Doporučení pro měrný příkon ventilátoru (SFP) a účinnost vzduchotechnických systémů – IV.
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.
3.2.2 Motory a jejich účinnost
3.2.2.1 Typy motorů
Tab. č. 2 obsahuje přehled obvyklých typů ventilátorových motorů.
| indukční (asynchronní) AC motory | elektronicky komutované motory14 | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| s kotvou nakrátko | trvale oddělený kondenzátor | 3fázová indukce | 1 jádro | 3 jádra | |
| uspořádání obvodu |  |  |  |  |  |
| napájení | střídavý proud, 1 fáze | střídavý proud, 1 fáze | střídavý proud, 3 fáze | střídavý nebo stejnosměrný proud, 1 fáze | jakékoliv |
| kapacita | < 50 W | < 0,5 kW | > 1 kW | < 5 kW | < 5 kW |
| integrovaný pohon s proměnnými otáčkami | – | – | – | ✓ | ✓ |
| typ rotoru | klecový | klecový | klecový | magnetický | magnetický |
| účinnost | nízká | střední | dobrá | vyšší | nejvyšší |
| hlučnost | nízká | střední | dobrá | střední+ | dobrá+ |
Malé ventilátory pro bytové větrání tradičně používají motory na střídavý proud s kotvou nakrátko. Jsou to nejméně účinné motory, ale jsou levné a spolehlivé. Progresivní výrobci přešli na účinnější a dražší elektronicky komutované (EC14) stejnosměrné motory. EC-motory mají integrovanou regulaci rychlosti (VSD) s vyšší účinností než VFD-pohony u střídavých AC motorů. Některé malé jednotky dokonce mají bezsenzorový řídicí algoritmus pro konkrétní ventilátor, který dokáže udržet konstantní objemový průtok vzduchu nebo konstantní dopravní tlak. Tyto motory mají mnohem nižší ztráty než indukční AC motory díky částečnému použití permanentních magnetů místo elektrického proudu v rotoru. Také nedochází k propadu rychlosti rotoru na rozdíl od indukčních AC motorů.
Pro velké motory se tradičně používají indukční (asynchronní) AC motory, z nichž nejúčinnější jsou 3fázové motory se 4 póly. Nicméně velké EC-motory získávají na popularitě jak pro axiální, tak pro radiální ventilátory instalované v sací komoře. Jsou dražší než střídavé AC motory s VFD pohonem, avšak mají nižší náklady životního cyklu (LCC) díky své vyšší účinnosti, obzvlášť v provozu při částečném zatížení. Také jsou tišší a menší, umožňují provedení kratších VZT jednotek. Všechny velké motory (AC i EC) jsou napájeny 3fázovým proudem.
3.2.2.2 Faktory ovlivňující účinnost motoru
Obr. č. 27: Maximální účinnost motoru v závislosti na jeho velikosti pro různé typy motoru. Tři uvedené klasifikační třídy IE pro 3fázové motory platí pro 4pólové indukční motory při 50 Hz (60 Hz motory pod 25 kW mají přibližně 87 % z těchto ztrát).
Účinnost elektrických motorů závisí na mnoha faktorech. Obr. č. 27 znázorňuje, jak maximální účinnost motoru závisí na jeho velikosti. Větší motory jsou účinnější než ty malé, protože ztráty nenarůstají lineárně s výkonem. Například magnetické ztráty na koncích statoru jsou odstupňovány poměrem délky k objemu na jednotku výkonu a tepelná ztráta je odstupňována poměrem plochy k objemu na jednotku výkonu. Ze stejného důvodu mají malé motory nižší účinnost při částečném zatížení (Tab. č. 3).
