Energiefresser RLT-Anlage

Raumlufttechnische Anlagen sind heutzutage vor allem in Bereichen, in denen viele Menschen in Innenräumen arbeiten nicht mehr wegzudenken. Idealerweise sorgen sie für ein optimales Raumklima in denen sich die Mitarbeiter wohlfühlen und beste Voraussetzungen für effizientes Arbeiten gegeben ist.

RLT-Anlagen sorgen für das richtige Raumklima

Optimales Raumklima bedeutet, die Luft hat die richtige Temperatur, mit dem optimalen Feuchtegehalt. Verbrauchte Luft wird abtransportiert und Frischluft wird zugefahren, ohne dass der Mitarbeiter dies als unangenehm empfindet, z.B. durch Zugluft. Die RLT-Anlage leistet dies, indem sie Außenluft ansaugt, sie reinigt, die Luft erwärmt oder kühlt, be- oder entfeuchtet und über ein Luftkanalsystem verteilt Über das Luftkanalsystem können alle Räume individuell mit der aufbereiteten Frischluft versorgt werden. Die Abluft wird über ein zweites Kanalsystem idealerweise zur RLT Anlage zurückbefördert, welche über einen Wärmetauscher die Energie der verbrauchten Luft zurückgewinnt und wieder der aufbereiteten Frischluft zuführt.

RLT-Anlagen sind Großverbraucher

Doch wo ist der Haken? RLT Anlagen benötigen bei der Durchführung der beschriebenen Aufgaben sehr viel Energie. Vor allem veraltete RLT Anlagen (>10-15 Jahre) sind oft wahre Energiefresser. Hier sollte eine genaue Bewertung stattfinden, ob ein Austausch stattfinden muss.

Einregulierung hilft Kosten zu senken

Aber auch neuere Bestandsanlagen bieten in verschiedenen Bereichen Optimierungspotential von bis zu 25%, zum Beispiel über bessere Regelung der Anlage, Optimierung der Luftbeförderung, Austausch minderwertiger Technik, Wärmerückgewinnung etc.. Dieser Artikel behandelt nicht die einzelnen Möglichkeiten der Effizienz Steigerung, sondern beginnt einen Schritt davor. Die Grundlage für eine Bewertung der Bestandsanlage wird unter anderem durch eine belastbare und reproduzierbare Luftvolumenstrommessung geschaffen. Wie, wo und mit welcher Messtechnik dies durchgeführt wird, wird im Folgenden erläutert.

Messen im Luftkanal

Der Luftvolumenstrom ist das Produkt aus Strömungsgeschwindigkeit mal Kanalfläche. Da in der Praxis die Strömungsgeschwindigkeit im Kanalquerschnitt nicht gleich groß ist, reicht eine einzelne Punktmessung für die Bestimmung der durchschnittlichen Luftgeschwindigkeit nicht aus. Störquellen wie Blenden, Krümmer u.a. haben ein Einfluss auf das Geschwindigkeitsprofil im Kanal, daher muss eine sogenannte Netzmessung an mehreren Stellen im Kanal durchgeführt werden. Um den Qualitätsanforderungen an die Bestimmung des Volumenstroms gerecht zu werden gibt es weltweit verschiedene Normen, die sich mit der korrekten Messung von Strömungsgeschwindigkeiten beschäftigen. In Deutschland und weiten Teilen Europas ist die EN 12599 die führende Norm Hier wird unter anderem Verfahren haben bestimmt, dass die Messpunkte nach bestimmten Vorgaben in Abhängigkeit der Kanalgröße über den Kanalquerschnitt verteilt werden, zwischen rechteckigen und runden Kanälen unterschieden wird und die Messwerte gemittelt werden. Im Folgenden wird auf die korrekte Messung des Volumenstroms nach den EN 12599 eingegangen

Das Messverfahren

Für die Bestimmung des Luftvolumenstroms muss der repräsentative mittlere Strömungswert im Kanalquerschnitt bestimmt werden. Hierfür wird die Messfläche in Teilflächen unterteilt und im Schwerpunkt der Teilflächen die Geschwindigkeit ermittelt. Dieses Vorgehen nennt man Netzmessung. Das Vorgehen für die Einteilung des Kanalquerschnittes in Teilflächen ist bei rechteckigen und runden Kanälen unterschiedlich. Die DIN EN 12599 sieht folgende beiden Messmethoden vor:

