Sterowanie prędkością wentylatorów kanałowych za pomocą falownika – jak obniżyć koszty wentylacji komercyjnej i przemysłowej

Wentylacja mechaniczna w obiektach komercyjnych i przemysłowych pracuje najczęściej w trybie ciągłym – 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, przez cały rok. Tymczasem zapotrzebowanie na świeże powietrze zmienia się w ciągu dnia niemal bez przerwy: inaczej wygląda ono w pełnej hali produkcyjnej w środku zmiany, a inaczej nocą, gdy budynek świeci pustkami. Wentylator dobrany na sztywno do maksymalnego obciążenia przez większość doby pracuje z nadmiarową wydajnością, którą nikt nie potrzebuje – a każdy nadmiarowy metr sześcienny powietrza to realne złotówki na fakturze za prąd. Rozwiązaniem, które od lat sprawdza się w automatyce przemysłowej, jest podłączenie wentylatora kanałowego pod falownik i regulacja jego prędkości obrotowej do bieżących potrzeb instalacji.

Odpowiedź leży w prawach powinowactwa (affinity laws), które opisują pracę wentylatorów i pomp. Wydajność (strumień powietrza) rośnie liniowo wraz z prędkością obrotową, natomiast pobór mocy rośnie w trzeciej potędze tej prędkości. W praktyce oznacza to, że ograniczenie obrotów silnika o zaledwie 20% przekłada się na spadek zapotrzebowania na moc o około połowę.

Dla wentylatora, który przy pełnych obrotach pobiera 370 W, obniżenie prędkości do 80% oznacza teoretyczny pobór na poziomie ok. 190 W – niemal dokładnie połowę. To dlatego regulacja prędkości falownikiem jest jednym z najbardziej opłacalnych działań energooszczędnościowych w wentylacji: niewielkie i często niezauważalne dla użytkowników ograniczenie wydajności potrafi wygenerować oszczędności rzędu kilkudziesięciu procent na rachunku za energię.

Klasyczny wentylator kanałowy – niezależnie od tego, czy mowa o niskoobrotowej serii OLO, czy wysokosprężowej serii OFK – zasilany bezpośrednio z sieci pracuje zawsze z jedną, stałą prędkością wynikającą z liczby biegunów silnika (1400 obr./min dla silników 4-biegunowych, 2800 obr./min dla 2-biegunowych). Jedynym sposobem regulacji wydajności w takim układzie są przepustnice mechaniczne, które ograniczają przepływ powietrza kosztem generowania dodatkowych oporów – silnik nadal pobiera pełną moc, a energia jest marnowana na pokonywanie sztucznie wytworzonego dławienia.

Falownik zmienia tę zasadę działania u podstaw. Zamiast dławić przepływ mechanicznie, zmienia częstotliwość i napięcie zasilania silnika, a tym samym jego rzeczywistą prędkość obrotową. Wentylator dostaje dokładnie tyle energii, ile potrzeba do wytworzenia żądanego przepływu – bez strat na przepustnicach. W zależności od wymagań aplikacji falownik może pracować w trybie:

• skalarnym U/f – najprostszy i najtańszy sposób sterowania, w zupełności wystarczający dla typowych wentylatorów kanałowych o stałym momencie obciążenia,
• wektorowym bezczujnikowym – zapewnia dokładniejszą kontrolę momentu obrotowego, przydatną przy dużych wentylatorach osiowych pracujących pod zmiennym obciążeniem (np. przy zabrudzonych filtrach zwiększających opory instalacji).

Największą wartość falownik pokazuje wtedy, gdy jego pracą steruje sygnał z czujnika, a nie stały, ręcznie ustawiony parametr. Wbudowany regulator PID pozwala połączyć wentylator z czujnikiem stężenia CO2, wilgotności względnej lub ciśnienia różnicowego w kanale, dzięki czemu prędkość obrotowa dopasowuje się automatycznie do rzeczywistych warunków w obiekcie:

• czujnik CO2 – w salach konferencyjnych, biurach open space czy restauracjach wentylator przyspiesza tylko wtedy, gdy pomieszczenie jest zapełnione, a zwalnia, gdy jest puste,
• czujnik wilgotności – w kuchniach, łazienkach zbiorowych i pomieszczeniach technologicznych pozwala utrzymać zadany poziom wilgotności bez ciągłej pracy na maksimum,
• czujnik ciśnienia różnicowego – w instalacjach z filtrami powietrza utrzymuje stały przepływ mimo rosnącego oporu zabrudzonego filtra, automatycznie zwiększając obroty w miarę jego eksploatacji.

