Die verbrauchte, aber warme Luft des Innenraumes wird mithilfe eines Lüfters über einen Wärmeübertrager nach außen geführt. Im Gegenzug wird kalte Frischluft über diesen Wärmeübertrager von außen nach innen geleitet und dabei erwärmt. Auf diese Weise werden die Wärmeverluste minimiert und der insgesamt notwendige Energieaufwand verringert. Zusätzlich erhält man einen guten Lärmschutz bei gleichmäßigem Luftaustausch.
Aktive oder kontrollierte Belüftung kann als zentrales oder dezentrales System ausgelegt werden. Während im ersten Fall ein zentrales System die Luft über Kanäle im ganzen Haus verteilt, wird bei dezentralen Konzepten jeder Raum unabhängig vom anderen versorgt. Diese Geräte sind sehr viel kleiner und können zudem in der Regel gut in bestehende Bausubstanz integriert werden. Eine elegante Lösung ist es, Lüfter, Wärmeübertrager und Steuerelektronik direkt im Fensterrahmen zu integrieren (Bild 1). Diesen Weg ging Rehau mit der Entwicklung des Fensterlüfters Geneo Inovent in Zusammenarbeit mit den Lüfterspezialisten des Motoren- und Ventilatorenherstellers ebm-papst.
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 von Rehau ausgelegt. Der vorhandene Bauraum im Fensterrahmen machte es notwendig, zwei ge-trennte Lüfter-Wärmeübertrager-Systeme für Zuluft und Abluft auszulegen, anstelle eines Systems mit einem sperrigeren Gegenstrom-Wärmeübertrager. Die Lüfterauslegung erfolgte mithilfe von 3 D-Strömungssimulationen, zunächst für den Lüfter allein, später in Verbindung mit den strömungsführenden Komponenten im Fensterrahmen.
Spezieller Einsatz für Trommelläufer
Für die Aufgabe kommen besonders kompakte Radiallüfter in DC-Technik, sogenannte Trommelläufer, von ebm-papst in Frage. DC-Lüfter besitzen elektronisch kommutierte Antriebe mit elektronischer Falschpolsicherung. Die Elektronik ist platzsparend in der Lüfterrad-Nabe integriert. Durch den hohen Wirkungsgrad der bürstenlosen Antriebe reduziert sich die Wärmebelastung der Lager und erhöht dadurch die Lebensdauer der Lüfter deutlich.
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 Be-rechnung von Trommelläufern ist heute mit modernen Simulationsmethoden möglich. Mithilfe numerischer 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 selbst 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 sogenannte 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 3 D-Strömungssimulationen 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 also auch 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 einphasigem Motor. Die blau dargestellten Werte zeigen das Verhalten eines Lüfters mit gleichem Bauraum und Antrieb, aber mit optimierter Aerodynamik, und die roten Werte stellen das akustische Verhalten des Serienlüfters dar, der mit einem drei-phasigen Motor ausgestattet wurde.
Aerodynamische und motorische Verbesserung
Man erkennt, dass sich für diesen Lüfter durch aerodynamische und motorische Verbesserung akustische Verbesserungen 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 mittels 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 numerische Strömungsberechnungsverfahren (Computational Fluid Dynamics, CFD). Der verhältnismäßig große Aufwand erlaubt es, komplexe Strömungsvorgänge zu berechnen (Bild 5). Mithilfe geeigneter Visualisierungen der Ergebnisse lassen sich dann Veränderungen und Verbesserungen gut bewerten und der experimentelle Aufwand kann signifikant 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 (Bild 6, rot dargestellt), sind die Abweichungen weit innerhalb aller Messtoleranzen und Produktstreuungen und vernachlässigbar.
Fazit
Die in den Fensterrahmen integrierte dezentrale Wohnraumbelüftung bietet den Komfort von frischer, vorgewärmter Luft. Durch den einfachen Fensteraustausch ohne besonderen Montageaufwand werden optische Beeinträchtigungen am Gebäude vermieden. Schallschutz und Einbruchshemmung des Fensters bleiben erhalten. Um diese Vorteile voll umsetzen zu können, wurden von ebm-papst besonders effiziente und leise Lüfter entwickelt, die den beengten Platzverhältnissen im Fensterrahmen angepasst sind.
Tore aus Luft
Produkte für anspruchsvolle Licht- und Gebäudesystemtechnik sind das Geschäft der mehr als 500 Mitarbeiter von Insta im sauerländischen Lüdenscheid. Viele hundert Warenein- und -ausgangsbewegungen gibt es dafür jeden Tag auf dem Gelände des Betriebs im Industriegebiet Hohe Steinert. Deshalb hat sich das Unternehmen für Luftschleieranlagen an den drei Wareneingangstoren und am Warenausgang entschieden. Hier sorgen die Anlagen dafür, dass es nicht mehr den üblichen großen Wärmeenergie-Verlust gibt, wenn eines der vier Tore geöffnet wird. Eingesetzt sind Anlagen der E-Serie von Teddington mit dem Convergo-Druckkammer-Düsensystem. Mit der Technologie wird ein komprimierter Schleier aus Warmluft erzeugt, der sich über die gesamte Toröffnung erstreckt und bis zum Boden reicht – die wichtigste Voraussetzung für den Abschirmeffekt, sodass die Innenräume zuverlässig von der kalten Außenluft abgeschirmt werden. Das System benötigt gegenüber konventionellen Geräten deutlich weniger Energie. Die Luftschleieranlagen sind über die elektronische Multifunktionssteuerung TLC 700 von Teddington in die Gebäudeleittechnik integriert.
Katrin Schaake,
Abteilung Central Research Development bei ebm-papst St. Georgen
Wolfgang Laufer,
Abteilung Central Research Development bei ebm-papst St. Georgen
Michael Schmitz,
Abteilung Central Research Development bei ebm-papst St. Georgen
