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KLImAVolumenstromregelung

Hohe Betriebskosten veranlassen Bauherrn, Betreiber und Fachplaner, raumlufttechnische Anlagen nach energetischen Aspekten zu sanieren. Von einer neuen RLT-Anlage fordert der EnEV-Bedarfsnachweis, dass sie energieeffizienter betrieben werden kann, als eine vergleichbare Referenz-Klimaanlage, die nach dem aktuellen technischen Stand ausgeführt ist. Luftströme werden auf das hygie-nisch notwendige Minimum reduziert, um den Aufwand für Luftaufbereitung und Transport gering zu halten. Die knappe Auslegung erfordert damit eine genauere Verteilung der Luftströme innerhalb des Gebäudes, um bei einer Unterversorgung lokal schlechte Raumluftqualität, bei zu hohen Volumenströmen Klagen über Zugluft und Strömungsgeräusche vermeiden zu können. Ein System aus Drosselklappen und Reglern kann wesentlich dazu beitragen, den Widerspruch zwischen gutem Komfort und niedrigem Energiever-brauch einer Klimaanlage aufzuheben.

Die Anforderungen an eine energieeffi-ziente Luftverteilung lassen sich wie folgt zusammenfassen:

• Selbsttätiger Abgleich der Volumenströ-me, wichtig in einem komplex verzweig-ten Leitungsnetz,

• in den Nutzungseinheiten ausgegli-chene Luftbilanz zwischen Zu- und Ab-luftvolumenströmen, Zuluftüberschuss bei dichten Fassaden nicht mehr erfor-derlich,

• Luftverteilung mit niedrigsten Druck-verlusten in den Drosselelementen,

• Anpassung der Luftströme an die Nut-zung der Räume,

• Anpassung der Ventilatordrehzahlen an den Luftbedarf des Gebäudes,

• Kommunikation ab der Feldebene, bei größeren Gebäuden zu empfehlen.

Eine der wichtigsten Nebenbedin-gungen ist ein weitgehend hydraulisch ab-geglichenes Luftnetz, in dem Drosselklap-pen die Luftströme umlenken und bei Teil-last eines Stranges die kleiner gewordenen Druckverluste ausgleichen, um einen sta-tischen Druckanstieg zu vermeiden. Das ist energetisch nur vertretbar, wenn die Druckverluste und damit auch die Luft-geschwindigkeiten entlang den Verteillei-tungen selbst klein sind. Bild 1 zeigt die Zuluftleitungen einer typischen Büro-Kli-maanlage mit den empfohlenen Luftge-schwindigkeiten. In diesem Beispiel kann

ein externer Druckverlust am RLT-Gerät von 250 Pa erreicht werden. Der SFP-Wert liegt mit 1180 W/(m³/s) auch mit einem Wärmerückgewinner der Klasse H1 unter dem EnEV-Wert von 1800 W/(m³/s).

Welche Arten von Volumenstrom-regelungen gibt es?

Prinzipiell unterscheidet man zwischen zwei Verfahren, die Luftströme zu regeln:

• Volumenstromregelung • Druckregelung.

Das Messprinzip beider Reglertypen ba-siert auf einer Differenzdruckmessung. Bei der Volumenstromregelung erzeugt der Vo-lumenstrom einen Druckabfall z. B. über eine Messblende. Ein Druckregler misst direkt die Druckdifferenz zwischen einer Messposition im Kanalnetz und der Umge-bung als Referenzstelle.

Bei der Volumenstromregelung wird ein Sollwert eines Volumenstroms durch Drosseln eingestellt. Dieser Sollwert kann von einem externen Temperatur- oder Luft-qualitätssensor in einem Raumbedienge-rät stetig zwischen zwei Grenzen (Vmin und Vmax) oder durch einen Präsenzschalter in zwei Stufen vorgegeben werden. Das Ist-wertsignal des Zuluftreglers wird häu-fig als Sollwert beim Abluftregler aufge-schaltet.

