Optimierung von RLT-Geräten

Verbesserte Ventilatorentechnik

Die heute zum Einsatz kommenden Ventilatoren erfüllen u.a. Forde­rungen wie hohe Betriebssicherheit und niedriges Schwingungs­niveau. Eine stets angestrebte erhöhte Betriebswirtschaftlichkeit lässt sich jedoch nur durch eine neue Konzeption im Ventilatoren­bereich erzielen. Das ist der dänischen Novenco A/S mit einer neuen Axialventilatorenkonstruktion gelungen. Die Novenco-Aktivitäten im Bereich der RLT-Geräte wurden 2013 von der ebenfalls dänischen Exhausto A/S übernommen. Insbesondere durch die kurze Bauweise bietet sich der Einsatz im großen Markt der RLT-Geräte an. Als eines der ersten Unternehmen der RLT-Gerätebranche wird die deutsche Exhausto den Einsatz dieser hoch energieeffi­zienten Ventilatoren in seinen RLT-Geräten einsetzen. Das ausschlaggebende Entscheidungskriterium für die Energieeffizienz von Ventilatoren ist allerdings der Systemwirkungsgrad, der sich aus den Wirkungsgraden des Ventilators, des Motors und des Frequenzumrichters (FU) zusammensetzt.

Im deutschsprachigen Raum werden seit vielen Jahren hochwertige RLT-Geräte für den Innen-, Außen- (in wetterfester Aus­füh­rung) und Hygienebereich geplant, gefertigt, installiert und gewartet. Die Ausführungsgüte bezieht sich im Wesentlichen auf die folgenden fünf Hauptkriterien:

Die Anforderungen an Komponentenhersteller im Hinblick auf Energieeinsparungen und CO₂-Reduzierungen sind in der jüngsten Vergangenheit erheblich verschärft worden und werden es weiterhin. Damit sollen die RLT-Anlagen, die RLT-Geräte und als Basis die einzusetzenden Komponenten, wie u.a. Filter, WRG, Schalldämpfer, Wärmetauscher, Befeuchter, Klappen, Geräteanschlüsse, aber auch der Wärmedurchgang sowie Ventilatoren einschließlich der dazugehörenden Antriebsmotoren mit höchstmöglicher Wirtschaftlichkeit betrieben werden können.

Der größte Teil der Energiekosten eines RLT-Gerätes wird durch die elektrische Antriebsleistung für die Zu- und/oder Abluftventilatoren eingesetzt. Das heißt, dass Einsparungen in diesem Bereich deutlich zielführender sind als bisherige Maßnahmen. Wie groß das Energieeinsparpotential allein im Bereich Ventilatoren ist, zeigt sich am Beispiel bislang im deutschen Markt weitgehend unberücksichtigt gebliebener Hochleistungs-Axialventilatoren, die energetisch und platzmäßig einen Quantensprung absolviert haben. Deren Bauweise ähnelt eher einer Hochleistungsturbine, denn einem Ventilator. Er verfügt über Ventilatorspitzenwirkungsgrade von bis zu 90 % und mehr. Bemerkenswert sind dabei die extrem hohen Teillastwirkungsgrade, die damitzu einem hochwirtschaftlichen Betrieb der gesamten lufttechnischen Anlage beitragen. Sie sind ein wesentlicher Teil reduzierter Energiekosten, die durch ihre elektrische Antriebsleistung der Zu- und Abluftventilatoren entstehen. Bei der Auslegung des Ventilators sind das ausgedehnte Kennfeld hoher Wirkungsgrade und die hohen zu erzielenden statischen Drücke bemerkenswert. Aufgrund dessen kann auf einen energetisch nachteiligen Keil- oder Flachriemen, wenn nicht anlagenspezifische Sonderheiten zu berücksichtigen sind,verzichtet werden.

