Energibesparende takket være turtallsregulerte motorer med frekvensomformere. Energibesparelse på grunn av frekvensomformer/ turtallsregulering

Transkript

1 ... takket være turtallsregulerte motorer med frekvensomformere Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH 08 I 2008 På grunn av stadig økende energipriser er bedrifter stadig oftere tvunget til å gjennomføre energi- og kostnadsbesparelser. Det er til å undres over at diskusjoner på dette området hovedsakelig dreier seg om alternative energikilder og nye energisparende teknikker, mens allerede eksisterende tekniske løsninger som har muligheter for enorme energibesparelser får relativt liten oppmerksomhet. En utprøvd og kostnadsgunstig løsning er bruk av frekvensomformere for å regulere turtallet i varme-, ventilasjonsog klimatiseringsanvendelser (HVAC). Det er ikke mange andre teknologier som er inntjent på mindre enn ett år. Samtidig gir dette alternativet svært mange fordeler takket være bedre regulering av HVAC-systemet. Energibesparelse på grunn av frekvensomformer/ turtallsregulering Volumstrømproduserende innretninger som vifter, pumper og kompressorer brukes ofte uten turtallsregulering. I stedet kontrolleres gjennomstrømningen på tradisjonell måte ved hjelp av spjeld, ventiler eller klaffer. Når volumstrømmen likevel ikke reguleres over variable motorturtall, går motoren kontinuerlig med full hastighet. Da HVACsystemer bare sjelden trenger maksimal gjennomstrømningsmengde, sløser et system uten turtallsregulering bort betydelige mengder energi det meste av tiden. Med en frekvensomformer/motorturtallsregulering kan man oppnå en energibesparelse på inntil 70 %. Fig. 1 forklarer det grunnleggende prinsippet.

2 Fig. 1: Energispareprinsipp ved hjelp av frekvensomformer/turtallsregulering Hva er en motor med variabel frekvens? På de fleste elektromotorer som brukes i HVAC-anlegg dreier det seg om kortslutningsmotorer, også kjent som induksjons- eller asynkronmotorer. Populariteten til disse motorene skyldes den relativt gunstige prisen, de lave vedlikeholdskostnadene og den meget høye påliteligheten. På disse modellene er den eneste muligheten for å kontrollere motorturtallet og endre frekvensen til inngangsstrømmen (vekselstrøm): Og det er her prinsippet med frekvensomformere kommer inn. Frekvensomformere er kjent under mange navn, som invertere, Variable Speed Drives (VSD), Variable Frequency Drives (VFD) eller frekvenskonvertere. Alle disse betegnelsene står for det samme prinsippet: En elektronisk innretning for trinnløs turtallsregulering av elekromotorer. Dagens frekvensomformere tilbyr likevel enda flere nyttige egenskaper som regulerings- og beskyttelsesfunksjoner for andre komponenter innenfor systemet. Affinitetslovene Forholdet mellom variabler som trykk, gjennomstrømningsmengde, akslingsturtall og strømforbruk kan uttrykkes ved hjelp av affinitetslover. Disse gjelder både for radial/aksialvifter og pumper (se fig. 2) Volumstrøm % Trykk % Effektforbruk % Hastighet % Hastighet % Hastighet % Fig. 2: Affinitetslovene beskriver forholdet mellom drevhastigheten og andre størrelser.