Ein Druckregler kann für eine hier nicht näher beschriebene Raumdruckregelung (z. B. Laboranwendungen) oder Strang-druckregelung eingesetzt werden. Die Un-terschiede sind in Bild 2 schematisch dar-gestellt.

Beide Reglertypen sind seitens Gehäu-se, Drosselklappe, Wirkdruckelement und Stellantrieb identisch. Der Volumenstrom-regler verarbeitet die Wirkdruckdifferenz zum Volumenstrom, der Druckregler hält

Energieeinsparungen in RLT-Anlagen durch Volumenstromregelung

Bild 1: Zuluftnetz einer Klimaanlage mit empfohlenen Luftgeschwindigkeiten und niedrigen Druckverlusten.

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KLImA Volumenstromregelung

den Leitungsüberdruck gegenüber dem Raumdruck konstant. Beide Systeme re-geln den Gesamtvolumenstrom der nach-geschalteten Luftdurchlässe. Wie später in einem Beispiel gezeigt wird, kommt der Druckregler dann zum Einsatz, wenn die „Verbraucher“ unterschiedliche Volumen-ströme beanspruchen und ein Druckreg-ler mehrere Volumenstromregler erset-zen kann.

Bei beiden Reglertypen haben sich dy-namische Druckdifferenzsensoren auf-grund ihres guten Preis-Leistungsverhält-nisses durchgesetzt. Das Messprinzip be-ruht auf einem thermischen Anemometer, bei dem die Abkühlung eines sehr kleinen Luftstroms durch die Wirkdruckdifferenz in eine statische Druckdifferenz umgerech-net wird. Vorteile sind der große Messbe-reich zwischen 2 und 300 Pa, die nicht er-forderliche Nullpunkt-Kalibration und die Lageunabhängigkeit. Die Einsatzgrenzen sind durch stark verschmutzte oder che-misch aggressive Luft gegeben.

Neben elektrischen Klappenantrieben kommen pneuma-tische Regler nur noch bei einer Sa-nierung zum Ein-satz, bei der man das Druckluftnetz behalten möchte. Im Ex-Bereich gibt es keine Alternati-ve zur Pneumatik. Die Eigenschaften sind in Bild 3 zusam-mengestellt.

Mechanische Regler werden überwie-gend in RLT-Anlagen mit konstantem Vo-

lumenstrom ein-gesetzt. Eine Be-sonderheit sind sogenannte „Volu-menstrombegren- zer“, die man in die Luftleitungen kurz vor dem Luftdurch-lass einschiebt. Me-chanische Regler be-

nötigen einen Mindest-Vordruck, damit die Luftkräfte am Drosselelement die mecha-

nische Reibung überwinden können. Sie weisen im Vergleich zu elektronischen Reg-lern eine größere Hysterese auf, die eine Regelgenauigkeit von bestenfalls +-10 % (bezogen auf Vnenn) erwarten lässt.

Eine neuere Entwicklung bei elektro-nischen Volumenstromreglern ist die Kennfeldregelung. Bei diesen Vertretern wird die Wirkdruckdifferenz im Bereich des Klappenblatts an einer Stelle gemes-sen, an der die Druckdifferenzen am höchs-ten sind. Die Auswertung des Wirkdrucks mit der Winkelposition der Klappe ermög-licht eine genaue Volumenstrombestim-

Bild 3: Übersicht über Bauarten von Volumenstromreglern (VR) und Druckreglern (DR).

Bild 2: Unterschiede zwischen Volumen-strom- und Strang-druckregler.

Wenn Kunden die Funktion eines Volumenstromreglers reklamieren, ist in mehr als 80 % der Fälle der Druckabfall im Regler zu niedrig.

