Anwendungsfälle für die Parallel- Rechenzentrum ......Rechenzentrum hörsaallüftung Im ersten Teil werden zwei Anwen-dungsfälle für die Parallelschaltung von ... ten Racks und

Wissenschaft Lüftungstechnik

42 ki Kälte · Luft · Klimatechnik · 11 2018 www.ki-portal.de

Lüftungszentralgeräte Ventilatoren Parallelschaltung chemische Labore Rechenzentrum hörsaallüftung

Im ersten Teil werden zwei Anwen-dungsfälle für die Parallelschaltung von Lüftungszentralgeräten vorgestellt. Ei-nerseits ein Gebäude mit chemischen Laboren und andererseits ein Raum in einem Rechenzentrum. Der zweite Teil behandelt die drei Anwendungsfälle für die Parallelschaltung von Ventilatoren: ein Zentralgerät für mehrere Seminar-räume, die Lüftung für eine Tiefgarage und ein großes Zentralgerät mit einem Volumenstrom von über 40000 m3/h.

cases of application for the parallel arrangement of air handling units or fans

air handling units fans parallel ar-rangement chemistry laboratoriesdata centre seminar rooms

In the first part, two applications for the parallel arrangement of air hand-ling units are presented:on the one hand, a building with che-mistry laboratories and on the other hand, a room in a data centre. The second part deals with three cases of application of fans connected in par-allel: an air handling unit for several se-minar rooms, the ventilation in an un-derground garage and a large air hand-ling unit with volumetric flow rate of more than 40000 m3/h.

Im vorliegenden Beitrag werden die in Schema 1 aufgeführten Anwendungsfäl-le untersucht, die sich in der Praxis be-währt haben. Teil 1 stellt dabei die Paral-lelschaltung von Lüftungs-Zentralgerä-ten und Teil 2 die Parallelschaltung von Ventilatoren vor. Es werden je Anwen-dungsfall die Vor- und Nachteile disku-tiert. Ein Planer kann ggf. eine der Mus- terlösungen auf einen neuen Anwen-dungsfall übertragen.

teil 1: Parallelschaltung von Lüftungs-Zentralgeräten

gebäude mit chemischen LaborenNeue Laborlüftungsanlagen werden mit variablem Volumenstrom betrieben. Da-bei variiert der Abluftvolumenstrom an einem Digestorium zum Beispiel zwi-schen 200 m3/h (Schieber geschlossen) und 500 m3/h (Schieber voll geöffnet). Der maximale Volumenstrom in einer raumlufttechnischen Anlage wird geför-dert, wenn z.B. bei 70 % der Digestorien der Schieber voll geöffnet ist (Annahme einer Gleichzeitigkeit). Gemäß DIN 1946 Teil 7 muss der Abluftvolumenstrom in einem chemischen Labor während der bestimmungsgemäßen Nutzung min-

destens 25 m3/(h*m2) betragen (bezogen auf die Grundfläche). In Laborgebäuden an Hochschulen ist es üblich, diesen Min-destvolumenstrom in Zeiten mit nicht bestimmungsgemäßer Nutzung auf die Hälfte zu reduzieren (Nacht, Wochenen-de mit Zeitschaltprogramm, tagsüber wenn keine Labornutzung ist mit Be-triebsart-Taster). Dabei sind die geforder-ten Abluftvolumenströme an den Chemi-kalienlagerschränken und Digestorien si-chergestellt. Es können also auch nachts keine Gefahrstoffe in die Raumluft gelan-gen. Im praktischen Betrieb stellt sich dann nachts und am Wochenende ein Volumenstrom der Anlage von ca. 40 % bezogen auf den Auslegungsvolumen-strom ein (Mindestwert ist halbiert, alle Schieber der Digestorien sind unten).

Problematisch sind Wartungsarbei-ten, da bei Abschaltung der kompletten Lüftung auch Dauerabsaugstellen wie Chemikalienschränke oder Gasflaschen-schränke nicht mehr abgesaugt werden und an den Tischabzügen auch der mini-male Volumenstrom von 200 m3/h nicht mehr strömt. Die Sicherheit ist dann nicht mehr gegeben. Das Gleiche gilt für einen Defekt eines wichtigen Bauteiles in einem Zentralgerät (z.B. Motor von ei-nem Ventilator).

Anwendungsfälle für die Parallel-schaltung von Lüftungs-Zentral-geräten oder Ventilatoren

autorDr.-ing. Jens Lampert, Dozent an der Europäischen Studienakademie Kälte Klima Lüftung in Maintal schema 1: vorgestellte anwendungsfälle der Parallelschaltung


43ki Kälte · Luft · Klimatechnik · 11 2018www.ki-portal.de

Eine Lösung ist, für eine Lüftungsanla-ge zwei Lüftungs-Zentralgeräte zu reali-sieren (vgl. Abb. 1). So muss bei einer Wartung nur jeweils ein Zentralgerät ab-geschaltet werden und das Kanalnetz wird noch mit 50 % des Volumenstromes versorgt. Dann reicht es in der Regel, wenn man die Labornutzer informiert, dass sie während der Wartungsarbeiten die Schieber der Digestorien nicht öffnen dürfen. Wenn die Schieber unten blei-ben, ist die Sicherheit in allen Laboren gegeben, da die geforderten Volumen-ströme an den Chemikalien- und Gasfla-schenschränken strömen.

