Reklama

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

28.4.2014

P.G. Schild, M. Mysen

Recenzovaný

Spotřeba energie při provozu ventilace může být významně snížena díky návrhu účinných vzduchotechnických systémů s nízkým příkonem ventilátorů, a tím pádem i nízkou hlučností ventilátorů. Účinnost ventilačních systémů je zatím obecně poměrně nízká, nicméně existuje v této oblasti nemalý potenciál využitelný pro její zvyšování.

Reklama

3 Účinnost ventilačního systému – definice a doporučení

3.1 Definice a typické hodnoty

Účinnost ventilačního systému (také známá jako účinnost poháněných ventilátorů) představuje podíl dodávané elektrické energie, který se využije jako užitný dopravní tlak ve ventilátorech. Celková účinnost ventilačního systému (η_tot) se rovná:

(0.13)

kde je

P_in: – příkon z elektrické sítě [W]
P_out: – užitný výkon ventilátoru [W] = Δp_tot ‧ q_v, kde Δp_tot je dopravní tlak [Pa] a q_v je objemový průtok vzduchu [m³/s]
η_vsd: – účinnost pohonu s proměnnými otáčkami (VSD), vyskytuje-li se
η_motor: – účinnost motoru
η_transfer: – účinnost přenosu energie (řemen, ložiska)
η_fan: – aerodynamická účinnost ventilátoru

Při určování účinnosti větracího systému je třeba rozlišovat mezi celkovým tlakem a statickým dopravním tlakem. Nejsprávnější je definovat aerodynamickou účinnost na základě celkového tlaku (tj. statický + dynamický tlak). Avšak hodnota ukazatele SFP je stejná nezávisle na zvoleném tlaku.

3.1.1.1 Typické hodnoty

Měření VZT jednotek v náhodných norských komerčních budovách v roce 1998 ukázalo průměrnou účinnost systému η_tot = 44 %. Takže v průměru 56 % elektrické energie se ve větracím systému ztratí ve formě tepla a hluku/vibrací. Menší systémy mívají o hodně nižší účinnost, standardně 15% pro větrání obytných budov [34]. Novější studie usuzuje, že budoucí potenciál pro zlepšení účinnosti systému v Evropě je 17,5 % [21].

3.1.1.2 Klasifikace účinnosti poháněných ventilátorů

Byly vytvořeny nové ISO normy a AMCA normy ([4], [8]), které stanovují klasifikační systém zvaný FMEG – ‘Fan-&-Motor Efficiency Grade’ (stupeň účinnosti ventilátoru a motoru) určený pro větrací systémy s ventilátory s průměrem větším než 125 mm. Viz Obr. č. 12 (ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami) a Obr. č. 13 (ostatní ventilátory). Křivky zohledňují fyzikální zákony, které řídí účinnost z hlediska velikosti, takže malé ventilátory jsou méně efektivní než velké ventilátory stejného provedení. Dobře navržené velké větrací systémy mohou dosáhnout alespoň FMEG60 (tj. účinnost 60 % pro systém o 10 kW). Limitní hodnoty ukazatele FMEG mohou být stanoveny ve stavebních předpisech jako minimální požadavky na energetickou náročnost.

Obr. č. 12: Klasifikační systém účinnosti poháněného ventilátoru (η dolní index tot) pro ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami, s krytem ventilátoru nebo bez něj [ISO 12759]

Obr. č. 12: Klasifikační systém účinnosti poháněného ventilátoru (η_tot) pro ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami, s krytem ventilátoru nebo bez něj [ISO 12759]

Obr. č. 13: Klasifikační systém účinnosti poháněného ventilátoru (η dolní index tot) pro ostatní ventilátory (axiální, s dopředu zahnutými lopatkami, s radiálně zakončenými lopatkami nebo diagonální ventilátory). [ISO 12759]

Obr. č. 13: Klasifikační systém účinnosti poháněného ventilátoru (η_tot) pro ostatní ventilátory¹¹ (axiální, s dopředu zahnutými lopatkami, s radiálně zakončenými lopatkami nebo diagonální ventilátory). [ISO 12759]

