HVAC z języka angielskiego heating, ventillation, air conditioning – oznacza ogrzewanie, wentylację i klimatyzację. Jest to rodzaj systemu automatyki, który służy do obsługi jakości powietrza i zapewnienia odpowiedniego komfortu termicznego dla człowieka. Są to systemy opierające się na termodynamice, mechanice płynów i wymianie ciepła. Jak sama nazwa wskazuje, aplikacje te są ściśle powiązane z napędem wentylatora, pompy lub kompresora. Ich uzupełnieniem są aplikacje związane z chłodnictwem, stąd często dodatkowy znak „R” dopisywany do przedrostka. W nowoczesnym świecie aplikacje HVAC-R są niezmiernie ważne i widzimy je podczas naszego codziennego, normalnego funkcjonowania – systemy wentylacji i wymiany powietrza w sklepach, galeriach handlowych, teatrach, muzeach czy kinach. Systemy chłodnicze najczęściej powiązane z przechowywaniem oraz logistyką żywności. Klimatyzacja, z której korzystamy na co dzień w domach jednorodzinnych, biurach czy hotelach. Nowoczesne systemy HVAC-R są inteligentnymi instalacjami współpracującymi z wieloma czujnikami i aktuatorami. Wszystkie procesy są z reguły automatyzowane i bierze w nich udział sterownik PLC. Systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji budynków są zaprojektowane do pracy przy szczytowym obciążeniu, które występuje w stosunkowo krótkim okresie w ciągu roku. Jednym z najskuteczniejszych sposobów na poprawę efektywności energetycznej budynku jest wykorzystanie napędów o zmiennej częstotliwości, czyli typowych przemienników częstotliwości, potocznie nazywanych falownikami (VFD, VSD – variable frequency driver, variable speed drive). Falownik w takiej aplikacji dostosowuje prędkość jednego lub więcej silników w oparciu o wymagania obciążenia systemu i harmonogram pracy, co skutkuje radykalnym zmniejszeniem zużycia energii.
Systemy napędzane silnikami elektrycznymi są największymi użytkownikami końcowymi energii elektrycznej i odpowiadają za 43-46% całego globalnego zużycia energii elektrycznej. W Stanach Zjednoczonych aplikacje HVAC i chłodnicze zużywają 91% energii napędzanej silnikiem w sektorze mieszkaniowym i 93% w sektorze komercyjnym. Zmniejszenie niepotrzebnego zużycia energii jest najbardziej bezpośrednim i skutecznym sposobem na poprawę efektywności energetycznej budynków. Rosnący postęp w dziedzinie elektroniki i technologii sterowania znacznie poprawia wydajność napędów o regulowanej prędkości dlatego falowniki są coraz częściej wykorzystywane w branży HVAC. Po części stały się już pewnym standardem. Mogą one płynnie zmieniać prędkość silnika w pełnym jego zakresie, co zapewnia znaczną redukcję pobieranej mocy elektrycznej. Moc elektryczna pobierana przez silnik jest związana z prędkością wentylatora, pompy czy kompresora w trzeciej potędze. Średnia oszczędność energii w przypadku wentylatorów i pomp wynosi około 30-50% w porównaniu z konwencjonalnymi aplikacjami prędkości i do 35% w przypadku sprężarek. Mówiąc wprost, jeżeli za pomocą falownika zmniejszymy dwukrotnie prędkość wentylatora czy pompy – moc elektryczna pobierana z sieci zmniejszy się ośmiokrotnie (2 do potęgi 3). Dlatego tak ważne jest by w przypadku aplikacji HVAC używać przemienników częstotliwości. Ich obecność pozwala na ogromne oszczędności energii elektrycznej.
Omawiane oszczędności energii elektrycznej dotyczą w znakomitej większości obciążeń zmiennomomentowych, do których zaliczamy napęd wentylatora, pompy i kompresora. Ich charakterystyka momentu względem prędkości jest kwadratowa. Zmniejszając dwukrotnie prędkość wentylatora lub pompy ich moment maleje czterokrotnie. Typową charakterystykę przedstawiono na wykresie poniżej:
Dzięki właśnie kwadratowej zależności momentu od prędkości największe oszczędności możemy generować dla obciążeń o zmiennym momencie (kwadratowych). Dla takiego typu obciążeń producenci falowników wystosowali swoje własne nazwy: obciążenia lekkie (light load), lub zmiennomomentowe (variable torque). Obciążenia tego typu steruje się za pomocą algorytmu skalarnego U/f, gdzie falownik pilnuje stałej proporcji napięcia do częstotliwości w całym zakresie generowanej prędkości. Sterowanie skalarne działa w taki sposób, iż napięcie wyjściowe jest proporcjonalne do prędkości, dlatego pełne napięcie podawane jest przy pełnej prędkości znamionowej silnika. Zejście z prędkością o połowę skutkuje generowaniem połowicznego napięcia na wyjściu. Z racji tego, iż moment silnika jest w proporcji kwadratowej z napięciem – generowane oszczędności są bardzo duże. Trzeba spełnić jeszcze warunki dodatkowe. Najlepiej jest ustawić kwadratową krzywą U/f w samym falowniku oraz wpisać poprawne dane odnoszące się do napięcia i częstotliwości znamionowej silnika.
