HVAC ポンプの選択

Dec 26, 2023

流体の移送に使用されるポンプにはいくつかの種類がありますが、今日の HVAC システムで最も一般的に使用されているのは遠心ポンプです。 遠心ポンプの種類には、渦巻きポンプや軸流ポンプなどがあります。 ボリュートは羽根車から水を受け取り、シャフトに対して垂直に水を排出します。 ディフューザケーシングを備えた遠心ポンプ（軸流ポンプ）は、水をポンプ軸と平行に吐出します。

遠心ポンプには、サーキュレーター、単段および多段エンドサクション、単段および多段スプリットケース、垂直インラインポンプなど、さまざまなタイプがあります。

循環ポンプは通常、低圧、低容量システムで使用されます。 このシステムのサイズは通常 150 gpm 未満であり、125 psig を超える動作圧力には対応していません。 このタイプのポンプは通常、配管システムに直接取り付けられて配管システムによってサポートされ、モーターを垂直または水平の位置で使用できます。 標準的な循環ポンプについては、図 1 を参照してください。

エンドサクションポンプは片吸込みで、密接またはフレキシブルカップリングのいずれかが可能です。 直動ポンプは、インペラがモーターシャフトに直接取り付けられています。 フレキシブルカップリングエンドサクションポンプは、インペラとモーターシャフトがフレキシブルカップリングで分離されています。 直動式ポンプを使用する利点は、モーターシャフトとインペラの位置が固定されることです。 フレキシブルカップリングポンプは、メンテナンス中に位置がずれる可能性があります。 訓練を受けた担当者が適切に再組み立てしないと、問題が発生する可能性があります。 端部吸引ポンプは、流入水が端部を通って水平にポンプに入るように設計されています。 次に、水は方向を変え、吸引口に対して垂直に垂直に排出されます。 これらのポンプは通常、床上の堅固な基盤に設置されます。 エンドサクションポンプは、最大 4000 gpm、揚程 150 フィートの HVAC システムで使用できます。

直動式ポンプを使用する利点は、設置に必要な工場室内の床面積が少なくて済むことです。 HVAC システムで密結合ポンプを使用する場合の欠点の 1 つは、モーターの種類です。 モーターは通常、ポンプのシャフトとシールのタイプに合わせて特別に適合されます。 フレキシブルカップリングポンプは通常、標準モーターを使用します。 典型的なフレキシブル連結エンドサクションポンプについては、図 2 を参照してください。

スプリットケースポンプは、モーターとポンプの間を柔軟に接続できるという点でエンドサクションポンプと似ています。 モーターとポンプを含むアセンブリは、共通のベースプレートにしっかりと取り付けられています。 ポンプの吸入と吐出は水平方向に配置されており、軸に対して直角になっています。

スプリットケースポンプは片吸い込みまたは両吸い込みでご利用いただけます。 片吸込ポンプであるため、水は片側からのみインペラに入ります。 両吸込の場合、流体は羽根車の両側から入ります。 両吸引を使用すると、油圧の不均衡のリスクが軽減されます。 油圧の不均衡の軽減が、片吸込みポンプよりも両吸込みスプリットケースポンプが好まれる理由の 1 つです。

スプリットケースには、多段運転用に複数のインペラが付いている場合もあります。 複数のインペラにより、単一ポンプ内で利用可能な揚程が増加します。

分割ケースポンプは、水平または垂直分割ケースとして入手できます。 水平分割ケースポンプの場合、インペラケーシングは水平面内で分割されています。 垂直分割ケースポンプの場合、インペラケーシングは垂直面で分割されています。 ケーシングを分割すると、メンテナンスのためにインペラに完全にアクセスできるようになります。

スプリットケースポンプは主に防火システムで使用されますが、HVAC 業界の大容量システムにも使用されています。 能力範囲は最大 6500 gpm、揚程 600 フィートです。 これらのポンプは、動作圧力を最大 400 psig まで高めたものもご利用いただけます。 典型的な横型スプリットケースポンプについては、図 3 を参照してください。

