Erhö­hung der Venti­la­tor­wir­kungs­grade

Die Ökode­sign-Richt­linie (ErP) bildet die Basis für die Effi­zi­enz­be­wer­tung von Kompo­nenten und Geräten. So wird z. B. die Mindest­ef­fi­zienz von Venti­la­toren fest­ge­legt. Dabei werden auch Venti­la­toren betrachtet, die in Geräten für die Kälte-, Klima- und Lüftungs­technik einge­baut sind. Die Geräte erhalten nur dann eine CE-Kenn­zeich­nung, wenn auch die Venti­la­toren den Anfor­de­rungen der Venti­la­to­ren­ver­ord­nung genügen.


Die Wirkungs­grad­anforderungen für Venti­la­toren sind bereits seit 2013 fest­ge­legt, wurden dann 2015 noch einmal ange­hoben und in naher Zukunft ist eine weitere Anhe­bung geplant. Mitt­ler­weile ist die Wirkung der Verord­nung nicht zu über­sehen, derzeit stärken energie­effiziente EC-Venti­la­toren ihre Markt­po­si­tion, was die CO2-Bilanz verbes­sert und damit der Umwelt zugu­te­kommt. Für die hohen Wirkungs­grade der modernen Venti­la­toren sind dabei – neben energie­effizienten Motoren – vor allem strömungs­technische Opti­mie­rungen ausschlag­ge­bend.

Um die Effi­zienz eines Venti­la­tors zu beur­teilen, muss er so bewertet werden, wie er später einge­setzt wird. Ansonsten darf er – und damit auch die Kunden­ap­pli­ka­tion – keine CE-Kenn­zeich­nung tragen. Das hat gute Gründe, denn schon jede kleine Verän­de­rung, z. B. der Düsen­ge­stal­tung oder Trags­treben, hat Einfluss auf die Effi­zienz eines Venti­la­tors und damit auf die ErP-Konfor­mität.

Trags­treben beispiels­weise „versperren“ zwangs­läufig den Luft­strom am Ein- oder Austritt, wodurch der Wirkungs­grad je nach Betriebs­punkt um wesent­liche Prozente sinkt (Bild 1a). Die Düsen­geo­me­trie hat ähnliche Auswir­kungen, selbst wenn der Luft­spalt gleich­bleibt (Bild 1b). Der Wirkungs­grad sinkt um einige Prozent­punkte, wenn man beispiels­weise einen Axial­ven­ti­lator in einer Kurz­düse statt in einer Voll­düse betreibt. Auch die Posi­tio­nie­rung inner­halb der Düse ist entschei­dend. Bei einer axialen Verschie­bung von wenigen Milli­me­tern können Wirkungs­grad­ver­luste die Folge sein (Bild 1c).

Breite Palette an Produkten

Wer im Hinblick auf die Venti­latoren­verordnung auf der sicheren Seite sein will, sollte deshalb am besten zu einer Lösung greifen, deren Ener­gie­ef­fi­zienz genau in dem Zustand ermit­telt wurde, wie er sie letzt­end­lich einsetzt (Bild 2 und Kasten­text), sonst muss der Anwender selbst die ErP-Konfor­mität nach­weisen. Der Motoren- und Ventilatoren­spezialist ebm-papst hat eine breite Palette unter­schied­lichster Venti­la­toren im Programm, die dank Green­Tech EC-Tech­no­logie und opti­mierter Strö­mungs­technik die Anfor­de­rung der ErP-Richt­linie nicht nur erfüllen, sondern sogar deut­lich darüber liegen.

ebm-papst Venti­la­toren erfüllen dank Green­Tech EC-Tech­no­logie und opti­mierter Strömungs­technik die Anfor­de­rung der ErP-Richt­linie.

Möchte man Venti­la­toren im Hinblick auf den Wirkungs­grad opti­mieren, gilt es die aero­dy­na­mi­schen Verlust­me­cha­nismen zu unter­su­chen, um sie zu redu­zieren. Bei Axial­ven­ti­la­toren gibt es typi­scher­weise Verluste am Spalt, also zwischen rotie­rendem Laufrad und stehendem Wand­ring. Hier sind die Verbes­se­rungs­mög­lich­keiten schnell ausge­schöpft, da der Spalt aus ferti­gungs­tech­ni­schen Gründen immer eine gewisse Größe haben wird. Hinzu kommen Turbu­lenz­ver­luste, Verluste, die durch Unter­schiede der Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit entstehen, sowie Verluste auf der Austritts­seite.

