Ventilatoren für Kanallüftungssysteme

Dieses Modul befasst sich mit Radial- und Axialventilatoren, die in Kanallüftungssystemen verwendet werden, und berücksichtigt ausgewählte Aspekte, einschließlich ihrer Eigenschaften und Betriebsattribute.

Die beiden in der Gebäudetechnik für Kanalsysteme verwendeten Lüftertypen werden allgemein als Radial- und Axialventilatoren bezeichnet – der Name leitet sich von der jeweiligen Strömungsrichtung des Luftstroms ab. Diese beiden Typen werden wiederum in verschiedene Untertypen unterteilt, die für bestimmte Volumenstrom-/Druckeigenschaften sowie weitere Betriebseigenschaften (einschließlich Größe, Geräuschentwicklung, Vibration, Reinigungsfähigkeit, Wartungsfreundlichkeit und Robustheit) entwickelt wurden.

Tabelle 1: In den USA und Europa veröffentlichte Spitzendaten zur Lüftereffizienz für Lüfter mit einem Durchmesser von >600 mm

Einige der am häufigsten in der Klima- und Lüftungstechnik eingesetzten Lüftertypen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Die Angaben zu den Spitzenwirkungsgraden stammen aus Daten verschiedener US-amerikanischer und europäischer Hersteller. Darüber hinaus erfreut sich der sogenannte „Plug“-Lüfter (eine Variante des Radialventilators) in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit.

Abbildung 1: Allgemeine Lüfterkurven. Reale Lüfter können stark von diesen vereinfachten Kurven abweichen

Lüfterkennlinien sind in Abbildung 1 dargestellt. Es handelt sich um übertriebene, idealisierte Kurven, und reale Lüfter können davon abweichen; sie weisen jedoch wahrscheinlich ähnliche Eigenschaften auf. Dies gilt auch für Instabilitätsbereiche, die durch Pendeln entstehen, wenn der Lüfter bei gleichem Druck zwischen zwei möglichen Durchflussraten hin- und herwechseln kann oder durch Abwürgen des Lüfters (siehe Abwürgen des Luftstromkastens). Hersteller sollten in ihrer Literatur auch bevorzugte „sichere“ Arbeitsbereiche angeben.

Radialventilatoren

Bei Radialventilatoren strömt die Luft axial in das Laufrad ein und wird anschließend durch die Zentrifugalbewegung radial aus dem Laufrad ausgestoßen. Diese Ventilatoren können sowohl hohe Drücke als auch hohe Volumenströme erzeugen. Die meisten herkömmlichen Radialventilatoren sind in einem Spiralgehäuse (siehe Abbildung 2) untergebracht, das die bewegte Luft lenkt und die kinetische Energie effizient in statischen Druck umwandelt. Um mehr Luft zu bewegen, kann der Ventilator mit einem doppelt breiten Laufrad mit doppeltem Einlass ausgestattet werden, sodass die Luft beidseitig in das Gehäuse einströmen kann.

Abbildung 2: Radialventilator im Spiralgehäuse mit rückwärts geneigtem Laufrad

Es gibt verschiedene Schaufelformen für das Laufrad, wobei vorwärts- und rückwärtsgekrümmte Schaufeln die Haupttypen sind. Die Schaufelform bestimmt Leistung, Wirkungsgrad und Form der Lüfterkennlinie. Weitere Faktoren, die den Wirkungsgrad des Lüfters beeinflussen, sind die Breite des Laufrads, der Abstand zwischen Einlaufkegel und rotierendem Laufrad sowie die Fläche, die zum Ausblasen der Luft genutzt wird (der sogenannte „Ausblasbereich“).

Dieser Lüftertyp wurde traditionell von einem Motor mit Riemen- und Riemenscheibenanordnung angetrieben. Mit der Verbesserung der elektronischen Drehzahlregelung und der zunehmenden Verfügbarkeit elektronisch kommutierter („EC“- oder bürstenloser) Motoren werden jedoch immer häufiger Direktantriebe eingesetzt. Dies beseitigt nicht nur die mit einem Riemenantrieb verbundenen Ineffizienzen (die je nach Wartung zwischen 2 % und über 10 % liegen können), sondern verringert wahrscheinlich auch Vibrationen, reduziert den Wartungsaufwand (weniger Lager und Reinigungsaufwand) und macht die Baugruppe kompakter.

