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Affinitätsgesetz und Ventilator-Design

13/6/2025

Die Komplexität des Design von Ventilatoren wird oft unterschätzt und im täglichen Umgang mit Ventilatoren ist uns kaum bewusst das die Affinitätsgesetze, die Zusammenhänge zwischen Drehzahl, Volumenstrom, Druck und Leistung beschreiben, die essenziell sind für die Auslegung und Regelung von Ventilatoren sind. Konkret besagen sie:

1) Der Volumenstrom (Luftmenge) ändert sich proportional zur Drehzahl des Ventilators.

2) Der statische Druck ändert sich proportional zum Quadrat der Drehzahl.

3) Die Leistung (Energieaufnahme) ändert sich proportional zur dritten Potenz der Drehzahl.

Das bedeutet beispielsweise, dass eine Halbierung der Drehzahl nur noch 50 % des Volumenstroms liefert, aber nur noch 25 % des statischen Drucks erzeugt wird und der Energieverbrauch auf etwa 12,5 % sinkt. Diese nicht-linearen Zusammenhänge sind wichtig, um Ventilatoren effizient zu dimensionieren und zu regeln. So kann man durch Drehzahlregelung den Luftstrom anpassen und gleichzeitig Energie sparen, da die Leistung mit der dritten Potenz der Drehzahl stark sinkt.

Einfluss der Affinitätsgesetze auf die Akustik

Drehzahl und Schallleistung:
Da der Druck proportional zum Quadrat der Drehzahl und die Leistung zur dritten Potenz der Drehzahl ansteigt, führt eine Erhöhung der Drehzahl zu einem deutlich höheren Schallleistungspegel. Das bedeutet, dass eine Reduzierung der Drehzahl nicht nur den Energieverbrauch senkt, sondern auch die Geräuschentwicklung erheblich verringert.

Akustische Optimierung durch Drehzahlregelung:
Durch gezielte Anpassung der Ventiltordrehzahl kann der Luftstrom bedarfsgerecht geregelt werden, was gleichzeitig die Schallemissionen reduziert. Dies ist besonders in sensiblen Umgebungen wie Kindergärten oder Büros wichtig, wo niedrige Geräuschpegel erforderlich sind.

Strömungsbedingte Geräuschquellen:
Neben der Drehzahl beeinflussen auch geometrische Faktoren wie Gehäusegestaltung, Lüfter-Blatt Form und Spaltmasse die Aero-Akustischen Eigenschaften. Numerische Simulationen (z.B. CFD und akustische FEM-Modelle) zeigen, dass Turbulenzen im Rotorbereich und Gehäuseelemente Hauptquellen für Schall sind. Die Affinitätsgesetze helfen dabei, die Betriebsbedingungen so zu wählen, dass diese Effekte minimiert werden.

KI-Gestützte Steuerung:
Moderne Systeme nutzen die Affinitätsgesetze, um mittels intelligenter Steuerung die Ventiltordrehzahl dynamisch an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Dies führt zu einer Balance zwischen erforderlichem Luftstrom, Energieeffizienz und reduzierter Geräuschentwicklung.

Fazit
Die Affinitätsgesetze liefern die physikalische Grundlage, um durch Drehzahlregelung den Luftstrom effizient zu steuern und gleichzeitig die Schallentwicklung zu minimieren. Im Ventiltordesign werden sie daher genutzt, um akustisch optimierte Betriebsbereiche zu definieren und durch technische Massnahmen (z. B. Anpassung der Drehzahl, Gehäuseoptimierung) eine leisere und energieeffizientere Lüftung zu realisieren.

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Roll out von Schallhauben für Grosswärmepumpen

9/6/2025

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Der Sommer hat kaum begonnen da geht es mit dem "Roll Out" verschiedener Projekte für unsere Schallhauben für Grosswärmepumpen los. Alleine im Juni 2025 gehen die nachstehenden Schallhauben für Grosswärmepumpen an den Start:

1 Schallhaube 7'800 x 4'430 x 3'440 mm L x B x H (Einzelhaube)
1 Schallhaube 6'900 x 3'800 x 3'800 mm L x B x H (Einzelhaube)
1 Schallhaube 8'900 x 6'100 x 4'100 mm L x B x H (Doppelhaube)
1 Schallhaube 10'800 x 4'800 x 3'810 mm L x B x H (Doppelhaube)
1 Schallhaube 5'480 x 2'590 x 2'788 mm L x B x H (Einzelhaube)
1 Schallhaube 18'500 x 4'600 x 4'150 mm (L x B x H (Dreifach Haube)
1 Schallhaube 3'100 x 2'200 x 2'472 mm (L x B x H) Einzelhaube

