VFD ใน HVAC คืออะไร? การใช้ การออม คู่มือการเลือก

VFD ใน HVAC คืออะไร?

มีการติดตั้งตัวแปลงความถี่ (VFD) ระหว่างแหล่งจ่ายไฟและมอเตอร์ (โดยทั่วไปคือมอเตอร์เหนี่ยวนำในอุปกรณ์ HVAC) ด้วยการเปลี่ยนความถี่ของกำลังไฟฟ้าที่ส่งไปยังมอเตอร์ VFD จะเปลี่ยนความเร็วมอเตอร์ (RPM) ในระบบ HVAC นั้น VFD มักใช้กับโหลดที่มีแรงบิดแปรผัน เช่น พัดลมแบบแรงเหวี่ยงและปั๊มแบบแรงเหวี่ยง ซึ่งการควบคุมความเร็วเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการจับคู่กำลังการผลิตให้ตรงกับความต้องการแบบเรียลไทม์

VFD ทำอะไรในทางปฏิบัติ

• ลดความเร็วหรือเพิ่มความเร็วของมอเตอร์พัดลม/ปั๊มโดยอิงตามเซ็นเซอร์ (ความดัน การไหล อุณหภูมิ CO₂ ฯลฯ)
• แทนที่วิธีการควบคุม "การสิ้นเปลือง" (วาล์วควบคุม ใบพัดทางเข้า ลูปบายพาส) ด้วยการควบคุมความเร็วที่มีประสิทธิภาพ
• เพิ่มพฤติกรรมการสตาร์ทแบบนุ่มนวล/หยุดแบบนุ่มนวล ลดความเครียดทางกลและกระแสไหลเข้า

เหตุใด VFD จึงประหยัดพลังงานใน HVAC (กฎหมายความสัมพันธ์)

สำหรับพัดลมแบบแรงเหวี่ยงและปั๊ม กฎความสัมพันธ์จะอธิบายว่าประสิทธิภาพเปลี่ยนแปลงไปตามความเร็วอย่างไร ความสัมพันธ์ที่สำคัญสำหรับพลังงานคือพลังงานจะแปรผันโดยประมาณกับลูกบาศก์ของความเร็ว นั่นหมายถึงการลดความเร็วลงเล็กน้อยสามารถผลิตพลังงานที่ลดลงอย่างมาก

• การไหล ∝ ความเร็ว
• ความดัน/หัว ∝ ความเร็ว²
• กำลัง ∝ ความเร็ว³

กฎทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือ: ความเร็วที่ลดลง 10% สามารถลดพลังงานได้ประมาณ 30% บนโหลดแรงบิดแปรผันภายใต้สภาวะปกติ ที่ความเร็ว 50% กำลังของพัดลม/ปั๊มในอุดมคติอยู่ที่ประมาณ 12.5% (หนึ่งในแปด) ของกำลังเต็มพิกัด

นี่เป็นการประมาณการ การประหยัดที่แท้จริงขึ้นอยู่กับเส้นโค้งของระบบ กลยุทธ์การควบคุม และชั่วโมงการทำงาน ถึงกระนั้น ฟิสิกส์ก็อธิบายได้ว่าทำไม VFD มักจะเป็นชุดติดตั้งเพิ่ม HVAC ระดับสูงสุด เมื่อปริมาณงานแปรผันตลอดทั้งวัน

การใช้งาน HVAC ทั่วไปสำหรับ VFD

VFD ให้ผลตอบแทนที่ดีที่สุดเมื่อมีความต้องการที่แตกต่างกัน และอุปกรณ์สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยด้วยความเร็วที่ลดลงเป็นเวลานาน

แฟนๆ

• พัดลมจ่าย AHU (รีเซ็ตแรงดันคงที่, ระบบ VAV)
• พัดลมระบายอากาศ/พัดลมดูดอากาศ (การควบคุมแรงดันในอาคาร)
• พัดลมคูลลิ่งทาวเวอร์ (ควบคุมอุณหภูมิน้ำคอนเดนเซอร์)

ปั๊ม

• ปั้มน้ำเย็น (ควบคุมแรงดันต่าง, วาล์วสองทาง)
• ปั๊มน้ำคอนเดนเซอร์ (การเพิ่มประสิทธิภาพการไหล, การรวมทาวเวอร์)
• ปั๊มน้ำร้อน (รีเซ็ตกลยุทธ์ที่เชื่อมโยงกับอุณหภูมิอากาศภายนอก)

หมายเหตุ: VFD ยังใช้ในการใช้งานคอมเพรสเซอร์บางประเภท แต่การควบคุมคอมเพรสเซอร์เป็นอุปกรณ์และเฉพาะของผู้ผลิต ชัยชนะที่ตรงไปตรงมาที่สุดของ HVAC คือพัดลมและปั๊ม

