Metoder och teknik för att mäta, styra och applikationsanpassa fläktars luftflöden

Regler och rekommendationer

Att kunna reglera fläktars luftflöden efter de faktiska behoven möjliggör betydande energibesparingar och även reducering av ljudnivåer. Detta gäller dels för själva fläktarna. Men även, som exempelvis luftkonditioneringssystem eller ett ventilationssystem , har detta också en positiv effekt på energiförbrukningen hos andra systemkomponenter som värmare, kylare och luftfuktare. För att uppfylla kraven på energieffektiva och tysta ventilationssystem krävs som regel att luftflödet hos fläktarna kan styras så exakt som möjligt med utgångspunkt från ett specificerat börvärde. Beroende på fläkttyp kan olika metoder för att reglera luftflödet användas. I många applikationer möjliggör en reglering av luftflöden till specificerade börvärde en avsevärd reducering av både energiförbrukning och ljudnivåer (Fig. 1). Dessutom finns det för t ex ventilation av bostadshus och arbetsplatser, regler och rekommendationer att ta hänsyntill. Dessa utfärdas av Boverket och Arbetsmiljöverket och ställer krav på både luftkvalitet med hänsyn till hälsa, hygien samt energieffektivitet. I dessa regelverk finns det rekommendationer gällande luftflöden per person samt per kvadratmeter. Men det finns även råd om hur man kan tänka för att behovsanpassad den när dinge vistas i lokalerna. Det ger då möjlighet till energibesparingar genom att man inte ventilerar ut kyld eller värmd luft. De värden som här krävs kan endast uppnås om luftflödet för fläktarna som används i applikationen kan bestämmas och regleras exakt efter behoven och detta genom en justering av fläkthastigheten. .




Figur 1. En behovs- och applikationsanpassad styrning av fläktars hastighet och luftflöde möjliggör stora energibesparingar och reducering av ljudnivåer.



Metoder för att mäta luftflöden

Det finns ett stort antal mätmetoder för att bestämma luftvolymer och flödeshastigheter. Många av dessa är dock inte lämpliga för mätning av gaser och kan därför inte användas när det finns behov av att mäta och kontrollera fläktars luftflöden. Magnetinduktiva mätmetoder utesluts eftersom de bara fungerar med elektriskt ledande media. Massflödesmetoder med termiska sensorer kan vara lämpliga för fläktar, men endast under laboratorieförhållanden eftersom de tunna mättrådarna är mycket känsliga. Andra mätmetoder är mycket exakta och robusta, men relativt dyra att implementera och därför mer lämpliga för testriggar. På en ultraljudsflödesmätare registrerar två detektorer tidsskillnaden för två ultraljudvågor som är proportionella mot den genomsnittliga flödeshastigheten. Alternativt kan flödeshastigheter registreras med hjälp av en anemometer (ett instrument för att mäta luftmassors rörelsehastighet) eller med Vortex flödesmätare. Med Vortex flödesmätare detekteras frekvensen för virvlarna som är proportionella mot flödeshastigheten. När det gäller anemometern är hastigheten och luftflödet proportionellt. (Fig 2)


Figur 2. Vänster Lufthastighetsmätning med hjälp av ultraljud, Höger: Vortex flödes mätning.



Avancerade mätmetoder möjliggör mycket exakta mätningar med lösningarna kan många gånger vara svåra att tillämpa i praktiken. Mätningar vid fläktars inflöde eller utflöde kan utföras på alla fläkttyper de relativt små sensorer som används orsakar inga relevanta tryckförluster. I många applikationer utgör emellertid extrakostnaderna för sensorerna, deras installation och effekterna av att de kan bli nedsmutsade efter en tid ett hinder för att använda vissa mätmetoder. Dessutom kräver flödeshastigheter uppmätta "lokalt" - dvs på ett ställe - exakt kunskap om driftspunkten eller installationsspecifika förhållanden för det tvärsnittsområdet genom vilket luftflödet passerar. Detta kan ställa krav på noggranna kalibrering för att man ska kunna bestämma luftflödet.

