Doporučení pro měrný příkon ventilátoru (SFP) a účinnost vzduchotechnických systémů – I.

Abstrakt

Tato publikace vysvětluje principy návrhu účinných vzduchotechnických systémů s nízkým příkonem ventilátorů, a tím pádem i nízkou hlučností ventilátorů. Hlavními tématy jsou:

• definice, měření a klasifikace měrného příkonu ventilátoru a energetické účinnosti VZT systému;
• jak návrh VZT jednotky, rozvodů a regulace ovlivňuje tlakové ztráty a účinnost VZT systému.

Publikace je určena zejména specialistům v oboru TZB (projektanti, dodavatelé, výrobci a pracovníci údržby) a poslouží jako referenční nebo vzdělávací materiál. Může být také užitečná pro stavební úřady a další orgány s rozhodovací pravomocí v oboru stavebnictví.

Centrum větrání a infiltrace budov (AIVC) uvítá jakékoliv připomínky k této publikaci a zohlední je při dalších vydáních.

Zkratky

AHU:

VZT jednotka /Air Handling Unit/

AIVC:

Centrum větrání a infiltrace budov /Air Infiltration and Ventilation Centre/

CAV:

konstantní objemový průtok vzduchu /Constant air volume flow rate/

LCC:

náklady životního cyklu /Life cycle costs/

SFP:

měrný příkon ventilátoru /Specific Fan Power/ (viz § 2.2)

SPR:

ovladač pro obnovu statického tlaku /Static pressure reset control/ (viz § 2.2.3)

TZB:

technická zařízení budov

VAV:

proměnný objemový průtok vzduchu /Variable air volume flow rate/

VFD:

pohon s frekvenčním měničem /Variable frequency drive (electronic)/

VSD:

pohon s proměnnými otáčkami /Variable speed drive/

VZT:

vzduchotechnika

Poděkování

Tato publikace byla zčásti financována organizací Enova SF.

Craig Wray z LBNL poskytl k rukopisu velmi cennou zpětnou vazbu.

1 Shrnutí

Spotřebu energie na činnost ventilátorů je možné významně snížit následujícím postupem ve třech krocích:

1. Prvním krokem je rozumné dimenzování intenzity výměny vzduchu, a sice co největším snížením požadovaného množství vzduchu (např. použitím stavebních materiálů s nízkými emisemi, návrhem pasivního chlazení) a použitím účinných rozvodů vzduchu. Účinné rozvody vzduchu snižují nepotřebné nadměrné větrání díky použití vzduchotěsných potrubí, respektování principů proudění vzduchu (např. omezení zkratového proudění) a díky ovládacím prvkům pro regulaci průtoku vzduchu.
2. Možná nejdůležitějším opatřením je snížení odporu proudění, a tudíž tlaku ventilátoru. To je dosažitelné aerodynamickým návrhem sacího a výtlačného hrdla ventilátoru a potrubních rozvodů (včetně optimálního umístění strojovny a stoupaček, aby se snížila délka potrubí), velkorysejším dimenzováním prvků v potrubních rozvodech a zvětšením velikosti VZT jednotky, ale bez celkového předimenzování VZT systému.
3. Je třeba optimalizovat účinnost VZT soustavy (včetně ventilátoru, pohonu, motoru a pohonu s proměnnými otáčkami; tj. minimalizovat celkové ztráty při zajišťování potřebného průtoku vzduchu a tlakových podmínek). Je potřeba zabránit předimenzování, protože účinnost ventilátoru může významně klesnout, pokud kombinace průtoku vzduchu a dopravního tlaku neleží blízko kombinace dosahující nejvyšší účinnosti. Účinnosti motoru a pohonu mohou výrazně poklesnout také při nízkém zatížení. Proto předimenzování a proměnné zatížení představují klíčové faktory ovlivňující účinnost systému.

Tato tři opatření jsou v klimatech, kde je potřeba topit nebo chladit, mnohem důležitější než nějaké využívání přirozených hnacích sil. Tato příručka se zaměřuje na body (2) & (3).

Energeticky účinné systémy mají nejen nižší spotřebu energie, ale obecně jsou i tišší než neefektivní systémy.