• das Trivialverfahren für Messungen in Luftkanälen mit rechteckigem oder quadratischem Querschnitt

• das Schwerlinienverfahren für Messungen in Kanälen mit kreisförmigem Querschnitt

Das Trivialverfahren

Das Trivialverfahren geht von keiner besonderen Geschwindigkeitsverteilung im Kanal aus. Der Kanalquerschnitt wird einfach in mehrere, gleich große Messflächen aufgeteilt. Der Messpunkt liegt in der Mitte der Teilfläche.
Bei einem gleichmäßigen Geschwindigkeitsprofil kommt man auf diese Weise bereits mit wenigen Messpunkten zu einem aussagekräftigen Messergebnis. Bei größeren Unterschieden in den Strömungsgeschwindigkeiten ist die Anzahl der Messpunkte entsprechend zu erhöhen. Sie ist dann hoch genug, wenn die Messwertschwankungen innerhalb einer Teilfläche so gering sind, dass die in den Mittelpunkten gemessenen Werte im Rahmen der vorgegebenen Messgenauigkeit als Mittelwerte gelten können.

Der Messwert für den Luftvolumenstrom des gesamten Kanals ergibt sich dann als arithmetisches Mittel aus den Messwerten der Teilflächen.

Schwerlinienverfahren

Ähnlich ist die Vorgehensweise beim Schwerlinienverfahren, das in runden Kanälen anzuwenden ist. Hierbei wird der kreisförmige Kanalquerschnitt in flächengleiche Kreisringe und einen Kreis in der Mitte aufgeteilt. Der Messort in der Kreisringfläche sowie dem inneren Kreis liegt auf der Schwerlinie der jeweiligen Teilfläche. Die Schwerlinie ist hierbei der Radius (y), der die Teilfläche halbiert. Da nicht immer davon ausgegangen werden kann, dass sich die Strömung rotationssymmetrisch im Kanal vorwärts bewegt, sind bei runden Kanälen zwei Messebenen zu wählen, die im 90°-Winkeln zu einander stehen.

Berechnung des Volumenstroms

Aus den nach Trivialverfahren oder Schwerlinienverfahren ermittelten Geschwindigkeitsmesswerten ist die mittlere Strömungsgeschwindigkeit und daraus der Luftvolumenstrom zu berechnen.

Die Berechnung erfolgt nach folgender Formel:

Beurteilung der Messwerte

In der DIN EN 12599 ist gefordert, dass die Genauigkeit des Luftvolumenstroms mit einer Messunsicherheit von ±10 % an der Gesamtanlage und ±15 % in Einzelräumen ermittelt werden muss. Hier stellt sich nun die Frage wie genau war die soeben durchgeführte Messung. Auch hierfür gibt die DIN EN 12599 Antworten.

Neben der Unsicherheit des Messgerätes und des eingesetzten Fühlers ist die Unregelmäßigkeit des Strömungsprofils ausschlaggebend für die Bestimmung des Gesamtfehlers. Bei einer großen Profilunregelmäßigkeit kann die geforderte Messunsicherheit von ± 15 % nur mit einer ebenfalls großen Anzahl an Messpunkten erreicht werden, dies ist jedoch sehr zeitaufwändig. Daher ist die Anzahl der Messpunkte immer in Verbindung mit dem Abstand zu Störquellen zu sehen, da diese maßgeblich für die Unregelmäßigkeit im Profil sind.
 

