Axial- und Radialventilatoren im energetischen Vergleich

Der energetische Wirkungsgrad beschreibt per Definition das Verhältnis von nutzbarer zu aufgewandter Energie. Das gilt auch für Ventilatoren. Allerdings ist es nicht so einfach zu entscheiden, welcher Ventilator nun wirklich den besten Wirkungsgrad hat und mit größtmöglicher Energieeffizienz arbeitet – denn Ventilatoren sind komplexe Strömungsmaschinen, die auf jede Veränderung reagieren. Das können z. B. die Einbausituation, Drehzahlvariationen oder veränderte Druckverhältnisse durch Filterverschmutzung sein. Einen Ventilator, der immer und überall mit dem „besten Wirkungsgrad“ arbeitet, gibt es folglich nicht. Für die meisten Anwendungen in RLT-Geräten sind allerdings Radialventilatoren die bessere Wahl.

Luftleistung, Geräusch und Wirkungsgrad jedes Ventilators hängen von der Geometrie des Laufrades, den Gehäusebauteilen sowie von der Drehzahl und dem Durchmesser ab. Prinzipiell können in Raumlufttechnischen Geräten (RLT) Radial- und Axialventilatoren eingesetzt werden. Bei beiden Bauarten wird die Luft parallel zur Rotationsachse angesaugt. Während Axialventilatoren hauptsächlich achsparallel ausströmen, tritt die Luft bei Radialventilatoren überwiegend vom Mittelpunkt aus strahlenförmig, also radial, nach außen aus. Für beide Bauarten ist der Volumenstrom zudem direkt proportional zur Drehzahl, während die Druckerhöhung mit dem Quadrat der Drehzahl ansteigt. Welcher Typ die bessere Wahl ist, hängt von der Anwendung ab. Damit der jeweilige Ventilator im Wirkungsgradoptimum und bei minimaler Geräuschabstrahlung arbeitet, spielen Einbausituation und Betriebsbedingungen eine wichtige Rolle.

Axialventilatoren: eine sinnvolle Lösung?

Für Axialventilatoren gilt, dass sie dann am effizientesten arbeiten, wenn sie bei niedrigen Gegendrücken die Luft – beispielsweise über einem Wärmeübertrager – ins Freie befördern. Um möglichst gute Wirkungsgrade zu erreichen, sollte das Laufrad eines Axialventilators dazu in einem aerodynamisch optimierten Wandring positioniert sein. Dieser sorgt in Verbindung mit einer Frontplatte für die richtige Strömungsführung und die erforderliche Trennung zwischen Saug- und Druckseite. Die Kennlinie für typische Axialventilatoren ist in Bild 1 blau markiert. Axialventilatoren erreichen also ihr Wirkungsgradoptimum bei großen Volumenströmen und das bei geringen Geräuschemissionen. Sie reagieren ohne zusätzliche Maßnahmen; ein vorgeschaltetes Leitrad aber reagiert empfindlich auf Schwankungen in der Zuströmung. Oft ist auf der Austrittseite zusätzlich noch ein Nachleitapparat sinnvoll, um den Wirkungsgrad zu optimieren, was dann den mechanischen Aufwand bei der Montage und die Baulänge erhöht. Das Abströmverhalten eines Axialventilators ist im Vergleich zu Radialventilatoren sehr fokussiert, was sich bei der Beaufschlagung nachgeschalteter Filter oder Wärmeübertrager nachteilig auswirkt. Bei Abströmung direkt in ein Kanalnetz, kann sich dies aber zum Vorteil umkehren (Bild 2).

Radialventilatoren: die bessere Wahl

Radiale Laufräder reagieren auf Einflüsse auf der Zu- und Abströmseite per se weniger empfindlich. Bei den speziell für den Einbau in RLT-Geräten konzipierten Radialventilatoren „RadiPac“ von ebm-papst wurden zudem nicht nur Laufrad, Motor, Ansteuerelektronik und Gehäuse im Hinblick auf Energieeffizienz und Geräuschemission optimiert, sondern auch die reale Einbausituation in RLT-Geräten mit einbezogen. Das Resultat kann sich sehen lassen: Bei der Ventilatorauswahl müssen keine großen Reserven für die Einbauverluste angesetzt werden. Zudem sind Radialventilatoren ohne Spiralgehäuse besonders flexibel einsetzbar, wenn es um Varianten bei der Abströmung aus dem RLT-Gerät geht. Da die Ventilatoren einen Druckraum (Druckplenum) mit Luft beaufschlagen, ist die Anbindung an ein Kanalnetz quasi in alle Richtungen ohne größere Verluste möglich.

