Energieeffiziente Ventilatoren mit und ohne Spiralgehäuse · PDF fileRLM EVO liegen schon heute deutlich über den Mindestwerten RLM EVO im Detail 62 von 2015 !

Energieeffiziente Ventilatoren mit und ohne Spiralgehäuse

1

Neue Effizienzklassen für Ventilatoren und

Antriebsmotoren

Dr.-Ing. Johannes Anschütz

� Der Ventilator in der RLT-Zentrale

� Richtlinien und Anforderungen

� Alternativen für den Geräteeinbau

2

� Die neue Generation freilaufender Räder

Der Ventilator in der RLT-ZentraleInvestitionskosten / 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

Der Ventilator in der RLT-Zentrale

Investitionskosten / Betriebskosten

Beispiel:

Ventilator: RLM E6-4550-4W-21

System-Leistungsaufnahme Pe 4.0 kW

Betriebsstunden p.a. 5000 h

Investitionskosten

Betriebskosten

4

Betriebsstunden p.a. 5000 h

Strompreis 0,15 / kWh

Stromkosten pro Jahr € 3.000,-Stromkosten nach 10 Jahren € 30.000,-

Anschaffungskosten: 1.500,-

Die Investitionskosten des Ventilators betragen 5% der Betriebskosten nach 10 Jahren (noch ohne Wartungskosten)!

Richtlinien und Anforderungenfür Ventilatoren in der Luft- und Klimatechnik

� Technische Lieferbedingungen Ventilatoren - DIN 24166

� Spezifische Ventilatorleistung – SFP-Faktor (EN 13779)

5

� Spezifische Ventilatorleistung – SFP-Faktor (EN 13779)

� Ventilatorsystem-Wirkungsgrad

� ERP-Richtlinie zu Ventilatoren (Effizienz-Grenzwerte 2013 / 2015)

Technische Lieferbedingungen Ventilatoren -DIN 24166

Die DIN 24166 regelt die technischen Lieferbedingungen für Ventilatoren mit den erforderlichen Angaben des Bestellers wie auch des Lieferanten.

6

Bestellers wie auch des Lieferanten.

Des weiteren sind in dieser DIN Genauigkeitsklassen festgelegt, welche die zulässigen Toleranzen von Ventilatoren regeln.

Einflussfaktoren auf die Genauigkeit der Leistungsdaten:

Höchste Präzision und Wiederholgenauigkeit in der Fertigung!

7

z.B. Schweißroboter in der Laufradfertigung

z.B. Roboter in der automatisierten

Gehäusefertigung

BetriebswerteGrenzabweichung in Klasse

0 (AN1) 1 (AN2) 2 (AN3) 3 (AN4)

Volumenstrom qv

±1% ±2.5% ±5% ±10%

Druckerhöhung ±1% ±2.5% ±5% ±10%

Genauigkeitsklasse nach DIN 24 166 (ISO 13 348)*

8

Druckerhöhung ∆p

±1% ±2.5% ±5% ±10%

Antriebsleistung P

+2% +3% +8%+ +16%

Wirkungsgrad η

-1% -2% -5% -(-12%)

A-Schallleistungs-

pegel LWA

+3dB(+2dB)

+3dB +4dB +6dB

* = ISO 13 348 mit anderen Bezeichnungen und geringfügig anderen Werten.

Genauigkeitsklasse -Auswirkungen auf die Katalogangaben

Betriebspunkt mit zulässigem Toleranzbereich

9

zulässigem Toleranzbereich

z.B. Genauigkeitsklasse 1 +/- 2,5 %

z.B. Genauigkeitsklasse 2 +/- 5 %

bzw. Toleranzbereich der Kennlinie

qV

Spezifische Ventilatorleistung (EN 13779)( SFP- Faktor „Specific Fan Power“ )

SFP =P1

qv[W/(m³/s)]

SFP spezifische Ventilatorleistung [W/(m³/s)]

P System-Leistungsaufnahme [W]

10

P System-Leistungsaufnahme [W]

qv Luftvolumenstrom [m³/s]

Die spezifische Ventilatorleistung ist somit dieaufgenommene elektrischen Wirkleistung im Verhältnis zum geförderten Volumenstrom.

