Energieeffiziente Ventilatoren mit und ohne Spiralgehäuse

Transkript

1 Energieeffiziente Ventilatoren mit und ohne Spiralgehäuse Neue Effizienzklassen für Ventilatoren und Antriebsmotoren Dr.-Ing. Johannes Anschütz 1

2 Der Ventilator in der RLT-Zentrale Richtlinien und Anforderungen Alternativen für den Geräteeinbau Die neue Generation freilaufender Räder 2

3 Der Ventilator in der RLT-Zentrale Investitionskosten / Betriebskosten Um den optimalen Ventilator für die RLT-Anlage auszuwählen, empfiehlt sich zunächst ein Blick auf die Investitions- und Betriebskosten eines Ventilators - dem Herz des Klimagerätes. 3

4 Der Ventilator in der RLT-Zentrale Investitionskosten Investitionskosten / Betriebskosten Beispiel: Ventilator: System-Leistungsaufnahme Betriebsstunden p.a. Strompreis Betriebskosten RLM E W-21 P e 4.0 kw 5000 h 0,15 / kwh Stromkosten pro Jahr 3.000,- Stromkosten nach 10 Jahren ,- Anschaffungskosten: 1.500,- Die Investitionskosten des Ventilators betragen 5% der Betriebskosten nach 10 Jahren (noch ohne Wartungskosten)! 4

5 Richtlinien und Anforderungen für Ventilatoren in der Luft- und Klimatechnik Technische Lieferbedingungen Ventilatoren - DIN Spezifische Ventilatorleistung SFP-Faktor (EN 13779) Ventilatorsystem-Wirkungsgrad ERP-Richtlinie zu Ventilatoren (Effizienz-Grenzwerte 2013 / 2015) 5

6 Technische Lieferbedingungen Ventilatoren - DIN Die DIN regelt die technischen Lieferbedingungen für Ventilatoren mit den erforderlichen Angaben des Bestellers wie auch des Lieferanten. Des weiteren sind in dieser DIN Genauigkeitsklassen festgelegt, welche die zulässigen Toleranzen von Ventilatoren regeln. 6

7 Einflussfaktoren auf die Genauigkeit der Leistungsdaten: Höchste Präzision und Wiederholgenauigkeit in der Fertigung! z.b. Schweißroboter in der Laufradfertigung z.b. Roboter in der automatisierten Gehäusefertigung 7

8 Genauigkeitsklasse nach DIN (ISO )* Betriebswerte Grenzabweichung in Klasse 0 (AN1) 1 (AN2) 2 (AN3) 3 (AN4) Volumenstrom q v ±1% ±2.5% ±5% ±10% Druckerhöhung p Antriebsleistung P Wirkungsgrad η A- Schallleistungspegel L WA ±1% ±2.5% ±5% ±10% +2% +3% +8%+ +16% -1% -2% -5% +3dB (+2dB) - (-12%) +3dB +4dB +6dB 8 * = ISO mit anderen Bezeichnungen und geringfügig anderen Werten.

9 Genauigkeitsklasse - Auswirkungen auf die Katalogangaben Betriebspunkt mit zulässigem Toleranzbereich z.b. Genauigkeitsklasse 1 +/- 2,5 % z.b. Genauigkeitsklasse 2 +/- 5 % bzw. Toleranzbereich der Kennlinie q V 9

10 Spezifische Ventilatorleistung (EN 13779) ( SFP- Faktor Specific Fan Power ) SFP = P 1 q v [W/(m³/s)] SFP spezifische Ventilatorleistung [W/(m³/s)] P System-Leistungsaufnahme [W] q v Luftvolumenstrom [m³/s] Die spezifische Ventilatorleistung ist somit die aufgenommene elektrischen Wirkleistung im Verhältnis zum geförderten Volumenstrom. 10

11 Spezifische Ventilatorleistung (EN 13779) (Energieeinsparverordnung) Kategorie SFP [Ws/m³] P 1 SFP = q V p = η System SFP-1 <500 SFP SFP SFP SFP SFP SFP-7 >4500 Eine niedrige spezifische Ventilatorleistung kann folglich durch einen niedrigen Druckverlust und durch ein Ventilatorsystem mit hohem Wirkungsgrad erreicht werden. Ideal ist, wenn sich beides ergänzt! 11