Zgodnie z prawami powinowactwa moc wentylatora lub pompy ma sześcienny związek z prędkością obrotową silnika. Dlatego, znaczne oszczędności energii można osiągnąć poprzez zmniejszenie prędkości obrotowej silnika za pomocą odpowiedniego sterowania. Najłatwiej to osiągnąć instalując przemiennik częstotliwości. Zmienne związane z wydajnością wentylatora lub pompy to średnica wirnika D, prędkość obrotowa N, gęstość gazu/wody ρ, objętościowe natężenie przepływu Q, ciśnienie P, moc W i sprawność mechaniczna η. W typowym zastosowaniu średnica wentylatora lub pompy jest stała. Przepływ powietrza lub wody i moc zależą wyłącznie od prędkości obrotowej. Zależności te są przedstawione za pomocą następujących równań:
Strumień powietrza jest proporcjonalny do prędkości napędu.
Ciśnienie jest wprost proporcjonalne do kwadratu prędkości napędu.
Pobierana moc przez silnik wzrasta w trzeciej potędze w stosunku do prędkości napędu.
Łatwo obliczyć, że moc napędu wzrośnie ośmiokrotnie, przy dwukrotnym wzroście prędkości. Dlatego tak ważne jest by w sposób ciągły kontrolować prędkość napędu wentylatora/pompy i w możliwie najdłuższym czasie pracować na najniższych możliwych obrotach napędu. Do tego celu służy regulacja PID oraz funkcja uśpienia, skojarzona z regulatorem PID.
Redukcja prędkości o 5Hz:
Redukcja prędkości o 10 Hz:
Rozważmy następujący przykład – kontrola przepływu strumienia powietrza w układach wentylacyjnych. Rozpatrzymy przypadek sterowania bez falownika – jedyną możliwą formą regulacji przepływającego powietrza jest kontrola położenia przepustnicy, otwierającej i zamykającej kanał nawiewu/wywiewu (dławienie przepływającego powietrza). W układzie z falownikiem regulacja odbywa się za pomocą napięcia i prądu wyjściowego falownika – kontrola obrotów wentylatora, strumienia przepływającego powietrza.
Po lewej stronie zaprezentowano układ bez falownika. Jedyną formą regulacji przepływu powietrza jest kontrola przepustnicy, za pomocą której dławimy przepływające powietrze. Jak widać na wykresie, przy takim wysterowaniu przepustnicy by przepływ zmniejszyć dwukrotnie, wentylator pracuje na pełnych obrotach (50 Hz). Dławiąc powietrze przepustnicą, zwiększamy jego ciśnienie, zmniejszając jednocześnie przepływ. Nie jest to w żaden sposób uzasadnione ekonomicznie – wentylator pracuje z pełną prędkością i generujemy straty (zamiast 100% przepustowości mamy 50% – resztę dławimy). Zupełnie inaczej wygląda to w układzie z falownikiem (po prawej stronie). Chcąc zmniejszyć przepływ powietrza o połowę zmniejszamy częstotliwość pracy falownika. Nie generujemy żadnych strat, wręcz przeciwnie. Schodząc z obrotami o połowę w dół, uzyskamy oszczędność mocy na poziomie 70-80%. Ustawiając poprawnie regulacje PID wraz z funkcją uśpienia, oszczędności mogą być nawet większe.
Dodatkowo należy mieć na uwadze, że falowniki Mitsubishi Electric jako jedyne na rynku posiadają wbudowaną dodatkową funkcjonalność, która pozwala na generowanie oszczędności energii bez regulacji prędkości obrotowej silnika. W standardzie do wyboru mamy dwa rozwiązania. Funkcję Energy Saving, którą odnaleźć możemy również u innych dostawców przemienników częstotliwości oraz unikatowy algorytm sterowania silnikiem ADVANCED OPTIMUM EXCITATION CONTROL – „Optymalne sterowanie wzbudzeniem silnika”. Jest to innowacyjna koncepcja Mitsubishi Electric i nie znajdziemy podobnego rozwiązania u innych producentów przemienników.
Pierwsza funkcja działa na zasadzie redukowania napięcia wyjściowego w trybie skalarnym U/f. Obciążenia lekkie, jakimi są pompa i wentylator są przeważnie niedociążone. Co to oznacza? Iż w przypadku pracy na prędkości zadanej, nie ma potrzeby generowanie znamionowego momentu. Dzięki temu możemy obniżać napięcie wyjściowe utrzymując jednocześnie prędkość, lecz mocno redukujemy moment, przez co zmniejszamy pobór energii elektrycznej z sieci.
