Ventilatoren und Lüfter für Anwendungen mit brennbaren Kältemitteln

03.12.2024 | Veröffentlicht in Ausgabe 12-2024

Das Geräuschverhalten ist vor allem in den Nachtstunden relevant. - © Bild: ebm-papst — © Bild: ebm-papst

Das Geräuschverhalten ist vor allem in den Nachtstunden relevant.

Mit der am 11. März 2024 in Kraft getretenen Neufassung der F-Gas-Verordnung ((EU) 2024/573) wurden die Rahmenbedingungen für Kältemittel deutlich strenger; der Einsatz von teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen als Kältemittel (HFKW) wird weiter reglementiert. An den natürlichen Alternativen führt deshalb kein Weg vorbei.

Diese sind allerdings in den meisten Anwendungsfällen brennbar. Hersteller müssen deshalb bei der Entwicklung von Kälte- und Klimaanlagen, Haushaltskühlgeräten sowie Wärmepumpen darauf achten, dass sie darin ausschließlich Komponenten verwenden, die die jeweils geltenden Normen für den Umgang mit brennbaren Kältemitteln erfüllen.

Die F-Gas-Verordnung und der darin definierte Stufenplan zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes hat zur Folge, dass Hersteller von Luft-Wasser-Wärmepumpen, aber auch bei Chillern, Verdampfern oder Kühlmöbeln zunehmend Kältemittel mit einem geringen Global Warming Potential (GWP) einsetzen, wie z. B. das natürliche Kältemittel R290 (Propan, GWP-Wert = 3). Ein niedriger GWP-Wert bedingt allerdings eine schnelle Zersetzung des Kältemittels beim Eintritt in die Atmosphäre. Dies kann nur gewährleistet werden, wenn es chemisch reaktiv ist. Eine hohe Reaktivität bedeutet eben meist aber auch eine hohe Brennbarkeit. Das erfordert besondere Sicherheitskonzepte, damit auch bei einer Leckage im Kältemittelkreislauf niemand zu Schaden kommt.

Schwadensichere Gehäuse sind zu aufwendig

ATEX-zugelassene Kompaktlüfter für das Sicherheitskonzept

Eine - allerdings recht aufwendige - Methode sind schwadensichere Gehäuse, die verhindern, dass Elektronik-Komponenten und zündfähige Atmosphäre miteinander in Berührung kommen. Praxisgerechter bei Luft-Wasser-Wärmepumpen ist meist jedoch eine andere Lösung: ATEX-zugelassene Kompaktlüfter (Bild 1) belüften im Falle eine Leckage im Kältemittelkreislauf das Gehäuse und verhindern so, dass eine entzündliche Atmosphäre entstehen kann. Dank vollvergossenem Motor und Elektronik erfüllen sie standardmäßig die Anforderungen der EN 60079-7, Gruppe IIC, bis T4 und DIN EN 60335-2-40.

Die Lüfter benötigen durch ihre Bauform nur wenig Platz beim Einbau und lassen sich bei Bedarf auch für die Elektronikkühlung nutzen. Bei kleineren Wärmepumpen, zum Beispiel für eine Etagenheizung, können sie zudem als Hauptventilator eingesetzt werden. Die ATEX-zugelassenen Kompaktlüfter stehen in vielen Varianten und in unterschiedlichen Baugrößen mit Kantenlängen von 40 bis 200 mm zur Verfügung. Dank aerodynamisch optimiertem Design arbeiten sie leise, sind energieeffizient und können sowohl saugend als auch drückend eingesetzt werden.

Kennlinienfeld des AxiEco Plug-In in Baugröße 450 in Bezug auf Luftleistung und Schallleistung (grün: Luft- und Schallleistungskennlinie der 85 W-Version, blau: Luft- und Schallleistungskennlinie der 170 W-Version).

**Für das Wärmepumpen-Sicherheitskonzept gibt es passende Kompaktlüfter, die im Falle einer Leckage im Kältemittelkreislauf das Gehäuse belüften.**

**Die Axialventilatoren AxiTone und AxiEco Plug-In wurden für den Einsatz in Luft-Wasser Wärmepumpen entwickelt und eignen sich für Applikationen mit brennbaren Kältemitteln.**