Spezifische Ventilatorleistung (EN 13779)

(Energieeinsparverordnung)

P1 ∆∆∆∆pSFP = =

qV ηηηηSystem

Kategorie SFP [Ws/m³]

SFP-1 <500

SFP-2 500-700

SFP-3 750 - 1250

SFP-4 1250 -2000

11

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!

SFP-5 2000 - 3000

SFP-6 3000 - 4500

SFP-7 >4500

Spezifische Ventilatorleistung (EN 13779)

∆∆∆∆p = SFP x ηηηη ∆∆∆∆p = 2000 x 0,70

Eine Anlage mit WRG soll in der Kategorie SFP 4 betrieben werden.Welche max. Druckerhöhung ist zulässig, wenn der Ventilatorwirkungsgrad 70% beträgt?

12

∆∆∆∆p = SFP x ηηηηSystem∆∆∆∆p = 2000 x 0,70

= 1400 Pa

Der Ventilator darf mit einer max. Druckerhöhung von 1400 Pa betrieben werden!

e

Ventilatorsystem - Wirkungsgrad

vom Einzel- zum Systemwirkungsgrad

13

e

In Anlehnung an ISO 5801 ergeben sich abhängig von der Ventilatorart unterschiedliche Wirkungsgrade.

Ventilatorsystem - Wirkungsgrad

14

Diese Angaben finden Sie in in den jeweiligen Herstellerunterlagen.

In den meisten Fällen sagen diese Angaben jedoch nichts über den Systemwirkungsgrad aus.

Der Wirkungsgrad des Ventilatorsystems,das Maß für die Wirtschaftlichkeit:

Ventilatorsystem:

15

� Ventilator

� Antrieb

� Regelung

� Einbausituation

� Betriebsweise

ηηηηe = ηηηηa ⋅η⋅η⋅η⋅ηMotor ⋅η⋅η⋅η⋅ηRiementrieb ⋅η⋅η⋅η⋅ηFU

Ventilator Systemwirkungsgrad

16

ηηηηe = ηηηηa ⋅η⋅η⋅η⋅ηMotor ⋅η⋅η⋅η⋅ηRiementrieb ⋅η⋅η⋅η⋅ηFU

Ventilator-Wirkungsgradauf Wellenleistung bezogen

Systemkomponenten – Verlustanteile z.B. Ventilatormit Riemenantrieb und Regelung


17

4%

4%65%


Systemkomponenten; Verlustanteile direktgetrieben

18

Verluste

3% 8%(10%)

22%

PM~67%IE2 – 65 %Frequenzumrichter Motor

Ventilator,Aerodynamik

100%

Systemwirkungsgradvergleich(s

tatis

ch)

19

Bedeutung Systemwirkungsgrad

Für die Bewertung der Ventilatorqualität in

Bezug auf die Energieeffizienz ist allein der

20

Systemwirkungsgrad

aussagefähig!

Was ist die ErP-Richtlinie?

„ErP“ steht für „Energy related Products“ . Ziel der ErP-Richtlinie2009/125/EC ist es, durch eine umweltgerechte Gestaltung(„Ökodesign“ ) den Energieverbrauch dieser Produkte zu senken.Zu diesem Zweck werden für jede Produktgruppe EU-weit gültigeStandards festgelegt.

21

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.

Wie wirkt sich die ErP-Richtlinie auf Ventilatoren aus?Die vorgeschriebenen Wirkungsgrade für Ventilatoren werden

ErP – Richtlinie - Ventilatoren

22

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.

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


23

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.


