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Luft-Volu­men­strom bestimmen und regeln

Eine Anpas­sung des Luft-Volu­men­stroms eines Venti­la­tors an den tatsäch­li­chen Bedarf ermög­licht in der Praxis erheb­liche Ener­gie­ein­spa­rungen und Geräusch­re­duk­tionen. Dafür sollte der Volu­men­strom der in der Luft-, Kälte- und Klima­technik einge­setzten Venti­la­toren möglichst genau und effi­zient auf einen vorge­ge­benen Soll­wert regelbar sein. Je nach Venti­la­tortyp und Anwen­dungs­be­reich kommen dafür unter­schied­liche Methoden in Frage.


Die Rege­lung des Volu­men­stroms auf einen vorge­ge­benen Soll­wert bietet in vielen Anwen­dungen die Möglich­keit, den Ener­gie­ver­brauch und die Geräusch­emis­sionen wesent­lich zu redu­zieren (Bild 1). Zunächst betrifft dies den Venti­lator selbst; in vielen Anwen­dungen wie z. B. RLT-Anlagen wirkt sich dies zudem positiv auf den Ener­gie­be­darf anderer Anla­gen­kom­po­nenten wie Erhitzer, Kühler oder Befeuchter aus. Darüber hinaus sind oft anwen­dungs­spe­zi­fi­sche und regio­nale gesetz­liche Vorgaben einzu­halten, z. B. bei der Belüf­tung von Wohn­ge­bäuden.

Bild 1: Die bedarfs­ge­rechte Anpas­sung des Volu­men­stroms ermög­licht eine deut­liche Ener­gie­ein­spa­rung und Geräusch­re­duk­tion. (Foto: ebm-papst)

Vorgaben bei Wohn­ge­bäuden

Für Abluft­ven­ti­la­toren in fens­ter­losen Bädern und Toiletten gilt beispiels­weise die DIN 18017-3. Nach dieser darf sich der Abluft­vo­lu­men­strom bei einer Druck­dif­fe­renz von +/-40 Pa bzw. +/-60 Pa um maximal 15 % ändern. Bei Einzel­lüf­tungs­an­lagen mit gemein­samer Abluft­lei­tung ist eine Verrin­ge­rung des Abluft­vo­lu­men­stroms des untersten Geräts bei Betrieb aller Geräte um höchs­tens 10 % erlaubt. Damit soll sicher­ge­stellt werden, dass sich der Abluft­vo­lu­men­strom bei äußeren Wind­lasten, die auf die Gebäu­de­hülle wirken, möglichst wenig ändert.

Ähnliche gesetz­liche Vorgaben gibt es für die dezen­trale Lüftung einzelner Räume oder für zentrale Wohnungs­lüf­tungs­ge­räte mit Wärme­rück­ge­win­nung (WRG). Bei dezen­tralen Systemen greift die DIN EN 13141-8. Hier sind die Geräte abhängig von der sich einstel­lenden Ände­rung des Volu­men­stroms bei einer Druck­dif­fe­renz von +/-20 Pa in drei Güte­klassen unter­teilt (Bild 2).

Bild 2: Vorgaben der DIN EN 13141-8 für dezen­trale Lüftungs­sys­teme mit WRG. (Foto: ebm-papst)

 

Bei zentralen Lüftungs­sys­temen muss der Abluft-Volu­men­strom gemäß der DIBT-Zulas­sung (Deut­sches Institut für Bautechnik) stets höher sein als der Zuluft-Volu­men­strom; der Abluft­über­schuss darf aber maximal 10 % betragen. Zufrie­den­stel­lende Werte lassen sich hier nur errei­chen, wenn der Volu­men­strom der einge­setzten Venti­la­toren in der Anwen­dung genau bestimmt und über eine Anpas­sung der Dreh­zahl bedarfs­ge­recht gere­gelt werden kann.

Methoden im Vergleich

Grund­sätz­lich gibt es verschie­denste physi­ka­li­sche Mess­ver­fahren, um einen Volumen- oder Massen­durch­fluss zu bestimmen; aller­dings sind nicht alle für Gase und somit für Venti­la­toren geeignet. Magne­tisch-induk­tive Mess­ver­fahren oder solche, die auf der Corio­lis­kraft basieren, scheiden beispiels­weise aus, da sie entweder nur bei elek­trisch leit­fä­higen Medien funk­tio­nieren bzw. die entste­henden Kräfte bei Gasen viel zu klein sind. Massen­durch­fluss-Mess­ver­fahren mit ther­mi­schen Sensoren eignen sich zwar prin­zi­piell für Venti­la­toren, aller­dings nur unter Labor­be­din­gungen, da die dünnen Mess­drähte sehr empfind­lich sind.

