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Feb 04, 2024

Den Ventilator verstehen

Lernziele Ventilatoren verbrauchen etwa 18 % des in Gewerbe- und Industriegebäuden eingekauften Stroms. Die meisten kommerziellen Ventilatoren verbrauchen zudem ihre Anschaffungskosten in weniger als einem Jahr an Energiekosten.

Lernziele

Ventilatoren verbrauchen etwa 18 % des in Gewerbe- und Industriegebäuden eingekauften Stroms. Die meisten kommerziellen Ventilatoren verbrauchen zudem ihre Anschaffungskosten in weniger als einem Jahr an Energiekosten. Während die Lüftereffizienz je nach aerodynamischer Form variiert, hat die Unterdimensionierung von Lüftern zur Reduzierung der Anschaffungskosten einen stärkeren negativen Einfluss auf die Lüftereffizienz. Aus diesem Grund erwägt das US-Energieministerium (DOE) einen neuartigen Ansatz, der neben einem verbesserten aerodynamischen Design auch die Anpassung der Ventilatoren belohnen würde.

Consulting-Specifying Engineer veröffentlichte im Juni den ersten Teil dieser Reihe, in dem die spitzenbasierten Kennzahlen „Fan-Efficiency-Grade“ und „Fan-Motor-Effizienzgrad“ (FEG und FMEG) erläutert wurden. Diese sind in ISO 12759 und der Norm 205 der Air Movement and Control Association International (AMCA) dokumentiert, wurden jedoch von den Ventilatorherstellern in ihrer Konsensempfehlung an das DOE nicht ausgewählt. Gemäß den Konditionen, die sich aus einer öffentlichen, vom DOE gesponserten Verhandlung des Federal Advisory Committee (ASRAC) zur Festlegung von Appliance Standards Rulemaking ergeben, wird erwartet, dass das DOE eine neue Kennzahl für die Ventilatoreffizienz einführt, die als Fan Energy Index (FEI) bezeichnet wird. FEI ist das Verhältnis der vom DOE-Standard maximal zulässigen Leistung zur tatsächlichen Leistung der Lüfterauswahl bei jeder (beliebigen) Kombination aus Luftstrom und Druckanstieg und nicht an einem oder mehreren definierten Testpunkten (z. B. dem von FEG verwendeten Spitzenwirkungsgrad). und FMEG oder ein anderer definierter Durchfluss und Druck).

Die FEI-Metrik, die nur für Lüfter und Lüfter/Motor- oder Lüfter/Motor/Antriebs-Kombinationen gilt, erweitert effektiv den herkömmlichen DOE-Regulierungsansatz über das Lüfterdesign hinaus und berücksichtigt Motor, Getriebe, Antrieb mit variabler Drehzahl und Lüfterauswahl. Dieser neue Ansatz wird sich auf Modellcodes und -standards für Energieeffizienz auswirken, darunter den ASHRAE-Standard 90.1: Energiestandard für Gebäude mit Ausnahme von niedrigen Wohngebäuden, den ASHRAE-Standard 189.1: Standard für die Gestaltung leistungsstarker umweltfreundlicher Gebäude und die International Energy Conservation Code.

Status und Zeitpunkt der DOE-Regel

Das DOE gab am 30. Juni 2011 seine Absicht bekannt, die Effizienz kommerzieller und industrieller Ventilatoren zu regulieren. Seitdem arbeitete die AMCA daran, einen Konsens zu entwickeln, der für Ventilatorhersteller und Effizienzbefürworter akzeptabel war, darunter der National Resource Defense Council und der American Council for an Energy -Efficient Economy, Appliance Standards Awareness Project, Northeast Energy Efficiency Association, südkalifornische Versorgungsunternehmen und andere. Ziel der Effizienzbefürworter war es, möglichst viel Energie einzusparen. Für Ventilatorenhersteller lautete die strategische Absicht:

