ما هو VFD في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)؟ الاستخدامات، الادخار، دليل الاختيار

ما هو VFD في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)؟

يتم تثبيت محرك التردد المتغير (VFD) بين مصدر التيار الكهربائي والمحرك (عادةً المحركات الحثية في معدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء). من خلال تغيير تردد الطاقة الكهربائية التي يتم توصيلها إلى المحرك، يقوم VFD بتغيير سرعة المحرك (RPM). في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، يتم استخدام VFDs بشكل شائع في أحمال عزم الدوران المتغير مثل مراوح الطرد المركزي ومضخات الطرد المركزي، حيث يعد التحكم في السرعة وسيلة فعالة لمطابقة السعة مع الطلب في الوقت الفعلي.

ما يفعله VFD من الناحية العملية

• يبطئ أو يسرع محرك المروحة/المضخة بناءً على أجهزة الاستشعار (الضغط، التدفق، درجة الحرارة، ثاني أكسيد الكربون، وما إلى ذلك).
• يستبدل طرق التحكم "الضائعة" (صمامات الاختناق، ودوارات الدخول، وحلقات الالتفافية) بالتحكم الفعال في السرعة.
• يضيف سلوك التشغيل الناعم/التوقف الناعم، مما يقلل من الضغط الميكانيكي وتيار التدفق.

لماذا توفر VFDs الطاقة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (قوانين التقارب)

بالنسبة لمراوح ومضخات الطرد المركزي، تصف قوانين الألفة كيفية تغير الأداء مع السرعة. العلاقة الأساسية للطاقة هي أن الطاقة تختلف تقريبًا باختلاف مكعب السرعة. وهذا يعني أن التخفيضات الصغيرة في السرعة يمكن أن تؤدي إلى تخفيضات كبيرة في الطاقة.

• التدفق ∝ السرعة
• الضغط/الرأس ∝ السرعة²
• القوة ∝ السرعة³

القاعدة الأساسية المستخدمة على نطاق واسع هي: انخفاض السرعة بنسبة 10% يمكن أن يقلل الطاقة بحوالي 30% على أحمال عزم الدوران المتغير في ظل الظروف النموذجية. عند سرعة 50%، تكون طاقة المروحة/المضخة المثالية على وشك الوصول 12.5% (الثمن) من قوة الحمل الكامل.

هذه تقديرات. تعتمد المدخرات الحقيقية على منحنى النظام واستراتيجية التحكم وساعات التشغيل. ومع ذلك، تشرح الفيزياء سبب كون VFDs في كثير من الأحيان بمثابة تحديث لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) من الدرجة الأولى عندما تختلف الأحمال على مدار اليوم.

تطبيقات HVAC الشائعة لـ VFDs

توفر VFDs أفضل عائد حيث يختلف الطلب ويمكن تشغيل المعدات بأمان بسرعة منخفضة لفترات طويلة.

المشجعين

• مراوح إمداد AHU (إعادة ضبط الضغط الثابت، أنظمة VAV)
• مراوح العودة/العادم (التحكم في ضغط المبنى)
• مراوح برج التبريد (التحكم في درجة حرارة الماء المكثف)

مضخات

• مضخات المياه المبردة (التحكم في الضغط التفاضلي، الصمامات ثنائية الاتجاه)
• مضخات المياه المكثفة (تحسين التدفق، تكامل البرج)
• مضخات الماء الساخن (إستراتيجيات إعادة الضبط المرتبطة بدرجة حرارة الهواء الخارجي)

ملاحظة: يتم استخدام VFDs أيضًا في بعض تطبيقات الضاغط، ولكن التحكم في الضاغط خاص بالمعدات والشركة المصنعة. عادةً ما تكون المراوح والمضخات الأكثر وضوحًا في مجال التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).

استراتيجيات التحكم في VFD الناجحة (وما يجب تجنبه)

يتم إنشاء المدخرات من خلال تسلسل التحكم، وليس بواسطة VFD وحده. التسلسلات الأكثر فعالية تقلل السرعة قدر الإمكان مع الحفاظ على الراحة والاستقرار.

