Vernetzbare 3d-Strömungssensoren für die Klimatechnik. Luft- und Klimatechnik. Ralph Krause Hannes Rosenbaum. Berlin, 14./15.

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1 Fachverband Gebäude-Klima e. V. Vernetzbare 3d-Strömungssensoren für die Klimatechnik Hannes Rosenbaum Luft- und Klimatechnik Berlin, 14./15. April 2016 Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 1

2 Besonderheiten der Raumluftströmung kleine Strömungsgeschwindigkeiten, Luftgeschwindigkeitsbereich w = 0, ,3 m/s großer Turbulenzgrad Tu = 5... >100 % Betrag und Richtung des Geschwindigkeitsvektors unterliegen örtlichen und zeitlichen Schwankungen Schwankungsgeschwindigkeiten können die Größenordnung der Grundgeschwindigkeit überschreiten instabile Strömungszustände z.b. durch Schichtungen unter Kühldecken Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 2

3 Besonderheiten der Raumluftströmung Lösungsvarianten zur Gestaltung der Raumluftströmung Mischlüftung Quelllüftung Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 4

4 Prozentsatz derjenigen, die über Zugluft am Nacken / Gesicht klagen [%] Besonderheiten der Raumluftströmung Prozentsatz von Versuchspersonen, die abhängig von der Anströmrichtung über Zugerscheinungen klagen /6/ (Tu < 5 %, t L = 23 C ) ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 mittlere Luftgeschwindigkeit [m/s] bei Anströmung des Gesichts einer Person werden höhere Luftgeschwindigkeiten toleriert gegenüber Anströmung des Nackens erheblicher Einfluss der Anströmrichtung auf das thermische Behaglichkeitsempfinden große Vielfalt von Kombinationen Körperteil Anströmrichtung möglich Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 5

5 3d Strömungssensor Eigenschaften und Anwendungsbereiche Anemometer zur Bestimmung des Strömungsvektors im Raum Ermittlung der Komponenten des Strömungsvektors an einem Punkt ohne Sensorverstellung Positionierung des Sensors im Raum, unabhängig von der zu messenden Strömungsrichtung hohe zeitliche Auflösung des momentanen Strömungsvektors einfache Handhabbarkeit und mechanische Robustheit des Sensors Einsatz vorzugsweise bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten und großen Turbulenzgraden Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 6

6 Funktionsprinzip des 3d-Strömungssensors Anströmung c Strömungskanal mit Signalwandler Kanalströmung mit. c K, V K Kugelkopf Halteschaft Kugeldurchmesser = 100 mm 6 Strömungskanäle mit Durchflusssensoren Kombination aus Umströmung und Durchströmung Berechnung der Anströmgeschwindigkeit aus Messung der Fluidströmung durch die Strömungskanäle Signalwandler = Siliziumchip mit thermoresistiven Folien, Ansprechverhalten t 63 < 1 ms Richtungserkennung der Kanaldurchströmung Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 7

7 Ausgangssignal (normiert) Signalverlauf für einen Strömungskanal in der Ebene Signalverlauf für Anströmwinkel von = bei konstanter Anströmgeschwindigkeit,. Normierung auf V k Max = 1 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0-0, Anströmwinkel [grad] Eindeutige Zuordnung des Anströmwinkels auf = Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 8

8 Ausgangssignal (normiert) Signalverlauf für drei Strömungskanäle in der Ebene Signalverlauf für drei im Winkel von 60 zueinander angeordneter Strömungskanäle. bei konstanter Anströmgeschwindigkeit, Normierung auf V k Max = Anströmwinkel [grad] Strömungskanal 1 ( 0 ) Strömungskanal 2 ( 60 ) Strömungskanal 3 ( 120 ) Eindeutige Zuordnung des Anströmwinkels auf = Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 9

9 Anordnung der Strömungskanäle im Raum Sensorkopf für die Bestimmung des Strömungsvektors im Raum Kugelkopf mit 6 Strömungskanälen 3 orthogonal aufeinander stehende Ebenen mit jeweils 2 Strömungskanälen der jeweils dritte Strömungskanal einer Ebene setzt sich aus zwei symmetrisch zu dieser Ebene angeordneten Strömungskanälen zusammen xy Ebene yz Ebene z yz Ebene Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 10 x y

10 Meßsignal - Mittelwert [m/s] Signalverhalten des TSD unter Turbulenzeinfluss Abhängigkeit des Signalmittelwerts über der Standardabweichung mit der Anströmgeschwindigkeit als Parameter mit zunehmenden Signalschwankungen steigt der Signalmittelwert an Anströmgeschwindigkeit [m/s] 2,0 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0, ,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16 Meßsignal - Standardabweichung [m/s] eindeutiger Zusammenhang zwischen Anströmgeschwindigkeit und statistischen Signalkenngrößen Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 11

11 Messungen zum Frequenzverhalten im Kalibrierkanal Erregersignal Antwortsignal Zeitverlauf der aufgeprägten Strömungsgeschwindigkeit und dem zugehörigen Antwortsignal der Signalwandler, Zeitausschnitt von 50 ms Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 12

12 Bestimmung der physikalischen Größen aus den Messsignalen Sondenkopf mit n Durchflusssensoren Durchflusssensor 1 mit Vorverstärker Durchflusssensor 2 mit Vorverstärker Sensorsignal 1, 2, n Filterung/ Digitalisierung Stoffwerte X1 X2 Xn Durchflusssensor n mit Vorverstärker Temperaturfühler Druckgeber Feuchtefühler Berechnungsalgorithmus zur Bestimmung des Geschwindigkeitsvektors in Abhängigkeit von der Zeit Ausgabe der Berechnungsergebnisse für die Weiterverwendung (Anzeige, Steuerung/ Regelung) Auswerteeinheit des TSD Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 13

13 Vernetzbare 3d-Sensoren für die Klimatechnik Anwendungsbeispiel Klimalabor Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 14

14 Vernetzbare 3d-Sensoren für die Klimatechnik Anwendungsbeispiel Großraumbüro Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 15

15 Vernetzbare 3d-Sensoren für die Klimatechnik Dr.- Ing. Institut für Luft- und Kältetechnik Dresden Bertolt-Brecht-Allee Dresden Tel.: Vernetzbare 3d-Sensor für die Klimatechnik, 16