3 Ut fra disse lovene kan man se at volumstrømmen stiger direkte proporsjonalt med turtallet, mens trykket forholder seg proporsjonalt til kvadratet av turtallet. Det viktigste punktet med tanke på energibesparelse er at strømforbruket er proporsjonalt med tredje potens til turtallet. Det betyr at allerede en minimal turtallsreduksjon kan føre til store besparelser i strømforbruket. Ut fra fig. 2 kan man se at ved 75 % av turtallet er 75 % av gjennomstrømningsmengden nådd, likevel trengs bare 42 % av strømforbruket som ville ha vært nødvendig for hele gjennomstrømningsmengden. Når gjennomstrømningen begrenses til 50 %, reduseres dermed strømforbruket med 12,5 %. Sammenligne turtallsreguleringen med andre metoder for volumstrømregulering Andre typiske muligheter for å regulere volumstrømmen er: Bremsing ved hjelp av klaffer eller ventiler, Bruk av innstrømningsspjeld i radialvifter for å begrense lulftstrømmen i viften, Bruk av viskose- eller hvirvelstrømkoblinger for å regulere dreiemomentet mellom vifte og motor, På-/av-regulering, Skovlhjulsteilhetsjustering ved aksialvifter: Vinkelen til viftebladene blir forandret for å regulere volumstrømmen. Ulempen med denne tradisjonelle gjennomstrømningskontrollen er at ikke noe av den virker direkte på strømforbruket. Med noen av disse komponentene er det mulig å redusere strømforbruket, men ingen av dem er så effektive med tanke på energibesparelse som å bruke en turtallsregulering, da motoren likevel går videre med full effekt. På-/av-reguleringen forårsaker dessuten en høy mekanisk belastning og trykktopper på grunn av de mange startene og stoppene, og toppene i strømtilførselen når motoren startes uten frekvensomformer. Fig. 3 sammenligner strømforbruket ved bruk av reguleringsventiler eller -spjeld med strømforbruket ved bruk av turtallsregulering Struperegulering Effektforbruk % BESPARELSE Turtallsregulering Volumstrøm % Fig. 3: Sammenligning mellom spjeldregulering og turtallsregulering med 60 % gjennomstrømningsmengde

4 Lastprofil til et typisk HVAC-system Et typisk system er beregnet for topplasten som sjelden er nødvendig under drift. Det betyr altså at viftene og pumpene er overdimensjonert det meste av driftstiden. Fig. 4 viser at det normale driftspunktet til et HVAC-system for det meste ligger under 100 % av kapasitetsutnyttelsen. Takket være affinitetslovene kunne man oppnå betydelige innsparinger hvis turtallet til drivmotoren for pumpa eller vifta var regulerbare. Bildet under viser også at gjennomstrømningsmengden ligger under 70 % mer enn 90 % av driftstiden % 10.00% 9.00% 8.00% Driftstid % 7.00% 6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 0.00% Gjennomstrømning eller volum % Fig. 4: Typisk lastprofil til et typisk HVAC-anlegg. Kilde: UK Department of Trade and Industry. Livssykluskostnader for vifter hhv. pumper Innkjøpsprisen er bare en liten del av de totale livssykluskostnadene til vifter og pumper. Vedlikehold utgjør en betydelig del av kostnadene, likevel utgjør energiforbruket størstedelen av driftskostnadene. Fig. 5 viser de typiske livssykluskostnadene til en pumpe. Her vises det tydelig at energibesparelser på opptil 70 % har betydelig innvirkning på livssykluskostnadene. De typiske livssykluskostnadene for vifter er forøvrig svært lik kostnadene for pumper. Innkjøp 5% Vedlikehold 5% Energiforbruk 90% Fig. 5: Typiske livssykluskostnader for pumper. Kilde: Hydraulic Institute

5 Spesialfunksjoner for ytterligere energibesparelse NX-serien fra CentraLine tilbyr funksjoner som optimerer energiforbruket til pumper og vifter. Vanligvis arbeider frekvensomformere med et direkte proporsjonalt forhold mellom frekvens og spenning. Det betyr at når motorens frekvens/turtall øker med 10 %, så øker også spenningen med 10 %. Frekvensomformerne i NX-serien til CentraLine har en automatikkfunksjon, den såkalte Flux-optimeringen, som kan optimere spenningsnivået ved å tilpasse dette forholdet. Denne funksjonen kan føre til en ekstra energibesparelse på opptil 5 %. Dessuten har hele produktserien mulighet til å koble ut den egne kjøleviften når den ikke er nødvendig. Dette fører til enda litt mer energibesparelse og øker levetiden til den eneste bevegelige delen i frekvensomformeren. Fig. 6: CentraLine NX-serien (fra venstre): NXL Compact, NXL HVAC og NXS. Energibesparelser i praksis Som forklart tidligere skal innsparingene på grunn av frekvensomformere tas hensyn til når man vurderer kostnader og inntjeningstiden. Beregningsprogrammene i CentraLine som viser sparepotensialet for vifter og pumper er til verdifull hjelp når du skal vurdere innsparingsmulighetene når du skal investere i frekvensomformere. Beregningsprogrammene støtter seg til sammenligning på de vanlige tradisjonelle reguleringsprinsippene, for eksempel som å regulere gjennomstrømningen ved hjelp av strupeventiler for vifter eller ventiler og av-/på-regulering for pumper. Fig. 7 viser startbildet for CentraLines sparekalkulator for vifter. Fig. 7: CentraLine sparekalkulator for viftemotorer