Luft­aus­tritt lässt sich opti­mieren 

Bild 2: Fertig­mon­tierter AxiB­lade Venti­lator mit Wand­ring, Schutz­gitter und Nach­leitrad. (Foto | ebm-papst)

Beim Radi­al­ven­ti­lator entstehen die Spalt­ver­luste dadurch, dass ein Teil der Luft durch den Düsen­spalt im Kreis geför­dert wird. Hinzu kommen Druck­ver­luste an den Schau­feln, die nicht in allen Berei­chen optimal ange­strömt werden. Bei beiden Bauarten liegt häufig das größte Opti­mie­rungs­po­ten­tial am Luft­aus­tritt. Hohe Austritts­ge­schwin­dig­keiten führen hier zu Verlusten, da die Geschwin­dig­keit und damit der dyna­mi­sche Druck nicht genutzt wird.

Bei Axial­ven­ti­la­toren beispiels­weise lässt sich mit einem Nach­leitrad oder einem Diffusor viel errei­chen. Da die Luft durch die Rota­tion hinter dem Axial­laufrad mit einem Drall austritt, entsteht durch das fest­ste­hend einge­baute Nach­leitrad eine stati­sche Druck­erhö­hung. Der im Drall, also dem Dreh­im­puls enthal­tene dyna­mi­sche Ener­gie­an­teil, wird dabei in stati­schen Druck umge­setzt. Um die Druck­aus­tritts­ver­luste bei größeren Axial­ven­ti­la­toren zu mini­mieren, bieten sich an der Austritt­seite außen ange­brachte Diffu­soren an.

Diffusor bringt Frei­heit

In der Praxis ermög­licht der Einsatz des AxiTop Diffu­sors von ebm-papst neben einem gerin­geren Ener­gie­ver­brauch auch mehr Frei­heits­grade für Anwender und Entwickler. So kann die Abstim­mung des Diffu­sors je nach Einsatz­ge­biet auf unter­schied­liche Eigen­schaften hin opti­miert werden. Bei gleich­blei­bendem Ener­gie­ein­satz ist eine höhere Förder­leis­tung ebenso möglich wie gerin­gerer Ener­gie­ver­brauch bei glei­cher Luft­leis­tung. Auch das akus­ti­sche Verhalten lässt sich über den Diffusor deut­lich verbes­sern.

Damit die Axial­ven­ti­la­toren im einge­bauten Zustand im anwen­dungs­spe­zi­fi­schen Betriebs­punkt tatsäch­lich mit dem best­mög­li­chen Wirkungs­grad arbeiten, wurde die AxiB­lade Baureihe entwi­ckelt, deren Axial­ven­ti­la­toren in ganz unter­schied­li­chen Anwen­dungen mit einem Wirkungsgrad­optimum von bis zu 54 %, bezogen auf die stati­sche Druck­erhö­hung, arbeiten. Dabei kann eine Geräusch­re­duk­tion von bis zu 8 dB(A) gegen­über dem Stan­dard­pro­gramm erzielt werden.

Basis dafür sind die Durchmesser­vergrößerung bei glei­chem Bauraum wie der Markt­stan­dard sowie der modu­lare Aufbau: Je nach gefor­derten Druck­be­rei­chen werden die Venti­la­toren z. B. mit einem Nach­leitrad kombi­niert. Hinzu kommen Lauf­räder mit profi­lierter Schaufel­geometrie und Winglets für best­mög­li­ches Geräusch. Die Lauf­räder sind spezi­fisch auf die unter­schied­li­chen Motoren ausge­legt, mit denen sie kombi­niert werden können. Auch das stei­gert die Effi­zienz.

Bis zu 40 % effi­zi­enter

Auf diese Weise lassen sich die Axial­ventilatoren optimal auf die jewei­lige Anwen­dung auslegen, mit einer Effi­zi­enz­stei­ge­rung von bis zu 40 % vergli­chen mit der bewährten HyBlade Baureihe. Die Version ohne Nach­leitrad eignet sich für nied­rige bis mitt­lere Druck­be­reiche, bei dem in Bild 3 darge­stellten Axial­ven­ti­lator bis 200 Pa. Die Vorteile des Leit­rades kämen in diesem Fall nicht zur Geltung. Wirkungs­grad und Betriebs­ge­räusch sind auch ohne dieses weit besser als der heute übliche Markt­stan­dard. Essen­tiell ist das Nach­leitrad bei hohen Gegen­drü­cken bis 260 Pa, um die hohe Effi­zienz zu errei­chen.

