Technologia silników inwerterowych na dobre zadomowiła się już w klimakonwektorach. W chwili obecnej na rynku dostępne są zarówno wersje klasyczne AC jak i inwerterowe ECM modeli kasetonowych, kanałowych, pionowych i poziomych w obudowie oraz klimakonwektorów naściennych.

     Przyjrzyjmy się zatem analizie oszczędności energii uzyskanych w klimakonwektorach wyposażonych w silniki inwerterowe EC w oparciu o modele Johnson Controls marki YORK® oznaczone symbolem ECM.

     W odróżnieniu od dobrze znanych urządzeń z asynchronicznymi silnikami stopniowymi AC, technologię inwerterowych modeli EC odróżnia bezszczotkowy silnik z wbudowanym przemiennikiem częstotliwości. Wprowadzenie synchronicznych silników EC wbrew pozorom nie miało na celu zapewnienia regulacji wydajności, którą w sposób zadowalający osiągnięto już dzięki zastosowaniu wielostopniowych napędów o nawet siedmiu biegach roboczych. Głównym powodem przejścia na silniki EC jest znaczne ograniczenie poboru energii elektrycznej. Ponadto, przejście na sterowanie bezstopniowe niesie za sobą wiele innych korzyści, które zostaną krótko omówione w dalszej części artykułu.

Proces doboru

     Zastosowanie silników EC wprowadza konieczność nowego podejścia do kwestii doboru klimakonwektorów. Dzięki bezstopniowej regulacji prędkości, klimakonwektor wyposażony w silnik inwerterowy pracuje zawsze z możliwie najniższą prędkością obrotową, a co za tym idzie, z najniższą wydajnością spełniającą aktualne chwilowe zapotrzebowanie na moc chłodniczą, czy też grzewczą pomieszczenia.

     Znacznie lepsza regulacja przepływu powietrza w dolnym zakresie obrotów silnika, oraz fakt, że w tym samym zakresie silniki wykazują największe oszczędności poboru energii sprawiają, że najkorzystniej jest dobierać urządzenia dla obrotów średnich i niskich, a nie – jak to miało miejsce do tej pory – dla wartości maksymalnych i średnich. Dodatkowo, należy zweryfikować dotychczasową zasadę doboru urządzeń dla maksymalnych temperatur zewnętrznych oraz obciążeń szczytowych, bez uwzględnienia obliczeniowego modelu rozkładu temperatur w budynku. Skutkuje to częstym przewymiarowaniem urządzeń i koniecznością dostosowania biegów roboczych podczas eksploatacji obiektu. Samoczynna adaptacja urządzeń z silnikami z płynną regulacją eliminuje konieczność przestawiania biegów roboczych lub bardzo upraszcza ten proces. Dzięki regulacji 0-10V, nie ma konieczności fizycznego przepinania dostępnych biegów na listwach elektrycznych klimakonwektorów, gdyż regulacji można dokonać z poziomu nowoczesnego sterownika.

     Precyzyjna regulacja obrotów umożliwia bardzo dokładne regulowanie przepływu objętościowego powietrza w ścisłym związku z realnym zapotrzebowaniem klimatyzowanego pomieszczenia. Dzięki temu, następuje zmniejszenie oscylacji temperatury i wilgotności, co zapewnia użytkownikom zdecydowanie lepszy poziom komfortu termicznego.

Oszczędność energii

     Klimakonwektory wyposażone w silniki EC pozwalają uzyskać bardzo niskie pobory prądu w pełnym zakresie pracy wentylatorów. Analiza porównawcza jednostek kasetonowych jak również kanałowych z silnikami bezszczotkowymi wykazuje oszczędność zużycia energii na poziomie dochodzącym do 70% (patrz: wykresy oszczędności energii).

     Ponieważ w wielu obiektach klimakonwektory pracują przez cały rok, zarówno w trybie chłodzenia jak i grzania, oszczędność w kosztach zakupu energii elektrycznej jest znacząca.

     Falownik używany w silnikach klimakonwektorów Johnson Controls marki YORK®, w przeciwieństwie do innych podobnych produktów na rynku, jest wyposażony w aktywny filtr harmoniczny, który pozwala na zastosowanie zwykłych zabezpieczeń elektrycznych typu A lub B. Dzięki temu, zapobiega się ryzyku przenoszenia zakłóceń wytwarzanych przez sam przemiennik częstotliwości i nie ma konieczności specjalnej separacji klimakonwektorów od innych urządzeń w sieci elektrycznej.