กลยุทธ์การควบคุม VFD ที่ได้ผล (และสิ่งที่ควรหลีกเลี่ยง)

การประหยัดถูกสร้างขึ้นตามลำดับการควบคุม ไม่ใช่โดย VFD เพียงอย่างเดียว ลำดับที่มีประสิทธิภาพสูงสุดจะลดความเร็วให้มากที่สุดในขณะที่ยังคงความสบายและความมั่นคงไว้

กลยุทธ์การปฏิบัติที่ดีที่สุด

• รีเซ็ตแรงดันคงที่สำหรับพัดลมจ่าย VAV (รีเซ็ตตาม "แดมเปอร์ที่เปิดมากที่สุด" หรือความต้องการของโซนวิกฤติ)
• รีเซ็ตแรงดันแตกต่างสำหรับลูปไฮโดรนิกไหลแปรผัน (รีเซ็ตตามตำแหน่งวาล์วที่คอยล์ระยะไกล)
• การควบคุมความเร็วพัดลมคูลลิ่งทาวเวอร์เพื่อรักษาค่าที่ตั้งไว้ของน้ำคอนเดนเซอร์ด้วยพลังงานพัดลมขั้นต่ำ
• ความพ่ายแพ้ในเวลากลางคืนและการเริ่ม/หยุดที่เหมาะสมที่สุดซึ่งประสานกับความเร็วขั้นต่ำ VFD

ข้อผิดพลาดทั่วไป

• รักษาค่าความดันคงที่หรือค่าความดันต่างที่สูงโดยไม่จำเป็นตลอดทั้งวัน (พัดลม/ปั๊มไม่เคยทำงานช้าลง)
• การใช้ลูปบายพาสที่บังคับให้การไหลคงที่ (บ่อนทำลายค่าของความเร็วตัวแปร)
• การตั้งค่าความเร็วขั้นต่ำสูงเกินไป “เพื่อความปลอดภัย” ช่วยลดการดำเนินการโหลดชิ้นส่วนที่มีความหมาย
• ลูปควบคุมปรับจูนได้ไม่ดี ทำให้เกิดการตามล่า เสียงร้องเรียน หรือสะดุดล้ม

VFD เทียบกับวิธีการควบคุมความจุ HVAC อื่นๆ

หากระบบของคุณควบคุมการไหลในปัจจุบันโดย "สร้างแรงต้านทาน" (การควบคุมปริมาณ) โดยทั่วไป VFD จะลดพลังงานเนื่องจากจะลดความเร็วแทนที่จะสิ้นเปลืองแรงดัน

วิธีกำหนดขนาดและเลือก VFD สำหรับอุปกรณ์ HVAC

การเลือก VFD ที่เหมาะสมส่วนใหญ่เป็นแบบฝึกหัดทางไฟฟ้าและสิ่งแวดล้อม: จับคู่ไดรฟ์กับมอเตอร์ ประเภทโหลด การจ่ายไฟ และเงื่อนไขการติดตั้ง

รายการตรวจสอบการคัดเลือก

• ป้ายชื่อมอเตอร์: HP/kW, แรงดันไฟฟ้า, แอมป์เต็มโหลด (FLA), ความถี่พื้นฐาน, ปัจจัยการบริการ
• ประเภทโหลด: แรงบิดแปรผัน (พัดลม/ปั๊ม) เทียบกับแรงบิดคงที่ (สายพานลำเลียงบางตัว) — พัดลม/ปั๊ม HVAC มักเป็นแรงบิดแปรผัน
• แหล่งจ่ายไฟ: 480V/208V, 3 เฟส, กระแสไฟฟ้าขัดข้องที่มีอยู่, การต่อสายดิน, ข้อควรพิจารณาเกี่ยวกับฮาร์มอนิก
• สภาพแวดล้อม: ห้องไฟฟ้ากับดาดฟ้า; อุณหภูมิ ฝุ่น ความชื้น ข้อกำหนดการให้คะแนนตู้และความเย็น
• การควบคุม: การบูรณาการ BAS (BACnet/Modbus), อินพุตแบบอะนาล็อก, ความสามารถ PID, อินเตอร์ล็อคเพื่อความปลอดภัย
• การป้องกันมอเตอร์: โอเวอร์โหลด, การสูญเสียเฟส, แรงดันต่ำ/เกิน, อินพุตความร้อน

