可変速ドライブでクリーブランド・メトロパークス「レインフォレスト」を最適気候に維持

舞台裏では、機械工学と先進HVAC技術の洗練された融合が、カナダ国境からわずか40マイルの場所にある熱帯オアシス、クリーブランド・メトロパークス「レインフォレスト」を支えています。「エメラルドの首飾り」と呼ばれる森林地帯、ゴルフコース、ハイキングトレイル、文化的ランドマークで知られるクリーブランド（オハイオ）メトロパークスは、動物園複合施設内のこのユニークな生息地を保全するため、最先端設備に依存しています。

1992年開業のレインフォレストは、2エーカーにわたる熱帯動植物を擁するドーム型バイオスフィア。空気処理システム——ハーフトン熱交換ホイールとABBモーターを採用——が、2.5時間ごとに排気湿気を乾燥外気へ移送し、毎日18,000ポンドの水を節約。

レインフォレストには鳥、猿、爬虫類、色鮮やかな魚など600匹の動物が生息し、年間100万人以上の来園者に中南米、アフリカ、アジアの熱帯雨林体験を提供しています。

過酷な気候の中の繊細な環境
五大湖地域の極端な気温変動——冬は「アルバータ・クリッパー」嵐で氷点下、夏は90°F超の猛暑——にもかかわらず、来園者と生息生物はほぼ恒常的な76°F（約24.4°C）と湿度76%を享受しています。この安定性は、長年100%信頼性で稼働するよう進化したHVACシステムによって達成されています。

3,000万ドルの投資は、来園者を異国情緒に没入させるだけでなく、熱帯雨林面積を過剰開発から守る緊急性を強く訴える役割も果たしています。

恒温・恒湿制御の要、熱交換ホイール応用

クリーブランドとコロンバス（オハイオ）拠点のダイレクト・エア・システムズ社と、クリーブランド拠点の電気機械モーション制御スペシャリスト、ゼスコ社が、レインフォレストとロックンロール殿堂館等地元ランドマークへHVACサービスを提供。

レインフォレストは2基の100%外気処理ユニットを採用。1基は60,000 cfm能力で主に冷却、もう1基は40,000 cfmでプレヒーターと加湿ラックを装備。両ユニットに並列配置された直径10フィート、重量1,000ポンドの乾燥剤熱交換ホイールが、排気から吸気へ湿気を移送し、毎日18,000ポンドの水を節約。2.5時間ごとにサイクルします。

これら10フィート熱交換ホイールは分速7-18回転、ABBモーター/ドライブ「ダイレクトトルク制御」で駆動——ギアボックス不要でシステム信頼性向上。

「乾燥剤」とは熱交換ホイール表面に結合された材料で、湿気と臭気を捕捉し、ホイール上部から排気します。

湿度レベルに応じてホイールは分速7-18回転。新鮮プロセスエアが底部から吸入され、ホイール通過で温度と湿度が、ホイールの緩やかな回転と内部からの熱/湿気移動によって調整されます。必要に応じてヒーターがエアを加熱し、60以上の温度ゾーン（オフィス、カフェテリア、ギフトショップ含む）を持つレインフォレスト内部へ送られます。

施設一体型エアハンドリングユニット
一般的な屋上設置ユニットが風雨に晒されるのとは異なり、レインフォレストのハンドラーは構造体に統合され、クリーブランドの猛暑と厳冬でも効率を維持します。

効率とシンプルさがシステムを差別化
乾燥剤プロセスは85%効率と運用シンプルさで選定。シンプルな機械装置は一般に高信頼性と容易なメンテナンスをもたらします。当初、各ホイールに1hp ACモーターと機械ギアボックスによる5:1減速を使用。

しかし時間とともにギアボックスが驚異的な頻度で故障——年1回交換必要、明確なパターンなし。根本原因は低回転速度でギアボックスの飛沫潤滑が正常に機能せず、早期摩耗を招いたことでした。

解決への道
信頼性に欠けるギアボックス継続ではなく、ダイレクト・エア・システムズはギアボックスを完全排除するACドライブ/ACモーターソリューションへ転換。このアプローチ——現在HVACで一般的——は実証済み工学、コスト効率、メンテナンス簡素化を提供します。

ダイレクト・エア・システムズ社長スティーブ・スナイダー氏は説明します：「ギアボックス潤滑が持続不可能と判明した際、コスト効率良く、メンテナンス容易で、操作シンプルなダイレクトトルクアプローチを採用しました。クリーブランド・メトロパークスがこの公共セクタープロジェクトで我々の入札を選定しました。」

リトロフィットでABB「ダイレクトトルク制御（DTC）」ソリューションを導入、コンパクトなACS 800ドライブが遥かに小さなフットプリント——空間制約環境で極めて重要——を実現。元の1hpモーター/ギアボックスをABB 5hp誘導モーターと低電圧ドライブに置換。このダイレクトドライブ配置でギアボックスとパルスエンコーダーを排除、ゼロ速までフルトルク発生可能に。

ABBドライブは内部アルゴリズムでモータートルクと磁束を秒間40,000回計算、エンコーダーフィードバック不要でメンテナンスとダウンタイムを削減。

各エナジーホイールシステムは個別ジョンソンコントロールユニットで制御されるが、モーターとドライブステータスはレインフォレスト包括的ジョンソンコントロールビル管理システムで監視。制御障害時、ABB ACSドライブはプリセットRPMに自動フォールバックし熱移動維持。予備モーターを現場保管、ドライブはダイレクト・エア・システムズ近隣オフィスに保管。

ABBモーター/ドライブ設置から4年以上、レインフォレストは無停止運転を継続中。ダイレクト・エア・システムズは現在、コスト効率、シンプルさ、信頼性を評価し、他プロジェクトでもダイレクトトルク制御を積極採用しています。

世界の熱帯雨林を救うモデル
来園者寄付、団体・政府努力が希少熱帯雨林面積を過剰開発から保護。これら保護区域は野生生物保護区としてだけでなく、二酸化炭素隔離と将来医薬品供給源として地球に貢献します。

年間100万人以上が76°F/76%湿度環境を享受、空気処理システムがネイティブ熱帯雨林保護の必要性を強調——現在、森林伐採で毎秒1.5エーカー消失中。

アニマルプラネットでも特集されたレインフォレストは、クリーブランド・メトロパークス動物園の複数アトラクションの一つ。同園は168エーカー、北米最大の霊長類コレクションを含む3,000匹の動物を飼育。

著者について：

ABB、オートメーション製品、低電圧ドライブ部門は世界最大の電気モーター・ドライブメーカー。米国ではニューベルリン（ウィスコンシン）拠点の統合セールスレップ、ディストリビューター、システムインテグレーターチャネルが、1/8〜135,000馬力の完全な省エネ電気ドライブ・モーターラインを幅広い産業・商業顧客に供給。詳細は www.abb.us/drives.com をご覧ください。