Bei Gebäuden mit chemischen Labo-ren ist es vorteilhaft, im Kellergeschoss Außenluftgeräte und auf dem Dach oder in einem Laternengeschoss die Abluftge-räte zu realisieren. Dadurch werden die Querschnitte der Installationsschächte geringer und es wird ausgeschlossen, dass giftige Fortluft von der Außenluftan-saugung erfasst wird. Demzufolge sind in dem in Abb. 2 vorgestellten Beispiel im Keller zwei Außenluftgeräte und auf dem Dach zwei Fortluftgeräte gezeichnet.

Für die zwei parallelen Außenluft-Zen-tralgeräte in Abb. 2 stellt sich die Frage nach der Betriebsweise in der Nacht und am Wochenende und zu weiteren Zeiten bei einem Anlagenvolumenstrom von < 50 % des Auslegungsvolumenstromes. Es bietet sich die Möglichkeit, in diesen Zeiten eines der beiden Zentralgeräte abzuschalten.

Der Betrieb mit nur einem Zentralge-rät hat einen Vorteil und einen Nachteil. Der Vorteil ist, dass dann der Fortluft-turm mit nahezu dem Auslegungsvolu-menstrom durchströmt wird. Dies ist bei Chemiegebäuden sehr wichtig, um die Schadstoffe weit nach oben zu transpor-tieren. Es muss ja verhindert werden, dass Schadstoffe durch die Fenster der obersten Etage in das Gebäude gelangen können oder vom Ansauggitter der Lüf-tungsanlage angesaugt werden. In der Vorgänger-Version der DIN 1946 Teil 7 stand deshalb auch folgende Forderung für die Fortluft von Laborgebäuden: „lot-recht über Dach mit einer Mindest-Aus-trittsgeschwindigkeit von 7 m/s“.

Der Nachteil ist, dass der größte An-teil des Druckverlustes der raumlufttech-nischen Anlage die internen Widerstän-de im Lüftungsgerät sind. Wenn man bei 50 % Volumenstrom im Kanalnetz nur ein Zentralgerät mit 100 % betreibt, müs-sen im Zentralgerät die Luftwiderstände wie im Auslegungsfall überwunden wer-den. Wenn man dagegen beide Zentral-

geräte mit je 50 % betreibt, sinkt der Druckverlust im Gerät auf ungefähr 25 %, da gemäß dem Proportionalitätsgesetz der Druckverlust quadratisch vom Volu-menstrom abhängig ist.

Abb. 3 zeigt diesen Zusammenhang im Ventilatorkennfeld des Zuluftventila-tors. Es handelt sich um ein Zentralgerät mit folgendem Auslegungspunkt: Volu-menstrom 36300 m3/h, Totaldruckerhö-hung 1480 Pa. Dieser Auslegungspunkt ist im Ventilatorkennfeld eingetragen.

Für den Betrieb des Kanalnetzes mit 50 % des Auslegungsvolumenstromes werden folgende Varianten unterschie-den:

■ Variante 1: Parallelbetrieb beider Ge-räte mit jeweils 50 % Volumenstrom,

■ Variante 2: Alternativbetrieb, nur ein Gerät in Betrieb mit 100 % Volumen-strom.

Im Teillastfall arbeitet der Ventilator bei Variante 2 bei einer wesentlich höheren

satellitenaufnahme von zwei gebäudeflügeln mit chemischen Laboren (tu Dresden, neubau chemie, Quelle google)

1

Vereinfachtes schema einer Lüftungsanlage eingetragen in die schnittzeichnung eines gebäudes mit chemischen Laboren

2



Totaldruckerhöhung als bei Variante 1 (1417 Pa anstatt 599 Pa, vgl. Tabelle 1 und Abb. 3). Die Ursache dafür ist, dass das eine Gerät und der zugehörige Au-ßenluftkanal mit Auslegungsvolumen-strom durchströmt wird und die Druck-verluste im Gerät und im Außenluftkanal genau dem Auslegungsfall entsprechen. Zusätzlich wird der Differenzdruck im Zuluftkanal vom Kanaldrucksensor bis zum Raum (vgl. Abb. 2) durch die Ka-naldruckregelung konstant gehalten. Bei Variante 2 ist somit nur der Druckverlust in einem kurzen Abschnitt des Haupt-Zuluftkanals geringer als im Auslegungs-fall. Deshalb beträgt die Totaldruckerhö-hung des Ventilators bei Variante 2 1417 Pa und im Auslegungsfall 1480 Pa.

Bei Variante 2 ist deshalb die elektri-sche Leistungsaufnahme des Frequenz-umformers vom Zuluftventilator mit 20,85 kW wesentlich größer als die Sum-me der zwei Zuluftventilatoren von 2 x 4,81 kW = 9,62 kW bei Variante 1.

Es ist also wesentlich energieeffizienter, auch im Teillastfall beide Zentralgeräte parallel zu betreiben. Dies gilt für eine Reduzierung des Stellsignals zum Venti-lator bis 30 %. Bei modernen Ventilatoren mit EC-Motor oder PM-Motor lässt sich das Stellsignal in der Regel nicht weiter reduzieren.

