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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