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mung mithilfe eines Kennfelds. Der Re-gelbereich Vmax /Vmin kann größer 10 sein und deckt Geschwindigkeiten zwischen 10 und 0,6 m/s ab. In Bild 4 ist ein Kenn-feldregler der Fa. LTG Aktiengesellschaft dargestellt, daneben ein Regelzyklus mit kleinen Druckverlusten über dem Regler zwischen 3 und 10 Pa. Die hohe Ansprech-empfindlichkeit des Reglers zeigt, wie ge-nau die neue Generation der dynamischen Druckfühler arbeitet. Dynamische Volu-menstromregler lassen sich vor Ort auch zu Druckreglern umprogrammieren.

Hydraulischer Abgleich von RLT-Anlagen mit konstanten Volumenströmen (CAV)

Obwohl man heute über CAD-Software verfügt, die auch die Druckverluste be-rechnet, werden Volumenstromregler ein-gesetzt, um den Aufwand einer Einre-gulierung gering zu halten. Bei stärker verzweigten Netzen mehrgeschossiger

Bürogebäude wird empfohlen, die Volu-menströme nach dem Abzweig aus dem Schacht maschinell abzugleichen. Man er-höht die Drehzahl der zentralen Ventila-toren so weit, bis die Volumenstromregler genügend Vordruck haben, um regeln zu können. Elektronische Regler werden über die GLT zentral oder mittels interaktiver Bediengeräte dezen-tral eingestellt und ausgelesen. Sind die Druckverluste in der Verteilleitung deutlich kleiner als der Enddruckverlust der Luftdurchlässe, sind keine weiteren Maßnahmen der Einregulierung erforder-lich. Fällt die statische Druckdifferenz in der Verteilleitung z. B. insgesamt um 20 Pa und benötigt der Luftauslass incl. Ab-zweig einen Vordruck von 30 Pa ( = 8), so weichen die Volumenströme der Luft-durchlässe entlang der Hauptleitung um

+/- 17 % von ihrem Nennvolumenstrom ab. Ein um 17 % höherer Volumenstrom erhöht die Schallleistung um ∆L= 60 lg(1,17) = 4dB, was bei knapper Auslegung zu akus-tischen Problemen führen könnte. Bei In-duktionsgeräten mit einem Primärdruck von 100 Pa ( = 50) verringert sich die Tole-

ranz auf +/- 4 %.Wird das Druck-

gefälle in der Haupt-verteilleitung grö-ßer, setzt man bevorzugt preis-wertere Volumen-

strombegrenzer vor die Luftdurchlässe, um das Netz abzugleichen. Zusammen mit den Druckverlusten von Abzweig und Luft-durchlass können bis zu 100 Pa gedros-selt werden. Das ist akustisch nur zuläs-sig, wenn ein Rohrschalldämpfer vor den Luftdurchlass eingebaut, oder der Luft-durchlass selbst mit Kulissenschalldämp-fern ausgekleidet wird. Bild 5 zeigt einen

Das größte Energieeinsparpotenzial bietet die Bedarfslüftung.

Bild 4: Kennfeldregler VREactive mit Regelverhalten besonders bei kleinen Vordrücken.

Bild 5: Einbau eines Volumenstromreglers am Luftdurchlass.

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solchen Luftdurchlass, der sich zum Ein-bau in Trockenbauwände gut eignet und gleichzeitig den Telefonieschall wirksam unterbindet.

