Teillast von Ventilatoren in Klima- und Lüftungsanlagen

Einleitung

Die aktuelle Ökodesign-Verordnung für Ventilatoren basiert auf dem Betriebs-punkt mit dem besten Wirkungsgrad (BEP) [2] und dem Nennbetriebspunkt bei Lüftungsgeräten [1]. Künftig sollen auch Teillastaspekte berücksichtigt werden. In vielen Fällen wird versucht, dies über einen Index zu beschreiben, aufgrund der vielfältigen Einsatzbereiche von Ventilatoren ist das aber nicht einfach. Diese Vielfalt erfordert nämlich eine stündliche Betrachtung der Betriebspunkte.

In dieser Untersuchung wurde die typische Anordnung eines zentralen Raumlufttechnischen (RLT-)Systems in Abhängigkeit von der thermischen Last, der Bedarfssteuerung, dem Klima und der Systemauslegung im Hinblick auf die Teilastaspekte analysiert. Diese Betrachtung beschränkt sich auf Ventilatoren in RLT-Geräten für Komfort-Anwendungen. Prozessanwendungen, die von vergleichbaren RLT-Geräten versorgt werden könnten, die aber ganz andere Betriebsparameter haben können, werden hier nicht behandelt. Obwohl nur wenige Beispiele analysiert wurden, lassen sie einen großen Streuungsbereich und erhebliche Unterschiede zwischen den Betriebsparametern erkennen. Eine Verallgemeinerung des Ventilatorbetriebs über einen einzigen Teillastindex dürfte demnach wenig zielführend sein.

Basisdaten und Werkzeuge für die Analyse

Aufbau des RLT-Geräts und des Ventilators

Die Analyse wurde anhand der folgenden Auslegung für ein typisches Lüftungsgerät durchgeführt, das der Ökodesign-Verordnung EU 1253/2011 entspricht [1] und mit einem allgemein verfügbaren Auswahltool spezifiziert wurde [3].

Die Komponenten und ihre jeweilige Leistung sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Ventilatorauswahl erfolgte für zwei verschiedene Ventilatoren (Hersteller) mit den Softwaretools der Ventilatorhersteller [4][5]. 

AC-System-Simulationstool und Lüfterauswahl

Die Systemsimulation für das gesamte RLT-System erfolgte mit AC-OPT [6] mit Stundenwerten. Die Teillastkennlinien der Ventilatoren werden unter Verwendung der Hersteller DLL erstellt. Bei der direkten Implementierung verschiedener Hersteller-DLL (über direkte oder Web-Berechnungsanfragen) für jeden Teillastpunkt in einem VVS-System (Variabel-Volumenstrom-System) steigt die Laufzeit für die Simulation eines ganzen Jahres von Sekunden auf viele Stunden. Die typischerweise notwendigen Iterationen führen dann zu mehr als 100.000 DLL-Anfragen. Um die Simulationszeit zu begrenzen, wurde ein Teillastkennfeld auf Basis der DLL des Ventilatorherstellers berechnet, wobei eine mehrfache kubische Regression auf der Grundlage von 100 DLL-Berechnungspunkten den gesamten Anwendungsbereich abdeckt (minimaler und maximaler Volumenstrom und Druck).

η_F,Sys = A + B * qv + C * qv² + D * qv³ + E * ∆ p + F * ∆ p2 +
               G * ∆ p³ + H * qv * ∆ p + I * qv² * ∆ p + J * qv * ∆ p²

qv: Luftvolumenstrom m³/h
∆ p: Gesamtdruck Pa
A...J: Regressionsfaktoren für Hyperboloid

Der Unterschied zwischen einer Regression für η_F,Sys und der DLL-Berechnung des Herstellers beträgt in den meisten Fällen weniger als 1 % absolut. Bild 2 zeigt ein Beispiel: Links ist das Hersteller-DLL-Ergebnis dargestellt, in der Mitte das Regressionsergebnis und rechts die absolute Differenz. Bei diesem Beispiel liegt die Differenz zwischen Herstellerangabe und Regression unter 1 % absolut. Eine derartige Regression führt zu kurzen Simulationszeiten bei hoher Genauigkeit.

