W celu omówienia racjonalnego zastosowania wentylatorów energooszczędnych należy najpierw zdefiniować termin „wentylatory energooszczędne”. Są to zwykle najnowsze wersje urządzeń z silnikami EC lub zoptymalizowanymi skrzydłami. Takie udoskonalenia techniczne poprawiają stopień wydajności silnika i skrzydeł. Nie tylko silnik EC czy nowoczesne skrzydła, ale również dobór optymalnego wentylatora i optymalna eksploatacja mają znaczący wpływ na koszty zużywanej energii.

Optymalizacja zużycia energii przez wentylator w pierwszej kolejności polega na zoptymalizowanym wyborze i sposobie eksploatacji wentylatora, aby móc później zaoszczędzić na kosztach energii dzięki nowoczesnym rozwiązaniom w zakresie silnika i skrzydeł.

Różne konstrukcje wentylatorów

Wentylatory to maszyny strumieniowe służące do transportu powietrza oraz wytwarzania ciśnienia. W chłodnictwie i technice klimatyzacyjnej stosuje się wentylatory osiowe do niskich i średnich ciśnień lub promieniowe do wyższych ciśnień. Wentylatory osiowe do dużych objętości tłoczonego powietrza oraz niskich ciśnień mają długie skrzydła i piastę o niewielkiej średnicy.

Jeżeli wentylatory osiowe mają służyć do wytwarzania wyższych ciśnień, niezbędne są wirniki z piastą o większej średnicy.

Silniki napędowe wbudowuje się w piastę wirnika (silnik z wirnikiem zewnętrznym) lub stosuje się silniki o budowie standardowej z zamocowanymi kołnierzowo skrzydłami.

Wentylatory promieniowe występują jako wentylatory w obudowie lub jako swobodnie obracające się wirniki. Zasadniczo rozróżnia się wirniki:

„„ - z łopatkami skierowanymi do przodu – służące do tłoczenia dużych ilości powietrza przy średnim ciśnieniu oraz niskim poziomie ciśnienia akustycznego,

„„ - z łopatkami skierowanymi do tyłu – stosowane przy wysokim ciśnieniu w instalacjach specjalnych.

Wirniki napędzane są bezpośrednio lub poprzez paski klinowe.

W chłodnictwie i technice klimatyzacyjnej stosowane są głównie wentylatory umożliwiające przetłaczanie dużej ilości powietrza przy różnicach ciśnień od 50 do 200 Pa. W przypadku takiego zastosowania najlepiej sprawdzają się wentylatory osiowe z małą lub średnią średnicą piasty i długimi skrzydłami. Wentylatory promieniowe są wykorzystywane tylko w specjalnych przypadkach, tam gdzie występują kanały powietrzne.

Rys. 1. Zestawienie wentylatorów w chłodnictwie i technice klimatyzacyjnej

Stopień wydajności silnika i skrzydeł

Najważniejsze parametry, które należy uwzględnić, wybierając wentylator to:

„„ - strumień objętości [m³/h],
„„ - wzrost ciśnienia statycznego [Pa],
„„ - poziom hałasu [db (A)],
„„ - temperatura [°C].

Z tłoczeniem powietrza oraz wytwarzaniem ciśnienia związane są straty mechaniczne, elektryczne oraz straty uwarunkowane przepływem. Aby uzyskać dużą wydajność energetyczną, należy zmniejszyć te straty.

Stopień wydajności skrzydeł

Pojedyncze wirniki posiadają blaszane skrzydła bez profilu. Ich stopień wydajności wynosi około 50÷60%. Zoptymalizowane wirniki mają skrzydła profilowane z dopasowanym kątem ustawienia, w zależności od prędkości obwodowej (stopień wydajności około 60÷70%). Wirniki wysokiej jakości posiadają profilowane skrzydła o sierpowatym kształcie, co pozwala zredukować moc akustyczną (stopień wydajności około 70÷80%). Najnowsze produkty posiadają na końcach skrzydeł rozpraszacze, które podnoszą stopień wydajności, oraz postrzępione krawędzie, które dodatkowo obniżają emitowany hałas (stopień wydajności około 75÷85%).

Poziom mocy akustycznej danego wirnika jest odwrotnie proporcjonalny do stopnia wydajności, tzn. profilowane skrzydła z dużym stopniem wydajności są cichsze niż proste skrzydła bez profilu (rys. 2).

Rys. 2. Porównanie stopnia wydajności i poziomu ciśnienia akustycznego skrzydeł wentylatorów

Stopień wydajności silnika

Do napędzania wentylatorów osiowych używane są, w zależności od wielkości i zastosowania, silniki różnych konstrukcji (rys. 3). Najważniejsze rodzaje konstrukcji to:

„„ - silnik o biegunach dzielonych,
„„ - silnik asynchroniczny (silnik AC),
„„ - silnik EC.

