Показатели энергоэффективности промышленных вентиляторов

Т. С. Соломахова, доктор техн. наук, ведущий научный сотрудник ФГУП «ЦАГИ», председатель ТК 061 «Вентиляция и кондиционирование», otvet@abok.ru

АВОК №7’2012

Известно, что промышленные вентиляторы, используемые в системах вентиляции, отопления и кондиционирования в зданиях, а также в различных производственных и технологических процессах, потребляют более 20% вырабатываемой электроэнергии. Поэтому увеличение энергоэффективности вентиляторов, снижение потребляемой ими мощности в совокупности с рациональным их использованием в системах является весьма актуальной проблемой. Снижение доли энергоресурсов, расходуемых на привод вентиляторов, одновременно решает задачу повышения экологической безопасности в стране и в мире.

Важность указанной проблемы подтверждается принятым в России законом № 261-Ф3 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» [1], в котором определяются требования к энергосбережению и к необходимости введения классов энергоэффективности изготавливаемой продукции. Цель этих требований состоит в том, чтобы заинтересовать производителей повышать качество изготавливаемого оборудования и стимулировать покупателей приобретать оборудование с более высокими показателями энергоэффективности.

В нашей стране еще в 90-е годы прошлого столетия были сформулированы требования к повышению эффективности работы вентиляторов. В ГОСТ 5976–90 [2] было предложено оценивать аэродинамические качества серии вентиляторов по испытаниям типопредставителя с диаметром колеса не менее 630 мм. Характеристики геометрически подобных вентиляторов этой серии других размеров получаются путем пересчета по известным формулам с учетом сжимаемости, числа Рейнольдса Re и масштабного эффекта [3]. Однако с уменьшением размеров вентиляторов не удается обеспечить полное геометрическое подобие образцов, и величина η_max обычно снижается: проявляется действие масштабного эффекта.

В ГОСТ 5976–90 приводится необходимое условие для максимального значения полного КПД η_max серийных радиальных вентиляторов в зависимости от диаметра колеса D в виде

где η_max630– максимальное значение полного КПД, соответствующее характеристике вентилятора с диаметром колеса D = 630 мм. Это условие ограничивает применение вентиляторов с низким КПД.

Формула (1) получена в результате обобщения экспериментальных исследований нескольких серий радиальных вентиляторов разных типоразмеров [4]. В формуле (1) диаметр D выражается в миллиметрах и находится в диапазоне от 125 до 630 мм. При больших значениях диаметра D > 630 мм удается обеспечить полное геометрическое подобие образцов, и для этих типоразмеров величина η_max принята постоянной. Зависимость предельного значения максимального КПД вентилятора от диаметра колеса для разных серий вентиляторов, соответствующая формуле (1), приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Зависимость максимального значения КПД от диаметра рабочего колеса для вентиляторов одной серии

Кроме того, в ГОСТ 5976–90 приводится требование выбирать рабочий режим вентилятора в области рабочего участка характеристики, в котором величина КПД должна отличаться от величины η_max не более чем на 10%. Это условие повышает эффективность системы, в которой работает вентилятор.

Новые нормативы

В соответствии с программой межгосударственной стандартизации Российской Федерации разработан ГОСТ Р «Вентиляторы промышленные. Показатели энергоэффективности» [5], который в настоящее время находится на стадии регистрации. В стандарте введена классификация вентиляторов по энергоэффективности и введены классы вентиляторов, отражающие их уровень по экономичности. При разработке стандарта были проанализированы имеющиеся материалы в этой области.

В 2011 году утвержден ГОСТ Р 54413 «Машины электрические вращающиеся» [6], который является идентичным международному стандарту МЭК 60034–30. В качестве показателя энергоэффективности рассматривается номинальный КПД двигателя. В стандарте для наиболее распространенных 2-, 4- и 6-полюсных двигателей с номинальной частотой питающей сети 50 Гц введены три класса энергоэффективности: нормальный (код IE1), повышенный (код IE2) и премиум (код IE3). Для каждого класса, числа полюсов и номинального значения мощности введены нормативные значения максимального КПД двигателя.

