Odborné články

Vysoce účinné ventilátory pro vzduchotechnické jednotky (AHU): Otázka účinnosti

Energetická účinnost vyjadřuje podle definice vztah mezi přijatou a vytvořenou energií. Totéž pravidlo samozřejmě platí i pro ventilátory. Stanovení, který ventilátor je nejúčinnější, však není tak jednoduché: Ventilátory jsou zařízení, která reagují na každou změnu, včetně podmínek instalace, změn otáček nebo změn tlakového poměru v důsledku znečištění filtru. Výsledkem je, že žádný ventilátor nefunguje vždy a na všech místech s tou „nejlepší účinností“.

Nejlepší volbou pro většinu vzduchotechnických jednotek jsou radiální ventilátory.

Výkon, hlučnost a účinnost každého ventilátoru závisí na geometrii oběžného kola, konstrukci skříně, rychlosti a průměru. Ve vzduchotechnických jednotkách (AHU) lze teoreticky použít radiální i axiální ventilátory. V obou případech je vzduch nasáván rovnoběžně s osou otáčení. Zatímco odtok vzduchu je u axiálních ventilátorů primárně rovnoběžný s osou, u radiálních ventilátorů je odváděn radiálně ze středu, tedy odstředivě. U obou konstrukcí je průtok vzduchu také přímo úměrný rychlosti, zatímco nárůst tlaku stoupá s druhou mocninou rychlosti. Vhodnost volby jednotlivých provedení závisí na použité aplikaci. Instalační a provozní podmínky jsou důležitými faktory, aby ventilátor pracoval s optimální účinností a s minimálními emisemi hluku.

Axiální ventilátor: rozumné řešení?

Axiální ventilátory pracují nejúčinněji, když přemisťují velké objemy vzduchu - například přes výměník tepla - do otevřeného prostoru při nízkých zpětných tlacích. Pro dosažení nejlepší možné účinnosti by mělo být axiální oběžné kolo ventilátoru umístěno v těle ventilátoru, které bylo aerodynamicky optimalizováno. Spolu s přední deskou a dodržením potřebného prostoru mezi sací a výstupní stranou to zajišťuje správné řízení průtoku. Charakteristická pracovní křivka typického axiálního ventilátoru je na obr. 1 označena modře. Axiální ventilátory proto dosahují optimální účinnosti při vysokých průtocích vzduchu a vykazují pak minimální hlučnost. Axiální ventilátory jsou citlivé na kolísání proudění vzduchu na vstupu, pokud není využito dalších opatření upravujících proudění. Často je také užitečné mít na výstupní straně vypouštěcí lopatku, aby se optimalizovala účinnost, což ale vyžaduje náročnější montáž a vede k větší celkové délce zařízení. Výstupní charakteristiky axiálních ventilátorů jsou ve srovnání s radiálními ventilátory velmi úzké, což je nevýhodou při použití následných filtrů nebo výměníků tepla. Pokud je však vzduch odváděn přímo, může to být naopak výhodou (obr. 2).

Radiální ventilátor: lepší volba

Radiální oběžná kola jsou méně citlivá na vlivy na straně vstupu a výstupu. Vývoj radiálních ventilátorů RadiPac společnosti ebm-papst, speciálně navržených pro použití ve vzduchotechnických jednotkách, zahrnoval nejen optimalizaci energetické účinnosti a emise hluku oběžného kola, motoru, řídicí elektroniky a skříně: byly zohledněny také skutečné podmínky instalace v jednotce. Výsledkem je tak ventilátor, který nevyžaduje složitou instalaci. Radiální ventilátory bez spirální skříně jsou navíc obzvláště flexibilní, pokud jde o různé varianty vyústění ven z jednotky. Jelikož ventilátory přivádějí vzduch do tlakové komory, je možné se připojit k potrubnímu systému prakticky ve všech směrech bez významných ztrát.

Jaká je definice účinnosti?

