Besparing tot wel 15 procent mogelijk 14 Artikel De kosten voor elektriciteit van zakelijke gebruikers zijn sinds 2002 met ongeveer de helft toegenomen. Wie zoekt naar wegen om dit proces in de hand te houden, moet onder andere kijken naar het elektriciteitsver- bruik van elektromotoren. In een gebouw van enige omvang zitten er al snel enkele tientallen. Denk wat waterpompen betreft aan riolering, drink- water en bluswater. Verwarming en klimaatbeheersing vereisen water- Besparing tot wel 15 procent mogelijk Het verplaatsen van water en lucht in gebouwen kost veel energie. Hierop kan veel worden bespaard. Betere aansturing, aandacht voor het pomp- of ventilatiesysteem als geheel, nieuwe concepten. Deze en andere zaken kunnen het energieverbruik verminderen. ITT heeft pompjes voor zonnecollectoren ontwikkeld, die gevoed worden door elektriciteit uit zonnecellen, die in de collectoren ge?ntegreerd zijn. Besparing tot wel 15 procent mogelijk 15 Artikel Jan van den Berg Frequentieregeling In veel gevallen draaien elektromotoren op een veel groter vermogen dan nodig is. Dan wordt bijvoorbeeld de toevoer van water verminderd door een afsluiter gedeeltelijk dicht te draaien, in plaats van de motor langzamer te laten draaien. Met behulp van een frequentieregeling is dit te voorko- men. Hiermee wordt de `productie' van een pomp of ventilator geregeld door het vermogen dat de elektromotor toegediend krijgt. Harder draaien dan nodig is, wordt hiermee voorkomen. Een voordeel van frequentieregelaars is dat zij ook bij bestaande motoren toegepast kunnen worden. De beheerder van een gebouw hoeft niet te wachten tot er nieuwe installaties of motoren nodig zijn. Bij ventilatoren kan het bovendien voorkomen, dat een complete serie een vari?rende, maar wel altijd dezelfde prestatie moet leveren. In dat geval kan de hele serie met ??n frequentieregelaar worden aangestuurd, hetgeen goedkoper is. Bij zowel pompen als ventilatoren kan zo tot 70 procent op elektriciteit worden bespaard. Hier staan de investering in een frequentieregelaar te- genover. De ene na de andere berekening laat echter zien, dat deze bin- nen ??n of twee jaar is terugverdiend. De praktijk is echter weerbarstig. Van de industrie is bekend, dat slechts een procent of vijf van de elektro- motoren is uitgerust met een frequentieregelaar. In de gebouwde omge- ving is dit niet veel beter. Een groot deel van de bestaande motoren zal vermoedelijk nooit van een frequentieregeling worden voorzien. Dat zal pas gebeuren als de motoren worden vervangen. Frequentieregelaars zijn niet altijd nodig. Bij pompen en ventilatoren die min of meer constant belast worden, is de winst van zo'n regeling waar- schijnlijk zo laag, dat de meerinvestering nooit wordt terugverdiend. Voor pompen die vrijwel nooit draaien, zoals in brandblusinstallaties, geldt het- zelfde. Hier is bovendien de winst van energiezuinige motoren marginaal. Optimaliseren In de pompen zelf is ook een groot deel van de oplossing te vinden. Het optimaliseren van de vorm van waaier en pomphuis zijn belangrijke facto- ren. Om dit optimaal te doen, wordt veel gebruik gemaakt van CFD-simu- laties. Dit kan een snelle berekening zijn, voor een kleine verbetering van een bestaande pomp. Voor een geheel nieuw ontwerp staan de compu- ters soms duizend uur achtereen te rekenen. Alleen zo kan een volledige pompen, compressorpompen voor koeling en ventilatoren. De schat- tingen lopen uiteen, maar in de gebouwde omgeving nemen elektro- motoren zo'n veertig procent van het totale energieverbruik voor hun