12 Spezifische Ventilatorleistung (EN 13779) Eine Anlage mit WRG soll in der Kategorie SFP 4 betrieben werden. Welche max. Druckerhöhung ist zulässig, wenn der Ventilatorwirkungsgrad 70% beträgt? p = SFP x η p = 2000 x 0,70 System = 1400 Pa Der Ventilator darf mit einer max. Druckerhöhung von 1400 Pa betrieben werden! 12

13 Ventilatorsystem - Wirkungsgrad vom Einzel- zum Systemwirkungsgrad e 13

14 Ventilatorsystem - Wirkungsgrad In Anlehnung an ISO 5801 ergeben sich abhängig von der Ventilatorart unterschiedliche Wirkungsgrade. Diese Angaben finden Sie in in den jeweiligen Herstellerunterlagen. In den meisten Fällen sagen diese Angaben jedoch nichts über den Systemwirkungsgrad aus. 14

15 Der Wirkungsgrad des Ventilatorsystems, das Maß für die Wirtschaftlichkeit: Ventilatorsystem: Ventilator Antrieb Regelung Einbausituation Betriebsweise 15

16 Ventilator Systemwirkungsgrad η e = η a η Motor η Riementrieb η η FU Ventilator-Wirkungsgrad auf Wellenleistung bezogen 16

17 Ventilator Systemwirkungsgrad Systemkomponenten Verlustanteile z.b. Ventilator mit Riemenantrieb und Regelung 4% 17 65% 4%

18 Ventilator Systemwirkungsgrad Systemkomponenten; Verlustanteile direktgetrieben 3% 8% (10%) Verluste 22% 100% Frequenzumrichter Motor Ventilator, Aerodynamik PM~67% IE2 65 % 18

19 Systemwirkungsgradvergleich (statisch) 19

20 Bedeutung Systemwirkungsgrad Für die Bewertung der Ventilatorqualität in Bezug auf die Energieeffizienz ist allein der Systemwirkungsgrad aussagefähig! 20

21 Was ist die ErP-Richtlinie? ErP steht für Energy related Products. Ziel der ErP-Richtlinie 2009/125/EC ist es, durch eine umweltgerechte Gestaltung ( Ökodesign ) den Energieverbrauch dieser Produkte zu senken. Zu diesem Zweck werden für jede Produktgruppe EU-weit gültige Standards festgelegt. Für Ventilatoren mit Eingangsleistungen zwischen 125 W und 500 kw gilt die Durchführungs-Verordnung 327/2011 die Gestaltung von Elektromotoren wird mit der Verordnung 640/2009 geregelt. 21

22 ErP Richtlinie - Ventilatoren Wie wirkt sich die ErP-Richtlinie auf Ventilatoren aus? Die vorgeschriebenen Wirkungsgrade für Ventilatoren werden (in zwei Stufen) erstmals 2013 festgelegt und dann noch einmal 2015 angehoben. Geltungsbereich: Für Antriebsleistungen von 125 Watt bis 500 kw. 22

23 ErP Richtlinie - Ventilatoren Die Gesamtbilanz entscheidet Je nach Ventilatorbauart müssen nach ErP-Richtlinie ab 2013 bzw.2015 festgelegte Effizienzgrade N erreicht werden. Der Effizienzgrad bezeichnet einen Parameter in der Berechnung der Zieleffizienz eines Ventilators in Abhängigkeit von der elektrischen Eingangsleistung im Energieeffizienz- Optimum. Der Zahlenwert des Parameters N entspricht der Zielenergieeffizienz bei einer Leistung von 10 kw. 23

24 ErP Richtlinie - Ventilatoren Effizienzgrade N Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln Radialventilatoren mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln ohne Gehäuse mit Gehäuse mit Gehäuse Jahr statisch statisch total statisch total

25 ErP Richtlinie - Ventilatoren Komplettsysteme von Nicotra Gebhardt Nicotra Gebhardt liefert Komplettsysteme im Sinne der ErP-Richtlinie Für den Vergleich der Systeme wird die Gesamteffizienz ηe des Ventilators ohne Drehzahlregelung betrachtet. 25

26 ErP Richtlinie - Ventilatoren η e = P u(s) / P e Gesamt Effizienz Ventilatorgasleistung Im Energieeffizienz- Optimum Eingangsleistung Motor im Energieeffizienz Optimum Ist die Drehzahlregelung im System enthalten, wird sie über den Teillast-Kompensationsfaktor C c berücksichtigt (siehe nachfolgende Darstellung): η e = P u(s) / P e(d) C c 26 C c = Teillastkompensationsfaktor P e(d) = Eingangsleistung Drehzahlregelung im Energieeffizienzoptimum

