Energieffektivitet. ... med varvtalsreglerade drivanordning med frekvensomformare

Transkript

1 Energieffektivitet... med varvtalsreglerade drivanordning med frekvensomformare Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 08 I 2008 På grund av ständigt stigande energipriser är företagen allt oftare tvungna se sig om efter lösningar för energi- och kostnadsbesparingar. Det är förvånande att aktuella diskussioner kring detta tema mest handlar om alternativa energikällor och ny energisnål teknik, medan befintliga tekniska lösningar som erbjuder enorma besparingsmöjligheter får relativ lite uppmärksamhet. En välbeprövad och prisvärd lösning utgör användningen av frekvensomformare (FO) för varvtalsreglering till värme, ventilation och luftklimat. Endast ett fåtal andra tekniska lösningar, vid sidan av denna lösning, betalar sig redan inom ett år. Samtidigt erbjuder detta alternativ många andra fördelar som innebär bättre reglering av olika system för värme, ventilation och luftklimat. Energibesparing med varvtalsreglering ansluten till frekvensomformare Utrustningar som genererar volymflöde, t ex fläktar, pumpar och kompressorer, används fortfarande ofta utan varvtalsreglering. I stället kontrolleras flödet på konventionellt sätt med hjälp av strypdon, ventiler och spjäll. Men om volymflödet inte regleras med variabla motorvarvtal innebär detta att motorn kontinuerligt kör med sin högsta hastighet. Eftersom system för värme, ventilation och luftklimat dock sällan kräver maximal genomströmningsmängd, slösar ett system utan varvtalsreglering ofta bort större mängder energi. Med en motorvarvtalsreglering med frekvensomformare kan upp till 70 % energi sparas in. Denna princip visas i bild 1.

2 Bild 1: Princip för energibesparing med varvtalsreglering ansluten till frekvensomformare Vad är en drivanordning med variabel frekvens? De flesta elmotorer som används till system för värme, ventilation och luftklimat samt till vattenledningssystem är s k kortslutna motorer, som även kallas för induktions- eller asynkronmotorer. Orsaken till dess popularitet ligger i ett relativt lågt pris, låga underhållskostnader och hög tillförlitlighet Vid dessa modeller kan motorvarvtalet endast kontrolleras genom att man ändrar på ingångsströmmens (växelströmmens) frekvens: det är här FO-principen kommer in i bilden. Frekvensomformare har många olika namn, t ex inverter, Variable Speed Drives (VSD), Variable Frequency Drives (VFD), frekvensomvandlare eller frekvensomformare. Samtliga beteckningar står för samma princip: en elektronisk anordning för steglös varvtalsreglering för elmotorer. Dagens VFDsystem har dock ännu fler fördelaktiga egenskaper, t ex reglerings- och skyddsfunktioner för andra komponenter inom systemet. Affinitetslagar Förhållandet mellan variabler som tryck, genomströmningsmängd, axelvarvtal och strömförbrukning kan beskrivas med hjälp av affinitetslagar. Dessa gäller för såväl radial- som axialfläktar och -pumpar (se bild 2) Volymflöde % Tryck % Effektförbrukning % Hastighet % Hastighet % Hastighet % Bild 2: Affinitetslagar beskriver förhållandet mellan drivhastigheten och andra storheter.

