RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING B
Sensible use of energy-saving fans
Effectieve toepassing van energiebesparende ventilatoren TECHNIEK
Dipl.-Ing. Heinz Jackmann R&D Koelsystemen Güntner AG & Co. KG Lezing, gehouden tijdens het 2jarig Symposium van Güntner AG & Co. KG te Alpbach, Oostenrijk, juni 2007 – deel 3 van 3
Afbeelding 1 – Overzicht van de ventilatoren voor de klimaat- en koudetechniek Vertaling bijschriften in afbeelding 1: Radial mit vorwarts gekrümmten Schauflen = Radiaalventilatoren met voorover gebogen schoepen Axialventilator mit großer Nabe; Flenschring; verstellbaren Flügeln = Axiaalventilator met grote naafdiameter; flensring; verstelbare schoepen Axialventilator mit Nabe; Flenschring; verstellbaren Flügeln = Axiaalventilator met naaf; flensring; verstelbare schoepen Axialventilator mit Nabe; langer Düse = Axiaalventilator met naaf; lange uitstroomopening Axialventilator ohne Nabe; mit Kurzdüse = Axiaalventilator zonder naaf; met korte uitstroomopening
In de klimaat- en koudetechniek worden voor lage en middendrukken axiaalventilatoren toegepast en voor hoge drukken radiaalventilatoren. Axiaalventilatoren gebruikt men voor een groot debiet en een lage druk. Ze hebben lange ventilatorschoepen en een kleine naafdiameter. Wanneer een hogere druk met axiaalventilatoren opgebouwd moet worden, dan zijn waaiers met een grotere naafdiameter vereist. De aandrijfmotor kan geïntegreerd zijn in de naaf zelf (motor met externe rotor) of er worden standaardmotoren met aangeflenste ventilatorschoepen toegepast.
Radiaalventilatoren zijn er als geïntegreerde ventilatoren of met vrijdraaiende rotoren. In beginsel onderscheidt men rotoren met voorover gebogen schoepen voor een groot debiet bij een middendruk en rotoren met achterover gebogen schoepen voor wisselende of hoge drukken. De aandrijving van de rotoren gebeurt direct of via v-snaren. In de klimaat - en koudetechniek worden in de regel ventilatoren met een hoog debiet bij drukverschillen van 50200 Pa toegepast. Aan deze condities voldoen vooral axiaalventilatoren met kleine tot middelgrote naafdiameters en 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008
lange ventilatorschoepen. Alleen voor speciale toepassingen in luchtkanalen worden radiaalventilatoren toegepast. Deze lezing richt zich daarom voornamelijk op de axiaalventilator met een lage tot middendruk.
Rendement De belangrijkste parameters voor de keuze van een ventilator zijn: - Volumestroom, debiet (m3/h) - Statische drukverhoging (Ps in Pa) - Geluiddrukniveau (dB(A)) - Temperatuur
27 27
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING B
Afbeelding 1a: Rendementsvergelijking van de ventilatorwaaiers.