Křivky ukazatele FMEG jsou definovány následující rovnicí:

η_tot,peak = a ‧ ln (P) + b + FMEG (0.14)

kde je

η_tot,peak: – účinnost větracího systému (celkový tlak) v pracovním bodě, který dává nejvyšší účinnost [%]
a, b: – koeficienty, viz tabulka níže
P: – příkon elektrické energie větracího systému [kW]
FMEG: – stupeň účinnosti [0–100] odstupňovaný po 5 %

Tabulka: Koeficienty `a` & `b` v závislosti na typu ventilátoru a velikosti
	`P` [kW]	`a`	`b`
Ventilátor s dozadu zahnutými lopatkami	0,125 ≤ `P` ≤ 10	4,56	−10,50
Ventilátor s dozadu zahnutými lopatkami	10 ≤ `P` ≤ 500	1,10	−2,60
Ostatní ventilátory	0,125 ≤ `P` ≤ 10	2,74	−6,33
Ostatní ventilátory	10 ≤ `P` ≤ 500	0,78	−1,88

3.2 Složky účinnosti ventilačního systému

3.2.1 Ventilátory – aerodynamická účinnost

Aerodynamická účinnost ventilátoru má dvě různé definice:

(0.15)

kde je

η_fan,tot, η_fan,stat: – celková nebo statická účinnost ventilátoru na hřídeli
Δp_tot, Δp_stat: – celkový nebo statický dopravní tlak ventilátoru
q_v: – objemový průtok vzduchu [m³/h]
P: – výkon na hřídeli [W]

Jak již bylo uvedeno dříve, z vědeckého hlediska je nejsprávnější stanovit účinnost na základě celkového tlaku (Δp_fan,tot), nikoliv statického tlaku. Použít účinnost statického tlaku pro pracovní body blízko podmínek, kdy nastává volné proudění (nulový odpor proudění), je nesmyslné, protože ventilátor vytváří dynamický tlak, ale málo statického tlaku (např. při 100 % max. průtoku na Obr. č. 16 a Obr. č. 18).

Obr. č. 16: Charakteristická křivka ventilátoru pro ventilátor s dozadu zahnutými lopatkami znázorňující celkový & statický dopravní tlak a celkovou & statickou účinnost
(zdroj: www.engineeringtoolbox.com)

Obr. č. 18: Charakteristická křivka ventilátoru pro axiální ventilátor znázorňující celkový & statický dopravní tlak a celkovou & statickou účinnost
(zdroj: www.engineeringtoolbox.com)

U ventilátorů s integrovanými pohony (jako např. ventilátory s elektronicky komutovanými motory) není možné změřit η_fan přímo; lze změřit pouze kombinovanou celkovou účinnost větracího systému.

Nejdůležitějším faktorem ovlivňujícím účinnost větracího systému je tvar/velikost ventilátoru. Potenciál pro zlepšení aerodynamické účinnosti ventilátorů se odhaduje v rozsahu 10~15 %, ale v závislosti na typu ventilátoru a sektoru je reálný potenciál 3,5~8,3 % [21].

3.2.1.1 Typy ventilátorů

Existují tři základní typy ventilátorů: radiální, axiální a diagonální. Čtvrtý typ, kterým je tangenciální ventilátor, zde nebude dále podrobněji popisován kvůli své velmi nízké účinnosti.

Obr. č. 11: Ztráty běžného radiálního ventilátoru s řemenovým pohonem
(zdroj FMA), [20]

Obr. č. 14: Radiální ventilátory s přímým pohonem osazené v sací komoře
(zdroj: Ziehl-Abegg; Swegon)

Obr. č. 15: Radiální ventilátory s dopředu zahnutými (F-wheel), dozadu zahnutými (B-wheel) a radiálními (T-wheel) lopatkami ve spirální skříni
(zdroj: US EPA)

Radiální ventilátory mají lopatky rotoru, které jsou uspořádány jako válcovitá klec. (Obr. č. 11, Obr. č. 14). Lopatky mohou být zahnuty dopředu (tzv. F-wheel), dozadu (tzv. B-wheel), nebo mohou být v tzv. radiálním provedení (T-wheel); viz Obr. č. 15.

Ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami jsou nejúčinnějšími radiálními ventilátory. Ačkoliv jsou obvykle nejlepší z hlediska požadavků na energetickou účinnost, mohou mít omezený provozní rozsah (změny tlaku mají malý vliv na průtok) a jsou o něco hlučnější než ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami. U systémů s proměnným průtokem vzduchu musí být ventilátory řízeny pohony s proměnnými otáčkami (VSD nebo VFD). Mohou být instalovány ve spirální skříni (tj. výtlačný ventilátor; viz Obr. č. 11 a Obr. č. 15) nebo v sací komoře (připojení na vstupní straně je provedeno přes trysku, difuzor nebo kuželovitou přípojku a vývod je volný; viz Obr. č. 14). Spirální skříň dává asi o 10 % vyšší účinnost, ale je méně kompaktní než uložení v sací komoře. Nejlepší účinnosti ze všech dosahují spirály se dvěma přívody (tj. přívod z každé strany spirály). Na druhé straně připojení ostrých zakřivení přímo k vývodu dává vyšší účinnou ztrátu systému pro spirální provedení než pro sací komory. Ventilátory osazené v sací komoře se staly velmi populární díky nižším nákladům, kompaktnímu provedení a flexibilitě dané schopností poskytnout různé rychlosti v krátké vzdálenosti od ventilátoru. Ventilátory instalované v sací komoře jsou zatíženy nízkofrekvenčním hlukem (≤ 125 Hz) kvůli turbulencím v komoře, na přívodu do ventilátoru a u vývodu. Tento hluk je obtížné ztlumit.

Ventilátory s dopředu zahnutými lopatkami bývaly nejběžnějším větracím systémem ve velkých budovách, ale jsou neefektivní, a proto nyní najdou uplatnění jen ve zvláštních případech. Jedním z důvodů pro časté používání oběžných kol s dopředu zahnutými lopatkami byla, kromě jejich tichosti, možnost vybrat si velmi kompaktní VZT jednotku (u lopatek zahnutých dozadu je potřeba pro stejný objemový průtok více prostoru a mírnější tlak). Radiální oběžná kola jsou také neefektivní, ale díky své samočisticí schopnosti se používají ve zpracovatelském průmyslu pro vzduch znečištěný částicemi. Jak oběžná kola s dopředu zahnutými lopatkami, tak radiální oběžná kola se musí instalovat do spirální skříně.

Obr. č. 17: (a) Axiální ventilátor ve stěně(zdroj: Ziehl-Abegg)

Obr. č. 17: (b) Axiální ventilátor s lopatkami s nastavitelným sklonem (zdroj: Ziehl-Abegg)

Obr. č. 17: (a) Axiální ventilátor ve stěně, (b) axiální ventilátor s lopatkami s nastavitelným sklonem
(zdroj: Ziehl-Abegg)

Axiální ventilátory: Viz Obr. č. 17. Tento typ ventilátoru je nejvhodnějším pro použití u systémů s nízkou tlakovou ztrátou a velkým průtokem vzduchu. Axiální ventilátory jsou obvykle připojeny přímo k hřídeli motoru, takže nedochází ke ztrátám přenosem (o motorech a jejich účinnosti pojednává detailně 4. část článku). Axiální ventilátory se v současnosti používají pro konvenční větrací systémy jen výjimečně, ale používají se u systémů s velmi nízkou tlakovou ztrátou, jako např. u hybridního větrání. Axiální ventilátory jsou ideální pro bezpotrubní instalace, pro osazení do otvoru ve stěně. Často jsou kryty ochrannou drátěnou mřížkou, která může snížit maximální účinnost o 10 %.

