Auch Ventilatoren vor Herausforderungen

Der Klimaschutz ist eine Herausforderung, der es mit Klimaschutzvereinbarungen, Gesetzen und Vorschriften zur Dekarbonisierung zu begegnen gilt.

Dazu gehört auch die sogenannte F-Gas-Verordnung, die seit dem 1. Januar 2015 gilt. Bis zum Jahr 2030 sollen die Emissionen fluorierter Treibhausgase (F-Gase) in der EU stufenweise um 70 Mio. t auf 35 Mio. t CO2-Äquivalent gesenkt werden. Der Umstieg auf natürliche Kältemittel mit einem geringen Global Warming Potential (GWP) ist daher zwingend notwendig. Allerdings sind diese oft brennbar. Daraus folgt, alle beispiels-weise in Wärmepumpen verbauten Komponenten müssen die Normen für brennbare Kältemittel erfüllen. Das trifft auch auf die eingesetzten Ventilatoren zu. Diese sollten aber darüber hinaus auch noch möglichst leise und energieeffizient arbeiten.

Die Wärmeversorgung verlangt heute nach Konzepten, die auf erneuerbare Energien setzen. Wärmepumpen erfreuen sich deshalb sowohl bei Neubauten als auch bei Sanierungen immer größerer Beliebtheit und werden in vielen Fällen mit Förderungen bezuschusst. So entwickeln sie sich zu einer wichtigen Säule einer nachhaltigeren Wärmegewinnung. Heute wird rund die Hälfte aller neuen Wohnbauprojekte damit ausgestattet. Luft/Wasser-Wärmepumpen sind dabei aufgrund ihrer Effizienz und einfachen Aufstellung bzw. Installation weit verbreitet. Sie nutzen die Wärme aus der Umgebungsluft und übertragen diese über einen Zwischenkreis mit Kältemittel auf den Heizwasserkreislauf (Abb.1).

Welche Möglichkeiten gibt es für Ventilatoren?

Der Stufenplan der F-Gas-Verordnung (Verordnung (EU) Nr. 517/2014) reglementiert jedoch den Einsatz von teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffen (HFKW, Abb. 2). An den natürlichen Alternativen führt deshalb langfristig kein Weg vorbei. Diese sind allerdings in den meisten Fällen brennbar. Der Grund dafür ist einfach zu verstehen: Ein niedriger GWP-Wert bedingt nämlich eine schnelle Zersetzung des Kältemittels beim Eintritt in die Atmosphäre. Dies kann nur gewährleistet werden, wenn es chemisch reaktiv ist. Eine hohe Reaktivität be-deutet eben meist aber auch eine hohe Brennbarkeit. Hersteller müssen deshalb bei der Entwicklung von Kälte- und Klimaanlagen, Haushaltskühlgeräten sowie Wärmepumpen darauf achten, dass sie darin ausschließlich Komponenten verwenden, die die jeweils geltenden Normen für den Umgang mit brennbaren Kältemitteln erfüllen.

Für Ventilatoren, die in Wärmepumpen für den notwendigen Luftstrom über den Verdampfer sorgen, bedeutet das: Auch bei einem Fehler darf ihre Elektronik nicht zur Zündquelle werden. Dies lässt sich prinzipiell auf unterschiedliche Weise realisieren. Eine – allerdings recht aufwendige – Methode sind schwadensichere Gehäuse, die verhindern, dass Elektronik und zündfähige Atmosphäre miteinander in Berührung kommen. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines zusätzlichen, kleineren ATEX-Ventilators, der für eine zuverlässige Durchlüftung des Geräts sorgt. Dieses Prinzip der ständigen Belüftung kommt aber nur selten zur Anwendung, zum Beispiel in Chillern. Die meisten Hersteller von Luft/Wasser-Wärmepumpen bevorzugen für den Einsatz mit brennbaren Kältemitteln zugelassene Komponenten. !PAGEBREAK()PAGEBREAK!