Aby se podařilo těchto potenciálních úspor dosáhnout, musí developeři/vlastníci předepisovat a ověřovat příkony ventilátorů. Všechny země by měly mít stavební předpisy stanovující limity na příkon ventilátoru a měly by vytvořit kontrolní plány, které by zahrnovaly kontrolu příkonu ventilátoru na místě. Kromě toho jsou potřeba jednodušší výpočtové nástroje pro výpočet tlakové ztráty potrubí a měrného příkonu ventilátoru v budovách a dále také snadné instrukce pro spuštění zařízení.

Tato zpráva obsahuje na konci každé části souhrnná doporučení, která jsou uvedena v rámečcích jako tento.

2 Měrný příkon ventilátoru – definice a požadavky

2.1 Význam a důsledky spotřeby energie ventilátoru

Ventilátory představují obrovský potenciál pro úsporu energie v boji za snížení emisí CO₂. Ventilátory patří mezi největší spotřebitele energie na pohon, připadá na ně přibližně 22 % celkové energie spotřebované pohonnými motory [21]. Např. ve Švédsku ventilátory spotřebují 7–8 % energie a asi 9,3 % ve Velké Británii [20]. Zpracovatelský průmysl a budovy se na celkové spotřebě energie ventilátorů podílí téměř rovnocenně. Pro porovnání osvětlení činí asi 10 % ze spotřeby elektrické energie v Evropské unii.

S ohledem na probíhající modernizaci budov, která sebou přináší vyšší standard vnitřního klimatu, by se energetická spotřeba ventilátorů teoreticky mohla v následujících 15–20 letech zdvojnásobit, pokud stavební předpisy neomezí příkon ventilátorů. Tuto elektrickou energii nelze jednoduše nahradit obnovitelnými zdroji energie nízké kvality.

Analýza téměř 500 rovnotlakých větracích systémů, která proběhla ve Švédsku v roce 1995, ukázala průměrný měrný příkon ventilátoru (SPF¹) 3 kW/(m³/s). Studie v jiných zemích dospěly k podobným nebo vyšším hodnotám [24]. Na druhé straně hybridní větrací systémy² dokáží spotřebovat méně než 0,1 kW/(m³/s).

Příklad: Ve studených klimatech může energetická spotřeba ventilátorů v moderních komerčních budovách tvořit 15–20 % celkové spotřeby energie budovy. Obr. č. 1 uvádí rozdělení celkové spotřeby energie pro typickou reálnou administrativní budovu v Norsku. Za předpokladu typického objemového toku vzduchu 10 m³/h na m² podlahové plochy a typické hodnoty SFP 3,4 kW/(m³/s) a při délce provozu 3000 hodin za rok vychází spotřeba energie ventilátorů na:

,

Obr. č. 1: Přibližné rozdělení typické spotřeby energie ve skandinávské administrativní budově [zdroj: SINTEF]

což je 17 % celkové spotřeby energie úsporné (dolní kvartil) existující administrativní budovy s rekuperací tepla o 70% účinnosti a s celkovou spotřebou energie přibližně 165 kWh/(m²a).

Ze 3 složek vztahujících se v Obr. č. 1 k větrání (tj. energie ventilátorů, větrání – ohřev a větrání – chlazení) je energie ventilátorů největší.

Energie přívodního ventilátoru skončí v budově jako vnitřní tepelný zisk, zatímco energie odsávacího ventilátoru představuje ztrátu do exteriéru. Čili 14 kWh/m²a z energie ventilátoru skončí v budově jako tepelný zisk, který je užitečný v topné sezóně, ale představuje chladicí zátěž během období chlazení. Ve studených klimatech se během období vytápění, resp. chlazení, využije přibližně 60 %, resp. 20 % roční energie přívodního ventilátoru. Z 60 %, která se využijí v topné sezóně, je pouze 45 % použito jako využitelné teplo pro vytápění prostoru, zatímco zbývajících 15 % se „ztratí“, pokud je účinnost tepelného výměníku regulována³ kvůli omezení teploty přívodu na, řekněme, 18 °C v zimním období. V teplejších klimatech skončí jako chladicí zátěž větší část roční energie ventilátorů, než je uvedeno výše. Pro každý konkrétní případ by mělo být provedeno řádné zhodnocení všech těchto faktorů s využitím softwaru pro energetickou simulaci budov.

