Volumenstrom im Lüftungskanal aus Punktmessungen bestimmen: Messraster und Strömungsprofil beachten

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Der Luftvolumenstrom in einem Lüftungskanal soll überprüft werden. Mit einem Anemometer wird deshalb die Luftgeschwindigkeit in der Kanalmitte gemessen. Das Messgerät zeigt beispielsweise 5,3 m/s an. Dieser Wert wird mit dem Kanalquerschnitt multipliziert und daraus der Volumenstrom berechnet.

Rechnerisch ist das zunächst nachvollziehbar:

Volumenstrom = Luftgeschwindigkeit × Kanalquerschnitt

Messtechnisch kann das Ergebnis trotzdem deutlich falsch sein.

Der Grund: Die Luftgeschwindigkeit ist über den Querschnitt eines realen Lüftungskanals normalerweise nicht gleichmäßig verteilt. In Wandnähe ist die Geschwindigkeit aufgrund der Reibung geringer, während sie in anderen Bereichen höher sein kann. Hinter Bögen, Klappen, Filtern, Ventilatoren, Abzweigungen oder Querschnittsänderungen können zusätzlich stark asymmetrische Profile, Drall und lokale Geschwindigkeitsmaxima entstehen.

Eine einzelne Punktmessung in der Kanalmitte kann deshalb einen plausiblen Wert liefern, ohne den tatsächlichen mittleren Volumenstrom korrekt abzubilden.

Für eine belastbare Messung wird die Kanalfläche daher in mehrere Bereiche unterteilt und die Geschwindigkeit an mehreren definierten Punkten gemessen. Aus diesen Einzelwerten wird anschließend eine repräsentative mittlere Luftgeschwindigkeit bestimmt.

Geeignete Geräte finden Sie bei ICS Schneider unter Strömungsmessgeräte / Strömungssensoren. Weitere Lösungen für Raumklima-, Feuchte- und Strömungsmessungen finden Sie unter Feuchte und Strömung.

Volumenstrom aus Luftgeschwindigkeit und Querschnitt berechnen

Der Volumenstrom einer Luftströmung ergibt sich grundsätzlich aus:

Q = v̄ · A

mit:

• Q = Volumenstrom in m³/s,
• v̄ = mittlere Luftgeschwindigkeit über den Kanalquerschnitt in m/s,
• A = freie Kanalquerschnittsfläche in m².

Soll das Ergebnis in m³/h angegeben werden:

Q = v̄ · A · 3600

Entscheidend ist dabei das kleine Detail über dem Geschwindigkeitssymbol:

v̄

Gesucht wird nicht irgendeine lokale Geschwindigkeit, sondern die über den gesamten wirksamen Querschnitt gemittelte Geschwindigkeit.

Genau darin liegt die Herausforderung der praktischen Kanalmessung.

Warum eine einzelne Punktmessung häufig nicht genügt

In einem realen Lüftungskanal besitzt die Luft kein vollkommen gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil.

Typischerweise gilt:

• in Wandnähe ist die Geschwindigkeit geringer,
• in zentralen Bereichen kann sie höher sein,
• Bögen verschieben das Geschwindigkeitsmaximum,
• Klappen können Teilströme beschleunigen oder abbremsen,
• Ventilatoren können einen Drall erzeugen,
• Filter oder Wärmetauscher können das Profil verändern,
• Abzweigungen können einseitige Strömungen verursachen.

Wird nur in der Kanalmitte gemessen, besteht deshalb die Gefahr, dass gerade ein Bereich mit überdurchschnittlich hoher Geschwindigkeit erfasst wird.

Der daraus berechnete Volumenstrom ist dann zu groß.

Umgekehrt kann eine ungünstig positionierte Einzelmessung auch einen zu niedrigen Wert liefern.

Eine hohe Genauigkeit des Anemometers kann ein nicht repräsentatives Strömungsprofil nicht kompensieren.

Ein Messgerät mit beispielsweise sehr kleiner Geräteabweichung kann deshalb trotzdem zu einem falschen Volumenstrom führen, wenn die Messstelle oder das Messraster ungeeignet gewählt wurde.

Kanalquerschnitt richtig bestimmen

Neben der Geschwindigkeit muss auch die tatsächlich durchströmte Querschnittsfläche korrekt bestimmt werden.

Rechteckiger Kanal

Für einen rechteckigen Kanal gilt:

A = a · b

Beispiel:

a = 0,8 m

b = 0,5 m

Damit:

A = 0,8 · 0,5 = 0,40 m²

Runder Kanal

Für einen runden Kanal gilt:

A = π · D² / 4

Bei einem Durchmesser von 500 mm beziehungsweise 0,5 m:

A = π · 0,5² / 4 ≈ 0,196 m²

Freien Querschnitt beachten

Nicht immer entspricht die nominelle Kanalabmessung exakt der tatsächlich freien Strömungsfläche.

