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Energie sparen und Umwelt entlasten bei HVAC
ep6/2004, 3 Seiten
Einsparpotential durch Drehzahlverstellung Aus [3] wird zitiert: „Neben den ökonomischen Vorteilen für den Betreiber hat der Einsatz energetisch optimierter Antriebssysteme auch eine erhebliche umweltpolitische Bedeutung. Mit dem errechneten Einsparpotential in der Industrie von 18,7 Milliarden kWh/Jahr und einem mittleren CO2-Ausstoß von 0,59 kg CO2/kWh (Energiemix) im Vergleichsjahr 1997 könnte allein in Deutschland jährlich die Emission von 11 Millionen Tonnen Kohlendioxyd vermieden werden.“ Im „Environmental Statement“ der Danfoss Drives A/S wird errechnet, welche Ergebnisse allein im Bereich HVAC durch den Einsatz von Danfoss-Umrichtern erzielt wurden. Diesem im Bild dargestellten Erfolg ist eine schon 1987 eingeleitete technische Entwicklung, intensive Beratung von Planern und Anwendern sowie die Fortentwicklung der Zuverlässigkeit vorausgegangen. Die Bemühungen hatten einen positiven Effekt sowohl für die Stromrechnung der Kunden als auch für die Entlastung der Umwelt. Energie sparen durch Drehzahlverstellung - dies scheint zunächst ein Widerspruch, weil keine Art von Drehzahlverstellung zum „Nulltarif“ zu haben ist. Auch bei günstigen Voraussetzungen treten bei der Drehzahlverstellung grundsätzlich Verluste auf - bei mechanischen Systemen etwa 5...25 %, bei elektrischen Lösungen für industrielle Anwendung etwa 5...20 %. Trotz dieser im Antriebssystem begründeten zusätzlichen Verluste kann in vielen Arbeitsmaschinen eine erhebliche Einsparung von Energie erreicht werden, wenn der Prozessablauf durch Änderung der Drehzahl oder Geschwindigkeit optimiert wird. Der Aufwand an Energie und Kosten für den Umrichter als unentbehrliches Element im Antriebssystem hat sich in den mehr als dreißig Jahren seit seiner industriellen Einführung erheblich vermindert (Bild ). Regelung der Fördermenge bei Pumpen und Lüftern Bei vielen Prozessen werden je nach Produkt und Auslastung der Anlage von einem bestimmten Fördersystem (z. B. Pumpe, Lüfter) unterschiedliche Stoffmengen benötigt. Da der Antrieb für den höchsten Bedarf ausgelegt sein muss, ist die Stoffmenge bedarfsgerecht zu regeln - technisch optimal durch Anpassung der Drehzahl. Solange keine preisgünstigen und wartungsarmen Antriebssysteme für stufenlos verstellbare Drehzahlen zur Verfügung standen und solange Energiekosten und Energieverbrauch noch keine große Rolle spielten, wurde die Stoffmengenregelung auf einfache Weise erzwungen: Verstellung von Ventilen, die wie ein erhöhter Gegendruck wirken und den Förderstrom drosseln (Drosselklappensteuerung, Bilder und ). In dem in Bild dargestellten Diagramm sind über dem Förderstrom Q die Kennlinien für den von der Pumpe P erzeugten und den von der Anlage A benötigten Druck (Förderhöhe) h dargestellt. Bei fester Drehzahl der Pumpe (z. B. n1) stellt sich der Arbeitspunkt »1« mit 100 % Förderstrom bei einem Druck h1 ein. Um einen kleineren Förderstrom - z. B. etwa 70 % - zu erhalten, wird die Drosselklappe verstellt. Die Pumpe arbeitet am Punkt »2'«; von dem hier erzeugten Druck wird der Teil h2 in der Anlage benötigt, der Teil h fällt im Drosselorgan ab. Die h entsprechende Leistung wird als Drosselverlustleistung in