Shrnutí: Spotřeba elektrické energie na provoz ventilátorů je významná a závisí na průtoku vzduchu, délce provozu, působícím odporu vzduchu a účinnosti VZT systému. Měrný příkon ventilátoru (SFP) je užitečným ukazatelem těchto faktorů. Energetická spotřeba ventilátorů může překročit spotřebu energie na úpravu vzduchu (předehřev a chlazení) ve VZT jednotkách s rekuperací. Jen část této energie je dále využita pro vytápění prostoru. Ventilátory navíc využívají elektřinu, což je forma energie nejvyšší kvality⁴.

2.2 Definice a výpočet SFP

2.2.1 Souhrnná definice

Měrný příkon ventilátoru (SFP) je užitečným parametrem pro kvantifikaci energetické účinnosti systémů zajišťujících pohyb vzduchu ventilátory. SFP je ukazatelem elektrické energie potřebné pro pohon ventilátorů, která je vztažena na množství proudícího vzduchu⁵. Není konstantní, ale mění se jak s průtokem vzduchu, tak s dopravním tlakem ventilátorů.

SFP pro daný systém a pracovní bod⁶ se stanoví následovně:

(0.1)

kde je

ΣP

– součet příkonů všech ventilátorů [kW]

q_v

– celkové množství proudícího vzduchu⁵ [m³/s]

Pro podtlakové či přetlakové systémy je q_v větší z hodnot přiváděného a odváděného množství vzduchu⁷. SFP je podrobněji definován v Příloze D normy EN 13779.

SFP lze vyjádřit v následujících ekvivalentních jednotkách:

(0.2)

2.2.2 Vztah k tlakové ztrátě a účinnosti systému

Jak ukazuje rovnice (0.2), SFP lze vyjádřit v jednotkách tlaku vzhledem k tomu, že tlak je mírou energie na m³ vzduchu. Rovnice (0.3) níže uvádí vztah mezi SFP, dopravním tlakem ventilátoru a účinností VZT systému. V ideálním případě bezeztrátového VZT systému (tj. η_tot = 1) by se SFP rovnalo přesně dopravnímu tlaku ventilátoru (tj. celkové tlakové ztrátě ve větracím systému).

(0.3)

kde je

Δp_tot

– celkový dopravní tlak ventilátoru, který se rovná celkové tlakové ztrátě celého větracího systému, od nasávání venkovního vzduchu, přes potrubí, VZT jednotku, transport vzduchu po budově a zpět ven do exteriéru [kPa],

η_tot

– celková účinnost VZT systému (kombinovaná účinnost všech prvků VZT systému) [0 < η_tot < 1].

Účinnost VZT systému (η_tot) představuje podíl elektrické energie, který se přemění ve využitelný hnací tlak pro pohyb vzduchu ve větracím systému. Podrobněji je toto téma rozpracováno ve 3. části článku.

Účinnost VZT systému není konstantní. Při nízkém průtoku vzduchu nebo nízkém tlaku prudce klesá ze své nejvyšší účinnosti, protože účinnosti motoru, řemenového pohonu a pohonu s frekvenčním měničem při nízkém zatížení (zatížení pod 40 %) podstatně klesají. Motorům a jejich účinnosti se podrobně věnuje 4. část článku.

Tlakovou ztrátu mezi dvěma body na trase vzduchového proudění lze vyjádřit jako:

(0.4)

kde je

k

– konstanta,

v

– rychlost vzduchu [m/s],

n

– exponent, 1 ≤ n ≤ 2 :
(n = 1 pro zcela laminární proudění, n = 2 pro zcela turbulentní proudění).

U moderních větracích systémů dochází k převážně turbulentnímu proudění v potrubí (n ≈ 2) a k převážně laminárnímu proudění v prvcích VZT jednotky s velkými tlakovými ztrátami, jako jsou ohřívače a chladiče, výměníky a filtry (typická hodnota n ≈ 1,4). Exponent v rovnici pro celkovou tlakovou ztrátu systému (rovnice (0.4)) leží proto někde mezi n = 1,4 a n = 2. V systémech s potrubím s nízkou tlakovou ztrátou představují hlavní tlakovou ztrátu prvky VZT jednotky a n se bude proto blížit více k hodnotě 1,4 než ke 2.