Zu beachten sind beispielsweise:

• Einbauten,
• Messlanzen,
• Klappenachsen,
• Schalldämpfer,
• Filterrahmen,
• starke Ablagerungen.

Bei normalen Kanalmessungen ist deren Einfluss häufig klein. Bei großen Einbauten oder kleinen Kanalquerschnitten kann die Differenz jedoch relevant werden.

Geeignete Messstelle im Lüftungskanal auswählen

Die Qualität einer Volumenstrommessung wird bereits durch die Auswahl der Messstelle wesentlich beeinflusst.

Idealerweise wird in einem geraden Kanalabschnitt mit möglichst gleichmäßiger Strömung gemessen.

Ungünstige Messstellen befinden sich unmittelbar:

• hinter einem 90°-Bogen,
• hinter einer Drosselklappe,
• hinter einem Ventilator,
• hinter einer starken Querschnittsänderung,
• hinter einem T-Stück,
• direkt vor oder hinter einer Abzweigung.

Je stärker das Strömungsprofil gestört ist, desto mehr Messpunkte werden benötigt und desto größer wird normalerweise die Unsicherheit des ermittelten Volumenstroms.

Einlaufstrecken und Strömungsstörungen beachten

Nach einer Strömungsstörung benötigt die Strömung eine gewisse Strecke, um sich wieder zu stabilisieren.

Als Orientierung wird bei Kanaltraversierungen häufig mit dem hydraulischen Durchmesser gearbeitet.

Für nicht kreisförmige Kanäle gilt:

Dh = 4 · A / P

mit:

• D_h = hydraulischer Durchmesser,
• A = Querschnittsfläche,
• P = benetzter Umfang des Kanals.

Für einen rechteckigen Kanal mit Breite a und Höhe b ergibt sich:

Dh = 2 · a · b / (a + b)

Als günstige Orientierung kann eine Messstelle möglichst:

• mehrere hydraulische Durchmesser hinter einer Störung,
• und mehrere hydraulische Durchmesser vor der nächsten Störung

liegen.

In der Praxis steht eine ideale Strecke jedoch häufig nicht zur Verfügung.

Dann gilt:

Nicht einfach auf eine Punktmessung ausweichen, sondern das gestörte Profil mit einem geeigneten Messraster erfassen und die ungünstige Messposition dokumentieren.

Messraster über den Kanalquerschnitt aufbauen

Bei einer Rastermessung wird der Kanalquerschnitt in mehrere Messbereiche unterteilt.

Die Luftgeschwindigkeit wird anschließend an mehreren definierten Punkten gemessen.

Ein einfaches Prinzip für einen rechteckigen Kanal ist beispielsweise:

• 3 × 3 Messpunkte,
• 4 × 4 Messpunkte,
• 5 × 5 Messpunkte

oder ein entsprechend dichteres Raster.

Die notwendige Anzahl hängt unter anderem ab von:

• Kanalgröße,
• Form des Querschnitts,
• erwartetem Strömungsprofil,
• Abstand zu Störungen,
• gewünschter Messunsicherheit,
• anzuwendender Norm beziehungsweise Prüfvorschrift.

Ein größeres Raster bedeutet mehr Aufwand, ermöglicht aber eine wesentlich bessere Beurteilung des tatsächlichen Geschwindigkeitsprofils.

Warum Randbereiche mitgemessen werden müssen

Ein typischer Fehler besteht darin, mehrere Punkte zu messen, diese aber ausschließlich im zentralen Kanalbereich anzuordnen.

Dadurch wird der langsamere wandnahe Bereich nicht ausreichend berücksichtigt.

Der Mittelwert kann dadurch weiterhin zu hoch sein.

Ein geeignetes Raster muss deshalb den gesamten Querschnitt einschließlich der wandnahen Bereiche repräsentieren.

Log-Tschebyscheff-Verfahren

Eine etablierte Methode für Traversierungen in Lüftungskanälen ist das Log-Tschebyscheff-Verfahren, häufig auch als Log-T-Verfahren bezeichnet.

Die Messpunkte werden dabei nicht einfach in konstantem Abstand über den Kanal verteilt.

Ihre Positionen werden so gewählt, dass das typische Geschwindigkeitsprofil einschließlich des Geschwindigkeitsabfalls in Wandnähe besser berücksichtigt wird.

Bei einem rechteckigen Kanal entsteht ein Raster aus definierten Positionen über Breite und Höhe.

Bei einer beispielhaften Verteilung mit fünf Positionen je Achse liegen die Punkte ungefähr bei:

• 7,5 %,
• 28,8 %,
• 50 %,
• 71,2 %,
• 92,5 %

der jeweiligen Kanalabmessung.

Durch die Kombination beider Achsen entsteht beispielsweise ein 5 × 5-Raster mit 25 Messpositionen.

