Das Verständnis der kritischen Rolle der Feuchtluftdichte in Luftaufbereitungssystemen ist für die Optimierung der Effizienz im HLK-Betrieb unerlässlich. Die Dichte der feuchten Luft wirkt sich direkt auf den Massen- und den Volumenstrom aus, die für eine ordnungsgemäße Luftverteilung und Energieeffizienz entscheidend sind. Durch die Anpassung des Volumenstroms auf der Grundlage von Luftdichtedaten können Lüftungsanlagen unnötigen Energieverbrauch vermeiden und die Gesamtleistung verbessern, insbesondere wenn Sensoren für die feuchte Luftdichte zur präzisen Regelung des Massenstroms eingesetzt werden. Gehen wir näher darauf ein.
Unter feuchter Luft versteht man die Luft, die uns umgibt und die Wasserdampf in einem Gemisch aus verschiedenen Gaskomponenten enthält. Diese frei beweglichen Wassermoleküle haben eine sehr geringe Molekülmasse, wodurch feuchte Luft weniger dicht ist und aufsteigt. Aus diesem Grund sammelt sich feuchte Luft in Schwimmbädern in der Regel in der Nähe der Decke.
Die Dichte feuchter Luft hängt auch vom atmosphärischen Druck ab, der mit zunehmender Höhe abnimmt.
Folglich werden das Verhalten und die Verteilung feuchter Luft sowohl von ihrem Feuchtigkeitsgehalt als auch von den Druckverhältnissen in der Umgebung beeinflusst.
Die Bedeutung der Feuchtluftdichte in RLT-Geräten: Berechnung des Massenstroms in Lüftungsanlagen und Klimageräten
Massendurchfluss vs. Volumenstrom
Um die Grundlagen besser zu verstehen, wollen wir uns zunächst mit dem Unterschied zwischen Massendurchfluss und Volumenstrom in RLT-Geräten beschäftigen.
Der Massendurchsatz bezieht sich auf die Luftmenge, die pro Zeiteinheit durch einen Punkt im RLT-System strömt. Sie wird normalerweise in Kilogramm pro Sekunde (kg/s) oder Pfund pro Minute (lb/min) gemessen. Diese Maßeinheit berücksichtigt die Dichte der Luft, die je nach Temperatur, Druck und Feuchtigkeit variieren kann. Daher gibt der Massendurchsatz eine genauere Darstellung der tatsächlich bewegten Luftmenge, unabhängig von ihren physikalischen Bedingungen.
Beispiel: Stellen Sie sich vor, Sie füllen einen Luftballon mit Luft. Wenn die Luft kalt und dicht ist, füllt sich der Ballon schneller, weil mehr Luftmasse in den Ballon gelangt. An einem heißen Tag ist die Luft weniger dicht, und es dauert länger, den Ballon auf dieselbe Größe zu füllen. Der Massendurchsatz misst das Gesamtgewicht der in den Ballon eintretenden Luft pro Sekunde, das unabhängig von der Temperatur konstant bleibt.
Der Volumenstrom hingegen misst das Luftvolumen, das pro Zeiteinheit durch einen Punkt des RLT-Gerätesystems strömt. Er wird normalerweise in Kubikmeter pro Sekunde (m³/s) oder Kubikfuß pro Minute (CFM) gemessen. Dieses Maß berücksichtigt nicht die Änderungen der Luftdichte aufgrund von Temperatur, Druck oder Feuchtigkeit. Sie gibt lediglich an, wie viel Raum die Luft einnimmt.
Beispiel: Denken Sie an Wasser, das durch einen Gartenschlauch fließt. Wenn Sie den Volumendurchsatz messen, sehen Sie, wie viele Liter Wasser pro Minute durch den Schlauch fließen. Ob das Wasser kalt oder heiß ist, ändert nichts an der Volumenstromrate. In ähnlicher Weise gibt der Volumenstrom in RLT-Geräten an, wie viel Luft (in Form von Volumen) bewegt wird, unabhängig von ihrer Dichte.
Für einen RLT-Experten ist das Verständnis beider Volumenströme entscheidend:
- Der Volumenstrom wird häufig in praktischen Anwendungen verwendet, bei denen das physikalische Luftvolumen bekannt sein muss, z. B. bei der Dimensionierung von Kanälen, um eine angemessene Luftverteilung und Raumluftqualität zu gewährleisten.
Der Massenstrom ist für Energieberechnungen von entscheidender Bedeutung, da er sicherstellt, dass das System die richtige Menge an Luftmasse bewegt, um eine angemessene Raumluftqualität, Heizung, Kühlung und Belüftung zu erreichen.
Beispiel aus der Praxis: Im Winter, wenn die Luft kälter und dichter ist, kann der Volumendurchsatz geringer sein, aber der Massendurchsatz bleibt gleich, da die dichte Luft mehr Masse in dasselbe Volumen packt. Umgekehrt kann im Sommer die wärmere, weniger dichte Luft zu einem höheren Volumenstrom führen, um die gleiche Luftmasse zu bewegen. Daher müssen moderne RLT-Geräte ihren Betrieb auf der Grundlage des Massendurchsatzes anpassen, um Energieeffizienz und optimale Leistung zu gewährleisten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Volumenstrom den Raum misst, den die Luft einnimmt, während der Massendurchsatz die tatsächliche Luftmenge nach Gewicht misst. Beide Messgrößen sind für verschiedene Aspekte des Betriebs von RLT-Geräten wichtig, um das ganze Jahr über eine effiziente, effektive und komfortable Luftaufbereitung zu gewährleisten.