ในการปรับปรุง HVAC วิธีการกำหนดขนาดทั่วไปคือการเลือก VFD ที่มีพิกัดกระแสเอาท์พุตอยู่ที่หรือสูงกว่า FLA ของมอเตอร์ (พิจารณาปัจจัยการบริการและสภาพของไซต์งาน) สำหรับสายมอเตอร์ที่ยาว มอเตอร์รุ่นเก่า หรือสภาพแวดล้อมที่ละเอียดอ่อน ให้รวมการกรองที่เหมาะสม (เช่น เครื่องปฏิกรณ์เอาท์พุตหรือตัวกรอง dv/dt) ตามคำแนะนำของผู้ผลิต

ตัวอย่าง: การประมาณความประหยัดและการคืนทุนด้วยจำนวนจริง

กรณีทางธุรกิจที่ง่ายที่สุดใช้กิโลวัตต์พื้นฐาน ชั่วโมงการทำงาน โปรไฟล์การลดความเร็วที่คาดหวัง และอัตราค่าไฟฟ้า ตัวอย่างด้านล่างเป็นเพียงภาพประกอบและควรปรับปรุงด้วยข้อมูลแนวโน้ม (kW, ความเร็ว, ความดันสถิต/DP, ตำแหน่งวาล์ว) จากอาคารของคุณ

ตัวอย่างแฟนตัวอย่าง

• มอเตอร์: พัดลมจ่ายไฟ 30 แรงม้า (กำลังเชิงกลประมาณ 22.4 กิโลวัตต์ที่โหลดเต็ม)
• ชั่วโมงการทำงาน: 4,000 ชั่วโมง/ปี
• ความเร็วเฉลี่ยหลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพ: 80% (0.8 ต่อหน่วย) สำหรับชั่วโมงที่มีการใช้งานมากที่สุด
• อัตราค่าไฟฟ้า: $0.18/กิโลวัตต์-ชั่วโมง

หากกำลังปรับขนาดโดยประมาณด้วยลูกบาศก์ของความเร็ว กำลังเฉลี่ยที่ความเร็ว 80% จะอยู่ที่ประมาณ 0.8³ = 0.512 ซึ่งหมายถึงลดลงประมาณ 48.8% เมื่อเทียบกับกำลังเต็มความเร็วสำหรับรันไทม์ส่วนนั้น หากความต้องการไฟฟ้าเต็มความเร็วคือ 25 kW และคุณเฉลี่ยประมาณ 51% ของความต้องการไฟฟ้านั้นอย่างแท้จริงหลังจากการควบคุม VFD พลังงานต่อปีจะเป็น:

• ก่อน: 25 kW × 4,000 ชม. = 100,000 kWh
• หลัง: 25 kW × 0.512 × 4,000 ชม. กลับไปยัง 51,200 kWh
• ประหยัดได้โดยประมาณ: ~48,800 kWh/ปี
• ประหยัดต้นทุนโดยประมาณ: ~48,800 × 0.18 USD กลับไปยัง 8,784 USD/ปี

หากการปรับปรุง VFD แบบครบวงจร (ไดรฟ์ การติดตั้ง การตั้งโปรแกรม การทดสอบการใช้งาน) มีค่าใช้จ่าย 12,000 เหรียญสหรัฐฯ การคืนทุนง่ายๆ จะอยู่ที่ประมาณ 1.4 ปี . โครงการที่แท้จริงควรรวมถึงผลกระทบจากการบำรุงรักษา การลดค่าใช้จ่ายอุปสงค์ที่อาจเกิดขึ้น และสิ่งจูงใจด้านสาธารณูปโภค

รายการตรวจสอบการว่าจ้างเพื่อประสิทธิภาพที่มั่นคง

การทดสอบการใช้งานทำให้มั่นใจได้ว่า VFD จะทำงานด้วยความเร็วที่ลดลงจริง ๆ โดยไม่ก่อให้เกิดปัญหาด้านความสะดวกสบาย เสียงรบกวน หรือความน่าเชื่อถือ

รายการการว่าจ้างที่สำคัญ

• ยืนยันการหมุนของมอเตอร์และตรวจสอบกระแสลม/การไหลจริงที่ความเร็วหลายระดับ
• ตั้งค่าความเร็วต่ำสุดและสูงสุดตามขีดจำกัดของอุปกรณ์ (ความเสี่ยงต่อการแข็งตัวของคอยล์ การระบายอากาศขั้นต่ำ อัตราการไหลของปั๊มขั้นต่ำ การควบคุมอ่างล้างหน้าของทาวเวอร์)
• ปรับลูป PID เพื่อกำจัดการล่าสัตว์ (ยืนยันตำแหน่งเซ็นเซอร์และความเสถียร)
• ใช้ตรรกะการรีเซ็ต setpoint (ความดันคงที่/การรีเซ็ต DP) และตรวจสอบด้วยบันทึกแนวโน้ม
• ตรวจสอบอินเทอร์ล็อคด้านความปลอดภัย: ลำดับการควบคุมควัน สถิติการแข็งตัว สวิตช์ป้องกัน ลอจิก HOA การบูรณาการสัญญาณเตือนไฟไหม้
• ตรวจสอบคุณภาพไฟฟ้า: การต่อสายดิน การป้องกัน และเครื่องปฏิกรณ์/ตัวกรองที่จำเป็น

