通風節能課程 2014 作者 : 陳信昌
通風節能課程內容 風機種類而影響的效率 風機製造技術而影響的效率 風機尺寸大小而影響的效率 減小風量的省電 減小壓力的省電 減小系統效應造成的損失 適當的風機分段點 ( 單台風機與串連風機 ) 現地勘察評估要點
耗電的公式計算
離心風機的種類 前傾式風輪後傾式風輪翼截式風輪混流式 直翼式透浦式 ( 高壓 )
離心風機的種類 - 商用型 商用風機 - 標準尺寸規格產品 ( 價格較低 ) 有固定的特性曲線, 使用者依需求選擇, 但不一定能落在高效率區 SP KW 靜壓 - 風量風量 - 耗電效率曲線系統阻力操作點壓力峰值 AIR VOLUME
離心風機的種類 - 工業型 工業風機 - 可以依操作點的參數, 做最佳的設計, 利用不同的輪徑 輪寬 葉片數 葉片型式 葉片角度 等設計準則, 將風機的操作點設計到最好的效率點, 以求風機能表現出最低的能耗 好的設計者, 能將風機效率 ( 靜壓效率 ), 提升至 75~82% 但個別設計及製作, 相對成本會提高 初期投資費用會增加, 但通常這種差額, 會在運轉後的電力節省回來 一般統計, 都可以在半年至一年內回收
離心風機的種類 - 商用的選機 一般來說, 若使用在壓力約 250PA 以內, 翼截式效率 = 後傾式效率 *1.03= 前傾式效率 *1.08 壓力在 250PA-500 PA 之間 翼截式效率 = 後傾式效率 *1.04= 前傾式效率 *1.12 壓力在 500PA 750 PA 之間翼截式效率 = 後傾式效率 *1.05= 前傾式效率 *1.2 壓力在 750PA 1000 PA 之間翼截式效率 = 後傾式效率 *1.07= 前傾式效率 *1.25
離心風機的種類 P u n k e r V e n t i l a t o r r ä d e r + L u f t t e c h n i k P u n k e r V e n tila to r r ä d e r + L u f tte c h n ik 前傾式風輪的側蓋是平蓋板, 而後傾式風輪的側蓋是流線型蓋板, 進風時產生較小的亂流, 所以會比前傾式效率略高 而翼截式在葉片的改良, 而能得到更好的效率 距離長 / 速度快 / 密度小 / 壓力小 昇力距離短 / 速度慢 / 密度大 / 壓力大
離心風機的種類 故若是現場的系統壓力在 600-1000PA, 在更改風輪型式時, 能產生的效益最大 而這部份也因各廠家製造水平的不同而有差異, 詳細比較還要加入這部份的考量 詳如下個章節論述
風機製造技術的影響 風輪側蓋的影響 側蓋為錐形 側蓋為流線型 ( 特例 : 特殊工業風機, 因設計方式有異, 也有平的側蓋型式 ) 一般的廠商, 若是較具規模者, 都會開模具而製造有較好流線型的風輪側蓋 而較低水平的廠商, 則省去開模費用, 而直接以鋼板接合成錐形側蓋, 效率的影響可達 3-5%
風機製造技術的影響 離心風機入風口的重要性 (1) 入風口製作流線度佳, 可減少很多進風亂流, 減小風阻, 增加效率 最好的是延長量足夠的流線, 如最左圖 其次是中圖, 較短的流線型, 最不好的是沒有流線形的錐型入風口 ( 右圖 )
風機製造技術的影響 左圖為最好的入風口型式, 一 流線順暢二 延伸量足 ( 一般至少要有單側輪寬的一倍 ) 三 末端外翻設計 ( 和風輪達到最佳的進風效應 )
風機製造技術的影響 左圖為流線型較差的入風口, 只有外徑前 1/3 為流線型, 後面 2/3 為直線型, 其進風不順暢 另有廠家做成更短的入風口, 僅有前面一半的長度, 其效果更差 也有廠商並未開發模具, 而以一段一段焊接, 亂流也過大, 影響進風效率 一般最好和最差的入風口, 效率會差異到 10% 以上
