Kaum ein Thema dominiert den europäischen Politikalltag so sehr, wie die Steigerung der Energieeffizienz bzw. die Senkung des Energieverbrauchs. Verdeutlicht wird dies durch eine Fülle an Richtlinien und Gesetzen mit immer stärker werdenden Auswirkungen auf Industrie und Endverbraucher: So wurde im Jahr 2005 von der EU die Energy using Products Directive (EuP-Richtlinie) verabschiedet, die 2009 in die ErP-Richtlinie (Energy related Products Directive) umbenannt wurde in Deutschland besser bekannt als Ökodesign Richtlinie. Darin werden Einsparpotenziale energieverbrauchender Produkte festgelegt und Mindestanforderungen bestimmt. Erste Auswirkungen der Gesetzgebung sind bereits beim Endverbraucher angekommen, wie beispielsweise das Verbot von konventionellen Glühbirnen. Viel stärker bemerkbar machen sich die Konsequenzen der unterschiedlichsten Vorgaben allerdings bei der technischen Gebäudeausrüstung, speziell in der Lüftungs- und Klimatechnik. Denn ein erheblicher Anteil am europäischen Gesamtenergiebedarf von 410 TWh wird jährlich von Lüftungsventilatoren verbraucht. Gesetzliche Vorgabenwie die ErP 2015 zielen darauf ab, diesen Verbrauch signifikant zu minimieren. In der ersten Stufe der ErP ist seit Anfang 2013 bereits ein Teil aller gängigen Ventilatoren in der EU vom Markt verschwunden. Die Verschärfung der energetischen Ansprüchedurch die ErP 2015 wird im nächsten Jahr für eine nochmalige Steigerung sorgen. Betroffen sind nahezu alle Ventilatoren im Leistungsspektrum von 125 W bis 500 kW. Diese drastisch gestiegenen Effizienzansprüche bringen enorme Anforderungen an die Klima- und Lüftungstechnikindustrie mit sich.
Durch den Einsatz der elektronisch kommutierten Antriebstechnologie (Electronically Commutated = EC) ist es bereits heute möglich, im Bereich der Lüftung deutlich Energie einzusparen und so den gestiegenen Ansprüchen mehr als gerecht zu werden. Das lässt vermuten, dass sich diese neue Motorenart durchsetzen und im lüftungstechnischen Alltag zum Standard wird ähnlich wie es vor einiger Zeit bei der Pumpentechnologie der Fall war: hier ist der Antrieb mittels Permanentmagnetstrommotor längst Alltag. Bundesweite und regionale Förderprogramme unterstützen den Austausch alter Heizungsumwälzpumpen durch moderne Effizienzpumpen und beschleunigen somit die Marktakzeptanz.
Wie funktionieren EC-Motoren?
Grundsätzlich handelt es sich bei einem EC-Motor (Bild 1) um einen Gleichstrommotor, jedoch wurde der sonst übliche Kommutator mit Bürsten zur Stromwendung durch eine elektronische Schaltung ersetzt. Daher wird dieser Motorentyp auch als elektronisch kommutierter Motor bezeichnet. Weiterhin sind üblicherweise Stator und Rotor vertauscht. Es handelt sich also nicht um einen Innen-, sondern um einen Außenläufermotor. Darunter versteht man, dass das Magnetfeld durch einen ringförmigen Permanentmagneten im Rotor erzeugt wird. Das Statorblechpaket mit den Spulen ist fest mit dem Lagerdeckel des Motors verbunden. Im Gegensatz zum herkömmlichen AC- Motor (Wechselstrommotor, AC = Alternating Current) dreht sich dieser nicht mit. Die Winkelstellung des Permanentmagneten im Rotor wird über drei Hall-Sensoren erfasst und von einer (im Motor integrierten) Elektronik ausgewertet. Anhand der Winkelstellung des Rotors und der gewünschten Drehrichtung werden von der Elektronik die entsprechenden Spulen bestromt, um das erforderliche Drehmoment zu erzeugen. Durch die elektronische Kommutierung entsteht, außer in der Lagerung, kein Verschleiß. Die Standzeit des Motors wird so nur noch durch die Lagerung bestimmt werden Longlife Kugellager eingesetzt, kann von einer sehr hohen Ventilatorstandzeit ausgegangen werden. EC-Motoren bestechen zudem durch ihre Laufruhe: Motorstörgeräusche durch auf dem Motorkollektor schleifende Kohlebürsten und Magnetisierungsbrummen durch Stufentrafos bei Drehzahlregelung entfallen bei dieser Technologie gänzlich.
Die zahlreichen Stärken
AC-Motoren werden in der Regelbarkeit durch sogenanntes weich machen verbessert. Ein weicher AC-Motor ist als Synonym für ein Motor mit hohem Schlupf (Drehzahldifferenz zwischen Stator und Rotor) zu verstehen. Durch die Optimierung der Regelbarkeit wird aber gleichzeitig eine Reduktion des Motorwirkungsgrades in Kauf genommen. Der Wirkungsgrad eines Elektromotors definiert sich aus dem Verhältnis von mechanischer Ausgangsleistung zu elektrischer Eingangsleistung. Im Gegensatz zum EC-Motor, der nahezu verlustfrei arbeitet, treten im AC-Motor Eisen-, Ständerwicklungs-, Rotor-, Reibungs- und lastabhängige Zusatzverluste auf. Im Volllastbetrieb (maximale Drehzahl) ist der Unterschied zwischen AC- und EC-Technologie eventuell noch nicht so maßgeblich, aber im Teillastbereich wird die Effizienzdifferenz mehr als deutlich: Während der Motorwirkungsgrad bei EC-Motoren nahezu unverändert im kompletten Drehzahlkennfeld bleibt, knickt die Wirkungsgradkurve bei AC-Motoren im Teillastbetrieb erheblich ab (Bild 2).