| kW | Stupeň částečného zatížení (kWout/kWout,max) | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| 100 % | 75 % | 50 % | 25 % | ||
| 3fázový AC motor [29] | 0,74 | 0,76–0,84 | 0,74–0,82 | 0,70–0,77 | 0,58–0,64 |
| 7,4 | 0,88–0,91 | 0,89–0,92 | 0,89–0,92 | 0,83–0,86 | |
| 74 | 0,93–0,95 | 0,93–0,95 | 0,93–0,95 | 0,90–0,92 | |
| plochý řemen [29] | 0,74 | 0,91–0,94 | 0,90–0,92 | 0,86–0,89 | 0,79–0,81 |
| 7,4 | 0,95–0,97 | 0,94–0,95 | 0,90–0,92 | 0,82–0,84 | |
| 74 | 0,96–0,97 | 0,95–0,96 | 0,91–0,92 | 0,83–0,84 | |
| 3fázový VFD pohon [29] | 0,74 | 0,89 | 0,87 | 0,84 | 0,74 |
| 7,4 | 0,96 | 0,95 | 0,94 | 0,90 | |
| 74 | 0,97 | 0,97 | 0,96 | 0,93 | |
| EC motor | 0,74 | 0,91 | 0,90 | 0,89 | 0,85 |
3.2.2.3 Dimenzování a provoz při částečném zatížení
Tab. č. 3 uvádí typické hodnoty pro částečné zatížení komponentů různé velikosti. Obr. č. 29 znázorňuje celkovou účinnost 3fázového indukčního AC motoru společně s VFD pohonem. Ukazuje jasný pokles pod cca 50 % maximálního zatížení.
Obr. č. 28: Účinnostní charakteristiky při částečném zatížení pro 3fázový AC motor (zdroj: NEMA, Standard MG-10)
Obr. č. 29: Přibližné účinnostní charakteristiky při částečném zatížení pro kombinaci ventilátorového AC motoru s přímým pohonem a VFD pohonu v závislosti na velikosti (kW). Platné pro běžný větrací systém (exponent n = 1,65 v rovnici (0.4)).
Motor je předimenzován, pokud je jmenovitý výkon dle štítku výrazně vyšší, než je potřeba. Předimenzované motory, obzvláště ty malé, jsou méně účinné než ty, které jsou vhodné pro dané zatížení (Obr. č. 29). Vliv velikosti na účinnost závisí na typu motoru, výrobci a musí se ověřit v každém konkrétním případě. Provozní měření ukázala, že mnoho ventilátorových motorů je silně předimenzováno a tím pádem velmi neefektivních. Motory by se měly vybírat tak, aby pracovaly s maximální účinností v konkrétním pracovním bodě, neměly by se předimenzovávat tak, že by se snížila účinnost. U AC motorů závisí umístění oblasti maximální účinnosti na velikosti motoru, jak je uvedeno na Obr. č. 28. Motor by měl být vyměněn za menší, pokud pracuje na méně než 40 % jmenovitého výkonu při návrhovém objemovém průtoku. Proto je důležité spočítat tlakovou ztrátu větracího systému před výběrem ventilátorů a motorů, které jsou přizpůsobené na míru výkonu. Pokud si někdo není jistý pracovním bodem ventilátoru, nebo požaduje flexibilitu zařízení s ohledem na možné budoucí změny, nebo má systém s proměnným průtokem vzduchu (VAV), měl by použít strategii řízení rychlosti (např. VSD), která umožní optimální provoz motoru za všech podmínek, nebo, pokud to není možné, měl by použít stupňovité uspořádání ventilátorů. V takových případech je důležité použít komponenty s nízkými ztrátami (vysokou účinností) pro oblast částečného zatížení. Ale i tak by motor neměl být větší, než je potřeba. Pokud si někdo není jistý, zda zvolený motor dokáže splnit budoucí potřeby, měl by raději nadimenzovat přívod elektřiny tak, aby bylo později možné motor vyměnit.
3.2.2.4 Klasifikace výkonu motoru
Používají se různé metody laboratorních testů, zejména IEC 60034-2-1 a IEEE 112-B. Tyto metody měří ztráty mírně odlišným způsobem, což může vést k rozdílu až 1–2 %.
