Dezentrale Wohnraumlüftung

Anforderungen an Lüfter und Luftführung

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“ 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 Gegenstrom-Wärmetauscher. Die Lüfterauslegung erfolgte mithilfe von 3D-Strömungssimulationen, zunächst für den Lüfter alleine, später in Verbindung mit den strömungsführenden Komponenten im Fensterrahmen.

Spezieller Einsatz für Trommelläufer

Für die Aufgabe kommen besonders kompakte Radiallüfter in DC-Technologie, wie die 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 finden 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. Mithilfe nummerischer Strömungssimulation können auch die komplexen Strömungsvorgänge in Trommelläufern verstanden und anhand der Ergebnisse die Geometrie des Lüfters im Zusammenspiel mit der Anwendung optimiert werden.

Lüfterauslegung in drei Schritten

Die Auslegung des Lüfters erfolgte in drei Schritten. Im ersten Schritt wurde ein vibrationsarmer, dreiphasiger, elektronisch kommutierter Motor in einen Lüfter mit ähnlichen Abmessungen integriert (Bild 2). Dieser Antrieb garantiert eine minimale Anregung der Struktur. Der 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 3D-Stömungssimulationen und begleitenden Messkampag­nen verändert. Bild 3 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 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 einphasigen 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 dreiphasigen Motor ausgestattet wurde.

Aerodynamische und motorische Verbesserung

Man erkennt, dass sich für diesen Lüfter durch aerodynamische und motorische Verbesserung akustische Veränderungen 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 mit CFD

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 nummerische Strömungsberechnungsverfahren (Computational Fluid Dynamics, CFD). Der verhältnismäßig große Aufwand erlaubt es, komplexe Strömungsvorgänge zu berechnen (Bild 5). Mithilfe geeigneter Visualisierung der Ergebnisse lassen sich dann Veränderungen und Verbesserungen bewerten. So kann der experimentelle Aufwand 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. 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 innerhalb aller Messtoleranzen.

Die in den Fensterrahmen integrierte dezentrale Wohnraumbelüftung, mit den speziell auf den Anwendungsfall entwickelten Motoren, bietet den Komfort frischer, vorgewärmter Luft. Durch den einfachen Fensteraustausch ohne besonderen Montageaufwand ergeben sich keine optischen Beeinträchtigungen am Gebäude. Schallschutz und Einbruchshemmung des Fensters bleiben erhalten.