Teoreticky je účinnost definována jako poměr energie na výstupu a energie dodané na vstupu. V oblasti ventilační technologie se pak jedná o průtok vzduchu násobený zvýšením tlaku dělený spotřebou elektrické energie. Samotné tyto údaje však nezaručují, že specifikace výrobců budou vzájemně porovnatelné. Nejprve je důležité určit, jaké komponenty daný ventilátor obsahuje. Pokud se jedná pouze o oběžné kolo ventilátoru, nelze hodnoty účinnosti srovnávat s hodnotami kompletního ventilátoru sestávajícího z řídicí elektroniky, motoru a oběžného kola. Nestačí ani jednoduché vynásobení jednotlivých úrovní účinnosti komponent v jejich optimálním pracovním bodě. I když se to v praxi často děje, nelze očekávat, že všechny použité komponenty budou pracovat na své optimální účinnosti, přičemž výrobci komponent často poskytují právě pouze tyto optimální hodnoty. Získat hodnoty odpovídající chování při částečném zatížení a při snížené rychlosti je velice obtížné. Pro získání reálných informací o účinnosti musí být celá jednotka ventilátoru změřena jako celek.

η Ventilátoru ≠ η max Motoru * η max Oběžného kola * η max Elektroniky

Zpět k definici účinnosti. Výkon je definován vzájemným násobkem objemu vzduchu a zvýšení tlaku. Proud vzduchu, tj. objem vzduchu, je dán požadovaným průtokem. Nárůst tlaku lze zjistit z použitých prvků, kterými proudí vzduch, jako jsou filtry, výměníky tepla a další. Souhrnně se jedná o tzv. celkový tlak. Udává se jako statický tlak a je důležitý pro správný výběr ventilátoru.

V dnešní době jsou běžně používané také pojmy celkový tlak a zvýšení celkového tlaku. Celkový tlak je součtem statického a dynamického tlaku, a proto je vždy vyšší než samotný statický tlak. S těmito informacemi by mělo být při srovnávání účinnosti systémů ventilátorů zacházeno opatrně, neboť platí:

q V * p stat < q V * (p stat + p dyn)

η stat < η tot

Pro realistické srovnání účinnosti různých ventilátorů je tedy třeba provést jejich porovnání jako celku. Nejprve, jak je popsáno výše, jde o to, z jakých komponent se ventilátor skládá, a o definici tlaků použitých při výpočtu. Místo toho, abychom hovořili o procentuální účinnosti, je vhodnější porovnávat ventilátory pro konkrétní požadovaný průtok vzduchu v kombinace s předpokládanou spotřebou energie. Je také důležité vyhodnotit, jak bude ventilátor po instalaci fungovat s okolním prostředím. Tyto proměnné, nazývané ztráty při instalaci, mohou být pro různé typy ventilátorů a různé podmínky instalace poměrně důležité a je třeba je při výběru ventilátoru přidat k požadovanému (statickému) zvýšení celkového tlaku.

Axiální ventilátory mají mnohem horší výkon při vysokých otáčkách než radiální ventilátory bez spirální skříně. Měření provedená společností ebm-papst ukázala, že ani nejlepší axiální ventilátory na trhu nedosahují úrovně celkové účinnosti ani nízké hladiny hluku radiálních ventilátorů (obr. 3). Účinnost a hlučnost axiálních ventilátorů lze však výrazně zlepšit pomocí kombinace prvků tlumících hluk, difuzorů nebo vodicích lopatek umístěních na výstupní straně. I přes všechna tato opatření však radiální ventilátory plní svůj úkol lépe.

Radiální ventilátory s moderní technologií EC

Při výběru ventilátorů jsou důležité hodnoty spotřeby energie uvedené v technických dokumentech. Je však třeba také správně interpretovat udané úrovně účinnosti. U axiálních ventilátorů je také třeba vzít v úvahu skutečnost, že aerodynamicky nestabilní provozní rozsah má velký vliv. Pokud se pracovní křivka systému posune směrem na vyšší tlaky, může to mít zničující účinek na provozní bezpečnost zařízení, a tedy i na celý systém.