Вентиляторы, как и двигатели, относятся к классу вращающихся машин и также характеризуются максимальным значением КПД и поэтому допускают аналогичный подход к введению классов энергоэффективности.

Технический комитет ISO/TC 117 «Вентиляторы» разработал стандарт ИСО 12759 «Классификация вентиляторов по эффективности» [7]. В этом стандарте рассмотрены вентиляторы всех типов: осевые, радиальные с загнутыми вперед, радиально оканчивающимися и загнутыми назад лопатками, радиальные вентиляторы без спирального корпуса, диагональные и диаметральные вентиляторы. Потребляемая мощность находится в диапазоне от 125 Вт до 500 кВт.

В первой части стандарта вводится параметр энергоэффективности FEG серии геометрически подобных вентиляторов различных размеров, начиная с диаметра рабочего колеса 125 мм. Значение показателя FEG вентиляторов данной серии устанавливается по максимальному значению полного КПД вентилятора с диаметром колеса D = 1000 мм. Вентиляторы должны испытываться на стандартизированном стенде при максимально допустимой частоте вращения колеса. Потребляемая мощность должна определяться по величине момента на валу вентилятора без учета потерь в подшипниках, двигателе и всех других элементах привода.

Во второй части стандарта вводится параметр энергоэффективности FMEG для классификации вентиляторов с различными видами привода. Учет потерь в элементах привода осуществляется с помощью поправочных коэффициентов. Даются формулы для определения допустимого значения полного КПД η_max вентилятора с приводом для конкретного значения параметра FMEG. Следует отметить, что в стандарте не вводятся классы вентиляторов по энергоэффективности и не даются нормативные показатели для вентиляторов разных типов и разных классов.

Европейский комитет во исполнение директивы 2009/125/ЕС Европейского парламента и совета разработал регламент № 327/2011 [8] с требованиями к серийно производимым вентиляторам с учетом экологической безопасности. Сформулированы два уровня требований к минимальному значению показателя энергоэффективности вентиляторов. Установлены сроки введения в действие этого регламента: 1 января 2013 года для первого уровня и 1 января 2015 года для второго уровня требований. Вентиляторы, не соответствующие этим требованиям, должны быть сняты с производства.

Показатель энергоэффективности FEG

В разрабатываемом стандарте [5], по предложению ТК 061 «Вентиляция и кондиционирование», классификация вентиляторов осуществляется с помощью показателя энергоэффективности FEG, предложенного в стандарте [7]. Этот показатель характеризует аэродинамические качества собственно вентилятора. Геометрически подобные вентиляторы одной серии независимо от размеров имеют одинаковое значение показателя FEG.

Рассмотрены вентиляторы с открытым валом, без учета потерь в подшипниках и элементах привода. Верхняя граница значений максимального полного КПД, соответствующих показателю FEG 85 при различных диаметрах D колеса, определяется формулой

Здесь D – диаметр колеса, который изменяется в диапазоне от 125 до 1000 мм; K₀, K₁, K₂, K₃ – числовые константы, значения которых даны в соответствующей таблице.

В соответствии со стандартом [7] выбран следующий ряд базовых значений параметров FEG: FEG 90; FEG 85; FEG 80; FEG 75; FEG 71; FEG 67; FEG 63; FEG 60; FEG 56; FEG 53; FEG 50.

Для каждого последующего значения показателя FEG максимальные значения КПД η_max для любого диаметра D вычисляются по формуле (2) путем умножения на коэффициент

На рис. 2 приведены зависимости значения КПД η_max от диаметра колеса при разных базовых значениях показателя энергоэффективности FEG. Составлены специальные таблицы значений η_max для вентиляторов разных размеров с диаметрами колес из ряда R40, соответствующих базовым значениям показателя FEG. Показатели ниже FEG 50 не рассматриваются ввиду низкой экономичности таких вентиляторов.

Рисунок 2. Зависимость максимального значения КПД от диаметра рабочего колеса для разных базовых значений показателя энергоэффективности FEG

Характеристики, приведенные на рис. 1 и 2, подтверждают одну и ту же тенденцию: снижение величины максимального КПД с уменьшением размера вентилятора. Только кривые, представленные на рис. 1, во всем диапазоне значений диаметров располагаются выше соответствующих кривых рис. 2 при одинаковых базовых значениях КПД. Значит, требования по эффективности в стандарте [2] выше, чем в стандарте [7].