TECHNIEK
Vertaling van de bijschriften afbeelding 1a: = rendement Ventilatorflügel = Ventilatorwaaier Schallpegelvergleich = Vergelijking van het geluidniveau Schallpegel = Geluidniveau
Om een volumestroom op gang te houden en om druk op te bouwen treden in de ventilator mechanische, elektrische en stromingsverliezen op. Om een hogere werkingsgraad te bereiken is het van belang deze verliezen te minimaliseren. Eenvoudige waaiers hebben schoepen van plaatstaal zonder profiel (rendement circa 50-60 procent) Geoptimaliseerde waaiers hebben geprofileerde schoepen met aangepaste instelhoek voor de omwentelingssnelheid (rendement circa 60-70 procent). Waaiers van hoge kwaliteit hebben geprofileerde schoepen in een sikkelvorm om de geluidproductie te verminderen en het rendement te verbeteren (rendement ca 70-74 procent). Nieuwe ontwikkelingen zijn ‘winglets’ aan de schoepeneinden om de werkingsgraad te optimaliseren en speciale aanstroomen afvloeikanten voor en verdere vermindering van het geluidniveau (rendement circa 75-80 procent). Voor de aandrijving van axiaalventilatoren worden, al naar gelang van omvang en gebruik, motoren van diverse constructies toegepast. De belangrijkste soorten zijn: spleetpoolmotor, asynchroonmotor (AC-motor) en
28
EC-motor. De spleetpoolmotor is een eenvoudige, goedkope motor die wordt toegepast voor kleine ventilatoren met een aandrijfvermogen tot ca 50 W. Het rendement is niet hoog: circa 15-30 procent. In Europa worden voor condensors en verdampers overwegend ventilatoren voorzien van een motor met externe rotor toegepast. Deze motoren worden in de naaf van de ventilator gemonteerd. Zij hebben een zachte karakteristiek, gunstig startgedrag, goede warmteafgifte over de ventilatorschoepen en de spanning is regelbaar. De afmetingen van motor worden beperkt door de grootte van de ventilatornaaf. De gebruikelijke grootte is: tot 3,6 kW; ventilatordiameter tot 1.000 mm.Het rendement van een motor met externe rotor als eenfase-wisselstroommotor: 60-70 procent; als driefasendraaistroommotor: 70-80 procent. Asynchroonmotor – als aparte motor in standaardbouwwijze - worden toegepast bij axiaalventilatoren met een separate waaier of bij radiaalventilatoren met v-snaaraandrijving. Bouwgrootte: ca 0,5-11 kW. Rendement: ca 70-80 procent. De EC-motor is een 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008
gelijkstroommotor met shuntkarakteristiek en geïntegreerde elektronica. Inductieverliezen zijn tot een minimum teruggebracht door de toepassing van een permanentmagneet in de rotor waardoor een hoog rendement wordt bereikt. De geïntegreerde vermogenselektronica zet de draaistroom om in gelijkstroom. Daardoor kan de motor aangepast en gekoppeld worden aan verschillende stroomspanningen. De elektronische regeling omvat behalve de motorbewaking een toerentalregeling aangestuurd door druk, temperatuur of een standaardsignaal van 0-10 V. De parameters van ECventilatoren moeten voor de inbouw worden afgesteld op het stroomnet en de regelkarakteristiek. De grootte gaat tot 3 kW; het rendement bedraagt 8490 procent.
Statische en dynamische druk Voor gebruik in koeltechnische apparaten is een ventilator nodig met een vastgesteld opbrengstvolume en een vastgestelde statische druk voor de externe systeemverliezen. De statische druk Ps is de beschikbare druk, ook externe druk genoemd. Deze
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING B
Afbeelding 2 – Rendementsvergelijking van ventilatormotoren. Vertaling van de bijschriften van afbeelding 2: Spaltpolmotor = spleetpoolmotor AC-Außenlaufermotor = Wisselstroommotor met externe rotor AC-Normmotor = Standaardwisselstroommotor EC- Außenlaufermotor = EC-motor met externe rotor Wirkungsgradvergleich Motoren = Rendementvergelijking motoren EC-motor = EC-motor 3-ph. AC = driefasenwisselstroom 1-ph. AC = eenfasewisselstroom Spaltpolmotor = spleetpoolmotor Motorwirkungsgrad [procent] = motorrendement [procent] Wellenleistung [W] = asvermogen [w]
TECHNIEK
druk is nodig voor de verliezen die aan het systeem eigen zijn, zoals in luchtkoelers en luchtkanalen. De dynamische druk Pd is aan de ventilator gerelateerde stromingsverliezen. Voor het verplaatsen van een luchtvolume moet deze lucht met een hoge snelheid door de ventilatoropening over de waaier stromen. Daarbij ontstaat een stromingsverlies die eigen is aan een ventilator. Dit stromingsverlies vormt de dynamische druk en deze moet door (extra) ventilatorarbeid overwonnen worden. De totale druk Pt = Ps + Pd is het totale drukverschil dat de ventilator moet opbrengen. De totale druk is de som van de externe en interne drukverliezen. Het aandrijfvermogen voor de waaier berekent men uit het verplaatste luchtvolume vermenigvuldigd met de totaaldruk en gedeeld door het rendement van de schoepen en de motor. Om energie te besparen is het daarom
van belang een ventilator te kiezen met een zo groot mogelijk aandeel statische druk en een zo klein mogelijk aandeel dynamische druk. Dat kan bijvoorbeeld bereikt worden door de keuze van een ventilator met een grote diameter en een laag toerental.