Die exakten Messpunktpositionen und die Anzahl der Punkte sollten bei normgebundenen Messungen immer der jeweils anzuwendenden Prüfvorschrift entnommen werden.

Der praktische Vorteil des Verfahrens:

Die Geschwindigkeitsverteilung des Kanals wird wesentlich realistischer erfasst als mit einer einzelnen Messung in der Kanalmitte.

Mittelwert aus den Punktmessungen richtig bilden

Nach der Rastermessung muss aus den Einzelwerten eine mittlere Luftgeschwindigkeit ermittelt werden.

Wenn jeder Messpunkt eine gleich große Teilfläche repräsentiert, kann der arithmetische Mittelwert verwendet werden:

v̄ = (v₁ + v₂ + ... + vₙ) / n

Anschließend gilt:

Q = v̄ · A

Flächengewichtete Mittelwertbildung

Repräsentieren die einzelnen Messpunkte unterschiedlich große Teilflächen, darf nicht einfach jeder Wert gleich gewichtet werden.

Dann ist eine flächengewichtete Berechnung erforderlich:

v̄ = Σ(vᵢ · Aᵢ) / ΣAᵢ

beziehungsweise direkt:

Q = Σ(vᵢ · Aᵢ)

Damit erhält jeder Messwert entsprechend der von ihm repräsentierten Kanalfläche das richtige Gewicht.

Mittelwertbildung im Messgerät

Moderne Strömungsmessgeräte können die Mittelwertbildung wesentlich vereinfachen.

Bei einer punktuellen Mittelwertbildung werden die einzelnen Messwerte nacheinander aufgenommen und anschließend vom Gerät gemittelt.

Das ist besonders praktisch bei Kanaltraversierungen.

Bei einer zeitlichen Mittelwertbildung wird dagegen über einen definierten Zeitraum an derselben Position gemessen.

Beide Verfahren erfüllen unterschiedliche Aufgaben:

• punktuelle Mittelung: räumliche Geschwindigkeitsverteilung über den Kanal,
• zeitliche Mittelung: zeitliche Schwankungen an einer Messposition.

Bei stark schwankender Strömung kann es sinnvoll sein, an jedem Rasterpunkt zunächst einen zeitlichen Mittelwert zu erfassen und anschließend aus den Punkten den räumlichen Mittelwert zu bilden.

Flügelrad-Anemometer im Lüftungskanal

Flügelrad-Anemometer sind für viele Kanalmessungen besonders praktisch.

Die Luftströmung versetzt das Flügelrad in Rotation. Aus dessen Drehzahl wird die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt.

Vorteile sind beispielsweise:

• robustes Messprinzip,
• gute Eignung für typische Kanalgeschwindigkeiten,
• anschauliche Handhabung,
• direkte Geschwindigkeitsmessung,
• mit geeigneter Teleskopsonde gute Erreichbarkeit tiefer Messpunkte.

Für eine Rastermessung muss das Flügelrad an jedem Punkt korrekt zur Strömungsrichtung positioniert werden.

Ein kompaktes Flügelrad mit kleinem Durchmesser ist für Messungen innerhalb von Kanälen günstiger als ein sehr großes Flügelrad, das einen erheblichen Teil des Querschnitts abdecken würde.

Thermisches Anemometer im Lüftungskanal

Thermische Anemometer arbeiten mit einem beheizten Sensorelement.

Die vorbeiströmende Luft führt Wärme ab. Aus diesem Wärmeübergang wird die Strömungsgeschwindigkeit bestimmt.

Thermische Sensoren bieten insbesondere bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten eine hohe Empfindlichkeit und besitzen häufig sehr kleine Sondenabmessungen.

Das ist beispielsweise interessant bei:

• geringen Kanalgeschwindigkeiten,
• kleinen Kanalquerschnitten,
• feinen Geschwindigkeitsprofilen,
• Reinraum- und Laboranwendungen.

Zu beachten sind je nach Sensor:

• korrekte Sondenausrichtung,
• Temperaturbereich,
• Gaszusammensetzung,
• starke Turbulenzen,
• Verschmutzung des Sensorelements.

Bei verschmutzter Prozessluft kann ein thermischer Sensor empfindlicher gegenüber Ablagerungen sein als ein robustes Flügelrad.

Sondenposition und Ausrichtung

Ein korrektes Messraster allein genügt nicht. Auch die Sonde muss reproduzierbar positioniert werden.

Zu beachten sind insbesondere:

• richtige Eintauchtiefe,
• korrekte Ausrichtung zur Hauptströmungsrichtung,
• möglichst identische Haltezeit je Messpunkt,
• keine Berührung mit der Kanalwand,
• keine unbeabsichtigte Verschiebung während der Messung.

Bei einer Teleskopsonde kann die notwendige Einstecktiefe vorab markiert oder anhand der Skalierung bestimmt werden.

