Die Zukunft der Kälte-, Klima- und Gebäu­de­technik

Effi­zi­ente, kompakte EC-Motoren für leis­tungs­fä­hige Venti­la­toren und Gebläse


Klima­er­wär­mung und Anstieg der Welt­be­völ­ke­rung stellen die Gesell­schaft vor beacht­liche Heraus­for­de­rungen. So gilt es in erster Linie, den Ener­gie­ver­brauch zu redu­zieren. Laut WHO besteht ein direkter Zusam­men­hang zwischen dem Wachsen der Welt­be­völ­ke­rung und Wasser­ver­brauch, Anzahl der Kraft­fahr­zeuge, Anstieg der CO2-Emis­sion sowie dem Bedarf an elek­tri­scher Energie. „Effi­zienz“ wird vor diesem Hinter­grund zum Schlag­wort, weil sich so ein nicht uner­heb­li­cher Teil des kommenden Ener­gie­zu­satz­be­darfs kompen­sieren lässt. Dazu kann die Kälte-, Klima- und Gebäu­de­technik einen wich­tigen Beitrag leisten, indem sie bei Venti­la­toren und Gebläsen auf möglichst ener­gie­spa­rende Antriebe setzt.

Wie sich der Einsatz ener­gie­spa­render Venti­la­toren auf Ener­gie­ver­brauch und CO2-Emis­sion auswirken kann, verdeut­licht am besten ein Beispiel: Als Antriebe werden in der Kälte-, Klima- und Gebäu­de­technik häufig Asyn­chron­mo­toren einge­setzt. Diese AC-Motoren sind kompakt und einfach aufge­baut, da sie direkt aus dem Wechsel- oder Dreh­strom­netz gespeist werden. Für die Versor­gung des Läufers benö­tigen sie weder mecha­ni­sche Kollek­toren noch Elek­tronik. Sie sind robust und zuver­lässig. Es gibt jedoch einen ganz gravie­renden Nach­teil, und das ist ihr vergleichs­weise geringer Wirkungs­grad. Vor allem im Teil­last­be­reich ist er deut­lich nied­riger als bei EC-Motoren, die mit Wirkungs­graden von um die 70 % arbeiten. Das wirkt sich natür­lich in prak­tisch allen Anwen­dungen auf den Ener­gie­ver­brauch aus.

Bild 1: Die neuen EC-Motoren (rechts) bauen trotz der inte­grierten Kommu­tie­rungs- und Ansteu­er­elek­tronik genau so kompakt, wie herkömm­liche AC-Motoren (links) und ermög­li­chen so einen einfa­chen mecha­ni­schen Austausch.

Ein Rechen­bei­spiel, das beein­druckt

Für den bewährten AC-Motor der Baugröße 68 beispiels­weise, der in allen erdenk­li­chen Anwen­dungen einge­setzt wird, ergibt sich dadurch eine beein­dru­ckende Rech­nung: Betrachtet man die letzten fünf Jahre, in denen etwa 25 Millionen dieser AC-Motoren als Venti­la­tor­an­trieb in Appli­ka­tionen einge­setzt wurden, ergibt sich bei einer durch­schnitt­li­chen Leis­tungs­auf­nahme von 150 W und einer Einschalt­dauer von 75 % ein jähr­li­cher Ener­gie­be­darf von knapp 25 TWh (= 25.000.000.000 kWh!). Das ist mehr als doppelt so viel, wie z. B. das AKW Neckar­west­heim II mit seinen ca. 11,5 TWh jähr­lich produ­ziert. Oder anders gesagt sind für die in fünf Jahren in unter­schied­lichsten Venti­la­to­ren­an­wen­dungen in der Kälte-, Klima- und Gebäu­de­technik einge­setzten AC-Motoren zur Versor­gung mindes­tens zwei AKWs erfor­der­lich.

„AC to EC“ – Austausch leicht gemacht

Bild 2: Mecha­ni­sche Kompa­ti­bi­lität: Die Anbau­fläche bei neuem EC-Motor (links) und gängigen AC-Motoren (rechts) ist gleich.

