Den Lille Blaa Om Systemoptimering

Den lille blå om Systemoptimering– i maskindrevne systemer

Bedre energiudnyttelse – et fælles ansvarAf koncernchef Jørgen M. Clausen, Danfoss A/S

Øverst på den globale dagsorden står klimaændringerne. Risikoen for at forrykke vores klodes balance i en uheldig retning kan ingen tage let på. Det gælder både individuelt og den enkelte virksomhed.

Problemet med et så stort emne er, at det er for nemt at komme til den konklusion, at man alligevel ikke kan gøre noget – og derfor lader stå til. Realiteten er nærmest modsat. Erhvervslivet vil kunne bidrage både mærkbart og reelt til en nedbringelse af energiforbruget i alle pro-cesser.

I Danfoss har vi eksempelvis beregnet, at hvis alle de frekvensomformere, vi årligt producerer, blev anvendt i danske produktionssystemer til optimering og styring af maskinsystemer, så ville det betyde, at et pænt mellem-stort kraftvarmeværk kunne nedlægges – hvert år!

Der er derfor al mulig grund til at lade sig inspirere af ”Den lille Blå”. Der er både penge at tjene og en bedre samvittighed at hente.

Jeg ønsker god fornøjelse og stort udbytte til alle læserne!

Den lille blå om SystemoptimeringForfattere: Jørn Borup Jensen (ELFOR) Henrik Lykke Lilleholt (Louis Poulsen Industri & Automation) Claus M. Hvenegaard (Teknologisk Institut) Hans Andersen (Teknologisk Institut)

Redaktionsgruppe: Thomas Lykke Pedersen (ELFOR) Erik Gudbjerg (Lokalenergi) Jens Erik Pedersen (Energirådgiveren)

Udgiver: ELFOR

Design: Nectar Communication

Tryk: A-Print ApS, EspergærdeMiljøcertificeret ISO 14001

Oplag: 10.000 stk., 1. udgave 2005

Eftertryk tilladt med kildeangivelse.

ISBN-nummer: xx-xxxxx-xx-x

LÆS HER OM SYSTEMOPTIMERING

Indholdsfortegnelse

01 Forord .................................................... 3

02 Systemoptimering ................................... 4

03 Energibevidst projektering ....................... 6 3.1 Mange af os dimensionerer vore maskinsystemer forkert! Gør du? ................ 6 3.2 80 % af et maskinsystems levetidsomkostninger går til energianvendelse ......... 8

04 Belastningsgraden .................................. 10 4.1 Er dine maskiner dimensioneret efter hensyn til belastningsgraden? ..................... 10

05 Sparesystemet ....................................... 14 5.1 Stiller du krav til dine komponenter og leverandører om at få et sparesystem? ... 14

06 Behovsanalyse ........................................ 17 6.1 Din nøgle til succes – Analyse af behov og den effektive opfyldelse heraf .................. 17 6.2 Analyser dit behov og maskinsystem igen og igen! Energien skal bruges, ikke tabes ..... 19 6.3 Behovsanalyse til ethvert tidspunkt .............. 22

07 Besparelsespotentiale – Nøgletal for maskinsystemer og industribrancher ....... 23

7.1 Nøgletal for dansk industris virksomheder – Det generelle overblik .............................. 23 7.2 Nøgletal for ventilation ............................... 25 7.3 Nøgletal for mest el-forbrugende branche i dansk industri – N & N-industrien .............. 27 7.4 Besparelsespotentiale ved systemoptimering ..................................... 29

08 Systemkomponenternes virkningsgrad ..... 31 8.1 Systemkomponenter i teknologier og maskintyper ............................................. 31 8.2 Belastninger og virkningsgrad ..................... 33 8.3 Mekaniske remtransmissioner og virkningsgrad ............................................ 34 8.4 Frekvensomformere og virkningsgrad ........... 35

09 Belastningsgrad, virkningsgrad og effektoptag uden for nominelt

driftspunkt ............................................. 36 9.1 Tab i enkeltkomponenterne ......................... 36

10 Effektoptag ved variabel belastning ......... 4010.1 Sådan gør du når du skal dimensionere dine maskiner energirigtigt ......................... 40

11 Energi og besparelser i anlæggets levetid .................................................... 42

11.1 Belastningsvariationer over tid .................... 42

12 Tjekskema .............................................. 44

13 10 gode råd ........................................... 46

14 Kildehenvisning herunder hjemmesider ..... 47

15 Bagsiden ................................................ 52 Udtalelse fra koncernchef Jørgen M. Clausen, Danfoss A/S

3

GOD LÆSELYST!

FORORD

Forord”Den lille blå om Systemoptimering” er tænkt som et lettilgængeligt opslagsværk for alle, der arbejder med at energieffektivisere maskinsystemer, hvad enten det er maskinbyggeren, leverandøren af komponen-terne til maskinsystemet, elselskabernes rådgivere, rådgivende ingeniører eller den energiansvarlige/ind-køberen i virksomheden, hvor maskinsystemet instal-leres.

Et energieffektivt system, hvor enkeltkomponenterne hver især er energieffektive, og hvor de er tilpasset hinanden i forhold til behovet betyder besparelser på virksomhedens elregning og er med til at nedbringe CO2 udslippet til gavn for miljøet. Meget ofte vil det optimale system reducere omkostningerne til drift og vedligehold.

Med håbet om, at ”Den lille blå om Systemoptime-ring” vil tjene sit formål, vil jeg udtrykke håb om, at bogen vil være et nyttigt værktøj i dagligdagen, så det bliver lettere at bringe energieffektive maskinsy-stemer ind i danske virksomheder.

God læselyst!

Hans Duus JørgensenDirektør for ELFOR

01

02

SystemoptimeringAt spare på energien er ikke en videnskab, men et spørgsmål om at bruge sin sunde fornuft!

Den lette adgangsvinkel til at spare energi er generelt altid at anvende energibesparende komponenter og stille krav til sine kolleger og leverandører om at gøre det samme.

I den sammenhæng kan der med fordel tages udgangs-punkt i kampagnematerialet omkring sparepumper, spa-reventilatorer, sparemotorer, energieffektive remtræk og noget så enkelt som standby kampagnen, som henvender sig til private husholdninger for at modvirke det stadig sti-gende standby forbrug fra elektriske apparater.

I industrien og i mange offentlige bygninger er mange af disse kampagnetiltag allerede sat i værk, med bety-dende el-besparelser til følge. Men der kan opnås endnu flere el-besparelser med ganske enkle midler og med lidt omtanke! Nemlig ved at kombinere bestående viden og teknologier.

I denne ”Den lille blå om Systemoptimering” har vi valgt at se på de energibesparelser, som du kan opnå ved at dimensionere almindeligt anvendte elektriske og mekani-ske komponenter efter det reelle behov og – ikke mindst – ved at vælge komponenter, der fungerer godt sammen, så du får dimensioneret det samlede system energieffek-tivt. Vi kalder det systemoptimering og systemet for et sparesystem.

4

02

SYSTEMOPTIMERING SYSTEMOPTIMERING 5

brancher. Dette skal gøre det lettere at ”plukke de lavt hængende frugter”.

Tænk f.eks. på ventilationssystemer. De er hyppigt fore-kommende og udgør en stor del af det samlede ener-giforbrug i Danmark. De kan have både primære og sekundære funktioner, men generelt er det systemer, som er gemt godt af vejen f.eks. på et tag. Ude af syne og ude af sind kan man fristes til at sige. Ventilations-systemer har ofte mange driftstimer og er ikke vedlige-holdt korrekt. De er derfor ”skjulte energislugere” med et utroligt højt energiforbrug på årsbasis. Denne type af maskiner består af en lang række komponenter, som kan systemoptimeres, når du sørger for at vælge energi-rigtigt korrekt, specielt når det gælder komponenternes indbyrdes forhold.

Ud fra det konkrete behov kan du eksempelvis vælge at udskifte en spjældregulering med en simpel frekvens-omformerløsning. Det er et eksempel, som er gennem-gående i dette materiale om systemoptimering.

Et enkelt råd kan således være, at du generelt anvender energirigtige enkeltkomponenter, og at du stiller dette som krav til servicefirmaer, vedligeholdelsesteknikere og underleverandører. Et andet og meget givtigt råd, som vi påpeger i dette materiale, er at vælge kompo-nenterne under hensyn til hinanden og i forhold til det aktuelle behov. På elselskabernes kampagnehjemme- sider www.sparepumpe.dk, www.sparemotor.dk og www.spareventilator.dk kan du på positivlisterne finde de mest energieffektive apparater.

”Den lille blå om Systemoptimering” støttes op af et mere omfattende materiale ”Den store blå om Systemoptime-ring”, som giver uddybende forklaringer og hjælp.

Du kan få mere at vide om systemoptimering på www.sparemotor.dk. Med venlig hilsen

Thomas Lykke Pedersen Jørn Borup JensenMarketingkoordinator Forskningskoordinator for ELFOR for ELFOR

Figur 2.1 Et maskinsystem med 4 systemkomponenter.

