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Ventilator

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Definition: eine Maschine zur Bewegung von Luft bei geringem Gegendruck

Englisch: ventilator, fan, blower

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 24.10.2014; letzte Änderung: 09.08.2016

Turmventilator

Abbildung 1: Turmventilator mit Tangentiallüfter.

Ein Ventilator ist ein Gerät, welches mithilfe eines rotierenden Laufrads Luft befördern kann. Es gibt sehr unterschiedliche Bauarten von Ventilatoren:

In den allermeisten Fällen wird ein Ventilator von einem Elektromotor angetrieben. Elektromotoren sind aus vielerlei Gründen dafür besonders geeignet: Sie können kompakt gebaut werden, sind relativ kostengünstig, energieeffizient, laufruhig und relativ einfach in der Drehzahl regelbar.

Tischventilator

Abbildung 2: Ein Tischventilator kann an heißen Tagen für angenehme Kühlung sorgen, ohne viel Energie zu verbrauchen.

Abgrenzung von Gebläsen und Verdichtern

Auch Gebläse sind Einrichtungen zum Transport von Luft. Der Begriff Ventilator wird nur dann verwendet, wenn das Druckverhältnis zwischen Auslass und Einlass recht klein ist (kleiner als 1,1). Bei Druckverhältnissen von 1,1 bis 3 spricht man von Gebläsen, darüber von Verdichtern.

Häufig treten bei Ventilatoren sogar Druckverhältnisse sehr nahe bei eins auf (siehe ein Beispiel weiter unten).

Die geringen Druckverhältnisse bei Ventilatoren bedingen, dass kaum eine Kompression der Luft eintritt und somit auch keine wesentliche Erwärmung. Ebenfalls ist der Energiebedarf pro gefördertem Kubikmeter Luft entsprechend geringer als bei einem Verdichter.

Antrieb von Ventilatoren

Die meisten Ventilatoren werden elektrisch angetrieben.

In den meisten Fällen wird ein Ventilator von einem Elektromotor angetrieben. Diese Art von Motor ist nämlich am geeignetsten zur Erzeugung einer relativ geringen Antriebsleistung; die kompakte Bauform und geringe Geräuschentwicklung sind weitere Vorteile. Man beachte allerdings, dass es sehr unterschiedliche Arten von Elektromotoren gibt, die sich in punkto Leistung, Energieeffizienz und Geräuschentwicklung erheblich unterscheiden.

Der Antrieb über einen Verbrennungsmotor (z. B. in einem Auto) ist zwar ebenfalls noch gebräuchlich, aber meistens dient der Ventilator dann nur einem Nebenzweck wie der Kühlung des Verbrennungsmotors; der Großteil der Leistung dient anderen Zwecken wie z. B. dem Antrieb eines Fahrzeugs. Selbst für diese Anwendung sind heute elektrisch angetriebene Ventilatoren üblicher, da diese viel besser dem Kühlbedarf angepasst werden können.

Anwendungen von Ventilatoren

Ventilatoren haben sehr vielfältige Anwendungen. Einige Beispiele hierfür:

Energieeffizienz von Ventilatoren

Effizienz des Geräts

Die Energieeffizienz eines Ventilators kann über einen Wirkungsgrad quantifiziert werden. Hierbei ergibt sich die abgegebene Leistung in Watt als das Produkt von Volumenstrom (in Kubikmetern pro Sekunde) und der Druckdifferenz von Einlass und Auslass (in Pascal = N/m2). Die aufgenommene Leistung ist beispielsweise die elektrische Aufnahmeleistung des Antriebsmotors.

Selbst bei modernen Lüftungsgeräten liegt der Wirkungsgrad der Ventilatoren erstaunlich niedrig!

