Varför är centrifugalfläktar det mest optimala fläktvalet för luftbehandlingsaggregat?



Energieffektivitet brukar beskrivas som förhållandet mellan avgiven energi och tillförd energi. Samma sak gäller för fläktar. Att bestämma vilken fläkt som är den mest optimala för en viss applikation, och som är den mest energieffektiva, är emellertid inte så enkelt. En fläkt är i grunden en avancerad flödesteknisk lösning som reagerar på även små förändringar när det gäller exempelvis typ av applikation, utförd installation, hastighetsvariationer och tryckförhållanden som kan påverkas av förorenade filter. Följden blir att knappast någon fläkt fungerar med sin mest optimala effektivitet och verkningsgrad under hela sin livslängd.

I denna artikel ger vi dels en beskrivning av vad som påverkar bl a energieffektiviteten och verkningsgraden hos fläktar, dels varför centrifugalfläktar är det bästa valet för luftbehandlingsaggregat (AHU:er, Air Handling Units). Det är många olika faktorer som påverkar en fläkts luftflödeskapacitet, ljudnivå och energieffektivitet. Några exempel är fläkten aerodynamiska verkningsgrad som avgörs av fläkthjulets geometri, fläkthusets utformning och material, fläkthastighet och även fläktens diameter. Rent teoretiskt kan både radial- och axialfläktar användas i AHU-enheter.
I båda dessa fläktkonstruktioner är inloppet för luften parallellt med rotationsaxeln. Medan utflödet för axialfläktar huvudsakligen är parallellt med axeln, drivs luften i centrifugalfläktar huvudsakligen utåt och radiellt från centrum dvs centrifugalt. Vilken typ av fläkt som är det bästa valet beror på den aktuella applikationen och dess driftpunkt. Installations- och driftsförhållanden är viktiga faktorer för att en fläkt ska leverera en önskad verkningsgrad samtidigt som ljudnivån är låg.

Figur 1. Skillnader i de karaktäristiska fläktkurvorna för centrifugalfläktar (svart) och axialfläktar (blått).

När är axialfläktar en bra lösning?

Axialfläktar fungerar mest effektivt när de transporterar luft - till exempel via en värmeväxlare med lågt tryckfall i förhållande till flödet. Det innebär i regel att luftflödet transporteras via kanaler som antingen är korta eller har en relativt stor snittarea. För att uppnå bästa möjliga verkningsgrad bör ett axiellt fläkthjul placeras i en ram med ett fläkthus som har optimerats aerodynamiskt. Det betyder i regel att man skall ha kontroll på fläkthjulets position både axiellt och radiellt i huset. Tillsammans med en frontplatta (en vägg) garanterar detta den nödvändiga avskiljningen mellan insugnings- och utloppssidorna. Den karaktäristiska fläktkurvan för en axialfläkt är markerad med blått i Fig 1. Axialfläktar uppnår en optimal effektivitet och verkningsgrad vid höga luftflöden samtidigt som ljudnivån där också blir lägst i förhållande till det flöde man åstadkommer. Fläkttypen är dock känslig för fluktuationer i luftflödet på inloppssidan men möjlighet finns minska känsligheten genom montering av ledskenor. En möjlighet är också att med ledskenor på utloppssidan optimera axialfläktens effektiviteten. Detta innebär att fläktens totala längd ökar vilket kan vara en nackdel i vissa applikationer. Utflödet hos en axialfläkt är mycket centrerad jämfört med centrifugalfläktar vilket är en nackdel när luftflödet ska strömma genom exempelvis värmeväxlare. Om utflödet ska gå direkt in i ett kanalsystem kan däremot det centrerade luftflödet ha viktiga fördelar (Fig. 2).

Figur 2. Både axialfläktar och centrifugalfläktar kan användas i luftbehandlingsaggregat (AHU, Air Handling Units).
Med en centrifugalfläkt (till vänster) sprids luftströmmen jämnare mot bl a filter och värmeväxlare jämfört med luftflödet från axialfläktar som blir mer centrerat.


Radialfläktserien RadiPac är konstruerad för installation i luftbehandlingsaggregat

Till skillnad mot axialfläktar är radialfläktar mindre känsliga för påverkan av fluktuationer i luftflödet på in- och utloppssidorna. De är därmed också ebm-papst har utvecklat fläktserien RadiPac för att dessa radialfläktar ska vara optimala en fläktlösningar för luftbehandlingsaggregat. Vid utvecklingen av den senaste generationen av RadiPac har fokus legat på fläkthjulets luftinlopp, motorns placering i fläkthjulet och på fläktbladens utformning. Inloppskonan har fått ny utformning för att matcha fläkthjulet perfekt. Motorns position i fläkthjulet har också optimerats för att få bättre aerodynamik. Fläkthjulet har ihåliga aluminiumblad (Airfoil-blad) som höjer verkningsgraden och den speciella formen minskar vikten på fläkthjulet och ökar samtidigt stabiliteten. Tryckförlusterna vid fläktens inlopp har också reducerats. Att RadiPac är speciellt konstruerade för installation i luftbehandlingsaggregat innebär att installationerna förenklas samtidigt som fläktarna bidrar till en ökad energieffektivitet i kombination med låga ljudnivåer.