Motory mohou být klasifikovány podle účinnosti na základě výše uvedených měření. Norma IEC 60034-30 definuje mezinárodní kategorie účinnosti (International Efficiency /IE/ classes) pro 3fázové indukční motory nad 0,75 kW. Těmi třemi kategoriemi jsou: IE1 (standard), IE2 (vysoká účinnost) a IE3 (excelentní). Viz Obr. č. 27. V budoucnosti bude přidána čtvrtá kategorie, IE4 (super kvalitní), aby se daly ohodnotit i motory s vyšší účinností, jako třeba EC motory. Norma harmonizuje dřívější klasifikační systémy jako třeba evropský CEMEP15 (třída EFF1 dle této normy je ekvivalentem kategorie IE2), americký NEMA16 (třída ‚NEMA PREMIUM‘ odpovídá kategorii IE3) nebo systém podle závazného zákona o energetické politice (American Energy Policy Act) (klasifikace ‚EPAct‘ odpovídá kategorii IE2).
Většina průmyslových států implementovala, nebo brzy implementuje, závazné požadavky na minimální energetickou účinnost (normy MEPS) pro velké elektromotory. První, kdo to učinil, byly USA v roce 1997. Evropská komise (EK) rozhodla zavádět MEPS postupně od roku 2011 jako součást Směrnice o ekodesignu energetických spotřebičů (EuP). Od roku 2011 budou tyto země obvykle vyžadovat minimální kategorii IE2. Od roku 2017 budou jak USA, tak EU vyžadovat IE3 (excelentní účinnost). Změny mohou v EU v následujících 20 letech potenciálně ušetřit 135 TWh/a, což odpovídá roční spotřebě elektřiny Švédska. Globální potenciál úspor činí ohromujících 1850 TWh/a, neboli 9,7 % celkové globální produkce elektřiny. Další úspory jsou dosažitelné díky budoucím MEPS pro ostatní komponenty vč. ventilátorů a VFD pohonů.
3.2.3 Přenos výkonu
Velké ventilátory ve starých větracích systémech jsou obvykle poháněny řemenem, to znamená, že točivý moment motoru se přenáší na ventilátor pomocí rotujícího řemene (Obr. č. 11). Nevýhodou použití řemene je to, že způsobuje energetickou ztrátu přes 10 %, pokud je špatně navržen nebo udržován, a při nízkém výkonu jsou tyto ztráty ještě podstatně vyšší. Ploché řemeny mají nižší ztráty než klínové. Nicméně částice z povrchu pásu mohou znečistit přívodní vzduch. Kvůli těmto částicím by měl být dále v trase přívodního vzduchu umístěn jemný vzduchový filtr. Provoz řemene umožňuje měnit rychlost ventilátoru nastavením výměnného poměru mezi motorem a ventilátorem – nicméně tato funkce se s nástupem elektronického řízení rychlosti (VSD) stala zbytečnou. Moderní ventilátory jsou obvykle poháněny přímo, to znamená, že ventilátor je posazen na hřídeli motoru. Ventilátory s přímým pohonem jsou oproštěny od energetických ztrát přenosem. Přímo poháněné velké ventilátory jsou obvykle vybaveny pohony s proměnnými otáčkami (VSD). Pro AC motory je to drahé a způsobuje to podobnou ztrátu jako řemenový pohon. I přesto VSD pohon poskytuje řadu výhod:
- Umožňuje regulovat množství vzduchu až na minimální úroveň místo úplného vypnutí toku vzduchu. To může snížit riziko vzniku mikrobiálních škůdců a jejich usazení v jednotce.
- Jedná se o řízené větrání.
- Umožňuje intenzivní větrání v období chlazení.
- Optimální účinnost motoru ventilátoru.
3.3 Shrnutí doporučení pro účinnost větracího systému
- Přesně spočítejte tlakovou ztrátu systému pomocí softwaru (např. [40], [41], [42]). Pro výběr vhodného ventilátoru/motoru proveďte korekci zohledňující účinky větracího systému [16].
- Usilujte o to, aby maximální aerodynamická účinnost ventilátoru dosahovala přes 80 %. (FEG85) Zvolte radiální ventilátor s dozadu zahnutými lopatkami u konvenčních systémů nebo účinný axiální ventilátor u systémů s nízkou tlakovou ztrátou (nebo speciální radiální ventilátory u hybridních systémů).