Mit der Entwicklung des innovativen „ZerAx“-Axialventilators mit bis 2 m Durchmesser, bei einer Luftleistung von 350 000 m³/h Luftleistung und über 3000 Pa Gesamtdruck, ist ein beeindruckendes Triebwerk mit technisch hervorragenden Leistungen gelungen. Zahlreiche halbaxiale, axiale wie eine Vielzahl freilaufen­der Ventilatoren bis hin zu doppelflutigen Radialventilatoren konnten bislang ausgetauscht werden, um die Energiebilanz von lufttechnischen Anlagen zu verbessern. An früheren Platzproblemen kann und wird der Einsatz nun nicht mehr scheitern können.

Bei den bislang in RLT-Geräten eingesetzten freilaufenden, direkt­angetriebenen Ventilatoren sind die Austrittsgeschwindigkeit relativ hoch, während die Geschwindigkeit im RLT-Gerät unter 2 m/s liegen sollten. Dieser dynamische Druckverlust kann bei den Freiläufern in der Regel nicht wiedergewonnen werden. Dort werden bei Platzproblemen zur gleichmäßigen Luftverteilung auf das nächste Bauelement wie Schalldämpfer oder Wärmetauscher meist Prallplatten o.ä. installiert. Bei der recht kurzen Bauform der Axialventilatoren einschließlich Diffu­sor besteht trotz der relativ hohen Austrittsgeschwindigkeit die Möglichkeit durch geeignete Maßnahmen die dynamischen Verluste drastisch zu minimieren. Die Platzprobleme in größeren Klimazentralen sind bekannt und so besteht die Möglichkeit die Luft unmittelbar nach dem Venti­la­tor gleichzurichten und beispielsweise im Parallelbetrieb die dann notwendig werdenden Absperrklappen durch angepasste Bauteile zu ersetzen. Damit lebt erneut eine fast schon antike Variante mit der optimierten Konstruktion einer Luftverteildüse auf. Ihr gelingt es verlustreiche Geschwindigkeitsspitzen abzubauen und kurz hinter dem Ventilator-Ausblas eine gleichmäßige Luft­verteilung sicherzustellen. Für viele RLT-Fachleute war die we­sentliche Steigerung der Effizienz durch die komplette Einheit Ventilator/FU/Antrieb nicht denkbar. Technische Entwicklungen wie diese voranzutreiben war somit ein wesentlicher Baustein um eine weitere Effizienzsteigerung zu erreichen.

Optimierte Motoren

Einen Quantensprung haben auch die Ventilatorantriebsmotoren gemacht. Bei den Motoren haben sich im wesentlichen Asynchronmotoren bis zur Energieeffizienzklasse IE 3 mit erhöhten Wirkungsgraden durchgesetzt, die durch höhere Materialqualität und Verarbeitung erreicht werden. Diese Werte werden durch nun verstärkt zum Einsatz kommende permanentmagneterregte Antriebsmotoren durch die energieeffizienzklasse IE 4 noch erheblich überschritten, weil dort das Magnetfeld nicht mehr durch das Wechselfeld der Wicklungen aufgebaut werden muss, wodurch sich die elek­trischen Verluste weiter minimieren. Sie erzielen derzeit unbestritten die höchsten An­triebs­wirkungsgrade. Ent­schei­dend für den Einsatz von Permanentmagnetmotoren ist das Zusammenspiel zwischen Ventilator und Motor, um die Vorteile dieser Technologie zu nutzen. Das Entscheidungskrite­rium für die Energieeffizienz von Ventilatoren ist der Systemwirkungsgrad, der sich aus den Wirkungsgraden des Ventilators, Motors und FU zusammensetzt.

