Ventilatoren für Lüftungssysteme mit Luftkanälen

Dieses Modul befasst sich mit Radial- und Axialventilatoren, die in Lüftungsanlagen mit Kanälen eingesetzt werden, und betrachtet ausgewählte Aspekte, darunter ihre Eigenschaften und Betriebsmerkmale.

Die beiden gängigen Ventilatortypen für Lüftungssysteme in Gebäuden werden allgemein als Radial- und Axialventilatoren bezeichnet – die Bezeichnung leitet sich von der jeweiligen Luftstromrichtung ab. Diese beiden Typen lassen sich wiederum in verschiedene Untertypen unterteilen, die für bestimmte Volumenstrom- und Druckcharakteristika sowie weitere Betriebseigenschaften (wie Größe, Geräuschentwicklung, Vibrationen, Reinigungsfreundlichkeit, Wartungsfreundlichkeit und Robustheit) entwickelt wurden.

Tabelle 1: Veröffentlichte Daten zur maximalen Lüftereffizienz in den USA und Europa für Lüfter mit einem Durchmesser > 600 mm

Einige der am häufigsten in der Klimatechnik eingesetzten Ventilatortypen sind in Tabelle 1 aufgeführt, zusammen mit Richtwerten für die maximale Effizienz, die aus Daten verschiedener US-amerikanischer und europäischer Hersteller ermittelt wurden.¹ Darüber hinaus erfreut sich der Radialventilator (eine Variante des Kreiselventilators) in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit.

Abbildung 1: Generische Lüfterkennlinien. Reale Lüfter können stark von diesen vereinfachten Kurven abweichen.

Charakteristische Lüfterkennlinien sind in Abbildung 1 dargestellt. Es handelt sich dabei um vereinfachte, idealisierte Kurven, von denen reale Lüfter abweichen können; dennoch weisen sie wahrscheinlich ähnliche Merkmale auf. Dazu gehören Instabilitätsbereiche, die durch Pendelbewegungen entstehen, bei denen der Lüfter zwischen zwei möglichen Volumenströmen bei gleichem Druck wechselt, oder die durch einen Strömungsabriss verursacht werden (siehe Kasten „Strömungsabriss“). Hersteller sollten in ihren Unterlagen auch die bevorzugten sicheren Betriebsbereiche angeben.

Radialventilatoren

Bei Radialventilatoren strömt die Luft entlang der Achse des Laufrads und wird anschließend durch die Zentrifugalkraft radial ausgestoßen. Diese Ventilatoren erzeugen sowohl hohe Drücke als auch hohe Volumenströme. Die meisten herkömmlichen Radialventilatoren sind in einem spiralförmigen Gehäuse (siehe Abbildung 2) untergebracht, das die strömende Luft lenkt und die kinetische Energie effizient in statischen Druck umwandelt. Um größere Luftmengen zu fördern, kann der Ventilator mit einem Laufrad mit doppelter Breite und doppeltem Lufteinlass konstruiert werden, sodass die Luft von beiden Seiten des Gehäuses eintritt.

Abbildung 2: Radialventilator in Spiralgehäuse mit rückwärts geneigtem Laufrad

Es gibt verschiedene Schaufelformen für das Laufrad, wobei die vorwärts und rückwärts gekrümmten Schaufeln die gängigsten sind. Die Schaufelform bestimmt die Leistung, den potenziellen Wirkungsgrad und die Kennlinie des Ventilators. Weitere Faktoren, die den Wirkungsgrad beeinflussen, sind die Breite des Laufrads, der Spalt zwischen Einlasskegel und rotierendem Laufrad sowie die Austrittsfläche (die sogenannte Blasfläche).

Diese Art von Ventilator wurde traditionell über einen Motor mit Riemenantrieb angetrieben. Dank verbesserter elektronischer Drehzahlregler und der zunehmenden Verfügbarkeit elektronisch kommutierter (EC- oder bürstenloser) Motoren werden Direktantriebe jedoch immer häufiger eingesetzt. Dadurch werden nicht nur die mit Riemenantrieben verbundenen Ineffizienzen (die je nach Wartungsaufwand zwischen 2 % und über 10 % liegen können²) beseitigt, sondern auch Vibrationen reduziert, der Wartungsaufwand verringert (weniger Lager und Reinigungsbedarf) und die Bauweise kompakter gestaltet.