Die Herausforderung bei diesem Par-allelbetrieb ist, dass dann die Austritts-geschwindigkeit aus dem Fortluftturm

auf die Hälfte zurückgeht. Dieses Prob-lem kann man lösen, indem man an je-dem Zentralgerät zwei Fortlufttürme re-alisiert, wobei in der Luftleitung zu ei-nem Fortluftturm eine Absperrklappe realisiert wird (vgl. Abb. 1 und 2). Wenn der Volumenstrom durch das Gerät auf unter 50 % des Auslegungsvolumenstro-mes zurückgeht (Volumenstrom-Mes-sung in der Einströmdüse des Ventila-tors), wird diese Absperrklappe geschlos-sen. Dies wurde an der TU Dresden im Gebäude Neubau Chemie und im Gebäu-de Walther-Hempel-Bau umgesetzt.

Bei Neubauten von Laborgebäuden an Hochschulen gibt es sehr oft folgende Herausforderung. Nachdem das Gebäu-de in Betrieb gegangen ist, melden die Nutzer zusätzlichen Bedarf an Laborflä-chen an und wollen Nicht-Laborbereiche in Laborbereiche umbauen lassen. Die Kosten für die Erweiterungen der Luftka-näle oder den Neubau von Luftkanälen und für die Nachrüstung von Lüftungs-Zentralgeräten sind dann extrem hoch. In vielen Fällen ist eine entsprechende Erweiterung aufgrund von fehlendem Platz nicht möglich. Der Autor war 11 Jahre lang Betriebsingenieur an der TU Dresden und hat das bei mehreren Gebäuden erlebt.

Eine langfristige Sichtweise wäre, wenn in der Lüftungszentrale zwei paral-lele Außenluft-Lüftungsgeräte für ein Ka-nalnetz realisiert werden (wegen War-tungsarbeiten) und der Aufstellplatz für ein drittes Außenluft-Lüftungsgerät vor-gehalten wird (vgl. Abb. 2). Bei der Ausle-gung der Hauptkanäle wird davon ausge-gangen, dass alle Raumflächen, die später eventuell in ein Labor umgebaut werden können, mit einem auf die Fußbodenflä-

Ventilatorkennfeld des Zuluftventilators mit eingetragenen Betriebspunkten (anwen-dungsfall Labore)

3

schema eines Rechenzentrum-Raums mit luftgekühlten Racks und kaltgangeinhausung

4



che bezogenen Volumenstrom von 25 m3/(h*m2

FB) versorgt werden können. Dieses Konzept wurde an der TU Dresden beim Werner-Hartmann-Bau umgesetzt.

Im Folgenden soll noch auf zwei De-tails hingewiesen werden. Am Austritt der Lüftungsgeräte in Richtung Gebäude sind, wie in Abb. 2 dargestellt, motorische Jalousieklappen zu montieren. Wenn ein Gerät für Wartungsarbeiten abgeschaltet wird, fährt diese Jalousieklappe zu. Dann kann das Wartungspersonal die Revisi-onstüren des Gerätes öffnen und im Ge-rät arbeiten. Für den Zuluftkanal ist ein Kanaldrucksensor ungefähr in der Mitte des horizontalen Verteilkanales zu mon-tieren (vgl. Abb. 2). Mit diesem Sensor wird der Überdruck im Kanal gegenüber der Außenluft gemessen. Alle in Betrieb befindlichen Zuluftventilatoren werden mit der gleichen Drehzahl betrieben und von einer Kanaldruckregelung angesteu-ert. Diese Betriebsweise hat sich an der TU Dresden bewährt. Als vorher jedes Gerät eine eigene Kanaldruckregelung hatte und nach einem Kanaldrucksensor am Geräteaustritt geregelt wurde, kam es an der TU Dresden zu Regelungs-schwingungen. Dann fuhr das linke Gerät den Ventilator hoch und das rechte Gerät den Ventilator runter und nach wenigen Minuten drehte sich dies um.

Rechenzentrums-Raum mit luftgekühl-ten Racks und kaltgangeinhausungBei Räumen in Rechenzentren mit luftge-kühlten Racks ist das vorrangige Ziel eine große Temperaturdifferenz zwischen An-saug- und Ausblastemperatur am Um-luftklimagerät (Klimaschrank) sicherzu-stellen. Dadurch wird der umgewälzte Luftvolumenstrom reduziert und infolge der hohen mittleren Lufttemperatur im Klimaschrank sind auch hohe Kaltwas-sertemperaturen möglich. Um dieses Ziel zu erreichen, werden Kaltgangeinhau-sungen realisiert (vgl. Abb. 4). Dadurch wird die vom Klimaschrank ausgeblase-ne Luft mit einer Temperatur von z.B. 22 °C direkt in den Kaltgang und dort di-rekt an die Ansaugseite der Server geför-dert, ohne sich auf dem Weg mit wärme-rer Luft zu vermischen.

Die einzelnen Server in den Racks ha-ben eine interne Temperaturregelung, die die Lüfter in den Servern drehzahlre-gelt. Das hat zur Folge, dass der Volu-menstrom, den alle Server von dem Kalt-gang in den Warmgang fördern, mit der Zeit schwankt.

Damit der Kaltluft keine Warmluft zugemischt wird, müssen die Klima-

schränke jeweils die gleiche Luftmenge in die Kaltgänge fördern, wie die Server aus den Kaltgängen herausfördern. Die Regelung erfolgt so, dass im Kaltgang ein minimaler Überdruck von zum Beispiel 1 Pa gehalten wird. Da dieser geringe Differenzdruck schwer zu messen ist, bietet sich an, ein kleines Loch in der De-cke des Kaltganges zu lassen (z.B. 5 x 5 cm) und in diesem Loch die Strö-mungsgeschwindigkeit zu messen. Soll-wert ist dann zum Beispiel eine Luftge-schwindigkeit von 1 m/s vom Kaltgang in den Warmgang.

