Für jeden Bedarf die richtige Drehzahl

TGA: Herr Möhrle, Frequenzumrichter sind seit einigen Jahren sehr preisgünstig. Die großen Potenziale im Bestand werden aber nur schleppend erschlossen. Woran liegt das?

Möhrle: Vorab eine erfreuliche Nachricht: Bei Neuanlagen setzt sich zunehmend das Bewusstsein für Energieeffizienz durch und der Anteil der drehzahlgeregelten Anlagen steigt darum ständig. Dies wird auch durch den Gesetzgeber über das Normenwesen, beispielsweise durch die ständige Weiterentwicklung der EnEV, unterstützt. Bei Altanlagen besteht hier jedoch großer Nachholbedarf. Die geringe Potenzialnutzung ist eklatant. Grund hierfür ist, dass in Bestandsanlagen keine nachfolgenden Analysen und Untersuchungen mit Bezug auf das Gesamtkonzept erfolgen. Man kann schon zufrieden sein, wenn überhaupt regelmäßige Wartungen durchgeführt werden.

Oft liegt die Ursache in den zur Verfügung gestellten Mitteln für die Instandhaltung, die zudem häufig insgesamt vernachlässigt wird, insbesondere nach Ablauf der Gewährleistungszeit der Anlage. Das Bewusstsein, dass richtige Investitionen an der richtigen Stelle zum richtigen Zeitpunkt langfristig eine Kostenersparnis bewirken, die weit über einem üblichen Anlagezinssatz liegt, muss stärker geweckt werden. Es ist erstaunlich, dass nur wenige Planungsbüros die Chance wahrnehmen, Altprojekte zu überarbeiten. Auch wenn unter Umständen eine Umrüstung nicht so lukrativ wie eine Neuanlage erscheint, so eröffnen sich hierdurch doch mögliche Nachfolgeaufträge.

TGA: Unter welchen Bedingungen rechnet sich die Nachrüstung eines Frequenzumrichters?

Möhrle: Das ist eine sehr gute Frage, da dies vermutlich auch ein entscheidender Aspekt hinsichtlich der schleppenden Nachrüstungen ist. Aufgrund zahlreicher Faktoren, die hier auf die Einsparungen einwirken, ist eine Aussage über die zu erwartende Kostenersparnis ohne ausgedehnte Voranalysen der Anlagen äußerst schwierig. Die Energieeinsparung am Antrieb selbst ist vor allem abhängig von der durchschnittlich benötigten Drehzahl und der Jahresbetriebszeit der Anlage.

In einer Lüftungsanlage ist diese oft abhängig von den wechselnden Personenbelegungszahlen und dem zeitlichen Nutzungsprofil, während in Heizungsanlagen zusätzlich die Außentemperatur während der Nutzungszeiten Einfluss hat. Wenn man sich darüber bewusst ist, dass die durchschnittlichen Anforderungen in HLKS-Systemen typisch bei rund 50 % liegen, und die elektrische Antriebsleistung bei 50 % Volumenstrom aufgrund einer Exponentialfunktion nur bei ca. 20 % liegt, ist das Potenzial offensichtlich.

In Außenluftanlagen dagegen ist die reduzierte Antriebsleistung nur ein Teil der erzielbaren Einsparung. Ein großer Anteil resultiert hier auch daraus, dass weniger Luft aufbereitet werden muss. In solchen Anlagen, sofern eine Reduzierung des Außenluftvolumenstroms zulässig und möglich ist, sind selbst mit sehr kleinen Frequenzumrichtern mit ca. 0,5 kW Amortisationszeiten von unter zwei Jahren erreichbar. Verdeutlicht wird dies auch durch eine statistische Erfassung der Bestandslüftungssysteme, die in ca. 32 % der Fälle eine Amortisationszeit von unter einem Jahr erreichen. Aus diesen Gründen reicht das Honeywell-Sortiment mit dem neuen raumsparenden SmartDrive Compact bis zu einer Leistung von 0,37 kW. Dazu kommen Einsparungen über geringere Wartungskosten (Filterwechsel) oder durch bessere Regelbarkeit, die in diesen Berechnungen noch nicht enthalten sind.

