能源和气流:成本与舒适 之战

威斯康辛州伯洛伊特2017年8月31日 - Regal Beloit Corporation是一家全球领先的电机、机械和电气传动控制以及发电产品制造商与经销商,在27个国家开展业务经营。Regal的产品品牌可满足全球以下行业客户的严苛应用要求:加热、通风、空调、商用制冷、食品加工、制药、化学加工、材料处理、医疗、石油和天然气、建筑施工、制造、发电、农业和采矿业。为确保我们的客户在产品的整个生命周期中取得成功,Regal组建了一支全球性的服务团队,专注于设计、安装、故障排除、状态监控、产品维修/重建以及应用培训。

摘要

有一种常见的误解认为,提高皮带传动的效率可降低能耗。实际情况并非总是如此,要获得真实的分析,就必须考虑产生的气流。对气流的影响不仅限于暖通箱;阻尼器、建筑物管理系统和系统设置都与之相关。本文将探讨所有机械和电气部件的系统性影响,因为它们与系统的整体效率及其对气流的影响有关。  

确保峰值性能

确保商业供暖、通风和空调(暖通)系统处于峰值性能并非易事。商用和工业空气处理器用于交换、调节和循环空气,为特定空间内的用户带来舒适度。这些系统通常包括风扇、加热和制冷线圈、阻尼器、执行器和控制器、过滤器以及皮带传动装置。空气处理器连接到一个管道系统,将经过调节的空气输送到整个建筑。然后,您必须了解不同类型的系统:恒定风量(CV)、可变风量(VAV)和多区域。这些系统的效率取决于系列中每个组件的运行条件。任何一个组件出现性能不佳,都会影响到整个系统。 

根据美国能源部的数据(2009),商业领域的能源开支是1920亿美元;其中800亿美元(41%)用于暖通设备。成本将随电价上涨。出于这一原因,建筑工程师、业主和管理人员都在关注其设备的性能,并确定能否通过改造或重新调试加以改进。再考虑到美国有一半的商用建筑已建成逾36年,您就能发现很多人都面临着类似的挑战。 

风扇的效率必须始终按总的系统效率加以衡量,其中每个组件的单独效率相互累加。系统中所有组件的损失,包括电机、皮带传动、变频器、风轮的空气动力学设计和效率,都会降低系统的总效率。 

总效率通过比较电机的电力消耗与风扇的机械功率输出而测得。 

H总计 = H电机 + H皮带传动 + H变频器 + H空气动力学损耗 + H风轮

电机(H电机)是系统效率的关键组成部分。电子整流(ECM)无刷直流电机在行业中受到高度重视。这种电机在住宅领域的应用越来越普遍,并开始在高端暖通炉具中出现。政府法规正在推动该领域迅速普及这一技术。 

商业领域的情况则大相径庭。NEMA Premium电机仍被很多人视为顶级的整数功率电机(IHP),因为它目前拥有最高的额定效率。然而,随着永磁电机开始以IHP NEMA规格发布,纳入一个与其住宅用型号类似的结构,相关标准将会提高。 

电机很容易进行升级,它就是一种高效地将能量转化为运动的设备。效率每提高一个百分点,能耗就会相应下降。 

皮带传动(H皮带传动)依赖于多个变量实现正常运行。皮带传动系统高效地将动力从电机传输到风扇的能力取决于以下几个因素:

  • 皮带张力
  • 滑轮磨损
  • 对准
  • 皮带选择
  • 所用组件的质量

如果这些因素中的任何一个未得到适当的维护,则系统性能将无法达到预期的设计水平。皮带将会出现打滑,风扇无法提供所需的气流,而功耗会随着电机负载下降而降低。 

许多建筑工程师没有从维持峰值效率的角度看待空气交换器,而且很少监测风扇的每分钟立方英尺(cfm)输出值。其结果是,安装和维护皮带传动部件的最佳实践往往得不到重视,并且行业普遍缺乏对不当程序会如何影响气流的认识。因此,皮带传动几乎始终达不到峰值效率。 