Lüftungs- und Klimaanlagen werden in der Regel bedarfsorientiert betrieben. Der Lüftungsbedarf wird aufgrund unterschiedlichster Kenngrößen (z. B. Lufttemperatur, Feuchtigkeit, CO2-Gehalt etc.) ermittelt und der notwendige Zuluftvolumenstrom daraus abgeleitet. Ähnlich wie bei Wärmeerzeugern erfolgt die Dimensionierung der Anlagen auf Basis einer Worst-Case-Betrachtung. Das heißt, eine Anlage wird für die maximal zu erwartende Last ausgelegt. Betrieben wird sie jedoch größtenteils in Teillast. Besonders in diesem Betriebspunkt zeichnen sich die Vorteile der EC-Technik deutlich ab. Während Standard AC-Motoren durch Stufentransformatoren oder Phasenanschnittsteuerung in die Teillast gesteuert werden können, sind bei EC-Motoren die Regelkomponenten bereits in der Kommutierelektronik integriert. Dadurch wird zur Drehzahlregelung lediglich ein 010 V-Steuersignal (Drehzahlpotentiometer) benötigt. Die bereits im Motor integrierte Elektronik ermöglicht zusätzlich noch weitere Regelungsvarianten wie eine Druck- oder Volumenstromkonstantregelung. Hierfür sind kostengünstige Universalregelgeräte erhältlich. Bild 3 zeigt die Drehzahlcharakteristik von AC- und EC-Motoren bei Spannungsreduktion auf. Der EC-Motor besticht durch seine nahezu proportionale Kennlinie (% Spannung = % Drehzahl), der AC-Motor verhält sich dagegen wesentlich unvorteilhafter.
Daraus ist der Energieverbrauch im Regelbereich abzuleiten. Bild 4 sowie die Beispielrechnung in Tabelle 1 (siehe auch Bild 5) verdeutlichen das erhebliche Einsparpotenzial: Während die Differenz der Leistungsaufnahme im Nenndrehzahlbereichbei etwa 30 Prozent liegt, erhöht sich dieser Abstand im drehzahlgeregelten Betrieb auf circa 50 Prozent.
Lüftungsgeräte mit AC-Motor bieten im Hinblick auf die Investitionskosten einen Kostenvorteil dieser bezieht sich jedoch ausschließlich auf den Ventilator. Sobald die üblicherweise erforderliche Drehzahlregelung mit in die Betrachtung einbezogen wird, gleicht sich der vermeintliche Vorteil schnell wieder aus: AC-Motoren werden häufig mit kostenintensivem Trafostufenschalter oder Frequenzumrichter drehzahlgeregelt. Bei EC-Ventilatoren hingegen wird bauseitig die Netzspannung direkt am Motor angeschlossen und durch die im Motor integrierte Elektronik in eine entsprechende Gleichspannung umgewandelt. Zur Regelung der Drehzahl ist nur noch ein Steuersignal (010 V) vom Sollwertgeber notwendig. Als Feldgeräte kommen daher preisgünstige Potentiometer zum Einsatz. Vergleicht man nun die Gesamtkosten aller notwendigen Komponenten der lüftungstechnischen Investition (AC = Ventilator + Trafostufenschalter bzw. Frequenzumrichter; EC = Ventilator + Potentiometer), gleichen sich diese nahezu aus. Spätestens bei der Kostenumlegung auf den Lebenszyklus (Life Cycle Costing) besitzen Lüftungssysteme mit EC-Antriebstechnologie unschlagbare Vorzüge. Auch bei der Amortisationsrechnung ergibt sich eine kurze Amortisationszeit sofern neben den höheren Beschaffungskosten auch die wirtschaftlichere Steuerungslösung sowie der geringere Installationsaufwand berücksichtigt werden.
Fazit
Die EC-Antriebstechnologie bietet beim Bau und Betrieb von Lüftungsanlagen zahlreiche Vorteile wie z. B. eine maximale Wirkungsgraderreichung im Teillastbetrieb, stufenloses lineares Regelverhalten, integrierte Regelungselektronik, geräuscharmen und laufruhigen Betrieb sowie universelle Einsetzbarkeit in einem breiten Spannungsbereich. Hinzu kommt, dass Ventilatoren mit EC-Technologie die Vorgaben der ErP 2013 und bereits die der zukünftigen ErP 2015 erfüllen. Vermeintlich höhere Investitionskosten rechnen sich aufgrund der höchst effizienten Betriebsweise bereits nach kurzer Zeit. Das alles wird dafür sorgen, dass die schon heute häufig eingesetzte Technologie künftig vor allem in kleinen und mittleren Leistungsbereichen nahezu alternativlos sein wird.
Dipl.-Ing. Markus Best,
Bereichsleiter Vertrieb TGA, Helios Ventilatoren, Villingen-Schwenningen