استراتيجيات أفضل الممارسات

• إعادة ضبط الضغط الثابت لمراوح إمداد VAV (إعادة الضبط بناءً على "المخمد الأكثر انفتاحًا" أو طلب المنطقة الحرجة)
• إعادة ضبط الضغط التفاضلي للحلقات المائية ذات التدفق المتغير (إعادة الضبط بناءً على موضع الصمام في الملفات البعيدة)
• التحكم في سرعة مروحة برج التبريد للحفاظ على نقطة ضبط ماء المكثف بأقل قدر من طاقة المروحة
• يتم تنسيق النكسة الليلية والبدء/الإيقاف الأمثل مع الحد الأدنى من سرعات VFD

المزالق الشائعة

• الحفاظ على نقطة ضبط عالية للضغط الثابت أو التفاضلي طوال اليوم (المروحة/المضخة لا تتباطأ أبدًا)
• استخدام حلقات الالتفافية التي تجبر التدفق المستمر (تقوض قيمة السرعة المتغيرة)
• تحديد الحد الأدنى للسرعة مرتفع للغاية "لأسباب تتعلق بالسلامة"، مما يؤدي إلى إلغاء عملية التحميل الجزئي ذات المغزى
• تم ضبط حلقات التحكم بشكل سيئ، مما تسبب في الصيد أو شكاوى الضوضاء أو الرحلات

VFD مقابل طرق التحكم في قدرة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) الأخرى

إذا كان نظامك يتحكم حاليًا في التدفق عن طريق "خلق مقاومة" (الاختناق)، فإن VFD عادةً ما يقلل الطاقة لأنه يقلل السرعة بدلاً من إهدار الضغط.

كيفية تحديد حجم واختيار VFD لمعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).

يعد اختيار VFD المناسب إلى حد كبير تمرينًا كهربائيًا وبيئيًا: قم بمطابقة محرك الأقراص مع المحرك، ونوع الحمل، والإمداد، وظروف التثبيت.

قائمة التحقق من الاختيار

• لوحة اسم المحرك: HP/kW، الجهد الكهربي، أمبير الحمل الكامل (FLA)، التردد الأساسي، عامل الخدمة
• نوع الحمل: عزم الدوران المتغير (المراوح/المضخات) مقابل عزم الدوران الثابت (بعض الناقلات) - عادةً ما تكون مراوح/مضخات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) ذات عزم دوران متغير
• العرض: 480 فولت/208 فولت، ثلاثي الطور، تيار العطل المتوفر، التأريض، الاعتبارات التوافقية
• البيئة: غرفة كهربائية مقابل السطح؛ درجة الحرارة والغبار والرطوبة. تصنيف الضميمة ومتطلبات التبريد
• عناصر التحكم: تكامل BAS (BACnet/Modbus)، والمدخلات التناظرية، وقدرة PID، وأقفال الأمان
• حماية المحرك: التحميل الزائد، فقدان الطور، انخفاض/زيادة الجهد، المدخلات الحرارية

في التعديلات التحديثية لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC)، يتمثل أسلوب التحجيم الشائع في اختيار VFD مع تصنيف تيار الإخراج عند أو أعلى من FLA للمحرك (مع الأخذ في الاعتبار عامل الخدمة وظروف الموقع). بالنسبة لوصلات المحركات الطويلة، تتضمن المحركات القديمة، أو البيئات الحساسة، تصفية مناسبة (مثل مفاعلات الإخراج أو مرشحات dv/dt) وفقًا لتوجيهات الشركة المصنعة.

مثال: تقدير المدخرات والمردودات بأرقام حقيقية

تستخدم أبسط حالة عمل خط الأساس بالكيلووات وساعات التشغيل وملف تقليل السرعة المتوقع ومعدل الكهرباء. المثال أدناه توضيحي ويجب تحسينه باستخدام بيانات الاتجاه (كيلوواط، السرعة، الضغط الثابت/DP، مواضع الصمامات) من المبنى الخاص بك.

مثال توضيحي للمروحة

• المحرك: مروحة إمداد بقوة 30 حصان (حوالي 22.4 كيلووات ميكانيكية عند التحميل الكامل)
• ساعات التشغيل: 4000 ساعة/سنة
• متوسط السرعة بعد التحسين: 80% (0.8 لكل وحدة) لمعظم الساعات المشغولة
• معدل الكهرباء: 0.18 دولار/كيلوواط ساعة

إذا كانت الطاقة تقاس تقريبًا بمكعب السرعة، فإن متوسط الطاقة عند سرعة 80% يبلغ حوالي 0.8³ = 0.512، مما يعني انخفاضًا بنسبة 48.8% تقريبًا مقارنة بالطاقة ذات السرعة الكاملة لهذا الجزء من وقت التشغيل. إذا كان الطلب الكهربائي بأقصى سرعة هو 25 كيلووات وكان متوسطك الحقيقي هو 51% تقريبًا بعد التحكم في VFD، فإن الطاقة السنوية ستكون:

• قبل: 25 كيلووات × 4000 ساعة = 100000 كيلووات ساعة
• بعد: 25 كيلوواط × 0.512 × 4000 ساعة ≈ 51200 كيلوواط ساعة
• التوفير المقدر: ~48,800 كيلووات ساعة/السنة
• التوفير في التكاليف المقدرة: ~48,800 × 0.18 دولار ≈ 8,784 دولار في السنة

إذا كانت تكلفة التحديث الجاهز VFD (القيادة والتركيب والبرمجة والتشغيل) تبلغ 12000 دولار، فإن الاسترداد البسيط سيكون حوالي 1.4 سنة . ويجب أن تتضمن المشاريع الحقيقية أيضًا تأثيرات الصيانة، والتخفيض المحتمل لرسوم الطلب، وأي حوافز للمرافق العامة.