Vi har valgt at se på følgende komponenter:Belastningstyper, transmissionskomponenter, elmotorer samt styring og reguleringskomponenter Alle er kompo-nenter, som kan genfindes i mange maskiner både med primær og sekundær funktion, og de findes både i indu-strien og i almindeligt kontorbyggeri. Vi har valgt at give enkle retningslinier og konkrete nøgletal for maskinsyste-mer med forskellige teknologier og for forskellige industri-

Belastning Transmission Motor Styring/Regulering

Energibevidst projektering

3.1 Mange af os dimensionerer vore maskinsystemer forkert! Gør du?

Overdimensionering medfører unødvendige tab. Tæn-ker du over, at det kan betale sig at dimensionere maskinsystemet, så det er tilpasset den ydelse det skal levere? Er dine maskiner dimensioneret med liv-rem og seler? Hvad er behovet? Hvor lidt er nok? Tør du? Har du råd til at lade være?

Erfaringstal fra danske energirådgivere og vedligehol-delsesteknikere viser, at vi bruger for megen energi og har for dårlig udnyttelsesgrad på vore maskiner og systemkomponenter.

Konkrete kortlægningsmålinger fra mere end 3.300 virksomhedsbesøg viser, at el-motorer i snit er bela-stet 52 % af deres påstemplede effekt ved maksi-malt behov. Det betyder, at motorerne er overdimen-sioneret, og at de i disse tilfælde bruger mere energi end nødvendigt.

Har du nogensinde valgt en motor, der er for stor i forhold til den aktuelle belastning, for at være på den sikre side? Merprisen for en lidt større motor er jo ikke ret stor!

Eller har du dimensioneret eller købt en maskine uden at vide, hvad dit aktuelle behov egentligt er? Med stor sandsynlighed! For ofte kender du ikke behovet, når du skal installere et nyt anlæg!

Ofte stoler vi blindt på vore underleverandører og os selv, hvilket forøger driftsomkostningerne og energi-forbruget!

Overdimensionering af systemets komponenter og dermed en lav belastningsgrad af disse fører til ener-gispild. Lad os give et eksempel der på ingen måde er overdrevet, og som illustrerer problemstillingen ganske godt:

ENERGIBEVIDST PROJEKTERING ENERGIBEVIDST PROJEKTERING 76

Den reelle belastning af et ventilationsanlæg er 10 kW, men maskinen forbruger 14,1 kW. Altså 41 % mere end det aktuelle behov. Energiforbruget går til drift af belastningen plus transmissionstab og energi-tab i maskinens øvrige komponenter.

Ved de fleste maskiner vælges motoren, som den første komponent ud fra et skøn over belastningsbe-hovet. Maskinbyggeren har givet et kvalificeret gæt på en belastning på ca. 12,4 kW inklusive trans-mission. Nærmeste norm motorstørrelse med det ønskede omdrejningstal er 15 kW. Så er der også plads til lidt sikkerhed!

Nominel:

Tab:

10,0 kW 12,0 kW 12,4 kW 13,8 kW

12,0 kW 27,5 kW 15,0 kW 15,0 kW

14,1 kW

2,0 kW 0,4 kW 1,4 kW 0,3 kW

Belastning Transmission Motor Styring

Figur 3.1 Enkeltkomponenternes ydelser og tab for et traditionelt maskinsystem ved nominel drift.

03

03

Herefter vælges transmissionen. Belastningen er en ventilator, der er let at starte. Sikkerhedsfaktoren er ikke særlig stor, hvorfor transmissionen dimensione-res ud fra 110 % af motorens nominelle effekt, altså 16,5 kW. Der vælges energieffektive smalkileremme og store skivediametre – over 160 mm. Effektkravet betyder, at der skal anvendes 1,2 remme. Der run-des op til to remme, så vi er sikre på, at ventilatoren kan komme i gang. Prisen for en ekstra rem er ikke særlig stor, og det samme gælder skiverne. Et eller to spor kan være det samme. Så er vi sikre på, at det virker! Transmissionssystemet er nu dimensioneret til 27,5 kW! Reelt vil transmissionen maksimalt blive belastet omkring de 10 kW – ved dellast mindre!

ENERGIBEVIDST PROJEKTERING ENERGIBEVIDST PROJEKTERING 98

03

03

LCC-b

ereg

ning

(Li

fe C

ycle

Cos

t)

LCC =

Cic +

Ce

+ C

m

Udf

ylde

s af

tilb

udsg

iver

Tim

er/år

Ven

tila

tors

yste

m s

pjæ

ldre

g.Ven

tila

tors

yste

m o

mdr

.reg

.

Anl

ægp

ris

i hen

hold

til

tilbu

d (C

ic)

50.0

00 k

r.6

5.0

00

kr.

Uds

tyre

ts le

vetid

: 15 å

r

Driftsu

dgift

er v

ed: 0,6

0 k

r./

kWh

Effe

kt [W

]En

ergi

[kW

h]LC

C [kr

.]Ef

fekt

[W

]En

ergi

[kW

h]LC

C [kr

.]

Elfo

rbru

g ve

d fu

ld y

dels

e (1

00 %

) 1.2

00

14.0

00

16.8

00

15

1.2

00

14

.10

01

6.9

20

15

2.2

80

Elfo

rbru

g ve

d 75 %

yde

lse

1.8

00

12.5

00

22.5

00

20

2.5

00

6.9

00

12

.42

01

11

.78

0

Elfo

rbru

g ve

d 50 %

yde

lse

3.0

00

10.7

00

32.1

00

28

8.9

00

3.0

00

9.0

00

81

.00

0

Elfo

rbru

g ve

d 25 %

yde

lse

0-

--

--

-

Ener

giom

kost

ning

er C

e6.0

00

7140

06

42

.60

03

8.3

40

34

5.0

60

Ser

vice

og

vedl

igeh

old

Cm

4

5.0

00

4

5.0

00

LCC =

Cic +

Ce

+ C

m7

37

.60

04

55

.06

0

Figu

r 3.2

Lev

etid

som

kost

ning

er for

et

spjæ

ldre

gule

ret

og o

mdr

ejni

ngst

alsr

egul

eret

ven

tilat

ions

syst

em.

Styringen, som f.eks. kunne være en frekvensom-former i stedet for en billigere spjældregulering med dårlig virkningsgrad, vælges efter motorstørrelsen - i dette tilfælde 15 kW, fundet som standardstørrelse! Altså også større end absolut nødvendigt, men valgt i forhold til motoren!

Ved hvert af de trinvise valg af komponenter vælges der altså større end nødvendigt! Det betyder noget for kostprisen af komponenterne, men ikke mindst for udgifterne til energiforbruget. Derfor kan det som oftest betale sig at ændre selv relativt nye systemer, efter at de er sat i drift!

3.2 80 % af et maskinsystems levetids-omkostninger går til energianvendelse

Da energiudgifterne udgør en betragtelig del af leve-tidsomkostningerne må konklusionen derfor være, at du bør stille krav til medarbejdere samt til leverandø-rer og underleverandører og ikke mindst til de maski-ner og enkeltkomponenter, som anvendes overalt!

Systemoptimering går ud på at anlægge en helheds-betragtning, således at du opnår de laveste udgifter i et maskinsystems levetid (Life Cycle Costs - LCC).

Over en årrække har elselskabernes fokus været ret-tet mod at udforme kampagner på enkelt komponen-ter men i de kommende år vil fokus i højere grad blive rettet mod at optimere systemer og deres kom-ponenter. Der skal både stilles krav til hver enkelt komponent og til maskinsystemet ud fra en helheds-betragtning!

Forlang evt. at medarbejdere og underleverandører anvender og fremlægger et enkelt skema som vist i figur 3.1 og hvis muligt få lavet en LCC analyse for maskinsystemet som eksemplificeret i figur 3.2.

Bemærk, at energiforbruget let udgør mere end 80 % af et anlægs levetidsomkostninger, specielt for anlæg der er uhensigtsmæssigt dimensioneret og reguleret!

BELASTNINGSGRADEN BELASTNINGSGRADEN 1110

Belastningsgraden

Belastningsgraden for en komponent i maskinsyste-met er defineret som komponentens aktuelle belast-ning i forhold til dens nominelle ydelse. Anvendes eksemplet fra figur 3.1 er den aktuelle belastning for eksempelvis motoren 12,4 kW og den nominelle effekt (den effekt motoren kan overføre ved 100 % omdrejninger) 15 kW. Belastningsgraden for moto-ren er således 83 %.

4.1 Er dine maskiner dimensioneret efter belastningsgraden?

Lav belastningsgrad er lig med dårlig virkningsgrad og dermed kilde til et for stort energiforbrug! Belast-ningsgraden på de enkelte komponenter skal derfor være så høj som mulig. Er dine maskiner dimensio-neret som i eksemplet i afsnit 3, er belastningsgra-den for nogle komponenter for lav og virkningsgraden dermed dårlig.

Konsekvensen er for høje driftsomkostninger ikke kun til el, men også til drift og vedligehold af systemet i dets levetid. Det glemmer de fleste. Derfor er der fornuft i at spørge dig selv: Ser systemet bare flot ud? Eller er det også energibesparende?

Et samlet overblik over hele systemet kræver et godt kendskab til hver enkelt komponent og en efterfølgen-de granskning af, om systemet kan indrettes bedre.