Rückwärts gekrümmte Radialventilatoren

Rückwärtsgekrümmte (oder „geneigte“) Ventilatoren zeichnen sich durch Schaufeln aus, die von der Drehrichtung weg geneigt sind. Sie erreichen Wirkungsgrade von bis zu 90 %, wenn Tragflügel (siehe Abbildung 3) oder dreidimensionale, glatte Schaufeln verwendet werden. Mit glatten, gekrümmten Schaufeln ist der Wirkungsgrad etwas geringer und mit einfachen, flachen, rückwärtsgekrümmten Schaufeln nochmals niedriger. Die Luft verlässt die Laufradspitzen mit relativ geringer Geschwindigkeit, wodurch die Reibungsverluste im Gehäuse und die Geräuschentwicklung gering sind. An den Extrempunkten der Betriebskennlinie kann es zu Strömungsabrissen kommen. Relativ breite Laufräder erzielen die höchsten Wirkungsgrade und können problemlos mit den größeren Tragflügelprofilen ausgestattet werden. Schmale Laufräder profitieren weniger von Tragflügeln und verwenden daher meist glatte Schaufeln. Rückwärtsgekrümmte Ventilatoren sind besonders bekannt für ihre Fähigkeit, hohe Drücke bei gleichzeitig geringem Geräuschpegel zu erzeugen. Sie weisen zudem eine nicht überlastende Leistungskennlinie auf – das heißt, mit sinkendem Systemwiderstand und steigendem Volumenstrom sinkt die Leistungsaufnahme des Elektromotors. Die Konstruktion von rückwärts gekrümmten Ventilatoren ist in der Regel robuster und schwerer als die der weniger effizienten vorwärts gekrümmten Ventilatoren. Die relativ geringe Luftgeschwindigkeit an den Schaufeln kann die Ansammlung von Verunreinigungen (wie Staub und Fett) begünstigen.

Abbildung 3: Illustration von Radialventilatorlaufrädern

Vorwärtsgekrümmte Radialventilatoren

Vorwärtsgekrümmte Ventilatoren zeichnen sich durch eine große Anzahl vorwärtsgekrümmter Schaufeln aus. Da sie typischerweise niedrigere Drücke erzeugen, sind sie kleiner, leichter und kostengünstiger als vergleichbare rückwärtsgekrümmte Ventilatoren. Wie in Abbildung 3 und 4 dargestellt, verfügt das Laufrad dieses Ventilatortyps über mehr als 20 Schaufeln, die teilweise aus einem einzigen Metallblech gefertigt sein können. Höhere Wirkungsgrade werden bei größeren Abmessungen mit einzeln geformten Schaufeln erzielt. 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 weisen einen relativ geringen Wirkungsgrad von unter 70 % auf. Das Spiralgehäuse ist besonders wichtig für einen optimalen Wirkungsgrad, da die Luft die Schaufelspitzen mit hoher Geschwindigkeit verlässt und zur effektiven Umwandlung der kinetischen Energie in statischen Druck genutzt wird. Sie laufen mit niedrigen Drehzahlen, wodurch der Geräuschpegel tendenziell niedriger ist als bei schneller laufenden rückwärtsgekrümmten Ventilatoren. Der Lüfter weist bei Betrieb gegen niedrige Systemwiderstände eine Überlastungscharakteristik auf.

Abbildung 4: Vorwärtsgekrümmter Radialventilator mit integriertem Motor

Diese Ventilatoren sind beispielsweise nicht geeignet, wenn die Luft stark mit Staub verunreinigt ist oder mitgerissene Fetttröpfchen enthält.

Abbildung 5: Beispiel eines direkt angetriebenen Lüfters mit rückwärts gekrümmten Schaufeln

Radialflügelige Zentrifugalventilatoren

Radialventilatoren mit Schaufeln können zwar verunreinigte Luftpartikel bei hohen Drücken (in der Größenordnung von 10 kPa) fördern, sind aber bei hohen Drehzahlen sehr laut und ineffizient (unter 60 %) und daher für allgemeine Klimatechnik ungeeignet. Zudem neigen sie zu Überlastung: Sinkt der Systemwiderstand (beispielsweise durch Öffnen von Volumenstromreglern), steigt die Motorleistung und kann, abhängig von der Motorgröße, zu einer Überlastung führen.

