Effectief gebruik van energiebesparende ventilatoren

Transcriptie

1 Door Ing. Heinz Jackman Effectief gebruik van energiebesparende ventilatoren Om het effectief gebruik van energiebesparende ventilatoren te kunnen beoordelen, moet eerst worden uitgelegd wat energiebesparende ventilatoren zijn. Technische ontwikkelingen en voortschrijdend inzicht verbeteren de efficiëntie van de elektromotor en de ventilatorschoepen. De omvang van die efficiëntieverbetering hangt af van de stand van de techniek waarmee deze wordt vergeleken. Het is niet alleen een zaak van het toepassen van een EC-motor of een hightech schoep, maar ook van de keuze voor de beste ventilator en de regeling hebben grote invloed op de energiekosten. Het ventilatortype en de werking ervan moeten worden geoptimaliseerd voordat er extra energiekosten kunnen worden bespaard met behulp van een hightech motor en schoepoplossingen. In de klimaat en koeltechniek worden axiaalventilatoren gebruikt voor het realiseren van lage en gemiddelde drukken. Radiaalventilatoren worden gebruikt voor hoge drukken. Axiaalventilatoren voor grote luchthoeveelheid en lage druk hebben lange schoepen en een kleine naafdiameter. Als er een hogere druk moet worden opgebouwd met behulp van axiaalventilatoren, dan zijn er ventilatorwaaiers met grotere naafdiameters nodig. De aandrijfmotor is ofwel geïntegreerd in de naaf van de waaier (motor met externe rotor), of er worden standaardmotoren toegepast waarbij de schoepen door middel van een flensverbinding op de waaier zijn gemonteerd. Radiaalventilatoren worden zowel geïntegreerd in een omkasting als met vrijdraaiende rotoren geleverd. Een fundamenteel onderscheid wordt gemaakt tussen rotoren met schoepen die naar voren zijn gebogen voor het leveren van grote luchthoeveelheid en matige druk, en rotoren met schoepen die naar achteren zijn gebogen voor het leveren van wisselende of hoge druk. De rotoren rechtstreeks of aangedreven of via V-snaren. Ventilatoren met grote luchthoeveelheid en drukverschillen tussen Figuur 1: Ventilatorschoep geluidsvermogen niveauvergelijking. 50 en 200 Pa worden vooral toegepast in de koeltechniek. Axiaalventilatoren met kleine tot middelgrote naafdiameters en lange schoepen zijn in het bijzonder geschikt voor deze toepassing. Radiaalventilatoren worden alleen gebruikt voor speciale toepassingen met luchtkanalen. Schoep- en motorrendement De belangrijkste parameters voor het selecteren van een ventilator zijn: luchthoeveelheid (m³/h); statische drukverhoging (Ps in Pa); geluiddrukniveau (db (A)); temperatuur. Mechanische, elektrische en stro- mingsgerelateerde verliezen treden in een ventilator op tijdens het proces om een luchthoeveelheid te leveren en druk op te bouwen. Deze verliezen moeten worden geminimaliseerd om een hoge energieefficiëntie te realiseren. Eenvoudige of waaiers hebben profielloze, metalen schoepen (efficiëntie circa 50 tot 60 procent). Geoptimaliseerde waaiers hebben schoepen met profiel en een aangepaste instelhoek (efficiëntie circa 60 tot 70 procent). Waaiers van hoge kwaliteit hebben geprofileerde, sikkelvormige schoepen om het geluidsniveau te verlagen en de efficiëntie te optimaliseren (efficiëntie circa 70 tot 75 procent). De meest recente ontwikkelingen 16 JUNI e JAARGANG