TGA: Für welche Anwendungen in der TGA sind Frequenzumrichter besonders geeignet?

Möhrle: Man kann annähernd sämtliche Asynchronmotoren, die nicht durchgängig auf Maximaldrehzahl betrieben werden müssen und eine greifbare Regelgröße zur Ansteuerung besitzen, über Frequenzumrichter energieeffizienter betreiben. In der TGA finden sich die höchsten Einsparpotenziale bei Schmutzwasserpumpen und Lüftungsanlagen mit Außenluftansaugung. Hier lässt sich oft die Luftmenge bedarfsabhängig reduzieren. Durch Frischluftzufuhr entsprechend der Personenbelegung, beispielsweise über CO₂-Sensoren, oder bei Anlagen, die aufgrund der Absaugung belasteter Luft entsprechende Außenluftmengen nachströmen lassen, z.B. über Drucksensoren.

Bei einer Reduzierung von beispielsweise 20000 m³/h Außenluft auf 10000 m³/h ergibt sich bei einer Anlage mit Grundheizung (22 °C Zuluft im Winter) und Grundkühlung (24 °C Zuluft im Sommer) eine jährliche Ersparnis von ca. 8250 Euro bei heutigen Energiepreisen. Die Investition für zwei 10-kW-Frequenzumrichter für die Zu- und Abluftventilatoren kosten deutlich weniger. Aufgrund der sich ergebenden Amortisationszeit von unter einem Jahr informiert Honeywell mit bundesweiten Vorträgen, beispielsweise über die „Energieeffizienz von Lüftungsanlagen in Nichtwohngebäuden“. Wir wollen damit die Aufmerksamkeit auf das für Auftragnehmer und Auftraggeber gleichermaßen lukrative Geschäftsfeld lenken.

Selbst bei Antrieben, die im Betrieb ständig auf maximaler Drehzahl laufen, birgt der Einsatz von Frequenzumrichtern etliche Vorteile, etwa eine Vermeidung von Stromspitzen im Anlauf. Das schont die Motorwicklung und vermeidet beim Ein- und Ausschalten von Pumpen Druckschläge. Diese Entlastung erhöht die mögliche Nutzungsdauer vieler Anlagenkomponenten, beispielsweise von Ventilen und Dichtungen. Das im Anlauf konstant zur Verfügung stehende Drehmoment, die Möglichkeit, Antriebe kontrolliert (mit Bremschopper) auszubremsen und der hohe Wirkungsgrad heben die technischen Möglichkeiten eines Frequenzumrichters aus der Vielzahl weiterer Drehzahlregelmöglichkeiten heraus. Aufgrund der aufgeführten Vorteile wächst der weltweite Markt für Frequenzumformer in der TGA um rund 9 % pro Jahr und überstieg im Jahre 2007 erstmals die Grenze von 1 Mrd. US-Dollar.

TGA: Sind alle Motortypen für eine Nachrüstung geeignet?

Möhrle: Heutzutage sind sämtliche Qualitätsasynchronmotoren über Frequenzumrichter anzufahren, da sich die Qualität der Isolationen so weit verbessert hat, dass die Spannungen, die hier auftreten, abgefangen werden können. Die IEC-Normmotoren, die seit Mitte der 1990er-Jahre im Einsatz sind, erfüllen im Regelfalle diese Bedingungen. Bei einer Isolationsklasse F wäre dies garantiert. Durch die Pulsweitenmodulation einschließlich der Wechselwirkungen können beim FU-Einsatz Spannungen auftreten, die weit über der Eingangsspannung liegen. Vorsicht sollte man darum bei sehr alten Antrieben oder beispielsweise bei Tauchpumpen walten lassen, die aufgrund des Wasserkontakts oft in der Isolation nicht ausreichend ausgeführt sind.