Radialventilatoren mit

rückwärtsgekrümmten

Schaufeln

Radialventilatoren mit

vorwärtsgekrümmten

Schaufeln

Effizienzgrade „N“

24

Jahr

ohne

Gehäuse

mit

Gehäuse

mit

Gehäuse

statisch statisch total statisch total

2013 58 58 61 37 42

2015 62 61 64 44 49

Komplettsysteme von Nicotra Gebhardt

Nicotra Gebhardt liefert Komplettsysteme im Sinne der ErP-RichtlinieFür den Vergleich der Systeme wird die Gesamteffizienz ηe des Ventilators ohne Drehzahlregelung betrachtet.


25


ηηηηe = Pu(s) / Pe

Gesamt Effizienz VentilatorgasleistungIm Energieeffizienz-Optimum

Eingangsleistung Motor im Energie-effizienz Optimum

26

Ist die Drehzahlregelung im System enthalten, wird sie über den „Teillast-Kompensationsfaktor“ Cc berücksichtigt (siehe nachfolgende Darstellung):

ηe = Pu(s) / P e(d)· Cc

Cc = Teillastkompensationsfaktor Pe(d) = Eingangsleistung Drehzahlregelung

im Energieeffizienzoptimum


ohne Drehzahlregelung: Cc = 1

mit Drehzahlregelung, Eingangsleistung > 5 kW:

Cc = 1,04

Cc = Teillastkompensationsfaktor

27

Eingangsleistung > 5 kW:

mit Drehzahlregelung, Eingangsleistung < 5 kW:

Cc = - 0,03 ln(Pe(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)


28

Wenn nicht Komplettsysteme betrachtet werden, sondern „vormontierte Ventilatoren“ , errechnet sich die Gesamteffizienz nach folgender Formel:

ηe = ηr·ηm·η T·Cm·Cc

Cm = Kompensationsfaktor für die Bauteilabstimmung:

Cc = Teillastkompensationsfaktor (siehe vorherige Seite)

Cm =·0,9

Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnohne Gehäuse

RLM EVO

Direktgetriebener Direktgetriebener


RLE EVO

29

DirektgetriebenerRadialventilatormit IEC-Standardmotor (IE2)oder Brushless-DC-Inneläufermotormit integrierteroder externer Steuerelektronik

DirektgetriebenerRadialventilatormit AC- oder Brushless-DC-Außenläufermotormit integrierterSteuerelektronik

Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnohne Gehäuse


30

Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnmit Gehäuse

z.B. RZA z.B. RZR


31

DirektgetriebenerRadialventilatormit AC- oder Brushless-DC-Außenläufermotormit externeroder integrierter Steuerelektronik

RiemengetriebenerRadialventilatormit IEC-Standardmotor (IE2)oder Brushless-DCInneläufermotormit integrierteroder externer Steuerelektronik

z.B. RZA z.B. RZR

Bei unseren Gehäuseventilatoren mit

Radialventilatoren mit rückwärtsgekrümmten Schaufelnmit Gehäuse


32

Radiallaufrad und rückwärtsgekrümmten Schaufeln liegt eine Vielzahl möglicher Komplettsysteme heute schon über den geforderten Werten von 2013 und 2015

Radialventilatoren mit vorwärtsgekrümmten Schaufelnmit Gehäuse

z.B. DDMB z.B. ADH


33

DirektgetriebenerRadialventilatormit AC- oder Brushless-DC-Außenläufermotormit externerSteuerelektronik

RiemengetriebenerRadialventilatormit IEC-Standardmotor (IE2)oder Brushless-DC-Inneläufermotormit integrierteroder externer Steuerelektronik

z.B. DDMB z.B. ADH

Bei unseren Gehäuseventilatoren mit Radiallaufrad und

Radialventilatoren mit vorwärtsgekrümmten Schaufelnmit Gehäuse


34

Radiallaufrad und vorwärtsgekrümmten Schaufeln liegt eine Vielzahl möglicher Komplettsysteme heute schon über den geforderten Werten von 2013 und 2015