- Typ/velikost ventilátoru by měl být zvolen(a) tak, že účinnost v každém pracovním bodě se liší maximálně o 10 % od celkové maximální účinnosti ventilátoru pro danou rychlost ventilátoru (Obr. č. 24).
- Vybírejte ventilátory s přímým pohonem. Pokud je řemenový pohon nevyhnutelný, pak použijte plochý řemen.
- Zaměřte se na ventilátorové motory s vysokou účinností, tj. min. IE2 (IE3 po r. 2017), nebo ideálně elektronicky komutovaný (EC) motor.
- Nenavrhujte nadměrně velké motory ventilátoru. Dimenzujte je primárně na provoz v oblasti 65%-100% zátěže (horní hranice rozsahu pro nejmenší ventilátory; viz Obr. č. 28).
- Pro regulaci rychlosti ventilátoru u řízeného větrání použijte pohony s proměnnými otáčkami (VSD). Velké systémy s proměnným průtokem vzduchu (VAV) by měly mít také SPR regulaci (ovladač pro obnovu statického tlaku) (Obr. č. 4).
- Velké větrací systémy jsou účinnější než malé díky fyzikálním zákonům týkajícím se velikosti. To znamená, že použít jeden centrální větrací systém pro budovu by mohlo být efektivnější, než použít malý decentrální větrací systém pro každou zónu v budově (např. pro byty). Toto ale platí jen, když velký systém nemá větší tlakovou ztrátu a je opatřen účinným řídicím systémem (např. SPR) pro regulaci toku vzduchu do každé zóny. Centrální systémy mají i jiné výhody jako třeba nižší hlučnost a potenciálně i jednodušší údržbu.
Správně zvolené a nadimenzované výrobky by měly dosahovat stupeň celkové účinnosti FMEG60 (tj. účinnost 60 % pro systém o 10 kW).
4 Sací a výtlačné hrdlo ventilátoru – aerodynamická neefektivita
4.1 Obecně
Ventilátory jsou v laboratořích testovány za ideálních podmínek, které mohou být ve skutečných budovách nedosažitelné. V praxi se dá očekávat o 10 % vyšší tlaková ztráta (30 Pa na každý ventilátor ve velkém systému) kvůli ztrátám v sacím a výtlačném hrdle ventilátoru, ale špatný návrh může způsobit min. o 75 % vyšší ztráty (několik set Pascalů u velkých systémů). Tyto ztráty se souhrnně nazývají „účinky systému“ a jsou způsobeny vířením v sacím hrdle, tlakovou ztrátou v místě sacího a výtlačného hrdla ventilátoru a přídavnou tlakovou ztrátou za ventilátorem předtím, než se vyrovná rychlostní profil. Finální volbu ventilátoru a motoru lze provést jedině poté, co se provede korekce vypočtené tlakové ztráty na vliv účinků systému. Účinky systému se spočítají dle následujícího vzorce:
(0.16)
[Pa]
kde je
- Δp
- – účinek systému [Pa]
- C
- – koeficient pro účinek systému [bezrozměrný]
- pd
- – dynamický tlak v sacím nebo výtlačném hrdle ventilátoru [Pa]
- ρ
- – hustota vzduchu [kg/m3]
- v
- – jmenovitá rychlost (objemový průtok vzduchu / plocha) [m/s]
4.2 Doporučení pro sací hrdlo ventilátoru
- Mělo by mít nevířivý symetrický plně vyvinutý rychlostní profil bez překážek bránících proudění.
- U ventilátorů umístěných v sací komoře by měla být minimální vzdálenost od sacího hrdla ventilátoru k nejbližší stěně komory větší než 0,75násobek průměru sacího hrdla.
- Plocha příčného průřezu nasávacího potrubí by měla činit 92 %-112 % plochy sacího hrdla ventilátoru.