Zehn AMCA-Mitglieder, sieben HVAC-Hersteller (Mitglieder und Mitarbeiter des Air-Conditioning, Heating & Refrigeration Institute), vier Effizienzbefürworter und Vertreter des National Environmental Balancing Bureau, des Cooling Technology Institute, der National Electrical Manufacturers Association und des DOE nahmen an 19 teil Sitzungstage zwischen Mai und September 2015. Die abschließende Konsensabstimmung zeigte, dass alle bis auf zwei Teilnehmer ein umfassendes Konditionsblatt unterstützten. Wir gehen davon aus, dass das Konsens-Termsheet als Leitfaden für den Entwurf des DOE zur Regelung der Ventilatoreffizienz dienen wird, der sehr bald veröffentlicht wird.

Die endgültige Regel wird fünf Jahre nach der Veröffentlichung der endgültigen Version verbindlich. Das DOE wird die Hersteller jedoch dazu auffordern, die DOE-Metrik und den Teststandard früher zu verwenden, und Zertifizierungen früher annehmen (wahrscheinlich im Jahr 2017), sodass die Rabattprogramme für Ingenieure und Versorgungsunternehmen damit beginnen können Geben Sie DOE-zertifizierte Effizienzniveaus 3 bis 4 Jahre früher an.

Berechnung der Compliance

Alle Ventilatoren, die unter Betriebsbedingungen zum Verkauf angeboten werden, die 1 bis nominell 200 PS Bremsleistung erfordern, fallen unter die Regelung, es sei denn, sie stehen auf einer Ausschlussliste. Das Merkblatt empfiehlt eine lange Liste von Ausschlüssen, entweder weil die Lüfterenergie bereits Teil einer anderen DOE-Verordnung ist, die Lüfteranwendung ein Design erfordert, das die Effizienz beeinträchtigt, oder weil der Lüftertyp so selten verwendet wird, dass sein Gesamtenergieverbrauch trivial ist.

Der DOE-Standard legt eine maximale Eingangsleistung fest (genannt FEPstd oder elektrische Eingangsleistung des Ventilators), die je nach Durchfluss und Druck am Auslegungspunkt des Ventilators variiert. Das bedeutet, dass die Verordnung für eine unendliche Reihe von Bedingungen gilt, die die zum Verkauf angebotenen besonderen Design-/Auswahlpunkte (Luftströme und Druckanstiege) definieren. Die vom DOE am Auslegungspunkt maximal zulässige Lüfterwellenleistung wird gemäß der folgenden Gleichung berechnet:

Beispiellos, aber kein Präzedenzfall

Bei allen denkbaren Betriebsbedingungen kommt keine andere DOE-Vorschrift zur Anwendung. Andere Regeln wählen repräsentative Testbedingungen, die einen angemessenen Indikator für die relative Effizienz eines Produkts während des Betriebs liefern.

Leider verhält sich die Effizienz eines Ventilators nicht wie die Effizienz anderer Produkte. Jeder Ventilator kann sowohl sehr effizient als auch sehr ineffizient sein, je nachdem, mit welchem ​​Durchfluss und Druck er arbeitet. Dies macht den traditionellen Regulierungsansatz wirkungslos. Aus diesem Grund muss der DOE-Regulierungsstandard auf alle Betriebsbedingungen angewendet werden. Die Zertifizierung der Lüfterleistung muss außerdem bei allen Betriebsbedingungen erfolgen, die im regulierten Bereich zum Verkauf angeboten werden.

Für diejenigen außerhalb der Fanbranche mag dies wie eine unzumutbare regulatorische Belastung erscheinen, nicht jedoch für diejenigen, die Fans herstellen, bewerten und verkaufen. Lüfter unterliegen wohlgeordneten physikalischen Gesetzen, die zusammenfassend als „Lüftergesetze“ bezeichnet werden. Sie ermöglichen es, einen 20-minütigen Lüfterlabortest mit einer Geschwindigkeit durchzuführen und diesen Lüfter und andere größere Lüfter bei ungetesteten Geschwindigkeiten genau zu bewerten.

