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RLT-Geräte: Die Sache mit dem Wirkungsgrad

Es ist gar nicht so einfach zu entscheiden, welcher Ventilator wirklich den besten Wirkungsgrad hat. Denn Ventilatoren sind komplexe Strömungsmaschinen, die auf jede Veränderung reagieren. Das können Einbausituation, Drehzahlvariationen oder veränderte Druckverhältnisse sein. Einen Ventilator, der immer und überall mit dem „besten Wirkungsgrad“ arbeitet, gibt es folglich nicht. Für die meisten Anwendungen in RLT-Geräten sind allerdings Radialventilatoren die bessere Wahl.


Luftleistung, Geräusch und Wirkungsgrad jedes Ventilators hängen von der Geometrie des Laufrades, den Gehäusebauteilen sowie von der Drehzahl und dem Durchmesser ab. Prinzipiell können in raumlufttechnischen Geräten (RLT) Radial- und Axialventilatoren eingesetzt werden. Bei beiden Bauarten wird die Luft parallel zur Rotationsachse angesaugt. Während Axialventilatoren hauptsächlich achsparallel ausströmen, tritt die Luft bei Radialventilatoren überwiegend vom Mittelpunkt aus strahlenförmig, also radial, nach außen aus.

Für beide Bauarten ist der Volumenstrom zudem direkt proportional zur Drehzahl, während die Druckerhöhung mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigt. Welcher Typ die bessere Wahl ist, hängt von der Anwendung ab. Damit der jeweilige Ventilator im Wirkungsgradoptimum und bei minimaler Geräuschabstrahlung arbeitet, spielen Einbausituation und Betriebsbedingungen eine wichtige Rolle.

Axialventilatoren: eine sinnvolle Lösung?

Bild 1: Unterschiede in den Kennliniencharakteristiken von Radial- und Axialventilator. (Schaubild | ebm-papst)

Für Axialventilatoren gilt, dass sie dann am effizientesten arbeiten, wenn sie bei niedrigen Gegendrücken die Luft – beispielsweise über einem Wärmetauscher – ins Freie befördern. Um möglichst gute Wirkungsgrade zu erreichen, sollte das Laufrad eines Axial­ventilators dazu in einem aerodynamisch optimierten Wand­ring positioniert sein. Dieser sorgt in Verbindung mit einer Front­platte für die richtige Strömungs­führung und die erforderliche Trennung zwischen Saug- und Druckseite.

Die Kenn­linie für typische Axial­ventilatoren ist in Bild 1 blau markiert. Axial­ventilatoren erreichen also ihr Wirkungs­grad­optimum bei großen Volumen­strömen und das bei der geringsten Geräusch­emission. Axial­ventilatoren reagieren ohne zusätzliche Maß­nahmen wie z. B. ein vorgeschaltetes Leit­rad empfindlich auf Schwankungen in der Zu­strömung. Oft ist auf der Aus­trittseite zusätzlich noch ein Nachleit­apparat sinnvoll, um den Wirkungs­grad zu optimieren, was dann den mechanischen Aufwand bei der Montage und die Baulänge erhöht.

Das Abströmverhalten eines Axialventilators ist im Vergleich zu Radialventilatoren sehr fokussiert, was bei der Beaufschlagung nachgeschalteter Filter oder Wärmetauscher nachteilig ist. Bei Abströmung direkt in ein Kanalnetz, kann sich dies aber zum Vorteil umkehren (Bild 2).

Radialventilatoren: die bessere Wahl

Radiale Laufräder reagieren auf Einflüsse auf der Zu- und Abströmseite per se weniger empfindlich. Bei den speziell für den Einbau in RLT-Geräten konzipierten RadiPac Radialventilatoren von ebm-papst wurden zudem nicht nur Laufrad, Motor, Ansteuerelektronik und Gehäuse im Hinblick auf Energieeffizienz und Geräuschemission optimiert, sondern auch die reale Einbausituation in RLT-Geräten mit einbezogen. Das Resultat kann sich sehen lassen: denn bei der Ventilatorauswahl müssen keine großen Reserven für die Einbauverluste angesetzt werden. Zudem sind Radialventilatoren ohne Spiralgehäuse besonders flexibel einsetzbar, wenn es um Varianten bei der Abströmung aus dem RLT-Gerät geht. Da die Ventilatoren einen Druckraum (Druckplenum) mit Luft beaufschlagen, ist die Anbindung an ein Kanalnetz quasi in alle Richtungen ohne größere Verluste möglich.

Bild 2: In raumlufttechnischen Geräten (RLT) können Axial- und Radialventilatoren eingesetzt werden – Radialventilatoren (linkes Bild) sorgen für eine gleichmäßigere Beaufschlagung, nachgeschalteter Einbauten (Filter, Wärmeaustauscher) als Axialventilatoren (rechtes Bild). Die Farbe stellt hier die Axialgeschwindigkeit dar. (Bild | ebm-papst)

Wie definiert sich Effizienz?

