Die Auswahl von Motoren und Antrieben ist der Schlüssel zu zukünftigen Effizienzstandards für HVAC-Lüfter

Wenn das US-Energieministerium (DOE) in den kommenden Monaten die endgültigen Versionen seiner lang erwarteten Regeln für Lüftereffizienztests und Effizienzstandards herausgibt, wird es Vorschriften auf eine kritische Anwendung im Energiemanagement des Landes anwenden. In der Zwischenzeit diskutieren Branchenvertreter darüber, wie sich die neuen Regeln – die ersten für gewerbliche und industrielle Ventilatoren überhaupt – auf ihren Betrieb auswirken werden.

Zwei Dinge sind sicher. Erstens sollten die Vorschriften den Stromverbrauch der Ventilatoren senken und so dazu beitragen, die Gesamtenergiekosten des Gebäudes zu senken. Ventilatoren machen derzeit etwa 18 % des gesamten eingekauften Stroms in Gewerbe- und Industriegebäuden aus. Wie vorgeschlagen, dürften die neuen Regeln des Energieministeriums einen Effizienzgewinn von 2 bis 3 % bewirken und in den nächsten 60 Jahren etwa sieben Billiarden BTU Energie einsparen.

Zweitens führt ein aerodynamischeres Ventilatordesign nicht unbedingt zu den Energieeinsparungen, die zur Einhaltung der vorgeschlagenen Vorschriften erforderlich sind. Das liegt daran, dass Änderungen am Lüfterdesign in einem bestehenden System äußerst schwierig umzusetzen sind und der Stromverbrauch durch die Aufrüstung des Motors, der für die gesamte Leistung des Lüfters verantwortlich ist, leichter in den Griff zu bekommen ist. Die Steigerung der Motoreffizienz ist in vielen Fällen ein wesentlicher Faktor für die Erzielung der Lüftereffizienz.

Das DOE ist sich dessen bewusst. Die im Jahr 2022 veröffentlichte DOE-Mitteilung zur Datenverfügbarkeit enthielt eine Neugestaltung des Lüfters nur für die maximale Technologieoption, die die angegebenen Einsparziele bei weitem übertrifft. Das Wort „Motor“ kam in dem 28-seitigen Dokument jedoch mehr als 300 Mal vor.

Motorenhersteller erhalten bereits Anrufe von Lüfterherstellern, die sich fragen, ob ihre bestehenden Produkte den vorgeschlagenen neuen Standards entsprechen. Viele haben auch damit begonnen, nach Motor- und Antriebsalternativen zu suchen, die es ihnen ermöglichen, die erforderliche Effizienzleistung zu den wirtschaftlichsten Kosten zu erreichen.

Um die Effizienz bei Neuinstallationen zu verbessern, verlagert sich der Markt für kommerzielle Ventilatoren hin zur Verwendung von Ventilatoren mit Direktantrieb anstelle von herkömmlichen Ventilatoren mit Riemenantrieb. Wie der Name schon sagt, ist der Lüfterpropeller bei einem direkt angetriebenen Lüfter direkt mit der Motorwelle verbunden.

Für diesen Wandel gibt es mehrere praktische Gründe. Da der Propeller direkt mit der Motorwelle verbunden ist, treten bei Ventilatoren mit Direktantrieb keine Verluste bei der Kraftübertragung auf. Im Vergleich dazu kann ein riemengetriebener Ventilator einen Wirkungsgradverlust von 10 bis 30 % aufweisen. Ventilatoren mit Direktantrieb sind außerdem zuverlässiger und wartungsfreundlicher, wobei einige praktisch wartungsfrei arbeiten. Ventilatoren mit Riemenantrieb müssen regelmäßig gewartet werden und es besteht die Gefahr, dass sie kaputt gehen.

Während wir alle auf die endgültigen Test- und Effizienzstandardregeln warten, sollten Sie Folgendes beachten:

Dies ist zu einem großen Teil darauf zurückzuführen, dass Hersteller Motor-/Antriebstechnologien entwickeln, die andere Branchen benötigen, um ihre eigenen DOE-Energieeffizienzvorschriften zu erfüllen.

Die HVAC-Branche für Wohngebäude war mit der frühen Einführung der integrierten Motor- und Steuerungstechnologie (IMAC) führend. Durch die Kopplung des Motors mit integrierten Steuerungen oder Frequenzumrichtern, IMACs

ermöglichen den Betrieb von Motoren von 1 bis 15 PS je nach Systembedarf mit unterschiedlichen Drehzahlen. IMACs wurden erstmals vor 15 Jahren eingeführt und sind mittlerweile zum Standard in HVAC-Systemen für Privathaushalte geworden.

Die kommerzielle HVAC- und Pumpenindustrie folgt nun diesem Beispiel und ersetzt weniger effiziente Einzelgeschwindigkeitsmotoranwendungen durch forschungsgestützte und praxiserprobte IMACS und andere Power Drive Systems (PDS). (Ein PDS umfasst einen Motor und einen Antrieb oder eine Steuerung mit einstellbarer Geschwindigkeit. Im Gegensatz zum IMAC können die beiden jedoch unbedingt als integrierte Einheit zusammengebaut werden oder auch nicht.)

Sie alle ebnen einen klaren Weg, den auch die Ventilatorenindustrie zur Verbesserung der Energieeffizienz beschreiten kann.

Die meisten kommerziellen Ventilatoren und Gebläse von heute basieren außerdem auf überdimensionierten Motoren mit einer Drehzahl, die für maximale Systemanforderungen ausgelegt sind, auch wenn die Geräte, die sie antreiben, selten mit voller Leistung arbeiten. Nicht alle Ventilatoren benötigen neue, effizientere Motoren, um die erforderliche Effizienz zu erreichen, aber denjenigen, die dies tun, stehen mehrere Alternativen zur Auswahl.

