将来の HVAC ファン効率基準の鍵となるモーター、ドライブの選択

米国エネルギー省 (DOE) が今後数か月以内に待望のファン効率テストと効率基準規則の最終版を発行すると、同国のエネルギー管理の難題における重要な用途に規制が適用されることになる。 その一方で、業界関係者は、商業および産業ファンにとって初めての新しい規則が自社の業務にどのような影響を与えるかについて議論している。

確かなことが2つあります。 まず、このルールによりファンの電力消費が削減され、建物全体のエネルギーコストの削減につながるはずです。 現在、商業用および工業用の建物で購入される電力全体の約 18% をファンが占めています。 提案されているように、DOE の新しい規則により効率が 2 ～ 3% 向上し、今後 60 年間で約 7,000 兆 BTU のエネルギーが節約されると予想されています。

第 2 に、空気力学的に優れたファン設計は、提案された規則に準拠するために必要なエネルギー節約を必ずしも実現するとは限りません。 これは、ファンの設計変更を既存のシステムに実装するのが非常に難しい場合があり、ファンの電力のすべてを占めるモーターをアップグレードすることで電力消費に対処する方が簡単だからです。 多くの場合、ファン効率を達成するには、モーター効率の向上が不可欠です。

DOE はこれを理解しています。 2022 年にリリースされた DOE のデータ利用可能性に関する通知には、最大のテクノロジー オプションのみを対象としたファンの再設計が含まれており、これは規定された節約目標をはるかに上回っています。 しかし、この 28 ページの文書には「モーター」という単語が 300 回以上登場しました。

モーターメーカーはすでに、既存の製品が提案されている新しい規格に準拠するかどうか疑問を抱くファンメーカーからの問い合わせに対応している。 また、多くの企業は、最も経済的なコストで必要な効率出力を達成できるモーターとドライブの代替品を模索し始めています。

新規設置の効率を向上させるために、商用ファン市場は、従来のベルト駆動ファンの代わりに直接駆動ファンの使用に移行しています。 名前が示すように、ファン プロペラはダイレクト ドライブ ファンのモーター シャフトに直接接続されています。

この変化にはいくつかの実際的な理由があります。 プロペラがモーターシャフトに直接接続されているため、ダイレクトドライブファンは動力伝達のロスがありません。 比較すると、ベルト駆動ファンの効率は 10 ～ 30% 低下する可能性があります。 ダイレクト ドライブ ファンは信頼性が高く、メンテナンスが容易であり、実質的にメンテナンスフリーで動作するものもあります。 ベルト駆動ファンは定期的なメンテナンスが必要であり、破損する危険性があります。

最終的なテストと効率基準のルールを待っている間、他にも留意すべき点がいくつかあります。

これは主に、他の業界が独自の DOE エネルギー効率規制を満たすために必要としたモーター/ドライブ技術を開発しているメーカーによるものです。

住宅用 HVAC 業界は、モーターと制御の統合 (IMAC) テクノロジーを早期に採用し、道を先導しました。 モーターをオンボード制御または可変周波数ドライブと組み合わせることで、IMAC

システムの要求に基づいて、1 ～ 15 馬力の範囲のモーターをさまざまな速度で動作させることができます。 15 年前に初めて導入された IMAC は、現在住宅用 HVAC システムの標準となっています。

商用 HVAC およびポンプ業界も現在、これに倣い、効率の低いシングルスピード モーター アプリケーションを、研究に裏付けされ、フィールドでテストされた IMACS およびその他のパワー ドライブ システム (PDS) に置き換えています。 (PDS には、モーターと可変速ドライブまたは制御装置が含まれています。ただし、IMAC とは異なり、この 2 つは必ずしも統合ユニットとして組み立てられる場合とそうでない場合があります。)

これらすべてが、ファン業界もエネルギー効率を向上させるためにたどることのできる明確な道を切り開いています。

また、今日の業務用ファンや送風機のほとんどは、システムの最大需要を満たすように設計された大型のシングルスピード モーターに依存していますが、そのモーターが動力を供給する機器がフル稼働することはめったにありません。 すべてのファンが必要な効率出力を達成するために新しいより効率的なモーターを必要とするわけではありませんが、必要なファンには複数の選択肢があるでしょう。

