Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
08 I 2008
Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH
Z důvodu kontinuálně stoupajících cen energie jsou podniky stále častěji nuceny usilovat o úspory energie a nákladů. Je s údivem, že se diskuse v této oblasti točí hlavně kolem alternativních zdrojů energie a nových technologií šetřících energii, zatímco se stávajícím technickým řešením, poskytujícím možnosti k enormním úsporám, věnuje relativně málo pozornosti. Osvědčené a ekonomicky výhodné řešení je použití frekvenčních měničů (FC) k regulaci otáček v aplikacích vytápění, větrání a klimatizace (HVAC). Jen několik málo jiných technologií se zaplatí jako tato, za méně než jeden rok. Tato alternativa současně poskytuje mnoho dalších předností zlepšenou regulací systému HVAC.
Úspora energie regulací otáček s FC
Zařízení pro objemový průtok jako jsou ventilátory, čerpadla a kompresory se stále ještě často používají bez regulace otáček. Místo toho se průtok kontroluje konvenčním způsobem pomocí škrcení, ventilů nebo klapek. Není-li však objemový průtok regulován variabilními otáčkami motoru, běží motor kontinuálně s plnou rychlostí. Protože systémy HVAC ale jen zřídka potřebují maximální průtočné množství, proplýtvá systém bez regulace otáček většinu doby značné množství energie. Regulace otáček motoru s FC poskytuje možnost úspory energie až 70%. Obr. 1 objasňuje základní princip.
Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
Obr. 1: Princip úspory energie regulací otáček s FC
Co je pohon s variabilním
U většiny elektromotorů, které se používají v systémech HVAC a vodovodních
kmitočtem?
systémech se jedná o motory s klecovým rotorem, známé také jako indukční nebo asynchronní motory. Jejich popularita souvisí s relativně výhodnou cenou, nízkými náklady na údržbu a vysokou spolehlivostí. Jediná možnost kontroly otáček motoru však spočívá u těchto modelů v tom, že se změní kmitočet vstupního proudu (střídavý proud): A zde přichází do hry princip FC. Frekvenční měniče jsou známé pod mnoha názvy, jako invertory, Variable Speed Drives (VSD), Variable Frequency Drives (VFD), měniče kmitočtu nebo měniče frekvence. Všechna tato označení jsou pro tentýž princip: elektronické zařízení k plynulé regulaci otáček elektromotorů. Dnešní VFD systémy však poskytují další užitečné vlastnosti, jako jsou regulační a ochranné funkce pro jiné komponenty v rámci systému.
Vztah mezi proměnnými jako je tlak, průtočné množství, otáčky hřídele a spotřeba elektrického proudu lze vyjádřit podle zákonů afinity. Tyto zákony platí jak pro radiální, tak také pro axiální ventilátory a čerpadla (viz obr. 2). 100
80
80
80
60
60
40
20
Příkon %
100
Tlak %
100
Objemový proud %
Zákony afinity
40
20
0 20
40
60
Rychlost %
80
100
40
20
0 0
60
0 0
20
40
60
80
100
Rychlost %
Obr. 2: Zákony afinity popisují vztah mezi rychlostí pohonu a jinými veličinami.
0
20
40
60
Rychlost %
80
100
Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
Z těchto zákonů je patrné, že objemový průtok stoupá přímo úměrně s otáčkami, zatímco tlak se chová proporcionálně ke kvadrátu otáček. Nejdůležitejší bod s ohledem na úsporu energie je ten, že spotřeba elektrického proudu je proporcionální k třetí mocnině otáček. Znamená to, že již minimální redukce otáček může vést k velkým úsporám spotřeby elektrického proudu. Z obr. 2 je tak např. patrné, že při 75% otáček se dosáhne 75% průtočného množství, avšak spotřeba elektrického proudu, který by byl potřebný pro plné průtočné množství, je jenom 42%. Když se průtok omezí na 50%, redukuje se tím spotřeba elektrického proudu na 12,5%.