Voorbeeld van een technisch geoptimaliseerd systeem: Rendement van de schoepen 0,8 Rendement van de motor 0,95 Verhouding statische druk tot totaaldruk 0,7 = totaalrendement 0,53
Totaalrendement
Dat betekent: het ventilatorrendement van dit geoptimaliseerde systeem bedraagt 53 procent.
De energie-efficiëntie van een ventilator wordt gegeven door het totaalrendement. Het totaalrendement bestaat uit: het rendement van de schoepen, het rendement van de motor en het stromingsverlies (Ps/Pd = Statische druk/dynamische druk). Een voorbeeld: Rendement van de schoepen 0,7 Rendement van de motor 0,7 Verhouding statische druk tot totaaldruk 0,6 = totaalrendement 0,29 Dat betekent: dit systeem heeft een nuttig ventilatorrendement van 29 procent. 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008
Hiermee wordt duidelijk dat niet alleen de motor of de schoepen maar ook het dynamische drukverlies van de ventilator een belangrijke invloed heeft op de energie-efficiëntie. Om het rendement te verbeteren is dus nodig: een klein dynamisch drukverlies (grote ventilatordoorsnede en een laag toerental); goed rendement van de schoepen (geprofileerde schoepen, sikkelvorm); goed rendement van de motor (EC-mo29
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING B
Afbeelding 3 – Statische en dynamische druk Vertaling van de bijschriften van afbeelding 3: Beispiel = voorbeeld fan = rendement ventilator mot = rendement motor Volumenstrom= Volumestroom Antriebsleistung Ventilator = aandrijfvermogen ventilator Leistungsaufname Motor = Opgenomen vermogen van de motor
Vertaling van de bijschriften van afbeelding 4: Systemverluste = systeemverliezen Wirkungsgrad Flügel = Rendement van de schoepen Wirkungsgrad bezogen auf Pt = Rendement t.o.v. Pt Wirkungsgrad AC-motor = Rendement wisselstroommotor Dynamischer Druck = Strömungsverlust in der Düsche = dynamische druk = stromingsverlies in de doorstroomopening van de ventilator Gesamt-Wirkungsgrad bezogen auf Ps = Totaalrendement t.o.v. Ps Het vermogen van een ventilator wordt uitgedrukt als: P2 = Vermogen van de ventilator P1 = Energiegebruik van de ventilatormotor incl. motorrendement
TECHNIEK
Afbeelding 4 – Definitie van het rendement
Vertaling afbeelding bij 4.2: P2 = Aandrijfvermogen van de ventilator P1 = Opgenomen vermogen van de motor
tor of een AC-motor-regelcombinatie met gunstige deellastverhoudingen). Het energiegebruik van de motor bepaalt hoe groot de energiekosten zullen zijn. Veel fabrikanten van ventilatoren met motor en separate waaiers vermelden het vermogen van de ventilator P2 en suggereren daarmee een gering energiegebruik. Het opgenomen vermogen P1 is echter bepalend voor het energiegebruik en ligt circa 30 procent hoger vanwege de rendementsverliezen in de motor. Het is daarom belangrijk voor
het berekenen van de energiekosten rekening te houden met het opgenomen vermogen P1 en niet met het afgegeven vermogen P2. Alleen het totale opgenomen vermogen van alle ventilatoren in de condensor en de verdamper wordt in rekening gebracht bij het bepalen van het economisch rendement. Bij het bepalen van het economisch rendement van ventilatoren in luchtkoelers moet ook in rekening gebracht worden dat het volledige opgenomen vermogen P1 als 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008
warmte in de koelruimte afgegeven wordt. Deze warmte moet door de installatie ook weggekoeld worden. Daardoor ontstaan, afhankelijk van de COP-waarde, extra energiekosten van de koelinstallatie.