2 Koude & luchtbehandeling RCC Grafiek 1: Overzicht van de ventilatoren voor toepassing in de luchtbehandeling en koeltechniek. zijn die van de winglets aan het eind van de schoepen om de efficiëntie te optimaliseren en door de aangepaste randen om het geluidsniveau nog verder te reduceren (efficiëntie circa 75 tot 80 procent). Het akoestische vermogen van waaiers varieert op een soortgelijke manier als de efficiëntie. Dat wil zeggen dat de met geprofileerde sikkelvormige schoepen uitgevoerde waaiers stiller zijn dan die met de gewone schoepen zonder profiel. Motorrendement Verschillende soorten motoren worden gebruikt om axiaalventilatoren aan te drijven, afhankelijk van de grootte en het gebruik. De belangrijkste soorten zijn: de spleetpoolmotor, de asynchrone motor (AC-motor) en EC-motor. De spleetpoolmotor is een eenvoudige, goedkope motor voor aandrijving van kleine ventilatoren met een aandrijfvermogen tot ongeveer 30 W. Het efficiëntieniveau is ongeveer 15 tot 30 procent. Een ventilator met een asynchrone motor, als motor met externe rotor, wordt veel in Europa in condensors en standaard luchtkoelers gebruikt. De motoren zijn geïntegreerd in de naaf van de ventilator. Ze hebben een gunstige aanloopkarakterestiek, gunstig opstartgedrag, goede warmteafgifte over de ventilatorschoepen en de spanning daarvan kan worden geregeld. De afmeting van de motor wordt beperkt door de afmeting van de ventilatornaaf. Normale grootte: tot 3,6 kw; ventilatordiameter: tot 1000 mm. Het rendement van de motor met externe rotor als eenfasewisselstroommotor: circa 60 tot 70 procent. Het rendement van de motor met externe rotor als driefasenmotor: circa 70 tot 80 procent. De asynchrone motor die als aparte motor in standaard uitvoering wordt gebruikt voor axiaalventilatoren met een separate waaier of bij V-snaar aangedreven radiaal ventilatoren. Grootte: ca. 0,5 tot 11 kw. Rendement: circa 70 tot 80 procent. De EC-motor is een gelijkstroommotor met shuntkarakterestiek en geïntegreerde elektronica. Inductieverliezen worden geminimaliseerd door een permanente magneet in de rotor, waardoor een hoog rendement wordt bereikt. Figuur 2: Ventilatormotor rendementsvergelijking De geïntegreerde vermogenselektronica zet de driefasendraaistroom om in gelijkstroom. Hierdoor kan de motor worden aangesloten op en aangepast aan de verschillende krachtstroom aansluitingen. De geïntegreerde regelingselektronica bevat motorbewaking en een toerenregelaar aangestuurd door de druk, temperatuur of een standaardsignaal van 0-10V. Elke EC-ventilator moet voor het installeren worden geprogrammeerd of ingesteld op de krachtstroomvoorziening en de regeleigenschappen. Grootte: tot 5,5 kw. Efficiëntie: 84 tot 90 procent. Statische en dynamische druk Statische druk (Ps) = beschikbare druk. Ook wel aangeduid als externe druk. Deze druk is nodig voor de systeemgerelateerde drukverliezen, bijvoorbeeld in de luchtkoelers en luchtkanalen. Dynamische druk (Pd) = de druk van de ventilatorgerelateerde stromingsverliezen. Om het luchtvolume te leveren, moet de lucht op hoge snelheid door 104e JAARGANG JUNI

3 het ventilatorhuis via het loopwiel stromen. Dit resulteert in ventilatorgerelateerde stromingsverliezen. Deze stromingsverliezen zijn de dynamische drukverliezen en moeten extra door de ventilator worden geleverd. Totale druk (Pt (Pt = Ps + Pd)) = het totale drukverschil dat door een ventilator moet worden geleverd. De totale druk is de som van statische en dynamische druk. Voor de berekening van het benodigd elektrisch aandrijfvermogen is het nodig om de totale druk Pt te gebruiken. Om energie te besparen is het daarom belangrijk om een ventilator te kiezen met een groot aandeel statische druk en zo weinig mogelijk dynamische druk. Dit kan worden bereikt door een ventilator te selecteren met een grote diameter en een lage luchtsnelheid. Totaal rendement De energie-efficiëntie van een ventilator wordt weergegeven door het totale rendement. Het totale rendement omvat: het schoeprendement; het motorrendement; en de stromingsverliezen (Ps / Pt = statische druk / totale druk). Voorbeeld van een niet geoptimaliseerd systeem: Schoeprendement 0,7 Motorrendement 0,7 Figuur 3: Statische en dynamische druk. Verhouding van de statische druk ten opzichte van de totale druk 0,65, die resulteert in een totaal rendement van 0,31. Dit systeem heeft een nuttig ventilatierendement van 31%. Voorbeeld van een technisch geoptimaliseerd systeem: Schoeprendement 0,8 Motorrendement 0,9 Verhouding van de statische druk ten opzichte van de totale druk 0,72 dat resulteert in een totaal rendement van 0,51. Het nuttig ventilatorrendement van het geoptimaliseerde systeem is 51%. De energiebesparing ten opzichte van systeem 1 is 40%. Dit voorbeeld toont aan dat het niet alleen de motor of de schoepen cruciale invloed hebben op de energie-efficiëntie, maar ook het dynamische drukverlies van de ventilator. Het volgende is nodig om het efficiëntieniveau te optimaliseren: laag dynamisch drukverlies (grote ventilatordiameter en een lage snelheid); goed schoepefficiëntieniveau (geprofileerde schoepen, sikkelvormige uitvoering); goed motorefficiëntieniveau (EC-motor of AC-motor voorzien van regelcombinatie voor goed deellastbedrijf). Aandrijfvermogen en energiegebruik Het vermogen van een ventilator is gedefinieerd als: P2 = aandrijfvermogen P1 = energiegebruik van de motor Voorbeeld: berekening voor een ventilator met een motorrendement van 70 procent. Krachtverbruik ventilator met toerenregeling. Het energiegebruik van de motor P1 is bepalend voor de berekening van de gemaakte energiekosten. 18 JUNI e JAARGANG

4 Koude & luchtbehandeling RCC Veel fabrikanten specificeren het aandrijfvermogen P2 voor ventilatoren met een motor en schoepen, en dat betekent een lager energiegebruik. P1 is echter bepalend voor het energiegebruik en die is circa 30 procent hoger door de efficiëntieverliezen in de motor. Alleen het totale energiegebruik van de motoren van alle ventilatoren (P1) wordt meegenomen wanneer de economische rentabiliteit van ventilatoren in condensors of drycoolers in overweging wordt genomen. Wanneer de economische rentabiliteit van ventilatoren in luchtkoelers wordt overwogen, houd dan ook rekening met het feit dat het totale energiegebruik P1 in de te koelen ruimte wordt afgegeven als warmte. Deze koellast moet ook worden verwijderd door het koelsysteem. Dit resulteert in extra energiekosten voor het koelsysteem, afhankelijk van de COP-waarde. Optimalisatie energiekosten Diverse ventilatoren kunnen gebruikt worden om de luchthoeveelheid die nodig is bij lage tot medium druk te geven: Variant 1: Kleine diameter, hoge snelheid Variant 2: Grote diameter, lage snelheid Variant 2 heeft in principe de voorkeur vanwege het lage dynamische drukverlies. Beide ventilatoren hebben dezelfde volumestroom (luchthoeveelheid) en dezelfde druk. In dit voorbeeld is het energiegebruik van de ventilator met de grote diameter en lage snelheid ongeveer 25 procent lager. Opmerking: voor ventilatoren op luchtkoelers is de luchtworp van de ventilator ook een ontwerpcriterium. In zo n geval is het niet altijd nodig om ventilatoren met een hoge snelheid te selecteren. Het is mogelijk om energiegeoptimaliseerde ventilatoren met een lage snelheid te gebruiken, die gebruik maken van het Güntner Streamer principe, en nog steeds een voldoende lange worp realiseren. Figuur 4: Definitie van het rendement. Variant 2 heeft in principe de voorkeur vanwege het lage dynamische drukverlies. Energiekosten kunnen ook worden geoptimaliseerd door het verlagen van de snelheid met behulp van een regelaar. Het verminderen van de snelheid vermindert het aandrijfvermogen aanzienlijk. Het aandrijfvermogen vermindert drastisch in relatie tot de snelheid. De snelheid van de ventilator in condensors kan s nachts en tijdens de wintermaanden worden gereduceerd Bij luchtkoelers kan de snelheid vaak in het weekend en s nachts worden verlaagd, als er niet teveel warme producten in het koelhuis zijn opgeslagen. 104e JAARGANG JUNI

