О выборе энергоэффективного вентиляционного оборудования

Вместе с тем от правильного подбора в значительной степени зависит последующая успешная эксплуатация системы вентиляции.

Successful operation of a ventilation system strongly depends on the successful selection of fan in the system. Ventilation equipment specialists Vyacheslav Georgiyevich Karadzhi and Yury Georgiyevich Moskovko discuss efficiency of ventilation systems and common mistakes of the manufacturers.

– Какие факторы влияют на эффективность системы вентиляции?

– В равной мере влияют КПД вентилятора на рабочем режиме и аэродинамический КПД вентиляционной системы. Представим себе, что в первоначальном проекте при подаче 100 000 м³/ч (27,8 м³/с) свежего воздуха суммарные потери в вентиляционной системе (включая потери в приточной установке) составляли 1 500 Па, а после её оптимизации – 1 000 Па. Если принять, что вентиляторы в обоих случаях подобраны оптимально и на рабочем режиме имеют довольно высокий КПД (80 %), то потребляемая мощность вентиляторов составит соответственно 52 и 35 кВт. Как видно, выигрыш в оптимизации потерь в вентсистеме довольно значителен. Однако если во втором случае вентилятор будет подобран не оптимально, например его КПД на рабочем режиме только 54 %, то он будет потреблять те же 52 кВт, и ожидаемого эффекта от оптимизации вентсистемы не будет.

К слову, аэродинамическая оптимизация вентсистемы подразумевает не только уменьшение потерь трения в воздуховодах, потерь в сетевых элементах и т. д., но и рациональное построение самой вентиляционной системы. Мы об этом писали не один раз, сейчас же речь пойдёт только о первой составляющей, а именно об эффективности вентиляторов.

– Каким должен быть КПД энергоэффективного вентилятора?

– Сразу же необходимо пояснить, что существуют два коэффициента полезного действия – по полным и статическим параметрам. Мы говорим о полном КПД вентилятора, если речь идёт о сети на всасывании и нагнетании вентилятора, и о статическом КПД, если сеть расположена только на всасывании. При этом следует иметь в виду, что есть понятие КПД «чисто» вентилятора, а есть понятие КПД вентилятора, включая привод и электродвигатель. Для промышленных вентиляторов принято рассматривать КПД «чисто» вентилятора вне зависимости от привода: электродвигателя, ремённой передачи и т. д. На сегодняшний день максимальный КПД лучших общепромышленных вентиляторов больших типоразмеров может достигать 85–88 %, и, очевидно, это уже предел, т. к. даже незначительное его увеличение сопряжено с повышением стоимости.

Существует международный стандарт ISO 12759:2010 «Классификация вентиляторов по эффективности», который устанавливает градации максимального КПД различных типов вентиляторов с разными приводами (электродвигатели, ремённые передачи, частотные приводы и т. д.). В России с июля этого года начал действовать стандарт ГОСТ 31961–2012 «Вентиляторы промышленные. Показатели энергоэффективности», разработанный в техническом комитете ТК 061 «Вентиляция и кондиционирование». В стандарте введены три класса эффективности «чисто» вентиляторов без учёта потерь в приводах. На этот год в плане ТК 061 стоит разработка российского стандарта (аналог ISO 12759:2010), в котором будут учитываться потери также и в приводах.

Как правило, наиболее высокий максимальный КПД имеют вентиляторы, чётко настроенные на определённый «узкий» диапазон работы. Но для построения энергоэффективной вентсистемы не менее важно, чтобы вентилятор на расчётном режиме имел высокий КПД, который в идеальном случае близок к своему максимальному значению. Например, в старом, но действующем ГОСТ 10616–90 «Вентиляторы радиальные и осевые. Размеры и параметры» на это прямо указано: рабочий диапазон вентилятора должен быть ограничен областью, в которой КПД вентилятора не ниже 0,9 от его максимального значения. Как нам кажется, это требование выполняется в редких случаях, поэтому можно попасть в ситуацию, когда неудачно подобранный вентилятор, имея высокий максимальный КПД, в системе будет работать менее эффективно, чем вентилятор с меньшим максимальным КПД, но работающий в оптимальном диапазоне. Можно провести более понятную аналогию. Представьте себе, что вы купили дорогой спортивный автомобиль, а ездите по горным дорогам на первой или второй передаче, т. к. нет прямых участков для скоростной езды. Сразу же понятно, что в данном случае автомобиль используется неэффективно, поскольку он эксплуатируется далеко не в оптимальном режиме.

– Распространено мнение, что если использовать частотный преобразователь, то тогда не так важно, какой КПД имеет вентилятор. Так ли это?