Abhilfe schafft häufig ein Sinusfilter nach dem Frequenzumrichter, der die Hochfrequenz glättet. Bei Sonderantrieben jeglicher Art ist immer Vorsicht geboten, da hier die Isolationen selten dem Standard entsprechen. Es sind sogar Schwingkreise möglich, die einen Ausfall der Anlage auslösen können. Je nach Antriebsart sind aber auch Vorteile zu erwarten, wie etwa bei Keilriemenantrieben, bei welchen die Riemen durch Anlauframpen geschont werden. Zur Absicherung ist zu empfehlen, bei den jeweiligen Motorenherstellern die Eignung für den Frequenzumformerbetrieb anzufragen.

TGA: Welcher Regelbereich lässt sich in der Praxis bei typischen TGA-Anwendungen erreichen?

Möhrle: Bei Ventilatoren und Pumpen ist von einem Bereich von ca. 20 Hz bis mindestens 50 Hz auszugehen. Daher stellt bei den Honeywell-Umformern der 30-Sekunden-Installationsassistent bei Angabe des Gerätetyps (Pumpe oder Ventilator) diese Basiswerte automatisch ein. Ausschlaggebend für diese Grenzen sind ausschließlich der Nennstrom und die Motortemperaturen, sowie bei potenziell auftretenden Nenndrehzahlüberschreitungen die mechanische Festigkeit. Bei Motorausführungen mit drehzahlunabhängiger Kühlung ist die Mindestfrequenz oft weit unter 20 Hz und bei mechanisch sehr robust ausgeführten Ventilatoren sind Drehzahlen um 75 Hz keine Ausnahme mehr. Viele Antriebshersteller geben bereits konkrete Bereiche in ihren technischen Daten an.

TGA: Welche Frequenzumrichterleistung ist für welche Motorleistung erforderlich?

Möhrle: Diese Auslegung ist vollkommen von der Einsatzart und dem Einsatzort des Motors abhängig. Bei Strömungsmaschinen wie Pumpen oder Ventilatoren liegen quadratische Lasten vor, was einen quadratischen Anstieg der Leistung in Bezug auf den Volumenstrom bedeutet. Durch dieses Verhalten besitzt eine Strömungsmaschine gegenüber einer linearen Last, z.B. Aufzugsmotoren, zwei für Frequenzumrichter große Vorteile: erstens sind aufgrund des Strömungsprinzips keine hohen Spitzenlasten zu erwarten und zweitens sind die Lasten bei Dauerbetrieb in Zwischendrehzahlen geringer. Der Einsatzort bestimmt die maximale Temperatur der Umgebungsluft, welche die Kühlung der IGBTs (siehe Kasten) übernimmt. Daher ist diese ebenfalls ein Hauptfaktor bei der Dimensionierung eines Frequenzumrichters.

Zur Auslegung existiert auf http://www.honeywell.de/haustechnik ein Auslegungsprogramm, das eine Unterscheidung zwischen niedriger (Pumpen, Ventilatoren) und hoher Überlast (Maschinen) vornimmt. Bei Abweichungen von der in den ­tech­nischen Daten angegebenen maximalen Um­gebungs­temperatur existieren Umrechnungsfaktoren pro Kelvin Abweichung. Zusätzlich ist zu beachten, dass nicht allein die Nennleistungsangaben zu prüfen sind, sondern ebenso die Nennströme, sodass bei Motoren mit schlechtem Wirkungsgrad nicht zu kleine Geräte ausgewählt werden. Bei alten Antrieben ist zu empfehlen, zur Sicherheit eine Messung durchzuführen, da hier häufiger der Nennstrom überschritten wird. In unsicheren Fällen sollte immer der größere Frequenzumrichter gewählt werden, da es meistens problematisch ist, bei geforderter Maximalleistung diese nicht bereitstellen zu können. Extreme Fälle sind hier Klimaanlagen, die bei höchster Umgebungstemperatur die maximale Leistung fordern. Eine Überdimen­sionierung des Frequenzumformers ist dagegen bei Qualitätsprodukten nicht schwerwiegend, da bei ihnen die Grenzwerte, die auch einen Motorschutz gewähren, eingestellt werden können.

