Entwicklungstendenzen in der Ventilatorentechnik
Der heute vielgebrauchte Begriff „Effizienz“ beschreibt das Verhältnis von erbrachter Leistung und dem dazu notwendigen Aufwand. Dabei geht es nicht nur um Energieeffizienz. In der Ventilatorentechnik liegt das Augenmerk zwar auf möglichst hohen Wirkungsgraden, auch um zukünftig den strenger werdenden Richtlinien zu genügen. Wichtig in der Ventilatorenentwicklung ist aber auch die Materialeffizienz, z.B. durch Verwendung von Biokunststoffen. Montagefreundliche Plug-and-Play-Lösungen statt vieler Einzelteile dienen ebenfalls der Effizienzsteigerung, die dazu dem Anwender den Umgang mit der Technik vereinfachen.
Bild 1: Die neuen EC-Motoren (rechts) sind trotz der integrierten Kommutierungs- und Ansteuerelektronik genauso kompakt wie herkömmliche AC-Motoren (links) und ermöglichen so einen einfachen Austausch.
Bild 2: EC-Motoren erreichen Wirkungsgrade von bis zu 90%.
Bild 3: Prinzipieller Aufbau der „HyBlade“-Schaufeln: Eine Trägerstruktur aus einer hochfesten, korrosionsbeständigen Aluminiumlegierung ist mit einem Mantel aus glasfaserverstärktem Kunststoff umspritzt.
Bild 4: Der Ventilator mit einem Wandring aus „Biowerkstoff“ erfüllt alle bisherigen technischen Spezifikationen. Die schwarz eingefärbte Variante (rechts) ist seit Anfang 2012 in Serie.
Bild 5: Einbaufertiges Komplettsystem in „GreenTech“-EC-Technologie.
In der Luft- und Klimatechnik ist die Effizienz der eingesetzten Ventilatoren zu einem zentralen Thema geworden. Nicht nur die mit der Energiesparverordnung geschaffenen gesetzlichen Grundlagen, sondern auch gesteigertes Umwelt- und Kostenbewusstsein seitens der Anwender tragen dazu bei, sodass energiesparende EC-Technik heute in allen Bereichen verstärkt Anwendung findet. Als Ventilatorenantriebe bei luft- und klimatechnischen Anlagen sind heute aber noch häufig Asynchronmotoren Stand der Technik, und das aus folgenden Gründen: Die bewährten AC-Motoren sind kompakt und einfach aufgebaut, da sie direkt aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz gespeist werden. Für die Versorgung des Läufers benötigen sie weder mechanische Kollektoren noch Elektronik, sind robust und arbeiten zuverlässig. Allerdings erreichen EC-Motoren im Vergleich zu AC-Motoren einen deutlich höheren Wirkungsgrad, was vor allem im Hinblick auf die Forderungen der Energiesparverordnung in naher Zukunft unabdingbar ist. Deshalb gilt es, dem Anwender den Umstieg auf die EC-Technik zu erleichtern. Dem tragen aktuelle Entwicklungen in der Ventilatorentechnik Rechnung.
Umstieg auf EC-Technik
Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst Mulfingen beispielsweise hat eine neue EC-Motorengeneration entwickelt, die mit der integrierten Kommutierungs- und Ansteuerelektronik genauso kompakt ist wie übliche AC-Motoren. Sowohl bei Axial- als auch bei Radialventilatoren lassen sich dadurch die ursprünglichen AC-Varianten einfach gegen neue EC-Ausführungen tauschen (Bild 1). Ohne Designänderungen am Kundengerät können die mit bis zu 90% hohen Wirkungsgrade der EC-Motoren genutzt werden (Bild 2). Die Betriebskosten sinken, und der niedrigere Energieverbrauch entlastet die Umwelt. Gleichzeitig überzeugen die Antriebe durch leisen Lauf, was vor allem bei in Wohnräumen eingesetzten Geräten ein Vorteil ist. Den Schlüssel dazu liefert eine geräuscharme Kommutierung, die präzise an den EC-Motor angepasst ist.
EC-Motoren sind vom Prinzip her permanentmagneterregte Synchronmotoren. Bei ihnen folgt der magnetische Rotor synchron einem Drehfeld, das elektronisch erzeugt wird. Dadurch lassen sich beliebige Betriebsdrehzahlen realisieren, unabhängig von der verwendeten Netzfrequenz. Die Entwicklung stellte eine jedoch große technische Herausforderung dar, um bei begrenztem Einbauraum die notwendige Elektronik in den EC-Motoren unterzubringen. Außer der Miniaturisierung und Optimierung der Elektronik war zudem eine mechanische Kompatibilität erforderlich. Dazu gehören z.B. die Anpassung der gesamten Motorbauform und die gleiche Ausgestaltung des Anbauflansches wie bei AC-Motoren.
