Sähkötehokertoimien korjaus: miten invertteri-ilmastointilaitteet vähentävät verkkokuormaa

Kun tarkistat siirrettävän ilmastointilaitteen energiamerkinnän, siinä ilmoitettu wattiluku kuvaa pätötehoa — todellista työtä, joka tehdään lämmön siirtämiseksi pois huoneestasi. Mutta sähkö, joka kotitalouden johdotuksen on kannettava tuon pätötehon toimittamiseksi, voi olla huomattavasti suurempi riippuen laitteen kompressorin käyttöelektroniikan siirrettävän ilmastointilaitteen tehokertoimesta. Ero sen välillä, mitä piirisi syöttää ja mitä kompressori todella käyttää, on loisteho, ja huonosti suunnitelluissa laitteissa se edustaa merkittävää ja suurelta osin näkymätöntä kustannusta, joka vaikuttaa sekä sähkölaskuusi että rakennuksesi sähköinfrastruktuuriin.

Tehokerroin on käsite, joka on lainattu teollisuuden sähkötekniikasta, mutta yhä merkityksellisempi kotitalouslaitteille, kun invertterikäyttöisistä kompressoreista tulee normi eurooppalaisissa siirrettävissä ilmastointilaitteissa. Sen ymmärtäminen auttaa selittämään, miksi kaksi laitetta, joilla on identtiset nimellistehot, voivat asettaa hyvin erilaisia kuormia kotitalouspiiriisi, ja miksi EU:n energiamerkintäjärjestelmä — joka arvioi jäähdytystehon suhteessa pätötehon syöttöön — ei kuvaa laitteen koko vaikutusta kotisi sähköjärjestelmään.

Mikä on tehokerroin siirrettävässä ilmastointilaitteessa?

Tehokerroin siirrettävässä ilmastointilaitteessa on pätötehon (mitattuna watteina, edustaen todella tehtyä työtä) suhde näennäistehoon (mitattuna volttiampeereina, edustaen kokonaissähkökuormaa, jonka piirin on syötettävä). Tehokerroin 1,0 tarkoittaa, että jokainen verkosta otettu volttiampeeri muunnetaan hyödylliseksi työksi; tehokerroin 0,75 tarkoittaa, että 25 % piirin virtakapasiteetista kuluu loistehoon — sähkömagneettiseen energiaan, joka värähtelee edestakaisin laitteen ja verkon välillä suorittamatta hyödyllistä työtä. 1 000 W jäähdytyslaitteelle, jonka tehokerroin on 0,75, piirin on syötettävä noin 1 333 VA toimittaakseen 1 000 W pätötehoa.

Loisteho (näennäistehon työtä tekemätön osa, mitattuna kilovolttiampeereina reaktiivisena, kVAR) syntyy induktiivisista ja kapasitiivisista kuormista kompressorin moottorissa ja käyttöelektroniikassa. Perinteisessä kiinteänopeuksisessa induktiomoottorikompressorissa hallitseva lähde on induktanssi: moottorin käämitykset varastoivat magneettista energiaa joka puolijaksolla ja palauttavat sen seuraavalla, luoden vaihe-eron jännite- ja virtaaltoaaltojen välille. Tämä vaihe-ero, joka mitataan tehokertoimen kulmalla, ilmenee loistehona piirissä.

Useimmissa Euroopan maissa asuinkäyttäjille sähkömittarit laskuttavat vain kulutetun pätöenergian kilowattitunteina — loisteho ei suoraan näy kotitalouslaskussa. Loisteholla on kuitenkin merkitystä kahdella käytännön tavalla: se kuluttaa virrankantokapasiteettia sulaketaulussasi ja kotitalouden johdotuksessa, mahdollisesti työntäen piirit lähelle niiden nimellisiä ampeeririajoja kuumina päivinä, kun useita kuormia käy samanaikaisesti; ja joissakin EU:n jäsenvaltioissa pienet liiketilat ja suuret asuinrakennukset älymittaroinnilla alkavat kohdata loistehosakkoja energiasopimuksissaan.

Miten kiinteänopeuksiset kompressorit vertautuvat invertterikompressoreihin tehokertoimessa?

