Computersimulationen helfen in vielen Branchen bei der Entwicklung neuer Produkte. Unternehmen können dabei auch auf externe Hochleistungsrechner zurückgreifen. Ein Beispiel dafür ist der Ventilatorenspezialist ebm-papst.
Wer klimafreundlich heizen will, kommt in vielen Fällen nicht an einer Wärmepumpe vorbei. Doch die Luft-Wasser-Wärmepumpen, die an immer mehr Gebäuden zu sehen sind, produzieren teilweise störende Geräusche. Ursache können zum Beispiel die Ventilatoren im Inneren sein. Sie transportieren große Mengen Luft durch den Wärmetauscher, über den der Umgebung Wärme entzogen wird, um Gebäude zu heizen oder Wasser zu erwärmen.
Wie lassen sich diese und andere Ventilatoren so bauen, dass sie möglichst leise arbeiten? Diese Frage steht im Mittelpunkt der Arbeit von Andreas Lucius. Der promovierte Ingenieur ist bei ebm-papst in Mulfingen in der Vorentwicklung tätig. Das Familienunternehmen produziert Ventilatoren für praktisch jedes denkbare Einsatzgebiet. Sie stecken überall, wo Luft bewegt werden soll – unter anderem in Klima- und Lüftungsanlagen, Hausgeräten, Heizungen oder Rechenzentren.
Im mittleren Frequenzbereich ist das menschliche Gehör besonders empfindlich
Rund 20 000 verschiedene Ventilatortypen umfasst das Sortiment. Angesichts dieser Produktvielfalt setzen die Entwickler bei ebm-papst schon länger nicht nur auf Prototypen, die aufwendig getestet werden müssen. Sie nutzen auch die Möglichkeiten der Computersimulation. So entstehen virtuelle Prototypen, deren Eigenschaften sich mit Hilfe von Rechenmodellen vorhersagen lassen. Das spart Zeit und Geld.
Ventilatoren sollen nicht nur eine hohe Luftleistung bei geringem Energieverbrauch liefern, sondern auch möglichst leise sein. „Maßgeblich für die Geräuschentwicklung ist zum einen der Drehton, der durch die Bewegung der Ventilatorflügel in der Luft entsteht“, sagt Entwickler Lucius. Die dabei entstehenden Tonfrequenzen hängen von der Zahl der Flügel und der Drehzahl ab.
Besonders empfindlich ist das menschliche Gehör im mittleren Frequenzbereich zwischen 1000 und 5000 Hertz, aber auch tiefe Töne im Bereich um 100 Hertz können als sehr störend empfunden werden. Zum Drehton kommt ein Rauschen hinzu, das durch kleine Verwirbelungen der Luft entsteht. Dieses hängt nicht nur vom Ventilator selbst ab, sondern auch von der Einbausituation – also etwa von der Form des Gehäuses oder des Luftkanals, in dem der Ventilator sitzt.
Akustische Simulationen sind aufwendiger als die von Strömungsverläufen
Lucius zeigt zwei Diagramme, auf denen man sehen kann, wie sich unterschiedliche Wärmetauscher auf das Geräusch einer Wärmepumpe auswirken. Ergebnis: Strömt die Luft durch einen Wärmetauscher aus strömungsoptimierten Rohren, ist die Wärmepumpe deutlich leiser. Der Unterschied beträgt je nach Frequenzbereich bis zu acht dB, wobei zehn dB etwa einer Verdoppelung der empfundenen Lautstärke entsprechen.
Die Diagramme sind sich zwar sehr ähnlich, unterscheiden sich aber in einem wesentlichen Punkt: Während eine Grafik Messwerte einer realen Wärmepumpe zeigt, basiert die andere auf Modellrechnungen. „Man erkennt eine gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten Werten“, erläutert Lucius. Trotzdem sei es nach wie vor nötig, echte Prototypen zu bauen und zu testen – auch um die Rechenmodelle immer wieder zu überprüfen. Allerdings könnten durch Simulationen viele Varianten von vorneherein ausgeschlossen werden. Akustiksimulationen seien deutlich rechenintensiver als Simulationen, bei denen es nur um die Strömungsverhältnisse geht, erläutert Lucius. „Wir müssen dabei die kleinen Luftverwirbelungen und ihre Veränderungen in kurzer Zeit abbilden. Deshalb sind die Simulationsmodelle bei akustischen Simulationen viel größer.“
Viele Unternehmen wissen nichts vom Höchstleistungsrechenzentrum Stuttgart
Zur Simulation der Geräuschemissionen von Ventilatoren nutzen die ebm-papst-Entwickler daher auch die Kapazitäten des Höchstleistungsrechenzentrums (HLRS) der Universität Stuttgart. Für den erwähnten Wärmetauscher-Vergleich waren rund 15 Stunden Rechenzeit auf 2000 Rechenkernen erforderlich. „Unsere eigene Hardware hätte dafür mehr als einen Monat gebraucht“, so Lucius. Zudem sei die Auslagerung besonders rechenintensiver Simulationen kostengünstiger als der Aufbau eigener Kapazitäten, die sonst die meiste Zeit nicht gebraucht würden.
Mit ganz ähnlichen Problemen sehen sich auch viele andere kleine und mittlere Unternehmen konfrontiert. In diese Lücke zielt die 2011 von der Universität Stuttgart und dem Karlsruher Institut für Technologie gegründete Sicos BW GmbH, die am HLRS angesiedelt ist. „Wir wollen kleinen und mittleren Unternehmen helfen, unsere Rechenkapazitäten zu nutzen“, sagt der Geschäftsführer Andreas Wierse. Es gebe immer noch viele Unternehmen, die diese Möglichkeit noch nicht auf dem Schirm hätten, meint der Mathematiker. „Da gibt es noch viel Potenzial“.
Ventilatoren aus Hohenlohe
Vergangenheit
Im Jahr 1963 wurde in Mulfingen im Hohenlohekreis die Elektrobau Mulfingen GmbH & Co. KG gegründet. Mit anfangs 35 Mitarbeitern stellte der Familienbetrieb Ventilatoren und Elektromotoren her. In den darauf folgenden Jahren verzeichnete das Unternehmen ein kräftiges Wachstum – auch durch Zukäufe. So wurde 1992 die in wirtschaftlich angeschlagene Papst Motoren GmbH in St. Georgen im Schwarzwald übernommen.
Gegenwart
Heute bezeichnet sich ebm-papst als weltweit führenden Anbieter von Ventilatoren und Motoren. Im abgelaufenen Geschäftsjahr 2023/24 (Stichtag: 31. März) setzte die Gruppe mit knapp 14 000 Mitarbeiter 2,4 Milliarden Euro um – 5,2 Prozent weniger als im Jahr davor. Den Rückgang begründet das Unternehmen mit der Konjunkturflaute in Europa, Unsicherheiten im deutschen Heizungsmarkt und geopolitischen Konflikten.