Modernizace ventilátorů ve stávajících klimatizačních systémech

V posledních několika letech jsou evropští výrobci i uživatelé většiny výrobků spojených se spotřebou energie konfrontováni s důsledky nových nařízení Evropské komise, které směřují k celkovému zvýšení účinnosti produktů, a tím tak ke snížení spotřeby primárních i sekundárních energií těmito produkty využívanými. Pro splnění ekodesignu jednotek tak nebude stačit pouze použít energeticky úsporné komponenty, ale bude potřeba řešit a optimalizovat i jejich konstrukci, a to zejména zvětšením celé jednotky.

Směrnice Evropského parlamentu a Rady č. 2005/32/ES v červenci 2005 definovala, co jsou to energetické spotřebiče, a stanovila rámec pro určení požadavků na jejich ekodesign. V říjnu 2009 směrnice 2009/125/ES o stanovení rámce pro určení požadavků na ekodesign výrobků spojených se spotřebou energie původní směrnici nahradila a ještě rozšířila o další skupiny produktů.

Tato nařízení se týkají od jednotlivých elektrických strojů jako základních komponentů v různých zařízeních přes běžné domácí spotřebiče až po komplexní technologické systémy z oborů vytápění, chlazení, větrání a klimatizace. První na řadě byly z pochopitelných důvodů jednotlivé komponenty, používané hlavně v oblasti vzduchotechniky, chlazení a vytápění. Za zmínku stojí např.:

• nařízení Komise pro elektromotoryč. 640/2009 a č. 4/2014 vztahující se na elektromotory od jmenovitého výkonu 0,75 kW do 375 kW,
• nařízení Komise pro vodní čerpadlač. 547/2012 – vztahující se na vodní čerpadla se jmenovitým průtokem min.6 m3/h,
• nařízení komise pro ventilátory č. 327/2011 – vztahující se na ventilátory s příkonem v nejúčinnějším pracovním bodě mezi 0,125 až 500 kW.

Kromě elektromotorů, v jejichž případě se poslední stupeň rozšíření omezuje na celkový výkonový rozsah až k 1. lednu 2017, jsou ostatní nařízení již v plné platnosti a jejich vliv se u mnoha aplikací projevil záměnou původních komponentů za účinnější. Aktuálně vstupují v platnost nařízení týkající se jednotlivých finálních výrobků, jako jsou např. kotle na pevná paliva (2015/1189), kondenzační jednotky a chladicí boxy (2015/1095), klimatizátory vzduchu a komfortní ventilátory (206/2012) a v neposlední řadě nařízení komise č. 1253/2014 pro větrací jednotky.

Reakce na změnu pravidel

Právě poslední zmiňované nařízení má za následek zásadní změny ve velikostech a návrhu klimatizačních jednotek, kde jsou výrobci nuceni snížit vnitřní tlakové ztráty jednotek při zachování jmenovitých průtoků. Pro splnění těchto podmínek tedy bude potřeba řešit a optimalizovat i jejich konstrukci, a to zejména zvětšením celé jednotky. V praxi tak pravděpodobně bude často docházet k problematickým výměnám zastaralých jednotek instalovaných v těsných prostorách za jednotky nové. Z tohoto důvodu se bude častěji řešit prodlužování životnosti stávajících řešení výměnou jednotlivých základních komponentů vzduchotechnických jednotek.

Jedním z hlavních, a co se týče životnosti i energetické náročnosti nejvýraznějších komponentů vzduchotechnických jednotek, jsou ventilátory. Ještě před několika lety bylo běžnou praxí řešit ventilátory u klimatizačních jednotek sestavou samostatného motoru a jednoho radiálního ventilátoru s dopředu zahnutými lopatkami a spirální skříní spojených řemenovým převodem. Regulace byla často dvojotáčková, realizovaná pomocí využití trojfázového motoru s možností zapojení hvězda/trojúhelník, v lepších přídech byl instalován frekvenční měnič. Takovéto sestavy jsou výrazně neúčinné, a to jak z důvodu limitované regulace jednotek, tak z pohledu mnoha různých komponentů, které by pro jejich optimální provoz měly být velmi dobře navzájem vyladěny. Jen např. pravidelně neservisovaný řemenový převod ztrácí časem výrazně na účinnosti a zvyšuje tak příkon celého systému.

Neméně důležitou informací pro servisní firmu, která výměnu ventilátoru provádí, je fakt, že dle nařízení komise č. 327/2011 o ekodesignu ventilátorů se ten, kdo uvádí na trh sestavu oběžné kolo, pohon a základní příslušenství stává výrobcem ventilátoru a odpovídá tak za splnění minimální účinnosti celé sestavy dle nařízení. Proto je v případě výměny ventilátorů v zastaralých vzduchotechnických jednotkách vhodné uvažovat, zda by bylo možné u jednotky náhradním moderním řešením ušetřit provozní i servisní náklady.