これらのポンプは通常、プラント空間内の設置面積が小さく、慣性ベースを必要としません。 ポンプ内の回転部品からの振動を低減するために、一般にイナーシャベースが取り付けられます。 吐出配管は水平面内に配置されています。 縦型インライン ポンプは片吸い込みまたは両吸い込みとして利用できます。縦型インライン ポンプは密結合されています。 ポンプとモーターはポンプケーシングに直接取り付けられています。 ポンプは通常、ポンプが設置される配管システムによって取り付けられ、支持されます。 より大容量の垂直インラインポンプの場合、ポンプアセンブリには床設置用のベースが提供される場合があります。 ポンプの吸引と、

垂直インラインポンプの能力は最大 25,000 gpm、揚程 300 フィートです。 典型的な垂直インラインポンプについては、図 4 を参照してください。

ポンプを設置できるシステムには、閉ループ システムと開ループ システムの 2 種類があります。 HVAC 業界では、閉ループとは、ヘッド圧力の計算で静的上昇が考慮されないシステムです。 冷水システムと加熱温水システムは通常、閉ループ システムです。 開ループ システムは、大気に開放されたパイプを備えたシステムによって定義されます。 冷却塔に関連するポンプ システムは、塔の上部にあるスプレー ノズルが大気に開放されているという点で、開ループ システムであると考えられます。 閉ループおよび開ループの一般的な構成については、図 5 を参照してください。

閉ループシステム用のポンプを選択する場合、配管の水平および垂直の合計長さ、配管エルボとティー (継手)、システム内のバルブ、その他の配管付属品に関連する圧力損失など、いくつかの要因を考慮する必要があります。 、機器のコイル、維持される最小システム圧力、および必要な正味の正吸引ヘッド (該当する場合)。

各パイプのサイズには、流体が循環する速度に応じて関連する圧力降下があります。 継手には、それに関連する特定の圧力損失もあります。 シャットオフバルブ、チェックバルブ、バランスバルブ、ストレーナなど、システム内の各バルブは、記載されているサイズと流量での圧力降下に関するメーカーの資料を発行しています。 冷却コイル、加熱コイル、チラーなど、システム内の各機器には、特定の流量での圧力降下に関するメーカーの資料もあります。 表 1 は、閉ループ システムの圧力損失を合計する方法のサンプルです。

表 1 に示すように、システムの圧力降下は約 81 フィートに相当します。表 1 に示すシステムに必要なポンプは、流体をシステムに適切に分配するために、少なくとも 81 フィートの揚程を提供する必要があります。

開ループ システムの場合、閉ループ システムに関連する圧力損失に加えて、静的上昇も考慮する必要があります。

表 2 では、空気処理装置 (コイル) を冷却塔に置き換え、システム圧力を静的標高に置き換えています。 システムの静的高度は、冷却塔の入口から冷却塔の出口までの高さの差です。

オープンシステム用のポンプを選択する際には、必要な正味正味吸引ヘッド (NPSHr) と利用可能な正味正味吸引ヘッド (NPSHa) も考慮する必要があります。 NPSH はポンプの入口の圧力として定義されます。 ポンプ入口の圧力がその局所温度での流体の蒸気圧より低い場合、液体はインペラで沸騰し、蒸気泡が発生します。 蒸気泡の生成はキャビテーションとして定義されます。 ポンプ内のキャビテーションは、インペラの浸食やシャフト ベアリングとシールの疲労により早期故障を引き起こす可能性があります。

NPSHa を決定するための計算は次のとおりです。

NPSHa = Patm + Ps – Pvp – Pf

Patm: 大気圧 (フィート)

Ps: ポンプ羽根車上の静的な水の高さ (フィート)

Pvp: 水の蒸気圧 (ft)

Pf：配管の摩擦損失（ft）

図 6 に示すように、NPSHA は 45.9 フィート (34.2 フィート + 15 フィート – 1.3 フィート – 2 フィート = 45.9 フィート) に相当します。

