Herzstück bei der Konditionierung des Fördermediums großtechnischer Raumluftsysteme bilden Lüftungs- und Klimazentralgeräte, kurz RLT-Geräte. Ihre Leistungsfähigkeit bestimmt in ganz wesentlichem Maße die Qualität des Gebäudeklimas. Grundaufgabe des RLT-Gerätes ist es, innerhalb einer drucksicheren Gehäusekonstruktion anforderungskonform aufeinanderabgestimmte Funktionskomponenten darzustellen. Sie sind so zu kombinieren, dass nicht nur Gesichtspunkten der Platzeinsparung Rechnung getragen wird.
Ansatzpunkt Luftförderung
Die heute zum Einsatz kommenden Ventilatoren erfüllen unter anderem 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 Novenco A/S mit einer vollkommen neuen Axialventilatorenkonstruktion gelungen. 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 hochenergieeffizienten Ventilatoren in seinen RLT-Geräten vornehmen.
Energieeffizienz als wichtiges Kriterium
Das ausschlaggebende Entscheidungskriterium für die Energieeffizienz von Ventilatoren ist der Systemwirkungsgrad, der sich aus den Wirkungsgraden des Ventilators, Motors und Frequenzumrichters zusammensetzt.
Im deutschsprachigen Raum werden seit vielen Jahren hochwertige RLT-Geräte für den Innen-, Außen- (inwetterfester Ausführung) und Hygienebereich geplant, gefertigt, installiert und gewartet. Die Ausführungsgüte bezieht sich im Wesentlichen auf die folgenden fünf Hauptkriterien:
thermische Isolierung;
Schallisolierung;
Luftdichtigkeit;
mechanische Festigkeit und
u. a. Brandschutz.
Die Anforderungen an Komponentenhersteller im Hinblick auf Energieeinsparungen und CO2-Reduzierungen sind in der jüngsten Vergangenheit erheblich verschärft worden und werden es auch weiterhin. Damit sollen die RLT-Anlagen, die RLT-Geräte und als Basis die einzusetzenden Komponenten wie Filter, Wärmerückgewinnung, Schalldämpfer, Wärmeübertrager, Befeuchter, Klappen, Geräteanschlüsse, aber auch der Wärmedurchgang sowie Ventilatoren einschließlich der dazugehörenden Antriebsmotoren mit höchstmöglicher Wirtschaftlichkeit betrieben werden.
Spitzenwirkungsgrade bis über 90 Prozent
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 Energieeinsparpotenzial allein im Bereich Ventilatoren ist, zeigt sich am Beispiel bislang im deutschen Markt weitgehend unberücksichtigt gebliebener Hochleistungs-Axialventilatoren, die energetisch und platzmäßig einen Quantensprung gemacht haben. Deren Bauweise ähnelt eher einer Hochleistungsturbine denn einem Ventilator. Er verfügt über Ventilator-Spitzenwirkungsgrade von bis zu 90 Prozent und mehr. Bemerkenswert sind dabei die extrem hohen Teillastwirkungsgrade, die damit zu einem hochwirtschaftlichen Betrieb der gesamten lufttechnischen Anlage beitragen. Sie sind ein wesentlicher Teil reduzierter Energiekosten, die durch die elektrische Antriebsleistung der Zu- und Abluftventilatoren entstehen.
Bei der Auslegung des Ventilators ist das ausgedehnte Kennfeld hoher Wirkungsgrade und die hohen zu erzielenden statischen Drücke bemerkenswert. Aufgrund dessen kann auf einen energetisch sehr nachteiligen Keil- oder Flachriemen, wenn nicht anlagenspezifische Sonderheiten zu berücksichtigen sind, verzichtet werden.
Axialventilator mit breiter Vorteilspalette
Mit der Entwicklung des innovativen ZerAx-Axialventilators mit bis zu 2 m Durchmesser bei einer Luftleistung von 350 000 m³/h und über 3 000 Pa Gesamtdruck ist ein 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 der Einsatz nun nicht mehr scheitern.