In Rechenzentren wird für die Klima-schränke in der Regel eine Redundanz n+1 gefordert. Es muss möglich sein, bei vollem Betrieb der Rechentechnik einen Klimaschrank abzustellen und War-tungs- oder Reparaturarbeiten durchzu-führen. Aus diesem Grund benötigt man zwangsläufig parallel arbeitende Klima-schränke.

In dem in Abb. 4 gezeigten Beispiel hat der Raum eine Gesamtkühllast von 200 kW. Es ist ein Umluftvolumenstrom von 50.000 m3/h erforderlich. Es bietet sich an, zwei Klimaschränke mit je 25.000 m3/h zu realisieren und einen dritten Klimaschrank als Redundanz vor-zusehen. In diesem Fall ist das nahelie-gend, da es einen Klimaschrank mit 50.000 m3/h nicht gibt. Die Aufteilung auf 3x 50 % ist aber auch aus anderen Gründen sinnvoll, da man dann z. B. den Teillastbetrieb viel besser beherrscht.

Es wurde somit eine Parallelschaltung aus 3 Klimaschränken realisiert. Jeder Klimaschrank ist im Prinzip ein Umluft-gerät. Die Ventilatoren jedes Klima- schrankes können bis auf das Stellsignal 30 % heruntergefahren werden. Da es

sich um EC-Ventilatoren handelt und die-se einen linearen Zusammenhang auf-weisen, entspricht 30 % Stellsignal unge-fähr 30 % des max. Volumenstromes.

Wenn z.B. im ersten Jahr des Betriebes des Rechenzentrums noch nicht alle Racks montiert sind und die montierten Racks sich im Teillastfall befinden, so könnte ein minimaler Volumenstrom von 7700 m3/h gefördert werden. Dann wäre nur 1 Klimaschrank mit dem Stellsignal 30 % in Betrieb. Dies sind 15 % vom Aus-legungsvolumenstrom des Raumes. Der eine in Betrieb befindliche Klimaschrank baut dabei nur einen sehr geringen Diffe-renzdruck von ca. 10 Pa zwischen Dop-pelboden und Lüftungskanal über den Klimaschränken auf. Dieser Differenz-druck beträgt im Auslegungsfall 30 Pa. Infolge dieses geringen Differenzdruckes im Teillastfall ist die Rückströmung durch die 2 abgeschalteten Klimaschränke ge-ring, da in diesen das Kälteregister und der Filter als Luftwiderstand vorhanden sind (vgl. Abb. 4).

Bei realisierten Rechenzentren wer-den aus dem oben genannten Grund in der Regel keine motorischen Absperr-klappen oben auf den Ansaugflanschen der Klimaschränke gebaut. Man würde sich damit nur eine zusätzliche Fehler-quelle einbauen. Bei Rechenzentren sind Betrachtungen bezüglich des „single point of failure“ üblich. Bei einem Ausfall eines Bauteiles muss das Rechenzent-rum noch voll funktionsfähig sein. Wenn die drei Jalousieklappen von einem Reg-ler angesteuert werden würden, dann würde beim Ausfall dieses Reglers und dem Zufahren aller drei motorischen Ab-sperrklappen der Rechenzentrums-Raum komplett ausfallen. Aber auch dieses

abhängigkeit der elektrischen Leistungsaufnahme der zwei Ventilatoren eines klima-schrankes in abhängigkeit vom Volumenstrom durch das gerät

5



Problem in der Regelung ist lösbar, z.B. wenn jede Jalousieklappe auffährt, so-bald der jeweilige Klimaschrank in Be-trieb geht (Ansteuerung vom jeweiligen Klimaschrank). Wenn in einem zukünfti-gen Rechenzentrum diese Rückströmung durch den abgeschalteten Klimaschrank vermieden werden soll, so könnte eine motorische Jalousieklappe auf den An-saugflansch des Klimaschrankes mon-tiert werden. Dies wäre vorteilhaft, wenn an einem Klimaschrank die Wartung durchgeführt und z.B. der Filter gewech-selt wird. In diesem Fall ist die Tür des Klimaschrankes offen.

In jedem Klimaschrank sind zwei Ven-tilatoren vorhanden (vgl. Abb. 4). Diese müssen immer gleichzeitig laufen, damit das Kühlregister gleichmäßig durch-strömt wird und damit es zu keiner Rück-strömung durch den abgeschalteten Ventilator kommt. Die Differenzdrücke zwischen Saug- und Druckseite eines Ventilators sind groß und es gibt auch keine Druckverluste über den abgeschal-teten Ventilator.

Abb. 5 zeigt die Abhängigkeit der elekt-rischen Leistungsaufnahme der zwei Ven-tilatoren eines Klimaschrankes vom Volu-menstrom durch das Gerät. Bei sinkendem Volumenstrom geht die elektrische Leis-tungsaufnahme sehr stark zurück. Die Ab-hängigkeit gemäß den Proportionalitäts-gesetzen verdeutlicht Gleichung 1.