NPSHr は通常、システムで使用されているポンプの製造元によって提供されます。 キャビテーションを防ぐには、NPSHr よりも NPSHa が大きくなければなりません。 システム内でキャビテーションが発生しないように、NSPH に安全マージンを適用することをお勧めします。 システムの NPSH を決定する場合、一般的な安全マージンは 3 フィートです。 NPSHa が 45.9 フィートの場合、最大 NPSHr が 40 フィートのポンプを使用する必要があります。

ポンプシステムではいくつかの構成を使用できます。 ポンプは並列、直列、および一次/二次ポンプ構成で配置できます。 並列構成で設置されたポンプは、同じシステム圧力で追加の流量が必要であり、単一のポンプではシステム要件を満たすことができない場合に使用されます (図 7 を参照)。 直列構成で設置されるポンプは、設定された最大流量で追加の圧力が必要で、単一のポンプではシステム要件を満たすことができない場合に使用されます (図 8 を参照)。

一次/二次ポンピングは、装置とシステムの間で体積流量が異なる場合に使用されます。 流体システムで使用される機器の技術が進歩するにつれて、一次/二次システムの使用量の減少が注目されています。

冷水および加熱水システムは通常、一次/二次として設計されています。 一次/二次ポンプ構成を使用する理由は、チラーとボイラーが常に一定の流量を必要とするためです。 一次回路は動作時間中 100% 定流量です。 二次回路は可変流量を使用します。 ポンプは可変周波数ドライブ (VFD) でランプアップおよびランプダウンして、流量をシステム要件に一致させます。

システムで二方弁を使用することにより、コイル負荷に合わせて装置の流量を減らすことができました。 バルブを閉じることによってシステム内の圧力が上昇すると、流量を減らす信号がポンプに送り返されます。 これは、配管システムに差圧センサーを取り付けることで実現されます。 差圧は一定に保たれます。 バルブが閉じると、システム圧力が増加します。 これにより、一定の圧力を維持するためにポンプの速度を落とし、流量を減らすように指示されます。

VFD の技術が進歩する前は、冷水システムと加熱水システムは定流量ポンプと三方弁で操作されていました。 三方弁により、水はコイルを通過するか、バイパスを通ってシステムに戻ることができました。 このシステムは、100% の時間、一定の容積でした。 これは、システムの負荷要件に関係なく、ポンプが設計容量の 100% で動作していたことを意味します。 この方法でシステムを運用すると、膨大なエネルギーが無駄になります。 VFD の導入により、建物ループは負荷に応じたポイントで動作できるようになりました。 建物内の負荷が減少すると、ポンプのポンプ能力が低下する可能性がありました。 一次/二次ポンピングの例を図 9 に示します。

ポンプを選択するときは、いくつかの要素を考慮する必要があります。 建物の HVAC 負荷が決定されると、流量を確立できます。 次に、システムの圧力損失を計算します。 次の例を考えてみましょう。

冷水システムは建物用に設計されます。 このシステムには、空冷チラー、空気処理ユニット、配管分配が含まれます。 建物の最大熱損失は 2,400 MBH、最小熱損失は 840 MBH と計算されます。 これは、建物に実行される HVAC 負荷によって決まります。 チラーに入る水と出る水の温度に 12 F デルタを使用すると、最大流量 400 gpm と最小流量 140 gpm が必要になります。 配電システムの展開全長 (TDL) は、継手を含めて 350 フィートです。 前述したように、圧力損失を計算する必要があります。 システム内の圧力損失の概要については、表 3 を参照してください。

配管に関連する圧力損失を計算するには、経験則として、配管 100 フィートあたり 2 ～ 3 フィートの圧力損失を使用し、最大速度 8 ～ 10 フィート/秒 (fps) を維持します。 速度が高すぎると、配管の浸食が発生する可能性があります。 上記の計算では、圧力損失として配管 100 フィートあたり 2.5 フィートが使用されました。