Druga funkcja poza redukcją napięcia steruje również prądem odpowiedzialnym za wzbudzenie silnika. Dlatego jest to rozwiązanie bardziej wydajne od Energy Saving. Falownik tak steruje składową prądu, odpowiedzialną za wzbudzenie silnika, że jest ona minimalizowana. Optymalna regulacja wzbudzenia to metoda sterowania umożliwiająca określenie napięcia wyjściowego poprzez odpowiednie zarządzanie prądem wzbudzenia w celu zmaksymalizowania sprawności silnika. Podsumowując, zastosowanie falowników Mitsubishi z włączoną funkcją optymalnego sterowania wzbudzeniem silnika w aplikacjach HVAC oraz niedociążonych daje możliwość uzyskania dodatkowych oszczędności energii nawet na poziomie 10%.
Lista typowych aplikacji HVAC-R, gdzie zyskać możemy najwięcej oszczędności przy udziale falownika:
Centrala wentylacyjna
- kontrola obrotów wentylatorów za pomocą falownika w pełnym zakresie
- łagodny start i stop, brak udarów prądowych, uderzeń mechanicznych – dłuższa żywotność,
- funkcja PID umożliwiająca optymalizowanie pracy systemu przy zachowaniu wymaganych parametrów,
- możliwość uśpienia układu (wyłączenia) jeżeli temperatura oraz ciśnienie utrzymują się w zakładanym przedziale braku regulacji.
Wieża chłodnicza
- łagodny start i stop, brak udarów prądowych, uderzeń mechanicznych – dłuższa żywotność
- płynne sterowanie prędkością wentylatorów w pełnym zakresie pracy silnika
- regulacja PID na podstawie wskazu czujnika temperatury
- przechodzenie w stan czuwania gdy parametry utrzymują się na zadanym poziomie
- funkcja lotnego startu po zaniku zasilania
Komora napowietrzania (aplikacja typowo spotykana na oczyszczalniach ścieków)
- precyzyjne dozowanie tlenu do komory, ciągła, płynna praca
- regulacja PID na podstawie sygnału zwrotnego z czujników natlenienia
- kontrolowane wyłączenie wentylatora po utracie zasilania
Systemy dostaw wody dla mieszkań, apartamentów, osiedli
- zastosowanie falowników umożliwia płynną dostawę wody do najwyższych pięter bez zbędnych strat energii (regulacja PID na podstawie wskazań czujnika ciśnienia w rurach)
- za pomocą sterownika PLC możliwy jest przesył sygnałów sterujących nawet z dużych odległości
- oszczędność energii uzyskana za pomocą regulacji PID (brak wysokiego ciśnienia nocą, gdy dostawa wody nie jest konieczna – funkcja uśpienia, oczekiwanie na otwarcie zaworu wody w jednym z mieszkań)
Kompresory powietrza
- łagodny rozruch połączony z wyższym moment startowym silnika
- implementacja regulacji PID oraz funkcji uśpienia pozwala na generowanie oszczędności, zwłaszcza w okresach gdy zapotrzebowanie na powietrze maleje
- kontrola pracy silnika w celu utrzymania optymalnej wydajności
Systemy dozowania paliwa (lotniska, przepompownie, rafinerie, stacje benzynowe)
- kontrola płynnego przepływu paliwa bez turbulencji (przepływ laminarny)
- precyzyjna kontrola ilości dozowanego paliwa
- regulacja PID na podstawie sygnałów zwrotnych z czujników
- łagodny start/stop, brak udarów prądowych, stabilna kontrolowana praca silnika
- podwyższona żywotność pomp poprzez równomierne rozłożenie czasu pracy
Należy oczywiście pamiętać o fakcie, iż sama instalacja falownika za dużo nam nie da. Dopiero odpowiednia parametryzacja oraz adaptacja do istniejącej aplikacji umożliwi uzyskanie optymalnych oszczędności energii elektrycznej. Jak wykazaliśmy wcześniej, nie potrzeba żadnych specjalistycznych kalkulatorów, narzędzi do obliczania redukcji pobieranej mocy przez obciążenia zmiennomomentowe. Cała tajemnica tkwi w max możliwej redukcji prędkości napędów, przy jednoczesnym zachowaniu wydajności i funkcjonalności. Ponadto chcąc zaoszczędzić dodatkowo do 10% energii, możemy użyć funkcji optymalnego sterowania wzbudzeniem silnika dostępnej obecnie tylko w falownikach Mitsubishi Electric. W przypadku pojawienia się pytań zapraszamy do kontaktu.
W niniejszym artykule wykorzystano między innymi informacje z następujących źródeł:
1) Goetzler W, Sutherland T, Reis C. Energy savings potential and opportunities for high-efficiency electric motors in residential and commercial equipment. U.S. Department of Energy report
2) Variable Frequency Drive Applications in HVAC Systems, Written by: Yunhua Li, Submitted: April 16th, 2015 Reviewed: October 19th, 2015 Published: December 9th, 2015