Luft-Volumenstrom bestimmen und regeln [Seite 2 von 2]

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.

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 Wärmeübertrager oder Filter, hängt das Messsignal stark von Verschmutzungen und Bypassströmen ab.

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 Geschwindigkeitssensoren erforderlich sind. Beispielsweise nutzten zur Volumenkonstanz-Regelung verschiedene Gebläse von ebm-papst 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 Luft dichte einen Fehler bei der Volumenstrombestimmung.

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 Luft menge des Gebläses unabhängig von Luftdichteeinflüssen auf den vorgegebenen Sollwert. Da die Drehzahl des Flügelradanemometers 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.

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 Abluft ströme. 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 Bedingungen mit Staub und erhöhter Luftfeuchtigkeit bewiesen haben.

Literatur:

[1] DIN 18017-3: Lüftung von Bädern und Toilettenräumen ohne Außenfenster - Teil 3: Lüftung mit Ventilatoren

[2] DIN EN 13141-8: Lüftung von Gebäuden - Leistungsprüfung von Bauteilen/Produkten für die Lüftung von Wohnungen - Teil 8: Leistungsprüfung von mechanischen Zuluft- und Ablufteinheiten ohne Luftführung (einschließlich Wärmerückgewinnung) für ventilatorgestützte Lüftungsanlagen von einzelnen Räumen

Autor: Dr.-Ing. Erik Reichert, Abteilungsleiter Vorentwicklung bei ebm-papst Mulfingen, und Daniel Gebert, Funktionsentwicklung Ventilatoren bei ebm-papst Mulfingen

Bilder: ebm-papst

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