Grundsätzlich wird die Effizienz über den Quotienten aus Nutzen zum Aufwand definiert. In der Lufttechnik sind dies dann die Kenngrößen Luftförderleistung (Volumenstrom x Druckerhöhung) dividiert durch die elektrische Leistungsaufnahme. Allerdings ist allein durch diese Angaben die Vergleichbarkeit von Herstellerangaben nicht gewährleistet, denn zuerst einmal gilt es festzustellen, welche Komponenten der betrachtete Ventilator beinhaltet. Handelt es sich lediglich um das Ventilatorlaufrad allein, können die Effizienzwerte nicht mit denen eines kompletten Ventilators bestehend aus Steuerelektronik (VSD), Motor und Ventilatorlaufrad verglichen werden.

Um wirklichkeitsnahe Informationen zur Effizienz zu erhalten, muss die komplette Ventilatoreinheit als Ganzes vermessen werden.

Auch reicht es nicht, die Einzelwirkungsgrade der verschiedenen Ventilatorkomponenten im Optimalpunkt einfach zu multiplizieren. Das wird zwar oft praktiziert, aber es ist nicht zu erwarten, dass alle verwendeten Komponenten jeweils in ihrem Effizienzoptimum arbeiten, wenn sie zusammengebaut sind. Zumal von den Herstellern der Komponenten oft nur Werte im Effizienzoptimum zu erhalten sind. Werte zum Teillastverhalten bei abgesenkter Drehzahl sind nur schwer zu bekommen. Um wirklichkeitsnahe Informationen zur Effizienz zu erhalten, muss die komplette Ventilatoreinheit als Ganzes vermessen werden.

ηVentilator≠ηmax⁡Motormax⁡LaufradmaxSteuerelektronik

Zurück zur Definition der Effizienz. Die Luftleistung ist definiert durch das Produkt aus der Luftmenge und der Druckerhöhung. Der Volumenstrom, also die Luftmenge, ist durch die Luftförderaufgabe gegeben. Die notwendige Druckerhöhung ergibt sich durch die Festlegung der durchströmten Bauteile wie Filter, Wärmeaustauscher und des angeschlossenen Luftweges. Als Summe ist dies der Gesamtdruck und wird als statischer Druck angegeben und zur Ventilatorauswahl herangezogen.

Nun findet man immer wieder auch die Begriffe Totaldruck und Totaldruckerhöhung. Der Totaldruck ist die Summe des statischen Drucks und des dynamischen Drucks und ist somit immer höher als der statische Druck alleine. Also ist auch bei diesen Angaben Vorsicht geboten, wenn es um die Vergleichbarkeit von Ventilatorsystemen hinsichtlich ihrer Effizienz geht. Denn:

qV*pstat<qV*(pstat+pdyn)

also folglich auch

ηstattot

Um einen wirklichkeitsnahen energetischen Vergleich verschiedener Ventilatorsysteme anstellen zu können, muss also zuerst die Vergleichbarkeit hergestellt werden. Das betrifft als erstes, wie oben beschrieben, die Zusammenstellung des Ventilators und die Definition der zur Berechnung herangezogenen Drücke. Statt über Wirkungsgrad-Prozente zu reden ist es besser, den Vergleich über die zu erwartende Leistungsaufnahme für eine definierte Luftförderaufgabe zu führen.

Wichtig ist dabei, auch die Wechselwirkung des Ventilators mit dem Umfeld im eingebauten Zustand zu bewerten. Diese als Einbauverluste (system effects) benannten Größen können bei verschiedenen Ventilatorarten und Einbauverhältnissen eine nicht zu unterschätzende Dimension annehmen und müssen bei der Ventilatorauswahl der erforderlichen (statischen) Gesamtdruckerhöhung zugeschlagen werden.

Bild 3: Bild zeigt Kennlinien eines Axialventilators mit und ohne Diffusor. (Schaubild | ebm-papst)

Hier schneiden Axialventilatoren mit einem sehr hohen partiellen Geschwindigkeitsniveau deutlich schlechter ab als Radialventilatoren ohne Spiralgehäuse. Messungen von ebm-papst haben gezeigt, dass auch die besten am Markt verfügbaren Axialventilatoren nicht die Gesamtwirkungsgrade, also die Effizienz, und auch nicht die niedrigen Geräuschwerte von Radialventilatoren erreichen (Bild 3). Allerdings kann die Effizienz und Akustik von Axialventilatoren durch druckseitig montierte Schalldämpfer-, Diffusor- oder Nachleitschaufel-Kombinationen deutlich verbessert werden. Aber auch mit solchen Maßnahmen, welche die Baulänge stark vergrößern, kommt man bestenfalls in die Nähe marktüblicher Radialventilatoren.

Radialventilatoren mit moderner EC-Technik

Die in technischen Unterlagen angegebenen Werte zur Leistungsaufnahme sind für die Auswahl von Ventilatoren relevant. Die dort ebenfalls angegebenen Wirkungsgrade bedürfen der richtigen Interpretation. Bei Axialventilatoren zusätzlich zu beachten ist die Tatsache, dass der strömungstechnisch instabile Betriebsbereich („Stall-Area“) sehr nah am Effizienz-Optimum des Ventilators liegt. Ändert sich die Anlagenkennlinie hin zu höheren Drücken, kann dies verheerende Folgen für die Betriebssicherheit des Geräts und damit der gesamten Anlage haben.

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