Angesichts schwankender Energiepreise und zunehmend strengerer Umweltvorschriften suchen zahllose Branchen nach nachhaltigeren und energieeffizienteren Technologien. HVAC bildet hierbei keine Ausnahme, hat jedoch einen entscheidenden Vorteil gegenüber vielen anderen Sektoren – es hat bereits Zugang zu einer leistungsstarken, energieeffizienten Technologie in Form von Permanentmagnet (PM)-Motoren in Kombination mit Frequenzumrichtern (VFDs).

Einer der Haupttreiber für die steigende Nachfrage nach energieeffizienten Technologien sind die immer umfassenderen regulatorischen Standards zur Verbesserung der Gebäudeenergieeffizienz, wie beispielsweise Kaliforniens Title 24 Building Code. Dieser Code enthält unter anderem strenge Anforderungen an HVAC-Systeme und schreibt den Einsatz von Lüftern vor, die mit mehreren Geschwindigkeiten betrieben werden können. Dies ermöglicht es den Systemen, ihre Leistung an den tatsächlichen Bedarf anzupassen, anstatt kontinuierlich mit voller Kapazität zu laufen.

Diese Regelung ist strenger als die meisten anderen, spiegelt jedoch einen breiteren Trend zur Energieeinsparung wider. Sie ist ein Beispiel für ähnliche Entwicklungen weltweit, wie die Ökodesign-Richtlinien in Europa, die Mindestwirkungsgradstandards für Motor- und Antriebssysteme vorschreiben. Mit dem Inkrafttreten immer mehr dieser internationalen Vorgaben wird die Art und Weise, wie HVAC-Systeme weltweit entworfen, betrieben und gewartet werden, grundlegend verändert und der Schwerpunkt stärker auf leistungsstarke, energiesparende Technologien gelegt.

VFDs und PM-Motoren

Einer der Schlüsselfaktoren zur Erfüllung dieser Vorschriften ist der Einsatz von VFDs, die eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Betriebseffizienz von HVAC-Systemen spielen, indem sie die Leistung von Komponenten wie Zuluftventilatoren, Kompressoren und Pumpen optimieren.

Bei Ventilatoren beispielsweise können VFDs den Luftstrom an den spezifischen Heiz- oder Kühlbedarf anpassen. Bei Kompressoren können sie die Kühlleistung an unterschiedliche thermische Lasten anpassen, um eine effiziente Energienutzung zu gewährleisten und ideale Raumklimata auch bei schwankenden Bedingungen aufrechtzuerhalten. In Hydronik-Systemen wiederum optimieren VFDs die Pumpenfördermengen basierend auf den Echtzeitanforderungen, was die Systemeffizienz erhöht und zu erheblichen Energieeinsparungen führt.

Durch die Integration von VFDs arbeiten HVAC-Systeme effizienter, kostengünstiger und zuverlässiger und erfüllen die modernen Umwelt- und Energiestandards – und dies wird noch verbessert, wenn sie auch PM-Motoren nutzen.

Traditionelle Induktionsmotoren arbeiten, indem ein Teil der dem Motor zugeführten Energie ein Magnetfeld erzeugt, um das Drehmoment zu liefern, das den Motor antreibt. PM-Motoren nutzen Permanentmagnete auf dem Rotor, um ein dauerhaftes Magnetfeld zu erzeugen, wodurch die Energie eingespart wird, die bei einer Induktionsmaschine in diese Aufgabe fließt. Dies bedeutet, dass sie über eine Vielzahl von Geschwindigkeiten und Lasten eine hohe Effizienz und außergewöhnliche Leistung bieten, was in Kombination mit der verbesserten Steuerung durch VFDs zu einer Synergie führt, die die Gesamteffizienz des Systems dank der „Affinitätsgesetze“ erheblich steigert.

Eine Affinität zur Effizienz

Die Affinitätsgesetze sind Prinzipien der Fluiddynamik, die beschreiben, wie sich Änderungen der Geschwindigkeit einer Pumpe oder eines Ventilators auf Durchflussrate, Druck und Energieverbrauch auswirken. Insbesondere ist die Durchflussrate eines Fluids direkt proportional zur Geschwindigkeit des Geräts, während der erzeugte Druck oder die Förderhöhe mit dem Quadrat der Geschwindigkeit steigt. Am bedeutendsten ist, dass der Energieverbrauch proportional zum Kubik der Geschwindigkeitsänderung ist – er steigt exponentiell an.

Diese exponentielle Beziehung bedeutet, dass selbst geringe Geschwindigkeitsreduzierungen zu erheblichen Energieeinsparungen führen können. Beispielsweise kann die Reduzierung der Geschwindigkeit eines Ventilators um nur 20 % zu einer Verringerung des Energieverbrauchs um nahezu 50 % führen.

In HVAC-Systemen ermöglicht die Fähigkeit zur präzisen Geschwindigkeitsregelung durch die Kombination von VFDs und PM-Motoren den Betreibern, das volle Potenzial der Affinitätsgesetze auszuschöpfen. Dieser maßgeschneiderte Ansatz optimiert nicht nur den Energieverbrauch, sondern verbessert auch die Gesamteffizienz und Lebensdauer des Systems, was zu Kosteneinsparungen und einer reduzierten Umweltbelastung führt.

Eine aufstrebende Technologie

Das Potenzial von PM-Motoren ist seit Jahrzehnten bekannt, doch traditionell waren sie aufgrund vergleichsweise hoher Kosten und der Notwendigkeit von Drehzahlrückführsystemen (auch als Encoder bekannt) für eine effektive Steuerung eine teure Wahl. Nun können VFDs dank fortschrittlicher Steuerungsalgorithmen den PM-Motor ohne Encoder steuern, was die Kosten senkt.

Da die Kosten für die Herstellung und Implementierung von PM-Motortechnologie weiterhin sinken, werden diese Motoren zu einer realistischeren Option für den breiten Einsatz in der HVAC-Industrie.

Wichtig ist, dass diese Kostenreduktion nicht zu Lasten von Qualität oder Effizienz geht, sondern die Technologie für eine breitere Palette von Anwendungen zugänglich macht und die Einführung umweltfreundlicherer Technologien fördert. Die Erschwinglichkeit gepaart mit überlegenen Leistungseigenschaften macht PM-Motoren zu einer zunehmend attraktiven Wahl für moderne HVAC-Systeme.

Dieser Wandel unterstützt nicht nur die globalen Energieeinsparungsziele, sondern entspricht auch den wirtschaftlichen Interessen von Unternehmen und Verbrauchern, die ihre Energiekosten senken und die Systemzuverlässigkeit erhöhen möchten.