Rückwärtsgekrümmte Radialventilatoren

Rückwärts gekrümmte (oder „geneigte“) Lüfter zeichnen sich durch entgegen der Drehrichtung geneigte Schaufelblätter aus. Sie erreichen Wirkungsgrade von bis zu 90 %, wenn sie mit Tragflächenblättern (siehe Abbildung 3) oder mit dreidimensional geformten, glatten Schaufelblättern verwendet werden. Bei glatt gekrümmten Schaufelblättern liegt der Wirkungsgrad etwas darunter, und bei einfachen, rückwärts geneigten, flachen Schaufelblättern ist er noch geringer. Die Luft verlässt die Spitzen des Laufrads mit relativ geringer Geschwindigkeit, sodass die Reibungsverluste im Gehäuse gering sind und auch die Luftgeräusche gering sind. An den Extrempunkten der Betriebskurve kann es zu einem Strömungsabriss kommen. Relativ breitere Laufräder bieten die höchsten Wirkungsgrade und eignen sich gut für die Verwendung von Schaufelblättern mit größerem Tragflächenprofil. Schlanke Laufräder bieten kaum Vorteile durch Tragflächen, daher werden eher flache Schaufelblätter verwendet. Rückwärts gekrümmte Lüfter zeichnen sich besonders durch ihre Fähigkeit aus, hohe Drücke bei geringem Geräuschpegel zu erzeugen. Sie zeichnen sich durch eine überlastungsfreie Leistungskennlinie aus – das heißt, mit abnehmendem Widerstand im System und steigendem Durchfluss verringert sich die Leistungsaufnahme des Elektromotors. Die Konstruktion rückwärts gekrümmter Lüfter ist wahrscheinlich robuster und schwerer als die weniger effizienten vorwärts gekrümmten Lüfter. Die relativ langsame Luftgeschwindigkeit über den Flügeln kann zur Ansammlung von Verunreinigungen (wie Staub und Fett) führen.

Abbildung 3: Darstellung der Laufräder von Radialventilatoren

Vorwärtsgekrümmte Radialventilatoren

Vorwärtsgekrümmte Ventilatoren zeichnen sich durch eine große Anzahl vorwärtsgekrümmter Schaufelblätter aus. Da sie typischerweise niedrigere Drücke erzeugen, sind sie kleiner, leichter und günstiger als vergleichbare rückwärtsgekrümmte Ventilatoren. Wie in Abbildung 3 und Abbildung 4 dargestellt, besteht ein solches Laufrad aus über 20 Schaufelblättern, die aus einem einzigen Blech geformt sein können. Höhere Wirkungsgrade werden durch individuell geformte Schaufelblätter bei größeren Abmessungen erreicht. Die Luft verlässt die Schaufelspitzen mit hoher Tangentialgeschwindigkeit, und diese kinetische Energie muss im Gehäuse in statischen Druck umgewandelt werden – dies mindert den Wirkungsgrad. Sie werden typischerweise für geringe bis mittlere Luftmengen bei niedrigem Druck (normalerweise <1,5 kPa) eingesetzt und haben einen relativ niedrigen Wirkungsgrad von unter 70 %. Das Spiralgehäuse ist besonders wichtig für einen optimalen Wirkungsgrad, da die Luft die Schaufelspitzen mit hoher Geschwindigkeit verlässt und die kinetische Energie effektiv in statischen Druck umwandelt. Sie laufen mit niedrigen Drehzahlen, daher ist der mechanisch erzeugte Geräuschpegel tendenziell geringer als bei rückwärtsgekrümmten Ventilatoren mit höheren Drehzahlen. Beim Betrieb gegen niedrige Systemwiderstände weist der Lüfter eine Überlastleistungscharakteristik auf.

Abbildung 4: Vorwärtsgekrümmter Radialventilator mit integriertem Motor

Wenn die Luft beispielsweise stark mit Staub belastet ist oder Fetttröpfchen mit sich führt, sind diese Ventilatoren nicht geeignet.

Abbildung 5: Beispiel eines direkt angetriebenen Plug-Fans mit rückwärts gekrümmten Schaufeln

Radialventilatoren mit Radialschaufeln

Der Radialventilator mit Radialschaufeln hat den Vorteil, dass er verunreinigte Luftpartikel und hohe Drücke (ca. 10 kPa) transportieren kann. Bei hohen Drehzahlen ist er jedoch sehr laut und ineffizient (<60 %) und sollte daher nicht für allgemeine HLK-Anwendungen eingesetzt werden. Er neigt außerdem zu Überlastungen: Mit abnehmendem Systemwiderstand (z. B. durch Öffnen der Volumenstromregler) steigt die Motorleistung und kann je nach Motorgröße zu einer Überlastung führen.

