De toekomst van luchtbehandeling en koel- en installatietechniek

Efficiënte, compacte EC-motoren: wanneer hoge prestaties vereist zijn

De samenleving wordt geconfronteerd met aanzienlijke uitdagingen, zoals de opwarming van de aarde en de groei van de wereldpopulatie. Daarom heeft het verminderen van energieverbruik de hoogste prioriteit. Volgens de World Health Organization (WHO) is er een direct verband tussen enerzijds de groei van de wereldpopulatie en anderzijds het watergebruik, het aantal motorvoertuigen, de stijgende CO2-uitstoot en de benodigde elektriciteit. In deze context neemt het thema ‘efficiëntie’ een belangrijke plaats in, om te kunnen voldoen aan de extra energie die in de toekomst nodig zal zijn. Het gebruik van energiebesparende aandrijvingen en ventilatoren binnen de luchtbehandeling en koel- en installatietechniek levert hierbij een grote bijdrage.

De invloed van energiebesparende ventilatoren op het energieverbruik en de CO2-uitstoot kan het beste worden geïllustreerd aan de hand van een concreet voorbeeld: het gebruik van asynchroon-motoren als aandrijving in toepassingen binnen de luchtbehandeling en koel- en installatietechniek. AC-motoren hebben een eenvoudig, compact design, aangezien ze direct stroom uit het net afnemen en verder geen elektronica nodig hebben. Ze zijn zowel robuust als betrouwbaar. Het grote nadeel is echter dat ze absoluut niet meer efficiënt zijn. In het bijzonder bij deellast zijn AC-motoren ondergeschikt aan EC-motoren, die een efficiëntie van ongeveer 70% hebben. Dit heeft natuurlijk een groot effect op het energieverbruik in alle mogelijke toepassingen.

Indrukwekkende cijfers
De AC-motor met bouwgrootte 68, die veel toegepast wordt in een brede range applicaties, is een goed voorbeeld om dit duidelijk te maken. Gekeken naar de laatste vijf jaar, uitgaande van een gemiddeld energieverbruik van 150W bij een gemiddelde aansturing van 75%, ligt het jaarlijkse energieverbruik van 25 miljoen AC-motoren van dit type, werkzaam als ventilatoraandrijving, rond de 25 TWh (=25,000,000,000 kWh). Dat is meer dan het dubbele dan bijvoorbeeld de output van de kerncentrale Neckarwestheim II (Duitsland), die ongeveer 11,5 TWh per jaar produceert. Met andere woorden: er zijn ten minste twee nucleaire kerncentrales nodig om de AC-motoren in ventilatietoepassingen binnen de luchtbehandelingssector en de koel- en installatietechniek van stroom te voorzien.

Eenvoudig van AC naar EC
Het is van belang om in de toekomst energie te besparen, en dat kan ook. Dankzij de ontwikkeling van een nieuwe serie EC-motoren is ebm-papst Mulfingen in staat om de conventionele AC-motoren te vervangen door ultra-efficiënte EC-technologie, zonder daarbij de bouwgrootte te veranderen. Het vervangen van een AC-motor door een EC-motor is simpelweg te vergelijken met het vervangen van een oude 100W gloeilamp door een spaarlamp. De oude gloeilamp kan eenvoudig worden vervangen door een energiezuinige lamp, die één op één past op de plaats van de oude gloeilamp. Doordat ze dezelfde bouwgrootte hebben, past de EC-motor precies op de plaats van de oude AC-motor.

Het ontwikkelen van EC-motoren met dezelfde, compacte afmetingen als AC-motoren is een behoorlijke technische uitdaging. EC-motoren zijn in principe borstelloze permanent magneet buitenloopmotoren. De magnetische rotor werkt synchroon met een elektronisch gegenereerd draaiveld. Dat maakt het mogelijk om op elke gewenste snelheid te draaien, ongeacht de beschikbare netfrequentie. Het integreren van de benodigde elektronica voor EC-motoren in een beperkte ruimte vraagt om veel kennis en ervaring. Het verkleinen en optimaliseren van de elektronica was nodig om dezelfde bouwgrootte van de motor behouden. Hierbij is ook rekening gehouden met de maatvoering van de flens en bevestiging, die gelijk zijn gebleven om zo het vervangen van AC door EC te vereenvoudigen.

Goede warmteafvoer, hoge mate van bescherming en duurzaam ontwerp
De resultaten zijn indrukwekkend. De nieuwe compacte EC-motoren zijn gebaseerd op het succesvolle buitenloopmotorconcept, waarbij de rotor ronddraait om de interne stator. De kern van de stator zit ingekapseld in thermoplastic, wat in de praktijk direct verschillende voordelen biedt. Aan de ene kant zorgt de hoge kwaliteit kunststof voor een goede isolatie, aan de andere kant zijn in deze inkapseling ook de bevestigingen van de lagers verwerkt; hierdoor zijn wanddiktes en afstanden verstelbaar, en worden toleranties van de kern makkelijk gecompenseerd.