3 Med ledning av dessa lagar kan man se att volymflödet stiger direkt proportionellt med varvtalet, medan trycket är proportionellt med varvtalet i kvadrat. Den viktigaste punkten för energibesparing är att strömförbrukningen är proportionell med varvtalet i tredje potens. Detta betyder att redan en minimal reducering av varvtalet kan ge stora besparingar i strömförbrukningen. Till exempel visar bild 2 att 75 % varvtal ger 75 % genomströmningsmängd, dock endast 42 % av strömförbrukningen som hade krävts för full genomströmningsmängd. Om flödet begränsas till 50 % reduceras strömförbrukningen till 12,5 %. Jämförelse mellan varvtalsreglering och andra metoder för styrning av volymflödet Andra typiska möjligheter för att reglera volymflödet: Strypning med hjälp av spjäll eller ventiler. Inloppsspjäll till radialfläktar för begränsning av luftflödet i fläkten. Viskos- eller virvelströmskopplingar för att reglera vridmomentet mellan fläkt och motor. Till-/från-reglering. Inställning av fläktvingarnas lutning vid axialfläktar: fläktvingarnas vinkel ändras för att reglera volymflödet. Nackdelen med dessa konventionella typer av flödeskontroll är att strömförbrukningen inte kan påverkas direkt. För vissa av dessa komponenter är det visserligen möjligt att reducera strömförbrukningen, men ingen metod är så effektiv för energibesparingen som en varvtalsreglering som styrs av en frekvensomformare. Motorn kör fortfarande med full effekt. Till-/från-regleringen förorsakar dessutom en hög mekanisk belastning och trycktoppar på grund av flera start- och stoppförlopp och topparna i strömförsörjningen när motorn startas utan frekvensomformare. Bild 3: Jämförelse mellan strömförbrukningen vid användning av regleringsventiler eller -spjäll och strömförbrukning med varvtalsreglering Strypreglering Effektförbrukning % BESPARING Varvtalsreglering Volymflöde % Bild 3: Jämförelse mellan kontrollerad strypning och varvtalsreglering med 60 % genomströmningsmängd

4 Belastningsprofil för ett typiskt system för värme, ventilation och luftklimat Ett typiskt system är dimensionerat för en toppbelastning som sällan krävs under drift. Detta betyder alltså att fläktarna och pumparna är överdimensionerade för den större delen av sin drifttid. I bild 4 visas hur den normala driftpunkten för ett sådant system i de flesta fall ligger under 100 % belastning. Med utgångspunkt i affinitetslagarna är därför större besparingar möjliga om varvtalet för pumpens eller fläktens drivmotor kan regleras. I bilden nedan framgår även att genomströmningsmängden ligger under 70 % under mer än 90 % av drifttiden % 10.00% 9.00% 8.00% Drifttid % 7.00% 6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 0.00% Flöde eller volym % Bild 4: Typisk belastningsprofil för ett värme-, ventilations- och luftklimatsystem. Källa: UK Department of Trade and Industry. Livscykelkostnader för fläktar och pumpar Inköpspriset är endast en liten del av de totala livscykelkostnaderna för fläktar och pumpar. Underhållskostnaderna utgör visserligen en viss del av kostnaderna, dock är det energiförbrukningen som står för den största delen. I bild 5 visas de typiska livscykelkostnaderna för en pump. Här framgår klart att energibesparingar upp till 70 % kan påverka livscykelkostnaderna avsevärt. De typiska livscykelkostnaderna för fläktar är nästintill identiska med de värden som gäller för pumpar. Anskaffning 5% Underhåll 5% Energiförbrukning 90% Bild 5: Typiska livscykelkostnader för pumpar. Källa: Hydraulic Institute

5 Specialfunktioner för ytterligare energibesparingar Modellserien NX från CentraLine erbjuder funktioner som optimerar energiförbrukningen för pumpar och fläktar. I normalfall fungerar frekvensomformarsystem enligt ett direkt proportionellt förhållande mellan frekvens och spänning. Detta betyder att om motorns frekvens/varvtal höjs med 10 %, kommer även spänningen att stiga med 10 %. Frekvensomformare i modellserien NX från CentraLine är utrustade med en automatikfunktion, en s k flödesoptimering som kan optimera spänningsnivån genom att anpassa detta förhållande. Denna funktion kan ge en ytterligare energibesparing på upp till 5 %. Dessutom kan samtliga produkter i denna serie användas till att koppla ifrån den interna kylfläkten när den inte längre behövs. Detta spar ytterligare energi och förlänger dessutom livslängden för den enda rörliga komponenten i frekvensomformaren. Bild 6: CentraLine modellserie NX (från vänster): NXL Compact, NXL HVAC och NXS. Energibesparingar i praktiken Som redan nämnts ovan, måste besparingarna som uppstår av frekvensomformare tas med i beräkningen när kostnaderna och amorteringstiderna skall utvärderas. CentraLine-beräkningsprogrammet för besparingspotential för fläktar och pumpar är till värdefull hjälp när du behöver utvärdera dina besparingsmöjligheter innan du investerar i frekvensomformare. Beräkningsprogrammen jämför normalt förekommande regleringsmetoder, t ex flödesreglering med spjäll för ventilatorer och till-/från-reglering för pumpar. I bild 7 visas startbilden för CentraLinebesparingskalkylatorn för fläktar. Bild 7: CentraLine-besparingskalkylator för fläktdrift

