Sprężarka z falownikiem czy bez – porównanie kosztów i możliwości

Różnica między sprężarką z falownikiem a modelem stałoobrotowym nie sprowadza się do wyższej ceny zakupu. Najważniejsze pytanie brzmi inaczej: jak zmienia się zapotrzebowanie na sprężone powietrze w ciągu zmiany? Jeżeli pobór jest nierówny, maszyny cyklicznie się zatrzymują, a część instalacji pracuje tylko przez kilka godzin, falownik potrafi ograniczyć rachunki za energię. Gdy zakład przez większość czasu potrzebuje niemal pełnej wydajności sprężarki, dopłata do regulacji obrotów może zwracać się zbyt długo.

W praktyce błędem jest wybieranie urządzenia wyłącznie na podstawie mocy silnika. Dwie sprężarki o mocy 11 kW mogą mieć inną wydajność rzeczywistą, inne ciśnienie robocze i zupełnie różne koszty pracy przy częściowym obciążeniu. Do porównania trzeba więc włączyć co najmniej wydajność FAD, profil poboru powietrza, liczbę godzin pracy, koszt energii, wymagane ciśnienie oraz cenę serwisu.

Jak pracuje sprężarka z falownikiem, a jak model stałoobrotowy

Sprężarka stałoobrotowa po uruchomieniu silnika pracuje z określoną prędkością. Gdy ciśnienie w instalacji osiągnie górny próg, urządzenie przechodzi w bieg jałowy albo się zatrzymuje. Po spadku ciśnienia ponownie rozpoczyna tłoczenie. W dobrze dobranej instalacji jest to proste, przewidywalne i skuteczne rozwiązanie.

Problem pojawia się wtedy, gdy sprężarka została przewymiarowana albo pobór powietrza mocno się zmienia. Maszyna może przez kilka minut tłoczyć powietrze, następnie pracować bez obciążenia i ponownie wracać do pełnej wydajności. Bieg jałowy nie oznacza zerowego poboru energii. Sprężarka śrubowa może wtedy pobierać około 20–35% mocy znamionowej, choć nie dostarcza użytecznej ilości powietrza.

Falownik, określany również jako przemiennik częstotliwości lub układ VSD, reguluje prędkość silnika. Gdy instalacja potrzebuje mniej powietrza, sprężarka zwalnia. Kiedy pobór rośnie, zwiększa obroty. Pozwala to utrzymywać ciśnienie w znacznie węższym zakresie, na przykład 7,0–7,2 bar zamiast 7,0–8,0 bar.

Ma to znaczenie, ponieważ podnoszenie ciśnienia „na zapas” kosztuje. W typowej instalacji zwiększenie nastawy o 1 bar podnosi zużycie energii sprężarki mniej więcej o 6–8%, a jednocześnie zwiększa straty na nieszczelnościach. Jeżeli narzędzia wymagają 6,5 bar na przyłączu, nie należy automatycznie ustawiać 8,5 bar na sprężarce. Najpierw trzeba zmierzyć spadki ciśnienia na filtrach, osuszaczu i rurociągu.

Sprężarka z falownikiem sprawdza się przede wszystkim tam, gdzie:

• pobór powietrza zmienia się w ciągu dnia o kilkadziesiąt procent,
• produkcja odbywa się na jednej, dwóch lub trzech zmianach o różnym obciążeniu,
• odbiorniki pneumatyczne pracują cyklicznie,
• występują częste okresy pracy z wydajnością poniżej 70%,
• ważne jest stabilne ciśnienie, na przykład przy lakierowaniu, sortowaniu albo precyzyjnym dozowaniu,
• zakład planuje rozbudowę i nie zna jeszcze docelowego profilu poboru.

Model stałoobrotowy nadal ma sens, gdy maszyna pracuje długo przy obciążeniu zbliżonym do maksymalnego. Dotyczy to między innymi linii technologicznych o stabilnym poborze, instalacji pracujących całodobowo oraz układów, w których kilka sprężarek obsługuje nadrzędny sterownik. W takim układzie jedna maszyna z falownikiem może regulować wydajność, a pozostałe jednostki stałoobrotowe pracują w swoich najbardziej efektywnych punktach.