Jiné typické možnosti regulace objemového proudu jsou: Škrcení pomocí klapek nebo ventilů, použití přívodních šoupátek v radiálních ventilátorech k omezení proudu vzduchu ve ventilátoru, použití viskózních nebo vířivých spojek k regulaci krouticího momentu mezi ventilátorem a motorem, regulace Zap./vyp., přestavení sklonu lopatek u axiálních ventilátorů: změní se úhel listů ventilátoru, aby se reguloval objemový proud. Nevýhoda těchto konvenčních způsobů kontroly průtoku spočívá v tom, že žádný z nich nemá přímý vliv na spotřebu elektrického proudu. U některých těchto komponentů existují možnosti redukování spotřeby elektrického proudu, ale s ohledem na spotřebu energie, není žádná z nich tak efektivní, jako použití regulace otáček s FC, protože motor přesto dále běží na plný výkon. Regulace Zap./vyp. způsobuje kvůli zvýšenému počtu zapnutí a vypnutí navíc vysoké mechanické zatížení a tlakové špičky a špičky v napájení proudem, když se motor spouští bez FC. Obr. 3 srovnává spotřebu proudu při použití regulačních ventilů nebo klapek se spotřebou proudu při použití regulace otáček. 100
Regulace škrcením
80
Spotřeba proudu %
Srovnání regulace otáček s jinými metodami regulace objemového proudu
60
ÚSPORA 40
20
Regulace otáček
0 0
20
40
60
80
100
Průtok %
Obr. 3: Srovnání mezi kontrolou škrcením a regulací otáček se 60% průtočným množstvím
Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
Profil zatížení typického systému HVAC
Typický systém je dimenzován na špičkové zatížení, které je během provozu zřídka potřebné. Znamená to tedy, že ventilátory a čerpadla jsou velkou část své provozní doby „předimenzované“. Obr. 4 ukazuje, že normální provozní bod systému HVAC leží většinou pod 100% vytížením. Na pozadí zákona afinity lze docílit značné úspory, kdyby byly otáčky motoru čerpadla, případně ventilátoru regulovatelné. Obrázek dole také ukazuje, že průtočné množství leží během více než 90% provozní doby pod 70%. 11.00% 10.00% 9.00%
Provozní doba %
8.00% 7.00% 6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 0.00% 5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Průtok nebo objem %
Obr. 4: Typický profil zatížení systému HVAC Zdroj: UK Department of Trade and Industry.
Náklady na životní cyklus ventilátorů, případně čerpadel
Kupní cena je jenom malou částí celkových nákladů na životní cyklus ventilátorů a čerpadel. Značnou část nákladů činí údržba, velká část provozních nákladů však vyplývá ze spotřeby energie. Obr. 5 zobrazuje typické náklady na životní cyklus čerpadla. Zde je zřejmé, že úspory energie ve výši až 70% mají značný vliv na náklady na životní cyklus. Typické náklady na životní cyklus ventilátorů jsou ostatně velmi podobné zde zobrazeným nákladům na čerpadla. Koupě 5%
Údržba 5%
Spotřeba energie 90% Obr. 5: Typické náklady na životní cyklus u čerpadel Zdroj: Hydraulic Institute www.pumps.org
Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
Speciální funkce k další úspoře energie
Konstrukční řada NX CentraLine poskytuje funkce, které optimalizují spotřebu energie čerpadel a ventilátorů. Normálně pracují FC systémy na základě přímo úměrného vztahu kmitočet-napětí. To znamená, že se při zvýšení kmitočtu/ otáček motoru o 10% zvýší také napětí o 10%. Frekvenční měniče konstrukční řady NX CentraLine disponují automatickou funkcí, tzv. „Optimalizace Flux“, která přizpůsobením tohoto poměru může optimalizovat úroveň napětí. Tato funkce může vést k dodatečné úspoře energie až 5%. Kromě toho disponuje celá výrobková řada možností, vypnout vlastní chladicí ventilátor, nebude-li potřebný. To vede k další malé úspoře energie a prodlužuje životnost jediného pohyblivého dílu v FC.
Obr. 6: CentraLine konstrukční řada NX (zleva): NXL Compact, NXL HVAC a NXS.
Úspory energie v praxi
Jak již bylo objasněno dříve, měly by se úspory frekvenčními měniči zohlednit při analýze nákladů a dob amortizace. Kalkulační programy CentraLine pro potenciál úspor ventilátorů a čerpadel Vám poskytují při hodnocení Vašich možností úspor při investicích do frekvenčních měničů cennou podporu. Kalkulační programy se opírají o srovnání nejpoužívanějších konvenčních regulačních postupů jako je regulace průtoku pomocí škrticích klapek pro ventilátory nebo ventily a regulace Zap./vyp. pro čerpadla. Obr. 7 ukazuje náhled startu CentraLine kalkulátoru úspor pro ventilátory.
