Pompalarda enerji verimliği

Son yıllarda enerji kaynaklarının giderek azalması, enerji maliyetlerinin artmasına ve yeni enerji kaynaklarının aranmasına neden olmaktadır. Aynı zamanda enerjinin verimli kullanımı da en onemli tasarruf programlarının başında gelmektedir. Dünya elektrik enerjisi tüketiminin yaklaşık     % 20’ lik bir bölümü pompalama sistemleri tarafından harcandığı düşünülürse pompalarda yapılacak verimlilik çalışmalarının önemi göstermektedir.

Pompa sistemlerinde ana eleman olan pompaların sahip olduğu verim değerleri enerji tüketimini direkt etkilemektedir. Bu nedenle pompa seçiminde dikkat edilmesi gereken önemli faktörlerden bir tanesi pompanın enerji tüketiminin göstergesi olan verim değeridir. Fakat genel piyasa koşullarında birçok tüketici pompa seçiminde ilk yatırım maliyetini dikkate almaktadır. Verim yerine fiyat bazlı alım yapılması, firmaların enerji maliyetini ve bununla birlikte dolaylı olarak çevreye de zarar vermektedir.

Avrupa Birliği tarafından kabul edilen ve ürünlerin çevreye olan duyarlığı ile ilgili birçok direktif aslında ürünlerin daha az enerji tüketmesini sağlaması için gerekli şartları anlatmaktadır. Pompalar ile ilgilide bu konuda birçok çalıma yapılmaktadır. Bu çalışmaların en sonuncusu Avrupa Birliği Komisyon’u tarafından (EU) 547/2012 nolu ‘Su Pompaları İçin Ekotasarım Uygulama Direktifi’dir. Bu direktif ile pompalar için minimum verim indeks (MEI) adı altında pompa verimlerini karşılaştırmaya yarayan boyutsuz bir sayı oluşturulmuştur. Pompaların verimlerine göre 0 ile 0,7 arasında olan bu değerin yüksek olması pompa veriminin daha yüksek olduğunu göstermektedir.

Bu bildiride ilgili direktifin kapsamı, MEI değerinin enerji verimliliği açısından önemi, MEI değerini hesaplama yöntemi ve bir örnek pompa üzerinden MEI değerinin hesaplanması bulunmaktadır.

1.GİRİŞ

Gelişmiş ülkeler atmosfere attıkları fosil yakıt artıklarının yarattığı sera etkisini yavaşlatmak için birtakım önlemler almaktadır. Bu çerçevede Avrupa topluluğunda enerji verimliliğini arttırarak, daha az yakıt tüketerek, aynı işleri yapmak için geniş çaplı çalışmalar yapılmaktadır.

Bu çalışmalar sonucunda Avrupa Birliği; “Sürdürülebilir Tüketim ve Üretim, Sürdürülebilir Sanayi Politikası Eylem Planı”nı 2009 yılında yeniden düzenleyerek, enerji tüketimi üzerinde etkisi bulunan tüm ürünleri kapsayan, ekotasarım yükümlülüklerini belirleyen bir çerçeve oluşturmak üzere “Ekotasarım Direktifi”  yayınlamıştır. Bu direktifi ülkemizde “Enerji İle İlgili Ürünlerin Çevreye Duyarlı Tasarımına İlişkin Yönetmelik” adı altında 7 Ekim 2010 tarihli Resmi Gazete’de yayımlanarak yürürlüğe girmiştir. Bu direktif ile enerji ile ilgili ürünlerin piyasaya arz edilebilmesi veya hizmete sunulabilmesi için bu ürünlerin tasarımında uyulması zorunlu olan çevresel şartların, çerçevesini belirlemek suretiyle enerji verimliliğini, çevre koruma düzeyini ve enerji arz güvenliğini artırarak, sürdürülebilir kalkınmaya katkıda bulunması amaçlanmaktadır.