上記の計算に基づいて、ポンプは 400 gpm および全動的揚程 (TDH) 85 フィートの設計条件で選択されます。

システムの流量と圧力損失がわかったので、ポンプの選択を始めることができます。 選択プロセスのこの時点で、ポンプ曲線が必要になります。 メーカーのカタログを取り出したり、オンラインで調べたりする前に、まずこの用途に最適なポンプのタイプを決定する必要があります。 これを決定する方法は、メーカーの資料を調べて各タイプのポンプの動作範囲を決定することです。 循環ポンプは通常、低流量用途に使用されるため、このタイプのポンプは小さすぎます。 エンドサクションポンプは通常、小規模から中規模のシステムに使用されます。

このシステムは中規模のシステムであるため、エンドサクションポンプが潜在的なオプションとなります。 垂直インライン ポンプは通常、小規模から大規模のプロジェクトで使用されるため、これらのポンプも別の選択肢となります。 スプリットケースポンプは通常、大規模な温水システムに使用されます。 このタイプのポンプは大きすぎて、上記のシステムの要件を満たすことができません。

ポンプの用途とシステム要件に基づいて、エンドサクションポンプと垂直インラインポンプは設計パラメータ内で動作する機能を備えています。

ポンプの選択に役立つオンライン計算機がメーカーによって提供されているほか、メーカーのカタログを使用することもできます。 上記の例のシステムの場合、1 台のポンプで最大流量と最小流量の両方を達成できるかどうかを検討する必要があります。 これは、ポテンシャルポンプ曲線上に点をプロットすることによって決定されます。 1 台のポンプが最大および最小流量を達成できない場合は、2 台目のポンプが必要となり、並列構成で配管されます (図 7 を参照)。

図 5 のポンプ曲線に示されているように、単一のポンプを使用してシステムの最大流量と最小流量を満たすことができます。

図 5 と 6 に示すように、デューティ ポイントが最高効率ポイント (BEP) の右側にあるため、垂直インライン ポンプは適切な選択ではありません。 また、稼働効率は約70％です。 2 つのポンプの中では、エンドサクションポンプの方が適切な選択であると思われます。 エンドサクションポンプの動作効率は 76% と高いだけでなく、デューティポイントが BEP の左側に位置しています。

適切なポンプを決定する際には、ポンプ曲線と効率以外にも評価する必要がある要素があります。 システムの耐用年数にわたる運用コストも重要な要素です。 上に示した垂直インライン ポンプは、全負荷時に 11.39 ブレーキ馬力 (bhp)/8.50 kW で動作します。 簡単にするために、垂直インラインポンプが年中無休で稼働し、74,400 kWh が消費されると仮定できます。 電気料金が 0.10 ドル/kWh の場合、所有者は年間 7,440 ドルの運用コストを負担します。 上に示したエンドサクションポンプは、全負荷時に 10.71 bhp/7.99 kW で動作します。 垂直インライン ポンプと同じ運転時間を使用すると、エンドサクション ポンプの所有者が負担する運転コストは年間 7,000 ドルになります。 エンドサクションポンプの場合、年間運用コストが 440 ドル節約されると計算されます。

運転コストからわかるように、エンドサクションポンプはポンプ曲線上のより適切な点で運転するだけでなく、垂直インラインポンプと比較すると運転コストも削減されます。 現実的な運転コスト分析を行うには、ポンプが選択されている施設の負荷プロファイルに基づいてポンプの運転時間を決定する必要があります。 24 時間年中無休の全負荷運転に基づいて運転コストを計算する代わりに、同等の全負荷運転時間を計算に挿入する必要があります。

プロジェクトで使用する最適なポンプの選択には、いくつかの要因が影響する可能性があります。 流量、圧力損失、負荷点と比較した最高効率点、および運転コストはすべて、ポンプを選択する際の重要な要素です。 まず必要な流量から始めて、アプリケーションに最適なポンプ タイプを決定し、次にポンプ曲線と運用コスト分析を使用して選択を最終的に決定します。

Amy Lasseigne は、JBA コンサルティング エンジニアの機械担当アソシエート ディレクターです。 彼女の専門知識は、150 トンから 20,000 トンまでの複数の中央プラントの設計です。 これらの中核プラントは、大規模ではカジノリゾート施設、小規模では教育施設、オフィスビルなどにサービスを提供しています。

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