De færreste er klar over, at hver enkelt komponents virkningsgrad hænger sammen med belastningsgra-den. Dog i større eller mindre grad afhængig af kom-ponent type og effektstørrelse.

Mange af os fokuserer blindt på at få bedst mulig virkningsgrad for belastningskomponenten ved nomi-nel belastning, men hvad nytter det når de fleste andre komponenter er overdimensioneret og dermed arbejder ved lav belastningsgrad!

Et eksempel kan belyse problematikken på en enkelt og meget anvendt komponent: Den elektriske motor.

I figur 4.1 ses virkningsgrader for en motortype med tre forskellige effekt størrelser som funktion af belastningsgraden. For alle tre motorer ses, at virk-ningsgraden er nogenlunde konstant ved belastnings-grader mellem 75 og 125 %. Når belastningsgraden nærmer sig 25 %, bliver virkningsgraden markant reduceret for de tre motorer, størst for den lille motor.

P/PN

Vir

knin

gsgr

ad [

%]

1,5 kW 15 kW 132 kW

0102030405060708090

100

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5

Figur 4.1 Virkningsgrad for 4-polede standard asynkronmotorer som funktion af belastningsgraden (P/PN).

Forholdene i figur 4.1 viser, at der ved projektering af motordrevne maskinsystemer altid bør vælges EFF1 motorer (Sparemotorer®), der holder deres virknings-grad bedre ved lave belastningsgrader, og at de bør dimensioneres tæt på belastningens nominelle ydelse – altså med en belastningsgrad på mellem 75 og 100 %. Ved 83 % belastning er en 15 kW energief-fektiv motors virkningsgrad ca. 90 %.

Klik ind på sparemotorlisten på www.sparemotor.dk og få oplysninger om de aktuelle motorer på markedet.

Ligesom for motoren er de øvrige komponenters ydelser og tab afhængige af belastningsforholdene og måden hvorpå maskinen og de enkelte komponen-ter er dimensioneret. Vi vender tilbage til eksemplet og beskæftiger os især med belastningsgraden som funktion af de valg, som blev truffet i afsnit 3.

04

04

BELASTNINGSGRADEN BELASTNINGSGRADEN 1312

04

04

Belastningsgraden for ventilatoren er fundet som forholdet mellem den aktuelle ventilatoreffekt og den ”nominelle” ventilatoreffekt ved 100 % volumenstrøm.

Den nominelle rem effekt er fundet som den effekt remmene kan overføre ved motorens aktuelle omdrej-ningstal. Belastningsgraden er forholdet mellem venti-latorens effektoptag og den nominelle rem effekt.

Selv om du vælger energispare komponenter, kan der alligevel være flere faldgruber. F.eks. ved udskiftning af standard norm motor til sparemotor i et ventilati-onssystem. Sparemotorer har ofte et andet nominelt omdrejningstal, som er højere end norm motorens. Det bevirker, at udskiftningen giver motoren og ven-tilatoren flere omdrejninger, dvs. større lufttransport og dermed større energiforbrug.

Tabel 4.1 Enkeltkomponenternes effekt, virkningsgrad og belast-ningsgrad for et maskinsystem, der er omdrejningstalsreguleret – 100 % luftmængde.

Nom

inel

eff

ekt

PN

[kW

]

Eff

ekto

ptag

P1

[kW

]

Eff

ekty

dels

eP

2

[kW

]

Vir

knin

gsgr

adP

2/P

1 ·

10

0

[%]

Bel

astn

ings

grad

P2/P

N ·

10

0

[%]

Styring 15,0 14,1 13,8 97,8 92

Motor 15,0 13,8 12,4 89,7 83

Transmission 27,5 12,4 12,0 96,8 44

Belastning 12,0 12,0 10,0 83,3 100

System 12,0 14,1 10,0 70,9

Tabel 4.2 Enkeltkomponenternes effekt, virkningsgrad og belast-ningsgrad for et maskinsystem, der er spjældreguleret – 100 % luftmængde.

Nom

inel

eff

ekt

PN

[kW

]

Eff

ekto

ptag

P1

[kW

]

Eff

ekty

dels

eP

2

[kW

]

Vir

knin

gsgr

adP

2/P

1 ·

10

0

[%]

Bel

astn

ings

grad

P2/P

N ·

10

0

[%]

Styring - - - - -

Motor 15,0 14,0 12,4 88,6 83

Transmission 27,5 12,4 12,0 96,8 44

Belastning 12,0 12,0 10,0 83,3 100

System 12,0 14,0 10,0 71,4

Hvis du har en frekvensomformer til at omdrejnings-talsregulere din maskine, får du et ekstra energifor-brug til din styring/regulering, hvis du alene leverer en 100 % ydelse! Men ofte kan frekvensomformere anvendes med fordel, da selv små omdrejningstilpas-ninger giver store besparelser på elforbruget.

Spjældreguleringen bruges for det meste kun til indre-gulering af luftmængden ved anlæggets opførelse og ikke til at regulere med, når systemet er sat i drift. Til tider sker spjældregulering under opblanding af to luft-mængder med forskellig temperatur, og her er denne reguleringsform helt ”legitim”. Anvendes spjældregule-ring til reduktion af luftmængden, tabes der betydelige energimængder, som kan spares med frekvensomfor-meren. Sænkes omdrejningstallet eksempelvis med 20 %, reduceres elforbruget med 50 %.

Besparelsen ved anvendelse af sparemotorer er typisk 1 til 4 % på papiret, men for at besparelsen skal kunne realiseres, må du samtidig med anskaffelsen af spare-motoren installere en frekvensomformer i anlægget.

SPARESYSTEMET 15

05

Sparesystemet

5.1 Stiller du krav til dine komponenter og leverandører om at få et sparesystem?

Under dimensionering af maskinsystemet drejer det sig om at tage velovervejede og rationelle beslutnin-ger, der sikrer det bedst mulige resultat. Det vil sige, at der skal fokus på at vælge de rigtige komponenter og at sammensætte dem optimalt i forhold til hinan-den, således at maskinen virker og er driftsikker både i et mekanisk og i et elektrisk perspektiv. Problemet i den sammenhæng er ofte, at det ikke er de samme personer som tager beslutninger omkring mekanik og el-teknik. Her ligger der et overordnet ansvar på ledelsesniveau, for at der bliver taget sammenhæn-gende beslutninger. For som vist i det gennemgående eksempel har valgene stor betydning for det samlede energiforbrug. Det skal ses i lyset af, at forbruget til motordrevne maskiner er 68 % af industriens sam-lede el-forbrug.

Er dine systemkomponenter så energieffektive og pas-ser de så godt til hinanden, at du kan kalde dit maskin-system et sparesystem? Dette vil det være muligt at svare på, når definitionen på et sparesystem er for-muleret.

Målet med at definere et sparesystem er at få sat en standard, via nøgletal, for den bedst opnåelige virkningsgrad for hver maskintype med den bedst mulige teknologi og viden, der er til rådighed i dag.

For hver teknologi fastlægges en kurve ligesom for ventilation, der er vist i figur 5.1. Kurven angiver det samlede maskinsystems virkningsgrad som funktion af belastningsgraden for belastningskomponenten og udformes for hver teknologi i tre effekt områder:

• Små systemer, 0-4 kW• Mellem systemer, 4-30 kW• Store systemer, 30-500 kW

14 SPARESYSTEMET

05

I det uddybende materiale til denne publikation (Den store blå om Systemoptimering) er der defineret sparesystemer for forskellige maskinsystemer, herun-der ventilations-, pumpe-, tryklufts-, køle-, omrøre- og transportsystemer. Disse dækker de hyppigst fore-kommende maskintyper i Danmark.

Figur 5.1 Et ventilationsanlægs virkningsgrad i afhængighed af ventilatorens belastningsgrad, hvis det skal kaldes et sparesystem (fuld optrukken kurve). Til sammenligning ses mulighederne ved anvendelse af Best Available Technology (BAT med stiplet kurve)).

Den fuldt optrukne grønne kurve viser, hvilket krav til virkningsgraden, der kan stilles til maskinsystemet fra eksemplet i afsnit 3. Virkningsgraden skal her være over 64 % ved 100 % belastning. Virkningsgra-den ved BAT er 71 %. I eksemplet med sparemotor og frekvensregulering er der opnået en virkningsgrad på 70,9 %, hvilket for dette driftspunkt lever op til kravet til et sparesystem.

Belastningsgrad (%)

Tota

lvir

knin

gsgr

ad [

%]

BAT (0-4 kW( BAT (4-30 kW( BAT (30-500 kW(

40

80

75

70

65

60

55

50

45

25 50 75 100

(0-4 kW( (4-30 kW( (30-500 kW(

16 SPARESYSTEMET

05

Ud over de entydige krav mht. total virkningsgrad i hele ventilatorens belastningsområde. (vist i figur 5.1) skal et sparesystem yderligere kunne leve op til nedenstående:

• Alle enkeltkomponenter skal være af typen ”spare” såfremt en sådan findes – f.eks. sparepumpe, spareventilator, sparemotor osv.