Anpassung des Volumenstroms auf der Grundlage von Luftdichtheitsdaten
Bei der Gebäudeplanung wird die benötigte Frischluftmenge immer unter den standardisierten Bedingungen einer Temperatur von 20°C und einer Luftdichte von ca. 1,2 kg/m³ berechnet.
Daraus lässt sich auch der Massenstrom errechnen, der für die Einhaltung optimaler Komfortbedingungen immer gewährleistet sein muss. Moderne Lüftungsanlagen messen meist den Volumenstrom in den RLT-Geräten und verwenden zur Berechnung des Massenstroms einen fest eingestellten Wert für die Dichte.
Mit Hilfe eines Sensors, der Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftdruck misst, können wir die Luftdichte berechnen und diese Daten für genauere Massenstromberechnungen verwenden. Diese Daten werden vom Sensor selbst berechnet.
Mit den präzisen Messdaten zur Luftdichte passt der Ventilator des RLT-Geräts den Volumenstrom kontinuierlich an die genauen Anforderungen an – mit bemerkenswerten Auswirkungen: Es wird immer der richtige Massenstrom geliefert.
Die Unterschiede zwischen Sommer und Winter können zu Einsparungen von bis zu 20 % oder mehr bei den Luftstrommengen führen.
So wird die gelieferte Luftmenge immer den Projektvorgaben entsprechen und den Bewohnern des Gebäudes optimale Bedingungen bieten.
Dieser Ansatz gewährleistet, dass die Lüftungssysteme effizienter und reaktionsschneller sind, was zu einer verbesserten Luftqualität und einem höheren Komfort sowie zu erheblichen Energieeinsparungen während des ganzen Jahres führt.
Warum ist es wichtig, die Massendurchflussrate und nicht nur die Volumendurchflussrate zu messen?
In diesem Abschnitt soll verdeutlicht werden, warum es wichtig ist, die tatsächliche volumetrische Zufuhr von Außenluft in Lüftungsanlagen auf der Grundlage des gemessenen Massenstroms nach der Wärmerückgewinnung oder Regeneration zu regeln. Diese Information ist auch entscheidend für die Bestimmung der Luftmenge, die aus einem Raum abgeführt werden muss.
Beispiel: Nehmen wir eine Lüftungsanlage mit einem Volumenstrom von 1000 m³/h.
AUSSENLUFT:
Außenlufttemperatur: -15°C
Dichte der Außenluft: 1,355 kg/m³
Messstelle für Außenlufteintritt: Außengitter
Massendurchsatz: 1,355 kg/m³ × 1000 m³/h = 1355 kg/h
Enthalpie-Zustand: -13 kJ/kg
INNENLUFT:
Raumlufttemperatur: 20°C
Dichte der Innenraumluft: 1,185 kg/m³
Messpunkt für Lufteintritt: nach Regeneration oder Wärmerückgewinnung
Massendurchsatz: 1,185 kg/m³ × 1000 m³/h = 1185 kg/h
Enthalpie-Zustand: 38 kJ/kg
Bei einem angestrebten Massenstrom von 1185 kg/h (für die Luftzufuhr in den Raum) würden wir tatsächlich 1355 kg/h in den Raum leiten – ein Überschuss von 14,3 % bei der zugeführten Luftmenge.
Wenn wir die Tatsache außer Acht lassen, dass sich kalte Außenluft nach der Regeneration auf 20 °C erwärmt, wodurch sich ihr Volumen erhöht, führen wir dem Raum zu viel Luft zu und erzeugen einen unnötigen Überschuss. Dieser Fehler senkt die Energieeffizienz der Lüftungsanlage und erhöht die Betriebskosten.
Der Vergleich der Enthalpiezustände zwischen Außen- und Raumluft zeigt die erforderliche Heizleistung für einen Volumenstrom von nur 1000 m³/h:
Luftdichte-Verhältnis: Das Verhältnis der Außenluftdichte zur Raumluftdichte beträgt 1,355 / 1,185 = 1,143 oder 14,3 %, d. h. die Außenluft ist 14,3 % dichter als die Raumluft.
Berechnung der Heizleistung:
QHeizung =1000 m3/h × 1,335 kg/m3 × 51 kJ/kg / 3600 s = 19,5 kW
Die erforderliche zusätzliche Leistung für die Heizung beträgt 14,3 %, oder die Leistung von 19,5 kW ist um diesen Prozentsatz überdimensioniert, was etwa 2,7 kW zusätzlicher Heizleistung für die Hydronikheizung im HLK-Gerät entspricht.
