Immer bessere Wärmedämmung von Gebäuden geht mit immer ausgeklügelteren Lösungen für die Raumbelüftung einher. Heute werden vermehrt kontrollierte Belüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung eingesetzt. Die verbrauchte, aber warme Luft des Innenraumes wird mit Hilfe eines Lüfters über einen Wärmetauscher nach außen geführt. Im Gegenzug wird kalte Frischluft über diesen Wärmetauscher von außen nach innen geleitet und dabei erwärmt. Auf diese Weise werden die Wärmeverluste minimiert und der insgesamt notwendige Energieaufwand verringert. Zusätzlich erhält man einen sehr guten Lärmschutz bei gleichmäßigem Luftaustausch.
Bild 1: Fensterrahmen mit kontrollierter Belüftung.
Aktive oder kontrollierte Belüftung kann als zentrales oder dezentrales System ausgelegt werden. Während im ersten Fall ein zentrales System die Luft über Kanäle im ganzen Haus verteilt, wird bei dezentralen Konzepten jeder Raum unabhängig vom anderen versorgt. Diese Geräte sind sehr viel kleiner und können zudem in der Regel sehr gut in bestehende Bausubstanz integriert werden. Eine besonders elegante Lösung ist, Lüfter, Wärmetauscher und Steuerelektronik direkt im Fensterrahmen zu integrieren (Bild 1). Diesen Weg ging die Fa. REHAU mit der Entwicklung ihres Fensterlüfters GENEO INOVENT in Zusammenarbeit mit den Lüfterspezialisten des Motoren- und Ventilatorenherstellers ebm-papst.
Anforderungen an Lüfter und Luftführung
Bild 2: Serienlüfter mit Laufraddurchmesser 65 mm.
Eine solche Lösung stellt besondere Anforderungen an Lüfter und Luftführung. Es gilt, den Zielkonflikt zwischen benötigtem Volumenstrom, kompakten Abmessungen und Geräuschemissionen zu lösen. Im vorliegenden Fall wurden die Lüfter von ebm-papst speziell auf die Randbedingungen des Fenstersystems GENEO von REHAU ausgelegt. Der vorhandene Bauraum im Fensterrahmen machte es notwendig, zwei getrennte Lüfter-Wärmetauscher Systeme für Zuluft und Abluft auszulegen, anstelle eines Systems mit einem sperrigeren Gegenstromwärmetauscher. Die Lüfterauslegung erfolgte mit Hilfe moderner 3D-Strömungssimulationen, zunächst für den Lüfter alleine, später in Verbindung mit den strömungsführenden Komponenten im Fensterrahmen.
Spezieller Einsatz für Trommelläufer
Bild 3: Einfluss des Motors auf die Schallleistung des Lüfters.
Für die Aufgabe kommen besonders kompakte Radiallüfter in DC-Technologie, sogenannte Trommelläufer von ebm-papst in Frage. DC-Lüfter besitzen elektronisch kommutierte Antriebe mit elektronischer Falschpolsicherung. Die Elektronik ist platzsparend in der Lüfterradnabe integriert. Durch den hervorragenden Wirkungsgrad der bürstenlosen Antriebe reduziert sich die Wärmebelastung der Lager und erhöht dadurch wesentlich die Lebensdauer der Lüfter. Die Luft strömt durch eine zentrale Öffnung ein, wird radial umgelenkt und verlässt den Lüfter durch den tangential am Radius angeordneten Auslass. Trommelläufer zeichnen sich durch eine hohe Anzahl von Schaufeln aus, die in Rotationsrichtung gebogen sind. Die Schaufeln übertragen die Rotationsenergie auf die Strömung, der eigentliche Druckaufbau und die Strömungsführung findet dabei in der Spirale statt. Ohne Spirale würde die Impulsübertragung nicht zu einer gerichteten Strömung führen, sondern lediglich zur Durchmischung der Luft. Prinzipbedingt hat dieser Lüftertyp eine stark ausgeprägte instationäre turbulente Strömung mit kleineren aerodynamischen Wirkungsgraden als andere radiale Bauformen mit weniger Schaufeln. Vorteilhaft sind bei Trommelläufern aber bessere Geräuschemissionen mit weniger störenden tonalen Anteilen. Die strömungsmechanische Berechnung von Trommelläufern ist heute mit modernen Simulationsmethoden möglich. Mit Hilfe numerischer Strömungssimulation können auch die komplexen Strömungsvorgänge in Trommelläufern verstanden werden und anhand der Ergebnisse die Geometrie des Lüfters im Zusammenspiel mit der Anwendung optimiert werden.