To rozwiązanie, o którym pisaliśmy już przy okazji integracji czujników przemysłowych z falownikami w automatyce – w wentylacji sprawdza się dokładnie na tej samej zasadzie: sygnał 4–20 mA lub 0–10 V z czujnika trafia na wejście analogowe falownika, a regulator PID przelicza go na zadaną częstotliwość wyjściową.

Oszczędność energii to nie jedyny efekt zastosowania falownika. Praca na obniżonych obrotach oznacza również realne obniżenie poziomu hałasu aerodynamicznego – co ma szczególne znaczenie w biurach, hotelach, restauracjach czy placówkach medycznych, gdzie komfort akustyczny jest równie ważny jak sama wymiana powietrza. Wentylator, który w nocy lub poza godzinami szczytu pracuje na 60–70% obrotów, jest zauważalnie cichszy niż ten sam model pracujący na pełnej mocy.

Falownik chroni też sam silnik. Łagodny rozruch (rampa czasu przyspieszania) eliminuje udary prądowe i mechaniczne charakterystyczne dla rozruchu bezpośredniego, co przekłada się na mniejsze obciążenie łożysk, paska i sprzęgła oraz wydłużoną żywotność całego układu napędowego – istotne zwłaszcza przy wentylatorach pracujących bez przerwy przez cały rok.

Dobór falownika zależy przede wszystkim od mocy silnika wentylatora oraz od tego, czy aplikacja wymaga jedynie prostej regulacji wydajności, czy też precyzyjnego sterowania momentem w zmiennych warunkach pracy. Poniżej orientacyjne zestawienie dla najpopularniejszych zakresów mocy spotykanych w wentylatorach kanałowych serii OLO i OFK.

Wentylatory kanałowe serii OLO i OFK marki Tywent, które opisywaliśmy przy okazji ich szczegółowego porównania, doskonale współpracują z falownikami LS – warto jednak pamiętać, że każda instalacja ma swoją specyfikę hydrauliczną, dlatego przy większych mocach i bardziej wymagających aplikacjach polecamy kontakt z naszymi specjalistami w celu precyzyjnego doboru napędu.

Weźmy przykładowy wentylator OLO 50/4 K o mocy 370 W, pracujący w trybie ciągłym (8 760 godzin rocznie) w obiekcie komercyjnym. Bez regulacji prędkości roczne zużycie energii wynosi ok. 3 240 kWh. Gdyby falownik – sterowany np. sygnałem z czujnika CO2 – utrzymywał średnią prędkość na poziomie 80% w ciągu doby (niższe obroty nocą i poza godzinami szczytu, pełna wydajność w szczycie zapotrzebowania), zgodnie z prawami powinowactwa realny pobór mocy spadłby do około 51% wartości maksymalnej. Oznacza to redukcję zużycia energii rzędu 1 600 kWh rocznie dla pojedynczego wentylatora – a w instalacji obsługującej kilka lub kilkanaście urządzeń tego typu oszczędności rosną proporcjonalnie.

To wyliczenie ma charakter poglądowy – rzeczywiste oszczędności zależą od charakterystyki konkretnej instalacji, krzywej pracy wentylatora oraz od tego, jak zmienne jest zapotrzebowanie na wentylację w danym obiekcie. Niemniej sam kierunek jest jednoznaczny: koszt falownika najczęściej zwraca się w ciągu kilkunastu-kilkudziesięciu miesięcy samej oszczędności energii, a potem przez wiele lat eksploatacji pracuje już na czysty zysk.

Falownik przy wentylatorze kanałowym to nie dodatkowy gadżet, tylko narzędzie, które zmienia sposób rozliczania kosztów eksploatacji instalacji wentylacyjnej – z pracy na sztywnych, maksymalnych obrotach na pracę dopasowaną do rzeczywistych potrzeb obiektu. Mniejsze zużycie energii, niższy poziom hałasu i dłuższa żywotność silnika to efekty, które odczuje zarówno inwestor płacący rachunki, jak i osoby korzystające z pomieszczeń na co dzień.

Jeśli planujesz modernizację istniejącej instalacji wentylacyjnej lub dobór napędu do nowego wentylatora kanałowego, nasi specjaliści pomogą dobrać odpowiedni model falownika do konkretnej aplikacji – napisz lub zadzwoń, chętnie doradzimy.