Nennvolumenstrom, Strömungsgeschwindigkeit und die Bedeutung bei Lüftungstechnik

Wie viel, wie schnell und bei welchem Druckaufbau die Luft mittels Ventilator befördert wird, ist wesentlich für die Eignung der Lüftungstechnik in Ihrem Gebäude. Was sich hinter technischen Kennzahlen verbirgt, bedarf für Laien allerdings manchmal der Erläuterung in einfacher Sprache. In diesem Ratgeber erklären wir Ihnen die Werte Volumenstrom, Betriebspunkt und Strömungsgeschwindigkeit.

Geschätzte Lesedauer 13 min. Hier zur Kurzfassung


Inhalt:

Volumenstrom bei lufttechnischen Geräten

Der Volumenstrom, also die Menge (das Volumen) und die Bewegungsgeschwindigkeit von Flüssigkeit oder Gas durch einen festgelegten Durchmesser (z.B. ein Rohr) wird in Naturwissenschaft und Technik, besonders der Thermodynamik, erhoben. Beispielsweise kann der Blutfluss durch unsere Adern, der Transport von Öl, Kühlwasser oder eben auch Zuluft durch die dafür vorgesehenen Leitsysteme gemessen werden. Synonym zu Volumenstrom werden auch die Bezeichnungen Fördermenge, Fluss oder Durchsatz verwendet.

Der Volumenstrom gibt an, wieviel Mengenvolumen in bestimmter Zeit durch einen festgelegten Bereich transportiert wird. Die Angabe erfolgt meist in Kubikmeter pro Stunde.


Der Fluss ändert sich natürlich bei Anstieg der Ventilatordrehzahl (Umdrehung pro Minute) und ist abhängig von verändertem Luftdruck (z.B. bei verstopften Abluftschächten) und Temperaturwechsel (kühle Außenluft hat geringere Masse als warme Innenraumluft).

Rechenbeispiel für Luftdurchsatz

Welcher Ventilator für Sie geeignet ist, hängt auch mit der Nutzung des Raumes zusammen. Ein Klassenzimmer muss in anderer Frequenz durchlüftet werden, als eine Lackiererei mit gesundheitsgefährdenden Farbausdünstungen. Besonders in Feuchträumen und Arbeitsstätten mit Geruchsentwicklung werden häufig Abluftventilatoren zum effektiveren Luftaustausch eingesetzt. In unseren Artikelbeschreibungen wird Ihnen die Luftleistung von Ventilatoren in m3/h angegeben. Wie können Sie diesen Wert nun auf Ihren Anwendungsbereich beziehen?

Zu den verschiedensten Räumlichkeiten/Nutzungszwecken wurden Erfahrungswerte erhoben, die als empfohlene Luftwechselrate pro Stunde in dieser Luftmengenermittlung dargestellt sind.

Beispielsweise wird für eine innenliegende Toilette im 1-Personenhaushalt der Luftaustausch mit Faktor 5 je Stunde empfohlen. Bei einer Raumgröße von 15 m3 ergibt sich daher die stündlich benötigte Luftmenge von 75 m3.

Rechnung: 5 * 15 = 75

Ein Kleinraumventilator mit folgenden Herstellerangaben kommt daher für diesen Raum in Betracht.
  • Drehzahl (U / min): 2400
  • Luftleistung (m3/h): 85

Für was steht Norm- bzw. Nenn-Volumenstrom?

Das Volumen von Gas ist stark temperatur- und druckabhängig. Wird Raumluft durch eine Heizung erwärmt, verringert sich ihre Dichte. Das bedeutet, die einzelnen Luftmoleküle nehmen einen größeren Abstand zueinander ein, die Gesamtausdehnung (das Volumen) nimmt zu. Damit es für luftfördernde Geräte der verschiedenen Hersteller dennoch eine verlässliche Vergleichsbasis gibt, wird der Volumenstrom unter streng normierten Bedingungen im Labor ermittelt. Daher ist von Norm- oder auch Nennvolumenstrom die Rede. In Deutschland sind Temperatur und Druckangaben dafür in der DIN 1343 festgelegt, als Standardtemperatur gilt 0° C, als Standarddruck 101325 Pa. Weltweit werden aber auch andere Werte als "Normalzustand" herbeigezogen. Mit der Angabe Nennvolumen ist also die Leistung bei normalem, standarisierter Temperatur und Druck ohne extreme Klimaeinbrüche oder weitere Lasten wie z.B. Staub gemeint.