Das sollte zukünftig ener­gie­spa­render gehen und das ist auch möglich. Durch die Entwick­lung einer neuen EC-Motor­bau­reihe ist ebm-papst Mulfingen heute in der Lage, die konven­tio­nellen
AC-Motoren bei glei­cher Mechanik durch hoch­ef­fi­zi­ente EC-Technik zu ersetzen. Im Prinzip ist dies vergleichbar mit der alten 100-W-Glüh­lampe. Sie lässt sich durch Ener­gie­spar­lampen austau­schen, die in die glei­chen Fassungen passen. Aller­dings ist es durchaus eine tech­ni­sche Heraus­for­de­rung, EC-Motoren zu entwi­ckeln, die mecha­nisch mit den ohnehin schon sehr kompakten AC-Motoren kompa­tibel sind.
EC-Motoren sind vom Prinzip her über Perma­nent­ma­gnete erregte Synchron­mo­toren. Bei ihnen folgt der magne­ti­sche Rotor synchron einem Dreh­feld, das elek­tro­nisch erzeugt wird. Dadurch lassen sich belie­bige Betriebs­dreh­zahlen reali­sieren, unab­hängig von der verwen­deten Netz­fre­quenz. Bei begrenztem Einbau­raum die notwen­dige Elek­tronik in den EC-Motoren unter­zu­bringen (Bild 1), erfor­dert Erfah­rung und Know-how. Außer der Minia­tu­ri­sie­rung und Opti­mie­rung der Elek­tronik war zudem eine mecha­ni­sche Kompa­ti­bi­lität erfor­der­lich. Dazu gehört z. B. die gleiche Ausge­stal­tung des Anbau­flan­sches wie bei AC-Motoren (Bild 2), außerdem musste die gesamte Motor­bau­form ange­passt werden.

Bild 3: Kompakte Elek­tronik, umgos­sener Stator und Rotor.

Gute Entwär­mung, hohe Schutzart und nach­hal­tige Konstruk­tion

Das Resultat über­zeugt. Die neuen, kompakten EC-Motoren basieren auf dem bewährten Außen­läu­fer­prinzip, bei dem sich der Rotor um den innen liegenden Stator dreht. Das Blech­paket des Stators ist mit einem Ther­mo­plast umspritzt, was in der Praxis gleich mehrere Vorteile bringt. Zum einen sorgt das hoch­wer­tige Kunst­stoff­ma­te­rial für eine gute elek­tri­sche Isola­tion, zum anderen kann die Kugel­la­ger­auf­nahme inte­griert werden. Wand­stärken und Abstände sind variabel gestaltbar; Tole­ranzen beim Blech­paket beispiels­weise sind auf diese Weise einfach auszu­glei­chen. Anschlie­ßend wird die komplette bewi­ckelte Baugruppe mit Duro­plast umhüllt (Bild 3). Der um den Stator laufende, eintei­lige Rotor ist strö­mungs­tech­nisch opti­miert. Luft­ein­lässe im Rotor sorgen für eine perfekte Entwär­mung des Stators. In Kombi­na­tion mit dem umgos­senen Stator ist ein hoher IP-Schutz (IP54) der Motoren gewähr­leistet. Die Elek­tro­nik­ab­dich­tung spielt eben­falls dabei eine wich­tige Rolle. Statt früher übli­cher Lösungen mit Flansch und diversen O-Ringen wurde das Elek­tronik­ge­häuse mit einer elas­ti­schen Dich­tungs­kom­po­nente versehen. Das garan­tiert den dauer­haften Schutz der Elek­tronik. Der komplette Motor ist robust, unemp­find­lich gegen Schock­be­las­tung und über­zeugt durch Zuver­läs­sig­keit und lange Lebens­dauer.

Bei der Konstruk­tion der neuen EC-Motoren wurde gleich­zeitig großer Wert auf Nach­hal­tig­keit und eine ressour­cen­scho­nende Ferti­gung gelegt. Hierzu tragen gleich mehrere Details bei. So spart der eintei­lige Rotor mit einge­presster Welle Ferti­gungs­schritte. Durch Multi­funk­ti­ons­teile werden weniger Einzel­teile benö­tigt. Auch das Entwär­mungs­kon­zept und eine vergleichs­weise geringe Paket­länge helfen, Mate­rial zu redu­zieren. Weniger Mate­ri­al­ein­satz ist dabei gleich­be­deu­tend mit Ener­gie­ein­spa­rungen bei der Herstel­lung.

Praxis­bei­spiele, die über­zeugen können

Bild 4: Türluft­schleier: Die Gebläse arbeiten im Dauer­be­trieb; dadurch ergeben sich durch den Umstieg auf EC-Motoren beacht­liche Ener­gie­ein­spa­rungen.

Eng mit der Ener­gie­ef­fi­zienz der EC-Motoren verknüpft sind weitere Eigen­schaften, die sich im prak­ti­schen Betrieb positiv bemerkbar machen. Dazu zählt beispiels­weise die Dreh­zahl­re­ge­lung über die inte­grierte Elek­tronik. Die Dreh­zahl kann so immer bedarfs­ge­recht an die aktu­ellen Anfor­de­rungen ange­passt werden. Außerdem arbeiten EC-Motoren im Gegen­satz zu dreh­zahl­ge­re­gelten Asyn­chron­mo­toren ausge­spro­chen leise, da deren Triac- oder Frequenz­um­richter-Rege­lung zwangs­läufig Geräu­sche erzeugt. Weitere Vorteile sind die hohe Leis­tungs­dichte, die kompakten Abmes­sungen und die Möglich­keit, Betriebs­daten und Zustände jeder­zeit abzu­fragen (Moni­to­ring).