Kunststoffe und Verbundwerkstoffe
Auch bei den Ventilatorschaufeln gibt es im Hinblick auf die Effizienzsteigerung Optimierungspotenziale, die es auszuschöpfen gilt. Dies bezieht sich zum einen auf die Strömungstechnik, zum anderen aber auch auf die Materialauswahl. Die heute vor allem bei großen Axialventilatoren üblichen Schaufeln aus Stahl- oder Aluminiumblech bzw. Aluminiumdruckguss setzen den Konstrukteuren enge Grenzen. Die monolithischen Schaufeln mit einheitlicher Blechdicke schränken die Gestaltungsmöglichkeit naturgemäß ein. Stahlbleche müssen zudem lackiert werden, um einen angemessenen Korrosionsschutz für die Outdoor-Anwendungen zu erhalten. Hinzu kommen steigende Rohstoffpreise, besonders bei Aluminium, die einen verantwortungsvollen und schonenden Umgang mit den Rohstoffressourcen erfordern. Robuste Kunststoffmaterialien bei Ventilatorschaufeln bieten deshalb zahlreiche Vorteile:
Während man Blechteile lediglich stanzen, biegen und prägen kann, lassen sich bei Kunststoffen ohne Probleme dreidimensionale Profile formen. Dabei können auch die von der Flugzeugtechnik bekannten Winglets berücksichtigt werden. Sie reduzieren unerwünschte Luftströmungen zwischen umlaufender Schaufel und Gehäuse. Dadurch verbessern sich der Wirkungsgrad und das Geräuschverhalten. Gleichzeitig trägt das gute Dämpfungsverhalten des Kunststoffs zur Geräusch- und Gewichtsreduzierung bei.
Je nach Anforderung bzgl. Festigkeit und Einsatzgebiet werden bei den Ventilatorschaufeln unterschiedliche Materialien eingesetzt. Ein typisches Beispiel dafür liefern die „HyBlade“ Schaufeln (Bild 3), die bei großen Axialventilatoren das Geräuschverhalten und den Wirkungsgrad verbessern. Hier nimmt ein Aluminiuminlet die mechanischen Kräfte im Betrieb auf und stellt eine dauerhafte Verbindung zum Rotor sicher, während der Kunststoff die tragende Struktur umschließt und dabei der Schaufel ihre strömungstechnisch optimale Form gibt.
Biowerkstoffe und Systemlösungen statt Einzelkomponenten
Ein ebenfalls wichtiges Thema in der Ventilatorenentwicklung ist heute der Einsatz natürlicher Rohstoffe. Bis 2015 will beispielsweise ebm-papst 15% aller eingesetzten Kunststoffe bei den Produkten durch nachhaltige Werkstoffe ersetzen. Den ersten „Bio-Ventilator“, bei dem der Wandring aus einem Holzfaser-Kunststoff-Verbundwerkstoff besteht, gibt es bereits seit Anfang 2012 (Bild 4). Eigenschaften wie lange Haltbarkeit und Temperaturstabilität seien ebenso erfüllt wie die Einhaltung aller bisherigen technischen Spezifikationen. Korrosion ist bei der Materialkombination nicht zu befürchten und die Dämpfungseigenschaften seien ausgesprochen gut.
Sehr konkrete Effizienzsteigerung bringt derzeit aber noch ein ganz anderer Entwicklungsschwerpunkt: Komplette Systemlösungen, die sich als Plug-and-Play-Geräte im Gegensatz zu vielen Einzelkomponenten praxisgerecht und einfach montieren lassen. Ein Beispiel dafür liefern die bereits beschriebenen EC-Motoren, die es als Komplettlösung mit applikationsspezifischen Lüfterrädern und Gehäusen gibt. Dem Anwender steht damit eine einbaufertige Ventilatorlösung zur Verfügung (Bild 5). Diese bietet außer den Montage- und Logistikvorteilen einen deutlich höheren Wirkungsgrad, da alle Einzelkomponenten optimal aufeinander abgestimmt sind (Motor, Elektronik, Laufrad).
Autor: Dipl.-Ing. (FH) Gunter Streng, Leiter Entwicklung Produktbereich A bei ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG
Bilder: ebm-papst Mulfingen GmbH & Co. KG, Mulfingen
www.ebmpapst.com
ErP-Richtlinie fordert hohe Ventilator-Wirkungsgrade
Die Europäische Union hat sich mit Verabschiedung des Kyoto-Protokolls verpflichtet, die CO2-Emission bis 2020 um mindestens 20% zu reduzieren. Eine Maßnahme, dies zu erreichen, ist die 2005 von der EU verabschiedete EuP-Richtlinie (Energy using products-Directive), die 2009 in ErP-Richtlinie (Energy related Products-Directive) umbenannt wurde und in Deutschland auch unter der Bezeichnung Ökodesign-Richtlinie bekannt ist. Dabei gibt die EU einen zweistufigen Plan vor und legt an Ventilatoren strenge Maßstäbe an, damit in Europa künftig keine „Energiefresser“ mehr in Verkehr gebracht werden: Ab 1. Januar 2013 gilt die erste Stufe, nach der schätzungsweise rund 30% aller momentan am Markt verfügbaren Ventilatoren den europäischen Bestimmungen nicht mehr genügen werden. Ab 2015 sollen in der zweiten Stufe etwa weitere 20% durch effizientere Produkte ersetzt werden, die dann die vorgeschriebenen Mindestwirkungsgrade erreichen müssen. Ventilatoren, die der Verordnung entsprechen, erkennt der Anwender an der CE-Kennzeichnung, bei der die Energieeffizienz dann den gleichen Stellenwert einnimmt, wie das Einhalten der Niederspannungs- oder EMV-Richtlinie. Ein Labeling wie bei Waschmaschinen, Kühlschränken etc. ist bei Ventilatoren nicht vorgesehen, da die Ventilatoren-Hersteller meist keinen Einfluss auf die Einbaugegebenheiten haben.