rekening. Dit is ruwweg gelijk verdeeld tussen het verplaatsen van water en van lucht. Nieuwe concepten Fabrikanten van elektromotoren, pompen en ventilatiesystemen werken er hard aan om hun producten zuiniger te maken. Dit kan gedeeltelijk door bestaande soorten producten verder te ontwikkelen. Maar ze komen ook met geheel nieuwe concepten. Elektromotoren zijn naar rendement ingedeeld in vier klassen (zie kader). De verschillen in energieverbruik bedragen tussen de 1 en 15 procent. Het exacte percentage hangt af van het vermogen. Hoe groter de elektromo- tor, des te groter de effici?ntie en hoe kleiner het verschil tussen motoren in naast elkaar liggende klassen. De kosten van de motoren nemen toe, naarmate de effici?ntie groter wordt. Koper Een van de sleutels tot een lager energieverbruik is het gebruik van koper in de rotoren in plaats van aluminium. Dit alleen scheelt tussen de 1,2 en 1,7 procent stroomverbruik. Nieuwe productietechnieken maken het fi- nancieel haalbaar voor producenten van motoren om het duurdere koper te gebruiken in plaats van aluminium. Naast energiebesparing bieden zui- niger motoren nog andere voordelen. Door het hogere rendement is de motortemperatuur aanzienlijk lager. Daardoor is er minder geforceerde lucht nodig om te koelen zodat er een kleinere koelwaaier gebruikt kan worden. Behalve dat dit minder energie kost, leidt dit ook tot een lager geluidsniveau. Wat er technisch mogelijk is, kan worden gedemonstreerd aan de hand van de nieuwe serie WQuattro motoren van de Braziliaanse fabrikant WEG. In het geval van een 0,75 W motor is het rendement 87,5 procent. De IE2 norm, die volgend jaar van kracht wordt, schrijft 79,6 procent voor, terwijl de hoogste standaard (IE4) op 85,6 procent ligt. Een WQuattro motor van 7,5 kW heeft een effici?ntie van 92,8 procent, waar de IE2 norm 88,7 pro- cent is. Het verdient aanbeveling om niet alleen naar de pomp te kijken, maar naar het totale systeem. Coating van pomphuis en waaier kan de pomp een paar procent meer rendement geven. Besparing tot wel 15 procent mogelijk 16 Artikel simulatie worden gemaakt van het gedrag van een vloeistof onder invloed van een bepaald model waaier. Op het vlak van energievoorziening zijn er soms ook interessante innova- ties. Zo heeft ITT een pomp voor zonnecollectoren ontwikkeld, die wordt gevoed door PV-cellen, die met een zonnecollector kunnen worden ge- combineerd. Zoiets is mogelijk voor dit type toepassingen, waar pompen voldoen die een laag vermogen hebben. Coatings Het rendement van een pomp neemt toe met de afname van de stromings- weerstand. En dus ligt het voor de hand om het natte oppervlak in de pomp zo glad mogelijk te maken. Hiervoor passen diverse producenten van pom- pen coatings toe. Dit is van oudsher een beproefd middel om het inwendige van de pomp resistenter te maken tegen de inwerking van chemicali?n of de schurende werking van vaste bestanddelen, zoals zandkorrels. De toepassing van coatings wordt dus breder. Deze toevoeging kost uiter- aard geld. Dit kan echter doorgaans binnen enkele jaren worden terugver- diend. Belangrijk hierbij is uiteraard hoeveel tijd de pompen draaien. Veel pompen voor drink- en rioolwater en klimaatbeheersing draaien vele duizen- den uren per jaar. Dan is een relatief kleine extra investering er al snel uit. Een berekening van de Duitse fabrikant van pompen Wilo toont dit duide- lijk aan. Bij waterpompen komt 84 procent van de life cycle costs voor rekening van de energie die nodig is om ze te laten functioneren. Wilo le- vert een coating, die