Pro větrací systém, kde polovina celkové tlakové ztráty nastává ve VZT jednotce při maximálním průtoku, se použije n ≈ 1,65. Podle rovnice (0.4) 50% redukce průtoku vzduchu (v = 0,5 v_max) vede ke snížení celkové tlakové ztráty o více než polovinu (Δp = 0.375 Δp_max). Nicméně vzhledem k tomu, že účinnost VZT systému (ηtot) klesá při nízkých průtocích vzduchu, neklesá SFP úměrně s tlakovou ztrátou. Změna η_tot je zohledněna v rovnici (0.6) níže.

Také u systémů se zařízeními na regulaci průtoku, jako jsou regulační klapky s proměnným průtokem vzduchu nebo automaticky řízené koncové jednotky, už rovnice (0.4) není jednoduchou funkcí průtoku vzduchu, ale závisí na stavu řídicích bodů. Např. v extrémním případě regulace otáček ventilátoru za účelem udržení konstantní statické složky dopravního tlaku ventilátoru je Δp₁₂ konstantní a nezávislé na průtoku vzduchu. Častěji ale řídicí systémy s proměnným průtokem vzduchu udržují konstantní statickou složku tlaku v potrubí blíže vyústkám, daleko od ventilátoru. V takovém případě vypadá vztah mezi průtokem vzduchu a dopravním tlakem ventilátoru jako křivka na Obr. č. 25 (3. část článku), která má nenulovou statickou složku tlaku při nulovém průtoku. Rovnice (0.6) a Obr. č. 2 níže demonstrují účinek různých metod řízení proměnného průtoku vzduchu na SFP při částečném zatížení.

2.2.3 SFP s proměnným průtokem vzduchu

Pokud má větrací systém různé pracovní body (kombinace průtoku a tlakové ztráty) v různých obdobích roku, lze průměrný roční SFP spočítat takto:

(0.5)

kde je

N

– počet provozních režimů, z nichž každý trvá Δt_i hodin.

Jsou dva způsoby, jak spočítat SFP při částečném zatížení:

• Použijte rovnici (0.5), pokud jsou průtok a tlaková ztráta známy pro různé pracovní body a pokud prodejce VZT jednotky dokáže spočítat/poskytnout hodnoty SFP pro tyto pracovní body.
• Nebo pro větrací systémy, u kterých výrobce VZT jednotky uvádí pouze SFP pro návrhový pracovní bod, můžete stanovit SFP pro každý pracovní bod při částečném zatížení jako funkci redukčního faktoru průtoku vzduchu (r). Následující obecná rovnice platí pro 0,2 ≤ r ≤ 1,0 [27].

(0.6)

Obr. č. 2: Grafické znázornění rovnice (0.6) pro špatný, normální, dobrý a ideální systém

Koeficienty pro dosazení do rovnice (0.6):

