Clé de sélection du moteur et de l'entraînement pour les futures normes d'efficacité des ventilateurs HVAC

Lorsque le Département américain de l'énergie (DOE) publiera les versions finales de ses règles tant attendues sur les tests d'efficacité des ventilateurs et les normes d'efficacité au cours des prochains mois, il appliquera la réglementation à une application critique dans le puzzle de la gestion de l'énergie du pays. En attendant, les membres de l'industrie débattent de l'impact des nouvelles règles - les toutes premières pour les fans commerciaux et industriels - sur leurs opérations.

Deux choses sont certaines. Premièrement, les règles devraient réduire la consommation d'énergie des ventilateurs, ce qui contribuerait à réduire les coûts énergétiques globaux du bâtiment. Les ventilateurs représentent actuellement environ 18 % de toute l'électricité achetée dans les bâtiments commerciaux et industriels. Comme proposé, les nouvelles règles du DOE devraient produire un gain d'efficacité de 2 à 3 %, économisant environ sept quadrillions de BTU d'énergie au cours des 60 prochaines années.

Deuxièmement, une conception plus aérodynamique des ventilateurs n'apportera pas nécessairement les économies d'énergie nécessaires pour se conformer aux règles proposées. En effet, les changements de conception de ventilateur peuvent être extrêmement difficiles à mettre en œuvre dans un système existant et la consommation d'énergie est plus facile à gérer grâce à la mise à niveau du moteur, qui représente toute la puissance du ventilateur. L'augmentation de l'efficacité du moteur fera, dans de nombreux cas, partie intégrante de l'efficacité du ventilateur.

Le DOE le comprend. L'avis de disponibilité des données du DOE publié en 2022 comprenait une refonte du ventilateur uniquement pour l'option technologique maximale, ce qui dépasse de loin les objectifs d'économies déclarés. Le mot "moteur", cependant, est apparu plus de 300 fois dans le document de 28 pages.

Les fabricants de moteurs répondent déjà aux appels des fabricants de ventilateurs qui se demandent si leurs produits existants seront conformes aux nouvelles normes proposées. Beaucoup ont également commencé à rechercher des alternatives de moteurs et d'entraînements qui leur permettront d'atteindre la sortie d'efficacité requise au coût le plus économique.

Pour améliorer l'efficacité des nouvelles installations, le marché des ventilateurs commerciaux se tourne vers l'utilisation de ventilateurs à entraînement direct au lieu des ventilateurs traditionnels à entraînement par courroie. Comme son nom l'indique, l'hélice du ventilateur est reliée directement à l'arbre du moteur sur un ventilateur à entraînement direct.

Plusieurs raisons pratiques expliquent ce changement. Parce que l'hélice est directement reliée à l'arbre du moteur, les ventilateurs à entraînement direct ne subissent pas de pertes de transmission de puissance. En comparaison, un ventilateur entraîné par courroie peut avoir entre 10 et 30 % de perte d'efficacité. Les ventilateurs à entraînement direct sont également plus fiables et plus faciles à entretenir, certains fonctionnant pratiquement sans entretien. Les ventilateurs entraînés par courroie nécessitent un entretien périodique et risquent de se casser.

Alors que nous attendons tous les règles finales des tests et des normes d'efficacité, voici quelques autres éléments à garder à l'esprit :

Cela est dû en grande partie au fait que les fabricants développent des technologies de moteur/d'entraînement dont d'autres industries ont eu besoin pour respecter leurs propres réglementations en matière d'efficacité énergétique du DOE.

L'industrie du CVC résidentiel a ouvert la voie avec son adoption précoce de la technologie de moteur et de contrôle intégrés (IMAC). En associant le moteur à des commandes embarquées ou à des variateurs de fréquence, les IMAC

permettent de faire fonctionner des moteurs allant de 1 à 15 CV à différentes vitesses en fonction de la demande du système. Introduits pour la première fois il y a 15 ans, les IMAC sont maintenant devenus la norme dans les systèmes CVC résidentiels.

Les industries commerciales du CVC et des pompes emboîtent le pas, remplaçant les applications de moteur à vitesse unique moins efficaces par des IMACS et d'autres systèmes d'entraînement de puissance (PDS) soutenus par la recherche et testés sur le terrain. (Un PDS comprend un moteur et un variateur de vitesse ou une commande. Contrairement à l'IMAC, cependant, les deux peuvent ou non nécessairement être assemblés en une unité intégrée.)

Tous ouvrent une voie claire que l'industrie des ventilateurs peut également suivre pour améliorer l'efficacité énergétique.

La plupart des ventilateurs et soufflantes commerciaux d'aujourd'hui reposent également sur des moteurs à vitesse unique surdimensionnés qui ont été conçus pour répondre à la demande maximale du système, même si l'équipement qu'ils alimentent fonctionne rarement à pleine capacité. Tous les ventilateurs n'auront pas besoin de nouveaux moteurs plus efficaces pour atteindre la sortie d'efficacité requise, mais ceux qui le feront auront plusieurs alternatives parmi lesquelles choisir.