Für eine mittelgroße Lüftungsanlage mit einem Volumenstrom von 10.000 m³/h würde dies zusätzliche 27 kW bedeuten. Für ein größeres Gebäude, das einen Volumenstrom von 100.000 m³/h benötigt, würde dies einer unnötigen zusätzlichen Heizleistung von 270 kW entsprechen.
Das ist die zusätzliche thermische Energie, die für den Betrieb der Lüftungsanlage – oft durch Wärmepumpen – bereitgestellt werden muss, was zu völlig vermeidbaren Kosten führt.
Überprüfen Sie die Berechnung „von Hand“ im Mollier h,x-Diagramm:
Der unnötige Anstieg der benötigten Transportenergie
Im obigen Beispiel würde der Luftvolumenstrom um etwa 14 % höher sein. Da die elektrische Leistung des Ventilators mit der dritten Potenz der Luftstromgeschwindigkeit im Kanal variiert, würde dies zu einem erheblichen Anstieg der Ventilatorleistung führen.
Wenn die Luftströmungsgeschwindigkeit im Kanal auf 5 m/s ausgelegt ist, würde der erhöhte Luftstrom diese Geschwindigkeit in dem beschriebenen Szenario auf 5,7 m/s erhöhen.
Der Anstieg der Ventilatorleistung, berechnet mit der dritten Potenz der Luftstromgeschwindigkeit, wäre bei 10-12% höher.
Dies bedeutet, dass die vom Zuluftventilator unter diesen Bedingungen benötigte elektrische Leistung um 10-12 % höher wäre. Ebenso würde der Abluftventilator 10-12 % mehr Leistung benötigen.
Diese unnötige Belastung führt zu einer zusätzlichen Belastung des Stromverteilungsnetzes und damit zu höheren Anschlusskosten.
Die Bedeutung der Massendurchflussregulierung in Lüftungsanlagen unter Verwendung von Feuchtluftdichtesensoren
In Anbetracht der im obigen Beispiel aufgezeigten Probleme ist es von entscheidender Bedeutung, das Steuerungssystem in den Lüftungsgeräten so zu programmieren, dass die tatsächliche volumetrische Zufuhr von Außenluft auf der Grundlage des gemessenen Massenstroms nach der Wärmerückgewinnung oder Regeneration geregelt wird.
Würde man die volumetrische Ansaugung ausschließlich auf den Massenstrom nach der Wärmerückgewinnung oder Regeneration stützen, würde man zwangsläufig Fehler bei der Luftansaugmenge machen.
Durch den Einsatz von Sensoren, die die Dichte der feuchten Luft messen können, lässt sich jedoch aus dem Massenstrom nach der Wärmerückgewinnung oder Regeneration die richtige Zuluftmenge für das Lüftungsgerät ermitteln.
Dasselbe Prinzip gilt für die Abluft in Lüftungsanlagen: Die Abluftmenge wird auf der Grundlage des gemessenen Massenstroms nach der Wärmerückgewinnung oder Regeneration geregelt.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Regelung der tatsächlichen Außenluftzufuhr auf der Grundlage des gemessenen Massenstroms nach der Wärmerückgewinnung oder der Regeneration für eine optimale Leistung und Effizienz unerlässlich ist.
Sensoren mit Datenausgang für die Luftfeuchtigkeit
Andivi bietet fortschrittliche Sensoren, die in der Lage sind, durch genaue Messung von Temperatur-, Feuchtigkeits- und Druckvariablen präzise Daten zur Dichte der feuchten Luft
Diese Sensoren in Industriequalität sind robust und zuverlässig und gewährleisten eine gleichbleibende Leistung in verschiedenen Luftbehandlungsanwendungen, einschließlich RLT-Geräten und Wohnungslüftungssystemen.
Außerdem können sie Daten nahtlos über Modbus– oder BACnet-Protokolle übertragen und lassen sich problemlos in moderne Gebäudemanagementsysteme integrieren.
Die Fähigkeit, detaillierte und genaue Luftdichtemessungen zu liefern, macht Andivi-Sensoren zu einer unverzichtbaren Komponente für die Optimierung der Luftqualität und der Energieeffizienz sowohl in gewerblichen als auch in Wohnumgebungen.
Berechnung der Luftdichte von feuchter oder trockener Luft
Für die Berechnung der Luftdichte feuchter Luft (kg/m3) benötigen Sie die folgenden Variablen:
- Lufttemperatur
- Luftdruck
- Relative Luftfeuchtigkeit oder Absolute LuftfeuchtigkeitFür die Berechnung der Luftdichte trockener Luft (kg/m3) sind die folgenden Variablen erforderlich:
- Lufttemperatur
- LuftdruckEinen einfachen und schnellen Online-Rechner für die Luftdichte finden Sie hier
Czernia, D. und Szyk, B. Luftdichte-Rechner. Verfügbar unter: https://www.omnicalculator.com/physics/air-density. Zugegriffen: Aug 08, 2024.
Mollier h,x diagramm ===>>>>
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Dieser Artikel wurde von Danijel Mursic verfasst, einem Maschinenbauingenieur und Thermodynamikexperten mit über 30 Jahren Erfahrung im Bereich RLT und HLK und ehemaligem Geschäftsführer von Menerga Slovenija.