Şekil 1 Pompalarda Ömür Boyu Maliyeti[/caption]

Yapılan çalışmalar sonucunda birçok ürünle ilgili çevreye uygunluk direktifleri çıkartılmıştır. İlk olarak aydınlatma, buzdolapları, çamaşır makineleri, fırınlarda başlayan çalışmalar günümüzde birçok evsel ve endüstriyel ürün için yapılmıştır.

Dünya elektrik enerjisi tüketiminin yaklaşık     % 20’ lik bir bölümü pompalama sistemleri tarafından harcanmaktadır. Yıllık 2000 saat ve üzerinde çalışan bir pompanın yaşam döngüsü maliyetine bakıldığında en büyük kısmının elektrik tüketiminden kaynaklandığı görülmektedir. Ömür boyu maliyet analizi yapıldığında pompalar ilk yatırım maliyetinin, enerji maliyetine göre çok düşük olduğu Şekil 1’de görülmektedir.

Kaynak ve enerjinin etkin kullanımına büyük önem veren Avrupa Birliği; pompalama sistemlerinde yaklaşık  %20 – %30 arasında bir verim iyileştirme potansiyeli olduğunu öngörmektedir. Bu nedenle su pompalama sistemleri ekotasarım direktifinde öncelikli ürün grubu olarak ele alınmaktadır. Bu kapsamda ülkemizde de sirkülasyon pompaları ve elektrik motorlarında direktifler kabul edilmişlerdir. Avrupa Birliği tarafından bu konuda çalışmalara devam edilmektedir. Son olarak 25 Haziran 2012 tarihinde Avrupa Birliği Komisyon’u tarafından (EU) 547/2012 nolu ‘Su Pompaları İçin Ekotasarım Uygulama Direktifi’ yayınlanmıştır. [1]

2. (EU) 547/2012 AVRUPA BİRLİĞİ DİREKTİFİNİN KAPSAMI

Direktif ticari tesislerde, içme suyu tesislerinde, sulamada ve gıda endüstrisinde kullanılan pompaların minimum sahip olması gereken verimleri için bir hesaplama yöntemi belirlenmiştir ve uyulması gereken asgari koşullardan bahsetmektedir.

Bu direktift belirli şartlar altında aşağıdaki pompaları kapsamaktadır. Pompa tipine göre kapsadığı alan Tablo 1’de verilmiştir.

• • Uçtan emişli norm pompalar (ESOB)

• • Uçtan emişli monoblok pompalar (ESCC)

• • Hat tipi santrifüj pompalar (ESCCI)

• • Düşey çok kademeli pompalar (MS)

• • Kademeli dalgıç pompaları (MSS) içermektedir.

Şekil 2 Uçtan emişli norm

Şekil 3 Uçtan emişli monoblok

 Şekil 4 Hat tipi

Şekil 5 Düşey çok kademeli

Tablo 1: Pompa tipine gore geçerlilik şartları

Aşağıda belirtilen koşullarda kullanılan pompalar kapsam dışında bulunmaktadır.

• • -10 ⁰C sıcaklığından düşük ve 120 ⁰C sıcaklığından yüksek sıvıları basmak için özel tasarlanan pompalar

• • Sadece yangın pompası için tasarlanan pompalar

• Pozitif deplasmanlı pompalar ve kendinden emişli pompaları.

Bu direktif çalışmasında Darmstadt üniversitesi tarafından Avrupa’daki pompa üreticilerin verileri istatiksel olarak incelenmiş ve akışkanlar mekaniği kanunları dikkate alınarak pompaların etkenliğini belirleyen ve pompalar arasında bir karşılaştırma yapmayı mümkün kılan bir endeks tanımlamak için bir çalışma yürütülmüştür. Gerekli minimum verimlerin belirlenmesinde pompa tipleri (uçtan emişli, hat tipi…), pompa devir hızı, pompa debisi ve pompa özgül hızı dikkate alınmıştır. Pompanın en yüksek verim noktası, az yükte (%75) ve aşırı yükte (%110) verimlerini dikkate alınarak, pompa tiplerinin,  tasarımlarının ve büyüklülerinin birbirleri ile karşılaştırılmasını sağlayan Minimum Verimlilik Endeksi ( Minumum Efficiency Index-MEI ) adında boyutsuz bir büyüklük tanımlanmıştır. Bu endeks değerlerleri ile firmaların pompa tasarım ve imalat süreçlerinin kalitesi göstermekte ve farklı firmaların ürünleri arasında tasarım ve imalat kalitesi arasında kıyaslama yapmayı mümkün kılmaktadır.