Dass sich der Umstieg von AC- auf EC-Motoren in der Kälte-, Klima- und Gebäu­de­technik hinsicht­lich Umwelt sowie Geld­beutel des Anwen­ders rechnet und gleich­zeitig den Komfort stei­gert, lässt sich mit unter­schied­li­chen, bereits reali­sierten Beispielen belegen. Dazu gehören soge­nannte Türluft­schleier. Hier erzeugen Gebläse eine Barriere aus strö­mender Luft, die typi­scher­weise die warme Raum­luft von der kalten Außen­luft trennt. EC-Gebläse (Bild 4) über­zeugen hier durch Effi­zienz und der bedarfs­ge­rechten Anpas­sung der Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit, z. B. Absen­kung bei geschlos­sener Tür, Winter- oder Sommer­be­trieb bzw. Tag-/Nach­t­an­pas­sung. Die geringe Geräusch­ent­wick­lung ist eben­falls positiv zu verbu­chen.

Bild 5: EC-Venti­la­toren, opti­miert für den Einsatz an Verdamp­fern in Kühl­räumen.

Ähnli­ches gilt für Venti­la­toren in Verdamp­fer­ein­heiten, die welt­weit in Kälte­an­lagen einge­setzt sind, z. B. als Wärme­über­trager im Innern von Kühl­räumen (Bild 5). Da die Anlagen mit hoher Einschalt­dauer betrieben werden, lässt sich durch den Einsatz von EC-Motoren die Leis­tungs­auf­nahme erheb­lich redu­zieren. Die speziell für diesen Anwen­dungs­be­reich ausge­legten EC-Venti­la­toren der AxiCool-Baureihe bieten aber noch weitere Vorteile: Sie trotzen den harten Umge­bungs­be­din­gungen im Kühl­raum, bringen durch den hohen Motor­wir­kungs­grad nur wenig Wärme ins Kälte­system und lassen sich bedarfs­ge­recht regeln.
Ein weiteres Beispiel für den erfolg­rei­chen Umstieg auf EC-Motoren liefern Anlagen zur Fassa­den­lüf­tung (Bild 6), die nicht nur für den notwen­digen Luft­aus­tausch sorgen, sondern auch heizen bzw. kühlen. Bedarfs­ge­rechte Rege­lung und nied­rige Geräusch­ent­wick­lung bei Dreh­zahl­ab­sen­kung sind weitere Vorteile. Dass die Venti­la­toren sehr kompakt sind, ist für eine design­ori­en­tierte Planung heute ebenso wichtig, wie die einfache und sichere Plug-and-play-Instal­la­tion.

Ein AKW weniger

Bild 6: Fassa­den­lüf­tungen mit EC-Radial- oder -Quer­strom­ge­bläsen.

Die Reihe an Beispielen ließe sich fast noch beliebig fort­setzen, z. B. bis hin zu EC-Gebläsen in Dunst­ab­zugs­hauben oder Wäsche­trock­nern, Rohr­lüf­tern, Venti­la­toren in Kühl­theken und vielen mehr. Allen gemeinsam ist, dass sich beim Umstieg von AC- auf EC-Motoren die Leis­tungs­auf­nahme im Durch­schnitt um etwa 40 % senken lässt. Anknüp­fend an das Zahlen­spiel vom Anfang mit den 25 Millionen Appli­ka­tionen mit AC-Motoren ergibt sich wieder eine beein­dru­ckende Rech­nung: Werden alle 25 Millionen AC-Motoren durch EC-Ausfüh­rungen ersetzt und geht man bei der mögli­chen Ener­gie­ein­spa­rung von 40 % als Mittel­wert aus, beträgt die jähr­liche Einspa­rung knapp 10 TWh, EC-Venti­la­toren in der Kälte-, Klima- und Gebäu­de­technik können damit durch ihre Effi­zienz ein ganzes AKW frei­stellen. Das ist ein Beitrag zur Redu­zie­rung des zukünf­tigen Ener­gie­ver­brauchs, der sich durchaus sehen lassen kann.

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  • Maria Schwarz sagte am :

    Inter­es­sant zu sehen, wie sehr sich der Ener­gie­be­darf in den letzten fünf Jahren verän­dert hat. Für meinen Laden benö­tige ich indi­vi­du­elle Ausstat­tung für den Kühl­raum. Dafür werde ich mich die Tage an einen Experten für Kälte­technik wenden.