Кроме того, в стандарте [7] масштабный эффект учитывается, начиная с диаметра колеса 1000 мм, а в стандарте [2], – начиная с 630 мм. Преимущество формулы (1) состоит также в том, что она позволяет непосредственно рассчитать максимальные значения КПД для любого диаметра колеса и при выбранном предельном значении диаметра колеса 630 мм получить точно максимальные значения КПД. Однако в разработанном российском стандарте [5] с целью единого международного подхода к стандартизации для классификации вентиляторов, как указывалось выше, использован показатель энергоэффективности FEG.

Для определения показателя FEG любого вентилятора необходимо провести его аэродинамические испытания на стандартизированном стенде при максимально допустимой частоте вращения колеса в соответствии с существующими стандартами [3, 9]. Потребляемая вентилятором мощность должна измеряться на валу вентилятора по величине крутящего момента с помощью или динамометра, или специальных датчиков, или предварительно тарированного двигателя. По полученной характеристике вентилятора определяется максимальное значение полного КПД собственно вентилятора.

Далее по графику рис. 2 или по соответствующим таблицам для данного диаметра колеса вентилятора определяется промежуток, в который попадает полученное значение η_max. Вентилятор будет иметь показатель FEG, соответствующий верхней границе этого промежутка. Для примера на рис. 3 показано, что вентилятор с диаметром колеса 630 мм и максимальным значением КПД η_max = 68% имеет показатель энергоэффективности FEG 71.

Рисунок 3. Пример определения показателя энергоэффективности вентилятора с диаметром колеса 630 мм и максимальным значением КПД 68 %

В стандарте [5] наиболее распространенные вентиляторы разбиты на пять отдельных групп: осевые с различными комбинациями колеса (К), входного направляющего (ВНА) и спрямляющего (СА) аппаратов; радиальные с загнутыми вперед, радиально оканчивающимися и загнутыми назад лопатками колеса и диагональные.

Вентиляторы характеризуются величинами как полного, так и статического давления и КПД в зависимости от типа установок, в которых они используются. При выборе вентилятора для работы в системе с различным расположением воздуховодов и элементов в непосредственной близости от него целесообразно использовать характеристики вентилятора, полученные на стенде, соответствующем компоновке вентилятора в этой системе.

В соответствии со стандартами ИСО 5801 [3] и ГОСТ 10921–90 [9] применяют следующие типы стандартизированных стендов для проведения аэродинамических испытаний вентиляторов:

• тип А – вентилятор имеет свободный вход и свободный выход,
• тип В – вентилятор имеет свободный вход и воздуховод на выходе,
• тип С – вентилятор имеет воздуховод на входе и свободный выход,
• тип D – вентилятор имеет воздуховоды на входе и на выходе.

Методы испытаний и определение аэродинамических характеристик вентиляторов на этих стендах даны в указанных выше стандартах [3, 9]. При испытаниях на стендах типа А и С непосредственно определяется статическое давление и статический КПД вентилятора. Динамическое, полное давление и полный КПД получают в результате расчета. При испытаниях на стендах типа B и D непосредственно определяется полное давление и полный КПД вентилятора. Динамическое и статическое давления и статический КПД получают в результате расчета.

Если максимальные значения полного КПД вентилятора, испытанного на разных стендах, отличаются друг от друга, то показатель энергоэффективности определяется по максимальному значению максимального КПД η_max. Если вентилятор имеет изменяемую геометрию (например, при изменении угла установки лопаток колеса или направляющего аппарата), то показатель энергоэффективности этого вентилятора определяется по варианту с максимальным значением максимального КПД η_max.

В стандарте [5] вводятся 3 класса энергоэффективности вентиляторов: нормальный (КЛ 1), повышенный (КЛ 2) и высокий (КЛ 3). В качестве параметра, характеризующего энергоэффективность, используется параметр FEG, который определяется с учетом максимального значения полного КПД вентилятора определенного размера.

Для различных классов вентиляторов различных типов вводятся нормативные значения параметра FEG, которые приведены в таблице.