Obr. č. 19: Diagonální ventilátor s lopatkami s proměnným sklonem
(zdroj: Continental Fan Mfg. Inc)

Ventilátory diagonální jsou novým druhem, který dodává více vzduchu než radiální ventilátory a větší statický tlak než axiální ventilátory. Jedná se o přímo poháněné ventilátory stejně jako axiální ventilátory nebo radiální ventilátory osazené v sací komoře. Mají menší výstupní ztráty než axiální ventilátory (viz § 4). Diagonální ventilátory představují přechod mezi radiálním a axiálním systémem. Vzduch proudí do ventilátoru v axiálním směru, tedy ve směru osy rotace oběžného kola, avšak výtlak z ventilátoru je pod úhlem menším než 90°. Toto řešení poskytuje větší flexibilitu než radiální nebo axiální ventilátory z hlediska umístění ventilátoru, vývodu ventilátoru (jsou vhodné pro instalaci v sací komoře) a řešení dalších komponentů. Na druhé straně diagonální ventilátory jsou méně účinné než radiální ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami.

Ventilátory pro hybridní větrání: Jak axiální, tak radiální ventilátory mohou být vhodné pro hybridní větrání. Zdá se, že speciální střešní radiální ventilátory se svislou osou (Obr. č. 20) mají oproti axiálním ventilátorům výhodu v tom, že lopatky ventilátoru neomezují průtok vzduchu v odtahové šachtě, když je motor ventilátoru vypnutý v době, kdy jsou dostatečné přirozené hnací síly (vítr a/nebo komínový efekt). Alternativní varianta, tj. axiální ventilátor umístěný v odtahové šachtě nebo v hrdle komínového nástavce, může způsobit významné snížení průtoku v době nečinnosti ventilátoru a může vyvolat větší hluk při provozu. Na druhé straně blokování proudění při vypnutém ventilátorem je irelevantní v případě větracích systémů s velkou tlakovou ztrátou (> 10 Pa), která obvykle převyšuje dosažitelné přirozené hnací síly. V takových případech je podpůrné působení ventilátoru nutné vždy, takže axiální ventilátory představují v takovém případě lepší volbu, protože dosahují vyšší účinnosti (Obr. č. 21).

Obr. č. 20: Dva příklady radiálních ventilátorů pro šachtové větrání s pomocným ventilátorem s přerušovaným provozem. Komínový nástavec nalevo má při volnoběhu SFP ≈ 1 a průtokový součinitel 0,51 < CD < 0,81 (1,5 < ξ < 3,7). Ventilátor napravo má zanedbatelnou tlakovou ztrátu, je-li vypnutý, a s 8 W stejnosměrným motorem s účinností systému 5,2 % má SFP ≈ 0,19 při 10 Pa a průtoku 42 l/s. Nejvyšší účinnost systému je asi 6,5 % [26].
(zdroj: CSR Edmonds; Aereco)

Obr. č. 21: Příklad axiálního ventilátoru pro nepřetržité šachtové větrání s pomocným ventilátorem v obytných budovách. Pro 2W ventilátor s elektronicky komutovaným motorem a účinností systému 28 % je při nominálním průtoku 10 Pa & 56 l/s SFP 0,04 kW/(m³/s) [26]. (zdroj: TNO)

Obr. č. 21: Příklad axiálního ventilátoru pro nepřetržité šachtové větrání s pomocným ventilátorem v obytných budovách. Pro 2W¹² ventilátor s elektronicky komutovaným motorem a účinností systému 28 % je při nominálním průtoku 10 Pa & 56 l/s SFP 0,04 kW/(m³/s) [26].
(zdroj: TNO)

3.2.1.2 Další faktory ovlivňující účinnost

Mezi další faktory, které ovlivňují účinnost, patří materiál lopatek, tvar příčného průřezu, průměr nosného kotouče a počet lopatek. Obecně jsou nejúčinnější „letecké“ profily, ale zahnutý profil vytvořený z plechu o stejné tloušťce je jen o trochu méně účinný. Důležitý je také tvar lopatek, např. nejúčinnější osové rotory mají tvar zahnuté ‚mačety‘ nebo ‚slzy‘ (např. Obr. č. 17b), zatímco tvar plochého ‚pádla‘ nebo ‚jetelového lístku‘ je neefektivní. Mezera mezi listy rotoru a skříní ventilátoru by měla být malá, aby se minimalizovala lokální recirkulace. Velký počet lopatek pomáhá snížit intenzitu, s jakou dochází ke ztrátě rychlosti (při škrcení průtoku vzduchu).