Bei lüftungstechnischen Geräten, die in Kanäle und Lüftungsschächte eingelassen werden, dient die Angabe des Volumenstroms als eine Kennzahl zur Effizienzbewertung. Auch bei frei im Raum hängenden Deckenventilatoren werden mit dem Wert Luftumsatz Volumenstromangaben gemacht. In diesem Fall wird nicht die Luftleitung in einem begrenzen Rohr, sondern die Umwälzung im Zimmer beurteilt. Doch je mehr Druck ein Ventilator durch einen leistungsstarken Motor und optimal ausgerichtete Flügel oder Schaufelräder aufbauen kann, desto geeigneter ist er zum Luftumsatz. Neben der Volumenstromangabe sind noch andere Werte zur Beurteilung eines Modelles interessant, vor allem der Stromverbrauch und die Betriebslautstärke.

Rohr ist nicht gleich Rohr

Rohrleitsystem
Stellen Sie sich vor, Sie hätten einen neckischen Tag und blasen ein Papierkügelchen durch Ihren Strohhalm. Pusten Sie stark durch einen grade verlaufenden Halm, pfeift das Kügelchen schnell und direkt hindurch. Pusten Sie allerdings mit geringem Elan, bleibt die Kugel evtl. im Rohr stecken. Auch sehr raue Materialien, enge Durchgänge, Unebenheiten, geschwungene oder gebogene Halme können den Spaß verhindern.

Ebenso verhält es sich mit der Luft, die von einem Ventilator durch einen Luftschacht gepresst oder gesogen wird. Die Strömungskraft in gradlinig verlegten Rohren mit rundem Querschnitt ist am stärksten messbar. Doch trotz Idealbedingungen fließt die Luft vor allem in der Rohrmitte gut, zur Rohrwand hin verlangsamt sich die Geschwindigkeit aufgrund der Reibungskräfte gegen Null. Verwinkelte und rechteckige Schächte bietet einen noch größeren Widerstand. Auch gebogene Rohre oder solche, die sich im Querschnitt ausweiten bzw. verjüngen, haben einen messbaren Einfluss auf das Strömungsprofil. Des Weiteren bremsen sehr lange Lüftungsschächte und eingesetzte Hindernisse wie Filterklappen den Luftfluss durch stärkere Reibung.

Rohrbedingte Auswirkungen auf den Luftfluss durch:
  • Verunreinigungen, Verstopfungen
  • Rohrart, Material
  • Querschnitt, Durchmesser
  • Bögen, Abzweigungen
  • eingebaute Wärmespeicher, Filterklappen usw.
  • Länge
Bei Häufung der Störfaktoren kommt es selbst bei leistungsfähigen Ventilatoren zu Druckverlusten. Daher ist eine regelmäßige Kontrolle und ggf. Säuberung der Lüftungsschächte notwendig. Falls möglich, können auch Modernisierungen vorgenommen werden. Faktoren, die sich baubedingt nicht verändern lassen, werden vom Monteur Ihrer RLT-Anlage ermittelt und in der Anlagenkennlinie dargestellt. Mit diesen Messwerten in der Hand fällt Ihnen die Auswahl eines geeigneten Lüfters leichter.

Was sagt die Ventilatorkennlinie aus?

Achtung, es wird technisch! Die Kennlinie ist wichtig für den Lüftungstechniker bzw. Planer. Hier reißen wir das Thema grob an, damit Sie die Abbildungen in unseren Artikelbeschreibungen (betrifft hauptsächlich Wand- und Fenstereinbauventilatoren) besser einordnen können.