27 ErP Richtlinie - Ventilatoren C c = Teillastkompensationsfaktor ohne Drehzahlregelung: C c = 1 mit Drehzahlregelung, Eingangsleistung > 5 kw: mit Drehzahlregelung, Eingangsleistung < 5 kw: C c = 1,04 C c = - 0,03 ln(p e(d) ) + 1,088 dies bedeutet zum Beispiel bei: 4,00 kw ~ 5 % (1,05) 2,20 kw ~ 6 % (1,06) 0,75 kw ~ 10 % (1,10) 27

28 ErP Richtlinie - Ventilatoren Wenn nicht Komplettsysteme betrachtet werden, sondern vormontierte Ventilatoren, errechnet sich die Gesamteffizienz nach folgender Formel: ηe = η r η m η T C m C c 28 C m = Kompensationsfaktor für die Bauteilabstimmung: C c = Teillastkompensationsfaktor (siehe vorherige Seite) C m = 0,9

29 ErP Richtlinie - Ventilatoren Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln ohne Gehäuse RLM EVO RLE EVO Direktgetriebener Radialventilator mit IEC- Standardmotor (IE2) oder Brushless-DC- Inneläufermotor mit integrierter oder externer Steuerelektronik Direktgetriebener Radialventilator mit AC- oder Brushless-DC- Außenläufermotor mit integrierter Steuerelektronik 29

30 ErP Richtlinie - Ventilatoren Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln ohne Gehäuse 30

31 ErP Richtlinie - Ventilatoren Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln mit Gehäuse z.b. RZA z.b. RZR Direktgetriebener Radialventilator mit AC- oder Brushless-DC- Außenläufermotor mit externer oder integrierter Steuerelektronik Riemengetriebener Radialventilator mit IEC- Standardmotor (IE2) oder Brushless- DCInneläufermotor mit integrierter oder externer Steuerelektronik 31

32 ErP Richtlinie - Ventilatoren Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln mit Gehäuse Bei unseren Gehäuseventilatoren mit Radiallaufrad und rückwärtsgekrümmten Schaufeln liegt eine Vielzahl möglicher Komplettsysteme heute schon über den geforderten Werten von 2013 und

33 ErP Richtlinie - Ventilatoren Radialventilatoren mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln mit Gehäuse z.b. DDMB z.b. ADH Direktgetriebener Radialventilator mit AC- oder Brushless-DC- Außenläufermotor mit externer Steuerelektronik Riemengetriebener Radialventilator mit IEC- Standardmotor (IE2) oder Brushless-DC- Inneläufermotor mit integrierter oder externer Steuerelektronik 33

34 ErP Richtlinie - Ventilatoren Radialventilatoren mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln mit Gehäuse Bei unseren Gehäuseventilatoren mit Radiallaufrad und vorwärtsgekrümmten Schaufeln liegt eine Vielzahl möglicher Komplettsysteme heute schon über den geforderten Werten von 2013 und

35 Unser Programm für den Geräteeinbau - unterschiedliche Ventilatorbauarten mit effektiven Antriebstechniken Bildquelle: Alko-Broschüre 35

36 Radialventilator ohne Gehäuse Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln -Direktantrieb (Freilaufendes Rad / Plug Fan) RLM EVO - Standard - Innenläufermotor IE2 - Brushless DC - Innenläufermotor 36

37 Radialventilator ohne Gehäuse Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln -Direktantrieb (Freilaufendes Rad / Plug Fan) RLE EVO - Brushless DC Außenläufermotor mit integrierter Elektronik 37

38 Radialventilator mit Gehäuse Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln -Direktantrieb über Reifenkupplung RZM - Standard - Innenläufermotor IE2 - Brushless DC - Innenläufermotor 38

39 Radialventilator mit Gehäuse Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln -Direktantrieb RZA / RZP - Brushless DC-Außenläufermotor - AC-Außenläufermotor 39

40 Radialventilator mit Gehäuse Radiallaufrad mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln -Direktantrieb DDM / DDMB - Brushless DC-Außenläufermotor - AC-Außenläufermotor 40

41 Radialventilator mit Gehäuse Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln -Riemenantrieb über Flachriemen RZR - Standard - Innenläufermotor IE2 - Brushless DC - Innenläufermotor 41

42 Übersicht - Einbauventilatoren mit Direktantrieb RZM RLM EVO RLE EVO RZA/RZP 42 DDMB Das komplette Programm für Zentral-Klimageräte (OEM)