Antriebsauslegung gemäß EN 60335-2-40

Der Einsatz ATEX-zugelassener Ventilatormotoren ist zwar immer möglich, oft aber überdimensioniert und teuer. Der Motoren- und Ventilatorenspezialist ebm-papst bietet deshalb eine speziell für den Einsatz in Luft/Wasser-Wärmepumpen ausgelegte Alternative. Bei den Ventilatorantrieben der Baugröße 55, 74 und 84 wurden die Elektronikschaltungen so modifiziert, dass sie der EN 60335-2-40 für Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln entsprechen, das heißt, die maximale Oberflächentemperatur muss im Fehlerfall mindestens 100 K unter der Zündtemperatur des eingesetzten Kältemittels liegen. Bei Propan, das sich wegen seiner guten Wärmeübertragungsleistung und seines niedrigen GWP-Wertes sehr gut bei Neubauten aber auch bei der Altbausanierung eignet, liegt die Zündtemperatur bei 470 °C.

Die entsprechend getestet und zertifizierten Elektronikbaugruppen garantieren dann, dass ihre maximale Oberflächentemperatur auch im Falle einer Fehlfunktion immer unter 370 °C bleibt und sie somit nicht zur Zünd-quelle werden.

Die gemäß EN 60335-2-40 („Sicherheit elektrischer Geräte für den Hausgebrauch und ähnliche Zwecke – Teil 2-40: Besondere Anforderungen für elektrisch betriebene Wärmepumpen, Klimageräte und Raumluft-Entfeuchter“) für den Einsatz bei A3-Kältemitteln mit Maximalfüllmengen bis 1 kg bzw. 5 kg (je nach Aufstellungsort) zugelassenen Ventilatoren stehen in vielen Axial- und Radialvarianten zur Verfügung und decken damit unterschiedlichste Anwendungen für Luft/Wasser-Wärmepumpen ab, bei Außenaufstellung ebenso wie bei Innenaufstellung (Abb. 3).

Hohe Energieeffizienz und geringe Geräuschemission

Ebenfalls wichtige Punkte bei der Ventilatorenauswahl für Wärmepumpen sind Energieeffizienz und Geräusch-verhalten. Die treibende Kraft der Ventilatoren sind moderne EC-Motoren. Von der „Green-Tech“-EC-Technologie profitiert der Anwender gleich mehrfach: Da ist zum einen ihre Energieeffizienz. Wärmepumpen sollen für die Erzeugung der gewünschten Heizenergie möglichst wenig Primärenergie verbrauchen. Zwar ist der Verdichter ein weitaus größerer elektrischer Verbraucher als der Ventilator. Dennoch macht es sich bezahlt, wenn der Ventilator mit möglichst hohem Wirkungsgrad arbeitet. Auch deshalb ist die EC-Technologie hier ohne Alternative (Abb.4).

Ein weiterer Vorteil, das Geräuschverhalten der EC-Ventilatoren, wird vor allem in den Nachtstunden wichtig, wenn innerhalb, aber vor allem auch außerhalb der Gebäude die Grenzwerte der jeweils gültigen gesetzlichen Bestimmungen zu beachten sind. Um die Geräuschemission niedrig zu halten, sollten große Ventilatoren möglichst im niedrigen Drehzahlbereich arbeiten. Dabei bringt die einfache Regelbarkeit der in den Ventilatoren eingesetzten EC-Motoren natürlich Vorteile, da sich die Drehzahl nachts problemlos noch weiter reduzieren lässt. Ein Abschalten der Wärmepumpe, um Ärger mit der Nachbarschaft zu vermeiden, ist so nicht notwendig.

Wird die Drehzahl des Beispielventilators um lediglich 100 min-1 verringert, kann eine Reduzierung des Geräusches um mehr als die Hälfte erzielt werden (Abb. 5). Eine weitere wichtige Grundlage für den leisen Ventila-torbetrieb liefert das gute Zusammenspiel der Ventilatorlaufräder bzw. Flügel mit Motor und Elektronik. Die Geometrie der Flügel und Laufräder hat ebm-papst so optimiert, dass deutliche Verbesserungen hinsichtlich aerodynamischer Effizienz und Geräuschverhalten erreicht werden. Berücksichtigt wurden dabei auch psycho-akustische Aspekte, damit das Ventilatorengeräusch als möglichst angenehm empfunden wird. Für einen leisen Betrieb können die Ventilatoren meist noch mit einem Vorleitgitter kombiniert werden. Dieses sogenannte „FlowGrid“ reduziert Geräusche, die erst durch die Einbausituation entstehen. So ist immer ein leiser Betrieb der Luftwärmepumpen gewährleistet. Das Portfolio an Ventilatoren, die die für brennbare Kältemittel geltenden Normen erfüllen, wird kontinuierlich erweitert, sodass sich für jede Leistungsklasse eine geeignete Ausführung finden lässt.