Ventilatoren in RLT-Anlagen: Typen, Kennlinien und Auslegung

Ventilatoren sind das Herzstück jeder raumlufttechnischen Anlage und maßgeblich für Energieverbrauch, Betriebssicherheit und Schallpegel verantwortlich. DIN EN ISO 5801 definiert die Prüfbedingungen für Ventilatorleistungen; in der Planungspraxis erfolgt die Auslegung über den Betriebspunkt im Kennliniendiagramm. Dieser Artikel systematisiert Ventilatortypen, erläutert das Kennlinienkonzept und zeigt, wie der Betriebspunkt berechnet und optimiert wird.

Ventilatortypen im Überblick – Axial, Radial, Diagonal und EC

Ventilatoren in der Raumlufttechnik lassen sich nach ihrer Strömungsrichtung und Bauart in drei grundlegende Typen einteilen: Axialventilatoren, Radialventilatoren (auch Zentrifugalventilatoren) und Diagonalventilatoren. Hinzu kommt die zunehmend dominante Antriebstechnik der EC-Motoren (elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren), die prinzipiell mit allen Laufradtypen kombinierbar ist.

Axialventilatoren fördern Luft in Richtung der Drehachse. Das Laufrad ist axial durchströmt; die Druckerhöhung entsteht durch die Umlenkung der Strömung an den Schaufelprofilen. Axialventilatoren eignen sich für hohe Volumenströme bei vergleichsweise geringen Totaldrücken bis ca. 500 Pa. In RLT-Anlagen werden sie bevorzugt für freie Aufstellung (z. B. Dachventilatoren, Zuluftanlagen ohne komplexe Kanalnetze) eingesetzt. Ihr Wirkungsgrad ist im Auslegungspunkt vergleichbar mit dem guter Radialventilatoren, fällt aber bei Teillast steiler ab. Kennzeichnend ist die bei Axialventilatoren ausgeprägte Instabilitätszone links des Druckmaximums – der sogenannte Strömungsabriss –, die bei der Auslegung unbedingt zu vermeiden ist.

Radialventilatoren fördern Luft senkrecht zur Drehachse; die Strömung wird durch das Spiralgehäuse in die Förderrichtung umgelenkt. Sie sind die in RLT-Anlagen am weitesten verbreitete Bauform, da sie hohe Drücke bei mittleren bis hohen Volumenströmen erzeugen können. Die Laufradgeometrie unterscheidet vorwärts- und rückwärtsgekrümmte Schaufeln sowie gerade (radiale) Schaufeln:

• Vorwärtsgekrümmte Schaufeln (Trommelläufer): Hoher Volumenstrom bei geringem Druckaufbau, flache Kennlinie mit ausgeprägtem Scheitel und Instabilitätsbereich. Der Wirkungsgrad ist niedriger als bei rückwärtsgekrümmten Rädern, die Leistungsaufnahme steigt bei steigendem Volumenstrom stark an (Gefahr der Motorüberlastung). In der Planungspraxis empfiehlt es sich, Trommelläufer nur bei gut bekannten, stabilen Betriebspunkten einzusetzen.
• Rückwärtsgekrümmte Schaufeln (Hochleistungsrad): Stetig fallende Kennlinie ohne Scheitel, eindeutiger Betriebspunkt, selbstbegrenzendes Leistungsverhalten – die Leistungsaufnahme sinkt mit zunehmendem Volumenstrom nach dem Maximum. Der Wirkungsgrad ist unter allen Betriebsbedingungen besser als beim Trommelläufer. Die Bauform ist für RLT-Anlagen mit variablem Betrieb (VAV) die technisch überlegene Wahl.
• Freiläufer (ohne Spiralgehäuse): Rückwärtsgekrümmte Schaufeln ohne Gehäuse, direkt in den Luftstrom eingebaut. In modernen RLT-Geräten zunehmend verbreitet, da sie kompakt bauen und mit EC-Motoren eine energetisch sehr günstige Kombination bilden.

Diagonalventilatoren sind eine Zwischenform: Die Strömung durchströmt das Laufrad schräg zur Achse. Sie kombinieren moderate Druckerzeugung mit hohem Volumenstrom und kompakter Bauweise. In der RLT-Technik sind sie weniger verbreitet als Radial- oder Axialventilatoren, finden aber Anwendung in dezentralen Lüftungsgeräten.