Budjettiluokan monoblock-siirrettävissä ilmastointilaitteissa käytetyt kiinteänopeuksiset kompressorit käyttävät tyypillisesti pysyväkondensaattori (PSC) -induktiomoottoreita, jotka saavuttavat tehokertoimen 0,70–0,86 riippuen suunnittelusta ja käyttökuormasta. Invertterikäyttöiset kompressorit, jotka käyttävät harjattoman tasavirran (BLDC) moottoritekniikkaa yhdistettynä aktiiviseen tehokertoimen korjaukseen (APFC — piiriaste, joka aktiivisesti muotoilee virtaaltoaallon uudelleen minimoidakseen vaihe-eron), saavuttavat tehokertoimen 0,95–0,99. Käytännön ero 1 500 W pätötehokuormalle on, että kiinteänopeuksinen laite vaatii jopa 2 143 VA piiristä, kun taas APFC:llä varustettu invertterilaite vaatii vain 1 515–1 579 VA — yli 500 VA ero, joka suoraan vähentää virtakuormaa kotitalouden johdotuksessa ja sulaketaulussa.

Parannuksella on eniten merkitystä eurooppalaisissa kerrostaloissa ja vanhemmissa rakennuksissa, joissa käytettävissä oleva kokonaisampeerimäärä piiriä kohti on rajallinen. 16 A piiri 230 V:ssa syöttää enintään 3 680 W pätötehoa yksikkötehokertoimella, mutta vain 2 760 W tehokertoimella 0,75. Jos kiinteänopeuksinen siirrettävä ilmastointilaite ottaa 1 500 W tehokertoimella 0,75, se varaa 1 667 VA tuon piirin 3 680 VA kapasiteetista, jättäen 2 013 VA muille kuormille. Sama 1 500 W jäähdytyskuorma tehokertoimella 0,97 varaa vain 1 546 VA — 121 VA säästö piirin liikkumavarasta, joka voi olla ero sen välillä, pitääkö piiri vai laukeaako se, kun muut laitteet käynnistyvät huippukysynnän aikana.

Miksi aktiivisella tehokertoimen korjauksella on merkitystä kotitalouspiireille?

Aktiivinen tehokertoimen korjaus (APFC) on elektroninen piiriaste, joka sijoitetaan verkkosyötön ja invertterikäytön väliin ja joka muotoilee syöttövirtaaltoaallon uudelleen sopimaan tarkasti sinimuotoiseen jänniteaaltoon, minimoiden niiden välisen vaihekulman ja työntäen tehokertoimen kohti ykköstä. Ilman APFC:tä jopa korkealaatuinen BLDC-invertterikompressori ottaa ei-sinimuotoista virtaa tasasuuntaajan ja väyläkondensaattorin vuoksi tulovaiheessa — aaltomuodon vääristymä, jota kutsutaan yliaaltosäröksi, joka lisää loistehoa ja tuottaa lämpöä johdotuksessa ja muuntajissa.

EU-asetus 1275/2008 valmius- ja pois-tilan tehovaatimuksista sekä laajempi EU:n energiaan liittyvien tuotteiden (ErP) direktiivi palkitsevat epäsuorasti korkean tehokertoimen suunnittelut kausittaisten tehokkuusmittareidensa kautta, koska korkeampi tehokerroin korreloi tyypillisesti alhaisempien käyttöelektroniikan häviöiden ja korkeamman järjestelmän kokonaistehokkuuden kanssa. A++- ja A+++-ErP-luokitukset saavuttavat laitteet lähes poikkeuksetta sisältävät APFC:n edellytyksenä kokonaisyliaaltosärön (THD — aaltomuodon vääristymän mitta ilmaistuna prosentteina perustehosta) suorituskyvylleen.

Loistehon lämmöntuottoseuraus kotitalouden johdotuksessa ei ole vähäpätöinen pitkittyneen helteen käytön aikana. Johtimen läpi virtaava virta tuottaa lämpöä, joka on verrannollinen tuon virran neliöön kerrottuna johtimen resistanssilla (I²R-häviöt). Jos sama pätöteho toimitetaan alhaisemmalla virralla parantuneen tehokertoimen ansiosta, johdotus käy viileämpänä, sulaketaulu käy viileämpänä ja marginaali ennen lämpölaukaisua raskaasti kuormitetussa piirissä on suurempi. Rakennuksessa, jossa useat asunnot käyttävät samanaikaisesti siirrettäviä ilmastointilaitteita helteen aikana, kumulatiivinen vaikutus jaettuun nousujohdotukseen on merkittävä verkkokuorman huomioon otettava seikka.