     Wynikiem tego jest dodatkowa oszczędność kosztów inwestycyjnych związana z możliwością zmniejszenia przekroju kabli zasilających oraz zmniejszeniem liczby urządzeń zabezpieczających w układzie elektrycznym.

     Podsumowując, technologia silników EC jest szczególnie wskazana w budynkach, w których występuje duża liczba klimakonwektorów, pracujących w możliwie długim czasie w ciągu roku. Znacznie niższe koszty eksploatacyjne oraz obniżenie kosztu inwestycyjnego okablowania mają znaczący wpływ na obliczeniowy czas zwrotu takich inwestycji. Wnioski te są wynikiem analizy zrealizowanych obiektów takich jak : biurowce, szpitale czy hotele.

Rys. 1. Porównanie poboru mocy silników klimakonwektora

Rys. 2. Procentowa oszczędność energii elektrycznej na poszczególnym biegu, wartości uśrednione dla klimakonwektorow serii LASER

Akustyka

     Nie da się zaprzeczyć, że obecna generacja silników EC charakteryzuje się wyższym poziomem mocy akustycznej niż silniki asynchroniczne przy tej samej prędkości obrotowej. Jest to powodem pewnej nieufności, z jaką podchodzi się do doboru tych urządzeń. Proste porównanie mocy akustycznej, zwłaszcza dla wysokich biegów, często skutkuje pochopnym odrzuceniem tego rozwiązania.

     Należy jednak pamiętać, że w niskich zakresach obrotów sytuacja jest odwrotna, dlatego kluczowym elementem jest uzmysłowienie sobie realnego zakresu warunków pracy klimakonwektorów. Z definicji Europejskiego Współczynnika Sprawności Średniorocznej ESEER stosowanego w przypadku doboru agregatów wody lodowej wynika, że urządzenia HVAC (ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja) przez 97% czasu pracują w warunkach odbiegających od maksymalnych, czyli projektowych, wydajności. Każde obniżenie obrotów znacząco zmniejsza poziom dźwięku pochodzącego od wentylatora, będącego głównym źródłem hałasu klimakonwektora i ta cecha decyduje o wyborze wentylatorów EC. Widać to szczególnie w przypadku pomieszczeń o szczególnych wymaganiach akustycznych np. apartamenty hotelowe, gabinety biurowe czy sale konferencyjne, gdzie klimakonwektory z silnikami EC są najlepszym rozwiązaniem.

     Zaletą ciągłej regulacji wentylatorów z silnikiem EC jest możliwość pracy z wydajnością pośrednią, nieosiągalną dla urządzenia klasycznego, które dla zwiększenia wydajności zawsze musi przełączyć się na wyższy i głośniejszy bieg.

Rys. 3. Poziom mocy akustycznej, dB(A) w funkcji wydajności wentylatora. Przykład dla klimakonwektora kasetonowego YHK obrazuje sytuację, gdy wartości są zbliżone

Rys. 4. Poziom mocy akustycznej, dB(A) w funkcji wydajności wentylatora obrazuje sytuację, w której silnik ECM jest głośniejszy w pełnym zakresie pracy. Dodatkowo występuje limit maksymalnej wydajności wentylatora (mniejsze Qchł klimakonwektora) 

Analizy porównawcze

     Porównanie parametrów pracy klimakonwektorów, takich jak wydajność chłodnicza/grzewcza [kW], pobór prądu [A], pobór mocy elektrycznej [W] oraz moc akustyczna [dB(A)] należy dokonywać dla tej samej wydajności wentylatora. Dla ułatwienia producenci klimakonwektorów z silnikami EC często przedstawiają w tabelach katalogowych tzw. „biegi” silników EC, czyli parametry pracy dla wybranych ustalonych obrotów, odpowiadających realnym biegom w klimakonwektorach klasycznych. Jest to pewne uproszczenie, umożliwiające klientom możliwość porównania tych dwóch grup urządzeń.