提高系统的效率总是能够提升性能,但是有一种普遍的误解是,提高皮带传动的效率可以减少能耗。实际情况并非总是如此,有时这也会导致能耗增加。 

如果您想知道“空气处理器能够达到的最低能耗是多少?”,答案很简单:不要打开就行了。很显然,这样一来风扇就不会旋转,也就无法为空间提供通风,然而这正是系统全部的功能,所以这样是行不通的。对“空气处理器能够达到的最低能耗是多少?”这个问题的更贴切的回答必须以确保提供合适的气流为前提。所以,请考虑这一点:空气处理器的最佳效率是指它在产生最优气流的同时只需要最少能耗的能力

 

根据相似律,每分钟立方英尺气流与风扇每分钟转速(rpm)成正比。风扇功率与轴速比例的三次方成正比:

Q1 = Q2 x (N1/N2)

P1 = P2 x (N1/N2)3

其中Q为体积流量,P为功率,N为转速。也就是说,如果风扇速度提升10%,相应的功耗就会增加33%! 

如果您提高皮带传动的效率,减少风扇滑轮的打滑,就能提升风扇的转速。但是,由于电机现在需要完成更多的工作才能驱动更高的负载,就像刚才证明的那样,在所有其它因素保持不变的情况下,这将导致功耗增加。

可能影响功耗的一个参数是包布式V带和齿形V带之间的差异。包布式V带最高可达95%的效率,而齿形V带的效率最高可达98%。效率的提高归因于多个因素,其中一个因素是更低的弯曲应力。因此,在提高效率的同时减少能耗的一种方法是尽可能使用齿形V带。

所以最重要的问题是:“是否需要更多的气流?” 如果是的话,结果很可能会增加能耗。这是因为电机需要完成更多的工作来提供更多的气流。当然,如果确实需要更多的气流,其最大的好处就是能够提高用户的舒适度,而这正是任何精心设计的暖通系统的首要任务。如果不需要更多气流,则可以通过改变皮带传动的比例,使驱动速度保持在安装新组件之前的水平。由于风扇速度更低,动力传动效率增加,因此能耗将会减少。 

如今,许多暖通系统都采用变频器。这种装置能够加快或降低风扇速度,以满足静压要求。因此,如果皮带传动系统的运行效率低下(比如打滑),变频器就会让电机提高速度。增加电机速度也会增加其功耗。以峰值效率运行的皮带传动系统将使电机更容易达到静态压力,然后变频器会让电机降低速度,从而显著降低能耗。

我们强烈建议您在对系统进行优化并按照制造商规格安装了新的皮带传动部件之后,使用空气平衡器来确保特定空间获得适当的气流。这将确保您在系统中保持适当的空气流,最大限度地提高用户舒适度,并最大限度地降低电力消耗,实现所有目标。说到底,能以最少的付出圆满完成工作才是最好的方法。同样的道理也适用于您的暖通设备。 

参考资料:

来源:http://www.eia.gov/consumption/commercial/reports/2012/buildstock/index.cfm
美国能源信息管理
美国商业建筑存量分析:EIA 2012年商业建筑能耗调查(CBECS)结果 - 2015年3月    

来源:https://www1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/corporate/bt_stateindustry.pdf
住宅与商用建筑能源效率趋势

来源:http://www.engineeringtoolbox.com/fan-affinity-laws-d_196.html
风扇相似律

关于Regal Beloit Corporation

Regal Beloit Corporation (NYSE: RBC)是一家领先的电机、电气运动控制、发电和输电产品制造商,其产品行销全球各地。该公司由三个业务部组成:商业和工业系统、气候解决方案和动力传动解决方案。Regal总部设于威斯康辛州贝洛伊特,并在美国、加拿大、拉美、欧洲和亚洲各地设有制造、销售和服务设施。

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