Optimaliseren energiekosten Voor de noodzakelijke volumestroom bij lage tot middeldrukken kunnen verschillende ventilatoren toegepast worden: Variant 1: kleine diameter, hoog toerental 31
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING B
1 2 3 4 5 6
Regelsysteem Ster-driehoekschakeling Dahlander-schakeling Spanningsregeling via de transformator Spanningsregeling met faseaansnijding Frequentieregeling met frequentieomvormer en filter EC-motoren met toerentalregeling
Regelsysteem Toerental ca 100-70 procent Ster-driehoekschakeling ca 100-50 procent Dahlander-schakeling ca 10-100 procent Spanningsregeling via de transformator ca 10-100 procent Spanningsregeling met faseaansnijding ca 10-100 procent Frequentieregeling met frequentieomvormer en filter ca 10-100 EC-motoren metprocent toerentalregeling
Toe ca ca ca ca ca ca
Bij regelsysteem 1-4 betreft het een regeling door het verandering van de spanning (voltage). Bij regelsysteem 5 wordt de frequentie veranderd. Bij regelsysteem 6 wordt de wisselstroom omgezet in gelijkstroom. Let op: niet alle motoren zijn voor alle soorten regelsystemen geschikt.
Voorbeeld:
TECHNIEK
Ventilatortoerental
Luchtvolume
Vermogen
lawaai, geluid [dB]
100 procent 95 procent 90 procent 75 procent 50 procent 25 procent
100 procent 95 procent 90 procent 75 procent 50 procent 25 procent
100 procent 86 procent 73 procent 42 procent 13 procent 1,6procent
0,0 –1,1 –2,3 –6,2 –15 –30
Bij condensors kan ’s nachts en tijdens het koude seizoen het toerental van de ventilator verlaagd worden. Bij luchtkoelers is een verlaging van het toerental meestal tijdens het weekeinde en ’s nachts mogelijk, als er slechts weinig goederen in het koelhuis ingebracht worden.
Variant 2: grote diameter, laag toerental In principe moet men altijd voor variant 2 kiezen omdat hier de dynamische druk (de niet-bruikbare druk) minder is. Het verlagen van het toerental heeft een wezenlijke vermindering van het opgenomen vermogen tot gevolg. Het opgenomen vermogen verhoudt zich tot de derde macht van het toerental: Bij condensors kan ’s nachts en tijdens het koude seizoen het toerental van de ventilator verlaagd worden. Bij luchtkoelers is een verlaging van het toerental meestal tijdens het weekeinde en ’s nachts mogelijk, als er slechts weinig goederen in het koelhuis ingebracht worden.
Technische vergelijking Toerentalverlaging veroorzaakt verhou32
dingsgewijs hogere warmteverliezen in de motor en bovendien verliezen in de regelaar. Het energiegebruik van een motor in deellast vermindert niet in dezelfde mate bij een toerentalverlaging als het opgenomen vermogen van de ventilator dat doet maar is afhankelijk van het toegepaste regelsysteem. Voor toerentalverlaging kunnen de volgende systemen toegepast worden: Bij regelsysteem 1-4 betreft het een regeling door het verandering van de spanning (voltage). Bij regelsysteem 5 wordt de frequentie veranderd. Bij regelsysteem 6 wordt de wisselstroom omgezet in gelijkstroom. Let op: niet alle motoren zijn voor alle soorten regelsystemen geschikt. De grootste motorverliezen bij verlaging van het toerental treden op bij spanningsregeling met fase-aansnijding, transformator- of ster-driehoekscha101e Jaargang nr. 5 - mei 2008