In der Summe der 11 Grosswärmepumpen ist damit eine Reduktion der Schallemissionen von 209 dB(A) geplant. Sämtliche Anlage stehen in der Nähe Schall sensibler Nachbarschaft und können ohne Schallmassnahmen unter Einhaltung der Lärmvorschriften nicht betrieben werden. Die Projekte verteilen sich auf Deutschland (Stuttgart, Berlin, Esslingen, München), Österreich (Innsbruck) und die Schweiz (Luzern).

Für die Produktion dieser Schallhauben wurden rund 1'350 m2 Alubleche mit einer Stärke von 2 mm und rund 1'600 Laufmeter an Aluprofilen plus rund 1'300 m2 an Isolation verbaut. Dazu kommen Schliesssysteme, Sensoren und eine grosse Anzahl an Befestigungsmaterial.

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Höhere Schallabsorption durch Hohlräume

9/6/2025

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Es ist eine bekannte Tatsache das ein 50 mm großer Hohlraum hinter Stratocell Whisper die Schallabsorptionsleistung erheblich verbessert. Dies insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Durch den Hohlraum können die Schallwellen tiefer in das Material eindringen, was die effektive Absorptionstiefe erhöht und die akustische Wirksamkeit insgesamt verbessert.

Im Einzelnen:
Ein 50 mm tiefer Luftspalt hinter der 50 mm dicken Stratocell Whisper-Platte verbessert die Absorption, indem er den Frequenzbereich, in dem das Material wirksam ist, erweitert und insbesondere die Absorption niedriger Frequenzen erhöht. Auf diese Weise erreicht das Paneel sein maximales Schallabsorptionspotenzial (NRC 1.0, Klasse A) und reduziert Nachhall und Echo effizienter als ein direkt auf einer harten Oberfläche montiertes Paneel ohne Hohlraum.

Der Hohlraum fungiert als Resonanzraum, der synergetisch mit der Struktur des Schaums zusammenwirkt, was zu einer besseren Dämpfung der Schallenergie führt.

Ein doppelter Hohlraum, sprich zwei getrennte Lufthohlräume hinter oder innerhalb der Installation von Stratocell Whisper-Paneelen, erhöht die Schallabsorption, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, im Vergleich zu einem einzelnen 50-mm-Hohlraum weiter durch nochmalige gesteigerte Absorption niedriger Frequenzen. Mehrere Luftspalte erhöhen die Tiefe des schallabsorbierenden Systems, so dass Schallwellen, bei niedrigen Frequenzen, effektiver abgeleitet werden können, da sich der Weg des Schalls innerhalb des absorbierenden Materials und der Hohlräume verlängert.

Durch die Kombination von Schaumstoffschichten und Lufthohlräumen kann eine komplexere akustische Impedanz entstehen, die die Absorption in einem breiteren Frequenzbereich verbessert.

Verbesserte Gesamtabsorption:
Stratocell Whisper-Paneele erreichen bereits mit einem einzigen 50-mm-Spalt die Absorptionsklasse A. Durch Hinzufügen eines zweiten Luftraums kann die Leistung in anspruchsvollen akustischen Umgebungen wie Industrie- oder Verkehrslärmschutz weiter gesteigert werden.

Bei unseren Schallhauben Projekten für Grosswärmepumpen und Kälteanlagen haben wir deshalb die Struktur unserer Paneelen entsprechend ausgerichtet und führen diese heute je nach Anforderungen an die benötigten Schallreduktion nach Frequenzbändern mit einem Einzelnen Luftraum oder bei Projekten bei denen eine sehr hohe Schallreduktion gefordert ist mit einem Doppelten Hohlraum aus. Da StratocellWhisper nur ein geringes Gewicht hat wird auch das Gewicht der Panels nur geringfügig erhöht.

Die dauerhaften Befestigung des Material und die Schaffung der Distanzen zwischen den Schichten war eine Herausforderung die in Zusammenarbeit mit verschiedenen Experten und zahlreichen Versuchen nun elegant gelöst wurde.

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