Energieffektivitet. ... via regulerbare motorer med frekvensomformere. Energibesparelse ved FO-omdrejningsregulering

Transkript

1 ... via regulerbare motorer med frekvensomformere Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 08 I 2008 Som følge af de konstant stigende energipriser tvinges virksomheder oftere og oftere til at arbejde hen mod energi- og omkostningsbesparelser. Det kan undre, at diskussionerne på dette område hovedsageligt drejer sig om alternative energikilder og nye energibesparende teknologier, mens allerede eksisterende løsninger med mulighed for enorme besparelser skænkes relativt lille opmærksomhed. En gennemprøvet og omkostningsgunstig løsning er brugen af frekvensomformere (FO) til omdrejningsregulering i varme-, ventilations- og klimaanlæg (VVK). Kun få andre teknologier betaler sig som denne tilbage på mindre end et år. Samtidigt giver dette alternativ mange andre fordele via en forbedret regulering af VVK-systemet. Energibesparelse ved FO-omdrejningsregulering olumenstrømsgenererende anordninger som ventilatorer, pumper og kompressorer anvendes stadigvæk ofte uden omdrejningsregulering. I stedet kontrolleres gennemstrømningen på traditionel vis ved hjælp af neddrosling via, ventiler eller spjæld. Men når volumenstrømmen ikke reguleres via variable motoromdrejninger, kører motoren konstant med fuld hastighed. Da VVK-systemer imidlertid kun sjældent har brug for den maksimale gennemstrømning, spilder et system uden omdrejningsregulering betydelige mængder energi størstedelen af tiden. En FO-motorregulering giver mulighed for en energibesparelse på op til 70%. Fig. 1 forklarer det grundliggende princip.

2 Fig. 1: Energibesparelsesprincippet ved FO-omdrejningsregulering Hvad er en motor med variabel frekvens? Ved de fleste elektromotorer, der anvendes i VVK- og vandledningssystemer, drejer det sig om kortslutningsmotorer, også kendt som induktions- eller asynkronmotorer. Deres popularitet skyldes den relativt gunstige pris, lave vedligeholdelsesomkostninger og stor pålidelighed. Den eneste mulighed for at kontrollere motorens omdrejningstal ved disse modeller ligger imidlertid i at ændre indgangsstrømmens (vekselstrømmens) frekvens: Og her kommer FOprincippet ind i billedet. Frekvensomformere har mange betegnelser f.eks. inverter, Variable Speed Drives (VSD), Variable Frequency Drives (VFD), frekvensomsætter eller frekvensomformer. Alle disse betegnelser står for samme princip: En elektronisk anordning til trinløs omdrejningsregulering ved elektromotorer. Nutidens VFDsystemer byder dog på andre nyttige faciliteter som regulerings- og beskyttelsesfunktioner for andre komponenter i systemet. Affinitetslove Forholdet mellem variabler som tryk, gennemstrømningsmængde, akselomdrejning og strømforbrug kan udtrykkes ved hjælp af affinitetslove. Disse gælder både for radial- og aksialventilatorer og -pumper (se fig. 2) Volumenstrøm % Tryk % Optagen effekt % Hastighed % Hastighed % Hastighed % Fig. 2: Affinitetslovene beskriver forholdet mellem motorhastighed og andre størrelser.