Die besondere Natur der Lüftereffizienz (die je nach Bedingungen fast alles sein kann) geht mit dem Segen von Lüftergesetzen einher, die eine Möglichkeit bieten, mit dieser Herausforderung umzugehen. Ohne diese Gesetze wäre eine Regulierung zur Steigerung der tatsächlichen Lüfterbetriebseffizienz nicht praktikabel.

Ventilator-Energieindex

Während das DOE die Einhaltung streng anhand der FEP (elektrische Leistung des Lüfters; der Lüfterbaugruppe zugeführte elektrische Leistung) beurteilt, beschreibt der DOE-Teststandard FEI als das Verhältnis des FEP-Standards (maximal zulässige Leistungsaufnahme, wie oben beschrieben) zum FEP (tatsächliche Leistungsaufnahme) des Lüfters am Auslegungspunkt. Dieses Verhältnis beträgt für alle konformen Lüfterauswahlen 1,0 oder mehr. AMCA geht davon aus, dass FEI-Bewertungen die gebräuchlichste Beschreibung der Lüftereffizienz auf dem Markt sein werden, da FEI diesen FEP-Standard, wie er in der ersten DOE-Regel definiert ist, als Maßstab verwendet, mit dem die Lüftereffizienz dauerhaft verglichen wird. Wir gehen davon aus, dass die DOE-Verordnung vorschreiben wird, dass die FEI-Bewertungen an FEP-Werte gebunden sein müssen, die vom Hersteller dem DOE zertifiziert wurden.

Einzelheiten zur FEI-Metrik sind in einem AMCA-Whitepaper dokumentiert, das auf der Website der AMCA heruntergeladen werden kann. Die Nomenklatur von DOE unterscheidet sich geringfügig von der im Weißbuch – DOE bezieht sich auf FEI, das Motor- und Antriebsverluste umfasst, während sich das AMCA-Papier auf das Fan-Efficiency-Verhältnis (FER) bezieht, das nur den Lüfter berücksichtigt.

Ein Lüfter mit variabler Drehzahl muss dennoch den Design-Point-FEP-Anforderungen entsprechen. Mit anderen Worten: Das DOE reguliert nur auf der Grundlage des FEP am Entwurfspunkt (volle Geschwindigkeit), kann jedoch die Verwendung eines überhöhten FEI in Marketingmaterialien und Produktetiketten genehmigen, die von einer variablen Geschwindigkeitssteuerung profitieren.

FEI-Anforderungen werden auch in Ingenieurspezifikationen, Rabattprogrammen, in Stretchcodes und in ASHRAE-Standards erscheinen, bevor die DOE-Regel in Kraft tritt. Rabattprogramme erfordern wahrscheinlich eine DOE-Zertifizierung von FEP und die Einhaltung der DOE-Teststandardanforderungen.

Zieleffizienz

Effizienzbefürworter und AMCA empfahlen gemeinsam dem DOE, Zieleffizienzen so festzulegen, dass die gewichtete durchschnittliche Nichteinhaltungsrate der im Jahr 2012 verkauften Ventilatorauswahl nicht mehr als 25 % beträgt und die Nichteinhaltungsrate der Auswahl in den folgenden Kategorien die unten aufgeführten Werte nicht überschreitet:

AMCA stellte dem Lawrence Berkeley National Lab, das die Daten für das DOE analysierte, eine Datenbank mit 1,3 Millionen Ventilatorauswahlen zur Verfügung, die im Jahr 2012 verkauft wurden. Dies entsprach 46 % des US-amerikanischen Marktes im regulierten Bereich. Diese Datenbank ermöglichte die Analyse einer statistisch signifikanten vertraulichen Stichprobe des Marktes.

