RCC 114 juni LR cor

EFFECTIEF GEBRUIK
RCC Koude & luchtbehandeling
Door Ing. Heinz Jackman
Effectief gebruik
van energiebesparende
ventilatoren
Om het effectief gebruik van energiebesparende ventilatoren te kunnen beoordelen, moet eerst worden
uitgelegd wat energiebesparende ventilatoren zijn. Technische ontwikkelingen en voortschrijdend inzicht
verbeteren de efficiëntie van de elektromotor en de ventilatorschoepen. De omvang van die efficiëntieverbetering hangt af van de stand van de techniek waarmee deze wordt vergeleken. Het is niet alleen een
zaak van het toepassen van een EC-motor of een hightech schoep, maar ook van de keuze voor de beste
ventilator en de regeling hebben grote invloed op de energiekosten. Het ventilatortype en de werking ervan moeten worden geoptimaliseerd voordat er extra energiekosten kunnen worden bespaard met behulp
van een hightech motor en schoepoplossingen.
In de klimaat en koeltechniek worden axiaalventilatoren gebruikt voor
het realiseren van lage en gemiddelde drukken. Radiaalventilatoren
worden gebruikt voor hoge drukken.
Axiaalventilatoren voor grote
luchthoeveelheid en lage druk hebben lange schoepen en een kleine
naafdiameter. Als er een hogere
druk moet worden opgebouwd met
behulp van axiaalventilatoren, dan
zijn er ventilatorwaaiers met grotere
naafdiameters nodig. De aandrijfmotor is ofwel geïntegreerd in
de naaf van de waaier (motor met
externe rotor), of er worden standaardmotoren toegepast waarbij
de schoepen door middel van een
flensverbinding op de waaier zijn
gemonteerd. Radiaalventilatoren
worden zowel geïntegreerd in een
omkasting als met vrijdraaiende
rotoren geleverd. Een fundamenteel
onderscheid wordt gemaakt tussen rotoren met schoepen die naar
voren zijn gebogen voor het leveren
van grote luchthoeveelheid en matige druk, en rotoren met schoepen
die naar achteren zijn gebogen voor
het leveren van wisselende of hoge
druk. De rotoren rechtstreeks of
aangedreven of via V-snaren.
Ventilatoren met grote luchthoeveelheid en drukverschillen tussen
16
JUNI 2011 104 e JAARGANG
Figuur 1: Ventilatorschoep geluidsvermogen niveauvergelijking.
50 en 200 Pa worden vooral toegepast in de koeltechniek. Axiaalventilatoren met kleine tot middelgrote
naafdiameters en lange schoepen
zijn in het bijzonder geschikt voor
deze toepassing. Radiaalventilatoren worden alleen gebruikt voor
speciale toepassingen met luchtkanalen.
Schoep- en motorrendement
De belangrijkste parameters voor
het selecteren van een ventilator
zijn:
Oluchthoeveelheid (m³/h);
Ostatische drukverhoging
(Ps in Pa);
Ogeluiddrukniveau (dB (A));
Otemperatuur.
Mechanische, elektrische en stro-
mingsgerelateerde verliezen treden
in een ventilator op tijdens het
proces om een luchthoeveelheid te
leveren en druk op te bouwen. Deze
verliezen moeten worden geminimaliseerd om een hoge energieefficiëntie te realiseren. Eenvoudige
of waaiers hebben profielloze, metalen schoepen (efficiëntie circa 50
tot 60 procent). Geoptimaliseerde
waaiers hebben schoepen met profiel en een aangepaste instelhoek
(efficiëntie circa 60 tot 70 procent).
Waaiers van hoge kwaliteit hebben geprofileerde, sikkelvormige
schoepen om het geluidsniveau te
verlagen en de efficiëntie te optimaliseren (efficiëntie circa 70 tot 75
procent).
De meest recente ontwikkelingen
EFFECTIEF GEBRUIK
Koude & luchtbehandeling RCC
Grafiek 1: Overzicht van de ventilatoren voor toepassing in de luchtbehandeling en koeltechniek.
zijn die van de winglets aan het
eind van de schoepen om de efficiëntie te optimaliseren en door de
aangepaste randen om het geluidsniveau nog verder te reduceren (efficiëntie circa 75 tot 80 procent).
