Lüftungsanlagen-Modernisierung am Flughafen München

Im vergangenen Jahr verzeichnete der Flughafen München rund 41,6 Millionen Passagiere. Das macht ihn zu einem der verkehrsreichsten Airports in Europa. Für einen so stark frequentierten Flughafen ist eine leistungsfähige Infrastruktur unerlässlich. Dazu gehören auch die beiden Verbindungstunnel Nord und Süd. Der Nordtunnel verbindet das 5-Sterne-Hotel Hilton, die Halle F und die Parkhäuser P22, P1 und P5 mit dem Terminalbereich. Der Südtunnel sorgt für eine direkte unterirdische Verbindung zwischen den Parkhäusern P20, P5 und P8 mit dem Terminalbereich. Beide Tunnel müssen kontinuierlich belüftet werden, um die Luftqualität zu gewährleisten und im Brandfall den Rauch abzuführen.

Die Ausgangssituation

Zwei Lüftungsanlagen sorgen seit der Eröffnung des Flughafens 1992 für die Belüftung – eine für den Nord- und eine für den Südtunnel. Jede Anlage besteht aus einem Zu- und einem Abluft-System, das jeweils mit einem großen riemengetriebenen Ventilator ausgestattet ist. Diese veraltete Technik bringt mehrere Nachteile mit sich. Zum einen ist der Energieverbrauch sehr hoch, weil die Ventilatoren nicht stufenlos regelbar sind und somit unabhängig von der tatsächlich geforderten Leistung stets unter Volllast laufen. Zum anderen kann die bestehende Installation kaum Betriebssicherheit garantieren und ist durch die diversen Verschleißteile auch aus hygienischer Sicht problematisch.

Der Abrieb der Riemen sorgt für Verschmutzungen in den Schalldämmkulissen, Wärmeüberträger und Luftleitungen. Die Lager werden mit der Zeit undicht, sodass Lagerfett austreten und sich am Ventilator, Keilriemen und Gehäuse verteilen kann. Die verschiedenen Verunreinigungen führen nicht nur zu einer Kontamination der Luft, die die Anlage verteilt, sondern begünstigen im Brandfall die Ausbreitung des Feuers.

Im Herbst 2024 fiel einer der insgesamt vier Ventilatoren aus. Das hatte eine kompletten Stillstand der betroffenen Anlage und unzureichende Luftzufuhr im zugehörigen Tunnel zur Folge. Das Energiemanagement-Team des Flughafen Münchens musste schnell handeln – da beide Lüftungsanlagen den gleichen technischen Stand aufwiesen, wären weitere Ausfälle möglich gewesen. Eine reine Instandsetzung der alten Ventilatoren hätte das Problem des hohen Energieverbrauchs, der fehlenden Regelbarkeit, der Hygiene und Zuverlässigkeit nicht gelöst. Die wirtschaftlichste und nachhaltigste Lösung war daher ein umfassendes Retrofit beider Anlagen.

Die technische Lösung

Eine besondere Herausforderung des Projekts lag in der Installation selbst. Denn die Ventilatoren für die Abluft befinden sich in unterschiedlichen Höhenebenen im Vergleich zu denen der Zuluft, mit einem Niveauunterschied von etwa 2,40 m. Der Ausbau der alten Ventilatoren gestaltete sich dadurch besonders aufwendig: Jeder der vier Ventilatoren musste vor Ort zerlegt und in Einzelteilen herausgetragen werden. Die schweren Motoren mit bis zu 400 kg Gewicht wurden zunächst aus den Anlagenräumen herausgehoben und je nach Einbausituation mit einer Hebebühne aus der oberen Ebene heruntergelassen oder auf fahrbaren Untersätzen durch die engen Gänge manövriert.

Um die Anlagen möglichst schnell wieder in Betrieb nehmen zu können, war ein zügiger Austausch essenziell. Breuell & Hilgenfeldt, Express Service Center von ebm-papst, schlug daher den Einsatz von vier auf Maß vorgefertigten „FanGrid“- Einheiten vor. Bei dieser Lösung werden mehrere Ventilatoren neben- und übereinander angeordnet und parallel betrieben. Das bringt mehrere Vorteile mit sich: Die modularen, kleineren Ventilator-Einheiten lassen sich auch in engen Raumverhältnissen einfach transportieren und installieren. Mehrere Ventilatoren sorgen im Vergleich zu einem für eine gleichmäßigere Luftströmung und somit eine effizientere Durchströmung bei Schalldämmkulissen und Wärmeübertragung. Bei den Anlagen des Flughafens lag der Fokus jedoch vor allem auf der erhöhten Betriebssicherheit aufgrund der Redundanz bei gleichzeitiger Energieeinsparung: Sollte ein Ventilator des FanGrid ausfallen, erhöht sich die Drehzahl der übrigen automatisch, sodass die Luftleistung stets konstant bleibt.

Der Betrieb mehrerer Ventilatoren in Teillast senkt den Strombedarf der Anlage. Denn die Leistungsaufnahme steigt oder sinkt in der dritten Potenz zur Drehzahl (P~n³). Das bedeutet, wenn die Drehzahl im Vergleich zur Nenndrehzahl um die Hälfte reduziert wird, wird die erforderliche Leistungsaufnahme um den Faktor 8 verringert und beträgt somit nur noch 12,5% der Nennleistung. Um den besten Wirkungsgrad im neuen FanGrid zu erzielen, ist eine Messung der Anlage vor dem Retrofit sehr wichtig.