– Не совсем. Частотный преобразователь изменяет частоту вращения колеса и, соответственно, давление и потребляемую мощность, но не меняет его КПД (если не изменяются характеристики самой вентсистемы). Так, при уменьшении частоты вращения потребляемая вентилятором мощность снижается пропорционально кубу уменьшения частоты вращения. То есть имеет место прямая выгода. Но при этом КПД вентилятора остаётся неизменным. Если вентилятор изначально плохо подобран, то он и будет продолжать работать с низким КПД при всех частотах вращения.

Существует ещё ряд проблем, связанных с частотными преобразователями, о которых мало говорится: общий КПД привода – электродвигатель + частотный привод (в западной литературе используется термин wire-air) – сильно зависит от частоты вращения, загрузки электродвигателя и частотного преобразователя. В ряде случаев, несмотря на высокий исходный КПД вентилятора, общий КПД сеть-потребитель может уменьшиться на 20–30 %. Кроме этого, следует помнить, что при малых частотах вращения ухудшаются условия охлаждения электродвигателя.

– Что вы можете сказать про отечественные вентиляторы, имеют ли они какие-либо преимущества перед зарубежными, какие встречаются характерные ошибки?

– На западе есть ряд фирм, специализирующихся только на производстве осевых и радиальных мотор-колёс, которые имеют относительно хорошие аэродинамические параметры, конечно, если они установлены в соответствующие корпуса должным образом. На российском рынке представлены как чисто отечественные вентиляторы, так и отечественные вентиляторы, собранные из покупных мотор-колёс. При этом некоторые западные и отечественные производители плохо представляют себе, как определённые конструктивные элементы вентилятора влияют на его КПД – это было хорошо видно на выставке «Мир климата – 2014». Мы имеем в виду форму лопаток, радиальные и осевые зазоры между лопатками, коллектором и корпусом и т. д.

– От чего зависит эффективность вентилятора и можно ли по внешнему виду определить проблемные места?

– В радиальных вентиляторах наибольшее влияние на аэродинамические характеристики (при неизменной лопаточной системе) оказывают конфигурация и размеры зазора между рабочим колесом и входным коллектором, а также геометрия и положение так называемого языка спирального корпуса (исключение составляют прямоточные канальные вентиляторы, у которых язык отсутствует). Отклонение геометрии зазора между рабочим колесом и входным коллектором от нормативной приводит к циркуляционным потерям, ухудшению характеристик вентилятора. Оптимальный радиальный зазор между коллектором и колесом должен составлять 0,25–1 % диаметра колеса. Кроме того, у вентиляторов с загнутыми назад лопатками коллектор должен входить в колесо и обеспечивать необходимое перекрытие. Для вентиляторов с загнутыми вперёд лопатками рабочего колеса большое значение имеют осевой зазор между колесом и входным коллектором, оптимальная величина которого составляет 0,5 % диаметра колеса, и форма языка спирального корпуса.

Так, на стенде одной весьма известной западной фирмы были представлены радиальные вентиляторы, у которых сопряжение колёс и входных коллекторов было исполнено совершенно недопустимым образом (рис. 1, 2).

Возвращаясь к отечественным радиальным вентиляторам, следует сказать, что имеют место все те же проблемы с зазорами, но к ним добавляются ещё и характерные только для наших установок (рис. 3, 4).

На выставке были представлены и образцы радиальных вентиляторов, у которых корпуса не соответствовали направлению вращения колёс (рис. 5).

^{Рис. 5. Радиальные вентиляторы, у которых корпусы не соответствуют направлению вращения колёс. Помимо этого, правый вентилятор имеет огромный осевой зазор между входным коллектором и рабочим колесом}

Если говорить об отечественных осевых вентиляторах, то наиболее распространённым недостатком является наличие у них огромного радиального зазора. Принято считать, что увеличение этого зазора на 1 % (относительно длины лопатки) приводит к уменьшению КПД вентилятора примерно на 1 %. Поэтому оптимальный радиальный зазор в вентиляторах обычного исполнения составляет 1–1,5 % длины лопатки. Но к этому добавляются другие проблемы. Так, по незнанию аэродинамики или для уменьшения себестоимости изготовления некоторые производители выпускают осевые вентиляторы с аэродинамически несовершенными листовыми лопатками: отсутствует «крутка», профиль лопатки образован двумя изломами (технология начала прошлого века), сами лопатки установлены на плоских втулках (в том числе типа «звёздочка»); неправильно установленные лопатки входных направляющих аппаратов (ВНА); огромные втулки перед входом в колёса, затеняющие бóльшую часть колеса. Все перечисленные ошибки видны на рис. 6, 7.