現在提供されている製品には、誘導 IMAC 設計と同期 IMAC 設計の両方が含まれています。 最大 15 馬力で利用できるようになった IMAC は、同期モーターと VFD (ECM (電子励起モーター) として知られる組み合わせ) と統合されており、商用ファン アプリケーションのゴールド スタンダードになる可能性があります。

どのくらい実質的なのでしょうか？ DOE によると、IMAC の速度を 20% 下げると、場合によっては電力使用量が半分に削減される可能性があります。 NEEA (Northwest Energy Efficiency Alliance) による調査では、IMAC と PDS の投資回収期間は、定負荷システムの場合は 10 か月、変動負荷システムの場合はわずか 4 か月であると計算されています。

誘導モーターを同期モーターに置き換えると、さらに大きな節約が得られます。 ECM をスマート ビルディング テクノロジーと組み合わせると、可変速度でアプリケーションの要求に適合し、機器の磨耗が軽減されます。

現在、多くの ECM ユニットは、モーター制御システム情報を提供するセンサーに接続されています。 たとえば、ファンのアプリケーションでは、熱センサーがモーター制御に現在の機器温度を継続的に送信します。 温度が目標速度よりも高い場合、モーター制御は目標を満たすためにモーターの RPM を増加させます。

新しいシステムでは、センサーと ECM の間で IoT が利用されています。 商業ビルがスマートビルディングに向けてさらに進む中、この傾向は今後も続くと予想されます。 スマート ビルディングでは、ノートブック コンピューターを持った 1 人のビル保守担当者が、エレベーター、冷暖房システム、ポンプ、冷却塔、ファンの動作を監視および制御できます。

モーターと制御装置は連携して動作するように設計されているため、ECM には最小限のセットアップとシステム統合が必要です。 この設計により、モーターと制御装置間の現場での配線が不要になります。

ECM のコントロールはモーターの上部またはモーターと並んで取り付けられ、交換するシングルスピード モーターと同じベース取り付け寸法を使用するため、既存のファンに取り付けることができます。 ECM を取り付けるときに設置者が遭遇する可能性がある唯一の大きな問題は、ドライブが配置されているモーターの上または後ろに空きスペースがあるかどうかです。

特定のモーターパラメータが工場でドライブにインストールされているため、モーター制御の最適化も容易になります。 モーターと制御のマッチングが良くなるため、モーターと制御の効率が向上します。

DOE は、ファン システム効率を評価する指標としてファン効率指数 (FEI) を採用しています。 FEI は、モーターやドライブの効率への影響を含め、ファン システムへの電力入力を考慮します。

DOE は、ファンだけでなくモーターやドライブにも適用される標準を作成することで、設計者が新しいソリューションを開発する際に、さまざまなファンのタイプ、サイズ、モーターとドライブの組み合わせに対する投資収益率を分析できるようにします。

ただし、商業用および産業用のファンや送風機の効率を測定するために使用される方法はまだ開発中です。 DOE は、AMCA 214 に記載されているプロトコルを使用してファンの効率を測定することを提案しています。この方法が確立されれば、ECM テクノロジーを選択するファンのメーカーは、モーターの効率値を決定する際にモーターのメーカーに支援を求めることができるはずです。 同じメーカーがモーターとドライブの両方を提供しているため、メーカーは組み合わせて生成されるモーター効率に関するデータを提供することが期待されます。

DOE は、モーターと VFD の組み合わせとしての ECM モーターにも効率基準を割り当てていないことに注意してください。 他の多くの DOE 規則では、民生用炉で使用されるものを含む、より高いレベルのシステム効率を満たすために同期モーターが必要です。

DOE の新しいファン効率基準は、エンジニアがファンのエネルギーを最小限に抑えるために空気システムを設計する方法の変化を促進します。

ルールが最終的にどのような形になるとしても、モーター技術の効率が重要な役割を果たすことになります。 ECM を含む統合モーターおよび制御テクノロジーを検討したことがない人は、それらを注目するのが賢明です。 今こそ、エンジニアリングおよび調達チームと代替案について話し合う時期です。