het rendement van een pomp ongeveer 2 procent verhoogt. Dit lijkt weinig, maar het effect valt alleszins mee. Toegepast op een bepaald type waterpomp met een capaciteit van 8,4 m3/uur neemt het pomprendement toe met 1,8 procent. Uitgaande van 7.300 draaiuren per jaar wordt jaarlijks ruim 7.600 euro bespaard. Zo gunstig zijn de cijfers lang niet altijd. Maar de besparingen die in dit specifieke geval worden gehaald, zijn geen uitzondering. Praktijkervarin- gen met coatings die andere fabrikanten aanbrengen, duiden op vergelijk- bare verbeteringen van het rendement. Coatings kunnen doorgaans ook worden aangebracht in bestaande pom- pen. Dit moet gebeuren tijdens groot onderhoud, waarbij de pomp in een werkplaats moet worden gedemonteerd. De investeringskosten voor de coating zullen hoger zijn dan in het geval van een nieuwe pomp. De nood- zaak is echter ook hoger. Door corrosie onder invloed van chemicali?n of de schurende werking van vaste deeltjes wordt het oppervlak ruw. Hier- door kan het rendement van een pomp na vele jaren teruglopen met 10 tot 20 procent. Geheel Wie het energieverbruik wil minimaliseren, moet niet naar de afzonderlijke pompen kijken, maar naar het systeem als geheel. Een goed ontwerp is hiervan de basis. Pompen worden vaak wat overgedimensioneerd, om een bepaalde zekerheidsmarge te hebben. Zit elders in het systeem iets niet helemaal goed, dan vangen we dat met extra pompcapaciteit wel op. Althans, dat is de gedachte. Beter is het om in de ontwerpfase meteen goed naar het geheel te kijken. Pompen zijn immers maar ??n onderdeel van een systeem. Pijpen, klep- pen, warmtewisselaars en dergelijke geven allemaal weerstand. Hoe gro- ter de weerstand is die het water ondervindt als het door het systeem stroomt, des te groter moet het vermogen van de pomp zijn. Het loont de moeite om te zien of de lengte van pijpleidingen kan worden verminderd. Een andere oplossing kan zijn om pijpen te kiezen met een grotere diame- ter. Dan zijn de investeringskosten hoger, maar daar staat een lager ener- gieverbruik tegenover. Bovendien zorgen te krappe pijpen voor hogere stroomsnelheden, waardoor het risico van cavitatie, en dus van schade, toeneemt. Een besturingssysteem voor het totale hydraulische systeem biedt ook voordelen, zoals BOA-Systronic van pompenproducent KSB. Dit systeem is bruikbaar voor verwarming, koeling en airconditioning. Het systeem houdt het verschil in temperatuur tussen water dat warmtewisselaars in- gaat en dat wat er uitkomt constant. Bij warmtewisselaars worden bijvoor- beeld radiatoren bedoeld, maar ook warmtewisselaars in airconditioning- units. Dit gebeurt door de verhouding tussen warm water en (kouder) retourwater te vari?ren met behulp van kleppen. Dit heeft enkele voordelen, zoals een geringer temperatuurverschil tussen aangevoerd en afgevoerd water. Hierdoor is een effici?ntere manier van ver- warmen of koelen mogelijk. Voorts zijn de drukverschillen in het systeem De Geniax-pompjes van Wilo bedienen slechts ??n radiator; dit is zuiniger dan wanneer het hele cv-systeem door ??n grote pomp wordt gevoed. Ventilatoren die technisch niet verouderd zijn, zijn uit energieoogpunt mogelijk wel uit de tijd. Besparing tot wel 15 procent mogelijk 17 Artikel geringer. Het is van groot belang dat er een terugkoppeling bestaat tussen de kleppen en de pompen. Als de pompen met hetzelfde vermogen blijven draaien als de kleppen gedeeltelijk worden gesloten, wordt door de pompen meer energie verbruikt dan nodig is om het water te verplaatsen. Zoals gezegd bepaalt