• Er systemet udstyret med mulighed for kontinuert fuldautomatisk regulering af ydelsen, skal dette foregå ved hjælp af ændring af motorens omløbs-tal – og ikke udelukkende ved brug af mekanisk regulering på belastningssiden.

Definitionen på et sparesystem er grundlaget for at stille entydige krav til dig selv, dine underleverandø-rer og medarbejdere! Så de relevante spørgsmål er: Stiller du krav til dine komponenter og leverandører? Stiller du de rigtige krav, og er de kvalificerede? Det er jo dig, der skal betale regningen!

BEHOVSANALYSE

06

17

Behovsanalyse

6.1 Din nøgle til succes – Analyse af behov og den effektive opfyldelse heraf

Har du vurderet dit behov rigtigt? Utilsigtet stort behov skaber meget nemt et betydeligt overforbrug af energi! Forkert eller uhensigtsmæssigt valg af komponenter for at kunne opfylde et for stort behov betyder et yderligere merforbrug af energi! Finder du efterfølgende ud af, at behovet kan reduceres, vil det være nødvendigt at omprojektere anlægget, for at energiudgifterne ikke skal blive for voldsomme, på grund af meget lav belastningsgrad.

Man bør i mange tilfælde spørge sig selv igen og igen: Hvor lidt er nok? Hvordan får jeg mest for mine penge! Det kan man indledningsvis finde ud af ved at anvende metoden som vist i figur 6.1. Det første step er at få oplysning om hvorledes behovet vari-erer over tid. På baggrund af den analyse opstilles en behovsvarighedskurve. En tilhørende varighedskurve opstilles herefter for den hydrauliske effekt. Maskin-systemet skal nu kunne tilgodese dette behov.

BEHOVSANALYSE BEHOVSANALYSE

06

06

18 19

6.2 Analyser dit behov og maskinsystem igen og igen! Energien skal bruges, ikke tabes

I forbindelse med dimensioneringen af maskinsyste-mer kan figur 6.2 med fordel anvendes. Både ved etablering af nyanlæg og ved renovering af beståen-de maskiner kan det altid betale sig at tage udgangs-punkt i figuren for at sikre dig, at du træffer de rig-tige valg. Det vil sige:

1. Beregn den hydrauliske effekt på baggrund af belastningskomponentens maksimale ydelse (figur 6.1).

2 Vælg en motor der vurderes at kunne klare det maksimale behov samt behovet ved opstart.

3. Vælg passende regulerings- og startanordning.

4. Vælg en transmission, der kan overføre den nødvendige effekt.

5. Vurder transmissionens belastningsgrad og tab/virkningsgrad.

6. Vurder motorens belastningsgrad og tab/virkningsgrad.

7. Beregn systemets samlede virkningsgrad.

8. Revurder effektbehovet for motoren og vælg eventuelt en anden.

9. Redimensioner transmissionen.

10. Beregn systemets samlede virkningsgrad.

�

�

�

�

��

��

��

� � � � � � � � � ��

� � � � � � � � � ��

�

�

�

�

�

�

�

�

��

��

��

� � � � � � � � � ��

�

�

�

�

�

�

�

�

��

��

��

Figur 6.1 Metode til dimensioneringen af maskinsystemer er eta-blering af en effektvarighedskurve (hydraulisk effekt) ved først at optegne behov som funktion af tiden og derefter tegne en behovs-varighedskurve – se også figur 11.1.

Belastningskomponent

7 10

8

6

9

4

5

FIGUR B

FIGUR A

1 Behov og hydraulisk effekt

2

3

Transmission

Net

Regulerings- ogstartanordning

Blå: Indledende dimensionering af komponenter

Grøn: Redimensionering af komponenter

Rød: Beregning af systemets virkningsgrad

Gul: Dimensionering afsluttet og maskinsystemet tilsluttes nettet

BEHOVSANALYSE

Figur 6.2 Energirigtig dimensionering af systemet. ”Figur A” og ”Figur B” henviser til kurverne på side 21.

Anvendes figuren på eksemplet ville undersøgelsen tage sig således ud:

1. Ved 100 % luftmængde er behovet 10 kW hydraulisk plus 2 kW tab i ventilatoren.

2. Du vælger en 15 kW asynkronmotor, som er frekvensreguleret.

3. Der påmonteres en softstarter.

4. Du vælger to smalkileremme, som kan overføre 27,5 kW ved 100 % omdrejninger.

5. Belastningsgraden er 44 %, tab i transmissionen vurderes til 400 W, og virkningsgraden for denne til 97 %.

6. Belastningsgraden på motoren bestemmes til 83 %. Virkningsgraden for motoren er i dette driftspunkt ca. 90 %.

7. Du beregner det samlede systems virkningsgrad til knap 71 % – som er pænt.

8-10. Derfor foretager du ingen revurdering ud fra 100 % luftmængde, men ved andre behov må systemets komponener gennemgås på ny.

06

21

��

��

��

��

��

��

��

FIG

UR

A

BEHOVSANALYSE

06

20

FIG

UR

B

��

��

��

��

��

��

��

��

BEHOVSANALYSE

06

22

6.3 Behovsanalyse til ethvert tidspunkt

Ved opførelse af nyanlæg og ved renovering af bestå-ende maskiner kan det ofte betale sig at bruge ekstra tid på analyse og omtanke. Flowchart diagrammet på figur 6.3 er et simpelt hjælpeværktøj for overvejelser omkring behovet på et hvilket som helst tidspunkt.

Fiigur 6.3 Analyseværktøj til anvendelse ved energibevidst projek-tering og analyse af eksisterende anlæg.

BESPARELSESPOTENTIALE 23

Besparelsespotentiale – Nøgletal for maskinsystemer og industribrancher

For at skabe dig et overblik over, hvor besparelserne i din virksomhed findes, er der intet bedre end nøg-letal, som giver mulighed for at lokalisere områder med stort energiforbrug og besparelsespotentiale.

7.1 Nøgletal for dansk industris virksomheder – Det generelle overblik

Tabel 7.1 kortlægger elforbruget på motordrevne maskinsystemer fordelt på segmenter/brancher ind-delt i de tre effekt grupper. Tallene dækker det sam-lede årlige forbrug og indbefatter alle virksomheder i Danmark i de givne brancher og for det givne udstyr. Tallene er opregnet på basis af kortlægning af energi-forbruget i mere end 3.300 virksomheder.

Størrelse [kW] Små [0-4[

Mlm [4-30[

Sto [30-500[

Total

Årligt forbrug E – forbrug [GWh]

N&N 268 628 846 1.742

Jern & Metal 230 910 312 1.452

Kemisk 262 764 651 1.677

Sten, ler og glas 87 258 226 571

Træ 117 365 290 772

Grafisk 45 128 124 297

Tekstil 25 74 64 163

I alt 1.034 3.127 2.513 6.674

Tabel 7.1 Fordeling af årlige energiforbrug for små, mellem og store systemer på forskellige brancher.

07

Foretag en vurdering af sammenhængen mellem det motordrevne maskinsystems nødvendige ydelse og antal driftstimer over året (behovsvarighedskurve)

Foranstaltninger for at reducere det grundlæggende behov iværksættes

Kan variationer i belastningen udjævnes ved akkumulering?

Foretag en kortlægning af det grundlæggende behov det motordrevne maskinsystem skal dække:

KAN DET GRUNDLÆGGENDE BEHOV REDUCERES?

Ja Nej

Eksempler:• Reduktion af varme- belastninger i lokale (ventilation)• Reduktion af transmissionstab gennem klimaskærm (pumpesystemer)• Montering af stationære afdækningslåg på køle- og frostmøbler (kølesystemer)

NejJa

Dimensionering af:• Nødvendig ydelse efter udjævning af belastning over tid

Beregning af:• Den hydrauliske effekt til enhver tid

Dimensionering af:• Mest energieffektive belastningskomponent• Mest energieffektive motor, remtræk, gear m.m.• Mest energieffektive reguleringsform

Systemets bedste virkningsgrad søges opnået ved den oftest forekommende driftssituation (varighedskurven)

Dimensionering af:• Nødvendig ydelse uden udjævning over tid

Systemoptimering

BEHOVSANALYSEMotordrevne maskinsystemer

Figur 7.1 giver samme oplysninger som tabel 7.1, men her er forbruget også fordelt på nyttiggjort arbejde og tab i de enkelte komponenter i systemer-ne – altså hvor i maskinsystemet energien spildes! Oplysningerne kan bruges til at drage paralleller til egne maskiner og systemer. Hvor er indsatsen og investeringerne givet bedst ud?

ArbejdeReguleringBelastningTransmissionMotorStyring

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

Teknologi

(GW

h)

Vent747694495023016

Pump299751495776

Trykl585282291311910

Køl5035

19318918

Hyd16754383513

Andet1666171728034924


2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

Effektinterval (kW)

(GW

h)

Små (0-4(38942

21177

30310

Mlm (4-30(183712154218041531

Sto (30-500(1771

8532211119825


07

24 BESPARELSESPOTENTIALE

Figur 7.1 Årligt nyttiggjort arbejde og tab for alle teknologier inden for de syv største brancher, fordelt på de forskellige systemkom-ponenter for små, mellem og store systemer.

