Wprowadzenie

Wybór i regulacja zespołu wentylatorowego to kluczowe zagadnienie w projektowaniu i eksploatacji systemów wentylacyjnych. Bywają sytuacje, że oczekujemy od centrali wentylacyjnej bardzo dużej elastyczności i zapewnienia bardzo dużego zakresu wydajności.

Standardowo centrale wentylacyjną dobiera się na wydajność obliczeniową. Standardowa automatyka takiej centrali posiada wówczas zazwyczaj zaprogramowane 3 biegi:

1 bieg: wydajność X

2 bieg: wydajność 0,75 X

3 bieg: wydajność 0,5 X

Bywają jednak sytuacje że chcemy, aby centrala wentylacyjna umożliwiała okresowo pracę z wydajnością 2 X. Wówczas oczywiście możemy od razu jako wydajność obliczeniową przyjąć 2 X, jednak co wówczas ze sterowaniem w dół?

Jak dobrać zespół wentylatorowy, aby zapewnić wysoką sprawność w pełnym zakresie pracy i uniknąć nadmiernych strat energetycznych?
Jakie są granice elastyczności regulacji i jakie metody sterowania zapewniają największą efektywność? Odpowiedzi znajdziesz w tym artykule.

Granice elastyczności wydajności wentylatora

Każdy wentylator posiada zakres pracy, w którym funkcjonuje stabilnie i efektywnie. Poza tym zakresem sprawność szybko spada, co prowadzi do wzrostu zużycia energii i problemów eksploatacyjnych, takich jak hałas, drgania czy przeciążenia silnika.

Typowy zakres regulacji wydajności wentylatora:
– Wentylatory osiowe: 30–100%
– Wentylatory promieniowe: 20–100%

Przy zbyt niskich wydajnościach pojawia się tzw. pompaż – czyli niestabilna praca prowadząca do pulsacji przepływu i zwiększenia poziomu hałasu.

Przy bardzo niskiej wydajności mogą być również problemy z przegrzewaniem się silnika wentylatora, gdyż bardzo niski przepływ nie będzie w stanie efektywnie odbierać ciepła od silnika.

Metody regulacji wydajności wentylatora

  • Regulacja prędkości obrotowej za pomocą falownika

Jest to najbardziej efektywna metoda regulacji. Zmniejszając prędkość obrotową silnika, proporcjonalnie zmniejsza się wydajność i zużycie energii.

  • Silniki EC

Silniki EC (elektronicznie komutowane_ to nowoczesne rozwiązanie umożliwiające precyzyjną regulację prędkości obrotowej wentylatora.

  • Regulacja kąta łopatek wirnika (dla wentylatorów osiowych)

Niektóre wentylatory osiowe pozwalają na zmianę kąta nachylenia łopatek wirnika. Pozwala to na regulację wydajności i ciśnienia bez zmiany prędkości obrotowej.

  • Dławienie przepływu powietrza (przepustnice, zasuwy)

Prosta, ale nieefektywna metoda. Dławienie zwiększa straty ciśnienia i zużycie energii.

W przypadku zespołów wentylatorowych central wentylacyjnych stosuje się regulację wydajności przy pomocy falowników, lub w mniejszych napędach – za pomocą silników EC.

Jak dobrać elastyczny zespół wentylatorowy?

Aby wentylator działał efektywnie w zakresie 15-100% wydajności, należy przestrzegać następujących zasad:
– Wybór odpowiedniego typu wentylatora – wentylatory promieniowe z łopatkami pochylonymi do tyłu oferują lepszą sprawność.
– Optymalizacja punktu pracy – dobór wentylatora pracującego w okolicach maksymalnej sprawności.
– Wybór metody regulacji – falowniki i silniki EC są najlepszym rozwiązaniem.
– Wybór odpowiedniej prędkości obrotowej i częstotliwości – należy uwzględnić konkretny przypadek i przeanalizować przewidywane algorytmy pracy aby uwzględnić uwarunkowania konkretnej sytuacji, obiektu i instalacji.

Case Study: Analiza rzeczywistego zespołu wentylatorowego

Aby przyjrzeć się elastyczności zespołów wentylatorowych omówimy 2 przypadki na przykładzie prostej centrali nawiewnej wielkości S200. W pierwszym przypadku zastosujemy podwójny zespół wentylatorowy z silnikiem AC i falownikiem, a w drugi przypadku z silnikiem EC.

Zespoły wentylatorowe dobierzemy tak, aby osiągnąć jak największy zakres wydajności.