Unser Programm für den Geräteeinbau

- unterschiedliche Ventilatorbauarten miteffektiven Antriebstechniken

35

Bildquelle: Alko-Broschüre

Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln-Direktantrieb

(Freilaufendes Rad / Plug Fan)RLM EVO

- Standard - Innenläufermotor IE2- Brushless DC - Innenläufermotor

Radialventilator ohne Gehäuse

36

- Brushless DC - Innenläufermotor


(Freilaufendes Rad / Plug Fan)RLE EVO

- Brushless DC – Außenläufermotormit integrierter Elektronik

Radialventilator ohne Gehäuse

37

mit integrierter Elektronik

Radialventilator mit Gehäuse

Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln-Direktantrieb über Reifenkupplung

RZM- Standard - Innenläufermotor IE2- Brushless DC - Innenläufermotor

38




RZA / RZP- Brushless DC-Außenläufermotor- AC-Außenläufermotor

39

- AC-Außenläufermotor


Radiallaufrad mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln-Direktantrieb

DDM / DDMB- Brushless DC-Außenläufermotor- AC-Außenläufermotor

40

- AC-Außenläufermotor


Radiallaufrad mit rückwärtsgekrümmten Schaufeln-Riemenantrieb über Flachriemen

RZR- Standard - Innenläufermotor IE2- Brushless DC - Innenläufermotor

41


RZMRLM EVO

Übersicht - Einbauventilatoren mit Direktantrieb

RLE EVO

42

Das komplette Programm für Zentral-Klimageräte (OEM)

RZA/RZP

DDMB

Übersicht - Einbauventilatoren mit Riemenantrieb

RDH ADH/AT

RZR 15

43

Das komplette Programm für Zentral-Klimageräte (OEM)RZR 13

Direktantrieb Riemenantrieb

Antriebssysteme

Ventilator Antriebssysteme

44

Keilriemenantrieb

Flachriemenantrieb

Einbaumotor Normmotor

AC BL-DC+

.

Anforderungen nach IEC 60034-30

Die „International Electrotechnical Commission“ (IEC) hat eine neue Norm für energieeffiziente Motoren eingeführt.

Dadurch werden Motoren bezüglich ihrer Effizienz international


45

Dadurch werden Motoren bezüglich ihrer Effizienz international vergleichbar.

IEC 60034-30 definiert drei Wirkungsgradklassen von Drehstrommotoren mit Käfigläufern (2-, 4- und 6-polig) und harmonisiert damit unterschiedliche Normen der Wirkungsgradklassen für Asynchronmotoren.

.- Anforderungen nach IEC 60034-30- Bestimmung durch ErP

Die IEC-Norm bestimmt nicht,


46

Die IEC-Norm bestimmt nicht, welche Effizienzklasse eingesetzt werden muss, dies bestimmt die ErP-Richtlinie in ihrer Durchführungsverordnung-Motoren 640/2009!

Welche Motoren fallen unter die Bestimmung ?

Motorausführung:Drehzahl: eintourigSpannung: dreiphasigFrequenz: 50 Hz und 60 Hz


47

Frequenz: 50 Hz und 60 HzPolzahl: 2-, 4- oder 6-poligNennleistung: von 0,75 bis 375 kWNennspannung: bis 1000 V

Betriebsart S1 (Dauerlast) oder S3 (Aussetzbetrieb) mit einem Bemessungsfaktor für die relative Einschaltdauer von mindestens 80 %

Vorgegebener Zeitplan: (Durchführungsverordnung Motoren 640/2009)

IE2 = Hoher Wirkungsgrad (0,75 bis 375kW) seit 16.06.2011

lE3 = Premium Wirkungsgrad (7,5 kW bis 375kW) ab 01.01.2015oder in Kombination mit FU und IE2-Motor