Falownik ma również ograniczenia. Nie każda sprężarka może pracować dowolnie wolno. Producent określa minimalną prędkość obrotową potrzebną do prawidłowego smarowania, chłodzenia i separacji oleju. Przy bardzo małym poborze także model VSD przejdzie w stan odciążenia albo się zatrzyma. Kupowanie sprężarki 30 kW do instalacji pobierającej przez większość czasu równowartość 5 kW nie jest rozsądnym zabezpieczeniem na przyszłość. Falownik łagodzi skutki przewymiarowania, ale ich nie usuwa.

Cena zakupu, energia i realny okres zwrotu

Na polskim rynku małe sprężarki śrubowe o mocy 5,5–7,5 kW kosztują zazwyczaj około 11 000–18 000 zł brutto w wersji podstawowej. Zestaw z osuszaczem chłodniczym i zbiornikiem 270–500 l to zwykle wydatek rzędu 16 000–25 000 zł brutto. W przypadku urządzeń 11 kW trzeba najczęściej przygotować około 13 000–23 000 zł brutto, zależnie od marki, sterownika, wyposażenia i deklarowanej wydajności.

Sprężarka z falownikiem jest przeważnie droższa o 15–35% od porównywalnego modelu stałoobrotowego. W segmencie profesjonalnym różnica może być większa, szczególnie gdy producent stosuje silnik z magnesami trwałymi, rozbudowany sterownik, monitoring zdalny i wydajniejszy stopień śrubowy.

Sama cena urządzenia niewiele jednak mówi. Sprężarka pracująca przez kilka lat może zużyć energię wartą wielokrotnie więcej niż kosztowała. Dlatego porównanie powinno obejmować całkowity koszt posiadania, a nie tylko fakturę zakupu.

Przykład: zakład potrzebuje sprężarki 11 kW pracującej przez 4000 godzin rocznie. Do uproszczonego obliczenia przyjmijmy cenę energii wraz z opłatami zmiennymi na poziomie 0,75 zł netto za 1 kWh.

Przy stałym pełnym obciążeniu koszt energii wyniesie:

11 kW × 4000 h × 0,75 zł = 33 000 zł netto rocznie.

W praktyce pobór mocy całego urządzenia może być nieco wyższy od wartości zapisanej na tabliczce silnika, a do kosztu instalacji dochodzą osuszacz, wentylatory i straty ciśnienia. Obliczenie służy więc do porównania wariantów, nie do prognozowania faktury z dokładnością do złotówki.

Załóżmy teraz, że zapotrzebowanie na powietrze jest nierówne, a zastosowanie falownika obniży zużycie energii o 25%. Roczna oszczędność wyniesie:

33 000 zł × 25% = 8250 zł netto.

Jeżeli wersja z falownikiem kosztuje o 10 000 zł netto więcej, prosty okres zwrotu wyniesie około:

10 000 zł ÷ 8250 zł = 1,2 roku.

Przy oszczędności wynoszącej tylko 8% roczny efekt spada do 2640 zł, a okres zwrotu wydłuża się do niemal czterech lat. To pokazuje, dlaczego nie wolno przyjmować reklamowego procentu oszczędności bez pomiaru instalacji. Falownik nie obniży kosztów o 30% w zakładzie, w którym sprężarka przez całą zmianę pracuje z pełną wydajnością.

Przed zakupem należy zebrać cztery liczby:

1. Liczbę godzin pracy pod obciążeniem.
2. Liczbę godzin biegu jałowego.
3. Średnią oraz maksymalną wydajność pobieraną przez instalację.
4. Rzeczywistą cenę 1 kWh z faktury, obejmującą opłaty zmienne.

Najlepszym źródłem danych jest tygodniowy pomiar przepływu, ciśnienia i poboru mocy. W małym zakładzie pomocne będą również wskazania sterownika istniejącej sprężarki. Jeżeli urządzenie ma 12 000 godzin całkowitej pracy, ale tylko 5000 godzin pracy pod obciążeniem, problem jest widoczny od razu: znaczna część czasu i energii została zużyta bez efektywnego tłoczenia.

Do rachunku trzeba dodać koszty serwisowe. Podstawowy przegląd sprężarki śrubowej 7,5–15 kW, obejmujący olej i filtry, kosztuje zwykle około 1000–2500 zł netto. Większy serwis, zawierający separator oleju, dodatkowe filtry lub elementy zaworu dolotowego, może kosztować 2500–5000 zł netto. Stawki zależą od marki i dostępności części.