風機製造技術的影響 入風口和風輪側蓋之間的間隙, 要儘量的小, 特別是壓力需求大時 廠商的做法, 有時是並排, 有時有插入內緣 各有優缺點, 品質好壞, 其效率差異可達 5% 洩漏影響及亂流影響 ( 風量減低及靜壓減低 )
風機製造技術的影響 以上的製造問題, 若是現廠裝配的是品質較差的風機, 在更換成高效風機之後, 會有明顯的差異表現出來, 差異性會在 10~20% 左右
風機尺寸大小的影響 以芝加哥風機雙吸翼截式來做選機的比較 舉一例子, 風量 30000CMH, 靜壓 800PA, 以下為選機表
風機尺寸大小的影響 一般廠商若是價格競爭激烈, 會選用 #245, 而通常的廠商會選擇 #270 或 #300 效率差 : #270 / #245 = 67.3 / 61.7 = 1.09 ( 優了 9%) : #300 / #245 = 71.3 / 61.7 = 1.15 ( 優了 15%) 所以若空間放得下的話, 加大風機, 可使效率提升更多, 更能達到明顯的效率改善值
減小風量的省電 有三種狀況我們可以減小風量 : 一. 原有的系統的洩漏風量太大, 我們可以透過系統管路的查核, 找出漏風處, 加以改善 若改善了漏風量, 我們可以降低原有風機的風量, 可以明顯的減低電力負荷 ( 在減少風量也可同時減小壓力需求, 整體耗電有減低三次方比的效果 ) 二. 在不同時間, 可能需求的風量值不同, 如尖峰時段與一般時段, 一年四季的氣侯不同, 白天及夜晚的不同, 可以透過實際的了解, 而加裝定時控制及變頻控制來省電
減小風量的省電 三. 設計初期, 己經有過量的設計值 - 一般設計師在設計系統需求值, 會加一定量的安全係數, 以避免因為安裝不當 ( 漏風 ), 或系統變更 ( 管路改變而造成的壓損 ), 而產生風量或風壓不足的現象 使用者在實際操作時, 可以依操作狀況, 重新量測, 再把多餘的量, 重新調整 ( 減少 ), 就可以把不必要的電力節省回來 其他例子 : 排熱風量, 管內搬運風速, 等 風機定律 : 風量和轉速的一次方成正比, 靜壓和轉速的二次方成正比, 耗電和轉速的三次方成正比
減小風量的省電 另外有一種狀況, 是由於風量分配不均 使用者並未想到去修正管路設計, 只一味的加大風機風量而造成的浪費 若能對空氣的分佈能有更好的設計, 則省下的電力將非常可觀, 如國外的纖維風管系統就是一個好例子
減小風量的省電 由電費金額來看省電效益 : 假設我們可以從系統中省回 10HP 的電力, 我們來看看一年可以省多少電費 : 360 天 x 24 小時 x 7.46KW x 2.5 元 = 161,136 元 這就是我們必須記住的數據 : 節省 10HP 電力, 一個可以省 16 萬的電費
減小壓力的省電 常常有些風管系統, 因為設計不良或是現場監工不良, 及操作保養不當, 而使風管系統有很多不該有的壓力損失, 可詳見本公司的空調通風節能簡報中有很多例子說明 而最常見的有 : 1. 不良的彎頭設計 :( 我們可以透過改良彎頭轉彎半徑, 及增加彎頭內導風片來減小壓力 ) 2. 不良的出風及入風位置 3. 過小尺寸的風管系統, 包含管徑, 開口尺寸等 4. ( 節省風管成本, 或是搬運風速設計過大 ) 5. 管件的保養不確實, 如濾網的更換, 盤管鰭片的堵塞
減小壓力的省電 風管的壓損改善, 也可以直接反應到耗電量, 每減少 10% 的壓損, 也可減少 10% 的電力需求
減小系統效應的損失 在風機的教育訓練課程中, 有一專題為系統效應, 很多設計者在配置風管管路時, 並未注意到這些影響, 所以會造成後續很多的電力浪費, 我們在此舉一些課程內容中的狀況來做說明 一 入口渦漩 風機入風口若是進風不順, 則直接影響風機的效率, 其影響之大, 有可能從 15% ~ 60% 所以不得不注意風管的配置 若能有足夠的距離, 而使氣流能平順的進入風機入口, 則風機即可發揮最佳的效率