Lüfterauslegung in drei Schritten
Bild 4: Prinzipielle geometrische Anpassung des Radiallüfters an den zur Verfügung stehenden Bauraum.
Die Auslegung des Lüfters selbst erfolgte in drei Schritten. Im ersten Schritt wurde ein vibrationsarmer drei-phasiger elektronisch kommutierter Motor in einen Lüfter mit ähnlichen Abmessungen integriert (Bild 2). Dieser Antrieb garantiert eine minimale Anregung der Struktur. Der sogenannte Körperschall, der bei kleineren Drehzahlen oft als störend empfunden wird, wird minimiert. Im zweiten Designschritt wurden die aerodynamischen Komponenten überarbeitet. Schaufelzahl und -winkel sowie das Gehäuse wurden auf Basis von 3-D-Stömungssimulationen und begleitenden Messkampagnen verändert. Bild 3 (Seite 17) zeigt die Gesamtschallleistung des Lüfters aufgetragen über den Gegendruck, der durch den Fensterrahmen entsteht, wenn immer mehr Luftvolumen durch eine Erhöhung der Lüfterdrehzahl gefördert werden soll. Die x-Achse ist also auch ein Maß für die Lüfterdrehzahl: je höher die Drehzahl, desto größer ist der Volumenstrom, desto stärker steigt der Gegendruck und desto größer ist die Schallleistung. Die schwarze Kurve zeigt das Verhalten des Serienlüfters mit einfachem einphasigem Motor. Die blau dargestellten Werte zeigen das Verhalten eines Lüfters mit gleichem Bauraum und Antrieb, aber optimierter Aerodynamik und die roten Werte stellen das akustische Verhalten des Serienlüfters dar, der mit einem drei-phasigen Motor ausgestattet wurde.
Aerodynamische und motorische Verbesserung
Man erkennt, dass sich für diesen Lüfter durch aerodynamische und motorische Verbesserung akustische Verbesserungen von gleicher Größenordnung erzielen lassen. Beide Effekte im relevanten Bereich von Drücken von 90 Pa und größer lassen sich etwa addieren, also entstehen keine negativen Interaktionen. Beide Maßnahmen wurden für den neuen Lüfter übernommen. Im nächsten Schritt wurde der Lüfter geometrisch weiter verkleinert und an die baulichen Gegebenheiten der Applikation angepasst (Bild 4).
Weitere Optimierung Dank CFD
Bild 5: Strömungssimulation des gesamten Lüfters im Fensterrahmen.
Da der Lüfter jetzt nicht mehr unter optimalen Zuström- und Abströmbedingungen betrieben werden kann, ist es notwendig, diese in die weiteren Optimierungsschritte mit einzubeziehen. Dazu eignen sich sehr gut numerische Strömungsberechnungsverfahren (Computational Fluid Dynamics, CFD). Der verhältnismäßig große Aufwand erlaubt es, komplexe Strömungsvorgänge zu berechnen (Bild 5). Mit Hilfe geeigneter Visualisierung der Ergebnisse lassen sich dann sehr gut Veränderungen und Verbesserungen bewerten und der experimentelle Aufwand kann signifikant verringert werden. Zur besseren Integration im Fensterrahmen werden zwei aerodynamisch und motorisch identische Varianten mit unterschiedlichen Drehrichtungen benötigt. Eine rechtsdrehende für den Zuluftstrang und eine linksdrehende für den Abluftstrang des Lüftungsgerätes.
Bild 6: Luft- und Schallleistung des Radiallüfters sowie Betriebspunkt und aerodynamischer Widerstandskurve des Fensterrahmens.
Aus den Luft- und Schallleistungskurven wird deutlich, dass der Lüfter fast ideal im akustischen Minimum betrieben wird. Betrachtet man die Skala der Schallleistung (in Bild 6 rot dargestellt), sind die Abweichungen weit innerhalb aller Messtoleranzen und Produktstreuungen und vernachlässigbar. Die in den Fensterrahmen integrierte dezentrale Wohnraumbelüftung bietet den Komfort von frischer, vorgewärmter Luft. Durch den einfachen Fensteraustausch ohne besonderen Montageaufwand, ergeben sich keine optischen Beeinträchtigungen am Gebäude. Schallschutz und Einbruchshemmung des Fensters bleiben erhalten. Um diese Vorteile voll umsetzen zu können, wurden von ebm-papst besonders effiziente und leise Lüfter entwickelt, die optimal auf die beengten Platzverhältnisse im Fensterrahmen ausgelegt sind.
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