Naprawa falownika bywa droga. W mniejszych urządzeniach trzeba liczyć się z wydatkiem rzędu kilku tysięcy złotych, a wymiana firmowego modułu w większej sprężarce może kosztować znacznie więcej. Model stałoobrotowy ma prostszy układ elektryczny, łatwiejszy do diagnozowania przez lokalny serwis. Z drugiej strony łagodny rozruch jednostki VSD ogranicza prąd startowy i zmniejsza obciążenia mechaniczne występujące podczas częstych uruchomień.

Kiedy dopłata do falownika ma sens, a kiedy lepiej jej uniknąć

Najpewniejszym kandydatem do sprężarki z falownikiem jest instalacja, w której zapotrzebowanie zmienia się w szerokim zakresie, na przykład od 40 do 90% wydajności urządzenia. Falownik może wtedy przez dużą część zmiany dopasowywać produkcję powietrza do poboru, zamiast przełączać maszynę między pełnym obciążeniem a biegiem jałowym.

Nie oznacza to jednak, że każda zmienna instalacja wymaga nowej sprężarki VSD. Najpierw trzeba usunąć straty, za które falownik nie odpowiada:

• nieszczelne szybkozłącza i przewody,
• otwarte przedmuchy używane do chłodzenia albo czyszczenia,
• zapchane filtry powodujące nadmierny spadek ciśnienia,
• zbyt małą średnicę rurociągu,
• niepotrzebnie wysoką nastawę ciśnienia,
• źle dobrany lub zbyt mały zbiornik.

Nieszczelność o średnicy kilku milimetrów potrafi generować koszt liczony w tysiącach złotych rocznie. Montaż falownika bez naprawienia przecieków oznacza jedynie, że nowa sprężarka będzie bardziej ekonomicznie produkowała powietrze, które nadal ucieka.

Model stałoobrotowy będzie lepszym wyborem, gdy zapotrzebowanie jest stabilne i utrzymuje się w pobliżu wydajności nominalnej. Może też być rozsądniejszy w niewielkim warsztacie, gdzie sprężarka pracuje przez kilkaset godzin rocznie. Przy tak krótkim czasie pracy nawet duża procentowa oszczędność energii daje małą kwotę, a dopłata do falownika może nie zwrócić się przez cały okres użytkowania.

Przykładowo, przy 800 godzinach pracy rocznie, mocy 7,5 kW i cenie energii 0,75 zł netto za 1 kWh roczny koszt energii przy pełnym obciążeniu wynosi około 4500 zł netto. Nawet ograniczenie go o 25% daje 1125 zł oszczędności rocznie. Przy dopłacie 7000 zł okres zwrotu przekracza sześć lat, jeszcze przed uwzględnieniem kosztu kapitału i ewentualnej naprawy elektroniki.

Falownik zyskuje przewagę przy 3000–6000 godzin pracy rocznie. Wówczas każda poprawa sprawności ma większą wartość finansową. Nadal trzeba jednak porównywać sprężarki przy takim samym ciśnieniu i według wydajności FAD, czyli ilości powietrza przeliczonej na warunki zasysania. Podawana przez część sprzedawców wydajność teoretyczna nie wystarcza do prawidłowego doboru.

Istotny jest także zakres regulacji. Sprężarka reklamowana jako falownikowa może mieć użyteczny zakres od około 35 do 100% wydajności, ale wartości różnią się między konstrukcjami. Jeżeli zakład często pobiera tylko 10–20% wydajności nominalnej, urządzenie nadal będzie się zatrzymywać. W takiej sytuacji skuteczniejszy może być mniejszy model VSD, układ dwóch sprężarek albo dodatkowa jednostka przeznaczona do pracy nocnej.

Przy kilku sprężarkach decyzję trzeba podejmować na poziomie całej sprężarkowni. Częsty błąd polega na ustawieniu identycznych progów ciśnienia dla wszystkich maszyn. Urządzenia zaczynają wtedy wzajemnie zakłócać swoją pracę. Zwykle lepszy efekt daje jedna sprężarka regulacyjna z falownikiem oraz jednostki stałoobrotowe uruchamiane stopniowo przez sterownik nadrzędny.