3 Af disse love fremgår det, at volumenstrømmen stiger direkte proportionalt med omdrejningstallet, mens trykket forholder sig proportionalt til omdrejningstallet i anden potens. Det vigtigste punkt mht. energibesparelsen er, at strømforbruget er proportionalt med omdrejningstallet i tredje potens. Det betyder, at blot en minimal reduktion af omdrejningstallet kan resultere i store besparelser i strømforbruget. Det fremgår således af fig. 2, at 75% af gennemstrømningsmængden opnås ved 75% af omdrejningstallet, mens der kun kræves 42% af det strømforbrug, der ville være nødvendig for den fulde gennemstrømningsmængde. Hvis gennemstrømningen begrænses til 50%, reduceres strømforbruget således til 12,5%. Sammenligning af omdrejningsreguleringen med andre metoder til volumenstrømsregulering Andre typiske muligheder for volumenstrømsregulering er: Neddrosling ved hjælp af spjæld eller ventiler. Brug af indløbsspjæld i radialventilatorer til begrænsning af luftstrømmen i ventilatoren. Brug af viskose- eller hvirvelstrømskoblinger til regulering af drejningsmomentet mellem ventilator og motor. Tænd-/sluk-regulering. Vingestejlhedsindstilling ved aksialventilatorer: Ventilatorbladenes vinkel ændres for at regulere volumenstrømmen Spjældregulering Optagen effekt % BESPARELSE Ulempen ved disse traditionelle typer af gennemstrømningskontrol er, at ingen af dem har nogen direkte indvirkning på strømforbruget. Det findes muligheder for at reducere strømforbruget ved nogle af disse komponenter, men ingen af dem er så effektive mht. energibesparelse som brugen af en FOomdrejningsregulering, da motoren alligevel kører videre med fuld effekt. Tænd- /sluk-reguleringen forårsager desuden en høj mekanisk belastning og trykspidser på grund af de ekstra starter og stop og spidserne i strømforsyningen, når motoren startes uden FO. Omdrejningsregulering Volumenstrøm % Fig. 3: Sammenligning mellem Spjældregulering og omdrejningsregulering med 60% gennemstrømningsmængde

4 Belastningsprofil for et typisk VVK-system Et typisk system er konstrueret til spidsbelastningen, som sjældent er nødvendig under driften. Det betyder altså, at ventilatorer og pumper i en stor del af deres driftstid er overdimensioneret. Fig. 4 viser, at det normale arbejdspunkt for et VVK-system for det meste ligger under 100%-udnyttelsen. På basis af affinitetslovene ville der kunne opnås betydelige besparelser, hvis omdrejningstallet på drivmotoren til hhv. pumpe og ventilator kunne reguleres. Nedenstående figur viser også, at gennemstrømningsmængden i mere end 90% af driftstiden ligger under 70% % 10.00% 9.00% 8.00% Driftstid % 7.00% 6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 0.00% Gennemstrømning eller volumen % Fig. 4: Typisk belastningsprofil for et VVK-system Kilde: UK Department of Trade and Industry. Livscyklusomkostninger for hhv. ventilatorer og pumper Købsprisen er kun en lille del af de samlede livscyklusomkostninger for ventilatorer og pumper. Vedligeholdelse udgør en betydelig del af omkostningerne, den største post i driftsomkostningerne udgøres dog af energiforbruget. Fig. 5 viser de typiske livscyklusomkostninger for en pumpe. Her ses det tydeligt, at energibesparelser på op til 70% har betydelige indvirkninger på livscyklusomkostningerne. De typiske livscyklusomkostninger for ventilatorer ligner i øvrigt meget de her viste for pumper. Indkøb 5% Vedligeholdelse 5% Energiforbrug 90% Fig. 5: Typiske livscyklusomkostninger ved pumper. Kilde: Hydraulic Institute

5 Specialfunktioner til yderligere energibesparelse NX-serien fra CentraLine byder på funktioner, der optimerer energiforbruget for pumper og ventilatorer. Normalt arbejder FO-systemer på basis af et direkte proportionalt frekvens-spændings-forhold. Det betyder, at en forøgelse af motorens frekvens/omdrejningstal med 10% også giver en forøgelse af spændingen med 10%. FO erne i NX-serien fra CentraLine råder over en automatikfunktion, den såkaldte Flux-optimering, der kan optimere spændingsniveauet ved at tilpasse dette forhold. Denne funktion kan resultere i en yderligere energibesparelse på op til 5%. Desuden råder hele produktserien over muligheden for at slukke den interne køleventilator, når der ikke er behov for den. Det resulterer i endnu en lille energibesparelse og forlænger levetiden for den eneste bevægelige del i FO en. Fig. 6: CentraLine serie NX (fra venstre): NXL Compact, NXL HVAC og NXS. Energibesparelser i praksis Som allerede tidligere nævnt bør besparelserne ved brug af FO tages med i vurderingen af omkostninger og amortiseringsperiode. CentraLineberegningsprogrammerne for besparelsespotentialet for ventilatorer og pumper er en god hjælp ved vurderingen af Deres besparelsesmuligheder, når der skal investeres i FO er. Ved sammenligningen støtter beregningsprogrammerne sig på de velkendte traditionelle reguleringsprocesser som gennemstrømningsregulering ved hjælp af spjæld for ventilatorer eller ventiler og tænd-/sluk-reguleringer for pumper. Fig. 7 viser startbilledet for CentraLines besparelseskalkulator for ventilatorer.