EC-Motoren (elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren, auch bürstenlose Gleichstrommotoren) haben konventionelle AC-Motoren in der RLT-Technik weitgehend verdrängt. Die wesentlichen Vorteile sind: stufenlose Drehzahlregelung ohne separaten Frequenzumrichter, hoher Motorwirkungsgrad (bis > 90 %) über einen breiten Drehzahlbereich, geringeres Anlaufmoment und kompaktere Bauform. In Verbindung mit rückwärtsgekrümmten Freiläufern bilden EC-Ventilatoren heute den Stand der Technik für energieeffiziente RLT-Geräte.

Die Ventilatorkennlinie – Grundlage der Auslegung

Die Ventilatorkennlinie beschreibt den Zusammenhang zwischen dem vom Ventilator erzeugten Totaldruckunterschied $Δp_t$ und dem geförderten Volumenstrom V̇ bei konstanter Drehzahl. Sie wird nach DIN EN ISO 5801 auf einem genormten Prüfstand ermittelt und vom Hersteller als Diagramm (p-V-Diagramm) bereitgestellt.

Der grundlegende Verlauf der Kennlinie hängt vom Laufradtyp ab. Beim rückwärtsgekrümmten Hochleistungsrad fällt die Kennlinie vom Abdruckpunkt (V̇ = 0, maximaler Druck) stetig bis zum Freiblasepunkt ($Δp_t$ = 0, maximaler Volumenstrom) ab – diese stetig fallende Kurve garantiert einen eindeutigen Betriebspunkt. Beim Trommelläufer mit vorwärtsgekrümmten Schaufeln weist die Kennlinie ein lokales Maximum sowie einen Sattel mit instabilem Bereich auf; links dieses Sattels kann es zum Pumpen kommen, bei dem sich der Betriebspunkt sprunghaft verschiebt.

Im Kennliniendiagramm werden üblicherweise vier Kurven gleichzeitig dargestellt:

• Totaldruckkennlinie $Δp_{t(V̇)}$: Der für die Auslegung maßgebende Druckunterschied
• Statische Druckkennlinie $Δp_{st(V̇)}$: Totaldruckkurve abzüglich des dynamischen Drucks am Ventilatoraustritt
• Wirkungsgradkurve η(V̇): Zeigt den günstigsten Betriebspunkt (BEP, Best Efficiency Point)
• Leistungskurve P(V̇): Antriebsleistungsbedarf als Funktion des Volumenstroms

Der günstigste Betriebspunkt liegt beim Maximum der Wirkungsgradkurve. Ventilatoren sollten im Auslegungspunkt möglichst nahe am BEP betrieben werden; die Toleranz beträgt in der Planungspraxis üblicherweise ±10 % des BEP-Volumenstroms. Weicht der tatsächliche Betriebspunkt erheblich vom BEP ab, steigen Energieverbrauch und Schallpegel überproportional an.

Bei der Auslegung ist zu beachten, dass alle Kennlinien für eine definierte Luftdichte ρ = 1,2 kg/m³ (entspricht ca. 20 °C, 1.013 hPa) gelten. Bei abweichenden Betriebsbedingungen – etwa Hochlagen, erhöhten Temperaturen oder Überdruckbetrieb – sind Korrekturformeln anzuwenden:

In einer Anlage auf 800 m ü. NN (ρ ≈ 1,10 kg/m³ statt 1,20 kg/m³) erzeugt derselbe Ventilator bei gleicher Drehzahl nur noch 92 % des Katalog-Totaldrucks; entsprechend muss der Ventilator größer oder höher gedreht werden, um denselben Betriebspunkt zu erreichen.

Betriebspunkt und Anlagenkennlinie

Der tatsächliche Betriebspunkt einer RLT-Anlage ergibt sich aus dem Schnittpunkt der Ventilatorkennlinie mit der Anlagenkennlinie. Die Anlagenkennlinie beschreibt den Gesamtdruckverlust des Kanalnetzes als Funktion des Volumenstroms:

Dieser quadratische Zusammenhang folgt direkt aus den Strömungsgesetzen: Reibungsdruckverluste und Formstückdruckverluste wachsen proportional zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit, die ihrerseits proportional zum Volumenstrom ist. Der Anlagenkoeffizient $K_{Anlage}$ fasst alle Widerstände des Netzes in einer Konstante zusammen:

Der Betriebspunkt A liegt genau dort, wo Ventilator- und Anlagenkennlinie sich schneiden: Der Ventilator kann in diesem Punkt gerade den Druckverlust überwinden, den das Netz beim geförderten Volumenstrom erzeugt.