Steckerlüfter

Anstatt in einem Spiralgehäuse montiert zu werden, können diese speziell entwickelten Radiallaufräder direkt im Gehäuse der Lüftungsanlage (oder in jedem beliebigen Kanal oder Plenum) eingesetzt werden. Ihre Anschaffungskosten sind in der Regel niedriger als bei gekapselten Radialventilatoren. Diese sogenannten Plenum-, Plug- oder einfach ungekapselten Radialventilatoren bieten zwar Platzvorteile, gehen jedoch zu Lasten der Betriebseffizienz (die besten Wirkungsgrade liegen in der Nähe von gekapselten, vorwärtsgekrümmten Radialventilatoren). Die Ventilatoren saugen die Luft durch die Einlassdüse an (wie ein gekapselter Ventilator), blasen sie dann aber radial um den gesamten 360°-Außenumfang des Laufrads aus. Sie bieten eine hohe Flexibilität bei den Auslassanschlüssen (aus dem Plenum), sodass weniger Bögen oder scharfe Übergänge im Kanalsystem erforderlich sind, die den Systemdruckabfall (und damit die Lüfterleistung) erhöhen würden. Die Gesamteffizienz des Systems kann durch die Verwendung von trichterförmigen Einlässen an den das Plenum verlassenden Kanälen verbessert werden. Einer der Vorteile des Plug Fans ist seine verbesserte akustische Leistung, die größtenteils auf die Schallabsorption im Plenum und das Fehlen von „direkten Sichtwegen“ vom Laufrad in die Mündung des Kanalsystems zurückzuführen ist. Die Effizienz hängt stark von der Position des Lüfters im Plenum und von der Beziehung des Lüfters zu seinem Auslass ab – das Plenum dient dazu, die kinetische Energie in der Luft umzuwandeln und so den statischen Druck zu erhöhen. Erheblich unterschiedliche Leistung und Betriebsstabilität hängen vom Laufradtyp ab – Mischstromlaufräder (die eine Kombination aus radialer und axialer Strömung erzeugen) wurden eingesetzt, um Strömungsprobleme zu überwinden, die sich aus dem starken radialen Luftströmungsmuster ergeben, das bei der Verwendung einfacher Kreisellaufräder erzeugt wird3.

Bei kleineren Geräten wird die kompakte Bauweise oft durch den Einsatz gut regelbarer EC-Motoren ergänzt.

Axialventilatoren

Bei Axialventilatoren strömt die Luft entlang der Rotationsachse durch den Ventilator (wie beim einfachen Rohraxialventilator in Abbildung 6 dargestellt). Der Druckaufbau erfolgt durch aerodynamischen Auftrieb (ähnlich einem Flugzeugflügel). Axialventilatoren sind vergleichsweise kompakt, kostengünstig und leicht und eignen sich besonders für die Förderung von Luft bei relativ niedrigem Druck. Daher werden sie häufig in Abluftsystemen eingesetzt, in denen die Druckabfälle geringer sind als bei Zuluftsystemen. Die Zuluft berücksichtigt in der Regel den Druckabfall aller Klimaanlagenkomponenten im Lüftungsgerät. Beim Austritt aus einem einfachen Axialventilator verwirbelt die Luft aufgrund der Rotation, die der Luft beim Durchströmen des Laufrads verliehen wird. Die Leistung des Ventilators kann durch nachgeschaltete Leitschaufeln zur Rückgewinnung des Dralls deutlich verbessert werden, wie beim Flügelaxialventilator in Abbildung 7. Die Effizienz eines Axialventilators wird durch die Form des Flügels, den Abstand zwischen Flügelspitze und Gehäuse sowie die Drallrückgewinnung beeinflusst. Die Neigung des Flügels kann verändert werden, um die Leistung des Ventilators effizient zu variieren. Durch Umkehren der Drehrichtung von Axialventilatoren kann auch der Luftstrom umgekehrt werden – der Ventilator wird jedoch so konstruiert, dass er in die Hauptrichtung arbeitet.

Abbildung 6: Ein Rohraxialventilator

Die Kennlinie von Axialventilatoren weist einen Stillstandsbereich auf, der sie für Systeme mit stark variierenden Betriebsbedingungen ungeeignet machen kann, obwohl sie den Vorteil einer nicht überlastbaren Leistungskennlinie haben.

Abbildung 7: Ein Axiallüfter mit Flügelzellen

Axialventilatoren mit Flügelzellen können genauso effizient sein wie Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Flügelzellen und sind in der Lage, hohe Strömungen bei angemessenem Druck (normalerweise um die 2 kPa) zu erzeugen, allerdings erzeugen sie wahrscheinlich mehr Lärm.

Der Halbaxialventilator ist eine Weiterentwicklung des Axialventilators und verfügt, wie in Abbildung 8 dargestellt, über ein konisch geformtes Laufrad, bei dem die Luft radial durch die sich erweiternden Kanäle angesaugt und anschließend axial durch die sich geraden Leitschaufeln geleitet wird. Durch die kombinierte Wirkung kann ein weitaus höherer Druck erzeugt werden als bei anderen Axialventilatoren. Wirkungsgrad und Geräuschpegel können denen eines Radialventilators mit Rückwärtskrümmung ähneln.

Abbildung 8: Mischstrom-Rohrventilator

Die Installation des Lüfters

Die Bemühungen, eine wirksame Lüfterlösung bereitzustellen, können durch die Beziehung zwischen dem Lüfter und den lokalen Luftkanälen stark beeinträchtigt werden.

Beitragszeit: 07.01.2022