Figur 7.2 viser forbrugsfordeling i teknologier for alle industrivirksomheder i Danmark.

Bemærk at ventilation udgør en stor andel af det samlede specificerede forbrug, og at specialmaski-ner, som ikke kan kategoriseres i specifikke teknologi-områder, har langt den største andel af forbruget.

Nyttiggjort arbejde inden for anden motordrift udgør hele 71 % af det totale forbrug, medens det nyttig-gjorte arbejde ved pumpning blot udgør 49 %!

Figur 7.2 Årligt forbrug for forskellige teknologier i dansk industri fordelt på nyttiggjort arbejde og tab i systemets komponenter.

7.2 Nøgletal for ventilation

Ser vi specifikt på ventilation, som har været anvendt som gennemgående eksempel i denne publikation, viser tallene i tabel 7.2 forbrugsfordelingen på seg-menter/brancher.

Størrelse [kW] Små [0-4[

Mlm [4-30[

Sto [30-500[

Total

Årligt forbrug E – forbrug [GWh]

N&N 35 71 130 236

Jern & Metal 62 288 62 412

Kemisk 47 155 109 311

Sten, ler og glas 26 88 62 176

Træ 53 175 123 351

Grafisk 7 23 16 46

Tekstil 4 14 10 28

I alt 234 815 511 1.560

Tabel 7.2 Fordeling af årlige energiforbrug for små, mellem og store ventilationsanlæg på forskellige brancher.

07

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

(GW

h)ArbejdeReguleringBelastningTransmissionMotorStyring

Teknologi

Vent11310688352

Pump8421421222

Trykl904352182

Køl3443

13212626

Hyd341181101

Andet3984466826


Effektinterval (kW)

Små (0-4(5610999

582

Mlm (4-30(38543230271218

Sto (30-500(30616

11914515

450

400

350

300

250

200

150

100

50

0

(GW

h)


07


07

Energiforbruget til ventilation udgør knap en fjerdedel af det samlede forbrug, men hvordan ser det ud i de enkelte brancher og for de forskellige motorstør-relser? Er fordelingen den samme som for det totale forbrug?

Dette er ikke tilfældet. Jern & metalindustrien, der har godt 21 % af industriens samlede forbrug, teg-ner sig for godt 26 % af forbruget til ventilation. Den-ne tendens er endnu tydeligere i træindustrien. Her er andelen af det samlede forbrug på 11 %, men af ventilation hele 22 %.

Tabsfordelingen til ventilationssystemets komponen-ter vises i figur 7.3. Det nyttiggjorte arbejde til ven-tilation er blot 747 GWh/år ud af et samlet forbrug på 1560 GWh/år, svarende til 48 %!

Figur 7.3 Årligt nyttigt arbejde samt tab i forskellige systemkom-ponenter for små, mellem og store ventilationanlæg inden for de syv største brancher.

Det er lidt overraskende at komponenten Regulering ikke fylder mere. Det skyldes, at langt de fleste ven-tilationsanlæg stadigvæk drives med konstante luft-mængder kombineret med on/off-styring på trods af, at der er skrevet meget om mulighederne for mere behovsstyret ventilation, hvor luftmængden kontinuert reguleres med en frekvensomformer eller et fuldautomatisk spjæld.

7.3 Nøgletal for mest el-forbrugende branche i dansk industri – N & N industrien

Nærings- og nydelsesmiddelindustrien er den mest elforbrugende branche i dansk industri. Dette frem-går af tabel 7.1.

Figur 7.4 Årligt forbrug for forskellige teknologier fordelt på nyttig-gjort arbejde og tab i systemets komponenter inden for Nærrings- og Nydelsesmiddelindustrien.

I alt forbruges ca. 1.600 GWh til industrielle venti-lationsformål. Størstedelen bruges af anlæg i stør-relsen 4-30 kW vurderet ud fra tidligere detaljerede motorstudier foretaget i brancherne Nærings- og Nydelsesmiddel (N&N) samt Jern & Metal.

Forbruget til køling i Nærings- og Nydelsesmiddelindu-strien udgør 559 GWh/år, hvoraf 62 % nyttiggøres! Forbruget til køling i denne branche udgør hele 68 % af forbruget til køling i samtlige brancher.

200

150

100

50

0

-50

-100

(GW

h)

SmåMellemStore

Systemkomponent

Regulering359462

Belastning85

15879

Transmission438130

Motor696210

Styring-31-81-27

200

180

160

140

120

100

80

60

40

20

0

(GW

h)

Teknologi

Vent10017364

Pump173754

Trykl16131

Køl61911

Hyd18213

Andet435221

SmåMellemStore


07


07

Ifølge Danmarks Statistik anvendes årligt 2.150 GWh, eller 24 % af industriens elforbrug i Nærings- og Nydelsesmiddelindustrien. 81 % af branchens elforbrug omsættes i elmotordrevne systemer.

De to teknologier køling og ”anden motordrift” er klart dominerende i branchen. Disse to alene udgør 52% af branchens samlede elforbrug.

Gruppen anden motordrift er opgjort i tabel 7.3.

1) Forarbejdende maskiner er eksempelvis maskiner til findeling, centrifugering og presning på sukkerfabrikker og fabrikker til fremstilling af færdige foderblan-dinger. Andre eksempler er maskiner til opskæring og udbening på slagterier.

2) Omrøring benyttes primært på mejerier og isfabrikker samt i drikkevare-industrien.

Tabel 7.3 Specificering af elforbrug til anden motordrift i Nærings- og Nydelsesmiddelindustrien.

Anden motordrift Elforbrug i GWh Elforbrug i %

Forarbejdende maskiner1) 468,9 83,9

Omrøring2) 53,8 9,6

Transport 36,3 6,5

I alt 559 100

84 % af forbruget til anden motordrift inden for Nærings- og Nydelsesmiddelindustrien går til forar-bejdende maskiner!

7.4 Besparelsespotentiale ved systemoptimering

Figur 7.5 Besparelsespotentiale for alle teknologier og for alle de syv største brancher fordelt på systemets enkeltkomponenter.

Besparelsespotentialet ved systemoptimering i motordrevne maskinsystemer udgør 669 GWh/år svarende til 10 % af det samlede forbrug! 322 GWh af dette potentiale, svarende til 48 %, findes i belast-ningskomponenten!

Figur 7.6 Besparelsespotentiale for alle de syv største brancher fordelt på teknologier.

Tekn

olog

ier

Ven

tilat

ion

Pum

per

Tryk

luft

Køl

ing

And

et

Sys

tem

- ko

mpo

nent

er

Reg

uler

ing

Spj

æld

O

mdr

ejni

ngst

al(V

AV)

Lede

skin

ne

Shu

ntD

røvl

ing

Om

drej

ning

stal

On/

off

Ven

tilaf

last

ning

M

odul

eren

de

Om

drej

ning

stal

Fu

ldla

st/

afla

stOn/

off

Sug

etry

ksre

gule

ring

Ove

rhed

ning

ssty

ring

Var

mga

s by

-pas

sCylin

deru

dkko

blin

gO

mdr

ejni

ngst

alG

lider

On/

off

By-

pass

Load

-sen

sing

Om

drej

ning

stal

Fuld

last

/af

last

Bel

astn

ing

Rad

ial F

-hju

lR

adia

l B-h

jul

Aks

ial

Kam

mer

vent

ilato

r

Cen

trifu

gal

Fort

ræng

ning

Sne

kke

Ste

mpe

lkom

pres

sor

Skr

ueko

mpr

esso

rLa

mel

kom

pres

sor

Cen

trifu

galk

ompr

esso

rKap

selb

læse

rAks

ialk

ompr

esso

rEj

ekto

r

Ste

mpe

lkom

pres

sor

Skr

ueko

mpr

esso

rScr

ollk

ompr

esso

rCen

trifu

galk

ompr

esso

rAbs

orpt

ion

Ejek

tor

Hyd

raul

ikpu

mpe

Tran

spor

tbån

dOm

røre

r pr

opel

Mek

anis

k tr

ans-

mis

sion

Rem

tran

smis

sion

Direk

te k

oble

tD

irek

te k

oble

tR

emtr

ansm

issi

onD

irek

te k

oble

tR

emtr

ansm

issi

onD

irek

te k

oble

tR

emtr

ansm

issi

onG

ear

(sne

kke

og t

andh

jul)

Kæ

de

Mot

orA

synk

ronm

otor

A

synk

ronm

otor

Per

man

entm

agne

t-m

otor

Asy

nkro

nmot

orSyn

kron

mot

orA

synk

ronm

otor

Asy

nkro

nmot

or

Sty

ring

Sof

tsta

rter

Frek

vens

omfo

rmer

Sof

tsta

rter

Frek

vens

omfo

rmer

Sof

tsta

rter

Frek

vens

omfo

rmer

Sof

tsta

rter

Frek

vens

omfo

rmer

Sof

tsta

rter

Frek

vens

omfo

rmer

SmåMellemStore

80

70

60

50

40

30

20

10

0

(GW

h)

Branche

416838

N&N497328

J&M193117

SLG487440

Kemi304818

Træ81410

Graf463

Tekstil


07

Figur 7.7 viser et enormt samlet sparepotentiale for de syv største brancher inden for systemoptimering. Størst er potentialet i de mellemstore maskiner mellem 4 og 30 kW. Her ligger 47 % af sparepotentialet.