Als Beispiel betrachte man Zahlen für ein Wohnungslüftungsgerät. Auf der mittleren Leistungsstufe kann beispielsweise ein Volumenstrom von 150 m3/h bei einem Gegendruck von 100 Pa (Pascal) entstehen. (Das Druckverhältnis liegt dann bei ca. 1,001.) Die pro Ventilator abgegebene mechanische Leistung ist dann lediglich 150 m3/h / 3600 s/h · 100 Pa = 4,2 Watt. (Man beachte die Umrechnung von Stunden in Sekunden.) Da das Gerät typischerweise zwei Ventilatoren braucht (einen für die Zuluft und einen für die Abluft), beträgt die gesamte abgegebene Leistung 8,4 W. Die vom Gerät aufgenommene Leistung kann zum Beispiel 50 W betragen, wovon der Großteil (mindestens 40 W) für den Betrieb der Ventilatoren verbraucht wird. Dies zeigt, dass der Wirkungsgrad der Ventilatoren recht niedrig ist: nur ca. 20 %.

Diese Zahlen gelten wohlgemerkt für ein modernes Gerät, welches als energetisch hocheffizient bezeichnet wird. In der Tat ist der Stromverbrauch von veralteten Lüftungsgeräten teils noch viel höher, die Effizienz also noch wesentlich niedriger; der Wirkungsgrad kann weit unter 10 % liegen.

Industriell eingesetzte Ventilatoren mit hohen Antriebsleistungen (viele Kilowatt) können wesentlich effizienter sein – mit Wirkungsgraden von weit über 50 % –, vor allem bei höherem Gegendruck von z. B. 1000 Pa und nicht nur 100 Pa wie oben.

Die Ursachen für eine niedrige Energieeffizienz von Ventilatoren können unterschiedlich sein:

Wo entstehen die hohen Energieverluste bei vielen Ventilatoren?

  • Bei veralteten Geräten sind die verwendeten Elektromotoren oft recht ineffizient. Dies hat auch damit zu tun, dass häufig Spaltpolmotoren verwendet werden, die zwar laufruhig und für geringe Drehzahlen geeignet sind, aber hohe Energieverluste aufweisen. Moderne Geräte verwenden ganz anders gebaute Elektromotoren, häufig sogenannte EC-Motoren (elektronisch kommutierte bürstenlose Gleichstrommotoren), deren Drehzahl elektronisch geregelt wird. In diesem Fall können die Energieverluste im Motor (inklusive Elektronik) unter 10 % liegen.

Eine gute Beherrschung der Aerodynamik ist schwieriger als die Vermeidung großer Verluste im Antriebsmotor.

  • Ein Hauptproblem ist, dass vor allem kleine und schnell laufende Ventilatoren verhältnismäßig starke Luftwirbel anstatt einer gleichmäßigen laminaren und Strömung erzeugen. Daraus resultierende Energieverluste fallen gerade bei kleinem Gegendruck relativ gesehen stark ins Gewicht. Dies kann mit einer optimierten aerodynamischen Form von Laufrad und Gehäuse verbessert werden, die allerdings nicht einfach zu finden ist. Es kann auch helfen, den Ventilator größer zu dimensionieren und dafür langsamer laufen zu lassen.

Die Kenntnis der Kennlinie eines Ventilators sowie des benötigten Volumenstroms und Gegendrucks sind Voraussetzungen für die korrekte Auswahl eines Geräts.

  • Die Gestaltung des Lüfterrads und seine Drehzahl sollten außerdem gut auf den nötigen Volumenstrom und den auftretenden Gegendruck abgestimmt sein. Ähnlich wie bei Pumpen sind manche Ventilatoren eher für große Volumenströme aber kleine Gegendrucke geeignet, während es bei anderen eher umgekehrt ist. Die Auswahl eines für eine bestimmte Anwendung geeigneten Ventilators erfordert die Kenntnis der Kennlinie, bei der der Gegendruck gegen den Volumenstrom aufgetragen ist (oder umgekehrt). Als grobe Faustregel erfordert eine gute Effizienz, dass der Gegendruck deutlich geringer sein muss als der maximal erzeugbare Druck, gleichzeitig der Volumenstrom aber ebenfalls deutlich geringer sein muss als der Volumenstrom, der sich ohne Gegendruck ergäbe.
  • Die Effizienz leidet ebenfalls, wenn Motor und Lüfterrad nicht sinnvoll aufeinander abgestimmt sind, beispielsweise wenn das Lüfterrad nur einen sehr kleinen Teil der maximal möglichen mechanischen Leistung vom Motor bezieht.