Drosselung vs. Drehzahlregelung: Wird der Volumenstrom durch Drosselung reduziert (z. B. durch teilweise Schließung einer Drossel oder eines Volumenstromreglers), verändert sich die Anlagenkennlinie – ihre Steigung $K_{Anlage}$ wird größer. Der Betriebspunkt verschiebt sich entlang der Ventilatorkennlinie von A nach B: geringerer Volumenstrom bei erhöhtem Druckverlust, die Drosselenergie wird vernichtet. Bei Drehzahlregelung hingegen verschiebt sich die Ventilatorkennlinie selbst parallel nach unten (im log-log-Diagramm) – der Betriebspunkt wandert von A nach C: geringerer Volumenstrom bei deutlich geringerem Druck und erheblich geringerer Leistungsaufnahme. Das Handbuch der Klimatechnik zeigt anhand eines konkreten Rechenbeispiels, dass der Umbau auf Drehzahlregelung bei einem Ventilator mit 80 % reduzierten Anlagebetrieb eine Energieeinsparung von ca. 47 % bewirken kann.

Berechnungsbeispiel / Formeln

Das folgende Beispiel zeigt die vollständige Ventilatorauslegung für eine Zuluftanlage.

Aufgabenstellung: Eine Zuluftanlage fördert V̇ = 5.000 m³/h gegen einen Gesamtdruckverlust der maßgebenden Strecke von $Δp_t$ = 400 Pa. Der Gesamtwirkungsgrad des Ventilators (Ventilator + Motor + Übertragung) beträgt $η_{ges}$ = 0,72.

Schritt 1 – Antriebsleistung:

Die erforderliche elektrische Antriebsleistung berechnet sich zu:

Einsetzen der Werte (V̇ in m³/s):

Schritt 2 – Spezifische Ventilatorarbeit:

Die spezifische Ventilatorarbeit Y (auch: spezifische Stutzenarbeit) beschreibt die Energieübertragung je Masseneinheit geförderte Luft:

Schritt 3 – SFP-Kennzahl:

Der SFP-Wert (Specific Fan Power) ist die für die Energieeffizienz von Lüftungsanlagen normativ relevante Kennzahl. Er setzt die Antriebsleistung ins Verhältnis zum geförderten Volumenstrom:

Dieser Wert liegt deutlich unterhalb des Grenzwerts von 0,45 Wh/m³, der für förderfähige Lüftungsanlagen nach BEG EM und dem GEG gilt. Der SFP-Wert gilt für den Gesamtvolumetrumstrom der Anlage (Zu- und Abluft gemeinsam) und muss bei der Auslegung für beide Ventilatoreinheiten berechnet werden.

Schritt 4 – Anlagenkoeffizient und Kennlinienüberprüfung:

Bei einem reduzierten Betrieb von $V̇_{red}$= 3.500 m³/h (= 70 % Nennvolumenstrom) ergibt sich der neue Betriebspunkt auf der Anlagenkennlinie:

Die Ventilatorleistung bei Drosselregelung (Betriebspunkt auf alter Kennlinie bei reduziertem V̇) liegt höher als bei optimaler Drehzahlregelung – der Unterschied beträgt im Beispiel mehrere hundert Watt, abhängig vom Kennlinienverlauf.

Schritt 5 – Affines Gesetz (Drehzahlregelung):

Das affine Gesetz (Ähnlichkeitsgesetze für Ventilatoren) beschreibt, wie sich Volumenstrom, Druckerhöhung und Leistung mit der Drehzahl ändern:

Für eine Drehzahlreduktion auf 70 % (n₂/n₁ = 0,70) ergibt sich:

• Volumenstrom: V̇₂ = 5.000 × 0,70 = 3.500 m³/h ✓
• Druckerhöhung: $Δp_{t,2}$ = 400 × 0,70² = 400 × 0,49 = 196 Pa
• Leistung: P₂ = 771 × 0,70³ = 771 × 0,343 = 264 W

Die Leistungsaufnahme sinkt bei Drehzahlreduktion auf 70 % auf nur noch 34 % des Auslegungswertes. Gegenüber der Drosselregelung, bei der der Ventilator weiterhin nahezu volle Leistung aufnimmt, ergibt sich eine Einsparung von ca. 507 W – bei 4.000 Teillastbetriebsstunden pro Jahr entspricht das rund 2.000 kWh und ca. 600 € Stromkosten (bei 0,30 €/kWh).