Dadurch werden die Rasterpositionen wesentlich reproduzierbarer.

Sondenblockage in kleinen Kanälen

In kleinen Kanälen kann auch die Sonde selbst das Strömungsfeld beeinflussen.

Je größer Sonde und Sondenrohr im Verhältnis zum Kanalquerschnitt sind, desto eher kann sich die lokale Strömung verändern.

Für kleine Querschnitte sind deshalb möglichst kompakte Sonden vorteilhaft.

Drall und asymmetrische Strömungsprofile erkennen

Eine Rastermessung liefert nicht nur einen Mittelwert.

Sie zeigt gleichzeitig, wie gleichmäßig oder ungleichmäßig die Strömung im Kanal verteilt ist.

Beispielsweise könnte eine Messreihe zeigen:

Bereich	Typische Beobachtung	Mögliche Ursache
Linke Kanalseite deutlich schneller	Asymmetrisches Profil	Bogen, Abzweigung oder Klappenstellung
Zentrum sehr schnell, Randbereiche langsam	Ausgeprägtes Geschwindigkeitsprofil	Normale Wandreibung oder kurze Einlaufstrecke
Geschwindigkeit schwankt stark	Instationäre Strömung	Ventilator, Regelung oder turbulente Störung
Messwerte ändern sich stark mit Sondenwinkel	Strömung nicht axial	Drall oder Querströmung
Einzelner Bereich sehr langsam	Lokale Strömungsstörung	Einbau, Klappe oder geometrische Störung

Ein extrem ungleichmäßiges Profil sollte deshalb nicht einfach durch Mittelwertbildung „unsichtbar“ gemacht werden.

Es ist gleichzeitig eine wichtige Information über die Anlage.

Luftdichte und Dichtekorrektur

Bei der Volumenstromberechnung muss zwischen Volumenstrom, Normvolumenstrom und Massenstrom unterschieden werden.

Volumenstrom bei den aktuellen Betriebsbedingungen

Wird die lokale Luftgeschwindigkeit mit einem geeigneten Anemometer direkt gemessen und soll der tatsächliche Volumenstrom unter den aktuellen Kanalbedingungen bestimmt werden, gilt grundsätzlich:

Q = v̄ · A

Eine zusätzliche allgemeine Dichtekorrektur wird nicht einfach nachträglich auf diese geometrische Beziehung aufgeschlagen.

Geschwindigkeitsbestimmung über dynamischen Druck

Anders ist die Situation bei einer Geschwindigkeitsbestimmung aus dynamischem Druck, beispielsweise mit einer Pitot- beziehungsweise Prandtlsonde.

Vereinfacht gilt:

v ≈ √(2 · Δpdyn / ρ)

Hier geht die Luftdichte direkt in die Berechnung der Geschwindigkeit ein.

Massenstrom

Für den Massenstrom gilt:

ṁ = ρ · Q

Damit wird die Dichte ebenfalls unmittelbar benötigt.

Normvolumenstrom

Soll ein gemessener Betriebsvolumenstrom auf definierte Referenzbedingungen umgerechnet werden, müssen insbesondere:

• Temperatur,
• absoluter Druck,
• gegebenenfalls Luftfeuchte

berücksichtigt werden.

Für trockene Luft und eine vereinfachte ideale Gasbetrachtung kann beispielsweise gelten:

Qref = Q · (p / pref) · (Tref / T)

Die verwendeten Referenzbedingungen müssen dabei immer angegeben werden.

„m³/h“ und „Norm-m³/h“ sind deshalb nicht automatisch dasselbe.

Messunsicherheit richtig bewerten

Die Unsicherheit einer Volumenstrommessung besteht nicht nur aus der Genauigkeitsangabe des Anemometers.

Einflussgrößen sind unter anderem:

• Genauigkeit des Geschwindigkeitsmessgerätes,
• Kalibrierzustand der Sonde,
• Bestimmung der Kanalabmessungen,
• Anzahl und Position der Messpunkte,
• Ungleichmäßigkeit des Strömungsprofils,
• Drall,
• zeitliche Schwankungen,
• Sondenausrichtung,
• Reproduzierbarkeit der Positionierung,
• Abstand zu Strömungsstörungen.

Bei der Grundbeziehung:

Q = v̄ · A

kann die kombinierte relative Unsicherheit von Geschwindigkeit und Fläche vereinfacht abgeschätzt werden durch:

u(Q) / Q ≈ √[(u(v̄)/v̄)² + (u(A)/A)²]

Diese Betrachtung ist jedoch nur sinnvoll, wenn der ermittelte Mittelwert tatsächlich den Querschnitt repräsentiert.

Ein Fehler durch ein ungeeignetes Strömungsprofil oder zu wenige Messpunkte ist nicht automatisch in der Gerätegenauigkeit enthalten.