TGA: Welcher Energieverbrauch ist für den Frequenzumrichter im Betrieb und im Stand-by zu kalkulieren?

Möhrle: Der eigene Energiebedarf des Frequenzumrichters ist abhängig vom Betriebszustand, jedoch kann man bei hoher Qualität der Frequenzumrichter von ca. 2,5 % ausgehen. In der Stand-by-Situation beträgt die Verlustleistung wenige Watt.

TGA: Frequenzumrichter stehen für Energieeinsparung durch Drehzahlregelung. Nach den häufig angeführten Affinitätsgesetzen würde beispielsweise bei Umwälzpumpen eine Halbierung des Volumenstroms nur noch ein Achtel der elektrischen Leistungsaufnahme erforderlich machen. Welche Werte lassen sich für typische Anwendungen in der Praxis erzielen?

Möhrle: Die Reduzierung der Leistungsaufnahme wird bei realen Anlagen durch Zusatzverluste des Motors im Oberwellenbereich sowie durch weitere kleine Zusatzverluste etwas gemindert. Die Erfahrungen haben aufgezeigt, dass in solchen Anwendungen eine tatsächliche Reduzierung des Leistungsverbrauchs auf bis zu 20 % (statt der theoretischen 12,5 %) realistisch ist.

TGA: Ihr Unternehmen bietet zur Berechnung der Energieeinsparung einen „Ersparniskalkulator“ an, der …

Möhrle: … nach der Auswahl, ob Pumpen oder Ventilatoranwendung eingesetzt werden, über Eingabe der Eckdaten wie Nennvolumenstrom, Nenndruckdifferenz, Effizienz des Frequenzumrichters (bei Honeywell 0,98) und der Lastaufteilung die entsprechende Energie- und Kostenersparnis angibt. Es ist ein hilfreiches Tool, über das zumindest die Ersparnis der elektrischen Kosten für den Antrieb gut abgeschätzt werden kann. Hier wird der Nutzer auch direkt darauf aufmerksam gemacht, wie diffizil eine solche Abschätzung ist, wenn die Eingaben verlangt werden, wie viel Prozent der Gesamtbetriebszeit der Antrieb auf 90, 70, oder sogar nur 50 % betrieben wird.

TGA: Der Einbau eines Frequenzumrichters rechnet sich besonders schnell, wenn kontinuierlich eine Anpassung an den momentanen Bedarf erfolgt. Wie erhält der Frequenzumrichter seine Sollwerte, wenn vorher nur Ein/Aus- bzw. Drehzahlschaltungen existent waren?

Möhrle: Es ist vollkommen richtig, dass mit der geregelten Bedarfsanpassung enorme Einsparpotenziale erschlossen werden können. Je nach TGA-Bereich sind unterschiedliche Regelgrößen besonders gut geeignet. Bei RLT-Anlagen für Räume mit stark variierender Personenbelegung CO₂-Sensoren, bei Sporthallen Mischgassensoren, in Schwimmbädern Feuchtigkeitssensoren, bei Schmutzwasserpumpen Nivellierungssensoren, in RLT-Anlagen mit Volumenstromreglern oder Pumpenanlagen Drucksensoren usw. Es eröffnet sich eine fast unbegrenzte Varianz an Einflussmöglichkeiten, die je nach Anwendungsfall ausgewählt werden können. Durch das übergreifende Portfolio von Honeywell im Bereich Hausautomation profitieren unsere Kunden von einer großen Umsetzungserfahrung.

Oft existiert die allgemeine Ansicht, dass immer die Regelanlage bei der Nachrüstung eines Frequenzumformers komplett abgeändert werden muss. Das ist jedoch nur selten der Fall. In den Honeywell-Frequenzumformern sind immer Regler integriert, welche das Signal von einem Istwertgeber 0…10 V verarbeiten können und somit auch völlig unabhängig von der Gesamtregelung arbeiten können. Ebenso ist über Digitaleingänge auch eine stufenweise Umschaltung von mehreren einstellbaren Drehzahlen möglich, was etwa bei Zu/Abluft von Geräten, die einzeln zugeschaltet werden, oder auch für zum Aufschalten von älteren Energiemanagementsystemen (Lastabwurf) häufig genutzt wird.