Die Berechnung der Einbauverluste erfolgte nach den Richtlinien des RLT-Herstellerverbandes [7]. Die Analyse wurde mit zwei in den Nennbetriebspunkten hocheffizienten Ventilatoren unterschiedlicher Hersteller durchgeführt (Tabelle 2). Es wird angenommen, dass die Toleranz und die Qualität der Daten in der Nähe des besten Wirkungsgrades (BEP) recht gut sind, da diese in [1] geregelt sind und die Marktaufsichtsbehörden dies von Zeit zu Zeit überprüfen. Es gibt jedoch kaum Informationen über die Qualität der Teillastdaten bei niedrigen Drehzahlen und für verschiedene Kombinationen von Ventilatoren, Motoren und Antrieben. Für die vorliegende Untersuchung wurden aber diese Teillastdaten der Hersteller verwendet.

Teillastaspekte für einen Ein-Zonen-VAV-Betrieb

Teillastaspekte für die AC-System-Simulation – VAV-System mit einer Zone

Das oben beschriebene RLT-Gerät wird nun in zwei Anwendungen für ein typisches, nach Temperatur geregeltes VVS-System betrachtet. Es bedient eine Zone oder verschiedene Zonen, die auf die gleiche Weise betrieben werden.

Bild 3 a) veranschaulicht die Luftvolumenströme über den Jahreszeitraum, wobei in der Heizperiode ein Mindestvolumenstrom von 5.400 m³/h und in der Kühlperiode ein Höchstvolumenstrom von 10.800 m³/h in Abhängigkeit vom Kühllastbedarf bereitgestellt wird. Die Zulufttemperatur liegt konstant bei 18 °C. Die Raumlufttemperatur beträgt minimal 22 °C und maximal 26 °C. In der Heizperiode deckt ein statisches Heizsystem den Raumwärmebedarf. Dieses System ist typisch für Büroanwendungen.

Bild 3 b) ist ähnlich, deckt aber auch den Heizbedarf im Winter mit der Zuluft (keine statische Heizung im Raum). Um eine gute Verteilung der Raumluft zu gewährleisten, ist der Durchfluss im Heizbetrieb maximal. Die Zulufttemperatur hängt von den Lasten ab. Im Sommer gilt das Gleiche wie im Fall a). Die Zuluft kann ausschließlich Außenluft sein oder einen Anteil an Umluft beinhalten. Wenn das RLT-Gerät thermisch nicht optimiert ist, sind beide Fälle in Bezug auf die Ventilatorleistung ähnlich, möglicherweise aber nicht in Bezug auf die Gesamtleistung des AC-Systems. Solche Systeme sind für Hörsäle, Veranstaltungsräume usw. typisch.

Dabei handelt es sich nur um Beispiele. Der reale Betrieb hängt stark von den tatsächlichen Wärmelasten, der geplanten Zulufttemperatur, dem Belegungsplan, der Betriebszeit und der Systemauslegung ab.

Teillast-Betriebsfrequenzen – Ein-Zonen-VAV-System – thermisch geregelt

Tabelle 3 zeigt die Ergebnisse der Energiebedarfssimula-tion mit den in Bild 3 dargestellten Lastprofilen für ein VVS-System. Für weitere Randbedingungen wurden folgende Annahmen getroffen:

Konstante statische Druckregelung im Kanalsystem von 300 Pa sowie – in einer Variante – mit optimierter Regelstrategie, die einen minimalen Druck in Abhängigkeit der Betriebsparameter sicherstellt.

Exponent der Teillastkurve von 2, und 1,3 (1,3 bis 1,7 sind gute Annahme, wenn Druck- und VVS-Regler im System installiert sind).

Der Mindestluftvolumenstrom für die Anwendung beträgt 33% oder 50% des maximalen Luftvolumenstroms, was für viele Anwendungen typisch ist.

Aus der stündlichen Berechnung ergeben sich die Teillastkurven und Häufigkeitsverteilungen der Betriebspunkte in den Ventilatordiagrammen (Bild 4). Das rechte Diagramm gibt die einzelnen Betriebspunkte (Druck und Wirkungsgrad) des Ventilators wieder. Das linke Diagramm zeigt die relative Häufigkeit der Betriebspunkte (Kreisdurchmesser). Die Kreisdurchmesser weisen darauf hin, ob und wo es signifikante Teillastbetriebszeiten gibt.