Het akoestische vermogen van
waaiers varieert op een soortgelijke
manier als de efficiëntie. Dat wil
zeggen dat de met geprofileerde
sikkelvormige schoepen uitgevoerde waaiers stiller zijn dan die met de
gewone schoepen zonder profiel.
Motorrendement
Verschillende soorten motoren
worden gebruikt om axiaalventilatoren aan te drijven, afhankelijk
van de grootte en het gebruik. De
belangrijkste soorten zijn: de spleetpoolmotor, de asynchrone motor
(AC-motor) en EC-motor.
De spleetpoolmotor is een eenvoudige, goedkope motor voor aandrijving van kleine ventilatoren met een
aandrijfvermogen tot ongeveer 30
W. Het efficiëntieniveau is ongeveer
15 tot 30 procent.
Een ventilator met een asynchrone
motor, als motor met externe rotor,
wordt veel in Europa in condensors
en standaard luchtkoelers gebruikt.
De motoren zijn geïntegreerd in de
naaf van de ventilator. Ze hebben
een gunstige aanloopkarakterestiek,
gunstig opstartgedrag, goede warmteafgifte over de ventilatorschoepen
Figuur 2: Ventilatormotor rendementsvergelijking
en de spanning daarvan kan worden
geregeld. De afmeting van de motor
wordt beperkt door de afmeting van
de ventilatornaaf.
Normale grootte: tot 3,6 kW; ventilatordiameter: tot 1000 mm.
Het rendement van de motor met
externe rotor als eenfasewisselstroommotor: circa 60 tot 70 procent. Het rendement van de motor
met externe rotor als driefasenmotor: circa 70 tot 80 procent.
De asynchrone motor die als aparte
motor in standaard uitvoering wordt
gebruikt voor axiaalventilatoren met
een separate waaier of bij V-snaar
aangedreven radiaal ventilatoren.
Grootte: ca. 0,5 tot 11 kW. Rendement: circa 70 tot 80 procent.
De EC-motor is een gelijkstroommotor met shuntkarakterestiek en
geïntegreerde elektronica. Inductieverliezen worden geminimaliseerd
door een permanente magneet in
de rotor, waardoor een hoog rendement wordt bereikt.
De geïntegreerde vermogenselektronica zet de driefasendraaistroom om
in gelijkstroom. Hierdoor kan de motor
worden aangesloten op en aangepast
aan de verschillende krachtstroom
aansluitingen. De geïntegreerde
regelingselektronica bevat motorbewaking en een toerenregelaar aangestuurd door de druk, temperatuur of
een standaardsignaal van 0-10V. Elke
EC-ventilator moet voor het installeren
worden geprogrammeerd of ingesteld
op de krachtstroomvoorziening en de
regeleigenschappen. Grootte: tot 5,5
kW. Efficiëntie: 84 tot 90 procent.
Statische en dynamische druk
Statische druk (Ps) = beschikbare druk.
Ook wel aangeduid als externe druk.
Deze druk is nodig voor de systeemgerelateerde drukverliezen, bijvoorbeeld
in de luchtkoelers en luchtkanalen.
Dynamische druk (Pd) = de druk van de
ventilatorgerelateerde stromingsverliezen. Om het luchtvolume te leveren,
moet de lucht op hoge snelheid door
104 e JAARGANG JUNI 2011
17
EFFECTIEF GEBRUIK
RCC Koude & luchtbehandeling
het ventilatorhuis via het loopwiel
stromen. Dit resulteert in ventilatorgerelateerde stromingsverliezen.
Deze stromingsverliezen zijn de
dynamische drukverliezen en moeten extra door de ventilator worden
geleverd.
Totale druk (Pt (Pt = Ps + Pd)) = het
totale drukverschil dat door een
ventilator moet worden geleverd. De
totale druk is de som van statische
en dynamische druk.
Voor de berekening van het benodigd elektrisch aandrijfvermogen
is het nodig om de totale druk Pt te
gebruiken. Om energie te besparen
is het daarom belangrijk om een
ventilator te kiezen met een groot
aandeel statische druk en zo weinig
mogelijk dynamische druk. Dit kan
worden bereikt door een ventilator
te selecteren met een grote diameter
en een lage luchtsnelheid.
Totaal rendement
De energie-efficiëntie van een
ventilator wordt weergegeven door
het totale rendement. Het totale
rendement omvat:
Ohet schoeprendement;
Ohet motorrendement;
Oen de stromingsverliezen (Ps / Pt
= statische druk / totale druk).