6 Energibesparelser ved vifteanvendelser Eksemplet viser spareberegningen for en typisk 5,5 kw-radialvifte i en luftbehandlingsanvendelse. Gjennomstrømningsregulering ved hjelp av strupeventiler blir sammenlignet med en turtallsregulering via CentraLine frekvensomformere. Til kalkylen trenger man først og fremst følgende data: Data til gassen som går inn: Ved en HVAC-anvendelse kan man her la standardverdiene være da det dreier seg om luftsirkulasjon. Data om viften: Nominell volumstrøm og nominell trykkstigning finner du i databladet til viften. Effektivitet: - Bruk om mulig virkelige verdier, hvis ikke gir standardverdier gode overslag. - Den eksisterende viften har har et direktedrev, overføringseffektiviteten ligger altså på 1. - CentraLine frekvensomformere har vanligvis på en effektivitet på 0,98. Som energipris legger man inn den virkelige prisen for å få en så nøyaktig kalkyle som mulig. Driftstimene per år blir alltid vurdert. Denne kalkylen går ut fra en utnyttelse på 80 % per år med typiske driftssykluser for luftbehandlingsanvendelser. Ved kostnadsforskjellen i denne kalkylen dreier det seg om den evaluerte forskjellen for en frekvensomfomformer og et strupeventilsystem i denne størrelsen. Fig. 8: Kalkyle av energibesparelsen for en 5,5 kw-vifte med CentraLine sparekalkulator Beregningen gir et årlig innsparingspotensiale i energikostnader på 992 euro og en inntjeningstid på 0,65 år for investeringen i en frekvensomformer.

7 Kostnadsbesparelser ved små frekvensomformere i pumpeanvendelser I det følgende finner du en grovkalkyle for å sammenligne investeringskostnadene til et direkte tilkoblet pumpesystem og et frekvensomformerstyrt pumpesystem. Alternativ 1, direkte tilkoblet pumpe (DOL = Direct Online): Pumpe og motor (~3 kw) Installasjon Totalkostnader DOL: Energiforbruk over 15 år Forbruk med DOL Energikostnader med DOL (9 cent/kwh) 1000 euro 1000 euro 2000 euro kwh euro Alternativ 2, løsning med frekvensomformere: Pumpe og motor (~3 kw) frekvensomformere Installasjon Totalkostnader med frekvensomformere: Energiforbruk over 15 år (ved anslått energbesparelse på 30 %) Forbruk med frekvensomformere Energikostnader med frekvensomformere (9 cent/kwh) 1000 euro 800 euro 1200 euro 3000 euro kwh euro Energibesparelse over 15 år: Energikostnadsbesparelse over 15 år: Energikostnadsbesparelse i løpet av 1 år: kwh euro 709 euro Sammendrag Bruk av frekvensomformere for turtallsregulering av strømningsmaskiner som pumper, vifter og kompressorer er ingen ny idé. De nye teknikkene på dette området gjør imidlertid disse alternativene enda mer attraktive på grunn av de lave kostnadene. Bruk av elektromotorer med variabel turtallsregulering i HVACsystemer gir et stort energisparepotensiale. Denne teknologien kan derfor gi et vesentlig bidrag til å overholde lokale og internasjonale avtaler og normer innenfor området energisparepolitikk og reduksjon av CO 2 -utslippet.

8 Forfatter: Tomi Ristimäki Product Manager CentraLine c/o Honeywell GmbH Se flere detaljer og relaterte artikler om Energieffektivitet på CentraLine websiden eller kontakt oss direkte. CentraLine Honeywell AS Askerveien 61 Boks 263, 1372 Asker Tlf