Les offres de produits actuelles incluent à la fois des conceptions IMAC à induction et synchrones. Désormais disponibles jusqu'à 15 ch, les IMAC intégrés à un moteur synchrone et à un VFD - une combinaison connue sous le nom d'ECM, ou moteur à commutation électronique - pourraient devenir la référence dans les applications de ventilateurs commerciaux.

Comment substantiel? Selon le DOE, réduire la vitesse IMAC de 20 % peut dans certains cas réduire de moitié la consommation d'énergie. Une étude de la NEEA (Northwest Energy Efficiency Alliance) a calculé que le retour sur investissement IMAC et PDS est de 10 mois pour les systèmes à charge constante et de seulement quatre mois pour les systèmes à charge variable.

Remplacer un moteur à induction par un moteur synchrone permet de réaliser des économies encore plus importantes. Lorsqu'ils sont associés à la technologie Smart Building, les ECM répondent aux exigences de l'application avec une vitesse variable, ce qui réduit l'usure de l'équipement.

De nombreuses unités ECM se connectent aujourd'hui à des capteurs qui fournissent des informations sur le système de commande du moteur. Dans une application de ventilateur, par exemple, un capteur de chaleur enverrait en continu à la commande du moteur la température actuelle de l'équipement. Si la température est supérieure à la vitesse cible, la commande du moteur augmentera le régime du moteur pour atteindre la cible.

Les systèmes plus récents utilisent l'IoT entre les capteurs et l'ECM. À mesure que les bâtiments commerciaux tendent à devenir des bâtiments intelligents, cette tendance devrait se poursuivre. Dans un bâtiment intelligent, une seule personne chargée de l'entretien du bâtiment avec un ordinateur portable peut surveiller et contrôler le fonctionnement des ascenseurs, des systèmes de chauffage/refroidissement, des pompes, des tours de refroidissement et des ventilateurs.

Étant donné que le moteur et la commande ont été conçus pour fonctionner ensemble, les ECM nécessitent une configuration et une intégration système minimales. La conception élimine le besoin de câblage sur place entre le moteur et la commande.

Les commandes d'un ECM sont montées sur le dessus ou en ligne avec les moteurs, qui utilisent les mêmes dimensions de montage de base que les moteurs à vitesse unique qu'ils remplacent, ce qui leur permet de s'adapter aux ventilateurs existants. Le seul problème majeur qu'un installateur pourrait rencontrer lors de l'installation d'un ECM est le dégagement disponible au-dessus ou derrière le moteur où se trouve maintenant le variateur.

L'optimisation du moteur à la commande est également plus facile, car des paramètres de moteur spécifiques sont installés en usine dans le variateur. L'efficacité du moteur et de la commande s'améliore car la commande est mieux adaptée au moteur.

Le DOE a adopté un indice d'efficacité des ventilateurs (FEI) comme mesure d'évaluation de l'efficacité du système de ventilation. FEI prend en compte l'alimentation électrique du système de ventilation, y compris l'impact sur l'efficacité des moteurs et des variateurs.

En créant des normes qui s'appliquent non seulement aux ventilateurs mais aussi aux moteurs et variateurs, le DOE permet aux concepteurs d'analyser le retour sur investissement pour différents types de ventilateurs, tailles et combinaisons moteur/variateur lors du développement de nouvelles solutions.

Cependant, la méthode à utiliser pour mesurer l'efficacité des ventilateurs et soufflantes commerciaux et industriels est encore en développement. Le DOE a proposé que l'efficacité du ventilateur soit mesurée à l'aide des protocoles décrits dans AMCA 214. Une fois la méthode en place, les fabricants de ventilateurs qui choisissent la technologie ECM devraient pouvoir se tourner vers leur fabricant de moteurs pour obtenir de l'aide pour déterminer la valeur d'efficacité du moteur. Étant donné que le même fabricant fournit à la fois le moteur et le variateur, le fabricant doit être tenu de fournir des données sur l'efficacité du moteur qu'ils créent en combinaison.

Il convient de noter que le DOE n'a pas non plus attribué de normes d'efficacité aux moteurs ECM en tant que combinaison moteur/VFD. De nombreuses autres règles du DOE exigent que les moteurs synchrones répondent à une efficacité de système de niveau supérieur, y compris ceux utilisés sur les fournaises grand public.

Les nouvelles normes d'efficacité des ventilateurs du DOE entraîneront des changements dans la façon dont les ingénieurs conçoivent les systèmes d'air pour minimiser l'énergie des ventilateurs.

Quelle que soit la forme finale que prendront les règles, l'efficacité de la technologie des moteurs jouera un rôle important. Ceux qui n'ont pas envisagé les technologies de moteur et de contrôle intégrés, y compris l'ECM, seraient bien avisés de les mettre sur leur radar. Le moment est venu de commencer à discuter avec leurs équipes d'ingénierie et d'approvisionnement de leurs alternatives.