Nicht alle Mess­ver­fahren die möglich sind, erweisen sich zwangs­läufig als prak­ti­kabel.

Andere Mess­ver­fahren sind hoch­genau und robust, aber relativ teuer in der Umset­zung und deshalb eher für Prüf­stände geeignet. Bei einem Ultra­schall-Durch­fluss­messer erfassen zwei versetzt ange­ord­nete Detek­toren die zur mitt­leren Fließ­ge­schwin­dig­keit propor­tio­nale Lauf­zeit­dif­fe­renz zweier Ultra­schall­wellen (Bild 3 links).

Alter­nativ können Strö­mungs­ge­schwin­dig­keiten mit einem Flügelrad-Anemo­meter oder nach dem Vortex-Prinzip mit einem Wirbel­ge­ne­rator erfasst werden (Bild 3 rechts). Bei einem Vortex-Gene­rator wird die zur Strö­mungs­ge­schwin­dig­keit propor­tio­nale Ablö­se­fre­quenz der Wirbel detek­tiert. Beim Anemo­meter verhalten sich Dreh­zahl und Volu­men­strom propor­tional.

Bild 3: Links: Geschwin­dig­keits­mes­sung mittels Ultra­schall; rechts: Vortex-Wirbel­ge­ne­rator. (Foto: ebm-papst)

Was ist prak­ti­kabel?

Was prin­zi­piell möglich ist, erweist sich nicht zwangs­läufig als prak­ti­kabel. So sind Geschwin­dig­keits­mes­sungen in der Zu- oder Abströ­mung eines Venti­la­tors zwar bei allen Venti­la­tor­typen anwendbar und die relativ kleinen Sensoren verur­sa­chen keine rele­vanten Druck­ver­luste. Wesent­liche Hemm­nisse ergeben sich in vielen Anwen­dungen aber durch die Zusatz­kosten für die Sensoren, deren Instal­la­tion sowie durch Alte­rungs- oder Verschmut­zungs­ef­fekte.

Zudem erfor­dern „lokal“ – also an einer Stelle – gemes­sene Strö­mungs­ge­schwin­dig­keiten zur Bestim­mung des Volu­men­stroms eine genaue Kenntnis der betriebs­punkt- oder instal­la­ti­ons­ab­hän­gigen Geschwin­dig­keits­ver­tei­lung in der durch­strömten Quer­schnitts­fläche oder eine entspre­chende gerä­te­spe­zi­fi­sche Kali­brie­rung.

Die Mess­ge­nau­ig­keit bei kleinen Volu­men­strömen wird bei Diffe­renz- und Wirk­druck-Verfahren sehr stark redu­ziert.

Demge­gen­über findet man Volu­men­strom­re­ge­lungen, die auf der Messung des Diffe­renz- oder Wirk­drucks basieren, heute relativ häufig in RLT-Anlagen oder Lüftungs­ge­räten (Bild 4). Auch hier wird ein Sensor zur Druck­mes­sung benö­tigt. Die Mess­stellen können jedoch in vielen Fällen so appli­ziert werden, dass keine rein lokale Geschwin­dig­keits­mes­sung erfolgt, sondern über das Druck­si­gnal wenigs­tens annä­hernd eine „inte­grale“ Messung des Volu­men­stroms möglich ist.

Zudem entstehen in der Regel keine zusätz­li­chen Druck­ver­luste und die Verfahren sind relativ unab­hängig von der Zu- und Abströ­mung und vom Betriebs­punkt. Größter Nach­teil der Diffe­renz- und Wirk­druck-Verfahren ist, dass die Mess­ge­nau­ig­keit bei kleinen Volu­men­strömen durch den quadra­ti­schen Zusam­men­hang zwischen Volu­men­strom und Druck sehr stark redu­ziert wird. Dazu kommen anwen­dungs­spe­zi­fi­sche Schwie­rig­keiten: Nutzt man z. B. in einem Wohnungs­lüf­tungs­gerät die Druck­dif­fe­renz über einen Wärme­tau­scher oder Filter, hängt das Mess­si­gnal stark von Verschmut­zungen und Bypass­strömen ab.

 

Bild 4: Links: Wirk­druck­mes­sung an der Einlauf­düse eines Radi­al­rades in einer RLT-Anlage; rechts: Diffe­renz­druck­mes­sung in einem Wohnungs­lüf­tungs­gerät. (Foto: ebm-papst)

Sensorlos regeln

Besteht bei konstanter Dreh­zahl ein eindeu­tiger Zusam­men­hang zwischen Aufnah­me­leis­tung und Volu­men­strom, kann eine Betriebs­punkt­be­stim­mung über die Messung des Motor­stroms und der Dreh­zahl reali­siert werden. Diese Kenn­li­nien-Charak­te­ristik findet man nur bei vorwärts­ge­krümmten Radi­al­lauf­rä­dern. Bei elek­tro­nisch kommu­tierten Gebläsen spricht man in diesem Zusam­men­hang oft von „sensor­loser“ Rege­lung, weil nur interne Motor­größen verwendet werden und keine externen Druck- oder Geschwin­dig­keits-Sensoren erfor­der­lich sind.