𝑃𝑃2

𝑃𝑃1= �

�̇�𝑉2

�̇�𝑉1�

3

(1)

Um elektrische Energie einzusparen, lässt man deshalb bei voller Kühllast im Raum das Redundanzgerät mitlaufen. Dann fördert jedes Gerät nur 16.667 m3/h. Die Leistungsaufnahme der 3 Gerä-te (3 x 1,08 kW = 3,24 kW) ist geringer, als wenn 2 Klimaschränke mit je 25.000 m3/h in Betrieb sind (2x 3,16 kW = 6,32 kW).

Da das Redundanzgerät mitläuft, ar-beiten die Ventilatoren bei Volllastbe-trieb der Server mit 58 % Stellsignal.

Wenn die Server ihren Volumenstrom reduzieren, werden die 3 Klimaschränke zunächst bis auf das Stellsignal 30 % nach unten gefahren. Das sind dann 3 x 7700 m3/h = 23.100 m3/h und entspre-chen 46,2 % der Gesamtkühllast im Raum. Moderne Rechnersysteme redu-zieren ihre Kühllast durchaus zeitweise auf unter 40 %. In diesen Betriebsfällen wird dann zunächst der 3. Klimaschrank abgeschaltet. Wenn dann der 1. und 2. Klimaschrank ihre Drehzahl bis auf 30 % heruntergefahren haben, wird noch der 2. Klimaschrank abgeschaltet.

Beim Hochfahren der Last fährt man den 1. Klimaschrank nur bis 70 % der Drehzahl und schaltet dann den 2. Kli-maschrank zu. Das Zuschalten erfolgt, weil bei Drehzahlen über 70 % (Volumen-strom 20500 m3/h) die elektrische Leis-tungsaufnahme der Ventilatoren gemäß Abb. 5 sehr stark ansteigt. Nach dem Zu-schalten des zweiten Klimaschrankes ar-beiten beide mit einem Stellsignal von ca. 38 % und sind somit ausreichend weit vom Rückschaltpunkt 30 % entfernt. Ein

ständiges Zu- und Abschalten von Klima-schränken muss vermieden werden.

teil 2: Parallelschaltung von Ventilatoren

Mehrere hörsäle an einem Lüftungs-gerät (teillastproblem)Lüftungsanlagen für Hörsäle werden für einen Volumenstrom von 30-45 m3/(h*Person) ausgelegt. Im Betrieb wird bei modernen Anlagen und großen Räumen (> 2000 m3/h) der Volumenstrom dann in Abhängigkeit der CO2-Konzentration im Raum angepasst (bedarfsabhängige Lüf-tung).

Bei großen Hörsälen mit einem Volu-menstrom von über 10.000 m3/h ist in der Regel je Hörsaal ein Lüftungs-Zent-ral-Gerät vorhanden, da man die Volu-menstromregelung dann direkt mit den frequenzgeregelten Ventilatoren reali-sieren kann (vgl. Abb. 6). Es sind dann keine Volumenstromregler erforderlich.

Das Fehlen der Volumenstromregler hat einen Vorteil für die Energieeffizienz, da der konstante Differenzdruck bei der Netzkennlinie entfällt. Bei anderen Anla-gen mit Volumenstromreglern wird für die Ventilatoren eine Kanaldruckrege-lung realisiert. Bei dieser wird bei der Zuluftanlage ein konstanter Überdruck im Zuluftkanal nach dem Lüftungsgerät von z.B. 300 Pa gehalten (vgl. Abb. 7). Dies führ dazu, dass die Anlagenkennli-nie bei einem Volumenstrom von 0 m3/h nicht durch den Punkt 0 Pa, sondern durch den Punkt 300 Pa verläuft (vgl. Abb. 8). Wenn die Volumenstromregler entfallen und die Volumenstromregelung nach Abb. 6 realisiert wird, verläuft die Anlagenkennlinie bei 0 m3/h durch den Punkt 0 Pa. Die elektrische Leistungsauf-nahme im Teillastfall verhält sich bei die-ser Anlage genau nach dem Proportiona-litätsgesetz (vgl. Gleichung (1)).

Wenn in einem Gebäude aber mehre-re kleine Hörsäle und Seminarräume vor-handen sind, kann man aus Kostengrün-den nicht für jeden Raum ein eigenes Lüftungsgerät realisieren.

Bei dem in Abb. 7 dargestellten Fall sollten in einem Gebäude zwei kleinere Hörsäle und vier Seminarräume mit ei-ner Lüftung versehen werden und die Summe der Luftmengen dieser sechs Räume betrug 16.000 m3/h. Dann ist es sinnvoll, ein Lüftungs-Zentralgerät zu re-alisieren und für die Räume jeweils Volu-menstromregler vorzusehen. Für die drehzahlgeregelten Ventilatoren wird Lüftungs-schema für einen großen hörsaal mit zugehörigem Lüftungsgerät

6



dann eine Kanaldruckregelung gemäß Abb. 7 realisiert. Dabei ist im Zuluftkanal nach dem Lüftungsgerät ein Drucksensor montiert, der den Überdruck im Kanal gegenüber der Atmosphäre misst. Die Regelung regelt auf einen Sollwert von 300 Pa Überdruck.

In diesem Fall wird der Volumenstrom in den 2 Hörsälen bedarfsabhängig nach CO2-Sensor im Hörsaal geregelt. Je Semi-narraum wird ein konstanter Volumen-strom nach Zeitplan oder Anforderungs-taster realisiert. Wenn ein Seminarraum nicht genutzt wird, schließen motorische Absperrklappen in der Zu- und Abluftlei-tung zum Raum.