Voorbeeld van een niet geoptimaliseerd systeem:
Schoeprendement 0,7
Motorrendement 0,7
Figuur 3: Statische en dynamische druk.
Verhouding van de statische druk
ten opzichte van de totale druk 0,65,
die resulteert in een totaal rendement van 0,31. Dit systeem heeft een
nuttig ventilatierendement van 31%.
Voorbeeld van een technisch geoptimaliseerd systeem:
Schoeprendement 0,8
Motorrendement 0,9
Verhouding van de statische druk
ten opzichte van de totale druk 0,72
dat resulteert in een totaal rendement van 0,51.
Het nuttig ventilatorrendement van
het geoptimaliseerde systeem is 51%.
De energiebesparing ten opzichte
van systeem 1 is 40%.
Dit voorbeeld toont aan dat het niet
alleen de motor of de schoepen
cruciale invloed hebben op de
energie-efficiëntie, maar ook het
dynamische drukverlies van de
ventilator.
Het volgende is nodig om het efficiëntieniveau te optimaliseren:
Olaag dynamisch drukverlies
(grote ventilatordiameter en een
lage snelheid);
Ogoed schoepefficiëntieniveau
(geprofileerde schoepen, sikkelvormige uitvoering);
Ogoed motorefficiëntieniveau
(EC-motor of AC-motor voorzien van regelcombinatie voor
goed deellastbedrijf).
Aandrijfvermogen en
energiegebruik
Het vermogen van een ventilator is
gedefinieerd als:
P2 = aandrijfvermogen
P1 = energiegebruik van de motor
Voorbeeld: berekening voor een
ventilator met een motorrendement
van 70 procent.
Krachtverbruik ventilator met toerenregeling.
18
JUNI 2011 104 e JAARGANG
Het energiegebruik van de motor P1
is bepalend voor de berekening van
de gemaakte energiekosten.
EFFECTIEF GEBRUIK
Koude & luchtbehandeling RCC
Veel fabrikanten specificeren het
aandrijfvermogen P2 voor ventilatoren met een motor en schoepen,
en dat betekent een lager energiegebruik. P1 is echter bepalend voor
het energiegebruik en die is circa
30 procent hoger door de efficiëntieverliezen in de motor.
Alleen het totale energiegebruik van
de motoren van alle ventilatoren
(P1) wordt meegenomen wanneer de economische rentabiliteit
van ventilatoren in condensors of
drycoolers in overweging wordt
genomen.
Wanneer de economische rentabiliteit van ventilatoren in luchtkoelers
wordt overwogen, houd dan ook
rekening met het feit dat het totale
energiegebruik P1 in de te koelen
ruimte wordt afgegeven als warmte.
Deze koellast moet ook worden
verwijderd door het koelsysteem.
Dit resulteert in extra energiekosten
voor het koelsysteem, afhankelijk
van de COP-waarde.
Figuur 4: Definitie van het rendement.
Optimalisatie energiekosten
Diverse ventilatoren kunnen gebruikt worden om de luchthoeveelheid die nodig is bij lage tot medium druk te geven:
Variant 1:
Kleine diameter, hoge snelheid
Variant 2:
Grote diameter, lage snelheid
Variant 2 heeft in principe de voorkeur vanwege het lage dynamische
drukverlies.
Beide ventilatoren hebben dezelfde
volumestroom (luchthoeveelheid)
en dezelfde druk. In dit voorbeeld is
het energiegebruik van de ventilator
met de grote diameter en lage snelheid ongeveer 25 procent lager.
Opmerking: voor ventilatoren op
luchtkoelers is de luchtworp van
de ventilator ook een ontwerpcriterium. In zo’n geval is het niet altijd
nodig om ventilatoren met een
hoge snelheid te selecteren. Het is
mogelijk om energiegeoptimaliseerde ventilatoren met een lage
snelheid te gebruiken, die gebruik
maken van het Güntner Streamer
principe, en nog steeds een voldoende lange worp realiseren.
Variant 2 heeft in principe de voorkeur vanwege het lage dynamische drukverlies.
Energiekosten kunnen ook worden geoptimaliseerd door het verlagen van de snelheid met behulp
van een regelaar. Het verminderen van de snelheid vermindert
het aandrijfvermogen aanzienlijk.
Het aandrijfvermogen vermindert
drastisch in relatie tot de snelheid.
