Ventilatoren Reduzierung des Energieverbrauchs raumlufttechnischer Anlagen durch optimierte Ventilatoren und Ventilatorenantriebe

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1 Arbeitsgemeinschaft Instandhaltung Gebäudetechnik (AIG) Instandhaltungs-Information Nr. 16 Ventilatoren Reduzierung des Energieverbrauchs raumlufttechnischer Anlagen durch optimierte Ventilatoren und Ventilatorenantriebe Einleitung August 1996 Bei raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) liegen die Kosten für die Luftförderung häufig in der Größenordnung von 30 bis 50 % der gesamten Energiekosten der Anlage. Der Energieverbrauch der Luftfördereinrichtung hängt von der Qualität des Ventilators und seines Antriebes sowie von deren Auswahl und baulicher Konzeption ab. Dieser Zusammenhang wird mit dem Einbauwirkungsgrad des Ventilators beschrieben, der bei älteren Anlagen meistens sehr gering ist. Diese Instandhaltungs-Information zeigt auf, wie durch Einsatz optimierter Ventilatoren und Antriebe der Energieverbrauch reduziert werden kann. Die Höhe der Einsparungen kann von Fall zu Fall sehr unterschiedlich sein. Der Ventilatoraustausch ist bei älteren Anlagen in der Regel eine sehr wirksame und wirtschaftliche aßnahme. Zusätzliche öglichkeiten zur Energieeinsparung siehe AIG 15 "Energiemanagement im Bereich der Technischen Gebäudeausrüstung". 1 Kenndaten des Ventilators im Einbauzustand aßgebend für die Auswahl von Ventilatoren sind die vom Hersteller zur Verfügung gestellten Katalogdaten. Die Leistung eines Ventilators stellt sich in seiner Kennlinie dar. Die Normkennlinie wird auf Normprüfständen mit eindeutig festgelegten, ungestörten Zu- und Abströmbedingungen ermittelt (siehe DIN 24163). Nur so ist eine Reproduzierbarkeit und ein Vergleich der Ergebnisse verschiedener Prüfstände und Hersteller möglich. In der Praxis bzw. im Einbauzustand gibt es die idealen Prüfstands-Bedingungen nicht. Die Folge sind von den Normkennlinien abweichende Einbaukennlinien (siehe Bild 1). Die Größe der Abweichung hängt von der Art der Einbaustörung und der Empfindlichkeit des Ventilators ab. Sie muss entweder durch Vergleichsmessung ermittelt oder abgeschätzt werden. Die Qualität der Umsetzung der dem Netz entnommenen elektrischen Energie drückt sich im Ventilator-Wirkungsgrad wie folgt aus: V& p η VolumenstromxDruckerhöhung Förderleistung E = E = = = Wirkungsgrad P Antriebsleistung Antriebsleistung Die Indizes bedeuten: E Einbauzustand Eingang otor Arbeitsgemeinschaft Instandhaltung Gebäudetechnik (AIG) im VDA Lyoner Straße 18, Frankfurt am ain Tel: 069/ , Fax: 069/ , E-ail: aig@vdma.org

2 AIG-Instandhaltungs-Information Nr. 16 Seite 2 von 5 Bild 1: Vergleich Normkennlinie/Einbaukennlinie Die akustischen Katalog-Kenndaten werden nach DIN Teil 38 ermittelt. Auch diese Prüfstandsdaten werden in der Praxis nicht erreicht, weil äußere Bedingungen das Ergebnis beeinflussen. 2 Energiebilanz des Ventilators in einer RLT-Anlage 2.1 Gesamtbilanz Die gesamte für die Luftförderung aufzuwendende Leistung ist: P = P + P + P + P + P Dabei ist: P Antriebsleistung, Eingang otor P A Verbrauch der angeschlossenen Geräte- und Anlagenteile Verbrauch des Ventilators P V A V E R ST