Vad är det som avgör en fläkts totalverkningsgrad?

Teoretiskt beräknas totalverkningsgraden för en fläkt med hjälp av ett antal ekvationer där hänsyn tas till fläkthjulets verkningsgrad, motorns verkningsgrad, eventuell transmissions verkningsgrad samt luftflödet genom fläkten, totaltrycksökningen mellan en fläkts in och utlopp och tillförd aktiv eleffekt. Viktigt i samband med ett fläktval är att fläktens totalverkningsgrad vid en dimensionerad driftpunkt ej understiger de värden som hänvisas till i Ekodesign direktiven. Svårigheten är att olika fläkttillverkares specifikationer inte alltid är jämförbara. Utgångspunkten vid en jämförelse är att hänsyn måste tas till vilka komponenter en fläkt innehåller. En enklare fläkt med bara ett fläkthjul kan inte jämföras med en komplett fläkt med styrelektronik och motor. Att multiplicera de individuella verkningsgraderna för olika fläktkomponenterna vid deras optimala driftpunkt räcker inte heller. Även om detta ofta görs i praktiken går det inte att förvänta sig att alla komponenter som används i en fläktlösning fungera med sin optimala verkningsgrad när de sätts ihop till en komplett lösning. För att få realistisk och korrekt bild av en fläkts totalverkningsgrad måste hela fläktenheten mätas som en helhet.

Luftprestanda utgör en viktig del vid en bedömning av en fläkts totala effektivitet. Uppgifter om en fläkts luftprestanda kan fås fram genom att multiplicera luftflödesvolym och tryckökning. Luftflödet, dvs luftvolymen, bestäms av en fläkts arbetspunkt i en applikation. Bilden av den tryckökning som krävs fås fram genom att bedöma de komponenter som luftflödet passerar genom som t ex filter, värmeväxlare och anslutna luftkanaler. Som en summa erhålls det totala trycket, angett som statiskt tryck, och det används för fläktvalet. Nuförtiden är termerna totaltryck och totaltrycksökning också vanliga. Det totala trycket är summan av det statiska trycket och det dynamiska trycket och är därför alltid högre än det statiska trycket. Denna information är viktig att ta hänsyn till när effektiviteten hos olika fläktlösningar ska jämföras. Det är också därför olika fläktlösningar måste göras jämförbara innan det är realistiskt att jämföra exempelvis deras energieffektivitet. Hänsyn måste tas till hur fläktarna är konstruerade och vilka komponenter som ingår. Det bästa är också att jämföra fläktar med utgångspunkt från den specifika uppgift de har i en viss applikation. En utvärdering bör också göras av hur en fläkt reagerar under vissa installationsförhållanden och vilka systemförluster i form av en reducerad verkningsgrad som eventuellt kan uppstå.

Mätningar visar på tydliga skillnader och varför radialfläktar är ett bättre fläktval

Mätningar och tester som ebm-papst genomfört visat att även de mest effektiva axialfläktarna på marknaden inte uppnår den höga verkningsgrad och de låga ljudnivåerna hos radialfläktar. Effektiviteten och akustiken hos axialfläktar kan emellertid förbättras avsevärt med kombinationer av ljuddämpare, diffusorer eller styrblad monterade på utloppssidan (Se fig 3). Att integrera dessa komponenter ökar avsevärt längden hos en axialfläkt vilket kan vara en stor nackdel i vissa applikationer. Sammantaget är därför radialfläktar med EC-teknologi det mest optimala valet för luftbehandlingsaggregat. De energiförbrukningsvärden som anges i tekniska dokument för fläktar är samtidigt viktiga för rätt val av fläkt. Samtidigt krävs det en korrekt tolkning av specificerad värden. Hos axialfläktar måste man också ta hänsyn till det faktum att det aerodynamiskt instabila driftsområdet ligger mycket nära fläktens optimala verkningsgrad. Det är också viktigt att tänka på att en förändring av systemkurvan till ett högre tryck kan ha en närmast förödande effekt på driftsäkerheten hos en fläkt och därmed finns en uppenbar risk för stora störningar i ett ventilationssystem.


Figur 3. Bilden visar den karaktäristiska fläktkurvan för en axialfläkt med och utan diffusor.