Wentylatory w urządzeniach HVACR – rozwiązania i kierunki rozwoju

Rozwój wentylatorów od kilku lat nieodmiennie warunkują zapisy dwóch europejskich aktów prawnych – tzw. ekoprojektu (dyrektywy unijnej, która reguluje projektowanie produktów w zakresie ich wpływu na środowisko) [4] oraz rozporządzenia do tej dyrektywy, odnoszącego się szczegółowo właśnie do wentylatorów [5]. Od 2015 roku urządzenia wprowadzane na rynek wspólnotowy muszą się cechować sprawnością minimalną będącą funkcją mocy wentylatora. Dla renomowanych producentów wymagania te są nie tyle szczytem możliwości, co podstawą do tworzenia bardziej zaawansowanych rozwiązań, przeznaczonych nie tylko do nowych instalacji, ale też do łatwej wymiany urządzeń w instalacjach istniejących.

Silniki EC dla energooszczędności

Podstawą spełnienia wymogów dotyczących energooszczędności jest stosowanie odpowiednich silników. Od 2017 roku wszystkie silniki o mocach od 0,75 do 375 kW muszą mieć klasę sprawności energetycznej IE3 (Premium Efficiency) albo – jeśli są wyposażone w bezstopniowy regulator prędkości (np. falownik) – klasę IE2 (High Efficiency) [6]. Od ponad 15 lat nie wymyślono jeszcze rozwiązania mającego większy wpływ na efektywność energetyczną urządzenia elektrycznego niż silnik elektronicznie komutowany (EC) z napędem bezpośrednim. Rozwiązanie to daje możliwość sterowania prędkością obrotową wentylatora, przy jednoczesnej wysokiej sprawności i utrzymywaniu optymalnego punktu pracy. Dzięki tej precyzyjnej, bezstopniowej regulacji pozwalają one na obniżenie zużycia energii o 40–60% w porównaniu do swoich odpowiedników AC, zapewniając jednocześnie większą sprawność. Nic dziwnego, że większość producentów rozszerza swoje portfolio urządzeń z silnikami EC.

Konstrukcja wirnika wentylatora

Drugim aspektem poprawy efektywności wentylatorów jest ulepszanie ich charakterystyki aerodynamicznej. Jak pokazują doświadczenia firmy FläktGroup, poprawa tej charakterystyki pozwala zmniejszyć zużycie energii nawet o 24% (średnio 17%), przyczyniając się do większej sprawności wentylatora, sięgającej 82%. Jest to obszar związany przede wszystkim z konstrukcją wirnika, m.in. obniżaniem jego oporów przepływu i tworzeniem optymalnych warunków przepływu powietrza przez stosowanie odpowiednich materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych.

Największe pole manewru daje optymalizacja konstrukcji, liczby i geometrii łopatek wentylatora. Przykładowo stosowanie płyty zaciskowej pozwala dopasować kąt nachylenia łopatek do wymaganego punktu pracy, dzięki czemu wentylator jest dostosowany do rzeczywistych warunków montażowych i jego potencjał jest w pełni wykorzystany. W procesie doskonalenia urządzeń zdarza się też tak, że zmiany konstrukcyjne wpływają na wiele aspektów pracy wentylatora, choć punktem wyjścia był pojedynczy wymóg, np. poprawa odporności mechanicznej związanej z warunkami pracy danego urządzenia. Przykładowo wentylatory w parownikach w obiegach chłodniczych muszą często pokonać duże opory przepływu wynikające ze szronienia wymiennika i zatykania kanałów powietrznych.

Świeża – z marca 2020 r. – nowinka to wentylator osiowy AxiEco Protect od ebm-papst dostępny w wersji AC i EC w średnicach 300, 350, 400, 450 i 500, który łączy dużą stabilność w warunkach wysokiego ciśnienia i wysoką sprawność.