Założenia:

Omawiana centrala statystycznie przez ok. 80% czasu będzie pracowała na wydajności 12 000 m3/h, oraz ok. 10% czasu wydajność będzie zwiększona do 24 000 m3/h, a przez pozostałe 10% czasu centrala będzie pracowała z minimalną, dyżurną wydajnością ok. 5 000 m3/h.

Przypadek 1 – zespół wentylatorowy z silnikiem AC i przemiennikiem częstotliwości (falownikiem)

Wykresy zależności wydajności od innych parametrów:

– Sprawność w funkcji wydajności,
– Pobór mocy w funkcji wydajności
– Częstotliwość falownika w funkcji wydajności
– Obroty wentylatora w funkcji wydajności

Powyższe charakterystyki wskazują, że wentylator został dobrany idealnie do opisanych warunków pracy

Zespół wentylatorowy w punkcie pracy ok 12 000 m3/h, a więc dla wydajności przy której będzie pracował ok. 80% całkowitego czasu pracy zapewnia najwyższą sprawność. Jednocześnie jednak zapewnia on osiągnięcie wydajności ponad 2- krotnie wyższej (24 500 m3/h), oraz ponad 2-krotnie niższej (4 000 m3/h). Sprawności w punktach sporadycznej pracy są oczywiście znacznie niższe niż punkcie podstawowym, jednak z uwagi na rzadką pracę na takich parametrach są to sprawności akceptowalne.

Przypadek 2 – zespół wentylatorowy z silnikiem EC

Wykresy zależności wydajności w funkcji sprawności, poboru mocy, napięcia wysterowania (punkt pracy) oraz obrotó wentylatora.

Na powyższym przykładzie widać, że zespół wentylatorowy z silnikiem EC ma znacznie wyższą sprawność niż wentylator z falownikiem i sprawność ta, szczególnie w zakresie wydajności zbliżonych do maksymalnych jest na wysokim stabilnym poziomie. Elastyczność tego rozwiązania jest również większa, gdyż zespół wentylatorowy może osiągnąć 27 000 m3/h. W dolnych granicach wydajności spadek sprawności jest bardzo duży a także podobnie jak w przypadku układów z falownikami mogą występować problemy z odebraniem ciepła i precyzyjnym wysterowaniem, gdyż w dolnym zakresie niewielkim zmianom napięcia sterującego towarzyszą znaczne zmiany wydajności.

Jednakże dla omawianego przypadku cena centrali nawiewnej z podwójnym zespołem wentylatorowym i silnikiem EC jest aż ok 40% wyższa niż w przypadku analogicznej centrali z zespołami wentylatorowymi z zainstalowanymi silnikami AC i falownikami.

Należy się jednak spodziewać, że podobnie jak ww przypadku niewielkich napędów do 1,5 kW, gdzie różnica w cenie jest już prawie niezauważalna, także ceny większych napędów będą spadać w następnych latach, co przełoży się na powszechniejsze zastosowanie tych rozwiązań.

Podsumowanie

Elastyczność wydajności zespołu wentylatorowego jest kluczowym elementem zapewnienia energooszczędnej i efektywnej pracy systemu wentylacyjnego. Odpowiednie dobranie zakresu regulacji oraz metod sterowania pozwala na optymalne dostosowanie wydajności do aktualnych potrzeb procesu technologicznego.

W artykule przedstawiliśmy różne metody regulacji wydajności, z których najlepsze pod względem efektywności i elastyczności to:

  • Falowniki – umożliwiają płynną regulację wydajności przy minimalnych stratach energetycznych,
  • Silniki EC – zapewniają bardzo wysoką sprawność i dynamiczne dopasowanie do zmiennych warunków, jednakże ceny, szczególnie średnich i większych napędów jest wciąż bardzo wysoka.
  • Optymalny dobór wentylatora – dostosowany do wymagań instalacji, tak aby zapewnić możliwie najwyższą sprawność w całym zakresie pracy.

Elastyczność w zakresie 15-100% wydajności jest możliwa do osiągnięcia, ale wymaga precyzyjnej analizy zarówno charakterystyki pracy wentylatora, jak i warunków instalacyjnych. Właściwie dobrana strategia regulacji pozwala na redukcję zużycia energii, wydłużenie żywotności urządzenia i stabilne działanie całego systemu.

Podsumowując, kluczem do efektywnego zarządzania wydajnością wentylatora jest znalezienie kompromisu pomiędzy maksymalną sprawnością w najbardziej typowym zakresie pracy a możliwością elastycznej regulacji w szerszym zakresie wymaganym przez dany proces technologiczny.