Drehzahlregelung und Energieeinsparung

Die Drehzahlregelung von Ventilatoren ist in der modernen RLT-Technik Standard und wird durch EC-Motoren oder externe Frequenzumrichter (FU) realisiert. Das theoretische Einsparpotenzial folgt aus dem affinen Gesetz: Da die Ventilatorleistung kubisch mit der Drehzahl abnimmt, bewirkt eine Drehzahlreduktion auf 80 % eine Leistungsabsenkung auf 51 % – eine Drosselregelung würde für denselben Volumenstrom ca. 85–90 % der Leistung benötigen.

In volumenvariablen Anlagen (VAV, Variable Air Volume) stellt die Drehzahlregelung des Ventilators die energetisch unverzichtbare Ergänzung zu den raumweisen Volumenstromreglern dar. Ohne Ventilatorsteuerung würde der Differenzdruck im Kanalnetz bei Teillast stark ansteigen und die Volumenstromregler in ineffiziente Regelbereiche zwingen.

Die Regelstrategien unterscheiden sich in der Wahl der Führungsgröße:

• Konstantdruckregelung: Der statische Druck an einem definierten Punkt im Kanalnetz (typischerweise am Ende des längsten Strangs) wird auf einen Sollwert geregelt. Einfache Implementierung, aber nicht optimal: Bei geringer Belegung wird mehr Druck aufrechterhalten als nötig.
• Gleitdruckregelung: Der Drucksollwert wird in Abhängigkeit von der Stellung der am weitesten geöffneten VAV-Box angepasst. Energetisch optimaler, aber aufwändiger in der Regelungstechnik.
• Direktregelung über Raumsensoren: CO₂- oder VOC-Sensoren geben die Sollvolumenströme direkt vor; der Ventilator folgt dem Gesamtbedarf. Setzt ein durchgängiges DDC-System voraus.

Bei der Auslegung ist zu beachten, dass Frequenzumrichter selbst Verluste erzeugen (typisch 2–5 % der Motorleistung) und eine elektromagnetische Abschirmung (EMV-Maßnahmen) erfordern. Der Einbauort des FU sollte eine ausreichende Kühlung gewährleisten; bei Einbau im RLT-Gerät ist die Abwärme des FU in der Wärmebilanz des Geräts zu berücksichtigen.

Schallverhalten und SFP-Kennzahl

Ventilatoren sind die dominante Schallquelle in RLT-Anlagen. Der abgestrahlte Schallleistungspegel $L_{WA}$ steigt mit zunehmendem Volumenstrom und Druckaufbau; die Abhängigkeit ist näherungsweise:

wobei $K_S$ eine ventilatorspezifische Schallkonstante ist (aus Herstellerdatenblatt). Diese Formel verdeutlicht: Eine Verdopplung des Volumenstroms (+ 3 dB) oder eine Verdopplung des Drucks (+ 6 dB) erhöhen den Schallleistungspegel deutlich. Überdimensionierte Ventilatoren, die weit links ihres BEP betrieben werden, erzeugen nicht nur mehr Schall, sondern auch eine schlechtere Schallcharakteristik (Breitbandgeräusche statt der beim BEP vorherrschenden tonalen Komponenten).

Die SFP-Kennzahl (Specific Fan Power) ist in DIN EN 13779 (inzwischen abgelöst durch DIN EN 16798-3) als Energieeffizienzindikator für Lüftungsanlagen normiert. Sie berechnet sich zu:

Der SFP-Wert bezieht sich immer auf den Gesamtvolumenstrom der Anlage und die Summe der Antriebsleistungen aller Ventilatoren (Zuluft und Abluft). Die Klassifizierung nach DIN EN 13779 (SFP1 bis SFP5) wurde durch die ErP-Verordnung (EU) 1253/2014 ersetzt, die Mindestanforderungen an die Energieeffizienz von Lüftungsgeräten als Gesamtsystem definiert. Für Wohnraumlüftungsgeräte fordert die Ökodesign-Verordnung einen SFP ≤ 0,45 Wh/m³; für Nichtwohngebäude gelten je nach Anlage und Leistungsklasse gestaffelte Grenzwerte.

