ErP-Mindestwirkungsgrade
Auswirkungen auf die Ventilatoren- und Kältetechnik
Die im Juli 2005 erschienene Ecodesign- oder EuP-Richtlinie (2005/32/EC - Energy using products directive) hat zum Ziel, eine Ressourcen schonende und insbesondere energieeffiziente Produktgestaltung durch geeignete politische Instrumente zu unterstützen. Die EuP-Richtlinie wird in den EU-Ländern in nationales Recht umgesetzt. Die Rahmenbedingungen für die europäischen Gesetze sind bereits verabschiedet. Neben der reinen Energieeffizienz für Motoren sind für Ventilatoren im Bereich 125 W bis 500 kW auch leistungsabhängige Mindestwirkungsgrade vorgesehen, die in den nächsten Jahren eingeführt werden.
Im März 2007 befürworteten führende EU-Staaten eine gemeinsame Klima- und Energiepolitik. Sie einigten sich darauf, Europa zu einem effizienten Wirtschaftsraum mit niedrigem CO2-Ausstoß umzuwandeln.
Um diesen Prozess anzukurbeln, definierten die EU-Staaten eine Reihe ehrgeiziger Energie- und Klimaziele, die bis 2020 zu erreichen sind:
› 20 % Reduzierung der CO2-Emissionen
› 20 % des Energieverbrauchs aus erneuerbaren Energien
› 20 % Reduzierung des geplanten Primärenergieverbrauchs durch Erhöhung der Wirkungsgrade
Um diese Ziele zu erreichen, wurden u.a. Wirkungsgradanforderungen für Motoren und Ventilatoren definiert.
Ökodesign-Richtlinie
Die Ökodesign-Richtlinie (2005/32/EG) für energiebetriebene Produkte, auch bekannt unter Energy using Products-Directive (EuP), wurde im Juli 2005 verabschiedet und trat im März 2008 in Kraft. Die Umsetzung dieser Richtlinie in nationales Recht wurde in Deutschland mit dem so genannten „Energiebetriebene-Produkte-Gesetz“ (EBPG) vollzogen. Am 20. November 2009 wurde die Nachfolge-Richtlinie 2009/125/EG, auch als Energy related Products-Directive (ErP) bekannt, in Kraft gesetzt. Die wichtigste Änderung gegenüber der ursprünglichen Richtlinie besteht darin, dass der Geltungsbereich von energiebetriebene auf energieverbrauchsrelevante Produkte ausgeweitet wurde (Bild 1). Es können jetzt auch passive Produkte, die aber einen Einfluss auf die Energieeffizienz haben können, betroffen sein – z.B. Dämmstoffe und Duschköpfe. Die Richtlinie stellt ein Rahmengerüst dar, unter dem Hersteller von energiebetriebenen Geräten bei der Entwicklung verpflichtet sind, die Energieeffizienz zu erhöhen und die negativen Umweltauswirkungen dieser Geräte zu reduzieren. Während die Richtlinie selbst ein Rahmenwerk ist, die selber keine detaillierten Anforderungen an bestimmte Produkte definiert, erlässt sie produkt-spezifische Bestimmungen, die so genannten Durchführungsmaßnahmen (implementing measures), unterteilt nach Produktkategorien. Dies bedeutet, dass jede Durchführungsmaßnahme (meist EU-Verordnungen) als einzelne Norm wirkt, die die notwendige Konformitätsbewertungsvorgabe für eine bestimmte Produktkategorie darstellt. Jede Konformitätsbewertung einer Umsetzungsmaßnahme beinhaltet – je Produktkategorie – bestimmte Mindest-Energieanforderungs-Standards und Umweltbestimmungen. Die Erfüllung dieser Anforderungen muss gegeben sein, damit das Produkt die CE-Kennzeichnung tragen und damit in der EU verkauft, in Betrieb genommen oder in die EU importiert werden darf.
Als Basis für den Erlass von Durchführungsmaßnahmen hat die EU-Kommission Vorbereitungsstudien für verschiedene Produktgruppen bei europäischen Forschungsinstituten in Auftrag gegeben. Die Studien werden auch als Lots bezeichnet. Im Lot 11 sind neben Ventilatoren von 125 W bis 500 kW auch Umwälzpumpen und Elektromotoren bis 150 kW enthalten. In anderen Lots werden z.B. Raumklimageräte, Wohnungslüftungs- und RLT-Zentralgeräte sowie gewerbliche Kühl- und Gefriergeräte untersucht und dafür zukünftig Mindest-Energieeffizienzwerte festgelegt.
Bei der Beurteilung des Wirkungsgrades von Ventilatoren wird der Antrieb, das Laufrad und falls vorhanden die Kraftübertragung (z.B. Riementrieb) betrachtet (Bild 2). Ein Regelgerät ist außerhalb der Grenzen eines ErP-Ventilators zu sehen und wird bei der Wirkungsgradermittlung lediglich bei Ventilatoren mit integrierter Elektronik (z.B. EC-Ventilatoren) einbezogen, da diese nicht ohne diese Regelelektronik betrieben werden können. In den Geltungsbereich von Ventilatoren fallen Axial-, Radial-, Diagonal- und Querstromventilatoren (Bild 3). Ausgenommen von der Verordnung sind Produkte, die im Ex-Bereich eingesetzt werden, sowie Ventilatoren für hohe Temperaturen und für Verkehrsmittel. Für die einzelnen Ventilatoren sind in der Verordnung Mindestwirkungsgrade vorgegeben, die diese Produkte im Wirkungsgradoptimum erreichen müssen (Bild 4). Der Wirkungsgrad ist definiert als das Verhältnis der Luftleistung in Form von Volumenstrom und Druck zur aufgenommenen elektrischen Eingangsleistung.