Bevor ein Ventilator für eine raumlufttechnische Anlage ausgewählt wird, werden folgende Schritte berücksichtigt:

Kennlinie Quadro Ventilator
  1. Volumenstrom bestimmen (siehe Rechenbeispiel für Luftdurchsatz)
  2. Rohrnetz, Widerstände, Druckverluste in Anlagenkennlinie erfassen
  3. Die Ventilatorkennlinie gibt die Abhängigkeit von Volumenstrom und Druckerhöhung des getesteten Gerätes an. Sie wird vom Gerätehersteller erfasst und üblicherweise im Datenblatt veröffentlicht. Da sie aber unter Idealbedingungen mit ungehindertem Luftein- und Austritt ermittelt wurde, können die nachträglich am Installationsort gemessene Werte von diesen Angaben noch abweichen.
Die Ventilatorkennlinie variert mit der Bauart der Ventilatoren:

Axiale Lüfter (herkömmliche Tisch- und Deckenventilatoren) haben die beste Förderungsrate bei geringer Gegenreibung. Sie können oftmals nicht allzu hohen Druck aufbauen, um Strömungshindernisse z.B. Abdeckklappen usw. zu überwinden. Allerdings ist dies keine allgemeingültige Aussage, da es durchaus sehr leistungsstarke axiale Ventilatoren für den Industrieeinsatz gibt.
Radiallüfter (Industrieanlagen, zu Einbau in Rohre und Schächte, zentrale Lüftungsanlage) hingegen ermöglichen durch druckstarke Luftpressung und eher wie Schaufeln geformte Flügelräder, das Überwinden höherer Widerstände.

Am Beispiel des radialen Wandeinbauventilators Quadro Micro von CasaFan lässt sich gut ablesen, wie die vier Modelle der Serie auf veränderte Bedingungen reagieren. Das Modell Micro 80 (gelbe Linie) erzeugt den maximalen Gesamtdruck von 265 Pa und erreicht damit eine maximale Luftleistung von 85m3/h.

4. Nun werden Anlagen- und Ventilatorkennlinien miteinander abgeglichen. Dort wo sich beide Grafen schneiden, liegt der Betriebspunkt/Arbeitspunkt des Ventilators. Das bedeutet, dass an diesem Punkt der vom Ventilator erzeugte Zusatzdruck den Druckverlust durch das Rohrnetz exakt ausgleicht, hier ist die maximale Luftfördermenge in dieser Anlage erreicht. In einer anderen Anlage können die Werte durchaus unterschiedlich ein, wie Sie im folgenden sehen:
Betriebspunkt Novus Ventilator
Am Beispiel des Fenstereinbauventilators Novus lässt sich dies gut veranschaulichen. Wir haben hier die Abbildung der Ventilatorkennlinie des Modelles CATA LHV 300 (grün dargestellt). Diese Angabe kommt direkt vom Hersteller. Damit verglichen werden die gelb dargestellten, (für dieses Beispiel fiktiven) Anlagekennlinien A und B, die vom Lüftungsplaner an Haus A und Haus B gemessen wurde. Da die Rohrsysteme in jedem Gebäude anders verlaufen, kommen die Abweichungn der beiden Anlagekennlinien zustande. In Haus A herrscht ein höherer Strömungswiderstand, evtl. durch veraltete Lüftungsschächte. Die Bertiebspunkte mit dem Ventilator Modell CATA LHV 300 sind hier rot dargestellt. Der Lüfter, der laut Hersteller bei optimalen Norm-Bedingungen eine Luftleistung von bis zu 1450 m3/h erreicht, schafft in der Lüftungsanlage von Haus A nur 800 m3/h. In Haus B ist derselbe Ventilator schon effektiver mit 1200 m3/h.

Vergleicht man dann verschiedene Ventilatormodelle miteinander, fällt die Wahl auf das Gerät, mit dem man in dem gegebenen Rohrnetz mit all seinen Windungen und Tücken eine gute Luftförderrate erreicht. Das beste Ergebnis beim Betriebspunkt zeichnet aber noch nicht das bestgewählte Modell aus, denn selbstverständlich wird auch der Energieaufwand bei der Auswahl berücksichtigt. Sie sehen, dies ist eine komplexe Anngelegenheit für eine technisch versierte Fachkraft.