Charakterystyki urządzeń z tego typoszeregu są bardziej strome niż dla porównywalnych klasycznych wentylatorów osiowych. Wynika to z nietypowego rozwiązania konstrukcyjnego – krawędzie łopatek przechodzą bezpośrednio w zintegrowany pierścień dyfuzora – między dyszą a wirnikiem nie ma przerwy. Połączenie wirnika, pierścienia dyfuzora i piasty w jednym kompaktowym urządzeniu zapobiega napływowi na krawędzie łopatek, co przyczynia się do zwiększenia sprawności urządzenia i ograniczenia powstającego hałasu. Podobnie jest z zadaniami pierścienia dyfuzyjnego – zwiększając ciśnienie, ogranicza zarówno stratę na wyjściu, jak i hałas. Natomiast wydłużenie czasu między cyklami odmrażania parownika zwiększa żywotność urządzenia, poprawia jego ogólną sprawność i podnosi efektywność energetyczną.

Nowe wentylatory dla istniejących instalacji

Efektywność energetyczną w kontekście urządzeń HVACR należy rozpatrywać jednak nie tylko przez pryzmat instalacji nowych, spełniających zarówno wymagania prawne, jak i oczekiwania inwestora czy użytkownika. Ogromne pole do działania dają instalacje istniejące. Często są one oparte na solidnych urządzeniach, jednak jak na obecne rozwiązania techniczne dość wiekowych i odstających od współczesnych wymagań w zakresie regulacji, adaptacji do bieżących warunków pracy i energooszczędności. Właściciele obiektów z takimi instalacjami niejednokrotnie, często w wyniku audytu energetycznego swojego obiektu, poszukują rozwiązań, dzięki którym będzie można w prosty, stosunkowo szybki i relatywnie tani sposób zmodernizować istniejące wyposażenie techniczne budynku. Szwedzka firma wykonawcza Mälarenergi Energy Services, specjalizująca się w modernizacjach instalacji pod kątem oszczędności energii, ocenia na podstawie własnych doświadczeń, że dzięki modernizacji instalacji wentylacyjnej klienci zużywają średnio o 25–30% energii mniej, a rekordziści nawet o 50–60% [1].

Jeśli w instalacji wentylacyjno-klimatyzacyjnej, szczególnie obiektu użyteczności publicznej, pracują duże wentylatory promieniowe starego typu lub wielkogabarytowe centrale wentylacyjne, ciekawym i skutecznym rozwiązaniem mogą być tzw. ściany wentylatorowe. Są to modułowe konstrukcje złożone z jednakowych wentylatorów połączonych równolegle, fabrycznie przygotowane do różnych rozwiązań montażowych. Z punktu widzenia inwestora często ważny jest właśnie sposób wymiany rozwiązania. W istniejącej centrali wentylacyjnej, jak wskazuje firma Rosenberg [2], konieczne może być wymontowanie całej sekcji wentylacyjnej, ale ponowne zamontowanie w niej dużego wentylatora może się okazać utrudnione.

Modułowa konstrukcja ściany wentylatorów pasuje do przekroju poprzecznego centrali, a wentylatory w odpowiednich obudowach łatwo łączy się ze sobą w pionie i poziomie. Trywialnym, ale z praktycznego punktu widzenia ważnym zagadnieniem jest fakt, że moduł zmieści się w standardowych drzwiach. Dwie osoby są w stanie w ciągu jednego dnia (co oznacza bardzo krótki przestój) zamontować urządzenia bezpośrednio w obiekcie.

Zastosowane w ścianach wentylatorów urządzenia to zwykle rozwiązania z najwyższej półki pod względem efektywności energetycznej czy akustyki. Przykładowo rozwiązanie MXFG z oferty ebm-papst to wentylator o mocy od 2,95 do 5,7 kW z elektronicznie komutowanym (EC) napędem bezpośrednim i kratką wlotową FlowGrid zapewniającą wysokie parametry akustyczne. Urządzenie może być sterowane przez sygnał 0–10 V DC oraz protokół Modbus.

