エネ循環ポンプがなぜこれほど劇的な効率向上をもたらすのかを理解するには、まず、なぜこれまでのポンプがこれほど多くのエネルギーを浪費していたのかを理解する必要があります。従来の循環ポンプは、供給周波数によって決まる固定速度で動作する AC 誘導モーターを使用します。通常、ヨーロッパとアジアのほとんどの地域では 50 Hz、北米では 60 Hz です。これは、いつでもシステムによって課される実際の流量要求に関係なく、ポンプ インペラが一定の速度で回転することを意味します。暖房または冷房回路では、熱需要は屋外の温度、占有率、日射量、運転スケジュールによって継続的に変化します。冬のピーク条件 (おそらく年間 10 ～ 15 日) にフルフローを供給するように設計された暖房システムは、需要が部分的、中程度、または最小限である残りの 350 日間は同じフルフロー条件で動作します。

この状況の物理学は、消費電力が回転速度の 3 乗に応じて変化するというポンプ親和性の法則によって支配されます。設計速度の 80% で動作するポンプは、全速度電力の 51% のみを消費します (0.83 = 0.512)。設計速度の 60% で動作するポンプは、フルスピードの電力の 22% しか消費しません。これらの関係は、フルスピードで継続的に動作させるのではなく、ポンプ速度を実際のシステム需要に合わせることで達成される動作速度のわずかな低下でさえ、エネルギー消費量の不釣り合いに大きな削減をもたらすことを意味します。年間 8,760 時間フルパワーで稼働する固定速度ポンプは、システムがフル流量を必要とするのはそのうち 500 時間だけですが、可変速度制御技術がなければ構造的に避けられない方法で、膨大な電力を無駄にしています。

最新の省エネ循環ポンプを支えるテクノロジー

最新の省エネ循環ポンプは、電子的に整流される永久磁石モーター、統合された可変周波数ドライブ、ポンプ出力をシステムの需要に継続的に適合させるインテリジェントな制御アルゴリズムという 3 つの主要テクノロジーの統合によって効率を実現します。これら 3 つの要素は、独立したコンポーネントとしてではなく、分離できないシステムとして連携して動作します。そのため、統合された省エネポンプ ユニットの性能は、従来の誘導モーター ポンプに可変周波数ドライブを改造することによって達成できる性能を大幅に上回ります。

電子整流式永久磁石モーター

高効率循環ポンプのモーターは、従来のポンプで使用されている AC 誘導モーターではなく、ブラシレス DC 永久磁石モーター (ECM (電子整流モーター) とも呼ばれます) です。永久磁石モータは、ロータの磁界が誘導電流ではなく永久磁石によって提供されるため、誘導モータのエネルギー散逸のかなりの部分を占めるロータの銅損を排除します。これにより、同等の誘導モーターの 75 ～ 85% と比較して、ECM モーターの全負荷効率は 90 ～ 95% となり、重要なことに、広範囲の部分負荷動作点にわたって高い効率が維持されます。定格負荷の 30% で動作する誘導モーターは、通常、効率が 60 ～ 65% に低下します。永久磁石 ECM モーターは同じ部分負荷でも 85 ～ 90% の効率を維持します。循環ポンプ システムは動作時間の大部分を部分負荷で費やすため、この部分負荷効率の利点は、実際には定格全負荷効率の数値だけよりもはるかに重要です。

統合された可変周波数ドライブ

省エネ循環ポンプに組み込まれた電子ドライブは、入力 AC 電源を可変周波数、可変電圧 DC、さらに AC 出力に変換し、制御信号に応じてモーター速度を正確に制御します。専用の循環ポンプユニットでは、このドライブは制御するモーター専用に設計されており、インピーダンスマッチング、スイッチング周波数、熱管理はすべて、ユニバーサル VFD に必要な一般的な最適化ではなく、特定のモーター向けに最適化されています。この統合アプローチにより、汎用 VFD の 93 ～ 96% と比較して 97 ～ 99% のドライブ効率が実現され、個別のドライブの設置に伴う設置の複雑さ、配線要件、および潜在的な EMC 問題が排除されます。

インテリジェント制御モードとアルゴリズム

最新の省エネ循環ポンプに組み込まれた制御インテリジェンスは、可変速機能を実際のシステム動作における実際のエネルギー節約に変換します。主要なポンプ メーカーは、さまざまなシステム タイプや動作原理に適したいくつかの制御モードを提供しています。比例圧力制御は、ポンプ全体の差圧を流量に比例して維持します。流量要求が低下すると、それに応じて設定値圧力が低下し、一定差圧制御で許容される以上にポンプの速度が低下する可能性があります。定圧制御は流量に関係なく差圧を一定に保ち、圧力損失がネットワーク全体に分散されるのではなく一点に集中するシステムに適しています。一部のヒーティング ポンプ モデルで利用可能な温度ベースの制御は、システムの供給温度と戻り温度の差に基づいてポンプ速度を調整し、温度差が狭くなるとポンプを遅くし (熱需要の減少を示します)、温度差が広がると速度を上げます。いくつかの高級メーカーが提供する自動適応制御により、ポンプは時間の経過とともにシステムの実際の動作特性を学習し、手動でコミッショニング入力を行わなくても、独自の設定値を継続的に最適化できます。

エネルギー効率の分類と規制基準

循環ポンプのエネルギー性能は、エネルギー効率指数 (EEI) によって定量化および規制されています。EEI は、欧州委員会の ErP (エネルギー関連製品) 指令によって導入された指標であり、基準ポンプと比較した代表的な動作条件範囲におけるポンプの実際のエネルギー消費量を測定します。 EEI スケールは 0 から 1 で実行され、値が低いほど効率が良いことを表します。次の表は、現在および過去の EEI しきい値とポンプ s に対する実際的な影響をまとめたものです。