3 AIG-Instandhaltungs-Information Nr. 16 Seite 3 von 5 P E P R P ST Verbrauch des Elektromotors einschließlich Regeleinrichtung Verbrauch des Riementriebs Verbrauch durch Einbaustörungen Die quantitative Verteilung auf die Einzelverbraucher ist in jedem Anwendungsfall verschieden. Daher muss die mögliche Energieverbrauchsreduzierung auch individuell ermittelt werden. Zum Einsparpotential für die Luftförderung siehe 2.2. bis 2.5. Dabei ist nur die Energieeinsparung durch Verbesserung der Ventilatoren und Antriebe berücksichtigt. Verbesserungspotentiale für den Leistungsverbrauch der angeschlossenen Geräte- und Anlagenteile sind nicht Gegenstand dieser Instandhaltungs-Information. 2.2 Verbrauch durch den Ventilator Bei der Umsetzung der in die Laufradwelle eingeleiteten Antriebsleistung P W entstehen Verluste im Laufrad und im Gehäuse. Diese Verluste sind allein von der Bauart des Ventilators und seinem technischen Entwicklungsstand abhängig. Sie betragen bei Serienventilatoren radialer Bauart im Optimalbereich zwischen 20 und 30 % der Wellenleistung und vergrößern sich im Teillastbereich. Bei riemengetriebenen Ventilatoren müssen dazu noch die Lagerreibungsverluste berücksichtigt werden, die drehzahlabhängig sind und zu kleinen Drehzahlen hin entsprechend ansteigen. Ventilatoren in RLT-Geräten blasen meistens in eine große Kammer, deren Querschnitt ein Vielfaches des Ventilatoraustrittsquerschnittes ist. Dabei wird die Austrittsgeschwindigkeit extrem verzögert, ohne die darin enthaltene Energie zu nutzen. Weiterhin führen hohe Ventilatoraustrittsgeschwindigkeiten zu großen Verlustleistungen. 2.3 Verbrauch durch den Elektromotor Die Wirkungsgrade von Elektromotoren sind in Katalogen nur für die Nennleistung angegeben. Im Teillastbereich fallen sie sehr stark ab. Für eine Analyse muss die gesamte otor- Leistungskennlinie (die Antriebsleistung P in Abhängigkeit von der Antriebsleistung des Ventilators P W an der Welle) bekannt sein. Bei direkt angetriebenen Ventilatoren ist zu beachten, dass die Ventilatordrehzahl durch die Polzahl des Asynchronmotors bestimmt wird. Zwischendrehzahlen werden mit einem Frequenzumrichter, Phasenanschnittgerät oder Trafo erreicht. Diese Zusatzgeräte verbrauchen ebenfalls Energie und senken den otorwirkungsgrad um 5 bis 8 %. Für otornennleistungen unterhalb 15 kw ist die Verwendung von wirkungsgradoptimierten Energiesparmotoren zu empfehlen. Für kleinere Leistungen bis ca. 5 kw und Direktantrieb setzen sich immer mehr permanentmagneterregte otoren mit elektronischer Kommutierung durch. Diese otoren erreichen Wirkungsgrade bis 90 %, auch im Teillastbereich, und sind sehr gut regelbar. 2.4 Verbrauch durch den Riementrieb Für die Übertragung des Drehmomentes auf die otorwelle werden am häufigsten Schmalkeilriementriebe verwendet, weil damit problemlos beliebige Drehzahlen einstellbar sind. Nachteilig sind die Übertragungsverluste und der Riemenverschleiß, der zu einer Verschmutzung nachgeschalteter Filter führt. Wesentliche Verbesserungen sind mit Flachriementrieben möglich. Geringere Übertragungsverluste, vernachlässigbar kleiner Verschleiß und äußerste Laufruhe sind die Vorteile.

4 AIG-Instandhaltungs-Information Nr. 16 Seite 4 von 5 Der Leistungsverbrauch durch den Riementrieb kann wie folgt angesetzt werden: Schmalkeilriemen bis 4 kw 10 bis 18 % von P W Schmalkeilriemen > 4 kw 5 bis 10 % von P W Flachriemen 2 bis 4 % von P W Vorausgesetzt ist eine optimale Dimensionierung. 2.5 Verbrauch durch Einbaustörungen Die Auswirkungen von Einbaustörungen lassen sich nur experimentell durch Vergleich der Kennlinie mit und ohne Störung feststellen. Das ist in der Praxis selten möglich. Deshalb behilft man sich damit, die Verluste durch Beiwerte bezogen auf den dynamischen Druck zu beschreiben, obwohl die Fehleinschätzungen beträchtlich sein können. Einbaustörungen können sein: Eintritts- und Austrittsgitter Prallplatte (Verteilungsgitter) am Ventilatoraustritt geringer Wandabstand zum Ventilatoreintritt drallbehaftete Strömung vor dem Ventilatoreintritt Krümmer am Ventilatoraustritt 3 Akustische Verbesserung Ventilatoren sind Geräuschquellen, die Schall über den gesamten hörbaren Frequenzbereich emittieren. Die Schallpegel üblicher Radialventilatoren steigen mit fallender Frequenz stetig an, d.h. die höchsten Schallpegel treten bei den niedrigen Frequenzen auf. Dies kann zur Beeinträchtigung des subjektiven Wohlbefindens führen. Schalldämpfer lösen das Problem nur teilweise. Vor allem vergrößern sie die Anlagenverluste. Radialventilatoren neuerer Bauart erzeugen vor allem im niederfrequenten Bereich niedrigere Schallpegel und werden subjektiv angenehmer empfunden. Bei Altanlagen können somit Schalldämpfer entfernt oder verkleinert werden. Dies führt wiederum zu einer energetischen Verbesserung. 4 Einbau eines optimierten Ventilators Für den Einbau eines optimierten Ventilators ist eine gute Vorbereitung und Planung notwendig. Folgende Teilschritte gehören dazu: Erfassung sämtlicher Informationen über Aufgabe, Betriebsart und Betriebskosten esstechnische Erfassung der Leistungsdaten (Volumenstrom, Druckerhöhung, elektrische Wirkleistung und evt. Geräuschdaten) vor der Sanierung Erfassung sonstiger Daten wie Abmessungen, Leitungsquerschnitte, Klappenfunktion u.a. innerhalb der festgelegten Schnittstellen Angebotsabgabe, Wirtschaftlichkeitsberechnung Durchführung des Ventilatoraustausches und ggfs. weiterer Anlagenverbesserungen esstechnische Erfassung der Leistungsdaten nach dem Ventilatoraustausch und Vergleich mit den vorgegebenen Soll-Daten.

5 AIG-Instandhaltungs-Information Nr. 16 Seite 5 von 5 Nur Fachfirmen bzw. Instandhaltungsunternehmen der Technischen Gebäudeausrüstung sind für diese Aufgabe geeignet. Arbeitsgemeinschaft Instandhaltung Gebäudetechnik (AIG) im Fachverband Allgemeine Lufttechnik des VDA Verband Deutscher aschinen- und Anlagenbau e.v. Lyoner Str. 18, Frankfurt am ain Telefon: 0 69/ , Telefax: 0 69/ E-ail: aig@vdma.org, Internet: Ausgabe: August 1996 Arbeitsgemeinschaft Instandhaltung Gebäudetechnik (AIG) Jede Art der Vervielfältigung, auch auszugsweise, ist nur mit Genehmigung der Arbeitsgemeinschaft Instandhaltung Gebäudetechnik (AIG) gestattet.