Erhöhung der Ventilatorwirkungsgrade

Die Ökodesign-Richtlinie (ErP, Energy related Products) bildet die Basis für die Effizienzbewertung von verschiedenen Komponenten und Geräten. So wird z. B. die Mindesteffizienz von Ventilatoren in der Ventilatorenverordnung EU327/2011 festgelegt. Dabei werden auch Ventilatoren betrachtet, die z. B. 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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