6 Energibesparing för fläktdrift I detta exempel visas hur besparingarna för en typisk 5,5 kw-radialfläkt i en applikation för luftbehandling kan beräknas. En flödesreglering med spjäll jämförs med varvtalsreglering via CentraLine-frekvensomformaren. För kalkyleringen krävs först följande data: Data för inkommande gas: Vid en applikation för värme, ventilation och luftklimat behöver inte standardvärden ändras eftersom det rör sig om luftcirkulation. Data för fläkten: Nominellt volymflöde och nominell tryckökning anges i databladet till fläkten. Effektivitet: - Använd om möjligt reella värden. Om sådana inte föreligger innehåller standardvärden lämpliga uppskattningar. - Föreliggande fläkt är utrustad med en direkt drivning. Överföringseffektiviteten uppgår alltså till 1. - Effektiveten för CentraLine-frekvensomformare uppgår i normalfall till 0,98. Ange det aktuella energipriset för att få en så exakt kalkylering som möjligt. Antal drifttimmar per år kan endast uppskattas. Denna kalkylering baserar sig på en användning som uppgår till 80 % per år med typiska driftcykler för luftbehandling. Kostnadsdifferensen som ingår i denna kalkylering är den uppskattade skillnaden mellan en frekvensomformare och ett spjällsystem av denna storlek. Bild 8: Kalkylering av energibesparing vid en 5,5 kw-fläkt med CentraLine-besparingskalkylator Enligt denna beräkning kan energikostnaderna sänkas med 992 euro per år. Amorteringstiden för en investering i ett frekvensomformarsystem uppgår till 0,65 år.

7 Kostnadsbesparing vid mindre frekvensomformare för pumpar Nedan visas en grov kalkylering för att jämföra investeringskostnaderna för ett direktanslutet och ett frekvensomformarstyrt pumpsystem. Alternativ 1, direktansluten pump (DOL = Direct Online): Pump och motor (~3 kw) 1000 euro Installation 1000 euro Totalkostnad med DOL: 2000 euro Energiförbrukning under 15 år Förbrukning med DOL kwh Energikostnader med DOL (9 cent/kwh) euro Alternativ 2, lösning med VFD: Pump och motor (~3 kw) VFD Installation Totalkostnad med VFD: Energiförbrukning under 15 år (vid en uppskattad energibesparing på 30 %) Förbrukning med VFD Energikostnader med VFD (9 cent/kwh) 1000 euro 800 euro 1200 euro 3000 euro kwh euro Energibesparing under 15 år: Energikostnadsbesparing under 15 år: Energikostnadsbesparing för 1 år: kwh euro 709 euro Sammanfattning Att använda frekvensomformare för varvtalsreglering för strömningsmaskin såsom pumpar, fläktar och kompressorer är ingen ny idé. På grund av de låga kostnaderna blir nya tekniska lösningar inom detta område dock allt attraktivare. Elmotorer med variabel varvtalsreglering inom system för värme, ventilation och luftklimat erbjuder en stor energisparpotential. Denna teknologi kan därför ge ett väsentligt bidrag för att uppfylla lokala och internationella avtal och standarder inom energisparpolitiken och för att sänka utsläppet av CO 2.

8 Författare: Tomi Ristimäki Produktmanager CentraLine c/o Honeywell GmbH För ytterligare information och möjlighet att läsa andra artiklar om energibesparing, gå in på CentraLines hemsida eller kontakta oss direkt. CentraLine Honeywell AB /ECC Box STOCKHOLM-GLOBEN Tel