48

lE3 = Premium Wirkungsgrad (0,75 kW bis 375kW) ab 01.01.2017oder in Kombination mit FU und IE2-Motor

IE-Wirkungsgradklassen (IE International Efficiency)

Standard-Wirkungsgrad: IE1 - vergleichbar mit ehem. EFF2Hoher Wirkungsgrad: IE2 - vergleichbar mit ehem. EFF1Primium-Wirkungsgrad: IE3

Ventilator Antriebssysteme Wirkungsgrad-Veränderungen von EFF.. zu IE..

nach ErP Richtlinie 2009/125/EG am Beispiel des 4-poligen Motors

49

Ventilator AntriebssystemeMotorwirkungsgrade im Vergleich

50

Ventilator AntriebssystemeSystemwirkungsgrad in Teillast

z.B. RLM

51

Flachriemen

Keilriemen96

98

100

Wirk

ungs

grad

Rie

men

trie

b (%

) (Hocheffizienzantrieb)

Ventilator AntriebssystemeWirkungsgrade Riementrieb

52

Riementriebs-Wirkungsgrad

86

88

90

92

94

0,1 1 10 100

Motor - Nennleistung (kW)

Wirk

ungs

grad

Rie

men

trie

b (%

)

Flach

Keil

(Niedrigeffizienzantrieb)

RLM EVO

Die neue Generation freilaufender Räder

RLE EVO

53

RLE EVO

Der neue RLM EVO

- weniger Energieverbrauch- weniger Kosten- weniger Geräusch

54

Varianten mit brushless PM-Innenläufermotor mit integrierter oder externer Elektronik, oder IE2 Motoren,

Der neue RLE EVO

RLE E3RLE E6

55

Varianten mit brushless PM-Außenläufermotoren, mit integrierter Elektronik

Profilierung der Schaufel

� verbesserte Zuströmung

� höherer Spitzenwirkungsgrad

� größerer Optimalbereich

RLMEVO im Detail

56

� größerer Optimalbereich

� reduzierte Geräuschentwicklung

� höhere Festigkeit

Optimierte Eintrittsgeometrie mit verbesserter ZuströmungRLMEVO im Detail

57

Unprofilierte Schaufel Profilierte Schaufel

RadialdiffusorStrömungsführung mit Querschnitts-erweiterung

Kennlinie mit und ohne Radialdiffusor

RLMEVO im Detail

58

Steigerung der statischen Druckerhöhung bei nahezu unveränderter Leistungsaufnahme ⇒ verbesserte Wirkungsgrade

Der Radialdiffusor ist um einen Normsprung (12 %) größer als der Nenndurch-messer

Verbesserte Geschwindigkeitsverteilung am Austritt des Rades

RLMEVO im Detail

59

Bisheriger SerienventilatorRLM 56

Neuer Ventilator RLMEVO

Mittlere Geschwindigkeit -11 %Gleichmäßigere Verteilung

MotorkonzepteIntegrierte Steuerelektronik(aufgesetzt)

AS

-Mo

tor

PM

-Mo

tor

RLMEVO im Detail

60

Einbaumodul mit High-Efficiency-Motor (IE2)

Einbaumodul mit Permanent-magnet-Motor (Premium-Efficiency-Motor IE3/IE4), integrierte (oder externe) SteuerelektronikHöchste Wirkungsgrade, bestesTeillastverhalten

Motorwirkungsgrade – Vergleich der unterschiedlichen Antriebe

AS-Motor mit externem Frequenzumrichter

PM-Motor

RLMEVO im Detail

61

PM-Motor mit integrierter (oder externer) Steuer-elektronik

AS-Motor

Systemwirkungsgrade –Vergleich mit Mindestwerten nach EU-Verordnung (ErP-Richtlinie)*

Die Wirkungsgrade der neuen Baureihe RLMEVO liegen schon heute deutlich über den Mindestwerten

RLMEVO im Detail

62

den Mindestwerten von 2015 !