Es ergibt sich dabei aber eine Heraus-forderung im Teillastfall. Wenn nur 1 Se-minarraum in Betrieb ist, wird nur ein Volumenstrom von 1000 m3/h benötigt. Auch wenn in diesem Beispiel nur der kleinere Hörsaal genutzt wird und dieser nur mit wenigen Personen belegt ist, so reduziert die bedarfsabhängige Rege-lung (nach CO2-Konzentration im Hör-saal) den Volumenstrom auf 1000 m3/h.

Das Zentralgerät wird dann nur mit einem Volumenstrom von 6,25 % bezo-gen auf den Auslegungsvolumenstrom betrieben. Wenn im Zuluftgerät nur ein Ventilator vom Typ ER63C realisiert wor-den wäre, liegt die Einsatzgrenze gemäß Abb. 8 bei minimal 2200 m3/h. Bei einer Unterschreitung von 5000 m3/h fällt der Wirkungsgrad des Ventilator-Laufrades auf unter 68 %. Der Motorwirkungsgrad ist in diesem Teillastbetrieb ebenfalls gering. Wie stark der Motorwirkungs-grad bei Teillast zurückgeht, ist vom Motortyp abhängig. Abb. 9 zeigt den Verlauf des Motorwirkungsgrades für je einen AC-Motor (Bezeichnung mit Wir-kungsgradklasse IE2), einen EC-Motor und einen PM-Motor [1]. Bei niedrigen Drehzahlen geht der Wirkungsgrad beim AC-Motor stark zurück, beim EC-Motor oder PM-Motor wesentlich weniger. Die üblichen Ventilatoren mit EC-Motor kön-nen aber nur bis 30 % des Stellsignals heruntergefahren werden. Niedrigere Drehzahlen lässt die integrierte Elektro-nik nicht zu.

Eine Lösung für den Betriebsfall 1000 m3/h wäre die Realisierung von 2 parallelgeschalteten Ventilatoren mit je einer Jalousieklappe auf der Saugseite vor der Einströmdüse. Eine solche Anlage wurde an der TU Dresden im Hörsaalge-bäude August-Bebel-Str. 20 realisiert (vgl. Abb. 10).

Abb. 11 zeigt das Ventilatorkennfeld eines kleineren Ventilators vom Typ

ER40C. Im Auslegungsfall sind dann 2 Ventilatoren mit je 8000 m3/h in Betrieb. Bei Reduzierung des Volumenstromes werden diese gemeinsam bis zu einem Volumenstrom der Gesamtanlage von 5000 m3/h betrieben ( je Ventilator 2500 m3/h). Die Grenze wurde bei 2500 m3/h festgelegt, da dann der Wir-kungsgrad des Ventilator-Laufrades un-ter 70 % abfällt und auch der Motorwir-kungsgrad niedrig ist.

Wenn der Volumenstrom der Gesamt-anlage weiter reduziert werden soll, wird ein Ventilator abgeschaltet und die zuge-hörige Jalousieklappe geschlossen. Der eine verbleibende Ventilator fördert dann den Volumenstrom im Bereich 1000...5000 m3/h. In Abb. 11 ist zu sehen, dass die Einsatzgrenze des Ventilators bei einem minimalem Volumenstrom von 1000 m3/h liegt. Wenn der Volumen-strom der Anlage wieder steigt, wird zu-

Lüftungs-Zentral-gerät mit zwei parallelen Ventilatoren und sechs angeschlossenen Räu-men (hörsäle, seminarräume)

7

Ventilatorkennfeld fabrikat Ziehl-abegg, typ eR63c (Variante: ein Zuluftventilator für hörsäle, seminarräume), kennfeld aus [5]

8



nächst der eine in Betrieb befindliche Ventilator bis 7000 m3/h hochgefahren und dann der 2. Ventilator zugeschaltet. Sobald der 2. Ventilator zugeschaltet ist, müssen beide Ventilatoren mit dem glei-chen Stellsignal angesteuert werden. Beide Ventilatoren fördern dann jeweils 3500 m3/h und sind ausreichend weit vom anderen Schaltpunkt entfernt (Ab-schalten eines Ventilators bei 2500 m3/h). In der Praxis werden die Schaltpunkte nicht in Abhängigkeit des Volumenstro-mes, sondern in Abhängigkeit des Stellsi-gnales zum Ventilator festgelegt. So wird ein Ventilator abgeschaltet, wenn das Stellsignal < 31 % ist und ein Ventilator wird zugeschaltet, wenn vorher nur ein Ventilator mit Stellsignal > 87 % in Be-trieb war.

tiefgaragen-LüftungFür Garagenabluftanlagen sind zwei par-allele Ventilatoren vorgeschrieben. In der Garagenverordnung des Bundeslandes Hessen [2] steht dazu im § 16 Lüftung:

„Maschinelle Abluftanlagen müssen in jedem Lüftungssystem mindestens zwei gleich große Ventilatoren haben, die bei gleichzeitigem Betrieb zusam-men die erforderliche Gesamtleistung erbringen. Jeder Ventilator muss aus ei-nem eigenen Stromkreis eingespeist werden, an den andere elektrische Anla-gen nicht angeschlossen werden können. Soll das Lüftungssystem zeitweise nur mit einem Ventilator betrieben werden, müssen die Ventilatoren so geschaltet sein, dass sich bei Ausfall eines Ventila-tors der andere selbsttätig einschaltet.“