Angaben zur Effizienz von Ventilatoren

Ein gebräuchliches Maß in der Klimatechnik ist die sogenannte spezifische Ventilatorleistung, die definiert ist als die elektrische Leistungsaufnahme (ggf. inklusive elektronische Steuerung) dividiert durch den erzeugten Volumenstrom. (Andere Bezeichnungen sind SFP-Wert = specific fan power und luftmengenspezifischer Energieverbrauch.) Eine gebräuchliche Einheit ist W s/m3, zu interpretieren als ein Watt pro einem Volumenstrom von 1 m3/s. Alternativ kommt auch die Einheit W h/m3 vor, was zu 3600 mal kleineren Zahlenwerten führt, weil eine Stunde (h) 3600 Sekunden (s) hat. Typische Werte moderner Lüftungsgeräte liegen in der Größenordnung von 0,1 bis 0,3 W h/m3. Dies bedeutet, dass beispielsweise ein Volumenstrom von 100 m3/h eine Leistungsaufnahme von 10 bis 30 W erfordert. Eine Förderung durch die KfW verlangt einen SFP-Wert von maximal 0,45 W h/m3 (Stand 2014).

Man beachte, dass diese Angaben jeweils für einen bestimmten Gegendruck gelten. Wenn der Gegendruck ansteigt, beispielsweise als Folge erhöhten Luftwiderstands in den Leitungen bei hohem Luftdurchsatz und/oder geringem Leitungsdurchmesser, oder auch wegen verstopften Luftfiltern, steigt die benötigte Leistung entsprechend an.

Die SFP-Werte werden in Kategorien eingeteilt – beispielsweise SFP-4 für 1250 bis 2000 W s/m3 = 0,35 bis 0,56 W h/m3. Die oben diskutierten Werte für moderne Wohnungslüftungsgeräte liegen deutlich günstiger, nämlich in den Kategorien SFP-1 bis SFP-3. Durch die Verwendung dicker Raum Luftleitungen könnte man die Werte noch weiter reduzieren, jedoch muss ein sinnvoller Kompromiss zwischen Strombedarf und Materialeinsatz gefunden werden.

Effizienz des Einsatzes, Regelung der Leistung

Wenn die volle Förderleistung eines Ventilators größer ist als nötig, sollte seine Leistung durch Verminderung der Drehzahl des Lüfterrads entsprechend reduziert werden. Leider wird stattdessen in manchen Fällen (beispielsweise bei einigen veralteten Lüftungsanlagen) der Taktbetrieb gewählt: Die Ventilatoren werden für einige Zeit mit voller Leistung betrieben, dann für einige Zeit ganz abgestellt. Dies ist sehr ungünstig, da die Ventilatoren dann immer gegen einen relativ hohen Gegendruck arbeiten müssen und die hohen Strömungsgeschwindigkeiten auch Effekte von Luftwirbeln verstärken.

Man braucht wesentlich mehr Energie, um die gleiche Luftmenge in kürzerer Zeit zu befördern!

Solange in Luftleitungen eine rein laminare Strömungsgeschwindigkeit auftritt, ist der Gegendruck etwa proportional zur Strömungsgeschwindigkeit. Bei höheren Geschwindigkeiten wird die Strömung aber turbulent, und dann steigt der Gegendruck noch wesentlich schneller an. Wenn also beispielsweise eine gegebene Luftmenge pro Tag innerhalb von 12 Betriebsstunden gefördert wird anstatt verteilt auf 24 Stunden, kann wegen den verdoppelten Strömungsgeschwindigkeiten der Gegendruck und damit auch der Energieverbrauch ohne Weiteres auf das Vierfache anwachsen. Übrigens kann dadurch auch eine wesentlich höhere Lärmbelastung entstehen.