Der Regler sollte nicht direkt im Luftan-schluss des Luftdurchlasses platziert wer-den, um überhöhte Schallpegel durch die ungleichmäßige Durchströmung im Luft-durchlass zu vermeiden. Erfahrungen zeigen, dass die mechanischen Regler vor den Luftdurchlässen zusätzliche vertika-le Druckunterschiede über mehrere Stock-

werke nicht mehr ausgleichen können. Zu-sammen mit den Volumenstromreglern am Strangeintritt entsteht eine Reihenschal-tung, die zu massiven Problemen führen kann: Solange die Summe aller Einzel-volumenströme ∑ Vi, LD < Vsoll, VR ist, wird der Gesamtvolumenstrom am Strangreg-ler eingehalten. Einzelne Volumenstrom-begrenzer erreichen ihren Sollwert nicht, da der Vordruck zu klein ist. Ist der Soll-Volumenstrom des Strang-Volumenreg-lers allerdings größer als die Summe der

Luftströme der Einzelregler, öffnet er sei-ne Klappe, der Druck im Strang steigt und die mechanischen Regler arbeiten dagegen. Diese „Druckvernichtung“ ist dann in den Räumen akustisch wahrzunehmen.

Eine Strangdruckregelung in der Haupt-leitung löst dieses Problem. Die Abluft-nachführung (Bilder 2 und 7) durch einen zentralen Volumenstromregler ist dann zu empfehlen, wenn man die Abluft raumwei-se in das Deckenplenum im Flur oder di-rekt über Überström-Luftdurchlässe in die Innenzonen leitet und von dort absaugt. Diese Schaltung erspart die mechanischen Regler in den Abluftdurchlässen.

Größtes Einsparpotenzial durch bedarfsgeregelte Lüftung

Bei der Bedarfslüftung unterscheidet man drei Betriebsweisen:

• temperaturgeführte VAV-Anlagen (Va-riable-Air-Volume) mit 100 % Außenluft,

• nach Luftqualität oder Präsenz geführte DCV-Anlage (Demand-controlled-ventila-tion),

• abluftgeführte Zuluftanlagen.

Bei allen drei DCV-Anlagen wird der hy-gienisch notwendige Außenluftstrom si-chergestellt und ein maximaler Volumen-strom eingehalten.

Die Luftstromanpassung erfolgt: • stetig zwischen Vmin und Vmax • 2-stufig Vmin oder Vmax • 2-stufig V = 0 oder Vmax oder an-aus im

RLT-Gerät.

Als Leitgrößen haben sich bewährt: • Raumtemperatur für Büroanwen-

dungen, Besprechungsräume, Restau-rants mit niedrigeren solaren Lasten, d. h. für Räume, in denen Personen die Kühllast bestimmen,

SFP-WERT

Die Spezifische Ventilatorleistung SFP (specific fan power) ist die auf den Volumenstrom be-zogene elektrische Ventilatorleistung.

PSFP = Pel =

Δp W V ges [m3/s]Der SFP-Wert gibt an, wie viel Watt aufzuwenden ist, um einen Volumenstrom von 1 m³/s zu fördern. Mit den Größen: Druckerhöhung ∆p des Ventilators und Gesamt-Wirkungsgrad des Ventilators. Der Ventilator muss die Druckverluste im RLT-Gerät und in den Luftleitungen überwinden. Der Gesamtwirkungsgrad berücksichtigt die Verluste von Ventilator, Motor, Ein-bau im RLT-Gerät, Riementrieb und Frequenzumrichter (ges = Ventilator x Einbau x Motor x Transm.

x FU). Gute Gesamtwirkungsgrade liegen zwischen 50 und 55 %.

Der SFP-Wert wird berechnet●  für die gesamten Volumenströme in einem Gebäude für Zuluft und Abluft zusammen oder

getrennt (Summe Antriebsleistungen/ Summe Volumenströme),●  für einzelne RLT-Geräte nach Zu- und Abluft getrennt,●  für Kompaktlüftungsgeräte, Wohnungslüftung mit Zu- und Abluftventilator zusammen,●  bei RLT-A. mit konst. Volumenstrom für den Auslegungspunkt Vmax,●  bei RLT-A. mit variablem Volumenstrom für den mittleren Teillastfall, z. B. 65 % von Vmax.