Wärme umgesetzt, geht also dem Prozess verloren. Mit einer reduzierten Drehzahl n2 würde sich der Arbeitspunkt »2« ergeben: Der Druckverlust h und der entsprechende Leistungsverlust werden vermieden. Das Potential der Energieeinsparung wird aus Bild deutlich, zumal Antriebe dieser Art oft mehrschichtig im Einsatz sind. Seit es möglich ist, die Drehzahl von Käfigläufermotoren einfach, betriebssicher und verschleißfrei über Frequenzumrichter stufenlos zu verstellen, werden die geschilderten Stoffmengenregelungen zunehmend durch umrichtergespeiste Motoren ersetzt. Beispiel: Heizungspumpe im Privathaus Ungeregelte Heizungspumpen gehören nach Angaben der Fa. Wilo [7] mit einem Anteil von Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 6 482 FÜR DIE PRAXIS Gebäudetechnik Energie sparen und Umwelt entlasten bei HVAC H. Greiner, Aichwald Seit der Einführung von Wirkungsgradklassen EFF1/EFF2 [1] für Drehstrommotoren und der Ankündigung von hocheffizienten Asynchronmotoren mit Kupfer-Pressgussläufern [2] wird das Thema „Energie sparende Antriebe“ vordergründig mit dem Wirkungsgrad des Antriebsmotors in Verbindung gebracht. So interessant ein Vergleich der Wirkungsgrade von Elektromotoren im Einzelfall auch sein mag: Das entscheidende Potential für eine Energieeinsparung liegt häufig in der Optimierung des Antriebssystems. Dies gilt vor allem auch für Anlagen im Bereich „HVAC“ (Heating, Ventilation, Air Conditioning). Autor Obering. Helmut Greiner, Aichwald, war Mitglied in verschiedenen DKE- und IEC-Gremien und ist heute als beratender Ingenieur tätig. 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Mio. t Red. 4000 GWh 3200 2800 2400 2000 1600 1200 800 400 Red. 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Reduzierung von Schadstoffausstoß (CO2) und Energieverbrauch (Wel) durch den Einsatz von Danfoss-Umrichtern im Bereich HVAC Quelle: Danfoss Environmental Statement Vergleich von Größe und Gewicht von Umrichtern verschiedener Generationen Quelle: Danfoss etwa 15 % zu den größten Energieverbrauchern im Privathaus (Bild ). Bei einer Laufzeit von etwa 5500 Betriebsstunden entstehen in den meist noch konventionell ausgestatteten Haushalten Stromkosten bis zu etwa 150 pro Jahr. Mit der neuen, geregelten Pumpengeneration (Bild) lassen sich diese Kosten um etwa 50 % reduzieren - bei besonders effizienten Lösungen sogar um deutlich mehr. Die Investition amortisiert sich nach etwa drei bis vier Jahren. Beispiel: Kühlturm-Ventilator im Hochhaus oder Bürogebäude Die nachfolgende Beschreibung ist eine kurzgefasste Übersetzung aus [5]. Die besonderen Anforderungen an Getriebemotoren zum Antrieb von Kühlturmventilatoren wurden in [6] ausführlich behandelt. 4.1 Anwendung Kühlturmventilatoren dienen zur Rückkühlung von Kondensatorwasser in Kühlsystemen. Wassergekühlte Rückkühler sind um 20 % effizienter als luftgekühlte Systeme. Kühltürme kühlen das Wasser nach dem Verdunstungsprinzip. Das Wasser wird oben im Kühlturm auf die Füllstücke (Waben) gesprüht, um dadurch seine Oberfläche zu vergrößern. Der Ventilator saugt unten Luft an und bläst sie durch Füllstücke und Sprühwasser, um so die Verdunstung zu verstärken. Durch die Verdunstung wird dem Wasser Energie entzogen und seine Temperatur wird gesenkt. Das gekühlte Wasser läuft in ein