In der praktischen Umsetzung von Garagenabluftanlagen ist zu erkennen, dass auf der Saugseite der Ventilatoren eine motorische Absperrklappe montiert wird. Damit ist es möglich, in Zeiten mit geringem Zu- und Abgangsverkehr einen Ventilator abzuschalten und die zugehö-rige motorische Absperrklappe zu schlie-ßen. Gemäß der Verordnung hat die Ab-luftanlage sicherzustellen, dass im Mittel eine CO-Konzentration von 50 ppm nicht überschritten wird. Bei einer Überschrei-tung einer gemessenen CO-Konzentrati-on von 50 ppm ist somit der zweite Ven-tilator zuzuschalten und bei Unterschrei-tung von 30 ppm der zweite Ventilator abzuschalten. Beide Ventilatoren werden in der Regel ohne Frequenzumformer mit Netzfrequenz betrieben, um die Fehler-quelle „Ausfall Frequenzumformer nach Spannungsschwankungen“ auszuschlie-ßen. Durch die Aufteilung auf zwei Venti-latoren ist aber ein Betrieb mit 2 Volu-menströmen möglich. Bei Betrieb nur ei-nes Ventilators stellt sich in der Regel ein Volumenstrom von 65 % gegenüber dem Volumenstrom bei Betrieb beider Venti-latoren ein. Der Grund hierfür ist, dass bei einem geringeren Volumenstrom im Hauptkanal ein geringerer externer Druckverlust zu überwinden ist. Der eine in Betrieb befindliche Ventilator ohne Drehzahlregelung wird durch eine Venti-latorkennlinie charakterisiert. Bei einem geringeren Differenzdruck fördert der Ventilator einen größeren Volumen-strom.

Wenn man großen Wert auf Ausfallsi-cherheit legt, ist der Einsatz von 2 paral-

abhängig-keit des Motorwir-kungsgra-des von der Drehzahl aus [1]

9

Zuluftgerät mit zwei parallelen Ventila-toren und motorischen absperrklappen vor den einströmdüsen (anwendungs-fall hörsäle, seminarräume)

10

Ventilatorkennfeld für einen Ventilator fabrikat Ziehl-abegg, typ eR40c (Variante: zwei parallele Zuluftventilatoren für hörsäle, seminarräume), kennfeld aus [5]

11



lelen Ventilatoren mit AC-Motor und oh-ne Frequenzumformer ein Lösungsan-satz. Direkt an das Stromnetz ange-schlossene AC-Motoren gehen bei Spannungsschwankungen in der Regel nicht in Störung. Dies ist ein Vorteil ge-genüber EC-Motoren mit Elektronik und AC-Motoren mit Frequenzumformer.

Aus energetischen Gründen sind paral-lele Ventilatoren mit EC- oder PM-Motor besser als ein Ventilator mit AC-Motor.

Hocheffiziente Motoren, die auch bei Teillast einen guten Motorwirkungsgrad aufweisen, gibt es nur bis zu einem Leis-tungsbereich von 15 KW [3].

Dies sind Ventilatoren mit EC-Motor als Außenläufermotor bis zu einer Leis-tung von 6 kW [3, 4]. Dies entspricht ei-nem Volumenstrom von ca. 16000 m3/h [4]. Für den höheren Leistungsbereich bis 15 kW gibt es noch PM-Motoren als In-nenläufermotoren.

Diese Ventilatoren verfügen insbe-sondere im Teillastfall über eine wesent-lich höhere Energieeffizienz gegenüber Ventilatoren mit AC-Motoren. In Abb. 9 ist der Wirkungsgradverlauf eines EC-Motors im Vergleich mit einem AC-Motor (bezeichnet mit der Wirkungsgradklasse IE2) dargestellt. Der Wirkungsgradver-lauf des PM-Motors ist dem des EC-Mo-tors sehr ähnlich. So ist es insbesondere bei größeren Lüftungsgeräten, die oft in Teillast betrieben werden, sinnvoll, an-statt eines Ventilators mit AC-Motor bes-ser 2 Ventilatoren mit EC- oder PM-Motor zu realisieren. Dies ist immer dann der Fall, wenn für die Variante mit einem Ventilator kein Ventilator mit EC- oder PM-Motor verfügbar ist, weil die Leis-tungsaufnahme über 15 kW beträgt. In der Regel ist das ab einer Gerätegröße von 40000 m3/h der Fall.

In den letzten 3 Jahren gab es zahlrei-che Veröffentlichungen, die weitere Vor-teile von mehreren parallelen Ventilato-ren mit EC-Motor (Ventilatorwände) ge-genüber einem Ventilator mit AC-Motor darstellten. Beispielhaft sei hier die Lite-raturstelle [4] genannt.Diese Vorteile sind

■ gleichmäßigere Anströmung von nachgeschalteten Wärmeübertrager-registern oder Filterwänden,

■ kürzere Baulänge der Ventilatorkam-mer,

■ kürzere Schalldämpfer, da mehrere Ventilatoren mit höheren Drehzahlen laufen und höhere Frequenzen sich besser dämpfen lassen.