TGA: Was ist bei Planung, Ausschreibung und Installation besonders zu beachten?

Möhrle: In der Planung ist vor allem darauf zu achten, mit welchen Auswirkungen in dem entsprechenden System bei einer Volumenstromreduzierung zu rechnen ist. Beispielsweise bei RLT-Anlagen, die eine Luftverteilung im Raum sicherstellen müssen oder bei Pumpensystemen mit einem ungenügenden hydraulischen Abgleich. Hier muss auch bei den Abnehmern mit höherem Druckbedarf eine ausreichende Versorgung gewährt bleiben. Ebenso sollte auf die EMV-Schutzklasse geachtet werden, vor allem in gefährdeten Bereichen wie EDV-Räumen, Krankenhäusern und Flughäfen. Die Honeywell HVAC-Umformer bis 30 kW in IP54 besitzen die höchste EMV-Schutzklasse sowie eine Netzdrossel. Sie sind auch in anspruchsvollen Bereichen einsetzbar. Daneben sollte darauf geachtet werden, dass etwa vorhandene Blindstromkompensatoren entfernt werden. Ein Frequenzumformer übernimmt diese Funktion für den geregelten Antrieb.

Ebenso sollte vorab die Art der Ansteuerung durchdacht sein, egal, ob durch eine einmalige Anpassung des Volumenstromes oder über eine Regelgröße. Soll dies von einer DDC-Anlage aus erfolgen oder über ein 0…10 V Signal? Oder über Bus-Anforderung? Und wenn ja, über welchen Bus? Oder soll der Frequenzumformer als Stand-Alone-Gerät mit Nutzung des eigenen Reglers eingesetzt werden? Und woher erfolgt dann die Anforderung? Meist sind dies keine großen Hindernisse, jedoch wird eine noch nachträglich einzubringende Leitung oder sonstiges Material stets die Kosten erhöhen.

Eine „Kostenfalle“ stellen Dachzentralen oder Heizungsübergabestationen dar, in welchen zeitweise eine extrem hohe Umgebungstemperatur vorliegt. Soll hier ein Frequenzumrichter montiert werden, muss dessen Leistung auf einen über dem Motorenwert liegenden angepasst werden. Nicht selten kommt es in solchen Fällen vor, dass die in den Honeywell HVAC-FUs serienmäßige Frequenzdrosselung, in Abhängigkeit der Frequenzumrichter-Temperatur genutzt werden muss.

Im Installationsbereich liegen die Hauptprobleme im Bereich der Erdungen und der Verlegung der Motorleitungen. Eine saubere sternförmige Erdung sowie eine achtsam und separat verlegte, geschirmte Motorleitung können manche Nacharbeiten verhindern.

TGA: Welche Vor- und Nachteile haben Motor- und Schaltschrankintegration und die Installation ohne Schaltschrank?

Möhrle: Zunächst zur Motorintegration: Bei ­einem Defekt muss häufig die Motor-Frequen­z­umrichter-Einheit getauscht werden. Eine schnelle Notlösung, etwa ein Direktanschluss des Motors auf das Versorgungsnetz, sind dann nicht möglich. ­Klarer Vorteil dagegen ist das Wegfallen der Motorlei­tung. Zumindest bei größeren oder unzugäng­lichen Antrieben überwiegen meistens die Nachteile.

Bei separaten Frequenzumrichtern muss der Montageort gut geplant werden. Bei der Montage dicht beim drehzahlgeregelten Motor hat man den Vorteil einer kürzeren Motorleitungsstrecke. Das reduziert die Kosten für die notwendige, geschirmte Motorleitung und minimiert ein Aufschwingen der Hochfrequenz. Allerdings ist eine höhere Gehäuseschutzklasse vorzusehen.