Besparelsespotentialet i træindustrien udgør 96 GWh/år ud af et forbrug på 772 GWh/år, svarende til godt 12 %! Det relativt høje potentiale hænger sammen med, at ventilation er meget udbredt i træ-industrien!

Figur 7.7 Besparelsespotentiale for alle teknologier fordelt på de syv største brancher.

SYSTEMKOMPONENTERNES VIRKNINGSGRAD 31

08

337 GWh af det samlede potentiale, svarende til 50 %, ligger inden for ventilation! Forbruget til store pumper udgør 54 GWh/år ud af et samlet forbrug til store maskinsystemer på 154 GWh/år, svarende til 35 %!

Tabe

l 8.1

Typ

er a

f sy

stem

kom

pone

nter

i fo

rske

llige

tek

nolo

gier

. D

e m

ed h

vidt

mar

kere

de k

ompo

nent

er e

r be

skre

vet

i bog

en.

Systemkomponenternes virkningsgrad

8.1 Systemkomponenter i teknologier og maskintyper


08

SYSTEMKOMPONENTERNES VIRKNINGSGRAD32

Belastningsgrad (%)

Vir

knin

gsgr

ad [

%]

Sjældregulering Omdr. reg. Omdr. reg. med VAV-spjæld

4045505560657075808590

0 20 40 60 80 100 120

Figur 8.1 Eksempler på virkningsgrader for en ventilator med B-hjul som funktion af belastningsgrad og reguleringsform.

08

Med afsæt i nøgletallene vil vi nu se på, hvilke system-komponenter, der er til stede i hvilke teknologier og i forskellige maskintyper i forhold til det, som vi har beskæftiget os med i denne bog. Dette er vist i tabel 8.1, hvor vi i denne bog har beskæftiget os med de komponenter, der er skrevet med hvidt.

For at kunne gennemføre systemoptimering skal du have kendskab til og overblik over både de enkelte komponenter i systemet hver for sig og deres indbyr-des forhold. Systemoptimering kræver derfor både mekanisk og el-teknisk viden, samtidigt med at du skal kunne overskue den proces, som maskinen skal drive ud fra dens belastning. Derfor kan det være en god ide, at du etablerer en energioptimeringsgruppe med deltagere fra ”begge lejre”.

8.2 Belastninger og virkningsgrad

I det følgende rettes opmærksomheden mod belast-ningsgraden for de forskellige komponenter, som indgår i et maskinsystem. I figur 4.1 så vi på belast-ningsgradens indflydelse på motorens virkningsgrad. I det følgende gennemgår vi belastningsgradens ind-flydelse på selve belastningen (i denne bog alene for en ventilator), transmissionen og reguleringen.

Reguleringsformen af belastningskomponenten i dit maskinsystem medfører ret forskellig virkningsgrad, og det er i den forbindelse ikke uvæsentligt, hvad belastningsgraden er! Betydningen fremgår af figur 8.1.

Belastningsgrad (%)

Vir

knin

gsgr

ad [

%]

1500 o/min 900 o/min 300 o/min

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Belastningsgrad (%)

Vir

knin

gsgr

ad [

%]

Kilerem B-profil Kilerem C-profil

95,0

95,5

96,0

96,5

97,0

97,5

98,0

98,5

99,0

99,5

100,0

0 50 100 150 200

Fladrem 3,4mmKilerem BX-profil Kilerem CX-profilPoly-V J-profilKilerem SPB-profil Kilerem XPC-profilTandrem 8mmKilerem XPB-profilTandrem 14mm


08

SYSTEMKOMPONENTERNES VIRKNINGSGRAD34

8.4 Frekvensomformere og virkningsgrad

08

8.3 Mekaniske remtransmissioner og virkningsgrad

Figur 8.2 Virkningsgrader som funktion af belastningsgraden for remtyperne fladrem, Poly-V rem, tandrem og kilerem.

Virkningsgraden for en transmission falder drastisk, når belastningsgraden kommer under 25 %! For nogle remtyper sker faldet i virkningsgraden markant for langt højere belastningsgrader.

En frekvensomformers virkningsgrad afhænger af motorens omdrejningstal, og belastningsgraden skal være mindre end 20 % før det har synlig indflydelse på frekvensomformerens virkningsgrad!

Opsummeret viser afsnittet, at det er en rigtig god ide at fokusere på at få højst mulig belastningsgrad på alle komponenter. Vigtigt i denne sammenhæng er det at se på behovet over tid og en tilpasning af systemets ydelse og komponenter i forhold til beho-vet! Hvor lidt er til enhver tid nok?

Figur 8.3 Virkningsgrad for frekvensomformer som funktion af belastningsgraden (ved 1.500, 900 og 300 o/min).

36 BELASTNINGSGRAD, VIRKNINGSGRAD MM. BELASTNINGSGRAD, VIRKNINGSGRAD MM. 37

Belastningsgrad, virkningsgrad og effektoptag uden for nominelt driftspunkt

9.1 Tab i enkeltkomponenterne

Komponenters virkningsgrad er ikke kun afhængig af belastningsgraden ved nominel drift, men også af den faktiske belastning. Det vil sige, at når maskinen er i drift og ikke belastet nominelt vil belastningsgraden og dermed virkningsgraden være endnu dårligere! Dette kan, når vi tager ”systemoptimeringsbrillerne” på, betyde at du ved dimensionering af hele systemet ofte bør vælge flere mindre maskinsystemer i parallel drift. Det skaber mulighed for at ind- og udkoble hele systemer og dermed til enhver tid sikre sig en så høj belastningsgrad som muligt af det enkelte system i drift.


Nom

inel

eff

ekt

PN

[kW

]

Eff

ekto

ptag

P1

[kW

]

Eff

ekty

dels

eP

2

[kW

]

Vir

knin

gsgr

adP

2/P

1 · 1

00

[%

]

Bel

astn

ings

grad

P2/P

N · 1

00

[%

]

Styring 15,0 6,9 6,7 97,1 45

Motor 15,0 6,7 5,7 85,1 38

Transmission 20,6 5,7 5,4 94,7 26

Belastning 12,0 5,4 4,5 83,3 45

System 12,0 6,9 4,5 65,2

Bemærk at effektoptaget for et omdrejningstals-reguleret ventilationssystem kun udgør godt 50 % af effektoptaget for et spjældreguleret system ved 75 % ydelse.


Nom

inel

eff

ekt

PN

[kW

]

Eff

ekto

ptag

P1

[kW

]

Eff

ekty

dels

eP

2

[kW

]

Vir

knin

gsgr

adP

2/P

1 · 1

00

[%

]

Bel

astn

ings

grad

P2/P

N · 1

00

[%

]

Styring - - - - -

Motor 15,0 12,5 11,3 90,4 75

Transmission 27,5 11,3 11,0 97,4 40

Belastning 12,0 11,0 9,0 81,8 92

System 12,0 12,5 9,0 72,0

09

09

Som oftest arbejder maskinsystemet ikke i det nomi-nelle driftspunkt. Ydelsen er ofte reduceret betyde-ligt, hvilket har indflydelse på belastningsgraden og dermed virkningsgraden.

Vi vender tilbage til eksemplet fra afsnit 3 og ser på komponenters virkningsgrad i afhængighed af belast-ningsgrad ved reduceret ydelse.

Bemærk at den reducerede drift betyder, at virk-ningsgraden falder kraftigst for omdrejningstalsregu-lerede systemer. Dette modsvares dog rigeligt af den faldende effektydelse.

Hvis maskinsystemet stadig skal leve op til definitio-nen af et sparesystem, skal virkningsgraden ved 45 % belastning af ventilatoren være større end 62 %, hvilket også er tilfældet i tabel 9.1 (65,2 %).

Når du dimensionerer dine maskiner, skal du derfor tænke ud fra et samlet energiperspektiv over tid. Du skal ved hver beslutning, afhængig af den forestå-ende driftssituation, tænke på, at virkningsgraden afhænger af, hvor tæt du tør gå på den nominelle effekt med din belastning.

38 BELASTNINGSGRAD, VIRKNINGSGRAD MM. BELASTNINGSGRAD, VIRKNINGSGRAD MM. 39

Nom

inel

eff

ekt

PN

[kW

]

Eff

ekto

ptag

P1

[kW

]

Eff

ekty

dels

eP

2

[kW

]

Vir

knin

gsgr

adP

2/P

1 ·

10

0

[%]

Bel

astn

ings

grad

P2/P

N ·

10

0

[%]

Styring - - - - -

Motor 15,0 10,7 9,5 88,8 63

Transmission 27,5 9,5 9,2 96,8 33

Belastning 12,0 9,2 6,3 68,5 77

System 12,0 10,7 6,3 58,9


09

09

Vi undersøger nu ved 50 % ydelse, om maskinsyste-met opfylder definitionen på et sparesystem. Der er ikke angivet krav for belastningsgrader lavere end 25 %. Her er kravet til virkningsgraden 60 %. Du bør derfor overveje, om ikke det er en idé at have venti-lationsanlægget delt op i to mindre anlæg, hvis drifts-perioden er lang ved lave ydelser. Det anbefales at analysere maskinsystemet ved hjælp af figur 6.2.