keling. De frequentie-omvormer met sinusfilter heeft minder verliezen en een duidelijk beter rendement in het verlaagde toerentalgebied. De kleinste motorverliezen en het beste rendement bij verlaging van het toerental treden op de ventilator met EC-motor. De ‘Owlet’-ventilator heeft het hoogste rendement van alle ventilatoren in het hoge toerentalbereik. In dit bereik wordt het lagere rendement van een geregelde AC-motor door het hoge rendement van de high-tech schoepen meer dan goedgemaakt. Het hier vermelde diagram toont het opgenomen vermogen van motoren bij gereduceerd toerental (luchthoeveelheid) bij de verschillende regelsystemen. Systeem 1: Systeem 1 met fase-aansnijding is het systeem met de minste investeringskosten. Fase-aansnijregelaars zijn economisch voor ventilatoren met weinig bedrijfsuren in het lage toerentalgebied
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING B
Afbeelding 6.1 Vertaling bij afbeelding onder 6.1 :
Opmerking: Bij ventilatoren voor luchtkoelers is ook de worplengte van de ventilator een ontwerpcriterium. In voorkomende gevallen moet dan een ventilator met een hoger toerental gekozen worden. Met de Güntner-Streamer is het mogelijk, energetisch geoptimaliseerde ventilatoren met een laag toerental toe te passen en toch een grote worplengte te bereiken. Het verlagen van het toerental heeft een wezenlijke vermindering van het opgenomen vermogen tot gevolg. Het opgenomen vermogen verhoudt zich tot de derde macht van het toerental:
Vergelijking tussen systeem 1 en 4 1. Fase-aansnijding
2. Frequentie-omvormer
3. EC-ventilatoren
- GVH 080.2A/2 3-S(D) - 6 AC-Ventilatoren - Schakelkast - Fase-aansnijregeling - Geluidfilter
- GVH 080.2A/2 3-S(D) - 6 AC-Ventilatoren - Schakelkast - Frequentie-omvormer - Sinusfilter
- GVH 080.2A/2 3-S(D) - 6 EC-Ventilatoren - Schakelkast
- Pel = 2,22 kW
- Pel = 2,22 kW
- Pel = 1,9 kW
4. Groter apparaat met fase-aansnijding - GVH 080.2B/2 3-S(D) - groter apparaat - 6 AC Ventilatoren - Schakelkast - Fase-aansnijregeling - Geluidfilter - Pel = 1,5 kW
- Geluid = 42 dB(A) ! 17.808
- Geluid = 42 dB(A) ! 20.230
- Geluid = 42 dB(A) ! 20.339
- Geluid = 39 dB(A) ! 19.250
TECHNIEK
Voorbeeld: Variant 1 en Variant 2: Ventilator D = ventilatordiameter Volumenstrom = volumestroom Drehzahl = toerental Het opgenomen vermogen van de ventilator met 890 toeren per minuut is circa 25 procent lager.
(Prijzen zijn relatief)
(bijvoorbeeld klimaatinstallaties). Systemen 2 + 3: Systemen 2 + 3 met frequentie-omvormer of EC-techniek hebben een duidelijk minder energiegebruik in het lage toerentalgebied dan systeem 1. De meerkosten van deze systemen moeten terugbetaald worden door de energiebesparing. Daarom zijn systemen met frequentie-omvormer of EC-techniek geschikt voor installaties waarvan de ventilatoren veel draai-uren maken in het lage toerentalbereik. Bijvoorbeeld klimaatinstallaties, koeling voor elektronische gegevensverwerking of proceskoeling.
EC-ventilatoren hebben een ca 15 procent beter motorrendement, dat echter alleen benut wordt in het hoge toerentalbereik. Systeem 4: Bij dit systeem wordt een groter apparaat gekozen, met een grotere warmtewisselaar en ventilatoren met een laag toerental. De meerkosten van dit systeem bedragen ca 50 procent van de meerkosten voor de systemen 2 of 3. Bij dit ontwerp wordt al bij onregelmatige bedrijfsuren een besparing van 25 procent bereikt – een waarde, die door frequentie-omvorming of EC-techniek 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008
onder die omstandigheden lang niet bereikt worden. Een bijkomend voordeel is een ca 3 db geringere geluidsproductie. Heeft men reeds bij voorbaat voor dit zuinige en stille systeem gekozen dan kan door EC-ventilatoren nog meer energie bespaard worden.