Trzeba też sprawdzić warunki montażu. Elektronika falownika źle znosi wysoką temperaturę, pył przewodzący i zabrudzone chłodnice. Pomieszczenie sprężarkowni powinno mieć właściwą wentylację, a powietrze chłodzące musi być regularnie odprowadzane. Oszczędna maszyna pracująca latem przy temperaturze przekraczającej dopuszczalny zakres szybko zacznie zgłaszać alarmy przegrzania.

Przed zamówieniem urządzenia należy wymagać od dostawcy:

• wydajności FAD przy wymaganym ciśnieniu,
• mocy pobieranej przy 100%, 75%, 50% i minimalnej wydajności,
• minimalnego użytecznego zakresu regulacji,
• harmonogramu oraz ceny podstawowych przeglądów,
• warunków gwarancji i czasu reakcji serwisu,
• ceny separatora, filtrów, oleju oraz modułu falownika,
• informacji o dostępności części przez co najmniej kilka lat.

Dodatkowe informacje na: walterpolska.pl.

FAQ – najczęstsze pytania

Czy sprężarka z falownikiem zawsze zużywa mniej energii?
Nie. Największe oszczędności pojawiają się przy zmiennym poborze powietrza. Przy ciągłej pracy z pełną wydajnością różnica może być niewielka.

Ile można zaoszczędzić dzięki falownikowi?
W instalacji o zmiennym obciążeniu rozsądnym przedziałem do kalkulacji wstępnej jest około 15–35%. Wynik zależy od profilu poboru, zakresu regulacji, ciśnienia oraz udziału biegu jałowego. Nie należy wpisywać 30% do biznesplanu bez pomiaru.

Po jakim czasie zwraca się dopłata do wersji VSD?
W zakładach pracujących przez 3000–6000 godzin rocznie zwrot może nastąpić po około 1,5–4 latach. Przy kilkuset godzinach pracy rocznie okres ten często przekracza 5–7 lat.

Czy można dołożyć falownik do zwykłej sprężarki?
Technicznie bywa to możliwe, ale sam przemiennik częstotliwości nie zmienia zwykłego urządzenia w prawidłowo zaprojektowaną sprężarkę VSD. Trzeba uwzględnić chłodzenie silnika, smarowanie stopnia śrubowego, sterowanie zaworem dolotowym, separację oleju i minimalną prędkość obrotową. Samodzielna przeróbka może skrócić żywotność maszyny oraz unieważnić gwarancję.

Czy falownik eliminuje potrzebę stosowania zbiornika?
Nie. Zbiornik stabilizuje instalację, przejmuje krótkie skoki poboru i ogranicza gwałtowne zmiany prędkości sprężarki. Jego pojemność należy dobrać do wydajności, charakteru odbiorników i dopuszczalnych wahań ciśnienia.

Czy większa sprężarka z falownikiem jest bezpieczniejszym wyborem na przyszłość?
Tylko wtedy, gdy rozbudowa zakładu jest konkretna, policzona i ma określony termin. Przewymiarowanie maszyny „na wszelki wypadek” zwiększa cenę zakupu, pogarsza pracę przy małym poborze i może wydłużyć okres zwrotu.

Co jest tańsze w serwisie?
Zwykle prostsza sprężarka stałoobrotowa. Model VSD ma więcej elektroniki i droższe podzespoły, ale może ograniczać liczbę rozruchów oraz zużycie energii. Ostateczny wynik zależy od cen części i jakości lokalnego serwisu.

Decyzję należy zacząć nie od wyboru marki, lecz od siedmiodniowego pomiaru przepływu, ciśnienia i poboru mocy. Jeżeli nie ma możliwości wykonania pełnego audytu, pierwszym krokiem powinno być odczytanie ze sterownika godzin pracy pod obciążeniem i na biegu jałowym. Duży udział biegu jałowego, przekraczający około 20–25% czasu pracy, jest sygnałem do analizy wersji z falownikiem. Najpierw jednak trzeba naprawić nieszczelności i obniżyć zbędnie wysokie ciśnienie. Bez tego nawet dobrze dobrana sprężarka będzie finansować straty instalacji.