Rys. 3. Porównanie stopnia wydajności silników wentylatorów

Silnik o biegunach dzielonych

W mniejszych wentylatorach, np. w ladach chłodniczych, stosowane są głównie silniki o biegunach dzielonych. Te silniki są tanie, jednak charakteryzuje je jednak niski stopień wydajności. Silnik o biegunach dzielonych z prostą, tanią konstrukcją, jest przeznaczony do małych wentylatorów z mocą napędową do około 50 W. Ich stopień wydajności wynosi około 15÷30%.

Silnik asynchroniczny – jako silnik z wirnikiem zewnętrznym

W Europie w ostatnich latach uznanie zyskała konstrukcja z silnikiem z wirnikiem zewnętrznym stosowana w wentylatorach wykorzystywanych w skraplaczach i chłodnicach powietrza. Silniki są wbudowywane w piastę wentylatora.

Cechuje je:

„„ - miękka charakterystyka,
„„ - łagodny rozruch,
„„ - dobre właściwości oddawania ciepła przez skrzydło wentylatora,
„„ - możliwość regulacji napięcia.

Wielkość silników jest ograniczona przez wymiary piast wentylatorów. Powszechnie stosowana wielkość: do 3,6 kW, średnica wentylatora: do 1000 mm. Stopień wydajności silnika z wirnikiem zewnętrznym, który służy za silnik prądu przemiennego, to około 60÷70%. Stopień wydajności silnika z wirnikiem zewnętrznym, który służy za silnik indukcyjny trójfazowy jest w granicach 70÷80%.

Silnik asynchroniczny – jako oddzielny silnik o standardowej budowie

Te silniki są stosowane do wentylatorów osiowych z oddzielnym wirnikiem lub do wentylatorów promieniowych z napędem paskopaskowym. Wielkość: około 0,5÷11 kW. Stopień wydajności: około 70÷80%.

Silnik EC – jako silnik z wirnikiem zewnętrznym

Silnik EC to silnik prądu stałego z charakterystyką silnika bocznikowego oraz wbudowaną elektroniką. Umieszczony w wirniku magnes trwały minimalizuje straty indukcyjne i pozwala uzyskać wyższy stopień wydajności. Wbudowana elektronika energetyczna przemienia prąd trójfazowy na prąd stały. Dzięki temu silnik można podłączać i dostosować do sieci o różnych wartościach napięcia. Wbudowana elektronika sterująca zawiera moduł nadzorujący pracę silnika oraz regulator prędkości obrotowej do regulacji odpowiednio ciśnienia, temperatury lub sygnału standardowego 0-10 V.

Przed montażem w każdym wentylatorze EC należy ustawić parametry odpowiednie dla sieci zasilającej oraz charakterystyki regulacji. Wielkość: do 5,5 KW. Stopień wydajności: 84÷89%.

Rys. 4. Ciśnienie statyczne i dynamiczne

Ciśnienie statyczne i dynamiczne (...)

Całkowity stopień wydajności i pobór mocy (...)

Całkowity stopień wydajności wentylatora (...)

Pobór mocy wentylatora (...)

Optymalizacja kosztów energii (...)

Optymalizacja za sprawą dużej średnicy wentylatora przy niskiej prędkości obrotowej (...)

Optymalizacja poprzez zmniejszenie prędkości obrotowej za pomocą regulatora prędkości obrotowej (...)

Porównanie techniczne różnych systemów redukcji prędkości obrotowej (...)

Podsumowanie

Przemyślany wybór urządzeń z wolnobieżnymi wentylatorami pozwala zaoszczędzić dużą część zużywanej energii. W porównaniu z wymagającymi wentylatorami i systemami regulacji, różnica w kosztach jest często mniejsza, ponadto wyższy koszt zakupu urządzenia amortyzuje się w krótkim czasie poprzez zaoszczędzenie kosztów energii.

Redukcja prędkości obrotowej za pomocą różnych systemów regulacji pozwala znacznie zmniejszyć ilość zużywanej przez wentylatory energii. Stosując odpowiednie regulatory z przetwornicą częstotliwości i filtrem sinusoidalnym (np. regulator sinusoidalny firmy Güntner), można zoptymalizować zużycie energii przez wentylatory w trybie częściowego obciążenia. Wentylatory EC posiadają lepszy o około 15% stopień wydajności silnika oraz optymalny system regulacji. W porównaniu z silnikiem AC z regulatorem sinusoidalnym można zaoszczędzić około 15% energii przy wysokiej prędkości obrotowej, około 8% przy średniej prędkości obrotowej i około 2% przy niskiej prędkości obrotowej. Każdy z wentylatorów EC można zastosować przy różnych wartościach napięcia, przed montażem należy jednak ustawić odpowiednie parametry. Wentylatory EC posiadają wbudowany moduł nadzorujący pracę silnika i wymagają mniejszej szafy sterowniczej oraz mniej okablowania. Rekompensuje to w większości wyższy koszt zakupu.

Wentylatory ze skrzydłami Owlet lub innymi nowocześnie zaprojektowanymi skrzydłami mają wyższy stopień wydajności oraz większy potencjał zaoszczędzenia energii przy wysokiej prędkości obrotowej. Dzięki wentylatorom z silnikiem EC i nowocześnie zaprojektowanym skrzydłom można jeszcze bardziej zoptymalizować zużycie energii.