減小系統效應的損失 入口渦漩
減小系統效應的損失 入口渦漩 - 其他可能性
減小系統效應的損失 二 入口干擾
減小系統效應的損失 三 出風口的系統效應
減小系統效應的損失 四 其他例子
現地勘察評估要點 去現場評估的重點 : 我們去查看現場, 最重要的是要能找出可以改善的空間, 若是一個系統不能有很大的改善效果, 是沒有甲方會願意做這樣的投資 所以有些系統相對的是較不重要的 : 1. 使用時間很短的系統 2. 巳經使用很高效率的設備 3. 使用電力很小的系統 4. 系統風管很短, 壓力很小 ( 相對耗電量低 )
適當的風機分段點 以離心風機為例, 在低壓的效率較低 中壓為最好效率區, 高壓區的效率也會再下降
適當的風機分段點 以一台風量為 250CMM 的風機為例, 下表為不同靜壓值, 所選出風機的效率值 : 靜壓 MMAQ 50 100 200 400 750 1000 1300 1500 效率 % 55 70 81 83 78 77 75 72 當一個排氣系統, 總壓損值高到 1500MMAQ, 若我們採用一台風機來操作 則效率為 72% 耗電約為 :85KW 若改為兩台風機, 接力來運轉, 則耗電量約為 : 39.25 x 2 = 78.5KW 是可以再省一些耗電的 所以適當的將管路分段, 利用風機串連運轉, 有時也能省電, 但並非都有利 如果原本為 100MMAQ 的管路壓損, 拆成兩台風機, 每台需求靜壓值僅為 50MMAQ, 則使用 兩台風機, 反而因為效率減低, 而使耗電增加
適當的風機分段點 我們再來看下圖這個系統, 假設風量為 200CMM, 而分為兩個出口,A B 風口出風皆為 100CMM, 當管路到達 A 所需的靜壓為 50MM, 而由分叉點到達 B 所需的靜壓值為 50MMAQ 若我們使用一台風機 則需求風量為 200CMM, 靜壓為 100MMAQ, 耗電為 :200x100/6120/0.7 = 4.7KW 若在管路 B 段落另增一台接力風機, 則總耗電為 : 200x50/6120/0.7 +100x50/6120/0.6=2.33+1.36 = 3.7 KW 是會較省電的 雖然後段低壓力, 風機效率較差一些 但是若僅使用一台風機, 則前段的負荷多了後段的壓力值
現地勘察評估要點 去現場評估的重點 : 備妥檢驗表, 一步一步查驗數據 : 1 量測同一風機系統實際的進風量及出風量, 若差異值大, 則表示系統漏風太多, 可以有改善的空間 2 查看風管系統, 是否有不良的彎頭而造成太大的壓損 3 查看所使用的風機, 若是使用本地產, 入風口短且流線形不佳, 製造水平低者, 有很大的改善空間 4 依前述的檢查, 及之前的效率比較說明, 若是可以有 50% 以上的效率改善空間, 都值得處理
現地勘察評估要點 再依現場所量測的數據, 做一份效率改善報告, 以改善後的效率差值來計算耗電量及電費節省, 依實際的操作時間來推算所節省的費用 若是投入的金額, 可以於 1-2 年回收者, 都是值得投資 下頁將舉實例的數據來做說明 :