^{Рис. 6. Осевые вентиляторы с увеличенными радиальными зазорами, упрощёнными лопатками без «крутки», установленными на плоских втулках. Слева и справа – лопатки, образованные двумя изломами, огромные втулки перед колёсами; правый – неправильно установленные лопатки ВНА}

^{Рис. 7. Осевой высоконагруженный вентилятор схемы (вид спереди и сзади). Огромный радиальный зазор; в качестве лопаток спрямляющего аппарата использованы обычные пластины, установленные по оси вентилятора; чётное и одинаковое число лопаток у колеса и спрямляющего аппарата (по 16 штук) приводит к усилению шума}

– Что вы можете сказать о применении в вентиляторах EC-электродвигателей? Насколько вентиляторы с такими моторами эффективны?

– Безусловно, эффективны, если вентиляторы предназначены для работы с переменным расходом. Но зачастую вентиляторы используются при фиксированной частоте вращения, поэтому можно сказать, что привод играет роль обычной ремённой передачи. В ряде случаев дело доходит до абсурда. Например, на выставке был представлен кондиционер с радиальным вентилятором со свободным колёсом и высокоэффективным приводом с EC-электродвигателем (рис. 8). Несмотря на то что используется аэродинамически эффективное рабочее колесо, загромождение проточной части нивелирует преимущества колеса и привода.

– На что следует обращать внимание специалисту при выборе вентилятора?

– Специалист подбирает оборудования по каталогам, не видя самих вентиляторов, руководствуясь своей практикой, советами коллег, форумом, наконец. Но специалист должен иметь хотя бы поверхностное представление о том, какие конструктивные элементы оказывают влияние на эффективность вентиляторов, и хотя бы изредка посещать региональные выставки. И уж, как правило, осуществлять авторский надзор за своим проектом, контролировать, была ли замена, что за вентиляторы были поставлены на объект. На распространённые типичные, мягко скажем, «ошибки» мы указали выше.

Монтажники иногда заменяют оборудование, поскольку для них это возможность некоторого дополнительного заработка из-за разницы в цене оборудования. Но необходимо понимать, что аэродинамически эффективный вентилятор не может быть дешёвым. Для его изготовления требуются квалифицированный персонал, специальное технологическое оборудование, хорошие комплектующие. Это дорого обходится. Кроме того, при сборке должны соблюдаться все необходимые технические требования (по зазорам и т. д.). Попытка идти по пути уменьшения стоимости изделий, в частности, за счёт упрощения конструкции, технологии, снижения требований к квалификации персонала, неизбежно приводит к ухудшению аэродинамических характеристик вентиляторов и его КПД. В нашей аэродинамической лаборатории мы иногда проводим испытания вентиляторов по просьбе заказчиков, и поверьте, во всех случаях реальные характеристики разительно не совпадали с паспортными.

– И здесь справедлива поговорка «скупой платит дважды»?

– Дорогой вентилятор не всегда оказывается лучшим. Но и совсем дешёвый вентилятор хорошим не бывает. Если производитель отразил в своих рекламных материалах реальные параметры оборудования – он абсолютно честен перед потребителем. Другое дело, если показатели указанные в ТУ, каталоге, паспорте, взяты из материалов другого изготовителя, который делает «правильный» вентилятор. В таком случае это прямой обман. Покупатель такого вентилятора получит дополнительные огромные энергетические и финансовые затраты в процессе эксплуатации. Возникнут также проблемы с самой системой вентиляции, т. к. вывести её на требуемые проектные режимы будет очень трудно или просто невозможно.

– В чём может быть причина того, что «правильный» вентилятор не выходит на заданный расход? Если предположить, что вентиляционная система хорошо спроектирована, монтаж произведён без отступлений от проекта и т. д.

– С большой долей вероятности – в соединении вентилятора с сетью (в западной технической литературе используется термин system factor). Другими словами, элементы вентиляционной сети, расположенные перед вентилятором, могут ухудшать его аэродинамические характеристики. Равно как и вентилятор может увеличивать аэродинамические потери в элементах сети, расположенных непосредственно на его выходе. По этому поводу опубликован ряд статей в журнале «АВОК», материал есть также и в нашей книге. Для более продвинутых проектировщиков – AMCA International Publication 201:2002.

– Есть ли рычаги воздействия на недобросовестных производителей?

– На западе эту сферу деятельности регулируют профессиональные сообщества, например Eurovent, ASHRAE и т. д., в России – это АВОК, АПИК. Несмотря на то что устанавливать показатели производимых вентиляторов – дело добровольное, заказчик имеет право требовать предоставления данных хотя бы по КПД и классу эффективности вентилятора, подтверждённых проведением реальных испытаний в аттестованной лаборатории. Насколько нам известно, сейчас ведётся работа по созданию некоммерческого партнёрства, которое взяло бы на себя проведение испытаний и выпуск соответствующих документов.

Беседу провела Марианна Бродач, вице-президент НП «АВОК», профессор МАрхИ, главный редактор журнала «Здания высоких технологий». ●