Verschie­dene ebm-papst Gebläse nutzen zur Volu­men­kon­stanz-Rege­lung eine auf der Elek­tronik inte­grierte sensor­lose Rege­lung (Bild 5). Diese greift zur Betriebs­punkt­be­stim­mung auf ein gebläse- und in manchen Fällen auch gerä­te­spe­zi­fi­sches Kali­brier­po­lynom zurück. Der in erster Nähe­rung kubi­sche Zusam­men­hang zwischen Aufnah­me­leis­tung und Luft­leis­tung führt aller­dings auch bei diesem Ansatz bei kleinen Luft­leis­tungen zu stark anstei­genden Rege­l­un­ge­nau­ig­keiten. Zudem bewirkt eine Ände­rung der Luft­dichte einen Fehler bei der Volu­men­strom­be­stim­mung.

 

Bild 5: Sensor­lose Volu­men­kon­stanz-Rege­lung eines vorwärts­ge­krümmten ebm-papst Radi­al­ven­ti­la­tors. (Foto: ebm-papst)

Effi­zi­ente Lösung für rück­wärts­ge­krümmte Radi­al­ven­ti­la­toren

Bei rück­wärts­ge­krümmten Radi­al­ven­ti­la­toren ist aufgrund ihrer Kenn­li­ni­en­cha­rak­te­ristik eine sensor­lose Volu­men­strom­be­stim­mung nicht möglich. Für diese sehr effi­zi­ente Venti­la­tor­bauart haben die Strö­mungs­spe­zia­listen von ebm-papst eine einbau­fer­tige Plug & Play Lösung entwi­ckelt: Ein im Ausblas­stutzen des Spiral­ge­häuses posi­tio­niertes Flügelrad-Anemo­meter (Bild 6). Es erfasst konti­nu­ier­lich den tatsäch­li­chen Volu­men­strom ohne nennens­werte Druck­ver­luste oder Zusatz­ge­räu­sche zu erzeugen.

Die Daten werden an die inte­grierte zentrale Steu­er­elek­tronik des Venti­la­tors über­mit­telt. Diese passt die Dreh­zahl des EC-Motors dem gewünschten Soll­wert an und regelt die Luft­menge des Gebläses unab­hängig von Luft­dich­te­ein­flüssen auf den vorge­ge­benen Soll­wert.

Da die Dreh­zahl des Flügelrad-Anemo­me­ters nicht mehr quadra­tisch, sondern nur noch linear vom Volu­men­strom abhängt, und die Dreh­zahl des EC-Motors als zusätz­liche interne Korrek­tur­größe verwendet wird, können auch bei kleinen Volu­men­strömen noch sehr hohe Regel­ge­nau­ig­keiten erreicht werden. Zudem wird die Betriebs­punkt­be­stim­mung durch die Erfas­sung des kompletten Volu­men­stroms kaum negativ von Einbau­ef­fekten beein­flusst.

 

Bild 6: Volu­men­kon­stanz-Rege­lung eines rück­wärts­ge­krümmten ebm-papst Radi­al­ven­ti­la­tors mit Flügelrad-Anemo­meter. (Foto: ebm-papst)

 

Mit dieser sehr robusten und voll­ständig inte­grierten Volu­men­kon­stanz-Rege­lung lässt sich über den kompletten Regel­be­reich eine sehr genaue und effi­zi­ente Lösung reali­sieren. Für Wohn­raum­lüf­tungs­ge­räte bedeutet das z. B. ganz­jährig ausge­gli­chene Zu- und Abluft­ströme. Zum einen lässt sich dadurch die uner­wünschte Zufuhr kalter Außen­luft vermeiden, zum anderen lässt sich damit verhin­dern, dass im Winter warme Raum­luft über Undich­tig­keiten durch die Gebäu­de­hülle nach außen strömt, sich abkühlt und so in den Außen­wänden Kondens­wasser entsteht.

Dabei entstehen durch das zusätz­liche Flügelrad weder Einbußen bei der Luft­leis­tung noch störende Geräu­sche, sodass die Gesamt­per­for­mance des Venti­la­tors unver­än­dert bleibt. Auch Verschmut­zungen sind kein Problem, wie Tests unter extremen Bedin­gungen mit Staub und erhöhter Luft­feuch­tig­keit bewiesen haben.

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