• Označení ‚špatný‘ představuje systém s nízkou účinností při částečném zatížení. To zahrnuje hlavně tradiční metody, které jsou nyní již zastaralé, jako např. přívodní rotační klapky, odsávací klapky, ventilátory s nastavitelným sklonem lopatek a nevýkonné pohony s proměnnými otáčkami jako třeba triaky. Účinnost některých těchto systémů výrazně kolísá; někdy může být vyšší, někdy naopak horší, než naznačuje křivka pro ‚špatný‘ systém. Patří sem také systémy s proměnným průtokem vzduchu, u kterých jsou otáčky ventilátoru regulovány tak, aby udržely konstantní dopravní tlak bez ohledu na průtok.
• Označení ‚normální‘ představuje systémy, u kterých se tlak ventilátoru při poklesu průtoku sníží jen málo. Patří sem systémy s proměnným průtokem vzduchu s otáčkami ventilátoru regulovanými tak, aby se udržel konstantní statický tlak až ke konci hlavního potrubí (Obr. č. 3).
• Označení ‚dobrý‘ představuje systémy, u kterých tlak ventilátoru klesá s průtokem vzduchu. Patří sem nejlepší systémy s proměnným průtokem vzduchu, kde se otáčky ventilátoru regulují pomocí pohonů s frekvenčním měničem s pro ně typickým spínačem na obnovu statického tlaku (SPR, známé také jako ‚optimalizátor‘; viz Obr. č. 4). SPR se trvale snaží minimalizovat odpor potrubního systému tím, že zajistí, aby regulační klapky na aktuální kritické trase⁸ byly zcela otevřeny. Ventilátory klimatizačních zařízení s výkonem do 3,7 kW řízené pohony s frekvenčním měničem nemohou být, bez ohledu na způsob regulace tlaku, zařazeny do této kategorie, protože tyto malé měniče mají velké ztráty.
• Označení ‚ideální‘ představuje reálné systémy, které jsou vybaveny účinnými pohony s proměnnými otáčkami a kde tlak ventilátoru při nízkých průtocích vzduchu ideálně klesá. Spadají sem systémy s proměnným průtokem vzduchu s dokonalou regulací statického tlaku (tj. ze 100% otevřené regulační klapky na kritické trase) anebo systémy s konstantním průtokem vzduchu, kde se otáčky ventilátoru regulují pomocí prvků připevněných v potrubí (konstantní hodnota k). Např. noční provoz systému s konstantním průtokem vzduchu s průtokem na úrovni 20 % (r = 0,2) by snížil měrný příkon ventilátoru (SFP) na přibližně 19 % hodnoty SFP pro maximální zatížení. Ventilátory klimatizačních zařízení s výkonem do 15 kW nemohou být, bez ohledu na způsob regulace tlaku, zařazeny do této kategorie kvůli vyšším ztrátám v jejich pohonech s frekvenčním měničem.

Křivka pro ‚ideální‘ systém leží blízko hypotetické výkonové křivce r² (na Obr. č. 2 znázorněno jako černá čárkovaná čára), která předpokládá nulové ztráty systému a potrubní systém s tlakovou ztrátou dle rovnice (0.4) s exponentem n = 2 pro zcela turbulentní proudění. Hypotetický příkon ventilátoru takového systému je tedy úměrný r³.

Koeficienty v rovnici (0.6) předpokládají typické potrubní vedení a prvky VZT jednotky a započítávají se do účinnosti větracího systému (ventilátor, motor a pohon s frekvenčním měničem) při nízkých zatíženích.

Obr. č. 3: Znázornění regulace podle konstantního statického tlaku. Červená naznačuje systém regulace; černá systém potrubí. Na kritické trase je regulační klapka v maximální pozici jen v době, kdy je požadován maximální průtok. (zdroj: SINTEF)

Obr. č. 4: Znázornění regulace typu SPR (obnova statického tlaku). V každém okamžiku je alespoň jedna klapka pro vyrovnání průtoku v maximální pozici (kritická trasa). Klapky nemohou být úplně otevřené kvůli potřebě odborné kontroly, tj. aby se zabránilo nadměrnému opotřebení servomotoru.

Poznámky

Obr. č. 5: Malý pohon s frekvenčním měničem (VFD) (zdroj: C. J. Cowie, 2005)

¹ Pro definici SFP viz kap. 2.2 Zpět

² Hybridní větrání = přirozené větrání s pomocným ventilátorem Zpět

³ Bypassem tepelného výměníku nebo pomalejší rychlostí otáčení rotačního tepelného výměníku Zpět

⁴ Elektřina je nejuniverzálnější formou energie a lze ji přeměnit na jiné formy energie účinněji než teplo, chemickou nebo mechanickou energii. Zpět

⁵ Celkové množství vzduchu proudícího přes ventilátor(y) díky kombinovanému účinku všech vyskytujících se hnacích sil (mechanických i přirozených) Zpět

⁶ Pracovní bod: kombinovaný vliv průtoku vzduchu a dopravního tlaku Zpět

⁷ Nerovnováha množství přiváděného a odváděného vzduchu způsobuje infiltraci obálkou budovy. Množství vyměňovaného vzduchu je větší z těchto dvou hodnot, přičemž se předpokládá, že nedochází k úniku ve VZT jednotce (viz Obr. č. 8 ve 2. části článku) Zpět

⁸ Definice kritické cesty (trasy) viz 5. část článku Zpět