Antriebsauslegung gemäß EN 60335-2-40 für den Hauptventilator

Auch bei den größeren Axial- oder Radial-Ventilatoren, die in Wärmepumpen für den notwendigen Luftstrom über den Verdampfer sorgen, darf die Elektronik bei einer Leckage im Kältemittelkreislauf nicht zur Zündquelle werden. Bei den Ventilatorantrieben der Baugröße 60, 74 und 90 hat ebm-papst die Elektronikschaltungen deshalb so modifiziert, dass sie der EN 60335-2-40 für Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln entsprechen, das heißt die maximale Oberflächentemperatur muss im Fehlerfall mindestens 100 Kelvin unter der Zündtemperatur des eingesetzten Kältemittels liegen. Bei Propan, das sich wegen seiner guten Wärmeübertragungsleistung und seines niedrigen GWP-Wertes sehr gut eignet, liegt die Zündtemperatur bei 470 °C. Die entsprechend getestet und zertifizierten Elektronikbaugruppen garantieren dann, dass ihre maximale Oberflächentemperatur auch im Falle einer Fehlfunktion immer unter 370 °C bleibt und sie somit nicht zur Zündquelle werden.

Kennlinienfeld des AxiTone in der Baugröße 630 in Bezug auf Luftleistung und Schallleistung (grün: Schallleistungskennlinie der 500 W Aktiv-PFC-Version, blau: Luftleistungskennlinie der 500 W Aktiv-PFC-Version)

**Der ESM-Motor arbeitet mit einem Wirkungsgrad von über 90 % bei 10 % der Leistungsaufnahme eines Spaltpolmotors und bietet optional die Möglichkeit einer bedarfsgerechten Drehzahlregelung.**

Axialventilatoren für besonders lärmsensible Bereiche

Wer Luft-Wasser-Wärmepumpen einsetzt, muss sich zwangsläufig auch mit dem Thema Geräuschentwicklung auseinandersetzen. Das Geräuschverhalten ist vor allem in den Nachtstunden relevant, wenn innerhalb, aber vor allem auch außerhalb der Gebäude die Grenzwerte der jeweils gültigen gesetzlichen Bestimmungen zu beachten sind. Für den geräuschsensiblen Außenbereich hat ebm-papst zwei Ventilator-Baureihen entwickelt: AxiEco Plug-In und AxiTone (Bild 2). Beide sind ebenfalls für Anwendungen mit natürlichen und brennbaren Kältemitteln (EN 60335-2-40) konzipiert und sind dank ihrer speziellen Auslegung besonders leise (Bild 3 und Bild 4). Während sich der AxiEco Plug-In in den Baugrößen 450 und 500 mm für Wärmepumpen eignet, die eine große Förderdruckreserve am Verdampfer verlangen, ist der AxiTone in den Baugrößen 450, 500 und 630 mm eher darauf ausgelegt, bei geringerem Gegendruck höhere Volumenströme zu liefern, wenn die Auslegung der Wärmepumpe dies erfordert. Da alle Kompaktlüfter, die auf den vollumgossenen Motoren aufbauen, standardmäßig für den Einsatz bei brennbaren Kältemitteln geeignet sind, gibt es zahlreiche weitere Axial- und Radialventilatoren, die sich ebenfalls für den Einsatz bei Wärmepumpen, aber auch für Chiller, Verdampfer oder Verflüssiger eignen.

ebm-papst hat zudem eine Inverter-Elektronik entwickelt (Bild 5), die sich unter anderem für drehzahlgeregelte permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PSM) eignet, wie sie typischerweise in Verdichtern eingesetzt sind. Sie reduziert zusätzlich die Geräuschentwicklung und erhöht gleichzeitig die Effizienz der Wärmepumpe.

**Inverter-Elektronik mit 7,5 kW für effiziente und geräuscharme Verdichterantriebe**

Eine Inverter-Elektronik reduziert zusätzlich die Geräuschentwicklung

Sicherheit bei Kühlmöbeln

Auch in anderen Kälteanwendungen, wie beispielsweise Kühlmöbeln werden natürliche Kältemittel eingesetzt. Der ESM-Motor (energy saving motor, Bild 6) setzte hier bereits vor einigen Jahren Maßstäbe für die Ventilatorentechnik. Die kompakten EC-Motoren gibt es sowohl als OEM-Komponente zur Kombination mit dem eigenen Lüfterrad sowie als Plug & Play-fähiges Komplettsystem. Um eine sichere Kühllösung bieten zu können, entsprechen die Motoren und Komplettsysteme standardmäßig der Haushaltsgerätenorm EN 60335-2-89, was für die meisten Kühltheken völlig ausreicht, da ihre Kühlkreisläufe mit den der Norm entsprechenden Kältemittelfüllmengen auskommen, z. B. 500 g bei Propan. Bei Kältekreisläufen mit größerer Füllmenge kann es daher durchaus sinnvoll sein, die Kreisläufe zu splitten. ■