Entscheidet man sich für die Schaltschrankmontage, kann der Vorteil der zentralen Bedienung genutzt werden. Jedoch sollte auf möglichst kurze Motorleitungen und auf ausreichend Montageraum im Schaltschrank mit möglicherweise zusätzlicher Belüftung oder Klimatisierung zur Wärmeabfuhr geachtet werden. Der Honeywell-Frequenzumrichter hat auf dem Markt die kleinsten Einbaugrößen. Damit sind die Montagemöglichkeiten sehr groß und die Montagekosten sehr klein.

TGA: Frequenzumrichtern wird nachgesagt, dass sie störende Geräusche verursachen können.

Möhrle: Durch die Funktionsweise der Frequenzumrichter über die Pulsweitenmodulation können im Antrieb tackende Geräusche entstehen, die jedoch durch höhere Taktfrequenzen des FUs in der Regel abgestellt oder minimiert werden können. Die Schaltfrequenz des Honeywell-Umformers HVAC lässt sich zwischen 1 und 16 kHz einstellen. Diese im Vergleich zu Wettbewerbs­pro­dukten große Bandbreite lässt eine optimale Anpassung zu.

Im Zusammenhang mit der Geräuschentwicklung sollte erwähnt werden, dass Geräusche durch Drosselorgane bei Anlagen ohne Drehzahlregelung sich normalerweise stärker bemerkbar machen und durch den Einsatz eines Frequenzumrichters minimiert werden können.

Es ist schade, dass die negativen Aspekte, wie EMV-Problematik, komplexe Inbetriebnahme und hohe Kosten aus der Entwicklungsgeschichte des Frequenzumrichters auch heute oft noch stärker hervorgehoben werden als die zahlreichen Vorteile, die dieses Gerät bietet. Solche Probleme treten mit hochwertigen Geräten nur in sehr seltenen Fällen auf, wenn besondere Bedingungen in der Anlagenperipherie zusammenkommen, und lassen sich dann weitestgehend abstellen. In der Technischen Gebäudeausrüstung stehen damit enorme Potenziale zur Verfügung, durch den Einsatz von Frequenzumrichtern Energie und Energiekosten sowie häufig auch noch weitere Betriebs- und Instandhaltungskosten einzusparen.

TGA: Vielen Dank für das Gespräch.

http://www.honeywell.de/haustechnik

Die Suche nach technischen Möglichkeiten, die Drehzahlen von Asynchronmotoren zu regeln, ist annähernd so alt wie der Asynchronmotor selbst. Die ersten Varianten versuchten es mit niedrigeren Spannungen (z.B. Transformatoren) und höherem Schlupf sowie über eine starre Verbindung von Motor und Generator. Diese Geräte, welche meist über die unterschiedlichen Polzahlen der Statorwicklungen die Frequenz veränderten, nannte man Frequenzumformer bzw. Frequenzwandler. Daneben gab es verschiedenste weitere Entwicklungen unter dieser Bezeichnung, die alle das gleiche Ziel hatten: Erzeugung einer anderen Netzfrequenz, um damit genormte Motoren bei unterschiedlichen Drehzahlen betreiben zu können. In den 1960er-Jahren begann man über Thyristoren die Drehzahl mit einer Puls-Amplituden-Modulation zu regeln. Diese ersten als Frequenzumrichter bezeichneten Geräte wurden noch mit einem Ölbad gekühlt und waren sehr groß und sehr teuer. Mit der fortschreitenden Entwicklung der Leistungselektronik wurde es möglich, das Prinzip Frequenzumrichter zu attraktiven Preisen und Abmessungen mit modernsten Bauteilen, die nur noch geringste Abwärme/Verluste erzeugen, herzustellen. Aus diesen Entwicklungen heraus hat sich das Prinzip Frequenzumrichter in der anspruchsvollen TGA mehrheitlich durchgesetzt. Häufig ist bei den aktuellen Frequenzumrichtern ein Zwischenkreisumrichter mit IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor) vorhanden, der Ausgangsfrequenzen oberhalb der Eingangsfrequenzen erzeugen kann.