Strömungsgeschwindigkeit bei der Wohnraumlüftung

Wollen Sie sich nachträglich der korrekten Installation und Funktion Ihrer Lüftungsanlage vergewissern, können Sie dafür bereits recht kostengünstig handliche Windmesser erwerben. Solche Anemometer ermitteln z.B. mit Lichtsensoren oder der Auswertung von Flügelradbewegungen den Volumenstrom und die Luftgeschwindigkeit am Ein- und Ausblas von Lüftungsgängen. Das Gerät wird direkt an die Strömungsöffnung gehalten oder die strömende Luft wird mit einem Trichter an das Messgerät geleitet. Lasertechnik ermöglicht auch das Messen ohne Berührung des Luftstroms, dadurch sind Ungenauigkeiten durch veränderten Strömungswiderstand ausgeschlossen. Mit modernen Anemometern lässt sich die Auswertung direkt vor Ort vornehmen, sie wird am Display des Gerätes angezeigt. Weder sollte sich die geförderte Luft zu langsam bewegen, aber auch nicht so schnell, dass ein unzumutbarer Luftzug entsteht. Zu rasant bewegte Luft kann zu Kälteempfinden und Muskelverspannungen mit allen dazugehörigen Krankheiten führen. Daher sind beim Arbeitsschutz genaue Richtwerte zur zulässigen Luftgeschwindigkeit definiert, die Sie auch für Ihre Privaträume beherzigen sollten.

Verweis: Zuluft und Abluft

Der hinreichende Druckaufbau spielt besonders bei Lüftungsgeräten, die in sehr weitläufigen Schächten eingesetzt werden, eine Rolle. Abgeführte Luft soll ja nicht auf halbem Weg nach außen abebben und wieder durch das Lüftungssystem zurückströmen. Daher werden oftmals in solchen (zentralen) Lüftungssystemen leistungsstarke Abluftventilatoren eingesetzt. Um Abluftventilatoren einzusetzen, muss ein Raum in gleichen Maße mit frischer Zuluft versorgt werden. Der geförderte Luftstrom kommt nicht nur aus dem abgeschlossenen Zimmer bzw. Luftdichten Wohnraum. Dies geschieht über natürliches Zuströmen, Lüftung oder lufttechnische Geräte. Auch von außen oder anderen Räumen gelangt Zuluft mit in das Lüftungssystem und verändert Luftgeschwindigkeit und Temperatur. Ebenso ist eine gefilterte und aufbereitete Umluftlösung denkbar. Eine Hilfestellung bei der Frage Abluft oder Umluft bietet Ihnen der Ratgeber "Abluftventilatoren"

Welche Möglichkeiten es gibt, Ihrem Raum bzw. das Gebäude mit Zuluft zu versorgen und welche Besonderheiten beim Zusammennutzung mit raumluftabhängigen Feuerstätten und Abzugshauben zu beachten sind, entnehmen Sie unsere ausführlichen Ratgeber "Zuluftelemente"

Zusammenfassung

Der Volumenstrom, den ein lüftungstechnisches Gerät (vor allem Rohr- und Wandeinbauventilatoren) durch Druckaufbau erzeugt, ist in Abhängigkeit zum Rohrinnendurchmesser und der ermöglichten Strömungsgeschwindigkeit zu sehen. Nicht alle Rohre leiten die Luft in gleichem Maße, daher kann sich das unter optimalen Klimabedingungen gemessene Normvolumen in der Realität von der Herstellerangabe abweichen. Das macht es notwendig, vor dem Kauf eines Ventilators die Kennlinie des Modelles mit der Anlagenkennlinie abzugleichen. Die Anlage, also die Rohrverbindungen im Gebäude können die Luftleitung durch Strömungswiderstände wie gebogene Rohe erschweren. Am Betriebs- oder auch Arbeitspunkt schneiden sich Anlagen- und Ventilatorkennlinie, hier ist die maximale Luftfördermenge in dieser Anlage erreicht. Der Lüfter, der vom Stromverbrauch und von der Luftleistung her am besten mit der gegebenen Anlage harmoniert, wird dann für die Raumlufttechnik (Ab- und Zuluft) ausgewählt. Wie wir gesehen haben, hängt ein hoher Volumenstrom nicht nur mit den technischen Gegebenheiten des Ventilators ab, sondern auch von Klima und Leitsystem. Da dies einer komplexen Abwägung bedarf, empfehlen wir Ihnen stets die Beratung durch eine Fachkraft, z.B. Ihren Klimaplaner.

Quellen:
http://www.troxhesco.ch/downloads/c7f9b9e6dd0ab513/TL_K5_4_3_01_Definitions_Measurement_DE_de.pdf?type=product_info
https://www.haustechnikverstehen.de/glossary/norm-nennbedingungen/

Bildquellen:
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Rohr © Kara - fotolia.com

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