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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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