Gdzie szukać oszczędności w aplikacjach HVAC?

Proste i niewymagające inwestycje z silnikami elektrycznymi stanowią blisko 70% rynku, wliczając także HVAC. Niestety, w dalszym ciągu w aplikacjach wentylatorowych, pompowych i kompresorowych wykorzystuje się bezpośrednie połączenie napędu do źródła zasilania i/lub mechaniczne ograniczenia (np. przepustnice). Sprawia to, że silniki takich obiektów w swoich godzinach pracy działają na 100% mocy, pobierając z sieci elektrycznej maksimum  możliwego prądu. Dlatego instalacje HVAC posiadają olbrzymi potencjał do zaoszczędzenia zużycia energii, a tym samym zmniejszenia rachunków.

Zanim przedstawię jedno z takich rozwiązań potrzebne są podstawy, czyli …

… to, jak skorelowana jest prędkość obrotowa do mocy w aplikacjach HVAC?

HVAC to nic innego jak pompy, wentylatory, czyli aplikacje z obciążeniem zmienno-momentowym. Ten rodzaj obciążenia charakteryzuje się tym, że moment jest zmienny w czasie.

Rys. 1. Wykres zmienności momentu w zależności od częstotliwości

W przypadku np. wentylatorów i zrozumienia jak działa pobór energii elektrycznej w ich wypadku, należy zapoznać się z dwoma zależnościami:

1. Wydajność wentylatora jest proporcjonalna do prędkości silnika elektrycznego.

Wydajność [m³/min] ~ prędkość obrotowa [Hz]

2. Wytwarzane ciśnienie statyczne przez wentylator jest wprost proporcjonalne do kwadratu prędkości jego silnika.

Ciśnienie [Pa] ~ (prędkość obrotowa)² [Hz]

Jeśli sprawdzimy wzór na moc napędową wentylatora w najprostszej postaci, zobaczymy, że jest ona powiązana z prędkością obrotową podniesioną do 3 potęgi:

Moc = Wydajność X Ciśnienie ~ (Prędkość obrotowa)³

Jeśli moc pompy czy wentylatora jest tak silne powiązana z jego prędkością, to nawet minimalne jej zmniejszenie pozwoli na oszczędzenie energii elektrycznej. Na rynku automatyki przemysłowej jest jedno urządzenie, które w prosty sposób jest w stanie kontrolować prędkość pracy silnika. To rozwiązanie to przemiennik częstotliwości.

Przemienniki częstotliwości w HVAC

Urządzenia te, potocznie nazywane falownikami, potrafią płynnie sterować asynchronicznymi silnikami elektrycznymi, gdzie zadawanie tej prędkości może odbywać się na kilka sposobów. W przypadku wentylacji może być to np. wbudowany regulator PID, który na podstawie odczytów z czujnika przyspiesza lub zwalnia pracą wentylatora. Do tego - bez ingerencji operatora.

W przypadku instalacji HVAC mamy do czynienia ze wcześniej wspomnianym obciążeniem zmienno-momentowym. W takim przypadku idealnie sprawdza się sterowanie skalarne (U/f = const., czyli urządzenie utrzymuje stałą proporcję napięcia do częstotliwości), ponieważ jego charakterystyka jest najbardziej zbliżona do wykresu momentu urządzeń HVAC. Występuje najczęściej w dwóch wersjach: liniowej oraz kwadratowej.

Rys. 2. Charakterystyka sterowania skalarnego w przemiennikach częstotliwości [źródło]

Na szczęście wszystkich instalatorów wentylatorów i pomp, przemienniki ze sterowaniem skalarnym należą do najtańszych tego typu urządzeń. Dzięki temu koszty modernizacji czy budowy instalacji HVAC nie wzrosną zbytnio przy dołączeniu do nich falowników.

Dedykowane rozwiązania dla branży HVAC

Najprostszy, najmniejszy przemiennik częstotliwości Elmatic EL1000 do aplikacji wentylatorowych. Ceny już od 408 zł netto.

Wzmocniona, kompaktowa obudowa z IP65 – Elmatic model EDS do aplikacji pompowych pracujących w wymagających warunkach. Ceny już od 700 zł netto.

 

Poznaj bliżej rozwiązania na dedykowanej stronie marki Elmatic [link].

Ile realnie możemy zaoszczędzić?

Jako pierwsze rozpatrzymy to, ile zapłacimy za pracę wentylatora 2200W (2,2kW), który działa w ciągu dnia przez 4h zawsze na pełnej mocy, z częstotliwością znamionową równą 50Hz. Cenę za 1kWh przyjmijmy jako 0,8 zł.

2200W * 4h / 1000 = 8,8 kWh
8,8 kWh * 0,8zł = 7,04 zł

Miesięcznie wentylator wyciągowy pracuje średnio 21 dni, więc koszt miesięczny to:

21 dni * 7,04 zł = 147,84 zł

Rocznie będzie wyglądać to tak:

12 * 147,84 zł = 1 774,08 zł

Teraz do tego samego wentylatora 2200W podłączyliśmy przemiennik częstotliwości z zaimplementowanym regulatorem PID, który w połączeniu z czujnikiem zachował odpowiednie warunki w pomieszczeniu. Również on działał 4h dziennie, ale okazało się, że średnia częstotliwość pracy w ciągu dnia wynosiła 40Hz ( czyli ograniczyliśmy prędkość o 20%). Moc silnika przy tej średniej prędkości spadła do ok. 1126W, a można to obliczyć z następującej zależności:

Moc silnika z falownikiem = (40 Hz / 50 Hz)³ * 2200W = 1 126,4 W

Więc teraz dzienny koszt pracy będzie wynosił:

1 126,4W * 4h / 1000 = 4,5056 kWh
4,5056 kWh * 0,8zł = 3,60448 zł ≈ 3,60 zł

Miesięcznie to:

21 dni * 3,60 zł = 75,60 zł

A koszty roczne:

12 miesięcy * 75,60 zł = 907,20 zł

Oszczędność w ciągu roku na tylko jednym wentylatorze, którego prędkość obniżyliśmy o 20%, w rozpatrywanym przypadku to 866,88 zł. Ta kwota stanowi blisko 50% kosztu przy pracy wentylatora bez falownika.  

Podsumowanie

Instalacje HVAC bardzo często pracują 24h na dobę, a nie jak w przypadku wspomnianego wentylatora – 4h. Tym samym generują znacznie większe koszty utrzymania. Modernizacja wentylacji czy pompowni zakładająca użycie proste i taniego przemiennika częstotliwości znacznie wpłynie na zmniejszenie rachunków za prąd. Przy takim założeniu modernizacje większych obiektów mogą się zwrócić nawet w ciągu kilku miesięcy, by następnie zarabiać na siebie.

A oszczędność to tylko jedna z możliwości, jakie dostarczają nam przemienniki częstotliwości. Więcej o ich funkcjonalnościach dostępnych jest na stronie link.