W obliczu wzrostu cen energii i coraz bardziej rygorystycznych przepisów dotyczących ochrony środowiska, liczne branże poszukują bardziej zrównoważonych i energooszczędnych technologii. HVAC nie jest wyjątkiem od tej tendencji, ale ma jedną kluczową przewagę nad wieloma innymi sektorami – już teraz ma dostęp do skutecznej, energooszczędnej technologii w postaci silników z magnesami trwałymi (PM) w klasie sprawności IE5 w połączeniu z przemiennikami częstotliwości (VFD).

Jednym z kluczowych czynników napędzających rosnące zapotrzebowanie na technologie energooszczędne są coraz bardziej rozbudowane normy regulacyjne mające na celu poprawę efektywności energetycznej budynków, takie jak Kalifornijski Kodeks Budowlany Title 24. Wśród wielu innych rzeczy, kodeks ten ma rygorystyczne wymagania dotyczące systemów HVAC, nakładając obowiązek stosowania układów o zmiennej prędkości do pracy wentylatorów. Umożliwia to systemom dostosowanie wydajności do rzeczywistych potrzeb, zamiast pracy z maksymalnym obciążeniem.

Te wymagania są bardziej rygorystyczna niż większość, ale odzwierciedlają szerszy trend w kierunku oszczędzania energii. Jest to wskaźnik podobnych tendencji obserwowanych na całym świecie, takich jak europejskie regulacje dotyczące ekoprojektu, które narzucają minimalne standardy efektywności dla systemów silnikowych i napędowych (Norma IEC 60034-30-1). W miarę jak coraz więcej tych międzynarodowych regulacji wchodzi w życie, fundamentalnie zmieniają one sposób projektowania, eksploatacji i konserwacji systemów HVAC na całym świecie, kładąc większy nacisk na technologie oszczędzające energię.

VFD i silniki PM

Jednym z kluczowych elementów spełnienia tych wymagań jest użycie napędów o zmiennej częstotliwości (VFD), które odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu efektywności energetycznej systemów HVAC poprzez optymalizację wydajności takich komponentów jak wentylatory zasilające, kompresory i pompy.

W przypadku wentylatorów, na przykład, VFD mogą kontrolować przepływ powietrza, aby odpowiadać na specyficzne potrzeby grzewcze lub chłodzące. W przypadku kompresorów mogą regulować zdolność chłodzenia, aby dostosować się do zmieniających się obciążeń cieplnych, zapewniając efektywne wykorzystanie energii i utrzymując idealne warunki wewnętrzne nawet w zmieniających się warunkach. Podobnie, w systemach hydraulicznych, VFD precyzyjnie dostosowują przepływy pomp na podstawie rzeczywistych wymagań, zwiększając efektywność systemu i przyczyniając się do znaczących oszczędności energii.

Dzięki integracji VFD, systemy HVAC działają bardziej efektywnie, ekonomicznie i niezawodnie, spełniając nowoczesne standardy środowiskowe i energetyczne, a to wszystko poprawia się jeszcze bardziej przy zastosowaniu silników PM.

Tradycyjne silniki indukcyjne działają, wykorzystując część dostarczonej energii do namagnesowania wirnika w celu wytworzenia momentu obrotowego silnika. Wirniki w silnikach PM są wykonane m.in. z magnesów trwałych i co za tym idzie nie wymagają energii do ich magnesowania. Oznacza to, że są w stanie oferować wysoką efektywność i wyjątkową wydajność przy różnych prędkościach i obciążeniach, co w połączeniu z ulepszoną kontrolą oferowaną przez VFD, znacznie podnosi ogólną wydajność systemu dzięki 'prawom podobieństwa'.

Podobieństwo do efektywności

Prawa podobieństwa są zasadami dynamiki płynów, które opisują, jak zmiany prędkości pompy lub wentylatora wpływają na przepływ, ciśnienie i zużycie energii. Konkretnie, przepływ płynu jest bezpośrednio proporcjonalny do prędkości urządzenia, podczas gdy ciśnienie lub wysokość podnoszenia wzrasta z kwadratem prędkości. Najważniejsze jest to, że zużycie energii jest proporcjonalne do sześcianu prędkości – rośnie wykładniczo.

Ta zależność wykładnicza oznacza, że nawet niewielkie redukcje prędkości mogą skutkować znaczącymi spadkami zużycia energii. Na przykład, zmniejszenie prędkości wentylatora/pompy o zaledwie 20% spowoduje zmniejszenie zużycia energii o prawie 50%.

W systemach HVAC, zdolność do precyzyjnego kontrolowania prędkości poprzez połączenie VFD i silników PM pozwala operatorom w pełni wykorzystać potencjał praw podobieństwa. To podejście nie tylko optymalizuje zużycie energii, ale również zwiększa ogólną wydajność i trwałość systemu, prowadząc do oszczędności kosztów serwisowania i zmniejszenia śladu węglowego.

Technologia przyszłości

Potencjał oferowany przez silniki z magnesami trwałymi PM jest znany od dziesięcioleci, ale tradycyjnie były one droższym wyborem ze względu na stosunkowo wyższe koszty i konieczność stosowania urządzeń do sprzężenia zwrotnego prędkości (znanych również jako enkodery) do efektywnej kontroli. Teraz, dzięki postępom w algorytmach sterowania silnikami, VFD mogą kontrolować silnik PM bez enkodera, redukując koszty.

W miarę jak koszty związane z produkcją i wdrażaniem technologii silników PM nadal spadają, te silniki stają się bardziej realną opcją do powszechnego użytku w przemyśle HVAC.

Ważne jest, że ta redukcja kosztów nie obniża jakości ani efektywności, ale sprawia, że technologia jest dostępna dla szerszej gamy zastosowań, promując przyjęcie bardziej ekologicznych technologii. Przystępność cenowa, w połączeniu z wysoką wydajnością, sprawia, że silniki PM są coraz bardziej atrakcyjnym wyborem dla nowoczesnych systemów HVAC.

Ta zmiana nie tylko wspiera globalne cele związane z oszczędzaniem energii, ale także odpowiada interesom ekonomicznym firm i konsumentów, którzy chcą obniżyć koszty energii i zwiększyć niezawodność systemu.