Bemærk at det spjældregulerede anlæg ikke opfyl-der definitionen på et sparesystem (58,9 % ved en belastningsgrad på 77 %).

Bemærk også at effektoptaget for et spjældreguleret ventilationsanlæg næsten er 4 gange større end for et omdrejningstalsreguleret anlæg ved 50 % ydelse.


Nom

inel

eff

ekt

PN

[kW

]

Eff

ekto

ptag

P1

[kW

]

Eff

ekty

dels

eP

2

[kW

]

Vir

knin

gsgr

adP

2/P

1 ·

10

0

[%]

Bel

astn

ings

grad

P2/P

N ·

10

0

[%]

Styring 15,0 3,0 2,9 96,7 19

Motor 15,0 2,9 2,1 72,4 14

Transmission 13,8 2,1 1,9 90,5 14

Belastning 12,0 1,9 1,6 83,3 16

System 12,0 3,0 1,6 53,3

Bemærk at belastningsgraden for alle enkeltkom-ponenterne ligger på under 20 % for et tilpasset system, der er omdrejningstalsreguleret Derfor skulle du overveje at sektionere systemet, hvis det i hovedparten af driftstiden arbejder lavt belastet!

10

10

100

80

60

40

20

0

Volumenstrøm

Eff

ekto

ptag

(%

)

100 %1002

0,41,60

75 %4,54,52

0,31,20

50 %1,64,72,90,31,20

EffektSpjældVentilatorRemtrækMotorFrekvens

EFFEKTOPTAG VED VARIABEL BELASTNING 41EFFEKTOPTAG VED VARIABEL BELASTNING40

Effektoptag ved variabel belastning

10.1 Sådan gør du når du skal dimensionere dine maskiner energirigtigt!

Figur 10.1 Fordeling af effektoptag på systemets enkeltkomponen-ter ved spjældregulering.

Når du skal dimensionere en ny maskine, er det vig-tigt, at du på forhånd har orienteret dig om, hvor-ledes tabene fordeler sig ved forskellige ydelser og dermed belastningsgrader. Store tab ved lav belast-ningsgrad, navnlig hvis din maskine har lange driftsti-der, må nemlig føre til, at du overvejer, om maskinen skal bestykkes med andre komponenter, reguleres anderledes eller sektioneres i flere enheder.

Eksemplet kan således anvendes til at illustrere forde-lingen af effekten, der nyttiggøres, og tabet i maskin-systemets enheder ved variabel belastning.

Af figur 10.1 fremgår at den nyttiggjorte effekt ved 50 % ydelse ved spjældregulering er meget beske-den. Endvidere er effektoptaget her relativt stort. Derfor skal der ikke være ret mange driftstimer ved denne ydelse, for at denne reguleringsform er urentabel, med mindre du vælger at sektionere dit anlæg.

Figur 10.2 Fordeling af effektoptag på systemets enkeltkomponen-ter ved omdrejningstalsregulering.

Ved omdrejningstalsregulering udgør tabet i motoren mere end 30 % af effektoptaget ved 50 % ydelse, og ved denne ydelse er tabet i motoren mere end dob-belt så stort som tabet i ventilatoren!

Det er også bemærkelsesværdigt, at tabet i trans-missionen begynder at udgøre en væsentlig del af det samlede tab ved lave belastninger!

Ved omdrejningstalsregulering, der medfører lave belastningsgrader i mange timer, er det vigtigt at få valgt en motor, der kan ”holde” sin gode virknings-grad ved lave belastninger.

For andre teknologier end ventilation kan en lav belastningsgrad medføre, at virkningsgraden forrin-ges meget i belastningskomponenten.

100

80

60

40

20

0

Eff

ekto

ptag

(%

)

Volumenstrøm

100 %1002

0,41,40,3

75 %4,50

0,90,31

0,2

50 %1,60

0,30,20,80,1

EffektSpjældVentilatorRemtrækMotorFrekvens

Sammenlignes figur 10.1 og 10.2 bemærkes, at tabet i motoren er relativt meget større for omdrej-ningstalsregulerede ventilationsanlæg end for spjæld-regulerede anlæg, specielt ved relativt lave ydelser.

42 ENERGI OG BESPARELSER ENERGI OG BESPARELSER 43

11

Energi og besparelser i anlæggets levetid

11.1 Belastningsvariationer over tid

Som nævnt er det væsentligt at kende til driftsvaria-tionerne over året. Mange timer med lav belastning er som nævnt af det onde. Vi arbejder videre med eksemplet og ser på en situation, som er meget repræsentativ for ventilationssystemer. Varigheds-kurven i figur 11.1 beskriver den valgte situation.

Ved projektering af maskinsystemet bør du forholde dig til variationen af behovet!

Figur 11.2 Årligt energiforbrug for et ventilationssystem med en varighedskurve som figur 11.1 fordelt på enkeltkomponenter ved to forskellige reguleringsformer.

100

75

50

25

0

Driftstid (%)

Vol

umen

strø

m q

v (%

)

20 50 100

Figur 11.1 Behovsvarighedskurve for et ventilationssystem med 6000 årlige driftstimer – se også figur 6.1.

Vi prøver at se på en typisk situation for to forskel-lige ventilationssystemer, som leverer den samme energi, men hvor system 1 (spjældreguleret) har et forbrug om året på knap det dobbelte af system 2 (omdrejningstalsreguleret).

Af figur 11.1 og 11.2 bemærkes, at hvis omkring 50 % af driftstiden ligger ved ydelser omkring 50 %, kan det årlige energiforbrug let reduceres med 50 % ved at gå fra spjældregulering til omdrejningstalsre-gulering (sammenhængen 3 x 50 %).

Det har også stor betydning for energiforbruget, at du kan vurdere dine maskiner ud fra et helhedssyn. Det vil sige indkøbs- og etableringspris kombineret med driftsomkostninger i maskinens levetid. Her vil en LCC (levetidsomkostnings) analyse vise, hvad der kan betale sig. Denne analyse fremgår af figur 3.2.

80000

70000

60000

50000

40000

30000

20000

10000

0

Årl

igt

el-for

brug

(kW

h)

Reguleringstype

1 – Spjældregulering24900222001470019207680

0

2 – Omdrejningsregulering24900

04920162058801020

Nyttig energiSpjældVentilatorRemtrækMotorFrekvens

11

44 45

12

TJEKSKEMA TJEKSKEMA

Tjek i forbindelse med besøg

Forhold, der bør undersøges nærmere

Behovs-analyse

Dokumentation, herunder teg-ninger, for det motordrevne maskinsystem

Undersøg, om der findes dokumentation, herunder tegninger, for maskinsystemet:• Brug disse tegninger til at få et overblik

over maskinsystemet.• Lav en simpel skitse af maskinsystemet,

der kan hjælpe med at give et overblik.

Maskinsystemets opgave

Undersøg, om maskinsystemet kan opfylde givne behov:• Undersøg om maskinsystemet er i

stand til at levere en ønsket ydelse volumenstrøm ved et givent tryk.

Anlæggets drifts-tilstand

Virkningsgrad for ventilatorer

Undersøg om det er muligt og rentabelt at udskifte ventilatoren til en Spare-ventilator:• Foretag måling af trykstigningen over

ventilatoren, volumenstrømmen og motorens effektoptag til bestemmelse af virkningsgraden.

Virkningsgrad for pumper

Undersøg om det er muligt og rentabelt at udskifte pumpen til en Sparepumpe:• Foretag måling af trykstigningen

over pumpen, volumenstrømmen og motorens effektoptag til bestemmelse af virkningsgraden.

Virkningsgrad for trykluft-kompressorer

Undersøg om det er muligt og rentabelt at udskifte trykluftkompressoren til en mere energieffektiv type:• Foretag en registrering af kompres-

sorens afgangstryk og motorens effektoptag samt rekvirer et datablad for kompressoren til bestemmelse af virkningsgraden.

Isentropisk virkningsgrad for kølekompressorer

Undersøg om det er muligt og rentabelt at udskifte kølekompressoren til en mere energieffektiv type:• Foretag en registrering af for-

dampnings- og kondenseringstem-peraturen, motorens effektoptag samt rekvirer et datablad for kompressoren til bestemmelse af virkningsgraden.

Virkningsgrad for hydraulikpumper

Undersøg om det er muligt og rentabelt at udskifte hydraulikpumpen til en mere energieffektiv type:• Foretag en registrering af pumpens

afgangstryk og motorens effektoptag samt rekvirer et datablad for pumpen til bestemmelse af virkningsgraden.

Virkningsgrad for transportbånd

Undersøg om det er muligt og rentabelt at udskifte komponenter i transportbån-det til mere energieffektive typer:• Sparemotor• Tandhjulsgear

Virkningsgrad for omrører

Undersøg om det er muligt og rentabelt at udskifte komponenter i omrørersyste-met til mere energieffektive typer:• Sparemotor• Tandhjulsgear

Virkningsgrad for transmissioner

Remtransmissioner:Undersøg, om remskiver og remme er slidte. Tjek om opspændingen af remmen(e) er korrekt.