Aufgrund des geforderten Volumenstroms von 61.000 beziehungsweise 64.000 m³ pro Stunde und Anlage entschied sich das Energiemanagement-Team gemeinsam mit dem ebm-papst Express Service Center Breuell & Hilgenfeldt für zwei FanGrid pro Anlage, eines für die Zu-, und eines für die Abluft. Jedes FanGrid ist für zwölf Ventilatoren ausgelegt, wobei jeweils nur bis zu neun „RadiPac C EC“-Radialventilatoren der neuesten Generation in der Baugröße 450 montiert wurden. Insgesamt umfasste das Retrofit der beiden Anlagen somit 34 neue, hocheffiziente Ventilatoren.

Erhöhte Betriebssicherheit durch redundantes System

Die „RadiPac C EC“-Ventilatoren der dritten Generation eignen sich durch ihre technischen Eigenschaften besonders für Retrofits von lufttechnischen Anlagen, bei denen hohe Energieeffizienz und Zuverlässigkeit gefordert sind. Der neu entwickelte EC-Motor mit bis zu 8 kW Leistung ermöglicht eine stufenlose Regelung der Drehzahl: Anders als die veralteten riemengetriebenen Ventilatoren können die neuen Ventilatoren ihre Leistung so stets exakt an den tatsächlichen Bedarf anpassen. Die Steuerungselektronik mit MODBUS-Schnittstelle ist bereits integriert und ermöglicht, die Ventilatoren per MDC (Modbus Display and Control) in das Gebäudeleitsystem des Flughafens einzubinden.

Zu den in Echtzeit erfassten Parametern gehört zum Beispiel die Drehzahl, Volumenstrom oder Betriebsstunden, was eine automatisierte Überwachung und Regelung erleichtert. Die optimale Abstimmung von aerodynamisch optimiertem Laufrad, EC-Motor und Hochleistungselektronik resultiert in Wirkungsgraden, die deutlich über der Effizienzklasse IE5 liegen.

Die Ventilatoren sind außerdem als Plug-&-Play-Lösung konzipiert und wiegen nur etwa ein Zehntel der alten Riemenventilatoren. Der RadiPac C hat eine kompakte, modulare Bauweise und ermöglicht mit seiner Tragspinnenkonstruktion ein gutes Handling, eine schnelle Installation und vereinfacht zudem auch zukünftige Wartungsarbeiten erheblich. So – und dank der Lieferung direkt zur Baustelle – erfolgte der Einbau innerhalb eines Tages und das gesamte Retrofit-Projekt konnte zwischen Ende Oktober und Anfang Dezember 2024 durchgeführt werden.

Automatische Resonanzerkennung für mehr Betriebssicherheit

Aufgrund der Betriebssicherheit war dem Energiemanagement-Team eine integrierte, automatische Resonanzerkennung bei den Ventilatoren wichtig. Die ist bei Radialventilatoren mit integrierter Hochleistungselektronik der 3. Generation von ebm-papst standardmäßig an Bord. Die integrierten Schwingungssensoren erkennen, bei welchen Drehzahlen es zu Resonanzen kommt, und die dazugehörige Software vermeidet den Betrieb in den festgestellten kritischen Bereichen.

Dazu kann bei der Inbetriebnahme ein Test-Hochlauf durchgeführt werden, bei dem die Schwinggeschwindigkeit über den gesamten Drehzahlverlauf vom Stillstand bis zur Nenndrehzahl analysiert wird. Werden in bestimmten Bereichen zu hohe Schwinggeschwindigkeiten erkannt, stellt sich die Steuersoftware nach einer kundenseitigen Aktivierung so ein, dass diese Drehzahlbereiche zukünftig „überfahren“ werden. Das heißt, sie werden zwar durchlaufen, aber ein dauerhafter Betrieb in diesen Bereichen wird vermieden. Der Anwender kann die Einstellungen der Software jederzeit manuell bearbeiten, hat also immer die volle Kontrolle.

Sollte sich die Schwinggeschwindigkeit während des Betriebs erhöhen, etwa durch Verschmutzungen des Laufrads und einer daraus resultierenden zusätzlichen Unwucht, gibt die Software eine automatische Warnung ab. Der Anwender hat die Möglichkeit, das System hinsichtlich zusätzlich entstandener Unwuchten zu prüfen und Maßnahmen zur Fehlerbehebung (z. B. Reinigung und/oder neuer Hochlauf) zu ergreifen.

Das Ergebnis

Nach den Berechnungen des Flughafen-Energiemanagements werden durch das Retrofit der zwei Anlagen mit vier FanGrid zukünftig etwa 252.000 kWh pro Jahr eingespart. Bei einem angenommenen Energiepreis von 29 Cent pro kWh brutto entspricht dies einer jährlichen Kosteneinsparung von gut 50.000 Euro. So amortisiert sich die Investition bereits innerhalb von dreieinhalb Jahren.

Gleichzeitig ist diese Energieeinsparung ein wichtiger Baustein in der Nachhaltigkeitsstrategie des Flughafens München, der bis 2035 das Ziel NetZero erreichen will. Jede eingesparte Kilowattstunde reduziert den CO₂-Ausstoß und bringt den Flughafen diesem Ziel näher.