Szwedzka Bombardier Arena (zaprojektowana i wybudowana pod koniec lat 80. ubiegłego stulecia) wyposażona była w dwa duże wentylatory – nawiewny i wywiewny. Zasadniczym problemem związanym z tymi urządzeniami był brak automatycznej regulacji i sterowania, a tym samym niemożność automatycznej pracy z obciążeniem częściowym. Przykładowo na weekendowe koncerty wentylację należało ustawić ręcznie w piątek, a ponownie zredukować w poniedziałek, kiedy obsługa obiektu wracała do pracy. Chcąc ograniczyć zużycie energii, właściciel obiektu przeprowadził audyt energetyczny i w jego wyniku zdecydował się na wymianę wentylatorów. Każdy z nich został zastąpiony przez ścianę wentylatorów, liczącą po 16 urządzeń o mocy 5,7 kW z typoszeregu MXFG [1].

Do przewag ściany wentylatorów nad klasycznym systemem z jednym dużym urządzeniem zaliczyć można m.in.:

• duży przepływ przy małym hałasie i poborze energii – jest to efekt pracy równoległej kilku–kilkunastu urządzeń. W modernizowanym budynku biurowym w Szwecji moc wentylatorów zwiększono dwukrotnie (jeden duży wentylator 11 kW zastąpiono ścianą czterech wentylatorów po 5,5 kW każdy), co pozostało praktycznie bez wpływu na zużycie energii i poziom hałasu. W centrum badawczym Kemicentrum (Szwecja), gdzie rozważano różne sposoby modernizacji dużego wentylatora, sama wymiana silnika w istniejącym urządzeniu nie przyniosłaby szczególnych oszczędności pod względem zużycia energii [1];
• lepsze i bardziej równomierne rozprowadzanie powietrza w centrali wentylacyjnej (w tym do sekcji filtracyjnej czy chłodnic), w całym przekroju urządzenia;
• sterowalność i możliwość dostosowania warunków pracy do częściowego obciążenia danej instalacji – silniki EC mają wejścia Modbus, a określone grupy wentylatorów (np. każde sześć sztuk) są podłączane do wspólnej szafki sterowniczej. Łatwo dostosować pracę ściany wentylatorów do zmieniającego się w ciągu dnia zapotrzebowania na powietrze wentylacyjne, po prostu uruchamiając czy zatrzymując konkretną liczbę urządzeń. Tzw. miękki start silników EC sprawia, że włączanie i wyłączanie nie obniża ich żywotności;
• „naturalna” redundancja (możliwość łatwej kompensacji w przypadku awarii). Awaria pojedynczego dużego wentylatora – szczególnie w przypadku obiektu, w którym zatrzymanie pracy wentylacji może mieć katastrofalne skutki (np. centra danych, szpitale, zakłady przemysłu spożywczego lub chemicznego czy laboratoria badawcze) – jest na tyle problematyczna, że w obiektach takich zwykle obowiązuje redundancja, najczęściej realizowana przez obecność drugiego, zapasowego systemu wentylacyjnego. Inwestorzy jednak chętnie poszukują dla niego alternatywy przy okazji modernizacji systemu, do którego ma być dodana funkcja redundancji. W przypadku ściany wentylatorów czasowe wyłączenie pojedynczego urządzenia może zostać skompensowane przez czasowe zwiększenie prędkości obrotowej pozostałych.

Poprawa energooszczędności systemów wentylacyjnych jest częstą, ale nie jedyną motywacją do wymiany istniejących wentylatorów. Jeśli zmienia się przeznaczenie lub sposób użytkowania budynku, inwestor może stanąć przed koniecznością modernizacji, by spełnione zostało aktualne zapotrzebowanie na ilość powietrza, co wiąże się np. z komfortem pracy w biurach. Dąży wówczas do tego, by przy realizacji parametrów komfortu nie zwiększać w znaczący sposób zużycia energii i hałasu pochodzącego od urządzeń wentylacyjnych.