Zur Validierung von SFP-Werten benutzt man Leistungsklassen von SFP1 bis SFP6 zwischen 500 und 4500 W/(m³/s). Im EnEV-Bedarfsnachweis wird für eine Teilklimaanlage als Referenz die Klasse SFP4 angesetzt, im Einzelnen:●  Abluftanlage PSFP = 1000 W/(m³/s),●  Zuluftanlage PSFP = 1500 W/(m³/s) mit einem Zuschlag von 300 W/(m³/s) bei Einsatz einer

höherwertigeren Wärmerückgewinnung (H1 oder H2).

Bild 6: Ventilatorleis tung und Drucker höhung beim Teillastvolumenstrom ohne und mit Konstantdruckanteil.

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• Raumluftfeuchte für Wohnungen, die z. B. tagsüber wenig genutzt werden,

• CO2-Konzentration für Innenräume mit hoher Personendichte oder für größere Büroflächen, wo die CO2-Messung in der Abluft als Mittelwert der Belegung aus-gewertet werden kann,

• Präsenz als preiswerte Lösung in klei-neren Büroräumen, wo ein Präsenzmel-der für Beleuchtung und Lüftung ge-nutzt werden kann,

• Messung / Schaltung Abluftvolumen-ströme mit Nachführung der Zuluft bei Abluft über Laborabzüge und Maschi-nen in Produktionsprozessen.

Die Energieeinsparung durch Bedarfs-lüftung besteht zum einen aus den Einspa-rungen der Luftaufbereitung für einen im Jahresmittel kleineren Außenluftstrom und der kleineren Ventilatorarbeit (Antriebslei-stung x Betriebszeit in kWh/a). Der größere Anteil, auch in Bezug auf die Betriebskosten, ist der Energieaufwand für den Lufttransport.

Energetisch optimal ist eine dezentrale RLT-Lösung, bei der ein Lüftungsgerät ei-

nen Raum versorgt (z. B. Konferenzraum oder Büro mit Fassadenlüftungsgerät). Die elektrische Anschlussleistung ist proporti-onal der Ventilatordrehzahl n3, wie in Bild

6 links dargestellt. Bei RLT-Anlagen mit ei-ner Druckregelung am RLT-Gerät und Vo-lumenstromreglern im Leitungsnetz kann man die Druckverluste in einen variablen

Bild 7: DCV-System mit Induktionsgeräten mit Abluft über die Innenzonen.

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und konstanten Anteil aufteilen (Druckver-hältnis fp = ∆pkonst / ∆p100%). Der konstante Anteil begrenzt die Druckverlustabnahme bei kleinerem Volumenstrom auf einen An-teil, den die Drosselklappen für die Luft-verteilung erzeugen müssen. Je höher fp ist, umso kleiner fällt die Energieeinsparung aus (Bild 6 rechts).

Der Energiebedarfsnachweis für die Be-darfslüftung ist in der DIN V 18599 doku-mentiert und in der Energieeinsparverord-nung als Referenz festgelegt. Das folgende Beispiel einer DCV-Anlage zeigt Indukti-onsgeräte, deren Primärvolumenstrom über einen Stellantrieb variiert wird. Den Primärdruck hält ein Druckregler kon-stant, die Abluft wird mit dem Istwert der Volumenstrommessung im Druckregler nachgefahren.

Für eine geplante Sanierung einer In-duktionsanlage wurden durch Umstellung auf Bedarfslüftung und Nachrüstung einer Wärmerückgewinnung eine 50%ige Ein-sparung von Ventilatorstrom durch nied-rigeren Primärdruck und kleinere Volu-menströme sowie eine Einsparung von 70 % beim Lüftungswärmebedarf (Wär-merückgewinnung und kleinere Luftströ-me) berechnet.

Bild 8 zeigt, dass man den Sollwert des Druckreglers am Zuluftventilator so lange nach unten verschieben kann, bis die erste Klappe die 90-%-Offenstellung erreicht hat. Bei den heutigen Reglern ist der Busan-schluss und die Ausgabe der Klappenstel-lung Standard. Bis zu 8 Regler können mit einer Busleitung verbunden werden.