พื้นฐานการบำรุงรักษาและการแก้ไขปัญหา

VFD มีความน่าเชื่อถือเมื่อติดตั้งอย่างถูกต้อง แต่จะเพิ่มอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ต้องมีการบำรุงรักษาเชิงป้องกันขั้นพื้นฐาน

การบำรุงรักษาเชิงป้องกัน

• รักษาความสะอาดของเปลือก รักษากระแสลมทำความเย็นและอุณหภูมิห้องให้เหมาะสม
• ตรวจสอบพัดลม ตัวกรอง และตัวระบายความร้อน เปลี่ยนตัวกรองที่อุดตันตามกำหนดเวลา
• ตรวจสอบขั้วเป็นระยะเพื่อดูแรงบิดและสัญญาณของความร้อนสูงเกินไป
• สำรองพารามิเตอร์ (การกำหนดค่าไดรฟ์) หลังจากการเปลี่ยนแปลงการทดสอบการใช้งาน

ปัญหาที่พบบ่อยและสาเหตุที่เป็นไปได้

• ทริปที่น่ารำคาญ: ทางลาดเร่งความเร็ว/ลดความเร็วที่รุนแรง, PID ที่ไม่เสถียร, คุณภาพพลังงานไม่ดี หรือการระบายความร้อนไม่เพียงพอ
• สัญญาณรบกวน/เสียงสะอื้น: การตั้งค่าความถี่พาหะ สภาพมอเตอร์ หรือการสั่นพ้องทางกลที่ความเร็วที่กำหนด
• ประหยัดต่ำ: ค่าเซ็ตพอยต์ไม่ถูกรีเซ็ต, ความเร็วต่ำสุดสูงเกินไป หรือระบบไม่แปรผันอย่างแท้จริง (สภาวะบายพาส/การไหลคงที่)

ข้อสรุปโดยตรง: เมื่อ VFD คุ้มค่าในระบบ HVAC

VFD มีค่ามากที่สุดใน HVAC เมื่อคุณมีความต้องการที่แปรผัน ชั่วโมงการทำงานที่ยาวนาน และพัดลมแบบแรงเหวี่ยงหรือปั๊มที่สามารถทำงานได้อย่างปลอดภัยที่ความเร็วลดลง หากระบบปัจจุบันของคุณควบคุมความจุด้วยการควบคุมปริมาณหรือแดมเปอร์ และโหลดของคุณแตกต่างกันไปในแต่ละวันหรือตามฤดูกาล การติดตั้งเพิ่มเติม VFD ที่จับคู่กับการรีเซ็ตเซ็ตพอยต์ที่เหมาะสมสามารถให้ผลได้ การลดพลังงานอย่างมีนัยสำคัญและวัดผลได้ ในขณะที่ปรับปรุงการควบคุมและอายุการใช้งานของอุปกรณ์

ข้อมูลอ้างอิง (สำหรับความสัมพันธ์ด้านพลังงานที่สำคัญ)

• กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา เอกสารเคล็ดลับมอเตอร์ และรายงานที่หารือเกี่ยวกับผลกระทบของกฎหมายความสัมพันธ์ (รวมถึงการลดความเร็ว 10% ⇒ การลดกำลัง 30%) รายงานศักยภาพการประหยัดพลังงานของมอเตอร์
• ตัวอย่างเอกสารคำแนะนำของกระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา (ครึ่งความเร็ว µ หนึ่งในแปดกำลังสำหรับพัดลม): ประสิทธิภาพการโหลดชิ้นส่วนแบบปรับความเร็วได้
• คำแนะนำของวารสาร ASHRAE เกี่ยวกับการประมาณกำลังไฟฟ้า VFD ที่ดึงมาจากความเร็วและการชี้แจงเลขชี้กำลัง: สู่ความใกล้ชิด…และเหนือกว่า!
• เอกสารไวท์เปเปอร์ของ Eaton สรุปกฎความสัมพันธ์สำหรับปั๊ม (ความสัมพันธ์การไหล หัวเรื่อง กำลัง): ไดรฟ์ความถี่ตัวแปร: การประหยัดพลังงานสำหรับการใช้งานปั๊ม