     Częstym błędem jest porównywanie wartości ciśnienia akustycznego, które poszczególni producenci obliczają różnymi metodami, co sprawia, że ich wyniki są nieporównywalne względem siebie. Dlatego porównywać należy wyłącznie moc akustyczną. Niestety do dnia dzisiejszego nie wszyscy producenci podają ten parametr.

     Przykładowe porównanie tego samego urządzenia z silnikiem AC do EC przedstawiają wykresy 5, 6 i 7. Jak widać, różnice w poziomie mocy akustycznej nie są bardzo duże, ale w górnych zakresach wydajności klimakonwektorów są już znaczące.

     Dodać jednak należy, że szczegółowe porównanie wykonane dla wielu modeli w poszczególnych harmonicznych wykazuje, że silniki EC mają wyższą moc akustyczną jedynie w zakresie niskich częstotliwości akustycznych (125-250 Hz), są za to cichsze przy częstotliwościach powyżej 500 Hz. Ten wynik daje nadzieję na możliwość usunięcia problemu w kolejnych generacjach silników EC, jakie będą produkowane w przyszłości.

Rys. 5. Porównanie poboru mocy w funkcji wydajności wentylatora dla silnika EC i AC

Rys. 6. Procentowa oszczędność energii elektrycznej dla poszczególnych biegów klimakonwektora YFCC 330

Rys. 7. Porównanie poboru mocy dla klimakonwektora z silnikiem EC, AC oraz o średnich parametrach klimakonwektora konkurencyjnego producenta

Zasada działania i sterowanie

     Otrzymując zewnętrzny modulowany sygnał 0-10VDC ze sterownika, falownik zasila stojan silnika prądem o częstotliwości odpowiadającej poziomowi sygnału sterującego. Prąd przepływający przez uzwojenia stojana wytwarza wirujące pole magnetyczne, które, oddziaływując na pole magnetyczne wirnika wykonanego z magnesów stałych, wprawia go w ruch obrotowy. Obroty wirnika są zależne od częstotliwości prądu z falownika. Przedstawiony na zdjęciu wirnik z magnesami (rys. 5.) stałymi jest elementem odróżniającym silniki EC od silników AC posiadających w wirnikach uzwojenia zasilane elektrycznie za pomocą specjalnych szczotek.

     Sygnał 0-10V w sposób jednoznaczny określa prędkość wentylatora, a moment obrotowy wirnika dostosowuje się w sposób ciągły do pokonywanych oporów. Zapewnia to precyzyjną regulację strumienia powietrza, co ma istotne znaczenie dla stabilizacji komfortu termicznego w pomieszczeniu.

     W niektórych klimakonwektorach podczas ich montażu można, za pomocą łatwo dostępnych przełączników DIP, dostosować pracę silnika do wymogów instalacji (np. wysoki spręż dyspozycyjny ESP w modelach kanałowych).

     Synchroniczne silniki EC wytwarzają znacznie mniej ciepła niż tradycyjne szczotkowe silniki AC i mają znacznie mniejsze opory mechaniczne. Skutkuje to wyższą sprawnością, większą trwałością i mniejszą potrzebą konserwacji. Brak szczotek eliminuje również główne źródło zakłóceń elektromagnetycznych.

     Silniki EC wyposażone są w wysokiej jakości filtry sieciowe z bardzo niskim parametrem upływu prądu (0,55 do 0,85 mA, podczas gdy minimum wymagane przez normę EN 60335 wynosi 3,5 mA). Dzięki temu istnieje możliwość łączenia równoległego wielu urządzeń, sterowanych jednym sterownikiem (master – slave). W zależności od typu i wielkości urządzeń, dzięki zastosowaniu nowoczesnych sterowników sieciowych, można zbudować sieć nawet do 250 urządzeń na jednym sterowniku. W przypadku zastosowania routerów sieciowych można połączyć 60 routerów z 60-ma klimakonwektorami każdy, co daje łącznie 3600 urządzeń w jednej sieci sterowniczej.

     Nowa seria sterowników naściennych, bezprzewodowych i do BMS zapewnia łatwe i ekonomiczne użytkowanie klimakonwektorów z silnikami EC.