Messung reproduzierbar dokumentieren

Gerade bei Energieaudits, Anlagenabnahmen, Reinraummessungen oder wiederkehrenden Prüfungen sollte nicht nur der fertige Volumenstrom dokumentiert werden.

Sinnvoll sind mindestens:

• Anlagen- beziehungsweise Kanalbezeichnung,
• Datum und Uhrzeit,
• Betriebszustand der Anlage,
• Ventilatorstufe beziehungsweise Sollwert,
• Klappenstellungen soweit relevant,
• Kanalabmessungen,
• berechnete Querschnittsfläche,
• Position der Messebene,
• Abstand zu Bögen oder anderen Störungen,
• verwendetes Messraster,
• Einzelgeschwindigkeiten,
• mittlere Geschwindigkeit,
• berechneter Volumenstrom,
• Messgerät und Sonde,
• Kalibrierstatus,
• Lufttemperatur,
• bei Bedarf Druck und Feuchte.

Die Einzelwerte sollten möglichst erhalten bleiben.

Nur so lässt sich später beurteilen, ob sich nicht nur der Mittelwert, sondern auch das Strömungsprofil verändert hat.

Typische Fehlerbilder bei der Luftvolumenstrommessung im Kanal

Beobachtung	Mögliche Ursache	Sinnvolle Prüfung
Volumenstrom aus Mittelpunktmessung deutlich höher als erwartet	Geschwindigkeitsmaximum in der Kanalmitte gemessen	Rastermessung über den gesamten Querschnitt durchführen
Messwerte unterscheiden sich stark über den Querschnitt	Ungleichmäßiges Strömungsprofil	Messraster verdichten und Ursache der Störung prüfen
Eine Kanalseite besitzt deutlich höhere Geschwindigkeiten	Bogen, Klappe, Abzweigung oder asymmetrischer Eintritt	Messposition weiter von der Störung entfernen
Messwert ändert sich beim Drehen der Sonde deutlich	Drall beziehungsweise nicht axiale Strömung	Strömungsrichtung prüfen und Messebene ändern
Wiederholungsmessungen streuen stark	Instationäre Strömung	Messzeit verlängern und zeitliche Mittelwerte bilden
Volumenstrom ist trotz plausibler Geschwindigkeiten falsch	Falscher Kanalquerschnitt eingegeben	Kanalabmessungen nachmessen
Randbereiche wurden nicht erfasst	Messraster nur im Kanalzentrum	Raster über die gesamte Fläche verteilen
Messung unmittelbar hinter Bogen ist schlecht reproduzierbar	Stark gestörtes Profil	Geraden Kanalabschnitt suchen oder Raster verdichten
Thermische Sonde zeigt zunehmend andere Werte	Mögliche Verschmutzung des Sensorelements	Sonde kontrollieren und Kalibrierzustand prüfen
Messwerte ändern sich nach Änderung der Ventilatorstufe nicht proportional	Anlagenkennlinie oder Regelung verändert Strömungsverteilung	Komplette Rastermessung bei beiden Betriebszuständen durchführen

Systematische Vorgehensweise für Kanalmessungen

Für eine belastbare Bestimmung des Luftvolumenstroms empfiehlt sich folgende Vorgehensweise:

1. Messziel definieren: Betriebsvolumenstrom, Normvolumenstrom, Massenstrom oder Anlagenvergleich?
2. Kanal identifizieren: Sicherstellen, dass tatsächlich der relevante Zu- oder Abluftstrang gemessen wird.
3. Messstelle auswählen: Möglichst geraden Kanalabschnitt verwenden.
4. Strömungsstörungen erfassen: Bögen, Klappen, Ventilatoren, Filter, Abzweigungen und Übergänge dokumentieren.
5. Einlaufstrecke bewerten: Abstand zu Störungen möglichst groß wählen.
6. Kanalabmessungen messen: Nicht ausschließlich auf Planwerte verlassen.
7. Querschnitt berechnen: Rechteckig, rund oder Sondergeometrie korrekt berücksichtigen.
8. Messverfahren wählen: Flügelrad, thermische Sonde oder gegebenenfalls Differenzdruck-/Pitot-Verfahren passend zur Anwendung auswählen.
9. Messraster festlegen: Gesamten Querschnitt einschließlich Randbereichen erfassen.
10. Messpunkte markieren: Einstecktiefen reproduzierbar festlegen.
11. Sonde korrekt ausrichten: Sensor entsprechend der Strömungsrichtung positionieren.
12. Messwert stabilisieren: Nicht unmittelbar nach Einführen der Sonde ablesen.
13. Bei Schwankungen zeitlich mitteln: Kurze Einzelwerte vermeiden.
14. Alle Rasterpunkte messen: Keine Punkte aufgrund unbequemer Zugänglichkeit weglassen.
15. Geschwindigkeitsprofil prüfen: Extreme lokale Unterschiede erkennen.
16. Mittelwert korrekt bilden: Je nach Raster arithmetisch oder flächengewichtet.
17. Volumenstrom berechnen: Q = v̄ · A.
18. Einheiten prüfen: Für m³/h mit 3600 multiplizieren.
19. Dichte nur passend berücksichtigen: Betriebsvolumen, Normvolumen und Massenstrom unterscheiden.
20. Messung dokumentieren: Einzelwerte, Raster, Messstelle und Betriebszustand festhalten.