實例說明 1- 風機選擇的省電 假設要選定一台風機, 風量 75000CMH 150 MMAQ, 以一般廠商報價, 考慮成本的關係, 選擇較小的後傾離心風機 番號為 #8, 靜壓效率為 64 %, 軸動力為 48KW, 風機成本為 :110000 元 若可以選擇效率較高的機翼型風機,#8 靜壓效率為 80.6%, 軸動力為 38KW, 風機成本為 125000 元 兩台風機差價 15000 元, 而耗電差為 10KW 假設每天使用風機 10 小時, 則使用電度為 10KW*10HR = 100 度 每度電單價 3 元, 則使用較高效率的的風機每天節省 300 元, 每個月假設運轉 25 天, 則每月節省 7500 元, 一年 12 個月, 可節省 90000 元. 之前購買風機的價差 15000 元, 可以在兩個月就省回來, 而若是這台風機跑十年, 每年多浪費 90000 元, 十年則多耗 90 萬的成本說來也很驚人, 這僅是一台風機而已, 若是整廠的風機都是這樣選擇, 就可省下一筆龐大的數字, 不但省錢也更加環保
實例說明 2- 壓力的減低 假設完全相同的管路設計, 在配風管使, 使用低壓損型式的彎頭及較高損失的直角彎頭, 其耗電的差異性, 我們做一個比較 : 假設直管段完全一樣, 管路總共有四個彎頭, 尺寸為 1000x600, 管內風速為 13M/S ( 風量 468CMM- 大約一個 200 坪空間的換氣量 ) 使用直角彎頭單個壓損 12.5MMAQ 使用圓弧彎頭加導風翼 單個壓損為 1.2MMAQ 四個差異就 45MMAQ 左右, 假設購買風機效率為 70%, 則兩者的耗電差可用公式 QxSP/6120/EFF% = 468x45/6120/0.7 = 4.9KW
實例說明 2- 壓力的減低 假設此風機每天運轉 10 小時, 則每天多耗電 49 度 (147 元 ) 每月使用 25 天, 則每月多耗電 147x25 = 3675 元一年 12 個月, 多花的金錢為 3675 x 12 = 44100 元這個金額巳經高於當初購買風機的錢了 我們再討論一下, 當初為了省錢, 做直角風管彎頭, 若把這四個彎頭都改成較好的圓弧彎頭加導風片, 一個差價約 2500 元, 四個差價約 10000 元 而這個錢, 我們在三個月的電費中就可省回來了 以這樣來看, 就知道什麼才重要了吧.
實例說明 2- 壓力的減低 本公司有免費軟體提供, 幫助客戶自行計算壓力損失, 能自行評估其損失及可回收的電力成本
實例說明 3- 風量的減少 假設原始設計的風量就過量, 我們可以用風機定律來修改轉速, 風機定律 : 風量和轉速的一次方成正比, 靜壓和轉速的二次方成正比, 耗電和轉速的三次方成正比, 假設我們的風機是可以調整轉速的,( 皮帶傳動者, 修改皮帶輪尺寸, 若是直結傳動者, 可利用變頻器來修改轉速 ) 若我們以第一例的規格來做說明, 原風機的風量為 75000CMH, 耗電 38KW 若目前風量超過 15% ( 風量 65000CMH 就足夠現場條件 ) 我們把風量利用轉速降下來 15%, 最後耗電會變成 38/(1.15)^3 = 25KW 計算後可知每天省 750 元, 每年省 750*25*12 = 22 萬 5 千元
實例說明 3- 風量的減少 若我們使用的是直結傳動的風機, 又沒有採用變頻控制, 完全無法改變現有的轉速 我們只能採用風門來調節風量 ( 或修改風輪輪徑, 補充說明 ) 在設計風門 ( 擋板 ) 時, 有一些因素若是考量得宜, 是可以有較大比例的動力節省 一般在風機入口和出口使用的風門, 就系統阻力及耗電量來說, 就有很明顯的不同 請看一頁的曲線表所示
實例說明 3- 風量的減少 而入口風門, 依據安裝的位置及種類, 以會有明顯的省電差異, 請看下頁
實例說明 3- 風量的減少 A 型 : 入口多葉片式風門 B 型 : 入口風箱前端的多葉片型風門 C 型 : 入口輻射風門 能省電最多的就是 C 型, 入口輻射風門 ( 在 50% 的開度, 至少可省電 20%, 在 25% 的開度, 至少可省 40%)