43 Übersicht - Einbauventilatoren mit Riemenantrieb RDH ADH/AT RZR 15 RZR 13 Das komplette Programm für Zentral-Klimageräte (OEM) 43

44 Ventilator Antriebssysteme Antriebssysteme Direktantrieb Riemenantrieb Einbaumotor Normmotor Keilriemen antrieb Flachriemen antrieb AC + BL-DC 44

45 Ventilator Antriebssysteme Anforderungen nach IEC Die International Electrotechnical Commission (IEC) hat eine neue Norm für energieeffiziente Motoren eingeführt. Dadurch werden Motoren bezüglich ihrer Effizienz international vergleichbar. IEC definiert drei Wirkungsgradklassen von Drehstrommotoren mit Käfigläufern (2-, 4- und 6-polig) und harmonisiert damit unterschiedliche Normen der Wirkungsgradklassen für Asynchronmotoren. 45

46 Ventilator Antriebssysteme - Anforderungen nach IEC Bestimmung durch ErP. Die IEC-Norm bestimmt nicht, welche Effizienzklasse eingesetzt werden muss, dies bestimmt die ErP-Richtlinie in ihrer Durchführungsverordnung- Motoren 640/2009! 46

47 Ventilator Antriebssysteme Welche Motoren fallen unter die Bestimmung? Motorausführung: Drehzahl: Spannung: Frequenz: Polzahl: Nennleistung: Nennspannung: eintourig dreiphasig 50 Hz und 60 Hz 2-, 4- oder 6-polig von 0,75 bis 375 kw bis 1000 V Betriebsart S1 (Dauerlast) oder S3 (Aussetzbetrieb) mit einem Bemessungsfaktor für die relative Einschaltdauer von mindestens 80 % 47

48 Ventilator Antriebssysteme Vorgegebener Zeitplan: (Durchführungsverordnung Motoren 640/2009) IE2 = Hoher Wirkungsgrad (0,75 bis 375kW) seit le3 = Premium Wirkungsgrad (7,5 kw bis 375kW) ab oder in Kombination mit FU und IE2-Motor le3 = Premium Wirkungsgrad (0,75 kw bis 375kW) ab oder in Kombination mit FU und IE2-Motor IE-Wirkungsgradklassen (IE International Efficiency) Standard-Wirkungsgrad: IE1 - vergleichbar mit ehem. EFF2 Hoher Wirkungsgrad: IE2 - vergleichbar mit ehem. EFF1 Primium-Wirkungsgrad: IE3 48

49 Ventilator Antriebssysteme Wirkungsgrad-Veränderungen von EFF.. zu IE.. nach ErP Richtlinie 2009/125/EG am Beispiel des 4-poligen Motors 49

50 Ventilator Antriebssysteme Motorwirkungsgrade im Vergleich 50

51 Ventilator Antriebssysteme Systemwirkungsgrad in Teillast z.b. RLM 51

52 Ventilator Antriebssysteme Wirkungsgrade Riementrieb Wirkungsgrad Riementrieb (%) Flach Keil (Hocheffizienzantrieb) Flachriemen (Niedrigeffizienzantrieb) Keilriemen Riementriebs-Wirkungsgrad , Motor - Nennleistung (kw)

53 Die neue Generation freilaufender Räder RLM EVO RLE EVO 53

54 Der neue RLM EVO - weniger Energieverbrauch - weniger Kosten - weniger Geräusch 54 Varianten mit brushless PM-Innenläufermotor mit integrierter oder externer Elektronik, oder IE2 Motoren,

55 Der neue RLE EVO RLE E6 RLE E3 55 Varianten mit brushless PM-Außenläufermotoren, mit integrierter Elektronik

56 RLM EVO im Detail Profilierung der Schaufel verbesserte Zuströmung höherer Spitzenwirkungsgrad größerer Optimalbereich reduzierte Geräuschentwicklung höhere Festigkeit 56

57 RLM EVO im Detail Optimierte Eintrittsgeometrie mit verbesserter Zuströmung Unprofilierte Schaufel Profilierte Schaufel 57

58 Radialdiffusor Strömungsführung mit Querschnittserweiterung RLM EVO im Detail Kennlinie mit und ohne Radialdiffusor 58 Der Radialdiffusor ist um einen Normsprung (12 %) größer als der Nenndurchmesser Steigerung der statischen Druckerhöhung bei nahezu unveränderter Leistungsaufnahme verbesserte Wirkungsgrade