     Regulatory dają pełną możliwość kontrolowania prędkości wentylatora w zakresie 0-100%. Możliwy jest też ręczny wybór trzech stopni o ustalonych wydajnościach powietrza. W takim przypadku, w celu spełnienia konkretnych wymagań akustycznych i wydajnościowych, istnieje możliwość łatwego dostosowania poziomów prędkości roboczych silnika bez potrzeby otwierania urządzenia.

Rys. 8. Moduł wentylatora

Rys. 9. Wirnik z magnesami stałymi

Plusy:ƒ
     •   zmniejszony pobór energii elektrycznej (oszczędności do 70%);ƒƒ
     •   wyższa efektywność: możliwość dostosowania przepływu powietrza i wydajności chłodniczej/cieplnej klimakonwektora do rzeczywistych obciążeń pomieszczenia;ƒƒ
     •   wyższy komfort: zmniejszenie oscylacji temperatury i wilgotności względnej w pomieszczeniu, wyjątkowo cicha praca urządzenia, dzięki pracy na możliwie niskich obrotach;ƒƒ
     •   w zależności od sterownika, możliwość ustalenia dowolnej prędkości dostępnej dla trybu ręcznego (np. 3 kroki wentylatora);
     •   zmniejszone zużycie elementów składowych i większa niezawodność działania;
     •   dłuższy czas eksploatacji silnika;
     •   w zależności od typu i wielkości urządzeń, dzięki zastosowaniu nowoczesnych sterowników sieciowych istnieje możliwość połączenia w sieć do 250 urządzeń na jeden sterownik.
Minusy (w zależności od modelu):
     •   wyższa głośność urządzenia dla maksymalnych wartości projektowych, zwykle występująca przy klasycznych doborach na najwyższy lub średni bieg;
     •   niższa maksymalna prędkość obrotowa w porównaniu do wentylatora z silnikiem synchronicznym skutkująca niższą wydajnością chłodniczą/grzewczą z tej samej wężownicy;
     •   niższy maksymalny spręż dyspozycyjny dla klimakonwektora tej samej wielkości;
     •   wyższa cena.

Podsumowanie

     Można śmiało stwierdzić, że technologia siników inwerterowych w urządzeniach klimatyzacyjnych ma świetlaną przyszłość. Rozpowszechnienie klimakonwektorów z silnikami EC na rynku skutkować będzie obniżeniem ceny tych urządzeń oraz skróceniem czasu zwrotu poniesionych wyższych kosztów inwestycyjnych, będących dzisiaj jednymi z głównych kryteriów wyboru urządzeń podczas zakupu. Prawdziwym przełomem może okazać się nowa generacja klimakonwektorów od początku zaprojektowana w oparciu o silniki EC.

     Przewiduje się, że w ciągu najbliższych kilku lat, tradycyjne silniki asynchroniczne klimakonwektorów zostaną całkowicie wyparte przez silniki inwerterowe, podobnie jak miało to miejsce w przeszłości w centralach klimatyzacyjnych. Ten sam proces obserwujemy obecnie na rynku szaf klimatyzacji precyzyjnej, gdzie kilku wiodących producentów przechodzi całkowicie na silniki z płynną regulacją wydajności.

Źródło opracowania:
Katalogi techniczne urządzeń oraz materiały własne firmy Johnson Controls.

Firma Johnson Controls – Building Efficiency, posiadając 500 oddziałów w ponad 150 krajach na całym świecie, jest czołowym dostawcą produktów, usług oraz rozwiązań w zakresie systemów chłodnictwa, wentylacji, klimatyzacji i ogrzewania, jak również systemów automatyki budynkowej i BMS, które podnoszą efektywność energetyczną i optymalizują koszty operacyjne obiektów należących do ponad miliona klientów na całym świecie.
Firma Johnson Controls jest zaangażowana w ponad 500 projektów dotyczących energii odnawialnej, w których stosowane są technologie wykorzystania energii słonecznej, geotermalnej oraz wiatru. Jej rozwiązania obniżyły emisję dwutlenku węgla o 16 mln ton, a od roku 2000 przyniosły oszczędności rzędu 19 mld USD. Wiele największych światowych firm powierzyło firmie Johnson Controls zarządzanie swoimi obiektami o charakterze komercyjnym o łącznej powierzchni ok. 140 mln metrów kwadratowych.