Praxisbeispiel: Einzelmessung überschätzt den Volumenstrom

In einem rechteckigen Zuluftkanal soll der Luftvolumenstrom überprüft werden.

Die Kanalabmessungen betragen:

800 mm × 500 mm

Damit ergibt sich:

A = 0,8 · 0,5 = 0,40 m²

Schritt 1: Messung in der Kanalmitte

In der Kanalmitte wird gemessen:

v = 5,35 m/s

Würde dieser Einzelwert direkt verwendet, ergäbe sich:

Q = 5,35 · 0,40 · 3600

Q = 7.704 m³/h

Dieser Wert wirkt zunächst plausibel.

Schritt 2: Rastermessung durchführen

Anschließend wird der Kanal systematisch über mehrere Punkte traversiert.

Dabei zeigt sich:

• zentrale Bereiche liegen teilweise über 5 m/s,
• Randbereiche liegen deutlich darunter,
• eine Kanalseite ist aufgrund eines vorgeschalteten Bogens etwas schneller als die andere.

Aus allen repräsentativen Messpunkten ergibt sich:

v̄ = 4,72 m/s

Schritt 3: Volumenstrom mit dem Flächenmittel berechnen

Damit beträgt der Volumenstrom:

Q = 4,72 · 0,40 · 3600

Q ≈ 6.797 m³/h

Schritt 4: Ergebnisse vergleichen

Messverfahren	Geschwindigkeit	Volumenstrom
Einzelmessung Kanalmitte	5,35 m/s	7.704 m³/h
Rastermessung	4,72 m/s	ca. 6.797 m³/h

Die Einzelmessung hätte den Volumenstrom in diesem Beispiel um mehr als 13 % überschätzt.

Das Messgerät war dabei nicht fehlerhaft.

Der Fehler entstand ausschließlich dadurch, dass eine lokale Geschwindigkeit als mittlere Kanalgeschwindigkeit interpretiert wurde.

Ergebnis: Für die Qualität einer Volumenstrommessung ist das Messverfahren mindestens ebenso wichtig wie die Genauigkeit des verwendeten Anemometers.

Passende ICS-Produkte für Luftvolumenstrommessungen

testo 416 – 16-mm-Flügelrad-Anemometer für Kanalmessungen

Das testo 416 ist speziell für Strömungs- und Volumenstrommessungen in Lüftungskanälen geeignet.

Das Gerät verfügt unter anderem über:

• 16-mm-Flügelradsonde,
• kabelgebundene Teleskopsonde bis 850 mm,
• Messbereich für Strömung von 0,6 bis 40 m/s,
• punktuelle Mittelwertbildung,
• zeitliche Mittelwertbildung,
• automatische Volumenstromberechnung,
• Verbindung zur testo Smart App zur Speicherung und Dokumentation.

Die Kombination aus kleinem Flügelraddurchmesser und Teleskopsonde ist besonders praktisch für Rastermessungen innerhalb von Lüftungskanälen.

Weitere Informationen finden Sie unter testo 416 bei ICS Schneider.

testo 425 – thermisches Hitzdraht-Anemometer

Das testo 425 arbeitet mit einer thermischen Strömungssonde und eignet sich ebenfalls für Geschwindigkeits- und Volumenstrommessungen in Lüftungskanälen.

Das Gerät bietet unter anderem:

• thermisches Hitzdraht-Messprinzip,
• Messbereich von 0,01 bis 30 m/s,
• Teleskop bis 820 mm,
• Messung der Lufttemperatur,
• punktuelle Mittelwertbildung,
• zeitliche Mittelwertbildung,
• Volumenstromberechnung,
• Anbindung an die testo Smart App.

Durch die hohe Empfindlichkeit bei kleinen Geschwindigkeiten ist das thermische Messprinzip insbesondere für niedrige Luftgeschwindigkeiten interessant.

Weitere Informationen finden Sie unter testo 425 bei ICS Schneider.

testo 440 – flexibles Klimamessgerät mit verschiedenen Strömungssonden

Für umfangreichere HLK-, Raumklima- und Strömungsmessungen bietet sich das testo 440 als flexibles Messsystem an.

Das Messgerät kann je nach Messaufgabe mit verschiedenen kompatiblen Sonden kombiniert werden und verfügt über strukturierte Messmenüs für die Volumenstrommessung im Kanal und am Auslass.