Ett annat alternativ är de volymflödeskontrollsystem som utvecklats och som gör det möjligt att mäta tryckfallet eller tryckskillnaden relativt ofta i luftkonditioneringssystem och ventilationsaggregat. Även i dessa system krävs en sensor för tryckmätningen. I många fall kan emellertid mätpunkterna appliceras på ett sådant sätt att hastigheten inte bara mäts rent lokalt. Den största nackdelen med tryckfalls- eller tryckskillnadsmetoderna är att mätnoggrannheten vid låga luftflöden minskar avsevärt. Dessutom kan det finnas applikationsspecifika problem. Ett exempel är om tryckskillnaden över en värmeväxlare eller ett filter används i ett ventilationsaggregat i ett bostadshus. I detta fall kan mätsignalen påverkas starkt av bl a kontaminering.


Integrerad styrning utan sensorer hos ebm-papst fläktar

Om det finns ett tydligt samband mellan effektförbrukning och luftflöde med konstant hastighet kan en fläkts driftspunkt bestämmas genom att mäta motorströmmen och hastigheten. Denna möjlighet finns bara för centrifugalfläktar med framåtböjda skovlar. Termen "sensorlös" styrning används ofta i samband med elektroniskt kommuterade fläktar eftersom det endast är interna motorvariabler som används och det inte krävs några externa tryck- eller hastighetssensorer. I ebm-papst fläktar utnyttjas tekniken med sensorlös styrning som är integrerad i elektroniken och som ger en konstant volymkontroll (fig. 3).
För att kunna bestämma driftspunkten används en kalibreringsfunktion som både kan vara anpassad till en specifik fläkt men i vissa fall även till ett ventilationsaggregat. Förhållandet mellan strömförbrukning och luftprestanda ger med denna metod en hög kontrollnoggrannhet även vid låga luftflöden. En förändring i lufttätheten kan dock resultera i osäkra värden vid luftflödesbestämningen.



Figur 3. Konstant kontroll utan sensorteknik hos en av ebm-papst centrifugalfläktar med framåtböjd skovel.



För centrifugalfläktar med bakåtböjda skovlar är luftflödesbestämning inte möjligt, men ebm-papst har som alternativ utvecklat en plug-and-play-lösning som är enkel att installera. Det är en anemometer som placeras i fläktens utloppsmunstycke (Fig 4). Anemometern registrerar kontinuerligt det verkliga luftflödet utan att ge några tryckförluster eller någon förhöjning av ljudnivån. Uppgifterna överförs sedan till fläktens integrerade styrelektronik som justerar EC-motorns varvtal till önskat börvärde och reglerar luftens volym till det angivna börvärdet. Eftersom en EC-motors hastighet kan användas som en intern korrigeringsvariabel kan mycket hög kontrollnoggrannhet uppnås även vid låga luftflöden. Med denna helt integrerade och konstanta volymkontroll kan en extremt exakt och effektiv lösning uppnås för ventilationsaggregat.
För bostadshus innebär det till exempel att de boende får en förbättrad inomhuskomfort med ett balanserat tillufts- och frånluftsflöde året runt. Tekniken förhindrar en oönskad tillförsel av kall utomhusluft. En viktig fördel är också man förhindrar att varm rumsluft strömmar ut på vintern, kyls ned och riskerar att orsaka kondens i ytterväggarna. En viktig fördel med anemometertekniken är att det till skillnad från sensorlösningar inte uppstår några problem på grund av nedsmutsning. Tester har genomförts under extrema förhållanden med mycket damm och hög luftfuktighet som bekräftat plug-and-play-lösningens tillförlitlighet.


Figur 4. Konstant kontroll av en centrifugalfläkt med bakåtböjd skovel med hjälp av ebm-papst plug-and-play lösning med anemometer.