Instalacja modernizowana może być cicha i nadal energooszczędna

Modernizacja instalacji wentylacyjnej wiąże się z wymaganiami dotyczącymi parametrów akustycznych. W niektórych obiektach – np. biurach i szpitalach – obserwuje się zjawisko uciążliwości akustycznej dźwięków o niskiej częstotliwości, pochodzących od urządzeń wentylacyjnych. Choć pod względem wymagań prawnych poziom dźwięku będzie się mieścił w zakresie dopuszczalnych wartości, może być uciążliwy. Dlatego modernizacja instalacji wentylacyjnej powinna się wiązać z zastosowaniem wentylatorów, które są ciche dzięki swoim rozwiązaniom konstrukcyjnym, umożliwiając rozproszenie i uspokojenie wirów powstających przy turbulentnym przepływie powietrza i powodujących hałas podczas napływu na wlot wentylatora, szczególnie w kontakcie z łopatkami. Przykładem takiego rozwiązania zintegrowanego z wentylatorem jest kompozytowa kratka FlowGrid stosowana na wlocie powietrza w wentylatorach osiowych i odśrodkowych.

Zastosowanie fabrycznie wyciszonych wentylatorów przy modernizacji może wręcz umożliwić usunięcie tłumików z instalacji wentylacyjnej – nie tylko nie pogorszy to parametrów akustycznych, ale i poprawi efektywność energetyczną poprzez obniżenie oporów przepływu całej instalacji. Rozwiązanie takie zastosowano w szwedzkim kompleksie biurowym Solna Business Park – wymieniono urządzenie wentylacyjne, z wentylatora na czteroelementową ścianę wentylacyjną, zwiększając moc dwukrotnie (do 22 kW). Usunięcie tłumików z instalacji zmniejszyło spadki ciśnienia, ale nie pogorszyło parametrów akustycznych.

O skuteczności podobnego działania przekonano się także m.in. w szpitalu uniwersyteckim w szwedzkim Linköping. W jednym z bloków szpitala wymieniono stary wentylator z napędem pasowym na nowoczesny wentylator do wymiany bezpośredniej. Nowe urządzenie, z silnikiem EC i wyważonym, stabilnym (lecz lekkim) wirnikiem AirFoil i zamontowanymi tłumikami, wprowadzono na zasadzie 1:1 – bez większej ingerencji w samą instalację. Jeden z inżynierów po stronie wykonawcy zaproponował jeszcze usunięcie części tłumików z instalacji przewodowej i zwiększenie odległości między pozostałymi. Przyniosło to zwiększenie oszczędności energii o dalsze 14% (sama wymiana wentylatora dała ok. 40% oszczędności), bez szkody dla parametrów akustycznych instalacji.

Literatura

1. ebm-papst, Ventilation Retrofit. Product range and reference cases.
2. Rosenberg, ECFanGrid. References.
3. Materiały firm: ebm-papst, FläktGroup, Nicotra, Rosenberg, Ziehl-Abegg.
4. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2009/125/WE z dnia 21 października 2009 r. ustanawiająca ogólne zasady ustalania wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów związanych z energią (Dz.Urz. UE L 285/10).
5. Rozporządzenie Komisji (UE) nr 327/2011 z dnia 30 marca 2011 r. w sprawie wykonania dyrektywy PE i Rady 2009/125/WE w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla wentylatorów napędzanych silnikiem elektrycznym o poborze mocy od 125 W do 500 kW (Dz.Urz. UE L 90/8).
6. Rozporządzenie Komisji (WE) nr 640/2009 z dnia 22 lipca 2009 r. w sprawie wykonania dyrektywy 2005/32/WE PE i Rady w odniesieniu do wymogów dotyczących ekoprojektu dla silników elektrycznych (Dz.Urz. UE L 191/26).