Teillastbetriebsfrequenzen – VAV-System – Luftqualität und Anwesenheit kontrolliert

Betrachtet man nur die Lüftungsfunktion, so sind mit bedarfsgesteuerten Lüftungssystemen (DCV) hohe Energieeinsparungen möglich. Der Außenluftvolumenstrom wird für eine angestrebte Raumluftqualität (CO₂, VOC) oder mittels Anwesenheitssensoren (PID, Zähler usw.) gesteuert. Folgende Parameter wurden für die Variation angenommen:

Im Beispiel für die Bedarfssteuerung moduliert der Durchfluss zwischen minimal 3.600 m³/h (morgens und abends) und maximal 10.800 m³/h (mittags). Es wird davon ausgegangen, dass VVS-Regler erforderlich sind und der minimale statische Druck 300 Pa beträgt oder optimiert wird. Es wird ein Ein-Zonen-Modell verwendet.

Das Beispiel für die Anwesenheitssteuerung verwendet ein 3-Zonen-Modell mit unterschiedlichen Belegungszeiten und -strömen.

Zone 1: mindestens 2.400 m³/h von 6:00 bis 18:00 Uhr und

              maximal 7.200 m³/h von 9:00 bis 15:00 Uhr

Zone 2: mindestens 450 m³/h von 6:00 bis 18:00 Uhr und

              maximal 1.800 m³/h von 11:00 bis 14:00 Uhr

Zone 3: mindestens 1.200 m³/h von 6:00 bis 18:00 Uhr und

              maximal 3.600 m³/h von 14:00 bis 17:00 Uhr

Die Diagramme in Bild 5 „Variabler Luftstrom“ (siehe Kasten) zeigen die Betriebshäufigkeiten und die Druck-Wirkungsgrad-Kurven für die in Tabelle 4 aufgeführten Fälle.

Bei bedarfsgesteuerten Systemen hängt der Volumenstrom und damit der Betrieb der Ventilatoren von der Anwesenheit von Personen im Raum ab. Daraus ergibt sich ein eindeutiger Zusammenhang zwischen den Teillasthäufigkeiten und der Art der Teillastregelung im Luftverteilsystem.

Zusammenfassung

Die Beispiele zeigen, dass je nach Anlagentyp und Anwendung die Häufigkeit der Teillast ein wichtiger Auslegungsfaktor für Anlagen und Ventilatoren ist. Solange die Anlagenkennlinie in der Nähe der Spitzenwirkungsgradkurve des Ventilators liegt oder von der Nenn-/Spitzenlast dominiert wird, ist die derzeit übliche Ventilatorauswahl für RLT-Geräte nach Spitzen- oder Nennpunkten ein guter Kompromiss. Falls die Anlagenkennlinie flach ist oder ein hoher Druck benötigt wird, ist eine detaillierte Analyse der Teillasten erforderlich.

Für die Berechnungen wurde davon ausgegangen, dass die Teillastkurven der Ventilatorhersteller (Ventilator + Motor + Antrieb + Installationsverluste) zuverlässig sind, was jedoch nicht in allen Fällen zutreffen dürfte.

Im Rahmen der Überarbeitung der Ecodesign-Verordnung für Ventilatoren wurde darüber diskutiert, ergänzend Teillastaspekte oder Teillastindizes für Ventilatoren zu berücksichtigen.

Bild 6 zeigt den Bereich der Teillastfrequenzen der oben vorgestellten Beispiele. Bemerkenswert ist, dass die Streuung schon für ein einziges RLT-Gerät so breit ist. Dies zeigt deutlich, dass eine Verallgemeinerung von Teillastkurven schwierig sein könnte. Außerdem ist zu bedenken, dass die hier verwendeten Ventilatoren auch in vielen anderen, nicht mit RLT-Geräten verbundenen Anwendungen eingesetzt werden können. Es ist vermutlich wenig zielführend, ähnlich wie bei Motoren nur einen einzelnen Teillastindex zu verwenden. Zuverlässige Teillastkurven ermöglichen Nutzern und Anwendern eines Ventilators eine optimierte Auswahl. Dies wird voraussichtlich bei der kommenden Überarbeitung in der Ecodesign-Verordnung für Ventilatoren ergänzt.

Dann stehen Planern und Anwendern Teillastkurven in einer besseren Qualität für alle drehzahlgeregelten Ventilatoren über 125 W zur Verfügung, die eine zielgerichtete Auswahl für hohe Energieeffizienz in der jeweiligen Anwendung ermöglichen.