Yliaaltosärön erikoistapaus: vanhemmat eurooppalaiset rakennukset jaetulla johdotuksella

Epälineaariset kuormat — mukaan lukien mikä tahansa ilmastointilaite ilman aktiivista tehokertoimen korjausta — tuottavat yliaaltovirtoja, perustaajuuden 50 Hz kokonaislukukertoja (3. yliaalto 150 Hz:ssä, 5. 250 Hz:ssä jne.), jotka summautuvat verkkoaaltomuotoon. Nykyaikaisessa säteittäisessä johdotusjärjestelmässä nämä yliaallot vaikuttavat vain paikalliseen piiriin. Vanhemmissa rengasjohdotus- ja jaetun nollajohtimen järjestelmissä, jotka ovat yleisiä ennen 1970-lukua rakennetuissa brittiläisissä ja mannereurooppalaisissa kerrostaloissa, useiden laitteiden kolmannet yliaaltovirrat voivat kertyä nollajohtimeen sen sijaan, että ne kumoutuisivat — ilmiö, jota kutsutaan nollajohtimen ylikuormitukseksi, joka voi aiheuttaa jännitesäröä ja äärimmäisissä tapauksissa nollajohtimen kuumenemista. Laitteet, joissa on APFC ja alhainen THD (alle 5 %), välttävät tämän ongelman edistämisen; laitteet, joiden THD on yli 20 % — tyypillistä budjettiluokan tasasuuntaajatuloisille kiinteänopeuksisille kompressoreille — lisäävät sitä merkittävästi.

Rakennusten hoitajat ja kiinteistöinsinöörit brittiläisissä ja mannereurooppalaisissa kerrostaloissa ovat nostaneet tämän asian esiin teknisillä foorumeilla, kun useita siirrettäviä ilmastointilaitteita lisättiin vanhempiin jaetun johdotuksen rakennuksiin samanaikaisesti helteiden aikana. Nollajohtimen ylikuormitusvaikutus on todellinen, mitattavissa ja suoraan verrannollinen samanaikaisesti käyvien korkean THD:n kuormien määrään. APFC:llä varustettujen laitteiden valitseminen ei ole vain henkilökohtainen tehokkuuspäätös näissä rakennuksissa — se on huomioon otettava seikka jaetun infrastruktuurin eheydelle.

Tarkistin virranoton vanhassa siirrettävässä ilmastointilaitteessani verrattuna uuteen invertterimalliin pihtimittarilla — sama wattimäärä energiamerkinnässä, mutta vanha laite veti lähes 2 ampeeria enemmän pistorasiasta. Se istuu lämpönä johdotuksessa ilmaiseksi, koko kesän.

Miten tehokerroin vaikuttaa sähkökustannuksiisi käytännössä?

Asuinkäyttäjille, joita laskutetaan vain pätöenergiasta kilowattitunteina, tehokerroin ei suoraan muuta sähkölaskun numeroa millekään tietylle määrälle suoritettua hyödyllistä jäähdytystyötä. Laite, joka tuottaa 9 000 BTU jäähdytystä ja ottaa 900 W pätötehoa, maksaa käyttää saman verran riippumatta siitä, ottaako se 1 000 VA vai 1 200 VA näennäistehoa — koska mittari laskee vain 900 W pätökomponentin. Epäsuorat kustannukset ovat hienovaraisempia mutta todellisia: alhaisen tehokertoimen laitteen suurempi virranotto lisää resistiivisiä häviöitä kotitalouden johdotuksessa (mitattavissa lievänä kaapelin lämpönä), ja rakennuksissa, joissa on ikääntyviä kytkinlaitteita, suurempi näennäisteho lisää häiritsevän lämpölaukaisun todennäköisyyttä.

Merkittävämpi kustannussuhde on tehokertoimen ja invertterin tehokkuuden välillä. Laitteet, jotka sisältävät APFC:n osana invertterisuunnitteluaan, saavuttavat lähes poikkeuksetta myös korkeamman EER:n (Energy Efficiency Ratio — jäähdytystehon suhde watteina pätösähkötuloon watteina), koska APFC-aste vähentää kytkentähäviöitä invertterisillassa. Laite, jonka tehokerroin on 0,97 ja jossa on APFC, saavuttaa tyypillisesti EER:n 3,5–4,2, kun taas vastaavan kapasiteetin kiinteänopeuksinen laite tehokertoimella 0,78 saavuttaa EER:n 2,4–2,9. APFC on sekä syy että korreloiva indikaattori laajemmalle järjestelmän tehokkuudelle.

Miten tehokerroin mitataan siirrettävästä ilmastointilaitteesta kotona?