* Vergleich für Ventilatornenngrößen von 280...710 mm, Wirkungsgrade der Ventilatoren ohne Steuerelektronik

Voraussetzung für CE-Kennzeichnung

Vergleich mit Gehäuseventilator RZR

RLMEVO E6-2528 (Nenngröße 280)Motor: 1,1 kW - 2poligN= 3546 1/minP = 1,31 kW

RZR 11-0250 rotaventMotor: 1,5 kW - 2poligN= 3197 1/minP = 1,35 kW

Kleine Ventilatorbaugrößen mit geringen LeistungenZ.B.: qV=2700 m³/h bei psF=1000 Pa

RLMEVO im Detail

63 Beide Ventilatortypen sind mit „High Efficiency“ -Motoren (Klasse IE2) ausgestattet.

Pe= 1,31 kWηse= 57 %LWA,Austritt= 83 dB LWA,Eintritt= 78 dB

Pe= 1,35 kWηse= 56 %LWA,Austritt= 84 dB LWA,Eintritt= 84 dB

Vergleich mit Gehäuseventilator RZR

RZR 11-0630 rotaventMotor: 7,5 kW - 4poligN= 1222 1/min

RLMEVO E6-6371 (Nenngröße 710)Motor: 7,5 kW - 4poligN= 1427 1/min

Größere Ventilatorbaugrößen mit höheren LeistungenZ.B.: qV=16700 m³/h bei psF=1000 Pa

RLMEVO im Detail

64 Beide Ventilatortypen sind mit „High Efficiency“ -Motoren (Klasse IE2) ausgestattet.

N= 1222 1/minPe= 6,73 kWηse= 69 %LWA,Austritt= 84 dBLWA,Eintritt= 84 dB

N= 1427 1/minPe= 6,97 kWηse= 67 %LWA,Austritt= 86 dB LWA,Eintritt= 81 dB

Ventilator mit Permanentmagnet-Einbaumotor

Merkmale

� kompakte Bauweise

� integrierte Steuerelektronik, regelbar

� unterschiedliche Einbaulagen möglich

RLEEVO im Detail

65

� unterschiedliche Einbaulagen möglich

� für Niederdruckanwendungen

RLE E3 RLE E6

Ventilator mit Permanentmagnet-Einbaumotor

Einbaumotor Integrierte Steuerelektronik

RLEEVO im Detail

66

Profiliertes Laufrad

Einström-düse

Tragkonstruktion

Einfluss des Einbaumotors auf das Stromfeld→ Geschwindigkeitsverteilung

DüseDeckscheibe

RLEEVO im Detail

67

Einbaumotor

Laufrad ohne Einbaumotor Laufrad mit Einbaumotor

Erreichbare SystemwirkungsgradeVergleich Laufräder ohne Gehäuse mit verschiedenen Antriebskonzepten RLE und RLE EVO

Systemwirkungs-grade – Vergleich mit Mindestwerten nach EU-Verordnung

60

70

80

68

Verordnung327/2011 (ErP),ohne Steuer-elektronik

0

10

20

30

40

50

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

Sta

tisc

her

Sys

tem

wir

kun

gsg

rad

%

Aufgenommene Leistung kW

Einfluss eines Einbaumotors auf die Kenndaten

RLEEVO im Detail

69Beispiel: Baugröße 355, Druckerhöhung im Optimum etwa 900 Pa

Einfluss eines Einbaumotors auf die KenndatenBEISPIEL:Baugröße 315, Druckerhöhung im Optimum etwa 1000 Pa

RLEEVO im Detail

RLMEVO

70

RLEEVO

71

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Documents

Energieeffiziente Ventilatoren mit und ohne Spiralgehäuse · PDF fileRLM EVO liegen schon heute deutlich über den Mindestwerten RLM EVO im Detail 62 von 2015 !