De snelheid van de ventilator
in condensors kan ’s nachts en
tijdens de wintermaanden worden
gereduceerd Bij luchtkoelers kan
de snelheid vaak in het weekend
en ’s nachts worden verlaagd, als er
niet teveel warme producten in het
koelhuis zijn opgeslagen.
104 e JAARGANG JUNI 2011
19
EFFECTIEF GEBRUIK
RCC Koude & luchtbehandeling
Vergelijking tussen verschillende systemen van toerenregeling
De snelheidsbeperking of verlaagd
toerental creëert verhoudingsgewijs
grotere warmteverliezen in de motor en ook extra verliezen door het
gebruik van de regeling. Het energiegebruik van de motoren tijdens
deellast wordt niet in dezelfde mate
verminderd als het aandrijfvermogen voor de ventilatorschoepen,
maar hangt af van het regelsysteem
dat wordt gebruikt.
De volgende systemen kunnen
worden gebruikt om de snelheid te
verminderen (zie tabel bovenaan):
Regelsystemen 1 tot en met 4 hebben betrekking op de regeling door
het veranderen van de spanning.
Bij regelsysteem 5 wordt de frequentie veranderd.
Bij regelsysteem 6 wordt de wisselstroom omgezet in gelijkstroom.
Houd er rekening mee dat niet alle
motoren geschikt zijn voor alle
soorten van toerenregeling.
Het diagram dat op pagina 18 (onderaan) staat toont het energiegebruik van de motoren met toerenregeling (hoeveelheidsregeling) en
met verschillende regelsystemen.
De grootste motorverliezen treden
op bij verlaging van het toerental
bij het gebruik van spanningsregeling met een fase aansnijding, met
spanningsregeling m.b.v. een transformator of met een ster-driehoek
schakeling. Minder verlies treedt
op met de frequentieomvormer
voorzien van sinusfilter, die ook
aanzienlijk efficiënter is in het reduceren bij lage toerentallen.
De kleinste motorverliezen en het
hoogste rendement bij toerenregeling worden bereikt met de ventilator met EC-motor.
Samenvatting
1. De meeste energie kan worden
bespaard door te kiezen voor
apparatuur, zoals condensors,
koelers en dry-coolers, met langzaam draaiende ventilatoren. De
meerkosten zijn vaak lager dan
die van de duurdere ventilatoren
20
JUNI 2011 104 e JAARGANG
Regelsysteem
Snelheid
1-Ster-driehoek schakeling
2-Dahlanderschakeling
3-Spanningsregeling met transformator
4-Spanningsregeling met faseaansnijding
5-Frequentieregeling met
frequentieomvormer en filter
6-Toerengeregelde EC-motoren
ca. 100/70%
ca. 100/50%
ca. 10 -100%
ca. 10 -100%
en regelsystemen en ze betalen
zichzelf binnen een korte tijd
terug door de besparing op energiekosten.
2. Het energiegebruik kan aanzienlijk worden verminderd door het
verlagen van de snelheid door de
verschillende regelsystemen. Het
energiegebruik van de ventilatoren kan worden geoptimaliseerd
met frequentieomvormers en
sinus filters of ventilatoren met
EC-motoren.
3. EC-ventilatoren hebben een
motorefficiëntie, die ongeveer 10
tot 15 procent hoger is en een efficiënt regelsysteem. EC-motoren
zijn technisch vergelijkbaar met
AC-motoren met sinusregeling,
maar hebben een geïntegreerde
regelaar en zijn er minder schakelkasten en bedrading nodig.
EC-ventilatoren zijn economisch
bij installaties met een klein
aantal ventilatoren. Elke ventilator kan worden gebruikt voor
verschillende spanningen, maar
dient vooraf te worden ingesteld
aan de parameters van de installatie.
4. Ventilatoren met ”owlet” schoepen (uilenvleugels met gekartelde
rand) of andere hightech schoepen zijn tot 15 procent efficiënter
en leveren de grootste energie-
ca. 10 -100%
ca. 10 -100%
besparing in het hoge toerentalgebied.
5. Het energiegebruik kan nog verder worden geoptimaliseerd met
behulp van ventilatoren met een
EC-motor en hightech schoepen.
Meer informatie:
Güntner AG & Co. KG
Hans-Güntner-Straße 2 - 6
82256 Fürstenfeldbruck
Duitsland
T: +49 8141 242-4895
F: +49 8141 242-477
E: [email protected]
I: www.guentner.de