Hinweise zur Vermeidung bzw. Beseitigung von Problemen bei Volumenstromregelungen

Wenn Kunden die Funktion eines Volu-menstromreglers reklamieren, ist in mehr als 80 % der Fälle der Druckabfall im Reg-ler zu niedrig. Der Sollvolumenstrom wird

bei voll geöffneter Klappe nicht erreicht. Die Hersteller geben Mindest-Druckdiffe-renzen für alle Baugrößen und bestimmte Luftmengen vor. Diese Drücke lassen sich in die geforderten Sollluftmengen quadra-tisch umrechnen. Ursache zu niedriger Dif-ferenzdrücke sind meistens zu hohe Druck-verluste durch Fehler in Planung oder Mon-tage. Eine Drehzahlerhöhung am Ventilator kann durch zu kleine Motorleistung oder Drosselgeräusche an anderen Stellen in der Anlage eingeschränkt sein.

Durch die hydraulische Mittelung des Wirkdrucks arbeiten Volumenstromreg-ler auch bei verzerrten Strömungsprofi-len noch mit ausreichender Genauigkeit (+-10 % vom Nennvolumenstrom). Das Messverfahren versagt, wenn die Strö-mung im Messquerschnitt abgelöst ist und lokale Zonen mit Rückströmung vor-liegen. Das geschieht vor allem in einem scharfkantigen Abzweig einer Rechtecklei-tung, vor allem, wenn der Abzweig in der Ebene der größeren Kantenlänge liegt. Ab-hilfe schaffen Leitschaufeln oder eine An-strömstrecke bis zu einem hydraulischen Durchmesser. Bild 8 zeigt, dass man auch sehr einfach Fehler vermeiden kann, wenn man die dargestellte Querschnittsveren-gung nach unten in Richtung des Decken-durchbruchs verlegt und dadurch eine An-strömstrecke schafft.

ZusammenfassungDie heute knapp bemessenen Luftmen-

gen sowie die in der GLT geschaffenen Möglichkeiten, Luftvolumenströme aus-zulesen und deren Verteilung zu kontrol-lieren, zwingen Fachplaner und ausfüh-rende Unternehmen, die Lufthydraulik fachgerecht auszulegen und umzusetzen. Volumenstromregler allein können kei-ne hydraulischen Schwachstellen besei-tigen, bestenfalls auf andere Problemstel-len verschieben. Häufig geht man bereits bei der Planung Kompromisse ein, wenn man den notwendigen Einbauraum für die Gebäudetechnik nicht durchsetzen kann. Auch bei der Ausführung werden Kom-promisse bei der Leitungsführung unter-schätzt, wenn Hindernisse umgangen wer-den müssen.

Das größte Energieeinsparpotenzial bie-tet die Bedarfslüftung. Die Anforderungen an die Qualität der Luftverteilung steigen und der Eingriff der Nutzer in die Hydrau-lik muss berücksichtigt werden. Gefragt sind möglichst einfache, technisch robuste, leicht bedienbare DCV-Systeme mit einem Minimum an Datenpunkten. Der Weg führt über ein hydraulisch abgeglichenes Lei-

tungsnetz zum Einsatz von Druck- und Volumenstromreglern. Bei einer Vernet-zung der zentralen Drosselklappen kann der Ventilatordruck soweit reduziert wer-den, dass jeder Regler seinen Sollwert beim niedrigsten Energiebedarf erreichen kann. ■

Autoren: Dipl.-Ing. Ralf Wagner und Dr. Hans Werner Roth, beide LTG Aktiengesellschaft

Bilder: LTG Aktiengesellschaft

www.ltg-ag.de

Bild 8: Beispiel einer Schlechtpunktregelung.

Bild 9: Einbaufehler eines Volumenstromreg-lers.