6 Fig. 7: CentraLines besparelseskalkulator for ventilatormotorer Energibesparelser ved ventilatoranlæg Eksemplet viser besparelsesberegningen for en typisk 5,5 kw-radialventilator i et Ventilationsanlæg; her sammenlignes gennemstrømningsreguleringen ved hjælp af reguleringsspjæld med en omdrejningsregulering via CentraLine FO en. Til beregningen skal der i første omgang bruges følgende data: Data for den indstrømmende luftart: Ved et VVK-anlæg kan man her nøjes med standardværdierne, da det drejer sig om luftcirkulation. Data for ventilatoren: Nom. volumenstrøm og nom. trykstigning fremgår af ventilatorens datablad. Effektivitet: - Anvend om muligt reelle værdier; men ellers giver standardværdier gode skøn. - Den pågældende ventilator råder over en direkte kraftoverføring, overføringseffektiviteten ligger altså på 1. - CentraLine FO er har normalt en effektivitet på 0,98. Som energipris bør man indtaste den faktiske pris for at få en så præcis beregning som muligt. Driftstimerne pr. år skønnes altid. Denne beregning går ud fra en udnyttelse på 80% pr. år med typiske driftscykler for ventilationsanlæg. Ved omkostningsdifferencen i denne beregning drejer det sig om den skønnede difference for en FO og et reguleringsspjæld i denne størrelse.

7 Fig. 8: Beregning af energibesparelsen ved en 5,5 kw-ventilator med CentraLines besparelseskalkulator Beregningen giver et årligt besparelsespotentiale for energiomkostningerne på 992 Euro og en amortiseringsperiode på 0,65 år for investeringen i et FO-system. Omkostningsbesparelser ved små FO er i pumpeanlæg Efterfølgende ses en grov beregning til sammenligning af investeringsomkostningerne i et tilsluttet og FO-kontrolleret pumpesystem. Alternativ 1, direkte tilsluttet pumpe (DOL = Direct Online): Pumpe og motor (~3 kw) Installation Omkostninger i alt DOL: Energiforbrug over 15 år Forbrug med DOL Energiomkostn. med DOL (9 cent/kwh) 1000 Euro 1000 Euro 2000 Euro kwh Euro Alternativ 2, løsning med VFD: Pumpe og motor (~3 kw) VFD Installation Omkostninger i alt med VFD: Energiforbrug over 15 år (ved skønnet energibesparelse på 30%) Forbrug med VFD: Energiomkostn. med VFD (9 cent/kwh) 1000 Euro 800 Euro 1200 Euro 3000 Euro kwh Euro

8 Energibesparelse over 15 år: Energiomkostningsbesparelse over 15 år: Energiomkostningsbesparelse for 1 år: kwh Euro 709 Euro Sammenfatning Brugen af frekvensomformere til omdrejningsregulering af pumper, ventilatorer og kompressorer er ikke en ny ide. De nye teknologier på dette område gør imidlertid dette alternativ mere attraktiv på grund af de lavere omkostninger. Brugen af elektromotorer med variabel omdrejningsregulering i VVK-systemer giver et stort energibesparelsespotentiale. Denne teknologi er derfor i stand til at yde et væsentligt bidrag til opfyldelse af lokale og internationale aftaler og normer inden for energibesparelsespolitikken og sænkningen af CO2- udledningen. Forfatter: Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH Se flere detaljer og relaterede artikler om energibesparelser på Centralines hjemmeside eller kontakt os direkte. CentraLine Honeywell A/S Strandvejen Hellerup Tel