Bei Ausfall eines Ventilators in einer Ven-tilatorwand mit zum Beispiel 9 Ventila-

toren kann das Loch der Einströmdüse des ausgefallenen Ventilators schnell mit einem Blech verschlossen und die Lüftungsanlage kann mit 8 von 9 Venti-latoren weiter betrieben werden. Ein Ventilator mit EC-Motor ist aufgrund seiner max. Leistung von 6 kW und max. Luftleistung von 16.000 m3/h nicht sehr groß und kann in der Regel problemlos an die Lüftungsanlage transportiert und in das Lüftungsgerät eingebracht wer-den. Dies ist insbesondere bei der Um-rüstung von Lüftungsgeräten ein großer Vorteil. Die Ventilatorhersteller haben aber auch ein eigenes Interesse an den Ventilatorwänden. Die Ventilatoren mit EC-Motor können sie in Zukunft in grö-ßeren Stückzahlen herstellen. Bei der Bestellung sind in der Regel einige Venti-latoren im Lager verfügbar (kurze Liefer-zeiten). Es werden seltener große Venti-latoren bestellt, die als Einzelstücke ge-fertigt werden. Diese Einzelstücke sind dann relativ teuer.

Bei den Ventilatorwänden sind aber immer alle Ventilatoren gleichzeitig in Betrieb und es gibt keine Absperrklappe vor jedem Ventilator. Die Ventilatoren können nur bis zu einem Stellsignal von 30 % vom max. Volumenstrom nach un-ten gefahren werden. In der Regel wer-den Ventilatorwände so ausgelegt, dass im Auslegungsfall das Stellsignal 70 % beträgt. Dann ist im Auslegungsfall die benötigte elektrische Leistung nicht so hoch (vgl. Abb. 5). Ein weiterer Vorteil ist, dass bei Ausfall eines Ventilators die ver-bliebenen Ventilatoren höher drehen können (70 … 100 %) und somit versu-chen, den Ausfall zu kompensieren. Das bedeutet aber auch, dass für die Volu-menstromregelung des Lüftungsgerätes nur der Stellbereich zwischen 30 und 70 % des Stellsignales zur Verfügung steht. Der Volumenstrom kann somit nur bis auf 43 % des Auslegungsvolumen-stromes reduziert werden.

Dies ist der wesentliche Unterschied zu dem obigen Abschnitt „Hörsaallüf-tung mit 2 parallelen Ventilatoren“, bei dem der Volumenstrom im Gerät bis auf

1000 m3/h vom Auslegungsvolumen-strom 16000 m3/h reduziert werden kann (6,25 %).

schlussfolgerungBeim Parallelbetrieb von Lüftungsgerä-ten sollten immer so viele Geräte wie möglich in Betrieb sein, da dann der Vo-lumenstrom durch ein Gerät niedrig ist und die Druckverluste durch das Gerät sehr stark zurückgehen. Dies führt zu ei-nem Rückgang der elektrischen Leis-tungsaufnahme der Gesamtanlage.

Wenn mehrere kleine Hörsäle und Seminarräume an ein Lüftungsgerät an-geschlossen sind und abends nur ein Se-minarraum gelüftet werden soll, kann es sein, dass der Betriebspunkt außerhalb des zulässigen Bereichs im Ventilatordia-gramm des einen Ventilators liegt. Dann sollten zwei parallele Ventilatoren reali-siert werden, bei denen jeweils eine mo-torische Absperrklappe vor der Einström-düse montiert ist.

Bei sehr großen Lüftungsgeräten mit Luftvolumenströmen von > 40.000 m3/h, für die keine Einzelventilatoren mit EC- oder PM-Motoren zur Verfügung stehen, sollten mehrere Ventilatoren parallel montiert werden. Dies hat den Vorteil, dass dann Ventilatoren mit EC- oder PM-Motoren eingesetzt werden können, die im Teillastbetrieb einen wesentlich bes-seren Wirkungsgrad aufweisen.

Literatur[1] Mietzker, T.: Vergleich von Außenläufer- und

Innenläufermotoren in Ventilatoren. cci Zei-tung 10/2013

[2] Verordnung über den Bau und Betrieb von Garagen und Stellplätzen (Garagenverord-nung – GaV) vom 17. November 2014, Bun-desland Hessen

[3] Ziehl-Abegg: ECblue Hocheffizienzmotoren. Ziehl-Abegg SE, Produktveröffentlichung (02/2015)

[4] Bader, T.: Stärker im Verbund – Der Einsatz von Ventilatorwänden in zentralen RLT-Gerä-ten. cci Zeitung 03/2017, S. 54-56

[5] Ziehl-Abegg: Radialventilatoren, Hauptkata-log mit IEC-Normmotor, Ausgabe 01/2018

ergebnisse für das gebäude mit chemischen LaborenZuluft

Variante 1 Variante 2Volumenstrom durch einen Ventilator in m3/h 18.150 36.300Totaldruckerhöhung in Pa 599 1417

Totalwirkungsgrad 77,6 % 79,2 %elektrische Leistungsaufnahme des FU in kW 2* 4,81 20,85jährlicher Elektroenergie-Aufwand in kWh/Jahr 169.069 239.361

Documents

Anwendungsfälle für die Parallel- Rechenzentrum ......Rechenzentrum hörsaallüftung Im ersten Teil werden zwei Anwen-dungsfälle für die Parallelschaltung von ... ten Racks und