de watertemperatuur de volumestroom. Thermosta- tische kleppen regelen het toerental van de pompen, zodat deze niet snel- ler draaien dan nodig is. Dit levert door de bank genomen een volumes- troom op die de helft geringer is dan in traditionele systemen. Berekeningen en praktijkvoorbeelden laten zien, dat met BOA-Systronic tot 70 procent bespaard kan worden op het energieverbruik van pompen. Ventilatoren Een interessante manier om te besparen op energiekosten voor ventilatie, is door gebruik te maken van natuurlijke ventilatie. Maar ook bij de mecha- nische ventilatie is veel winst te boeken. Hiervoor is al aangegeven wat de voordelen van moderne motoren en hun aansturing zijn. Veel van wat voor pompen geldt, is ook waar voor ventilatoren. Zoals het bekijken van het systeem als geheel in plaats van de afzonderlijke componenten. Er zijn echter ook verschillen met pompen. Bij het toepassen van fre- quentieregelaars voor ventilatoren is het doorgaans interessant om te kiezen voor iets grotere ventilatoren dan volgens de normen nodig is. Dit komt doordat bij frequentie- regeling het opgenomen elektri- sche vermogen sneller afneemt dan de capaciteit van de ventilator. Voor een ruimte of gedeelte daar- van waar een ventilator met een doorsnede van 50 cm en een ver- mogen van 500 Watt volgens de norm voldoende is, kan ook een ventilator met een doorsnede van 56 cm en een vermogen van 600 Watt worden gebruikt. Als de venti- latie op 80 procent begrensd wordt, verplaatst deze ventilator evenveel lucht als een 50 cm-ventilator. Het elektriciteitsverbruik is echter 307 Watt in plaats van 400 Watt. Frequentieregeling heeft bij ventilatoren nog een voordeel, namelijk een lan- gere levensduur. Bij traditioneel aangestuurde ventilatoren wordt de energie die niet ten goede komt aan het ventileren, toch door de installatie opgeno- men. Deze wordt omgezet in warmte. De warmte zal via de lagers en het motorhuis moeten worden afgevoerd naar de langsstromende lucht. Deze extra warmte ten opzichte van frequentiegeregelde ventilatoren gaat ten koste van de levensduur van een ventilator. Een frequentiegeregelde ventila- tor heeft een beduidend lagere bedrijfstemperatuur. Bij pompen speelt dit niet, omdat vloeistoffen extra warmte veel sneller afvoeren. De hier beschreven producten en technieken zijn nog niet op grote schaal ingevoerd. Gezien de steeds strengere eisen van de Europese Unie, bij- voorbeeld voor elektromotoren, zal vooral in nieuwbouw de vraag toene- men naar zuinige pompen en ventilatoren. Dat de producenten hier klaar voor zijn, mag duidelijk wezen. Rendementseisen voor elektromotoren De Europese Unie hanteert normen voor de effici?ntie van elektromotoren, zoals die zijn vastgelegd in de IEC 60034-30 standaarden van de International Electrotechni- cal Commission. Deze vari?ren van IE1 tot en met IE4. Op 16 juni 2011 moeten motoren van 0,75 tot 375 kW voldoen aan de IE2-norm. Na 1 januari 2015 moeten motoren van 7,5 tot 375 kW voldoen aan de IE3-norm, of aan de IE2-norm als ze zijn uitgerust met een frequentieomvormer. Vanaf 2017 geldt dit ook voor motoren van 0,75 tot 7,5 kW. Er zijn nog geen plannen om de IE4-standaard tot norm te maken, want er bestaan nog geen uniforme normen voor het rendement van fre- quentieomvormers. Hier wordt op aandrang van de Europese Commissie wel onder- zoek naar gedaan. Zuinige elektromotoren zijn gunstig voor het energieverbruik van pompen en systemen voor luchtbehandeling. Fabrikanten van ventilatiesystemen zoeken naar middelen om zuiniger installaties te maken.