In zwei Stufen ist die weltweite Ventilatorenindustrie nun gefordert, energieeffiziente Produkte für den europäischen Markt zu generieren. Ab Januar 2013 tritt die erste Stufe in Kraft. Eine nochmalige Anhebung der Mindestwirkungsgrade um weitere 4 % findet dann zwei Jahre später statt (Bild 5).
Auswirkung auf die Ventilatoren- und Kältetechnik
Wie bereits beschrieben, ist der Wirkungsgrad das Verhältnis der Luftleistung zur aufgenommenen elektrischen Eingangsleistung. Der relevante Wirkungsgrad muss hierbei vom Hersteller im Wirkungsgradoptimum ermittelt und dokumentiert werden. Ob nun ein Ventilator tatsächlich im Optimum betrieben wird, ist für die ErP-Betrachtung des Ventilators nicht relevant. Wie der Abbildung 6 entnommen werden kann, verursacht bei einem direkt angetriebenen Ventilator der Motor und das Flügelrad Verluste, die den Wirkungsgrad senken. Insbesondere bei AC-Motoren hat sich aufgrund verschiedener technischer Anforderungen eine starke Spreizung der Motor-Wirkungsgrade ergeben. Verschiedene typische Motorauslegungen mit geringen Wirkungsgraden werden nun betrachtet.
In geräuschkritischen Anwendungen sind häufig langsam laufende AC-Ventilatoren mit hohen Polzahlen anzutreffen. Diese haben bauartbedingt einen niedrigeren Motorwirkungsgrad, so dass diese Ventilatoren meist nicht die erforderlichen Wirkungsgradziele erreichen. Mögliche Lösungsansätze sind die Verwendung von EC-Ventilatoren oder aber drehzahlgeregelte niederpolige AC-Ventilatoren. Hier ist auf das Geräuschverhalten der Drehzahlregung zu achten, um bei der gewünschten niedrigen Drehzahl das geforderte Geräuschniveau zu erreichen. Bei Verflüssigern oder Kühlern werden heute überwiegend drehzahlgeregelte Ventilatoren eingesetzt. Hier sind beide Ansätze denkbar.
Ein weiterer kritischer Bereich sind AC-Ventilatoren an Einphasen-Netzen. Diese Versorgungsanschlüsse sind häufig in häuslichen oder kleingewerblichen Bereichen oder bei kleinen Ventilatoren anzutreffen. Auch diese einphasigen AC-Motoren haben einen schlechteren Motor-Wirkungsgrad und erreichen daher häufig nicht die Wirkungsgradanforderungen. Steht nur eine 1~ Netzversorgung zur Verfügung, werden in diesen Anwendungen zukünftig häufig EC-Ventilatoren anzutreffen sein. Steht ein Drehstromnetz zur Verfügung, könnte alternativ auch ein 3~ AC-Ventilator verwendet werden.
Die aktuell häufigste Art der Drehzahlregelung in der Kältetechnik ist der Phasenanschnittregler mit spannungsregelbaren AC-Ventilatoren. Spannungsregelbare AC-Motoren haben einen angepassten Schlupf, der zu einem schlechteren Wirkungsgrad führt. Teilweise erreichen diese Ventilatoren nicht die geforderten Mindestwirkungsgrade. Dies heißt jedoch nicht, dass Spannungsregelung grundsätzlich verboten wird. Erreicht ein spannungsregelbarer AC-Ventilator die Mindestwirkungsgrade, so darf dieser auch zukünftig mit einem Phasenanschnittregler betrieben werden.
Konkret müssen nun alle Gerätehersteller die eingesetzten Ventilatoren überprüfen. Hierzu benötigen Sie die relevanten Daten des Herstellers (Bild 7). Ziehl-Abegg hat hierfür eine individuelle Liste für jeden Kunden erstellt.
Bei der Auswahl einer ErP-tauglichen Alternativlösung sind neben kommerziellen Aspekten auch die technischen Rahmenbedingungen zu betrachten. Kritisch könnte z.B. der etwas eingeschränkte Temperaturbereich der integrierten EC-Ventilatoren sein. Hier bietet ein AC-Ventilator mit externem Frequenzumformer „Fcontrol“ Vorteile. Generell ist der Betriebspunkt bzw. Betriebsbereich der neuen Lösung zu überprüfen. EC-Ventilatoren haben den Vorteil, dass der Betriebsbereich über die Drehzahl genau angepasst werden kann. Häufig anzupassen ist der elektrische Anschluss und somit auch die Produktdokumentation.
Zu beachten ist auch die Fortführung der „ECOdesign“-Anforderung. Bisher waren es Motoren, nun sind es Ventilatoren und morgen sind es Geräte, in denen Ventilatoren eingesetzt werden! Spätestens dann gilt es, das energetisch optimal abgestimmte Gerät mit den effizientesten Komponenten zu entwickeln. Spätestens dann werden sich in den meisten Kältetechnikanwendungen EC-Ventilatoren durchsetzen. Die Ökodesign-Richtlinie hat zur Folge, dass Hersteller von Ventilatoren und Anwender ihr Produktprogramm überprüfen müssen. Ziehl-Abegg (www.ziehl-abegg.de) bietet bereits heute schon effizientere Ventilatoren, als es die Mindestanforderungen von morgen vorschreiben.