59 RLM EVO im Detail Verbesserte Geschwindigkeitsverteilung am Austritt des Rades Bisheriger Serienventilator RLM 56 Neuer Ventilator RLM EVO Mittlere Geschwindigkeit -11 % Gleichmäßigere Verteilung 59

60 Motorkonzepte RLM EVO im Detail Integrierte Steuerelektronik (aufgesetzt) AS-Motor PM-Motor 60 Einbaumodul mit High-Efficiency- Motor (IE2) Einbaumodul mit Permanentmagnet-Motor (Premium-Efficiency- Motor IE3/IE4), integrierte (oder externe) Steuerelektronik Höchste Wirkungsgrade, bestes Teillastverhalten

61 RLM EVO im Detail Motorwirkungsgrade Vergleich der unterschiedlichen Antriebe AS-Motor mit externem Frequenzumrichter PM-Motor AS-Motor PM-Motor mit integrierter (oder externer) Steuerelektronik 61

62 RLM EVO im Detail Systemwirkungsgrade Vergleich mit Mindestwerten nach EU-Verordnung (ErP-Richtlinie)* Die Wirkungsgrade der neuen Baureihe RLM EVO liegen schon heute deutlich über den Mindestwerten von 2015! Voraussetzung für CE-Kennzeichnung 62 * Vergleich für Ventilatornenngrößen von mm, Wirkungsgrade der Ventilatoren ohne Steuerelektronik

63 RLM EVO im Detail Vergleich mit Gehäuseventilator RZR Kleine Ventilatorbaugrößen mit geringen Leistungen Z.B.: q V =2700 m³/h bei p sf =1000 Pa RLM EVO E (Nenngröße 280) Motor: 1,1 kw - 2polig N= /min P e = 1,31 kw η se = 57 % L WA,Austritt = 83 db L WA,Eintritt = 78 db RZR rotavent Motor: 1,5 kw - 2polig N= /min P e = 1,35 kw η se = 56 % L WA,Austritt = 84 db L WA,Eintritt = 84 db 63 Beide Ventilatortypen sind mit High Efficiency -Motoren (Klasse IE2) ausgestattet.

64 Vergleich mit Gehäuseventilator RZR Größere Ventilatorbaugrößen mit höheren Leistungen Z.B.: q V =16700 m³/h bei p sf =1000 Pa RLM EVO E (Nenngröße 710) Motor: 7,5 kw - 4polig N= /min P e = 6,97 kw η se = 67 % L WA,Austritt = 86 db L WA,Eintritt = 81 db RLM EVO im Detail RZR rotavent Motor: 7,5 kw - 4polig N= /min P e = 6,73 kw η se = 69 % L WA,Austritt = 84 db L WA,Eintritt = 84 db 64 Beide Ventilatortypen sind mit High Efficiency -Motoren (Klasse IE2) ausgestattet.

65 Ventilator mit Permanentmagnet-Einbaumotor Merkmale RLE EVO im Detail kompakte Bauweise integrierte Steuerelektronik, regelbar unterschiedliche Einbaulagen möglich für Niederdruckanwendungen RLE E3 RLE E6 65

66 RLE EVO im Detail Ventilator mit Permanentmagnet-Einbaumotor Einbaumotor Integrierte Steuerelektronik Einströmdüse Profiliertes Laufrad Tragkonstruktion 66

67 RLE EVO im Detail Einfluss des Einbaumotors auf das Stromfeld Geschwindigkeitsverteilung Düse Deckscheibe Einbaumotor 67 Laufrad ohne Einbaumotor Laufrad mit Einbaumotor

68 Erreichbare Systemwirkungsgrade Vergleich Laufräder ohne Gehäuse mit verschiedenen Antriebskonzepten RLE und RLE EVO Statischer Systemwirkungsgrad % ,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 Systemwirkungsgrade Vergleich mit Mindestwerten nach EU- Verordnung 327/2011 (ErP), ohne Steuerelektronik Aufgenommene Leistung kw 68

69 RLE EVO im Detail Einfluss eines Einbaumotors auf die Kenndaten 69 Beispiel: Baugröße 355, Druckerhöhung im Optimum etwa 900 Pa

70 RLE EVO im Detail Einfluss eines Einbaumotors auf die Kenndaten BEISPIEL: Baugröße 315, Druckerhöhung im Optimum etwa 1000 Pa RLM EVO RLE EVO 70

71 71 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!