Da die Grund­fläche dieser Axial­ven­ti­la­toren dem heutigen Markt­stan­dard entspricht, sind am Kunden­gerät prak­tisch keine Design­än­de­rungen notwendig. Dabei bauen die Venti­la­toren nied­riger als die sonst übli­chen Vari­anten. Die Höhe dürfte zwar in den meisten Anwen­dungen eine eher unter­ge­ord­nete Rolle spielen, nicht jedoch beim Trans­port. Hier zählt jeder Zenti­meter, wenn man die Geräte auf Paletten oder in Contai­nern unter­bringen muss.

Bild 3: Die Durch­mes­ser­ver­grö­ße­rung bei glei­chem Bauraum senkt die Austritts­ver­luste, Vergleich HyBlade (orange) zu AxiB­lade ohne (blau) und mit Leitrad (grün). (Grafik | ebm-papst)

Radi­al­ven­ti­lator im Spiral­ge­häuse

Mit Blick auf die sich weiter verschär­fenden Anfor­de­rungen an die Effi­zienz von Lüftungs­ge­räten für Wohn­ge­bäude hat der Venti­la­to­ren­spe­zia­list die bewährten RadiCal Radi­al­ven­ti­la­toren strö­mungs­tech­nisch opti­miert.

Um die Austritts­ver­luste weiter zu redu­zieren, lassen sich die Venti­la­toren mit einem eben­falls nach strö­mungs­tech­ni­schen Krite­rien opti­mierten Spiral­ge­häuse kombi­nieren. Das Spiral­ge­häuse mit rundem Ausblas­quer­schnitt wird direkt mit dem Rohr­stutzen am Luft­aus­tritt des Gerätes verbunden. Dadurch werden die übli­chen Turbu­lenz-Strö­mungs­ver­luste deut­lich redu­ziert.

Bild 4: Radi­al­ven­ti­lator im Spiral­ge­häuse (grün) für höhere Druckerzeu­gung und Effi­zi­enz­stei­ge­rung im Vergleich zu einem Trom­mel­läufer-Venti­lator (orange). (Grafik | ebm-papst)

Höherer Wirkungs­grad, gerin­gerer Geräusch­pegel

Gleich­zeitig wird die Kenn­linie sehr druck­stabil und im Vergleich zum bauglei­chen Trom­mel­läufer stei­gert sich der Wirkungs­grad um bis zu 38 % (Bild 4). Außerdem verrin­gert sich der Geräusch­pegel um 3,5 dB (A). Diese Venti­la­toren sind auch als volu­men­strom­re­gel­bare Ausfüh­rung mit einem Flügel­ra­dane­mo­meter mit sehr guter Regel­ge­nau­ig­keit verfügbar.

Für Anwender ist es damit einfach, sowohl bei Radial- als auch bei Axial­ven­ti­la­toren im Hinblick auf die ErP-Verord­nung auf der sicheren Seite zu sein, ohne selbst Aufwand betreiben zu müssen. Aero­dy­na­mi­sche Opti­mie­rungen verbes­sern Effi­zienz und Geräusch­ver­halten, selbst bei unter­schied­lichsten Einbau­si­tua­tionen.


Endlich hat die EU den Venti­lator defi­niert

In der Ventilatoren­verordnung gab es bislang viele Grau­be­reiche. So war lange über­haupt unklar, was die Mindest­aus­stat­tung eines verordnungs­relevanten Venti­la­tors beinhaltet und wie er ener­ge­tisch bewertet werden muss.

Für Hersteller und Markt­aufsichts­behörden waren die Grund­lagen für die Ermitt­lung des Wirkungs­grades daher unzu­rei­chend. Die neue Norm EN 17166, die voraus­sicht­lich Anfang 2020 in Kraft tritt, schließt jetzt die Grau­be­reiche und schafft eine verläss­liche Grund­lage für die ErP-Bewer­tung.

Ein Venti­lator besteht immer aus soge­nannten „signi­fi­cant elements“, die zur Umwand­lung von elek­tri­scher oder mecha­ni­scher Leis­tung in Druck und Volu­men­strom beitragen. Das sind der Rotor, also das Laufrad, und der Stator, bestehend aus Gehäuse, Einström­düse, Wand­ring etc., sowie der Motor.

Grund­le­gend ist dabei die Anfor­de­rung, dass der Venti­lator stets so bewertet werden muss, wie er später verbaut wird, um die CE-Zulas­sung zu Recht zu tragen. Denn für den Wirkungs­grad sind immer Motor und die gesamte Strö­mungs­ma­schine ausschlag­ge­bend.

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