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Kompakt, leise und zuverlässig

Saugzuggebläse optimieren Biomasseheizungen


Sparsamer Umgang mit Heizenergie, umweltfreundliche Feuerungstechnik und hoher Komfort beim Betrieb sind heute Hauptanforderungen an die Wärmequellen im Eigenheim. Holzpellets-, Hackschnitzel- oder Scheitholzheizungen haben aus diesen Gründen ein breites Einsatzfeld. Sie eignen sich als Wohnzimmergeräte oder für Zentralheizungen in Ein- oder Mehrfamilienhäusern sowie öffentlichen Gebäuden. Kompakte Abmessungen und leiser Betrieb sind dabei wichtige Forderungen. Schließlich will niemand, dass das Wohnklima unter der umweltschonenden Heiztechnik leidet. Ventilatoren für Zu- und Abluft spielen dabei eine wichtige Rolle. Sie müssen im Hinblick auf Energieeffizienz, Geräusch, Betriebssicherheit und Kompaktheit überzeugen.

Bild 1: Schematische Funktionsweise einer Biomasse-Feststoffheizung mit drehzahlgeregeltem Saugzuggebläse, das den Kaminzug unterstützt und so die Verbrennung optimiert.

Moderne Biomasseheizungen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit. Sie können mit Holzpellets, Hackschnitzeln oder Scheitholz als erneuerbare und beim Verbrennungsprozess CO2-neu­trale Energiequellen befeuert werden. Die Anlagen sind hinsichtlich Betrieb und Wartung mit Öl- und Gasheizungen vergleichbar, sind emissionsarm und erreichen einen Wirkungsgrad von über 90 % (bei Brennwertgeräten sogar bis zu 105 % Hi). Um die Effizienz und gleichzeitig den Schadstoffgehalt der Abluft zu optimieren, steuern moderne Geräte die Verbrennung entweder über einen Temperatur- bzw. Flammraumfühler oder eine Lambda-Sonde, üblicherweise in Verbindung mit einem Saugzuggebläse (Bild 1). Dieses wird entsprechend der Messwerte oder gemäß eines vorgegebenen Kennfelds in der Drehzahl geregelt und unterstützt so den Kaminzug bedarfsgerecht. Damit trägt das Gebläse entscheidend zu einer hochwertigen und sauberen Verbrennung bei.

Außenläuferprinzip sorgt für kompakte Abmessungen

Bild 2: Saugzuggebläse der neuen Generation mit energieeffizienter EC-Technologie

Die Anforderungen an die Saugzuggebläse sind beachtlich. Sie müssen hohen Temperaturen widerstehen, energieeffizient und leise sein und sich gut integrieren lassen. Das gilt besonders für den Einsatz in Wohnzimmerheizungen, aber auch beim Anbau an Zentralheizungen sollten die Saugzuggebläse möglichst wenig Einbauplatz benötigen.
Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen verwendet deshalb auch bei den Saugzuggebläsen der neuesten Generation (Bild 2) die bewährte Außen­läufer­bauweise. Hier befindet sich der stehende Teil des Motors, der Stator, im Innern und ist vom rotierenden Teil, dem Rotor oder Läufer, umschlossen. Allein durch diese Anordnung kann mit dem Außen­läufer­prinzip ein höheres Drehmoment erreicht werden als bei einem Innenläufer mit gleicher Baulänge und gleichem Magnetsystem. Dadurch bauen Außen­läufer­motoren bei gleicher Leistung deutlich kompakter. Zusammen mit dem Ventilator ergibt sich so eine kompakte und dazu robuste, langlebige Einheit.

AC- oder EC-Motor?

Bild 3: Mechanischer Aufbau mit dem Außenläuferprinzip, wobei die Kommutierungselektronik entfernt von Brennraum im kühlen Bereich angeordnet ist

Prinzipiell kann der Anwender bei den neuen Saugzuggebläsen zwischen konventionellen Asynchronmotoren (AC) und elektronisch kommutierten Synchronmotoren (EC) wählen. Bei geregelten Gebläsen dürfte jedoch die Wahl fast immer auf die energiesparende EC-Technologie fallen. Bei Asynchronmotoren ist die maximale Drehzahl durch die Netzfrequenz begrenzt. Abhängig von den Lastverhältnissen passt sich die Rotordrehzahl über den Schlupf der Drehfeldfrequenz an. Alternativ ist eine Drehzahlregelung über Frequenzänderung oder Phasenabschnittsteuerung möglich. Dazu sind allerdings eine externe Steuerelektronik (Triac) und ein zusätzlicher Hall-Sensor zur Drehzahlerfassung im Motor erforderlich. Da sich vor allem im geregelten Betrieb bei AC-Motoren der Wirkungsgrad stark reduziert, lassen sich mit EC-Motoren wesentlich effizientere Saugzuggebläse realisieren. Das heißt, die EC-Gebläse verbrauchen um bis zu 70 % weniger Energie im Teillastbetrieb, wodurch Betriebskosten und Umweltbelastungen sinken. Umweltfreundliche Heiztechnik und energiesparende Ventilatoren ergänzen sich hier hervorragend.