Natürlich sollte auch der unnötige Betrieb von Ventilatoren vermieden werden. Beispielsweise ist es sinnlos, einen Ventilator zwecks Trocknung eines Kellerraums zu betreiben, wenn der Raum entweder ohnehin schon genügend trocken ist oder aber die Wetterbedingungen aufgrund zu hoher Luftfeuchtigkeit außen gar keine Trocknung erlauben. Im Idealfall wird ein solcher Ventilator über eine Elektronik gesteuert, die die Luftfeuchtigkeit im Raum und in der Außenluft sowie die beiden Temperaturen berücksichtigt.

Vergleich mit Wärmeverlusten

Wenn die Belüftung in der Form von Fensterlüftung durchgeführt wird, entfällt der Energieaufwand für eine mechanische Belüftung mit Ventilatoren. Andererseits ist zu berücksichtigen, dass dann keine Wärmerückgewinnung möglich ist und dass bei einer unkontrollierten Art von Belüftung eine höhere Luftmenge für die gleiche Luftqualität im Raum benötigt wird. Somit stellt sich die Frage, wie sich der Energieaufwand für Ventilatoren mit den dabei vermiedenen Wärmeverlusten vergleicht.

Wie vergleicht sich der Energieaufwand für den Betrieb einer Lüftungsanlage (vor allem für Ventilatoren) mit der dabei möglichen Reduktion der Lüftungsverluste?

Als Beispiel betrachte man eine moderne Lüftungsanlage für ein Einfamilienhaus, die auf der mittleren Leistungsstufe einen Volumenstrom von 150 m3/h erzeugt und dabei eine Leistungsaufnahme von 50 W hat. Wenn die Außentemperatur an einem Wintertag um 20 K tiefer liegt als die Raumtemperatur, bedeutet eine Luftmenge von 150 m3 pro Stunde einen Wärmeverlust von einer Kilowattstunde (unter Verwendung der spezifischen Wärmekapazität von Luft: 1,2 kJ / (m3 K)). Auch wenn ein Strombedarf von 50 Wh mit einem deutlich höheren Primärenergiefaktor von z. B. 3 zu bewerten ist im Vergleich zu Heizwärme (1,1), ist der Wärmeverlust erheblich schwerwiegender. Dieser kann mit Hilfe von Wärmerückgewinnung in einer Lüftungsanlage z. B. um den Faktor 5 vermindert werden. Hierbei ist noch nicht berücksichtigt, dass die gleiche Luftqualität mit Fensterlüftung eine deutlich höhere Luftmenge erfordern würde, d. h. dass die Lüftungsverluste damit sogar noch höher wären. Allerdings führt die Fensterlüftung in der Praxis meist eher zu einer ungenügenden Belüftung, geht also eher auf Kosten der Luftqualität als auf Kosten der Lüftungsverluste.

Natürlich kommt man zu anderen Resultaten, wenn die Lüftungsanlage bei sehr milden Außentemperaturen betrieben wird, wo ohnehin kaum Lüftungsverluste auftreten würden. Ebenfalls kann eine alte, ineffiziente und falsch dimensionierte Lüftungsanlage unter Umständen fünf oder sogar zehn mal mehr elektrische Energie verschlingen, beispielsweise weil mit ineffizienten Ventilatoren eine unnötig hohe Luftmenge gefördert wird. Auch die Reduktion der Lüftungsverluste kann dann kleiner ausfallen oder sogar in eine Zunahme umschlagen, beispielsweise wenn gar keine Wärmerückgewinnung betrieben wird.

Siehe auch: Belüftung von Gebäuden, Lüftungsanlage, Elektromotor, Taktbetrieb, Druck

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