AMCA nutzte diese Datenbank auch, um zu schätzen, welche angestrebten Effizienzniveaus mit der durchschnittlichen Nichteinhaltungsrate von 25 % übereinstimmen, und um die höheren Grenzwerte für die oben beschriebenen Kategorien mit der geringsten Effizienz zu bestimmen. Die beste Prognose geht davon aus, dass der angestrebte statische Wirkungsgrad für nicht kanalisierte Ventilatoren 62 % an der Ventilatorwelle und der angestrebte Gesamtwirkungsgrad für kanalisierte Ventilatoren 68 % an der Ventilatorwelle betragen wird.

Beachten Sie, dass die Durchfluss- und Druckkonstanten in der FEP-Formel (250 cfm bzw. 0,4 Zoll Druckdifferenz) die bei niedrigeren Durchflussmengen und Drücken zulässige Leistungsaufnahme effektiv erhöhen. Die Strömungskonstante führt zu einem Ergebnis, das den FEG-Kurven ähnelt, wobei berücksichtigt wird, dass sehr kleine Lüfter (und niedrige Strömungen) aufgrund der Physik des Luftstroms weniger effizient sind. FEGs werden in AMCA 205 und ISO 12749 detailliert beschrieben. Die Druckkonstante erhöht die zulässige Leistung bei niedrigeren Druckniveaus und berücksichtigt die praktische Beschränkung des „Null-Wirkungsgrads bei „Null“-Differenzdruck. Niederdruckventilatoren hingegen verbrauchen mit zunehmendem Durchmesser weniger Leistung , ist es unpraktisch, Niederdruckventilatoren so anzutreiben, dass sie zu groß werden. Die Druckkonstante löst dieses Problem.

Hier ist eine andere Möglichkeit, sich das vorzustellen: Ein Lüfter, der mit 0,2 Zoll läuft. des statischen Drucks wird die Lüfterleistung auf ein Niveau begrenzt, das dreimal so hoch ist, wie es der angestrebte Wirkungsgrad vermuten lässt. (Beachten Sie, dass 0,2 plus eine Druckkonstante von 0,4 gleich 0,6 ist, was dreimal größer als 0,2 ist.) Mit anderen Worten: Wenn der Zielwirkungsgrad in der DOE-Formel 63 % wäre, würde die Betriebseffizienzanforderung für diese Auswahl bei 0,2 Zoll liegen. würde nur 21 % betragen. Für kleinere Ventilatoren und niedrigere Drücke mag dies wie ein unvernünftiges „Geschenk“ erscheinen, aber höhere Verluste bei geringen Durchflussmengen, niedrigen Drücken und bei kleinen Ventilatoren sind unvermeidlich. Die Druck- und Strömungskonstanten in der FEP-Formel stellen korrekt die tatsächliche Karte der Effizienzverschlechterung dar, die die effizientesten verfügbaren aerodynamischen Ventilatoren aufweisen, wenn Strömungen und Drücke abnehmen.

Das Aushärten einer nicht konformen Auswahl kann entweder mit einem größeren Lüfter oder einem aerodynamischeren Design erfolgen. Sowohl ein größerer Lüfter als auch eine bessere aerodynamische Form haben Kosten und strategische Auswirkungen für Lüfterhersteller und ihre Kunden. Die gute Nachricht ist, dass kompatible Ventilatoren heute in der Produktion verfügbar sind. Dies bedeutet, dass der Markt bestimmt, was die Lüfterkonkurrenten tun, um die Effizienz zu steigern, während das DOE die maximal zulässige Leistung vorschreibt und die Spezifikationen der Ingenieure dazu veranlasst, eine höhere Effizienz entweder mit einem größeren Lüfter oder einer aerodynamischeren Form zu fordern.

Wade W. Smith leitete die Regelverhandlungen des DOE für die Ventilatorenindustrie. Er berät nun HLK-Hersteller und Komponentenlieferanten zu verwandten Fragen. Klicken Sie hier, um an einem vierwöchigen Kurs zur Effizienz gewerblicher und industrieller Ventilatoren teilzunehmen.

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