Für die Volumenstromberechnung können Kanalgeometrie und Kanalabmessungen im Messgerät hinterlegt werden.

Dadurch eignet sich das testo 440 besonders für Anwender, die neben der Strömung auch weitere klimarelevante Parameter mit einem System erfassen möchten.

Weitere Informationen finden Sie unter testo 440 bei ICS Schneider.

Welches Messprinzip eignet sich wofür?

Messaufgabe	Sinnvolle Lösung
Typische Luftgeschwindigkeit im Lüftungskanal	16-mm-Flügelrad, beispielsweise testo 416
Niedrige Luftgeschwindigkeiten	Thermische Sonde, beispielsweise testo 425
Rastermessung über größeren Kanal	Teleskopsonde mit punktueller Mittelwertbildung
Stark schwankende Geschwindigkeit	Zeitliche Mittelung je Rasterpunkt
Mehrere Klima- und Strömungsparameter	Flexibles Messsystem wie testo 440
Volumenstrom direkt am Luftauslass	Geeignete Auslass-/Trichter- beziehungsweise Flügelradmessung

Eine Übersicht weiterer Messgeräte und Sensoren finden Sie unter Strömungsmessgeräte / Strömungssensoren bei ICS Schneider.

Fazit

Die Berechnung eines Luftvolumenstroms ist mathematisch einfach:

Q = v̄ · A

Die eigentliche messtechnische Herausforderung besteht jedoch darin, eine repräsentative mittlere Luftgeschwindigkeit zu bestimmen.

Eine einzelne Punktmessung in der Kanalmitte reicht dafür bei realen Lüftungssystemen häufig nicht aus.

Bögen, Klappen, Filter, Abzweigungen, Ventilatoren und andere Einbauten können das Strömungsprofil erheblich verändern. Gleichzeitig ist die Luftgeschwindigkeit aufgrund der Wandreibung auch in einem gut beruhigten Kanal nicht überall identisch.

Für belastbare Ergebnisse sollte der Querschnitt deshalb systematisch mit mehreren Messpunkten erfasst werden.

Verfahren wie die Log-Tschebyscheff-Traversierung berücksichtigen gezielt die Geschwindigkeitsverteilung über den Kanalquerschnitt.

Ebenso wichtig sind:

• eine geeignete Messebene,
• ausreichender Abstand zu Strömungsstörungen,
• korrekte Kanalabmessungen,
• richtige Sondenausrichtung,
• ausreichende Messdauer,
• korrekte Mittelwertbildung,
• saubere Dokumentation der Einzelwerte.

Dabei darf nicht vergessen werden:

Die Genauigkeit des Messgerätes ist nur ein Teil der Gesamtmessunsicherheit. Ein ungeeignetes Messraster oder eine schlechte Messstelle kann einen wesentlich größeren Fehler verursachen als die eigentliche Geräteabweichung.

Für die Praxis gilt daher:

Messziel definieren → geeignete Messebene wählen → Kanalquerschnitt bestimmen → Strömungsstörungen bewerten → Messraster festlegen → Sonde korrekt positionieren → Geschwindigkeiten an allen Punkten erfassen → räumlichen Mittelwert bilden → Volumenstrom berechnen → Dichtebezug richtig behandeln → Einzelwerte und Messbedingungen dokumentieren.

FAQ: Luftvolumenstrom im Lüftungskanal aus Punktmessungen bestimmen

Wie berechnet man den Luftvolumenstrom in einem Lüftungskanal?

Der Volumenstrom wird aus der mittleren Luftgeschwindigkeit und der Kanalquerschnittsfläche berechnet: Q = v̄ × A. Für eine Angabe in m³/h wird zusätzlich mit 3600 multipliziert.

Kann ich den Volumenstrom mit einer einzelnen Geschwindigkeitsmessung bestimmen?

Nur wenn die lokale Geschwindigkeit tatsächlich der mittleren Querschnittsgeschwindigkeit entspricht. Bei realen Lüftungskanälen ist dies häufig nicht gegeben. Eine Rastermessung liefert deshalb in der Regel ein belastbareres Ergebnis.

Warum ist die Luftgeschwindigkeit in der Kanalmitte häufig höher?

Durch die Reibung an den Kanalwänden wird die Strömung dort abgebremst. In zentralen Bereichen kann die Geschwindigkeit deshalb höher liegen als der Mittelwert über den gesamten Querschnitt.

Was ist eine Rastermessung im Lüftungskanal?

Dabei wird die Luftgeschwindigkeit an mehreren definierten Positionen über den gesamten Kanalquerschnitt gemessen. Aus diesen Einzelwerten wird anschließend eine repräsentative mittlere Geschwindigkeit bestimmt.

Was ist das Log-Tschebyscheff-Verfahren?