Sammelbecken und wird von dort in den Rückkühler gepumpt; der Kreislauf wiederholt sich. 4.2 „Regelung“ über die Einschaltdauer oder Polumschaltung Mit der Absicht Energie zu sparen und die Regelung zu verbessern, wird bei herkömmlichen Kühlturmantrieben eine Ein/Aus-Steuerung oder Polumschaltung sowie in Einzelfällen eine Flügelradverstellung verwendet. Abhängig von der Temperatur, mit der das Kühlwasser den Kühlturm verlässt, kann der Ventilator gesteuert werden. Um die Schalthäufigkeit und damit die thermische und mechanische Beanspruchung des Antriebes niedrig zu halten, muss ein breites Temperaturband festgelegt werden. Die Beanspruchung des Rückkühlers und die Umgebungstemperatur bestimmen das Betriebsprofil des Kühlturms. Wenn Umgebungstemperatur und Beanspruchung zurückgehen, wird eine niedrigere mittlere Ventilatordrehzahl benötigt (Bild ). 4.3 Regelung über Frequenzverstellung Mit einem Frequenzumrichter kann die Drehzahl der Kühlturmventilators so geregelt werden, dass die benötigte Kühlwassertemperatur eingehalten wird. Da der Einfluss der Ventilatordrehzahl auf den Kühleffekt bei niedrigen Drehzahlen vernachlässigbar klein wird, kann es notwendig sein, eine Mindestdrehzahl von z. B. 40...50 % der Bemessungsdrehzahl einzustellen. Die vom Anwender einstellbare, entsprechende Mindestfrequenz wird auch eingehalten, wenn das Rückführsignal einen niedrigeren Wert verlangt. Wahlweise kann der Antrieb abgeschaltet werden, bis wieder eine höhere Drehzahl benötigt wird. Falls der Ventilator bei bestimmten Drehzahlen Resonanzschwingungen aufweist, können die entsprechenden Frequenzen umgangen werden (Bild ). Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 6 483 Gebäudetechnik FÜR DIE PRAXIS n = const D Q Prinzip der Drosselklappensteuerung (D) zur Stoffmengenregelung (Q) einer Pumpe (P) 16 % EH 14 % B 11 % KS 11 % TR 11 % 15 % 5 % 7 % 9 % Relativer Anteil der durchschnittlichen jährlichen Energiekosten in einem Privathaushalt (drei Personen) HP Heizungspumpe EH Elektroherd GG Gefriergerät B Beleuchtung KS Kühlschrank TR Trockner SP Geschirrspülmaschine WM Waschmaschine TV Fernseher (Rechenwerte gerundet) Quelle : WILO AG [7] 100 0 20 40 60 80 % 120 P (n1) P (n2) Kennlinien für Druck (Förderhöhe) h über dem Förderstrom Q für die Pumpe P bei Drehzahlen n1 oder n2 und für die Anlage A. Druckverlust h = Leistungsverlust bei Drosselklappenregelung zur Verminderung des Förderstromes auf etwa 70 % 100 0 20 40 60 80 100 Relativer Leistungsbedarf (P) und Energieeinsparung (E) bei Stoffmengenregelung über Drosselklappensteuerung (D) oder Umrichter-Motoren (VF) n = var Prinzip der über Umrichter mit variabler Frequenz (VF) regelbaren Motordrehzahl zur Anpassung der Fördermenge (Q) einer Pumpe (P) 4.4 Jahres-Lastprofil Zur Berechnung des Einsparpotentials muss das tatsächliche Lastprofil über dem Verlauf eines bestimmten Zeitraums betrachtet werden. Das Lastprofil zeigt den Durchsatz, den das System benötigt, um während der untersuchten Periode seine Aufgabe zu erfüllen. Bild zeigt ein typisches Lastprofil für einen Kühlturm, wie es für ein übliches System zutrifft. Es kann im Einzelfall je nach Aufstellungsort und Bedingungen abweichen. 