Ökodesignrichtlinie und Effizienzklassen

Durch die am 30. März 2011 in Kraft getretene Verordnung 327/2011 der EU werden Anfor­de­rungen an die umweltgerechte Gestaltung („Ökodesign“) von Ventilatoren von 125 W bis 500 kW in Hinblick auf deren Inverkehrbringen und/oder Inbe­trieb­nahme festgelegt, die auch für Ventilatoren gelten, die in an­dere, unter die Richtlinie 2009/125/EG fallende energie­ver­brauchsrelevante Produkte eingebaut sind. Ziel dieser ErP-Richtlinie 2009/125/EC (ErP = „Energy related Products“) ist es, durch eine umweltkonforme Gestaltung („Ökodesign“) den Energieverbrauch dieser Pro­dukt­gruppen zu senken. Mit der EU-Richtlinie 327/2011 gelten seit dem 1. Januar 2013 neue und ab 1. Januar 2015 verschärfte Mindestanforderungen.

Die Effizienzklassen für RLT-Geräte verbinden u.a. die in der DIN 13053/2012 zu einem ein­fachen, transparenten und nach­prüf­baren Kennwert ei­nes Effi­zienz­parameters für die Leistungsaufnahme der Ven­ti­la­tor-Motor-FU-Einheit. Außer­dem werden die von den Ven­ti­la­tor­her­stellern angegebe­nen Leis­tungs­werte von den Her­stel­lern der RLT-Geräte mit Kor­rek­tur­fak­toren abhängig von Klas­sen­ein­teilung nach DIN 24166 be­aufschlagt. Dazu ist zu be­mer­ken, dass das „ZerAx“-Ven­ti­la­to­ren-Aus­le­gungs­pro­gramm in Verbindung mit den „Clima­ster“-RLT-Geräten Euro­vent-zertifiziert ist.

Technische Entwicklungen wie diese voranzutreiben, gehört zu den wichtigsten Dingen der RLT-Branche, um eine Effizienz­stei­gerung zu erreichen. Die auf­ge­nommene Leistung einer kompletten RLT-Anlage wird durch die in der EnEV festgeleg­ten SFP (Specific Fan Power)-Klassen der EN 13779 definiert. Je höher der Kanaldruck und je mehr Bauteile im RLT-Gerät desto schlechter ist automatisch der SFP-Wert. Durch die Reduzierung von Druckverlusten und  möglicher Leckluftmengen lässt sich der Leistungsbedarf ebenso optimieren wie der SFP-Wert. Daraus ist erkennbar, dass der SFP-Wert nur bedingt durch die Qualität eines RLT-Gerätes oder gar Ventilators zu erfüllen ist.

Aufgrund skandinavischer Forderungen werden nun die maximalen Geschwindigkeiten in RLT-Geräten durch SFPintern-Werte ersetzt. So arbeitet man an einer Neufassung der Öko­design-Richtlinie für RLT-Geräte, die ab 2016 in Gang gesetzt werden soll und deren Anforderungen dann in 2018 noch weiter verschärft werden. Zur Beurteilung der Energieeffizienz wird dann der neue Wert SFPintern in W/(m³/s) sich von den Effizienzanforderungen der der­zeitigen und künftig vorgesehenen Ökodesign-Richtlinie sowie den Zertifizierungssystemen des Herstellerverbandes RLT-Geräte und Eurovent abheben, was neben Filtern und WRG-System auch Auswirkungen auf die Ventilatoren haben wird.

Fazit

Mit diesem Ventilatorkonzept ist es Ventilatorexperten gelungen, nicht nur durch neue energetische Maßstäbe sowie kurze Bauweise zu glänzen, sondern auch durch hohe Laufsicherheit und Lebensdauer zu überzeugen. Es werden sowohl hohe Ansprüche in Bezug auf stabiles Betriebs- und Regelverhalten als auch neue Maßstäbe in akustischer und schwingungstechnischer Hinsicht erfüllt. Diese Hightech-Axialventilatoren sind das Ergebnis nahezu 70-jähriger Erfahrung im anwendungsbezogenen Ventilatoren-Engineering mit dem großen technologischen Rückhalt internationaler Forschung und Entwicklung. All das dürfte dazu beitragen, dass künftig ein Technologiewandel im Einsatz von Hochleistungsventilatoren stattfinden wird, der schon heute eine drastische Steigerung der Energieeffizienz nach sich zieht.