3.2.1.3 Velikost ventilátoru a účinnost

Obr. č. 22: Křivky maximální účinnosti ventilátoru
(zdroj: ACME Engineering & Manufacturing Corp)

Obr. č. 22 ukazuje, jak maximální účinnost ventilátoru závisí na velikosti. Větší ventilátory mají vyšší účinnost než ty malé, protože ztráty nenarůstají lineárně s velikostí. Vliv mechanických a objemových ztrát a viskózních sil (Reynoldsovo číslo) je větší u malých ventilátorů.

3.2.1.4 Návrh velikosti s ohledem na optimální výkon a účinnost

Trik spočívá ve výběru správné velikosti ventilátoru tak, aby pracoval na úrovni maximální účinnosti nebo blízko ní. Tento princip je znázorněn na Obr. č. 23, který zobrazuje tlakové a účinnostní charakteristiky pro dvě různé velikosti ventilátoru. Větší ventilátor pracuje na úrovni maximální účinnosti a dosahuje požadovaného průtoku vzduchu při trochu nižším celkovém dopravním tlaku, protože nižší výstupní rychlost snižuje ztráty systému na výstupu z ventilátoru.

U systémů s proměnným průtokem vzduchu by se měl zohlednit celý rozsah objemového průtoku. Velikost ventilátoru může být optimalizována zohledněním množství času, kdy ventilátor pracuje s různými objemovými průtoky. Na Obr. č. 24 je to znázorněno pro systém se 3 různými provozními režimy. Pracovní body by v ideálním případě měly být nejvýše o 10 % nižší než maximální účinnost při každé rychlosti ventilátoru. Tato ‚dobrá‘ provozní oblast je na Obr. č. 24 znázorněna zeleně. Obr. č. 24 také znázorňuje tlakové charakteristiky (modře) pro 3 různé rychlosti ventilátoru a účinnostní charakteristiky (červeně) pro největší rychlosti ventilátoru.

Obr. č. 23: Charakteristická křivka ventilátoru znázorňující optimální oblast pro výběr přívodního ventilátoru
(zdroj: ACME Engineering & Manufacturing Corp)

Obr. č. 24: Charakteristické křivky ventilátoru
(zdroj: ACME Engineering & Manufacturing Corp)

Obr. č. 25 Křivky pro dvě různé velikosti ventilátoru znázorňující oblast rázů, kterým by se mělo u provozu při částečném zatížení zamezit [33]

Ventilátory jsou bohužel obvykle předimenzovány, takže jejich maximální účinnost je dosažena při ‚nejhorším možném‘ (návrhovém) průtoku nebo blízko něj. Takové systémy jsou poznamenány nízkofrekvenčním hlukem (rachocení), když jsou provozovány při normálním nebo sníženém průtoku vzduchu. Ztišit tento typ hluku je velmi obtížné a nákladné. Je lepší zvolit takovou velikost ventilátoru, aby při nejběžnějším průtoku vzduchu bylo dosaženo maximální účinnosti. Během krátkých úseků s potřebou maximálního průtoku bude mít zvýšený hluk vyšší frekvenci, kterou lze zeslabit mnohem snáze, pomocí levnějších tlumičů. Dalším klíčovým důvodem, proč ventilátory nepředimenzovávat, je to, že při minimálním průtoku vzduchu se mohou zcela zastavit nebo může docházet k rázům. Menší ventilátory mají menší oblast rázů. Tato problematika je zobrazena na Obr. č. 25, který ukazuje dvě různé velikosti ventilátorů, z nichž ten menší je vhodnější s ohledem na akustiku a spotřebu energie.