Uiteindelijk wordt het totaal nog eens ingekapseld in een thermoharder kunststof. De rotor die om de stator draait, is aerodynamisch geoptimaliseerd. De uitsparingen in de rotor garanderen koeling van de motor. Deze combinatie voldoet aan de IP54-klasse.

De afdichting van de elektronica speelt ook een rol. In plaats van eerdere conventionele oplossingen met diverse flens- en O-ringen, wordt de elektronica nu waterdicht afgesloten met een elastische sealing, om een langdurige afdichting en bescherming van de elektronica te garanderen. De complete motor is robuust, bestand tegen schokken en biedt een bewezen betrouwbaarheid en een lange levensduur.

Tijdens het ontwerpen en vervaardigen van de nieuwe EC-motoren is eveneens veel aandacht besteed aan duurzaamheid en milieuvriendelijke productie. Dat blijkt uit verschillende details. Zo vermindert de eendelige rotor met gegoten as het aantal productiestappen. Daarbij vermindert het aantal benodigde onderdelen door het gebruik van multifunctionele componenten. Het warmteafvoerconcept en de relatief korte kern helpen eveneens om de hoeveelheid materiaal te verminderen. Uiteraard betekent minder materiaal automatisch minder gebruik van energie in de productie.

Overtuigende voorbeelden uit de praktijk
Naast de energie-efficiëntie hebben EC-motoren nog andere kenmerken die in de praktijk een positieve werking hebben. Daartoe behoort bijvoorbeeld de toerenregeling via de geïntegreerde elektronica (VSD). Daarmee kan de snelheid altijd worden aangepast aan de gegeven eisen. Verder zijn EC-motoren veel stiller dan toerengeregelde asynchrone motoren, omdat de triac of frequentieregeling in asynchrone motoren onvermijdelijk ruis produceert. Andere voordelen zijn de hoge vermogensdichtheid, de compacte afmetingen en de mogelijkheid om te allen tijde operationele gegevens en statussen op te vragen (monitoring).

Een verscheidenheid aan reeds geïmplementeerde toepassingen biedt voldoende bewijs voor de ecologische, financiële en praktische voordelen die te behalen zijn door het vervangen van AC- door EC-motoren en -ventilatoren in de luchtbehandeling en koel- en installatietechniek. Een voorbeeld hiervan is het zogenaamde luchtgordijn. Hierbij creëren ventilatoren een barrière via luchtstroom, die warme binnenlucht scheidt van koude buitenlucht. EC-ventilatoren werken met een uitstekende efficiëntie en passen zich gemakkelijk aan de gewenste eisen aan, zoals vermindering wanneer de deur gesloten is, schakelen tussen winter- en zomermodus, en dag- en nachttijd-instellingen. Ook het lage geluidsniveau is een positief aspect.

Hetzelfde geldt voor ventilatoren in verdampers, die je wereldwijd tegenkomt in koelsystemen, bijvoorbeeld als warmtewisselaar in koelhuizen. Aangezien dergelijke systemen met een hoog inschakelprofiel werken, kan het stroomverbruik aanzienlijk worden verminderd door het gebruik van EC-motoren. De AxiCool EC-ventilatoren, speciaal ontworpen voor dit soort toepassingen, hebben nog meer voordelen te bieden: ze zijn in staat om de barre omstandigheden in koelhuizen te weerstaan, produceren dankzij het hoge rendement van de motor weinig warmte in het koelsysteem en zijn perfect regelbaar.

Geventileerde gevelsystemen, die niet alleen zorgen voor de noodzakelijke uitwisseling van lucht, maar ook voor verwarming en koeling, zijn nog een ander voorbeeld van een succesvolle omschakeling naar EC-motoren. Voordelen zijn onder de andere traploze toerenregeling en het weinige geluid bij lagere snelheden. Het compacte ontwerp van de ventilatoren is voor veel ontwerpen net zo belangrijk als de eenvoud waarmee ze geïntegreerd kunnen worden.

Een kerncentrale minder
De lijst van voorbeelden kan bijna oneindig worden voortgezet: EC-ventilatoren in afzuigkappen en drogers, buisventilatoren, ventilatoren in gekoelde vitrines… ga zo maar door. Voor al deze toepassingen geldt hetzelfde: een gemiddelde daling van het energieverbruik met 40% bij een omschakeling van AC- naar EC-motoren. Voortbouwend op de cijfers in ons eerdere voorbeeld, waarbij 25 miljoen AC-motoren worden toegepast, komt hier een andere interessante gedachte naar voren. Als al deze 25 miljoen AC-motoren worden vervangen door EC-versies, uitgaande van een potentiële gemiddelde energiebesparing van 40%, zou de jaarlijkse besparing bijna 10 TWh bedragen. Door de efficiëntie van de EC-ventilatoren in de luchtbehandeling en koel- en installatietechniek zou dus een hele kerncentrale stilgelegd kunnen worden. Dat is een indrukwekkende bijdrage aan het verminderen van het toekomstige energieverbruik.