實例說明 3- 風量的減少 可變風量的入口輻射風門 這種配置是用以產生一個強制的入口旋渦, 而與風機的葉輪以相同方向轉動 入口導風翼有兩種不同的型式 : 1) 錐形型式, 附在風機的入口中 2) 管狀型式, 外加於入風前
補充 - 修改風輪輪徑 風機定律的另一項 : 變更直徑當空氣密度及轉速不變時, -- 風量和直徑的三次方成正比 -- 壓力和直徑的二次方成正比 -- 耗電量和直徑的五次方成正比. 當空氣密度及翼端速度不變時, -- 風量和直徑二次方成正比 -- 壓力保持不變 -- 耗電和直徑二次方成正比. 後傾式可以切掉翼尾部或換風輪. 多翼式可直接換風輪
總結 對於廠房的設計初期, 很多設計師除非有預算不足或空間不足的問題, 不然一般都會把設計風量或壓力數據加大許多安全係數, 以免實際操作的不足 另外, 廠商為了驗收能夠順利, 不論風量超過多少, 只要馬達不超載的範圍內, 都儘量將風機的風量加大, 以方便驗收程序 實際上, 這都產生無謂的浪費, 前面說了很多改善的方式, 都可以提供參考 例如, 利用轉速來變化風量而減少耗電, 本公司的工廠內, 有測試風管, 以及風機, 可以實際量測相關數據, 給客戶了解風機定律的省電效果
新竹焚化爐案例 本案件因為風機為直結傳動, 又沒有配置變頻器可以調速, 現場風機是利用出口風門直接調節風量, 並沒法省下耗電, 可以做的方式有 : 1. 重新購買變頻馬達及變頻器 但成本最高 2. 加入口風門做風量調節, 但省電最多僅能達 35-45% 3. 將風機改成皮帶傳動, 使用皮帶輪的配置將耗電降低
新竹焚化爐案例 由風機的原始規格表中, 風機的軸動力消耗 205.6KW
新竹焚化爐案例 目前的修改目標值是 15000kg/hour 的風量, 我們預計利用皮帶輪修改轉速, 從原有的 1185RPM 降至 350RPM 則風量會變成 :50998 KG/HOUR x 350/1185 = 15062 KG/HOUR 壓力值為由原來的 1350MMAQ 變成 : 1350x(350/1185) 2 = 117.8MMAQ 耗電量會由原來的 205.6KW 變成 : 205.6 x (350/1185) 3 = 5.3KW 因為原本使用的馬達為 350hp, 其最低的空轉電流為 35% x 滿載電流 若不更換馬達會有很大的能量損耗 實際安裝後, 我們更換了 50hp 的馬達, 也預留了安全量 17000ncmh 的風量 所以實際耗電預估值為約在 20KW 左右, 實際耗電量 20KW 和之前運轉的耗電量 132KW 來比較, ( 節省 112KW) 我們換成用節省電費的金額來算, 假設每天運轉 8 小時, 每月運轉 25 天, 則每年可省下的費用 :112KW x 24Hr x 1.5 元 x 30 天 x 12 月 = 1451520 元而此次修改的費用含馬達更換及配電更換, 總計約 45 萬左右, 僅 4 個月就可省回投資費用, 預估往後十年可以節省超過 1000 萬元以上
新竹焚化爐案例
補充說明 當節能的效益有明顯的改善後, 會有兩個可能結果 : 一 風量 / 壓力減少 : 當風量減少到相當多的量時, 建議更改整台風機, 因為風機不是越大越好, 當大到一定的數值以上之後, 過重的風輪及軸心, 反而會加大運轉的負荷 若減小有限量時, 我們也可以利用原有機殼, 重新設計風輪, 來達到最高效率點 這種做法, 所花費較少 二 電力減少 : 馬達有一定的效率值, 當負載降低, 效率及功因都會相對減少 所以耗能也會相對的增加 : 馬達效率 = 輸出功 / 輸入功三相電源時, 輸入功 ( 實功 + 虛 ) = 1.732 x V x A 輸出功 ( 實功 ) = 1.732 x V x A x 馬達效率 x 功率因數
補充說明 馬達效率及功因的特性曲線.