Schritt 1: Unregelmäßigkeit des Strömungsprofils ermitteln
Die erforderliche Anzahl von Messpunkten in einem gegebenen Kanalquerschnitt hängt von der Unregelmäßigkeit (Verzerrung) des Strömungsprofils ab. Das folgende Diagramm stellt einen empirischen Zusammenhang zwischen dem relativen Abstand a/Dh (Abstand von der Störstelle ausgedrückt in Anzahl der hydraulischen Durchmesser) und der Unregelmäßigkeit U des Strömungsprofils (in Prozent) her. Es lässt sich erkennen, dass sich die Profilunregelmäßigkeit mit zunehmendem Abstand

Schritt 2: Anzahl der erforderlichen Messpunkte bestimmen

Mit dem aus dem Diagramm ermittelten Wert für U können Sie nun aus der folgenden Tabelle die Anzahl der erforderlichen Messpunkte ablesen, die zur Einhaltung einer bestimmten, vorgegebenen Messgenauigkeit erforderlich sind.
 
Tipp:
Indem Sie den Messabstand zur Störstelle vergrößern, können Sie die Anzahl der benötigten Messpunkte und damit den Messaufwand erheblich verringern, ohne die Messgenauigkeit zu beeinträchtigen.

Im Beispiel unten zu sehen:  Bei U = 40 % und einer vorgegebenen Messunsicherheit τU = ±15 % sind 20 Messpunkte erforderlich (gelbe Markierungen, Leserichtung von oben nach unten und dann nach links). Bei U = 20 % reichen 8 Messpunkte aus (grüne Markierungen).

Schritt 3: Unregelmäßigkeiten des Strömungsprofils berechnen

Anhand Ihrer Messwerte können Sie nun die Unregelmäßigkeit des Strömungsprofils rechnerisch überprüfen. Dazu teilen Sie den Kanalquerschnitt in vier Quadranten gleicher Fläche und ermitteln für jeden der Quadranten das arithmetische Mittel der Messwerte.

Schritt 4: Gesamtfehlerrechnung nach DIN EN 12599

Neben der Messunsicherheit durch (Strömungs-) Einflüsse an der Messstelle gibt es weitere mögliche Fehlerquellen, die ggf. zu berücksichtigen sind:

• Messunsicherheit bei der Ablesung

• Messunsicherheit des Mittelwertes (bei schwankender Messgröße)

• Fehler der Messgeräteanzeige (Messgerätefehler)

• Messunsicherheiten der Stoffwerte, z. B. der Luftdichte

• Unsicherheiten bei der Umrechnung

Den größten Einfluss haben dabei die Unsicherheit durch Einflüsse an der Messstelle sowie Messgerätefehler (die Genauigkeit des Messgerätes und/oder der Sonden). Bei modernen Messgeräten wie dem testo 400 wird diese bei der Berechnung der Gesamtunsicherheit automatisch berücksichtigt und damit die normenkonforme Durchführung der Messung und Dokumentation der Ergebnisse unterstützt.

Messen an großen Luftauslässen

Messungen an Kanalauslässen beinhalten einen hohen Ungenauigkeitsfaktor und sind oft nur bedingt geeignet. Sie sollten eher für abschätzende Messungen angewendet werden. Bei sehr großen Kanalauslässen werden die besten Messergebnisse mit dem 100 mm-Flügelrad erzielt. Dabei gibt es zwei Möglichkeiten:

Schleifenmethode

Punktuelle Messung

• Ungleichmäßige Führungsgeschwindigkeit des Flügelrades vermeiden: Idealerweise sollten mehrere Messungen durchgeführt werden.

• Beeinflussung der Luftströmung durch Flügelrad und Messperson beachten: Strömungswiderstände beeinflussen das Messergebnis. Deshalb sollte ein großes Flügelrad mit Teleskop verwendet werden.

Messen an kleinen Luftauslässen

An kleinen Luftauslässen (z.B. Tellerventilen) kann mit aufgesetzten Trichtern auf ein 100mm Flügelrad gemessen werden.

Noch eine sehr gute Möglichkeit bietet die Messung über den k-Faktor:

Mit diesem Verfahren wird der Volumenstrom direkt aus dem Differenzdruck berechnet. Die Eingabe der Fläche entfällt, stattdessen muss der K-Faktor eingegeben werden. Der K-Faktor nimmt im Normalfall Werte zwischen 0 and 200 an.

Er wird in der Regel vom Hersteller des Auslasses oder Volumenstromreglers angegeben.

Dazu wird der Differenzdruck direkt am Anschluss gemessen und mit dem herstellerabhängigen k-Faktor multipliziert.