3.2.1.5 Software pro výběr výrobku a velikosti

Mnoho výrobců nabízí software, který umí stanovit výkon ventilátoru pro jakoukoliv danou kombinaci objemového průtoku vzduchu a tlakového rozdílu a umí vybrat optimální komponenty. Takový software obvykle interpoluje data z omezeného počtu změřených pracovních bodů a ideálně by měl být certifikován (např. EUROVENT).

3.2.1.6 Klasifikace výkonu ventilátoru

Velké ventilátory se obvykle hodnotí v laboratoři podle normy ISO 5801 nebo ANSI/ASHRAE 51-07 (ANSI/AMCA 210-07). To lze provést s nebo bez přívodního/odtahového potrubí, takže dostáváme 4 možné testovací konfigurace. Potrubí mění proudění vzduchu do/z ventilátoru a jeho návrh je extrémně důležitý. Většina ventilátorů funguje nejlépe s přívodním & odtahovým potrubím, s výjimkou axiálních ventilátorů. Je důrazně doporučeno, aby se projektanti ujistili, že data od výrobce ventilátoru platí pro testovací konfiguraci, která se shoduje se způsobem, jakým bude ventilátor používán v praxi. Pokud tato informace není k dispozici, měly by se provést korekce pomocí faktorů pro účinnost systému (SE faktor) od AMCA [16].

Obr. č. 26: Systém klasifikace FEG pro celkovou účinnost ventilátoru η dolní index fan,tot na hřídeli v optimálním pracovním bodě ventilátoru [ISO 12759]

Obr. č. 26: Systém klasifikace FEG pro celkovou účinnost ventilátoru η_fan,tot na hřídeli v optimálním pracovním bodě ventilátoru [ISO 12759]

Normy ISO 12759 a AMCA 205 [4],[8] definují klasifikační systém zvaný ‚stupeň účinnosti ventilátoru‘ (‘Fan Efficiency Grade’ /FEG/) pro aerodynamickou účinnost ventilátorů na hřídeli a s min. průměrem kola 125 mm. Viz Obr. č. 26. To umožnilo mezinárodní harmonizaci dokumentace k ventilátorům. Křivky pro jednotlivé stupně FEG vznikly na základě měření mnoha typů a velikostí ventilátorů a zohledňují vliv velikosti na účinnost (to je znázorněno také na Obr. č. 22). Všechny velikosti ventilátoru konkrétního provedení obvykle dosahují stejnou klasifikaci FEG. Číslo FEG konkrétního ventilátoru představuje maximální aerodynamickou účinnost¹³ ventilátoru zcela stejného provedení, ale o průměru 1 m. Např. ventilátor o průměru 0,2 m a účinnosti 50 % je zařazen do třídy FEG67, protože, podle Obr. č. 26, velký ventilátor (s průměrem ≥ 1,0 m) stejného provedení může dosáhnout účinnosti 67 %. Křivky ukazatele FEG jsou obecné, tzn. stejné křivky platí pro všechny typy ventilátorů, tj. pro radiální, axiální i diagonální. Třídy ukazatele FEG jsou odstupňovány po 6 % a začínají na hodnotě 95 %, tj. 90 %, 85 %, 80 %, 75 %, 71 %, 67 %, 63 % atd.

Poznámky

¹¹ S výjimkou tangenciálních ventilátorů, které mají vlastní systém křivek pro ukazatele FMEG. Zpět

¹² Pomocná energie pro regulaci řízeného větrání je 5 W. Zpět

¹³ Maximální účinností ventilátoru se rozumí účinnost v optimálním pracovním bodě ventilátoru, tj. kombinace průtoku vzduchu a dopravního tlaku, která dosahuje nejvyšší účinnosti. Zpět

English Synopsis

Recommendations on specific fan power and fan system efficiency – Part III.

This publication explains the principles of designing efficient ventilation systems with low fan power and hence little fan noise. The main topics are: definition, measurement, and rating of specific fan power and fan system efficiency; how the design of the air handling unit, distribution system, and controls influence pressure losses and fan system efficiency.