Geartransmissioner:Undersøg, om det er rentabelt at udskifte et snekkegear til et tandhjulsgear:• Foretag en registrering af udvek-

slingsforholdet til bestemmelse af virkningsgraden.

Virkningsgrad for motorer

Undersøg, om det er muligt og rentabelt at udskifte til en Sparemotor:• Foretag måling af motorens effektop-

tag til bestemmelse af virkningsgraden.

Start-forhold

Maskinsystemets startforhold

Vurder startsituationens indflydelse på drevets størrelse (motor, remtræk, gear m.m.):• Undersøg start- og driftsmoment.

Styring/regulering

Automatik på maskinsystemet

Undersøg, om maskinsystemet er forsynet med automatik:• Undersøg, om maskinsystemet er

forsynet med automatik der afbryder det, når der ikke er behov for, at det er i drift.

Regulering af maskinsystemets ydelse

Undersøg, om maskinsystemet er forsynet med ydelses- eller kapacitets-regulering:• Undersøg, om ventilatorens eller

pumpens omdrejningstal reguleres i forhold til behovet, f.eks. varme- eller kølebehovet.

• Undersøg om trykluftkompressorens omdrejningstal reguleres i forhold til luftbehovet.

• Undersøg om kølekompressorens kapa-citet reguleres i forhold til kølebehovet, f.eks. ved hjælp af cylinderudkobling (stempelkompressorer) eller omdrejningstalsregulering (skrue- kompressorer).

• Undersøg om hydraulikpumpen er forsynet med LS-regulering.

• Undersøg om transportbåndets hastighed reguleres således, at der altid er fuld belægning på båndet.

Service/vedligehold

Maskinsystemets service og vedlige-holdelsestilstand

Undersøg, om der foretages regelmæs-sig service og vedligeholdelse på maskin-systemet:• Undersøg, om der foretages

regelmæssig kontrol af beskadigelse og tilsmudsning af maskinsystemets komponenter – motor, transmission og belastning.

Tjekskema

I tabel 12.1 er angivet en række forhold som har ind-flydelse på det motordrevne maskinsystems drift og energieffektivitet, og som derfor bør undersøges.

Tabel 12.1 Tjekskema for motordrevene maskinsystemer.

12

10 Gode Råd

46 10 GODE RÅD

13

1. Minimer behovet til ethvert tidspunkt og opstil en effektvarighedskurve.

2. Vælg en motorstørrelse, der er tilpasset det maksimale behov (høj belastningsgrad) – også under hensyn til opstart.

3. Vælg en korrekt reguleringsform og start-anordning. Brug evt. flere maskinsyste-mer, hvis store belastningsvariationer.

4. Vælg en transmission så belastnings-graden bliver høj ved maksimalt behov.

5. Vælg en transmission så den opnår en høj belastningsgrad ved variable belastninger under anvendelse af effektvarighedskurven.

6. Sikre dig at motoren har høj belastnings-grad ved dellast. Vælg evt. flere maskin-systemer.

7. Vurder systemets samlede virkningsgrad ved variable belastninger under anven-delse af effektvarighedskurven.

8. Revurder dit maskinsystem ved ændret behov – alternativt foretag jævnlige plan-lagte revurderinger.

9. Sørg for jævnlig vedligehold af maskin-systemet.

10. Vurdér indkøb, løbende vedligehold og energiforbrug for at finde frem til de lavest mulige levetidsomkostninger.

14

KILDEHENVISNING 47

Kildehenvisning

/1/ Ventilation ståbi - 2. udgave, Ingeniøren bøger, 2001, Henning Hørup Sørensen. ISBN: 87-571-1982-1

/2/ Pumpe ståbi - 3. udgave, Ingeniøren bøger, 2000, Torben Larsen. ISBN: 87-571-2296-2

/3/ El ståbi - 3. udgave, Ingeniøren bøger, 2000, Poul Andersen. ISBN: 87-571-2395-0

/4/ Kortlægning af motorbestanden i jern- og metal-industrien, Teknisk rapport 397, DEFU, 1998, Hans Henrik Hansen (DEFU)

/5/ Kortlægning af motorbestanden i nærings- og nydelsesmiddelindustrien, Teknisk rapport 411, DEFU, 1998, Hans Henrik Hansen (DEFU)

/6/ Energioptimering ved elmotordrift, Teknisk rap-port 322, DEFU, 1991, Anders Rebsdorf (DEFU), Hans Andersen (DEFU), Jørn Borup Jensen (DEFU), Mogen Johansson (Dansk Energi Analyse a/s), Torben Laubst (DIA-E) og Henrik Ørskov Pedersen (DIA-E)

/7/ Energioptimering ved elmotordrift. Drevanalyse i praksis, Teknisk rapport 380, DEFU, 1997, Hans Andersen (DEFU) og Hans Henrik Hansen (DEFU)

/8/ Energioptimering ved industriel hydraulikanven-delse, Teknisk rapport 345, DEFU, 1995, Hans Andersen (DEFU-Energiteknologi), Flemming Lundager (DEFU-Energiteknologi) og Jørgen Hvid (Dansk Energi Analyse)

/9/ Energioptimering af industriel hydraulik, Teknisk rapport 387, DEFU, 1997, Thomas Brændgaard Nielsen (DEFU-Energiteknologi)

Tabel 13.1 Oversigt over 10 gode råd ved systemoptimering – følg tillige anvisningerne i afsnit 6.

14

14

KILDEHENVISNING 4948 KILDEHENVISNING

/10/ Elbesparelser ved trykluftanvendelse. Substitution og effektivisering, Teknisk rapport 369, DEFU, 1996, Hans Andersen (DEFU), Kim Falck Grony (Elforsyningens Energirådgivning), Jørgen Hvid (Dansk Energi Analyse), Johnny Iversen (dk-Tek-nik), Jørn Borup Jensen (DEFU), Inger Anette Rasmussen (Dansk Energi Analyse) og Mogens West (NESA)

/11/ Håndbog i Energirådgivning – Hydraulik, DEFU, 1999, Johannes Thuesen (Energirådgivning Fyn), Thomas Brændgaard Nielsen (DEFU) og Lise Boye-Hansen (DEFU)

/12/ Håndbog i Energirådgivning – Køling, DEFU, 1999, Alaa Barky (Københavns Belysningsvæsen) og Martin L. Jensen (DEFU)

/13/ Håndbog i Energirådgivning – Elmotorer, motor-styringer og transmissioner, DEFU, 2000, Hans Henrik Hansen (DEFU), Lars Bjerre (DEFU) og Jens Erik Pedersen (TRE-FOR)

/14/ Håndbog i Energirådgivning – Trykluft, DEFU, 1999, Kim Falck Grony (Energirådgivning Fyn) og Jan Christiansen (DEFU)

/15/ Afprøvning af trefasede softstartere og enfasede energispareenheder, Rapport 94.5A, Aalborg Universitet – Institut for Energiteknik, 1995, Frede Blåbjerg, John K. Pedersen og Hans-Henrik Hansen

/16/ Energy Optimal Control of Induction Motor Drives, Aalborg Universitet – Institute of Energt Techno-logy, 2000, Flemming Abrahamsen, ISBN: 87-89179-26-9

/17/ Pumpedrift og energi – 3. udgave, Heilmanns For-lag, 1999, Thomas Heilmann. ISBN 87-90603-03-6

/18/ Energibevidst projektering af pumpeanlæg Foreningen af Rådgivende Ingeniører F.R.I November 2000

/19/ Varme- og klimateknik, Danvak, Grundbog 2. udgave, H. E. Hansen, P. Kjerulf-Jensen & Ole B. Stampe. ISBN: 87-982652-1-0

/20/ Værktøj til elbesparelser i pumpesystemer, Dansk Energi Analyse A/S, Mogens Mikkelsen (Dansk Energi Analyse A/S), Finn Alex Hansen (Carl Bro Bys as), Hans Andersen (DEFU) og Thomas Heilmann (Ingeniørhøjskolen Københavns Tekni-kum)

/21/ Teknologikatalog – energibesparelser i erhvervs-livet, Energistyrelsen, 1995

/22/ Den store blå om Systemoptimering, ELFOR Jørn Borup Jensen (ELFOR). Henrik Lykke Lilleholt (Louis Poulsen Industri & Automation). Claus M. Hvenegaard (Teknologisk Institut). Hans Andersen (Teknologisk Institut)

HjemmesiderElselskaberne i Danmarkwww.elselskaberneidanmark.dk

Sparepumperwww.sparepumpe.dk

Sparemotorerwww.sparemotor.dk

Spareventilatorwww.spareventilator.dk

Energiguidenwww.energiguiden.dk

ELFORwww.elfor.dk

ELFORSKwww.elforsk.dk

Energibevidst projekteringwww.energibevidst.dk

Teknologisk Institutwww.teknologisk.dk

Energistyrelsenwww.ens.dk

Den Lille Blaa Om Systemoptimering

Documents

Transcript of Den Lille Blaa Om Systemoptimering