4.5 Berechnung der Energieeinsparung In der Berechnung wird angenommen, dass ein Motor mit der Bemessungsleistung von 30 kW mit dem Lastprofil nach Bild betrieben wird. Der Energieverbrauch über eine Betriebszeit von einem Jahr wird berechnet · für einen polumschaltbaren Motor (PU) mit Drehzahlverhältnis 1 : 1,5 (6/4-polig) und · für einen umrichtergespeisten Motor (VF). Der Vergleich in (Tafel ) zeigt ein Einsparpotential von fast 50 %. 4.6 Vergleich von Installation und Instandhaltung Die „einfache“ Lösung Polumschaltung ist aufwändiger als es zunächst scheint: Benötigt wird eine Schützensteuerung, eine Drossel für den Rückfluss und deren Betätigung sowie eine Einrichtung, die ein zu häufiges Umschalten des Motors verhindert. Die Drossel in der Rückflussleitung verursacht Verluste und benötigt Wartung. Demgegenüber ist der Aufwand für Regelung, Installation und Wartung bei der Umrichterlösung auf ein Minimum reduziert. Der ist in den letzten Jahre deutlich fallende Mehraufwand für den Umrichter ist durch die beträchtlichen Einsparungen bei den Energiekosten bald kompensiert. Literatur [1] Greiner, H.: Energie sparende Elektromotoren und Antriebssysteme. Elektropraktiker Berlin 56(2002)2, S. 198 - 201 [2] Greiner, H.: Effiziente Drehstrommotoren mit Kupfer-Druckgussläufern. Elektropraktiker Berlin 58(2004)2, S. 138 - 141 [3] Auinger, H.; Blaß; W., Doppelbauer, M.; Eggers, D.; Funke, H.; Göckel, B.: Energiesparen mit elektrischen Antrieben. Broschüre des ZVEI, Fachverband Elektrische Antriebe 1999 [4] Greiner, H.: Energie sparen mit Getriebemotoren. Sonderdruck SD 3401 der Fa. Danfoss Bauer Gmb H, Esslingen [5] Anwendungstechnische Hinweise auf der Informations-CD „HVACity“ der Fa. Danfoss Antriebs-und Regeltechnik Gmb H, Offenbach [6] Greiner, H.: Kühlturmventilatoren - ein Fall für Getriebemotoren. Jahrbuch Elektromaschinenbau 2001 [7] Internetauftritt www.spar-doch-watt.de der Fa. WILO AG, Dortmund Elektropraktiker, Berlin 58 (2004) 6 484 FÜR DIE PRAXIS Gebäudetechnik Energiesparpumpe der neuen Generation mit angebautem Frequenzumrichter zur stufenlosen und programmierbaren Regelung der Drehzahl Quelle : WILO AG 40 50 60 70 80 90 100 % Rel. Bemessungsdurchsatz Rel. Betriebszeit Typisches Lastprofil eines Kühlturms. Relative Betriebszeiten bei verschiedenen relativen Auslastungsgraden 250 200 150 100 120 100 Prinzipieller Verlauf der Drehzahl (n) und der Kühlwassertemperatur () bei „Regelung“ der mittleren Drehzahl eines 1 : 2 polumschaltbaren Ventilatormotors ZL ZL f = var f = const Prinzip der Kühlturmregelung unter Verwendung von umrichtergespeisten Motoren VF Umrichter M Motor K Rückkühler V Ventilator f Frequenz ZL Zuluft T Temperaturfühler WW Warmwasser S Sammelbecken WK Kaltwasser Durchsatz rel. Laufzeit Laufzeit Leistungsabgabe Energieaufnahme PU-Motor VF-Motor PU-Motor VF-Motor % % h kW kW kWh kWh 40 5 438 12,8 2,67 5606 1169 50 15 1314 12,8 4,83 16819 6347 60 35 3066 12,8 7,85 39245 24068 70 20 1752 30 11,93 52560 20901 80 15 1314 30 17,27 39420 22693 90 10 876 30 24,16 26280 21164 100 0 0 0 0 0 0 gesamt: 100 % 8760 h 179930 96342 Einsparpotential : 179930 - 96342 = 83588 kWh Bei einem Energiepreis von 0,1 /kWh werden etwa 8360 pro Jahr eingespart. Tafel Energiebilanz eines polumschaltbaren (PU) und eines umrichtergespeisten Motors (VF)
Autor
- H. Greiner
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