Tehokerroin voidaan mitata pistorasiaan liitettävällä energiamittarilla, joka näyttää samanaikaisesti sekä watit että volttiampeerit — ominaisuus, joka on läsnä keskihintaisissa malleissa merkeiltä kuten Brennenstuhl, Efergy ja vastaavat eurooppalaiset kuluttajien energiaseurantatarvikkeiden toimittajat. Kytke mittari pistorasian ja siirrettävän ilmastointilaitteen väliin, anna laitteen vakautua kiinteällä jäähdytysasetuksella viiden minuutin ajan ja lue sitten sekä wattiluku että VA-luku. Jaa watit volttiampeereilla laskeaksesi tehokertoimen suoraan. Lukema yli 0,95 osoittaa APFC:llä varustettua invertterilaitetta; lukema alle 0,85 osoittaa kiinteänopeuksista tai ei-APFC-invertterisuunnittelua.

• Pistorasiaan liitettävä tehomittari, joka näyttää samanaikaisesti W ja VA: 15–40 €, saatavilla rauta- ja elektroniikkakaupoista ympäri Eurooppaa
• Pihtimittari tehokertoimen mittaustoiminnolla: 30–80 €, mittaa virran suoraan vaihejohtimesta piiriä katkaisematta
• Älykotienergiamittari piirikohtaisella kirjaamisella: 50–150 €, seuraa kumulatiivista pätö- ja näennäisenergian kulutusta kauden aikana
• Rakennustason älymittari loistehon kirjaamisella: sähköyhtiön asentama joissakin EU-maissa, joissa on edistyneen mittausinfrastruktuurin (AMI) käyttöönotto

Mitä tehokerrointa kannattaa etsiä ostettaessa siirrettävää ilmastointilaitetta Euroopassa?

Kun arvioit siirrettävän ilmastointilaitteen tehokerrointa, etsi valmistajan spesifikaatioita, jotka nimenomaisesti ilmoittavat tehokertoimen yli 0,90 tai jotka kuvaavat käyttöelektroniikan sisältävän aktiivisen tehokertoimen korjauksen tai olevan IEC 61000-3-2 Luokka A -yhteensopiva (yliaaltovirran päästöstandardi ammatti- ja suuritehoisille kotitalouslaitteille). EU:n energiamerkinnän A++ tai sitä korkeamman saavuttavat laitteet täyttävät lähes yleisesti tämän kriteerin, koska APFC on käytännössä edellytys käyttötehokkuudelle, joka vaaditaan noiden kausittaisten tehokkuuspisteiden saavuttamiseksi.

Ole varovainen spesifikaatioiden kanssa, jotka luettelevat vain wattimäärän ilman siihen liittyvää näennäistehon lukua VA:na. Valmistajat, joilla on korkean tehokertoimen laitteita, julkaisevat rutiininomaisesti molemmat luvut, koska wattien ja VA:n läheinen vastaavuus on myyntivaltti; alhaisen tehokertoimen laitteiden valmistajat luettelevat joskus vain watit välttääkseen epäedullisen VA-vertailun. Jos spesifikaatiolomake luettelee vain watit laitteelle, jossa on kiinteänopeuksinen kompressori, oleta tehokertoimeksi 0,75–0,85, ellei nimenomainen mittaus tai kolmannen osapuolen testitiedot muuta osoita.

Yhteenveto siirrettävän ilmastointilaitteen tehokertoimesta ja invertterin tehokkuudesta

Tehokerroin ei ole se otsikkotason spesifikaatio, jota useimmat ostajat arvioivat valitessaan siirrettävää ilmastointilaitetta, mutta se on luotettava mittari käyttöelektroniikan ja kompressorijärjestelmän teknisestä laadusta. Korkean tehokertoimen laite — saavutettavissa vain APFC:llä varustetulla invertterikäytöllä — tuottaa samanaikaisesti paremman kausittaisen tehokkuuden, alhaisemman loisvirtakuorman kotitalouden johdotuksessa, vähentyneen yliaaltosärön ja pidemmän kompressorin käyttöiän tasaisemman muuttuvanopeuksisen käytön ansiosta. Ostajille vanhemmissa eurooppalaisissa rakennuksissa, joissa on rajallinen piirikapasiteetti, se on myös se spesifikaatio, joka on suorimmin merkityksellinen sen kannalta, pitääkö piiri kesän huippukysynnän aikana.

Siirrettävät split-ilmastointilaitteet, kuten Midea PortaSplit, yhdistävät invertterikäytön ja APFC:n vakio-ominaisuuksina A++-luokitellulla alustallaan, tuottaen sekä tehokertoimen että vuodottoman suorituskyvyn, joita kiinteänopeuksiset monoblock-mallit eivät voi vastata. Koska nämä laitteet myydään loppuun nopeasti eurooppalaisilla jälleenmyyjillä helteiden aikana, reaaliaikainen varastoseuranta on usein ainoa tapa hankkia sellainen normaaliin vähittäishintaan.