Steckerlüfter

Anstatt in einem Spiralgehäuse montiert zu werden, können diese speziell entwickelten Radialventilatoren direkt im Gehäuse des Klimageräts (oder auch in einem beliebigen Kanal oder Plenum) eingesetzt werden. Ihre Anschaffungskosten sind in der Regel niedriger als die von gekapselten Radialventilatoren. Diese sogenannten Plenum-, Plug- oder einfach gehäuselosen Radialventilatoren bieten zwar Platzvorteile, gehen aber mit einem geringeren Wirkungsgrad einher (die besten Wirkungsgrade entsprechen denen von gekapselten, vorwärtsgekrümmten Radialventilatoren). Die Ventilatoren saugen Luft durch den Einlasskegel an (wie ein gekapselter Ventilator) und geben sie dann radial um den gesamten 360°-Außenumfang des Laufrads ab. Sie bieten eine hohe Flexibilität bei den Auslassanschlüssen (vom Plenum aus), wodurch weniger Krümmungen oder scharfe Übergänge im Kanalsystem benötigt werden, die den Druckverlust im System (und damit den Leistungsbedarf des Ventilators) erhöhen würden. Die Gesamteffizienz des Systems kann durch den Einsatz von trichterförmigen Einlässen an den aus dem Plenum austretenden Kanälen verbessert werden. Ein Vorteil des Rohrlüfters ist seine verbesserte Akustik, die hauptsächlich auf die Schallabsorption im Plenum und das Fehlen direkter Sichtverbindungen vom Laufrad zum Kanalaustritt zurückzuführen ist. Die Effizienz hängt stark von der Position des Lüfters im Plenum und seinem Abstand zum Auslass ab – das Plenum dient der Umwandlung der kinetischen Energie der Luft und damit der Erhöhung des statischen Drucks. Deutlich unterschiedliche Leistung und Betriebsstabilität hängen vom Laufradtyp ab – Mischstromlaufräder (die eine Kombination aus Radial- und Axialströmung erzeugen) wurden eingesetzt, um Strömungsprobleme zu beheben, die durch das starke Radialströmungsmuster einfacher Radiallaufräder entstehen.

Bei kleineren Einheiten wird deren kompakte Bauweise oft durch den Einsatz leicht steuerbarer EC-Motoren ergänzt.

Axiallüfter

Bei Axialventilatoren strömt die Luft entlang der Drehachse durch den Ventilator (wie im einfachen Rohr-Axialventilator in Abbildung 6 dargestellt). Die Druckerhöhung erfolgt durch aerodynamischen Auftrieb (ähnlich einem Flugzeugflügel). Axialventilatoren sind vergleichsweise kompakt, kostengünstig und leicht und eignen sich besonders für die Luftförderung bei relativ niedrigem Druck. Daher werden sie häufig in Abluftsystemen eingesetzt, in denen die Druckverluste geringer sind als in Zuluftsystemen. Die Zuluft umfasst üblicherweise den Druckverlust aller Klimakomponenten im Lüftungsgerät. Beim Austritt aus einem einfachen Axialventilator wird die Luft durch die Rotation beim Durchströmen des Laufrads in einen Drall versetzt. Die Leistung des Ventilators kann durch nachgeschaltete Leitschaufeln zur Rückgewinnung des Dralls deutlich verbessert werden, wie im Leitschaufel-Axialventilator in Abbildung 7 dargestellt. Der Wirkungsgrad eines Axialventilators wird durch die Schaufelform, den Abstand zwischen Schaufelspitze und Gehäuse sowie die Drallrückgewinnung beeinflusst. Die Schaufelsteigung kann verändert werden, um die Förderleistung des Ventilators effizient zu variieren. Durch Umkehrung der Drehrichtung von Axialventilatoren kann auch die Luftströmung umgekehrt werden – allerdings wird der Ventilator so konstruiert, dass er in der Hauptrichtung arbeitet.

Abbildung 6: Ein axialer Rohrventilator

Die Kennlinie von Axialventilatoren weist einen Strömungsabrissbereich auf, der sie für Systeme mit einem breiten Spektrum an Betriebsbedingungen ungeeignet machen kann, obwohl sie den Vorteil einer nicht überlastenden Leistungskennlinie bieten.

Abbildung 7: Ein axialer Schaufelventilator

Axialventilatoren mit Flügeln können genauso effizient sein wie rückwärts gekrümmte Radialventilatoren und sind in der Lage, hohe Fördermengen bei angemessenen Drücken (typischerweise um 2 kPa) zu erzeugen, allerdings verursachen sie wahrscheinlich mehr Lärm.

Der Mischstromventilator ist eine Weiterentwicklung des Axialventilators und verfügt, wie in Abbildung 8 dargestellt, über ein kegelförmiges Laufrad. Die Luft wird radial durch die sich erweiternden Kanäle angesaugt und anschließend axial durch die Leitschaufeln geleitet. Durch diese kombinierte Wirkung kann ein deutlich höherer Druck erzeugt werden als mit anderen Axialventilatoren. Wirkungsgrad und Geräuschpegel können mit denen eines rückwärtsgekrümmten Radialventilators vergleichbar sein.

Abbildung 8: Mischstrom-Rohrventilator

Die Installation des Ventilators

Die Bemühungen um eine effektive Lüfterlösung können durch die Wechselwirkung zwischen dem Lüfter und den örtlichen Luftkanälen erheblich beeinträchtigt werden.

Veröffentlichungsdatum: 07.01.2022