Dieser ZerAx Hochleistungsaxialventilator erfüllt die folgenden Grundkriterien:
höchste Betriebssicherheit;
niedriges Schwingungsniveau;
aerodynamische Stabilität;
sehr hohe Ventilatorwirkungsgrade bis zu 92 Prozent;
hohe Wirkungsgrade über nahezu das gesamte Kennfeld;
hohe Stromeinsparung bis zu 30 Prozent;
sehr hohe ErP-Werte weit über dem Stand vom 1. Januar 2015;
hohe Schallreduktion durch akustische Diffusoren;
niedrige CO2-Emission;
kurze Amortisationszeit;
Einsatz von Hochleistungs-Frequenzumrichtern und -Motoren nach Wahl der Anwender;
hohe Nachhaltigkeit;
Reduzierung dynamischer Druckverluste.
Bei den bislang in RLT-Geräten eingesetzten freilaufenden, direkt angetriebenen Ventilatoren kann der dynamische Druckverlust, im Gegensatz zum ZerAx-Axialventilator, nicht reduziert werden.
Bei der recht kurzen Bauform der Axialventilatoren einschließlich Diffusor besteht trotz der relativ hohen Austrittsgeschwindigkeit die Möglichkeit, durch geeignete Maßnahmen die dynamischen Verluste deutlich 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 antiquierte Variante mit der optimierten Konstruktion einer Luftverteildüse auf. Ihr gelingt es, verlustreiche Geschwindigkeitsspitzen abzubauen und kurz hinter dem Ventilatorausblas eine gleichmäßige Luftverteilung sicherzustellen. Für viele RLT-Fachleute war die wesentliche Steigerung der Effizienz durch die komplette Einheit Ventilator/Frequenzumrichter/Antrieb nicht denkbar. Technische Entwicklungen wie diese voranzutreiben, war somit ein wesentlicher Baustein, um eine weitere Effizienzsteigerung zu erreichen.
Wesentlicher Beitrag des Antriebsmotors
Einen Quantensprung haben auch die Ventilatorantriebsmotoren gemacht. Dort haben sich im Wesentlichen Asynchronmotoren bis zur Energieeffizienzklasse IE 3 mit erhöhten Wirkungsgraden durchgesetzt, die durch höhere Materialqualität und Verarbeitung erreicht werden. Diese schon hohen Wirkungsgrade werden durch nun verstärkt zum Einsatz kommende permanentmagneterregte Antriebsmotoren im Rahmen der Energieeffizienzklasse IE 4 noch erheblich überschritten. Denn dort muss das Magnetfeld nicht mehr durch das Wechselfeld der Wicklungen aufgebaut werden, wodurch sich die elektrischen Verluste weiter minimieren. Solche Motoren erzielen derzeit die höchsten Antriebswirkungsgrade.
Entscheidend für den Einsatz von Permanentmagnetmotoren ist das Zusammenspiel zwischen Ventilator und Motor, um die Vorteile dieser Technik zu nutzen. Das Entscheidungskriterium für die Energieeffizienz von Ventilatoren ist der Systemwirkungsgrad, der sich aus den Wirkungsgraden des Ventilators, Motors und Frequenzumrichters zusammensetzt.
Anspruchsvolle Regelwerke
Durch die am 30. März 2011 in Kraft getretene Verordnung 327/2011 der EU werdenAnforderungen an die umweltgerechte Ge-staltung (Ökodesign) von Ventilatoren von 125 W bis 500 kW im Hinblick auf deren Inverkehrbringen / Inbetriebnahme festgelegt. Sie gelten auch für Ventilaoren, die in andere, unter die Richtlinie 2009 / 125 / EG ErP-Richtlinie (Energy-related-Products) fallende energieverbrauchsrelevante Produkte eingebaut sind. Ziel dieser ErP-Richtlinie ist es, durch eine umweltkonforme Ge-staltung den Energieverbrauch dieser Produktgruppen zu senken. Mit der EU-Richtlinie 327 / 2011 gelten seit dem 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-Frequenzumrichter-Einheit. Außerdem werden die von den Ventilatorherstellern angegebenen Leistungswerte von den Herstellern der RLT-Geräte mit Korrekturfaktoren beaufschlagt, die von der Klasseneinteilung nach DIN 24166 abhängig sind. Diesbezüglich ist das ZerAx-Ventilatoren-Auslegungsprogramm in Verbindung mit den Climaster-RLT-Geräten Eurovent-zertifiziert.