Obr. 7: CentraLine kalkulátor úspor pro pohony ventilátorů
Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
Úspory energie při aplikacích ventilátorů
Příklad ukazuje výpočet úspor pro typický radiální ventilátor 5,5 kW v aplikaci úpravy vzduchu; srovnává se regulace průtoku pomocí škrticích klapek s regulací otáček pomocí FC CentraLine. Pro kalkulaci se nejdříve potřebují následující data: Data přiváděného plynu: U aplikace HVAC se zde mohou ponechat standardní hodnoty, protože se jedná o cirkulaci vzduchu. Data ventilátoru: Jmenovitý objemový proud a jmenovitý přírůstek tlaku jsou patrné z listu s údaji ventilátoru. Účinnost: - Použijte podle možnosti reálné hodnoty; jinak poskytují standardní hodnoty dobré odhady. - Ventilátor, který je k dispozici, má přímý pohon, účinnost přenosu je tedy 1 - Frekvenční měniče CentraLine mají normálně účinnost 0,98. Jako cena energie by se měla zadat skutečná cena, aby se obdržela pokud možno přesná kalkulace. Provozní hodiny za rok se vždy odhadnou. Tato kalkulace vychází z 80% využití za rok s typickými provozními cykly pro aplikace úpravy vzduchu. Při diferenci nákladů v této kalkulaci se jedná o odhadnutou diferenci pro FC a systém se škrticí klapkou této velikosti.
Obr. 8: Kalkulace úspory energie u ventilátoru 5,5 kW pomocí CentraLine kalkulátoru úspor
Z výpočtu vyplývá roční potenciál úspor u nákladů na energii ve výši 992 EUR a doba amortizace 0,65 roku pro investici do systému FC.
Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
Úspory nákladů u malých frekvenčních měničů v čerpadlových aplikacích
V následujícím textu najdete hrubou kalkulaci ke srovnání investičních nákladů přímo připojeného a FC řízeného čerpadlového systému. Alternativa 1, přímo připojené čerpadlo (DOL = Direct Online): Čerpadlo a motor (~3 kW)
1000 EUR
Instalace
1000 EUR
Celkové náklady na DOL:
2000 EUR
Spotřeba energie za 15 let Spotřeba s DOL Náklady na energii s DOL (9 cent/kWh)
394 200 kWh 35.478 EUR
Alternativa 2, řešení s VFD: Čerpadlo a motor (~3 kW)
1000 EUR
VFD
800 EUR
Instalace
1200 EUR
Celkové náklady s VFD:
3000 EUR
Spotřeba energie za 15 let (při odhadnuté úspoře energie 30%) Spotřeba s VFD
275.940 kWh
Náklady na energii s VFD (9 cent/kWh)
24.834 EUR
Úspora energie za 15 let:
Shrnutí
118.260 kWh
Úspora nákladů na energii za 15 let:
10.643 EUR
Úspora nákladů na energii za 1 rok:
709 EUR
Použití frekvenčních měničů k regulaci otáček proudových strojů jako jsou čerpadla, ventilátory a kompresory není žádná nová myšlenka. Nové technologie v této oblasti však činí tuto alternativu na základě nízkých nákladů ještě atraktivnější. Použití elektromotorů s variabilní regulací otáček v systémech HVAC poskytuje velký potenciál energetických úspor. Tato technologie je proto schopná poskytnout podstatný přínos k dodržování lokálních a mezinárodních dohod a norem v oblasti politiky šetření energií a snížení vypouštění CO2.
Energetická účinnost... ... prostřednictvím otáčkově řízených pohonů s frekvenčními měniči
Autor: Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH
Více detailů a další články naleznete na domovských stránkách CentraLine City, sekce „Energy Efficiency“, případně nás přímo kontaktujte.
www.centraline.com
CentraLine · Honeywell spol. s.r.o. · V Parku 2326/18 · 148 00 Praha 4, Česká Republika Tel +42 (0) 242 442 111 CentraLine · Honeywell s.r.o. · Mlynské nivy 71 · P.O.BOX 75 · 820 07 Bratislava 27, Slovensko