Bu direktif ile su pompalarının ekotasarım gerekliliklerine uygunluğu için aşağıdaki şartları yerine getirmesi beklenmektedir. Bu değerleri sağlayamayan pompaların Avrupa Birliği’ne üye ülkelerde satışının yapılmasına müsaade edilmeyecektir. Ayrıca Avrupa Birliği’nde satışa sunulan su pompaların da MEI lerini belirtme zorunluluğu olmaktadır. Yayınlanan direktife göre yıllara göre MEI değerleri aşağıdaki şartları sağlamak zorundadır.

1 Ocak 2013 tarihinde su pompaları için MEI

1 Ocak 2015 tarihinde su pompaları için MEI

Eğer üretici firmalar bu verim indeksini sağlayamazsa ürünleri CE koşullarını sağlayamayacaktır.

2.POMPA MEI DEĞERLERİNİN ENERJİ TASARRUFU AÇISINDAN ÖNEMİ

Pompanın sahip olduğu minimum verim indeksi pompa verim değerini ve dolayısıyla pompanın enerji maliyetini değerinin ne kadar olduğunu belirlemektedir. Pompaların sahip olması gereken minimum verim indeksi değeri belirlenmesi ile beraber, verim indeksini sağlayamayan pompaların üretilmesi ve piyasaya sürülmesi engellenmektedir. Yapılan bu çalışma ile beraber düşük verimli ürünlerin kullanımı azaltılması planlanmaktadır. Aşağıdaki şekilde pompa özgül hızına göre MEI değerinin 0.1, 0.4, ve 0.7 olmasının verim üzerideki etkisi gösterilmektedir. Şekil 6’dan görüldüğü gibi, pompanın verim indeksinin 0,1 den 0,4 değerine yükseltilmesi durumunda yaklaşık %5 lük verim artışı, ve aynı oranda enerji maliyetinde azalma görülmektedir.

Şekil 6 Örnek bir debi için MEI değerinin verime etkisi

3. MEI DEĞERİ HESAP YÖNTEMİ 

Minimum verim indeksi değeri 0,1 ile 0,7 değeri arasındaki olan ve aynı özgül hızlı pompalar için değeri büyüdükçe verim değeri yükselen boyutsuz bir büyüklüktür. Bu değerin hesap yöntemi anlatılmakta ve örnek bir pompa üzerinden MEI hesabı yapılmaktadır. [2]

Adım 1:

Yardımcı fonksiyon olan F_n Aşağıdaki şekilde hesaplanmaktadır;

F_n=-11.48x²-0.85y²-0,38xy+88.59x+13.46y

x=In(n_s,ortalama)                   n_s,ortalama[min^-1]       : Özgül Hızların Ortalaması

n_s=n_N    n_N(d/dak), Q_EVN (m³/s), H_EVN(m)
y=ln(Q_{EVN, ortalama})              Q_EVN,ortalama [m³/h]  : En Verimli Noktadaki Debi

Hesaplanan F_n yardımcı fonksiyonunun değeri, virgülden sonra bir basamak kalacak şekilde yuvarlanmalıdır.

