У сучасних умовах надійність та енергоефективність локальних систем водопостачання набувають особливого значення для малих населених пунктів, віддалених громад і територій, де відновлення капітальної інфраструктури потребує значних ресурсів. Традиційні схеми з водонапірною баштою залишаються поширеними, проте вони характеризуються високими капітальними витратами, значною металоємністю, тривалим терміном спорудження та обмеженою гнучкістю щодо змінного добового водорозбору [1, 2]. Перспективним рішенням є безбаштова система з безпосередньою подачею води зі свердловини в мережу та частотним регулюванням насосного агрегату, що дає змогу узгоджувати подачу з фактичним попитом і знижувати енергетичні витрати [3-5].
Для локальних водозаборів проблема вибору насосного агрегату є ключовою. У практиці проєктування насос нерідко підбирають за умовою забезпечення максимальної витрати та розрахункового напору. Однак у безбаштовій системі піковий режим триває короткий час, тоді як основна частина добового циклу припадає на малі й середні подачі. Тому агрегат, оптимальний у точці максимального водорозбору, не обов'язково є найекономічнішим у реальній експлуатації. Це зумовлює необхідність переходу до інтегрального енергетичного критерію добору, що враховує весь робочий діапазон подач [4-6].
Метою роботи є обґрунтування параметрів енергоефективної безбаштової системи водопостачання для малого населеного пункту на основі узгодження режимів водоспоживання, напірних вимог мережі та характеристик свердловинного насосного агрегату. Об'єктом дослідження є локальний водозабір, у якому вода зі свердловини подається безпосередньо в розподільчу мережу без використання водонапірної башти. Предметом дослідження є режими роботи свердловинного насосного агрегату за змінного водоспоживання та їх вплив на енергетичну ефективність системи.
У розрахунковому прикладі прийнято такі вихідні умови: статичний рівень води у свердловині - 70 м; розрахунковий робочий напір насоса - 100-110 м; максимальна витрата - 24 м³/год; необхідний вільний напір у мережі - 30 м. Для оцінювання режимів роботи використано погодинні літній і зимовий графіки водоспоживання, паспортні характеристики відцентрових занурювальних насосів, а також закони подібності для моделювання характеристик у разі зміни частоти обертання. На цій основі визначалися залежності частоти обертання та споживаної потужності від подачі, після чого для кожної години доби обчислювалися витрати електроенергії.
Аналіз погодинного графіка водоспоживання показав, що хоча система повинна забезпечувати максимальну витрату до 24 м³/год, переважний час роботи припадає на інтервал 1-10 м³/год. За розрахунковими даними сумарне добове споживання води становить 185 м³ у літній період і 150 м³ у зимовий. Отже, енергетичний результат визначається насамперед тим, наскільки ефективно насос працює в режимах часткового навантаження, а не лише тим, чи забезпечує він піковий водорозбір. Це підтверджує недоцільність вибору агрегату тільки за максимальною подачею та обґрунтовує використання інтегрального критерію добору.
У роботі було розглянуто три варіанти: нерегульований насос базового типорозміру; той самий насос із частотним регулюванням; насос іншого типорозміру, краще пристосований до малих і середніх подач. Результати розрахунків показали, що застосування частотного регулювання для базового агрегату знижує річне споживання електроенергії приблизно на 20,95 % порівняно з нерегульованим режимом. Подальша заміна типорозміру насоса дає ще більший ефект: річне енергоспоживання зменшується на 46,01 % порівняно з початковим нерегульованим варіантом і на 31,70 % відносно базового регульованого варіанта. При цьому питомі витрати електроенергії знижуються від 1,028 до 0,555 кВт·год/м³.
Отримані результати свідчать, що в безбаштових системах доцільно обирати не той насос, який має найкращі параметри саме у точці максимального водорозбору, а той, що забезпечує найвищу енергетичну ефективність у зоні тривалих режимів експлуатації. У цих умовах класичний критерій "максимальна подача + максимальний ККД у номінальній точці" не гарантує мінімального річного енергоспоживання.
Переваги запропонованого підходу виходять за межі окремого насосного агрегату. За результатами попередніх техніко-економічних оцінок для громади чисельністю близько 500 мешканців перехід від традиційної баштової схеми до безбаштової системи з частотно-регульованим приводом дає змогу скоротити загальні витрати на облаштування та експлуатацію системи водопостачання протягом п'яти років приблизно на 830,5 тис. грн. Одночасно зменшується середнє енергоспоживання і з'являється можливість цифрового моніторингу тиску, витрати й аварійних станів.
Наукова новизна роботи полягає в обґрунтуванні підходу до проєктування безбаштової системи водопостачання як єдиної гідравлічно-енергетичної системи, у якій параметри насосного агрегату визначаються не за однією розрахунковою точкою, а за сукупністю тривалих режимів експлуатації. Практичне значення полягає у можливості застосування запропонованих положень під час модернізації існуючих і проєктування нових локальних водозаборів малих населених пунктів.
Отже, енергоефективне проєктування безбаштової системи водопостачання повинно базуватися на комплексному підході, у якому режим водоспоживання, напірні вимоги мережі та характеристики насосного агрегату розглядаються одночасно. Саме така логіка дозволяє перейти від формального підбору обладнання до обґрунтованого вибору параметрів системи за реальними умовами її експлуатації, підвищити енергетичну ефективність локального водозабору та зменшити витрати на його функціонування.
Список літератури:
1. ГалАвтоматик. Альтернатива водонапірній башті [Електронний ресурс]. 2017. URL: https://galautomatics.com.ua/wp-content/uploads/2017/03/Alternativa-Bashti-Rozhnovskogo.pdf (дата звернення: 15.04.2026).
2. Сільське питне водопостачання: від ідеї - до реалізації : посібник / Ш. Тьєн, О. Лавриненко, О. Матвійчук та ін. Київ : ТОВ "Софія-А", 2020. 144 с.
3. Kondus V., Pavlenko I., Kulikov O., Liaposhchenko O. Development of a high-rotational submersible pump for water supply. Water. 2023. Vol. 15, No. 20. Article 3609. DOI: 10.3390/w15203609.
4. Briceño-León C. X., Iglesias-Rey P. L., Martinez-Solano F. J., Mora-Melia D., Fuertes-Miquel V. S. Use of fixed and variable speed pumps in water distribution networks with different control strategies. Water. 2021. Vol. 13, No. 4. Article 479. DOI: 10.3390/w13040479.
5. Hieninger T., Schmidt-Vollus R., Schlücker E. Improving energy efficiency of individual centrifugal pump systems using model-free and on-line optimization methods. Applied Energy. 2021. Vol. 304. Article 117311. DOI: 10.1016/j.apenergy.2021.117311.
6. Bordeasu D., Dragan F., Filip I., Szeidert I., Tirian G. O. Estimation of centrifugal pump efficiency at variable frequency for irrigation systems. Sustainability. 2024. Vol. 16, No. 10. Article 4134. DOI: 10.3390/su16104134.
____________________________
Науковий керівник: Сотник Микола Іванович, доктор технічних наук, професор СумДУ
|
Голосування 
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License
Знайшли помилку? Виділіть помилковий текст мишкою і натисніть Ctrl + Enter