قائمة التحقق من التشغيل للحصول على أداء مستقر

يضمن التشغيل أن VFD يعمل فعليًا بسرعة منخفضة دون التسبب في مشاكل تتعلق بالراحة، أو الضوضاء، أو الموثوقية.

عناصر التكليف الرئيسية

• تأكد من دوران المحرك وتحقق من تدفق/تدفق الهواء الفعلي بسرعات متعددة.
• قم بتعيين الحد الأدنى والحد الأقصى للسرعات بناءً على حدود المعدات (خطر تجميد الملف، الحد الأدنى للتهوية، الحد الأدنى من تدفق المضخة، التحكم في حوض البرج).
• قم بضبط حلقات PID للتخلص من الصيد (تأكد من موقع المستشعر واستقراره).
• قم بتنفيذ منطق إعادة ضبط نقطة الضبط (الضغط الثابت/إعادة ضبط DP) والتحقق من صحته باستخدام سجلات الاتجاه.
• التحقق من أقفال السلامة: تسلسلات التحكم في الدخان، ووحدات التجميد، ومفاتيح الإثبات، ومنطق HOA، وتكامل إنذار الحريق.
• التحقق من الجودة الكهربائية: التأريض، والتدريع، وأي مفاعلات/مرشحات مطلوبة.

أساسيات الصيانة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها

تعتبر VFDs موثوقة عند تركيبها بشكل صحيح، ولكنها تضيف إلكترونيات تتطلب صيانة وقائية أساسية.

الصيانة الوقائية

• حافظ على نظافة العبوات؛ الحفاظ على تدفق الهواء التبريد المناسب ودرجة حرارة الغرفة.
• فحص المراوح والمرشحات والمشتتات الحرارية؛ استبدال المرشحات المسدودة في الموعد المحدد.
• قم بفحص المحطات بشكل دوري بحثًا عن عزم الدوران وعلامات ارتفاع درجة الحرارة.
• قم بعمل نسخة احتياطية من المعلمات (تكوين محرك الأقراص) بعد تغييرات التشغيل.

المشكلات المتكررة والأسباب المحتملة

• الرحلات المزعجة: منحدرات التسارع/التباطؤ العنيفة، أو PID غير المستقر، أو ضعف جودة الطاقة، أو التبريد غير الكافي.
• الضوضاء/الأنين: إعدادات تردد الموجة الحاملة، أو حالة المحرك، أو الرنين الميكانيكي عند سرعات معينة.
• مدخرات منخفضة: لم تتم إعادة ضبط نقاط الضبط، أو أن الحد الأدنى للسرعة مرتفع جدًا، أو أن النظام غير متغير حقًا (ظروف التجاوز/التدفق الثابت).

الاستنتاج المباشر: عندما يكون VFD يستحق ذلك في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC).

يعتبر VFD أكثر قيمة في التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) عندما يكون لديك طلب متغير، وساعات تشغيل طويلة، ومراوح أو مضخات طرد مركزي يمكن أن تعمل بأمان وبسرعة منخفضة. إذا كان نظامك الحالي يتحكم في السعة عن طريق الاختناق أو المخمدات وكان حملك يختلف يوميًا أو موسميًا، فيمكن أن يؤدي تحديث VFD المقترن بإعادة ضبط نقطة الضبط المناسبة إلى توفير تخفيض كبير وقابل للقياس في الطاقة مع تحسين إمكانية التحكم وعمر المعدات.

المراجع (لعلاقات الطاقة الرئيسية)

• وزارة الطاقة الأمريكية، أوراق نصائح المحركات والتقارير التي تناقش تأثيرات قانون التقارب (بما في ذلك تقليل السرعة بنسبة 10% ≈ تقليل الطاقة بنسبة 30%): التقرير المحتمل لتوفير طاقة المحركات
• مثال على ورقة نصيحة وزارة الطاقة الأمريكية (نصف السرعة ≈ ثمن الطاقة للمراوح): محرك سرعة قابل للتعديل، كفاءة التحميل الجزئي
• إرشادات مجلة ASHRAE حول تقدير قوة VFD من السرعة وتوضيح الأسس: إلى التقارب... وما بعدها!
• ورقة عمل إيتون تلخص قوانين التقارب للمضخات (التدفق، الرأس، علاقات الطاقة): محركات التردد المتغير: توفير الطاقة لتطبيقات الضخ