Adım 2:

En Verimli Nokta(EVN, Q= Q_EVN),

Kısmi Yük(KY,Q=0.75Q_EVN),

Aşırı Yük(AY,Q=1.1 Q_EVN)

C_EVN=F_η-η_EVN,ortalama
C_KY=F_η-(η_KY,ortalama/0.947)
C_AY= F_η-( η_AY,ortalama/0.985)

Adım 3:

C_MEI=max (C_EVN,C_KY,C_AY)

Hesaplanan C_EVN, C_KY, C_AY değerlerleri içinde en büyüğü C_MEI olarak alınır.

Adım 4: 

MEI değeri; Tablo 2’ deki pompanın tipi ve devir sayısına göre satır belirlenir ve daha sonra düşey sütunda bulunan  C_MEI değerinin hangi değer aralığına  geldiği bulunur. Solundaki değer C_sol sağındaki değer C_sağolarak alınır.MEI_sağ ve MEI_sol da aynı şekilde belirlenir.

Tablo 2 Minimum verim İndeksine gore C katsayısı [3]

Çıkan sonuç virgülden sonra iki hane kalacak şekilde yuvarlanmalıdır.

MEI hesabında kullanılacak örnek pompanın hidrolik verileri aşağıda bulunmaktadır.

Tablo 3  Örnek pompa hidrolik  verileri [4]

Elde edilen sonuca göre örnek pompanın 2013 ve 2015 Avrupa birliği şartlarını sağladığı görülmektedir.

SONUÇ
Geleceğin trendi olan sürdürülebilirlik; insan yaşamının gereksinimleri ile doğal kaynakların devamlılığı arasında bir denge kurarak, gelecek nesillerin bugünkü kaynaklardan bizim kadar yararlanabilmesine imkân sağlayacak bir yapının oluşturulması anlamına gelmektedir. Bu yapının oluşturulması için enerjinin verimli bir şekilde kullanılması gerekmektedir.
Toplam enerji payı üzerinde pompa sistemlerinin payı değerlendirildiğinde bu oranın ne kadar büyük olduğu görülmektedir. Bu payın azaltılmasında pompa sistemindeki pompanın verim artırılmasının önemi oldukça fazladır. Avrupa birliği başkanlığında yürütülen çalışmalar ile pompaların enerji tüketimi azaltılması ve çevreye etkisinin azaltılması hedeflenmektedir.
Bu bildiride anlatılan minimum verim indeksini değerinin bütün üreticiler tarafından tüketicilere sunulması sayesinde bütün pompaların enerji verimlilik seviyesi belirlenecek ve uygun olmayan ürünlerin tüketicilere ulaşması engellenecektir. Böylece zaman içinde verimsiz ürünler ortadan kaldırılacak ve tüketilen enerjinin miktarı azaltılacaktır.

KAYNAKLAR
[1] COMMISSION REGULATION (EU) No 547/2012 İmplementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for water pumps.
[2] AEA Energy & Environment Lot 11 – Water Pumps (in commercial buildings, drinking water pumping, food industry, agriculture).
[3] Draft EN 16480 Pumps – Minimum required efficiency of rotodynamic water pumps.
[4] MAS-DAF Makine Sanayi A.Ş. Teknik Kataloğu
SUMMARY
European Parliament and of the Council established a framework for the setting of ecodesign requirements for energy-related products on 21 October 2009.
The European Union Commission has carried out a preparatory study. The study shows that there is a total cost-effective potential for improving the energy efficiency of these pumping systems by approximately 20 % to 30 %. So water pumps are seen a priority product for which ecodesign requirements should be established
The Commission established a implementing directive with regard to ecodesign requirements for water pumps which is “COMMISSION REGULATION (EU) No 547/2012 implementing Directive 2009/125/EC of the European Parliament and of the Council with regard to ecodesign requirements for water pumps.”
This article is intented to mention about this regulations,its scope and how to apply.for pumps. It is also represented with an example how to calculate Minumum Efficiency Index(MEI).

BU MAKALEYİ HAZIRLAYAN:

Birol HENDEN
MAS DAF Makina Sanayi A.Ş