Energiatehokkuuden parantaminen talousveden jakelussa

Abstract

Vesilaitokset ovat merkittäviä energiankuluttajia ja vedenjakelu yleensä niiden eniten energiaa vaativa prosessi. Tässä työssä selvitettiin keskeisimmät vedenjakelun energiatehokkuuteen vaikuttavat tekijät ja vesilaitoksille järjestetyllä kyselyllä kartoitettiin niiden nykytilannetta. Tulosten perusteella arvioitiin tärkeimpiä keinoja energiatehokkuuden parantamiseksi sekä laadittiin käytännönläheiset ohjeet vesilaitoksille lähestyä niitä.

Yleensä merkittävin tekijä vedenjakelun energiatehokkuudessa on pumppukokonaisuuden hyötysuhde, mikä tyypillisesti koostuu taajuusmuuttajan, sähkömoottorin ja pumpun hyötysuhteista. Näistä pumpun hyötysuhde on alhaisin ja vaihtelee eniten. Keskeinen ongelma on pumppauksen huipputarpeen ja tavallisen matalamman toiminnan yhteensovittaminen. Ratkaisussa keskeisessä roolissa on järkevä pumppausjärjestely ja pumppujen mitoitus.

Kyselyn perusteella energiatehokkuus kiinnostaa vesilaitoksia, mutta siihen liittyvissä käytännöissä on paljon vaihtelua. Suuret vesilaitokset kiinnittävät pieniä enemmän huomiota energiatehokkuuteen. Pumppauksia valtaosin säädetään taajuusmuuttajilla, joita ohjataan paineen tai pinnankorkeuksien mukaan. Merkittävä osa pumppauksista tehdään uppopumpuilla, joiden moottoreiden hyötysuhteet ovat perinteisesti alhaiset. Viidennes laitoksista on kiinnittänyt huomattavasti huomiota pumppausten energiatehokkuuteen.

Energiatehokkuuden parantamisen prosessi kuvattiin ohjeisiin helpottamaan erityisesti pienten ja keskikokoisten vesilaitosten lähestymistä pumppausten energiankäytön selvittämiseen. Pumppujen mitoittamiselle työssä ehdotetaan tapaa, joka perustuu kahteen toimintapisteeseen: reunaehtona toimivaan vaadittavaan huippupisteeseen ja energiatehokkuuden kannalta optimoitavaan tavalliseen toimintapisteeseen. Pumppuvalinta voidaan tehdä kilpailuttamalla pumppumyyjiä suoraan näillä ehdoilla tai arvioimalla sopiva pumpun parhaan hyötysuhteen piste affiniteettiparaabelin ja pumppukäyrän arvion avulla. Prosessikuvausta ja mitoitusohjeita sovellettiin esimerkkikohteisiin Tuusulan seudun vesilaitoksella ja Hyvinkään Vedellä.

Water utilities are large consumers of energy and water distribution is usually their most energy-intensive process. Major factor regarding energy efficiency in water distribution were examined and a survey was conducted to find their current status in Finland’s water utilities. Based on these results, most important means for improving energy efficiency were estimated and practical instructions for approaching these means were formed.

Most influential factor on energy efficiency in water distribution usually is the total efficiency of the pumping, typically composed of frequency converter, electric motor and pump efficiencies. Lowest and most volatile of these is pump efficiency. Central issue is to fit peak demands with lower normal operation. Reasonable pumping arrangement and pump sizing play crucial role.

According to the conducted survey water utilities are interested in energy efficiency, but there are large variations in practices related to it. Large water utilities pay more attention to energy efficiency than small ones. Majority of pumps are driven with frequency converters guided by pressure or water surface levels. Significant portion of pumping is made with submersibles pumps, which traditionally have low electric motor efficiencies. One utility in five has paid significant attention to pumping efficiencies.

Energy efficiency improving process was formulated into instructions to help especially small to medium sized water utilities approach their pumping efficiencies. In this thesis a pump sizing method based on two operational points is proposed. First point is a boundary condition regarding required high operation and second point is a common operating point in which energy efficiency is optimized. Pump selection can be made by using these points to tender pump vendors or by using them to evaluate optimal best efficiency point based on affinity laws and pump curve estimation. Process description and pump sizing methods were put to practice in case studies at Tuusula region water utility and Hyvinkää water utility.