5 Vergelijking tussen verschillende systemen van toerenregeling De snelheidsbeperking of verlaagd toerental creëert verhoudingsgewijs grotere warmteverliezen in de motor en ook extra verliezen door het gebruik van de regeling. Het energiegebruik van de motoren tijdens deellast wordt niet in dezelfde mate verminderd als het aandrijfvermogen voor de ventilatorschoepen, maar hangt af van het regelsysteem dat wordt gebruikt. De volgende systemen kunnen worden gebruikt om de snelheid te verminderen (zie tabel bovenaan): Regelsystemen 1 tot en met 4 hebben betrekking op de regeling door het veranderen van de spanning. Bij regelsysteem 5 wordt de frequentie veranderd. Bij regelsysteem 6 wordt de wisselstroom omgezet in gelijkstroom. Houd er rekening mee dat niet alle motoren geschikt zijn voor alle soorten van toerenregeling. Het diagram dat op pagina 18 (onderaan) staat toont het energiegebruik van de motoren met toerenregeling (hoeveelheidsregeling) en met verschillende regelsystemen. De grootste motorverliezen treden op bij verlaging van het toerental bij het gebruik van spanningsregeling met een fase aansnijding, met spanningsregeling m.b.v. een transformator of met een ster-driehoek schakeling. Minder verlies treedt op met de frequentieomvormer voorzien van sinusfilter, die ook aanzienlijk efficiënter is in het reduceren bij lage toerentallen. De kleinste motorverliezen en het hoogste rendement bij toerenregeling worden bereikt met de ventilator met EC-motor. Samenvatting 1. De meeste energie kan worden bespaard door te kiezen voor apparatuur, zoals condensors, koelers en dry-coolers, met langzaam draaiende ventilatoren. De meerkosten zijn vaak lager dan die van de duurdere ventilatoren Regelsysteem en regelsystemen en ze betalen zichzelf binnen een korte tijd terug door de besparing op energiekosten. 2. Het energiegebruik kan aanzienlijk worden verminderd door het verlagen van de snelheid door de verschillende regelsystemen. Het energiegebruik van de ventilatoren kan worden geoptimaliseerd met frequentieomvormers en sinus filters of ventilatoren met EC-motoren. 3. EC-ventilatoren hebben een motorefficiëntie, die ongeveer 10 tot 15 procent hoger is en een efficiënt regelsysteem. EC-motoren zijn technisch vergelijkbaar met AC-motoren met sinusregeling, maar hebben een geïntegreerde regelaar en zijn er minder schakelkasten en bedrading nodig. EC-ventilatoren zijn economisch bij installaties met een klein aantal ventilatoren. Elke ventilator kan worden gebruikt voor verschillende spanningen, maar dient vooraf te worden ingesteld aan de parameters van de installatie. 4. Ventilatoren met owlet schoepen (uilenvleugels met gekartelde rand) of andere hightech schoepen zijn tot 15 procent efficiënter en leveren de grootste energie- Snelheid 1-Ster-driehoek schakeling ca. 100/70% 2-Dahlanderschakeling ca. 100/50% 3-Spanningsregeling met transformator ca % 4-Spanningsregeling met faseaansnijding ca % 5- Frequentieregeling met frequentieomvormer en filter ca % 6-Toerengeregelde EC-motoren ca % besparing in het hoge toerentalgebied. 5. Het energiegebruik kan nog verder worden geoptimaliseerd met behulp van ventilatoren met een EC-motor en hightech schoepen. Meer informatie: Güntner AG & Co. KG Hans-Güntner-Straße Fürstenfeldbruck Duitsland T: F: E: info@guentner.de I: 20 JUNI e JAARGANG