Bei der Auslegung ist zu beachten, dass der SFP-Wert nicht nur von der Ventilatorauswahl, sondern entscheidend von der Kanalnetzplanung abhängt. Ein gut ausgelegtes Kanalnetz mit moderaten Strömungsgeschwindigkeiten (3–5 m/s im Hauptkanal) und optimierten Formstücken erlaubt eine deutlich niedrigere SFP-Kennzahl als ein überdimensioniertes Netz mit zahlreichen Umlenkungen.

Typische Auslegungsfehler

Vier Kategorien von Planungsfehlern treten bei der Ventilatorauslegung besonders häufig auf:

1. Überdimensionierung: Ein häufiger Fehler liegt darin, Sicherheitszuschläge auf den berechneten Druckverlust zu addieren (z. B. +20 % „Sicherheit“) und gleichzeitig einen Ventilator am oberen Rand des Katalogbereichs zu wählen. Das Ergebnis ist ein Ventilator, der im Auslegungspunkt links seines BEP betrieben wird – mit erhöhtem Schall, schlechterem Wirkungsgrad und bei Trommelläufern mit dem Risiko, den Motor zu überlasten. Bei der Auslegung empfiehlt es sich, den Betriebspunkt systematisch im Kennliniendiagramm zu verorten, bevor ein Sicherheitszuschlag appliziert wird.

2. Betrieb im instabilen Bereich: Bei Ventilatoren mit ausgeprägter Instabilitätszone (Trommelläufer, bestimmte Axialventilatoren) kann der Betriebspunkt bei Teillast oder bei zu hohem Netzdruckverlust in den instabilen Bereich wandern. Dies äußert sich als Pumpgeräusch und sporadisches Abbrechen des Volumenstroms. Die Lösung ist entweder der Wechsel auf einen Ventilator mit stetig fallender Kennlinie oder die Sicherstellung, dass der Betriebspunkt bei allen Betriebszuständen rechts der Instabilitätsgrenze liegt.

3. Fehlende Schwingungsentkopplung: Körperschall überträgt sich vom Ventilator über starre Kanalanschlüsse in die Gebäudestruktur und von dort großflächig als Sekundärschall in Aufenthaltsräume. Flexible Verbindungsstücke (Gewebemuffen oder Gummikompensatoren) zwischen Ventilator und Kanalnetz sind in der Planung als Pflichtbauteile aufzuführen – nicht als optionale Ergänzung. Gleiches gilt für elastische Lagerungen oder Schwingungsisolatoren zwischen Ventilatorrahmen und Aufstellfläche.

4. Falsche Druckverlustannahmen: Der Betriebspunkt liegt auf der Anlagenkennlinie – und diese Kennlinie ist nur so genau, wie die zugrunde liegende Druckverlustberechnung. Werden Formstücke pauschal unterschätzt, ζ-Werte aus veralteten Tabellen entnommen oder Sicherheitsabstände vergessen, weicht der tatsächliche Betriebspunkt erheblich vom geplanten ab. Die Folge ist entweder ein zu niedriger Volumenstrom (Unterversorgung) oder – bei zu niedrig angesetztem Druckverlust – ein zu hoher Volumenstrom mit Schallproblemen und Energiemehrverbrauch.

Fazit

Die Ventilatorauslegung verbindet Strömungstechnik, Thermodynamik und Schalltechnik in einer Kernaufgabe der RLT-Planung. Maßgebend sind die korrekte Ermittlung des Gesamtdruckverlustes der maßgebenden Strecke, die Wahl des Ventilatortyps (rückwärtsgekrümmter Freiläufer oder Hochleistungsrad für variable Betriebe), die Verortung des Betriebspunkts im Kennliniendiagramm nahe des BEP sowie die Berücksichtigung der SFP-Kennzahl als energetisches Qualitätskriterium. Die Drehzahlregelung über EC-Motoren oder Frequenzumrichter ist bei variablen Anlagen keine Option, sondern normative Anforderung und energetische Notwendigkeit.