- Nasávací potrubí by mělo být rovné a jeho délka by měla být min. 3násobkem hydraulického průměru (závisí na rychlosti). Pokud to není možné, měly by být v kolenech čtyřhranného potrubí naváděcí lopatky, aby se zabránilo víření. Kolena kruhového potrubí by měla mít vnitřní poloměr odpovídající minimálně průměru potrubí. Vyrovnávače proudění jako filtry, chladiče/ohřívače nebo tepelné výměníky snižují účinky systému nasávání.
- Překážky proudění jako klapky a T-profily by se neměly nacházet v blízkosti sacího hrdla ventilátoru.
- Zabraňte víření v místě nasávání. Víření stejným směrem (tj. vzduch se točí stejným směrem jako ventilátor) může snížit tlak ventilátoru (Obr. č. 30). Víření v protisměru je také nežádoucí, protože zvyšuje hlučnost ventilátoru a spotřebu energie.
Obr. č. 30: Příklad špatného návrhu, který způsobuje víření ve směru otáčení ventilátoru. Přidejte naváděcí lopatky, aby se snížilo víření. (zdroj: Svenska inneklimatinstitutet & SINTEF)
4.3 Doporučení pro výtlačné hrdlo ventilátoru
- Snažte se o vytvoření nevířivého symetrického plně vyvinutého rychlostního profil bez překážek bránících proudění.
- Spojovací potrubí by mělo být nejlépe rovné, mělo by zdeformovanému rychlostnímu profilu umožnit vyrovnání, mělo by zajistit postupnou změnu vysoké rychlosti ve výtlačném hrdle ventilátoru na užitný statický tlak17. (Viz Obr. č. 31). Délka potrubí by měla být min. 2,5násobkem hydraulického průměru (lépe > 6násobkem, závisí na rychlosti). Vliv kratších délek viz Tab. č. 4.
- Pokud se liší velikost výtlačného hrdla a spojovacího potrubí, použijte postupný přechod. Zmenšení průřezu potrubí u výtlačného hrdla obvykle způsobuje menší tlakovou ztrátu než jeho zvětšení (difuzor). Zmenšení průřezu výtlačného potrubí by mělo být provedeno pod úhlem max. 30° mezi protilehlými stěnami potrubí (Obr. č. 32). Protilehlé stěny u rozšiřujícího se potrubí by se měly rozbíhat pod úhlem max. 15°. Vyhněte se pravoúhlým ohybům; raději používejte ohyb pod úhlem 45°.
- Pokud je ohyb nutný, měl by následovat směr toku vzduchu z ventilátoru. Viz např. Obr. č. 32 a Obr. č. 33.
Obr. č. 31: Rychlostní profil na výstupu z radiálního a axiálního ventilátoru. Výtlačné potrubí by mělo být rovné v délce alespoň 2,5násobku hydraulického průměru, aby se rychlostní profil mohl vyrovnat, tím dojde k opětovnému zisku statického tlaku, tj. vyšší statický tlak ale nižší dynamický tlak. (zdroj: Svenska inneklimatinstitutet & SINTEF)
| účinná délka | žádné potrubí | 25 % | 50 % | 75 % | 100 % |
| opětovně získaný statický tlak | 0 % | 50 % | 80 % | 90 % | 100 % |
Obr. č. 32: Příklad výstupu z ventilátoru s redukcí s uspokojivým přechodovým úhlem (< 30°) a s ohybem, který respektuje víření vzduchu a excentrickou redukci. (zdroj: Svenska inneklimatinstitutet & SINTEF)
Obr. č. 33: Vliv různého provedení výtlačného hrdla radiálního ventilátoru na účinnost (zdroj: Svenska inneklimatinstitutet & SINTEF)
Poznámky
14 Bezkartáčové stejnosměrné motory s trvale magnetickým rotorem (úplná zkratka BLDC), obvykle jsou známé jako „EC-motory“ (elektronicky komutované). Zpět
15 CEMEP = Committee of European Manufacturers of Electrical Machines and Power Electronics Zpět
16 NEMA = National Electrical Manufacturers Association Zpět
17 Tomu se říká opětovný zisk statického tlaku. Zpět
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.