Obr. 1 Vytápěcí a větrací jednotka v prostorách firmy ebm-papst

Případová studie

Instalační a výrobní firma JM Klima ve spolupráci s firmou ebm-papst, výrobcem vysoce účinných motorů a ventilátorů, a Ing. Mariánem Formánkem, Ph.D., z VUT v Brně, Fakulty stavební provedli několik referenčních instalací, které jednoznačně prokázaly výrazné energetické úspory. Příkladem může být např. výměna ventilátorů ve větracích a vytápěcích jednotkách firmy Remak (obr. 1) umístěných ve skladových prostorách firmy ebm-papst a instalovaných kolem roku 2005. Tyto jednotky byly vybaveny radiálním, oboustranně sajícím ventilátorem s dopředu zahnutými lopatkami ve spirální skříni, poháněným přes řemenový převod třífázovým motorem s možností přepínání hvězda/trojúhelník (obr. 2). V rámci porovnání řešení bylo rozhodnuto, že v první jednotce bude provedena výměna ventilátoru za volné oběžné kolo s elektronicky komutovaným motorem a integrovanou elektronikou.

Obr. 2a, 2b Standardní motor AC a spirální skříň

Radiální ventilátory s dozadu zahnutými lopatkami patří v dnešní době k nejúčinnějším typům ventilátorů obecně. V kombinaci s elektronicky komutovaným motorem tvoří velmi účinné produkty, dodávané díky integrované řídicí elektronice jako plug&play řešení. V menších jednotkách, jako byla právě tato, je potřeba volit opatrně náhradu ventilátoru z důvodu limitních prostor. Dalším důležitým krokem je v tomto případě utěsnění ventilátorové komory jednotky. Tam, kde s původním ventilátorem ve spirální skříni byla před výměnou podtlaková část, je teď část přetlaková. Bez utěsnění by mohlo dojít ke zkratu nebo úniku vzduchu přes netěsnosti servisních otvorů jednotky. Tím může dojít k sekundárním ztrátám. Měření ukázala, že při stejných pracovních bodech má ventilátor typu K3G355-BC92-02 řady Radipac mnohem lepší parametry než původní ISO motor (tab. 1).

Ve druhé jednotce byla instalována novinka firmy ebm-papst typ D3G250-GG09-01 řady Radifit, která byla navržena právě na jednoduchou výměnu původních řešení ventilátorů s dopředu zahnutými lopatkami. Ventilátory řady Radifit jsou vybaveny oboustranně sajícím radiálním ventilátorem s dozadu zahnutými lopatkami ve spirální skříni a elektronicky komutovaným motorem. Spirální skříň zajišťuje původní podtlakový systém ve ventilátorové komoře jednotky, takže odpadají montážní kroky vedoucí k jejímu utěsnění a celková instalace je tedy i mnohem jednodušší a méně nákladná.

Řešení sice již není tak účinné, ale díky speciálně profilovanému designu oběžných kol a elektronicky komutovanému motoru je stále vysoko nad požadovanými hladinami ekodesignu. Projektant či servisní organizace má tak jistotu plnění požadovaných norem. Po porovnání jak provozních, tak instalačních nákladů se ukázalo, že návratnost vložené investice je pro obě varianty v řádu 14 až 15 měsíců.

Obr. 3a, 3b Ventilátor jednotky Trane před instalací a po instalaci náhradního, energeticky úsporného řešení

Nástřešní jednotky

Další zajímavou instalací byla výměna ventilátoru v nástřešních jednotkách Trane. Zde byl opět výrobcem instalován ventilátor s asynchronním motorem a radiálním ventilátorem s dopředu zahnutými lopatkami ve spirální skříni spojený řemenovým převodem. Vzhledem ke špatné dostupnosti bylo výhodné použít namísto jednoho ventilátoru vážícího několik desítek kilogramů tři menší ventilátory řady Radifit (obr. 3). Celková rekonstrukce tak mohla být provedena bez nutnosti přístupu těžké techniky, což vedlo k výraznému snížení montážních nákladů a doby nutné odstávky jednotky. Přes použití více ventilátorů v paralelním zapojení i zde došlo k výrazné úspoře nákladů na provoz a navíc v případě poruchy jednoho ventilátoru zvládají provoz jednotky v nouzovém režimu zbývající ventilátory.

Závěr

Výše zmíněné referenční instalace prokázaly, že i jednoduchá výměna zastaralých technologií ve vzduchotechnických jednotkách může vést při správném výběru k výrazným energetickým úsporám. V rámci celkové kalkulace je rovněž potřeba zvážit více možností, a to nejen z pohledu primárních nákladů za ventilátor, ale i nákladů na jejich montáž. Ta může být v mnoha případech, kde jsou jednotky těžko dostupné, výraznou položkou v celkových nákladech.

Ing. Marian Formánek, Ph.D., Ing. Anton Bartovič
M. Formánek působí na Fakultě stavební Vysokého učení technického v Brně. A. Bartovič působí ve společnosti ebm-papst.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.