Das aktuelle Produktangebot umfasst sowohl Induktions- als auch Synchron-IMAC-Designs. Jetzt mit bis zu 15 PS erhältlich, könnten IMACs, die mit einem Synchronmotor und einem VFD – einer Kombination, die als ECM oder elektronisch kommutierter Motor bekannt ist – integriert sind, zum Goldstandard in kommerziellen Lüfteranwendungen werden.

Wie substanziell? Nach Angaben des Energieministeriums kann eine Reduzierung der IMAC-Geschwindigkeit um 20 % den Stromverbrauch in einigen Fällen halbieren. Eine Studie der NEEA (Northwest Energy Efficiency Alliance) hat berechnet, dass die Amortisation von IMAC und PDS bei Systemen mit konstanter Last 10 Monate und bei Systemen mit variabler Last nur vier Monate beträgt.

Der Austausch eines Induktionsmotors durch einen Synchronmotor führt zu noch größeren Einsparungen. In Kombination mit der Smart-Building-Technologie passen ECMs die Anwendungsanforderungen mit variabler Geschwindigkeit an und verursachen so weniger Verschleiß an der Ausrüstung.

Viele ECM-Einheiten sind heutzutage mit Sensoren verbunden, die Informationen zum Motorsteuerungssystem liefern. Bei einer Lüfteranwendung würde beispielsweise ein Wärmesensor kontinuierlich die aktuelle Gerätetemperatur an die Motorsteuerung senden. Wenn die Temperatur höher als der Zielwert ist, erhöht die Motorsteuerung die Motordrehzahl, um den Zielwert zu erreichen.

Neuere Systeme nutzen IoT zwischen den Sensoren und dem ECM. Da sich gewerbliche Gebäude immer mehr zu Smart Buildings entwickeln, wird dieser Trend voraussichtlich anhalten. In einem Smart Building kann ein einzelner Gebäudetechniker mit einem Notebook den Betrieb von Aufzügen, Heiz-/Kühlsystemen, Pumpen, Kühltürmen und Ventilatoren überwachen und steuern.

Da Motor und Steuerung für den gemeinsamen Betrieb konzipiert sind, erfordern ECMs nur minimale Einrichtung und Systemintegration. Das Design macht eine Verkabelung vor Ort zwischen Motor und Steuerung überflüssig.

Die Steuerungen eines ECM werden oben oder in einer Reihe mit den Motoren montiert, die die gleichen Grundmontageabmessungen wie die Motoren mit einer Drehzahl verwenden, die sie ersetzen, sodass sie auf vorhandene Lüfter passen. Das einzige größere Problem, auf das ein Installateur bei der Installation eines ECM stoßen könnte, ist der verfügbare Freiraum über oder hinter dem Motor, wo sich jetzt der Antrieb befindet.

Auch die Motor-Steuerungs-Optimierung ist einfacher, da spezifische Motorparameter werkseitig im Antrieb installiert sind. Die Motor- und Steuerungseffizienz verbessert sich, da die Steuerung besser auf den Motor abgestimmt ist.

Das DOE hat einen Fan Efficiency Index (FEI) als Maß für die Bewertung der Effizienz des Lüftersystems eingeführt. FEI berücksichtigt die elektrische Leistungsaufnahme des Lüftersystems, einschließlich der Effizienzauswirkungen von Motoren und Antrieben.

Durch die Schaffung von Standards, die nicht nur für Lüfter, sondern auch für Motoren und Antriebe gelten, ermöglicht das DOE Designern die Analyse der Kapitalrendite für verschiedene Lüftertypen, -größen und Motor-/Antriebskombinationen bei der Entwicklung neuer Lösungen.

Die Methode zur Messung der Effizienz gewerblicher und industrieller Ventilatoren und Gebläse befindet sich jedoch noch in der Entwicklung. Das DOE hat vorgeschlagen, die Lüftereffizienz mithilfe der in AMCA 214 beschriebenen Protokolle zu messen. Sobald die Methode eingeführt ist, sollten Lüfterhersteller, die sich für die ECM-Technologie entscheiden, in der Lage sein, sich an ihren Motorhersteller zu wenden, um Hilfe bei der Bestimmung des Motoreffizienzwerts zu erhalten. Da derselbe Hersteller sowohl den Motor als auch den Antrieb liefert, sollte vom Hersteller erwartet werden, dass er Daten über die Motoreffizienz bereitstellt, die sie in Kombination erzielen.

Es ist zu beachten, dass das DOE auch keine Effizienzstandards für ECM-Motoren als Motor/VFD-Kombination festgelegt hat. Viele andere DOE-Vorschriften verlangen, dass Synchronmotoren einen höheren Systemwirkungsgrad erreichen, einschließlich derjenigen, die in Verbraucheröfen verwendet werden.

Die neuen Lüftereffizienzstandards des DOE werden zu Veränderungen in der Art und Weise führen, wie Ingenieure Luftsysteme entwerfen, um die Lüfterenergie zu minimieren.

Unabhängig davon, wie die Regeln letztendlich aussehen, wird die Effizienz der Motortechnologie eine wichtige Rolle spielen. Diejenigen, die noch nicht über integrierte Motor- und Steuerungstechnologien, einschließlich ECM, nachgedacht haben, sollten diese auf dem Radar haben. Es ist jetzt an der Zeit, mit ihren Entwicklungs- und Beschaffungsteams über Alternativen zu sprechen.