33
RCC KOUDE & LUCHTBEHANDELING B
Conclusies
TECHNIEK 34
De meeste energie kan bespaard worden door te kiezen voor een installatie met langzaam draaiende ventilatoren. De meerkosten zijn vaak lager dan die van duurdere ventilatoren en regelsystemen. De terugverdientijd is betrekkelijk kort. Ten tweede kan het energiegebruik kan aanzienlijk verminderd worden door toerentalverlaging met diverse snelheidsregelingen. Het energiegebruik van de ventilatoren kan in het deellastgebied geoptimaliseerd worden met frequentie-omvormers en sinusfilters. EC-ventilatoren hebben een ca 10-15 procent beter motorrendement en een optimaal regelsysteem. Vergeleken met een AC-motor met sinusregeling kan in het hogere toerentalgebied circa 15 procent in het middel-toerentalgebied circa 10 procent en in het lage toerentalbereik circa 2 procent energie bespaard worden. EC-motoren zijn technisch vergelijkbaar met AC-motoren en sinusregelingen. Zij hebben echter een geïntegreerde regelaar en er zijn minder schakelkasten en bedrading nodig. EC-ventilatoren zijn economisch bij installaties met een klein aantal ventilatoren (circa 4-6 exemplaren). Elke ventilator is voor verschillende spanningsystemen inzetbaar, waarbij de parameters nauwkeurig ingesteld moeten worden voordat de inbouw plaatsvindt. Ventilatoren met ‘Owlet’-schoepen of andere high-tech schoepen hebben een circa 20 procent hoger rendement en bereiken in beginsel de grootste energiebesparing in het hogere toerentalgebied. Ten slotte: door de toepassing van ventilatoren met high-tech schoepen en EC-motoren zou theoretische een nog hoger rendement (tot 30procent) kunnen worden bereikt.
Afbeelding 6.2 Vertaling bijschriften van het diagram: AC-Lüfter mit Dreieck-Stern Schaltung = AC-ventilator met ster-driehoekschakeling AC-Lüfter mit Phasenanschnittsregeler = AC-ventilator met fase-aansnijdingsregeling AC-Lüfter met Frequenzumrichter = AC-ventilator met frequentie-omvormer EC-Lüfter met integriertem Regler = EC-ventilator met geïntegreerde regelaar AC-Ventilator met FU en Owlet-Flügel = AC-ventilator met frequentie-omvormer en ‘Owlet’-schoepen (schoepen met geprofileerde achterrand)
Samenvatting Om voor een effectief gebruik van energiebesparende ventilatoren te kunnen oordelen moet eerst uiteengezet worden wat onder energiebesparende ventilatoren verstaan wordt. Zijn dat de nieuwe ontwikkelingen van de ventilatorfabrikanten met EC-motoren of met ‘Owlet’-ventilatorschoepen (de zgn. ‘uilenvleugels’ met gekartelde achterrand). Deze technische ontwikkelingen hebben geleid tot een rendementsverbetering van de motor en de schoepen. Hoe groot deze rendementsverbetering is hangt af van de stand der techniek waarmee wordt vergeleken. Niet alleen de aanwezigheid van een EC-motor of een high-tech ventilatorschoep maar ook de keuze van de juiste ventilator en de werkingswijze heeft een belangrijke invloed op de energiekosten. Daarom moet eerst de keuze en de werkingswijze van de ventilator geoptimaliseerd worden om daarna door middel van oplossingen als EC-motoren of high-tech ventilatorschoepen verdere energiebesparingen te verkrijgen.
Abstract In order to make a statement about the sensible use of energy-saving fans, it must first be explained what energy-saving fans are. Are they just the most recent fan manufacturer’s developments with EC motors or owlet blades? These technical developments improve the efficiency of the motor and the blades. The amount of efficiency improvement depends on the state of technology with which they are compared. It is not just a case of having an EC motor or a high-tech blade, but the choice of the best fan and operating method also has a considerable influence on the energy cost. The fan type and the operating method thereof must be optimized before additional energy costs can be saved using high-tech motor and blade solutions. The first part of the lecture deals with the fan technology so that you can evaluate whether the fan saves energy. The second part shows examples of the optimum choice of fan and energy-optimised operation thereof. 101e Jaargang nr. 5 - mei 2008