Definition von Effizienz

Grundsätzlich wird die Effizienz über den Quotienten aus Nutzen zum Aufwand definiert. In der Lufttechnik sind dies dann die Kenngrößen Luftförderleistung (Volumenstrom x Druckerhöhung) dividiert durch die elektrische Leistungsaufnahme. Allerdings ist allein durch diese Angaben die Vergleichbarkeit von Herstellerangaben nicht gewährleistet, denn zuerst einmal gilt es festzustellen, welche Komponenten der betrachtete Ventilator beinhaltet. Handelt es sich lediglich um das Ventilatorlaufrad allein, können die Effizienzwerte nicht mit denen eines kompletten Ventilators bestehend aus Steuerelektronik (VSD), Motor und Ventilatorlaufrad verglichen werden. Auch reicht es nicht, die Einzelwirkungsgrade der verschiedenen Ventilatorkomponenten im Optimalpunkt einfach zu multiplizieren. Das wird zwar oft praktiziert, aber es ist nicht zu erwarten, dass alle verwendeten Komponenten jeweils in ihrem Effizienzoptimum arbeiten, wenn sie zusammengebaut sind. Zumal von den Herstellern der Komponenten oft nur Werte im Effizienzoptimum zu erhalten sind. Werte zum Teillastverhalten bei abgesenkter Drehzahl sind nur schwer zu bekommen. Um wirklichkeitsnahe Informationen zur Effizienz zu erhalten, muss die komplette Ventilatoreinheit als Ganzes vermessen werden.

Zurück zur Definition der Effizienz. Die Luftleistung ist definiert durch das Produkt aus der Luftmenge und der Druckerhöhung. Der Volumenstrom, also die Luftmenge, ist durch die Luftförderaufgabe gegeben. Die notwendige Druck erhöhung ergibt sich durch die Festlegung der durchströmten Bauteile wie Filter, Wärmeübertrager und des angeschlossenen Luftweges. Als Summe ist dies der Gesamtdruck und wird als statischer Druck angegeben und zur Ventilatorauswahl herangezogen.

Nun findet man immer wieder auch die Begriffe Totaldruck und Totaldruckerhöhung. Der Totaldruck ist die Summe des statischen und des dynamischen Drucks und ist somit immer höher als der statische Druck alleine. Also ist auch bei diesen Angaben Vorsicht geboten, wenn es um die Vergleichbarkeit von Ventilatorsystemen hinsichtlich ihrer Effizienz geht. Denn:

Um einen wirklichkeitsnahen energetischen Vergleich verschiedener Ventilatorsysteme anstellen zu können, muss also zuerst die Vergleichbarkeit hergestellt werden. Das betrifft als erstes, wie oben beschrieben, die Zusammenstellung des Ventilators und die Definition der zur Berechnung herangezogenen Drücke. Statt über Wirkungsgradprozente zu reden, ist es besser, den Vergleich über die zu erwartende Leistungsaufnahme für eine definierte Luftförderaufgabe zu führen. Wichtig ist dabei, auch die Wechselwirkung des Ventilators mit dem Umfeld im eingebauten Zustand zu bewerten. Diese als Einbauverluste (system effects) benannten Größen können bei verschiedenen Ventilatorarten und Einbauverhältnissen eine nicht zu unterschätzende Dimension annehmen und müssen bei der Ventilatorauswahl der erforderlichen (statischen) Gesamtdruckerhöhung zugeschlagen werden.

Hier schneiden Axialventilatoren mit einem sehr hohen partiellen Geschwindigkeitsniveau deutlich schlechter ab als Radialventilatoren ohne Spiralgehäuse. Messungen von ebm-papst haben gezeigt, dass auch die besten am Markt verfügbaren Axialventilatoren nicht die Gesamtwirkungsgrade, also die Effizienz, und auch nicht die niedrigen Geräuschwerte von Radialventilatoren erreichen (Bild 3). Allerdings kann die Effizienz und Akustik von Axialventilatoren durch druckseitig montierte Schalldämpfer-, Diffusor- oder Nachleitschaufel-Kombinationen deutlich verbessert werden. Aber auch mit solchen Maßnahmen, welche die Baulänge stark vergrößern, kommt man bestenfalls in die Nähe marktüblicher Radialventilatoren.

Radialventilatoren mit moderner EC-Technik

Die in technischen Unterlagen angegebenen Werte zur Leistungsaufnahme sind für die Auswahl von Ventilatoren relevant. Die dort ebenfalls angegebenen Wirkungsgrade bedürfen der richtigen Interpretation. Bei Axialventilatoren zusätzlich zu beachten ist die Tatsache, dass der strömungstechnisch instabile Betriebsbereich (Stall-Area) sehr nah am Effizienzoptimum des Ventilators liegt. Ändert sich die Anlagenkennlinie hin zu höheren Drücken, kann dies verheerende Folgen für die Betriebssicherheit des Geräts und damit der gesamten Anlage haben.

Autor: Uwe Sigloch, Head of Product & Market Management bei ebm-papst Mulfingen

Bilder: ebm-papst

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