EC-Technologie: energieeffizient und leise

Bild 4: EC-Ventilatoren haben einen deutlich höheren Wirkungsgrad als konventionelle AC-Ausführungen vor allem im Teillastbereich

Beim EC-Motor dreht sich der mit Permanentmagneten bestückte Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators (Bild 3). Im Unterschied zum netzgespeisten Asynchronmotor ist die Rotordrehzahl dabei nicht automatisch an die Frequenz der Versorgungsspannung gekoppelt, sondern sie wird durch die Kommutierungselektronik vorgegeben. Sie bestimmt die Winkelgeschwindigkeit des Statordrehfeldes, mit dem sich der Rotor synchron dreht.
Die Kommutierungselektronik ermittelt die Rotorlage teilweise sensorlos über die Betriebsgrößen Polradspannung bzw. Motorströme. Dadurch lassen sich nahezu beliebige Betriebsdrehzahlen schlupffrei (synchron mit dem Statordrehfeld) realisieren, die im Gegensatz zum netzgespeisten Asynchronmotor auch oberhalb der Netzfrequenz liegen können. Darüber hinaus liegt die minimal erreichbare Drehzahl beim EC-Motor tiefer als beim AC-Motor. Somit kann die Drehzahl immer bedarfsgerecht durch Vorgabe eines PWM- oder 0-10-V-Signals an die aktuellen Anforderungen angepasst werden und bietet einen größeren Regelbereich. Außerdem haben die EC-Motoren vor allem im Teillastbetrieb aber auch bei Volllast einen deutlich höheren Wirkungsgrad als netzgespeiste AC-Motoren (Bild 4) und arbeiten im Gegensatz zu drehzahlgeregelten Asynchronmotoren ausgesprochen leise, da deren Triac-Regelung störende Geräusche erzeugen kann.

Neuer mechanischer Aufbau mit Zusatznutzen

Bild 5: Modularer Aufbau der neuen Saugzuggebläse: Bei gleichen Abmessungen kann sowohl ein konventioneller AC Antrieb als auch ein elektronisch kommutierter Synchronmotor mit direkter Netzversorgung (EC) oder alternativ Gleichspannungsversorgung (DC) verwendet werden

Mechanisch sind die neuen Saugzuggebläse modular aufgebaut, sodass sich sowohl konventionelle AC- als auch die energieeffizienten EC-Motoren bei gleichen Außenabmessungen einsetzen lassen (Bild 5). Der Aufbau des EC-Motors wurde dazu so konzipiert, dass die im Motor integrierte Elektronik möglichst weit vom heißen Brennraum entfernt im kühlen Bereich angeordnet ist, wodurch die elektronischen Bauteile gegen die zwangsläufig recht hohen Temperaturen geschützt werden. Dazu trägt auch die wärmedämmende kundenspezifische Montageplatte mit dem dahinterliegenden Kühlrad bei. Langzeittests bestätigen, dass Temperaturen von 250 °C auf Dauer die Funktion nicht beeinträchtigen; die Saugzuggebläse sind sogar für kurzzeitige Temperaturspitzen bis 300 °C ausgelegt. Die Edelstahl-Laufräder stehen in unterschiedlichen Ausführungen von Durchmesser 120 mm bis 250 mm zur Verfügung. Eine optionale für diesen Anwendungsfall entwickelte Wellendichtung verhindert, dass Rauchgas durch den Wellenspalt entweichen kann. Dies ist wichtig, weil in Wohnräumen mit Lüftungsanlagen ein Luftunterdruck entstehen kann, der durch die Spalte Rauchgase in den Wohnraum saugt. Abgedichtete, raumluftunabhängige Öfen sind hier obligatorisch.
Der mechanische Aufbau hat aber noch weitere Vorteile. So besteht die Haube der Saugzuggebläse aus einem sehr widerstandsfähigen, temperaturbeständigen und flammgeschützten Kunststoffmaterial mit Glasfaserverstärkung. Ihre torsionsstabilen Hohlrippen sorgen für eine robuste Tragstruktur. Wird ein AC-Motor verwendet, lässt sich der Klemmkasten einfach zusätzlich an der Traghaube befestigen. Für Anwendungen mit einer vorhandenen externen Spannungsaufbereitung wird es zukünftig auch Niedervolt-DC-Motoren mit den gleichen Leistungsdaten und in identischer Bauform geben.

Hier gehts zum ebm-papst°TV-Beitrag über Wodtke Pelletöfen

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