SFPintern statt maximaler Geschwindigkeit
Technische Entwicklungen wie diese verhelfen der RLT-Branche zu einer Effizienzsteigerung. Die aufgenommene Leistung einer kompletten RLT-Anlage wird durch die in der Energieeinsparverordnung (EnEV) festgelegten SFP (Specific Fan Power)-Klassen der EN 13779 definiert. Je höher der Kanaldruck ist und je mehr Bauteile im RLT-Gerät vorhanden sind, desto schlechter ist automatisch der SFP-Wert. Durch die Reduzierung von Druckverlusten und möglicher Leckluftmengen lässt sich der Leistungsbedarf ebenso optimieren wie dann 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 Kraft gesetzt werden soll und deren Anforderungen dann 2018 noch weiter verschärft werden sollen. Zur Beurteilung der Energieeffizienz wird sich dann der neue Wert SFPintern in W / (m³/s) von den Effizienzanforderungen der derzeitigen und künftig vorgesehenen Ökodesign-Richtlinie sowie den Zertifizierungssystemen des Herstellerverbandes RLT-Geräte und Eurovent abheben. Dies wird neben Filtern und WRG-System auch Auswirkungen auf die Ventilatoren haben.
Zwischenzeitlich gibt es aufgrund zu-nehmender Schallprobleme eine weitere interessante Variante des ZerAx-Ventilators. Diese Ventilatoreinheit beinhaltet die saug- und druckseitigen Schalldämpfer.Damit reduzieren sich die Druckverluste er-heblich; insbesondere dann, wenn eine entsprechende Verrohrung folgt. Hauptgrund ist allerdings, dass so künftig die Schallthematik beim Verursacher bleibt, nämlich dem Ventilatorhersteller.
Zusammenfassung
Mit einem besonderen Ventilatorenkonzept ist es gelungen, nicht nur durch neue energetische Maßstäbe und eine kurze Bauweise, sondern auch durch hohe Laufsicherheit und lange Lebensdauer zu überzeugen. Es werden sowohl hohe Ansprüche in Bezug auf stabiles Betriebs- und Regelverhalten als auch in akustischer und schwingungstechnischer Hinsicht erfüllt. Dies dürfte dazu beitragen, dass künftig ein Technologiewandel beim Einsatz von Hochleistungsventilatoren erfolgen wird, der schon heute eine deutliche Steigerung der Energieeffizienz nach sich zieht.
Von Novenco zu Exhausto
Anfang 2014 wurde das Climaster-RLT-Geräteprogramm der dänischen Novenco A/S an die ebenfalls dort ansässige Exhausto A/S veräußert und komplett überarbeitet, sodass es den hohen Ansprüchen des deutschen Herstellerverbandes RLT-Geräte entspricht. Während andere RLT-Geräteanbieter ihre Aktivitäten überwiegend auf Optimierungsmaßnahmen bei der Wärmerückgewinnung konzentrieren, verfolgt Exhausto auch die Effizienzoptimierung in der Luftförderung. Die Novenco A/S konzentriert sich auf ihr Jet Fan-Programm als einer der Weltmarktführer und die hocheffiziente ZerAx-Serie für RLT-Geräte. In relativ kurzer Zeit konnten bereits 7 000 dieser Hochleistungs-Axialventilatoren der Serie ZerAx verkauft werden. Aushängeschild ist dabei das weltweit größte Facebook Server-Projekt in Lulea, Nordschweden, mit über 550 dieser Hochleistungsventilatoren.
Dipl.-Ing. Detlef Hagenbruch,
Inhaber des Beratungsbüros TGA-Netzwerk in Köln