Das Log-Tschebyscheff-Verfahren ist ein Verfahren zur Anordnung von Messpunkten bei Kanaltraversierungen. Die Punkte sind so über den Querschnitt verteilt, dass insbesondere der Einfluss des Geschwindigkeitsabfalls in Wandnähe berücksichtigt wird.

Müssen die Messpunkte gleichmäßig verteilt sein?

Nicht zwingend. Bei einem einfachen Gleichflächenverfahren repräsentiert jeder Messpunkt eine gleich große Teilfläche. Beim Log-Tschebyscheff-Verfahren werden dagegen speziell berechnete Messpunktpositionen verwendet.

Wie viele Messpunkte brauche ich im Lüftungskanal?

Das hängt von Kanalgeometrie, Größe, Strömungsprofil, Messziel und der anzuwendenden Prüfvorschrift ab. Je stärker das Profil gestört ist und je genauer gemessen werden soll, desto wichtiger wird eine ausreichende Anzahl von Messpunkten.

Wie bilde ich den Mittelwert aus den Messpunkten?

Repräsentieren alle Punkte gleich große Teilflächen, kann der arithmetische Mittelwert verwendet werden. Bei unterschiedlich großen Teilflächen muss ein flächengewichteter Mittelwert gebildet werden.

Was ist der Unterschied zwischen punktueller und zeitlicher Mittelwertbildung?

Die punktuelle Mittelwertbildung kombiniert Messwerte verschiedener Positionen über den Kanalquerschnitt. Die zeitliche Mittelwertbildung mittelt dagegen mehrere Messwerte über einen bestimmten Zeitraum an derselben Position.

Was mache ich bei stark schwankender Luftgeschwindigkeit?

Dann kann an jedem Rasterpunkt zunächst über einen geeigneten Zeitraum gemittelt werden. Anschließend werden die zeitlich gemittelten Werte zur räumlichen Mittelwertbildung verwendet.

Wie weit sollte die Messstelle von einem Kanalbogen entfernt sein?

Je größer der Abstand zu Bögen, Klappen und anderen Strömungsstörungen, desto günstiger. Für definierte Prüfungen sollten die Vorgaben der jeweils verwendeten Messnorm beziehungsweise Prüfvorschrift eingehalten werden.

Was ist der hydraulische Durchmesser?

Der hydraulische Durchmesser ermöglicht die Beschreibung nicht kreisförmiger Kanäle mit einer charakteristischen Länge. Er wird mit D_h = 4A/P berechnet.

Kann ich unmittelbar hinter einem Bogen messen?

Eine Messung ist grundsätzlich möglich, das Geschwindigkeitsprofil kann dort jedoch stark asymmetrisch sein. Eine Rastermessung und eine sorgfältige Bewertung der zusätzlichen Messunsicherheit sind dann besonders wichtig.

Was bedeutet Drall im Lüftungskanal?

Bei Drall strömt die Luft nicht ausschließlich parallel zur Kanalachse, sondern besitzt zusätzlich eine rotierende beziehungsweise seitliche Geschwindigkeitskomponente. Dadurch können richtungsabhängige Strömungssonden deutlich veränderte Messwerte liefern.

Welche Sonde eignet sich für Kanalmessungen?

Für typische Lüftungskanäle werden häufig kleine Flügelradsonden oder thermische Strömungssonden eingesetzt. Die Auswahl hängt insbesondere vom Geschwindigkeitsbereich, Kanalquerschnitt, Medium und der gewünschten Messaufgabe ab.

Wann ist ein Flügelrad-Anemometer sinnvoll?

Flügelrad-Anemometer eignen sich sehr gut für viele typische Luftgeschwindigkeiten in Klima- und Lüftungskanälen und sind vergleichsweise robust.

Wann ist ein thermisches Anemometer sinnvoll?

Thermische Anemometer sind insbesondere bei niedrigen Luftgeschwindigkeiten interessant und besitzen häufig sehr kleine Sensorelemente, mit denen sich Geschwindigkeitsprofile gut erfassen lassen.

Warum muss die Sonde richtig ausgerichtet werden?

Viele Strömungssonden reagieren richtungsabhängig. Wird die Sonde gegenüber der tatsächlichen Strömungsrichtung verdreht, kann der angezeigte Geschwindigkeitswert abweichen.

Muss ich die Luftdichte bei der Volumenstromberechnung berücksichtigen?

Bei der einfachen geometrischen Berechnung Q = v̄ × A eines Betriebsvolumenstroms wird nicht pauschal eine zusätzliche Dichtekorrektur vorgenommen. Die Luftdichte wird jedoch beispielsweise bei der Geschwindigkeitsbestimmung aus dynamischem Druck sowie für Massenstrom- und Normvolumenstromberechnungen relevant.

Wie berechnet man den Massenstrom aus dem Volumenstrom?

Mit ṁ = ρ × Q. Dafür muss die Luftdichte unter den jeweiligen Betriebsbedingungen bekannt beziehungsweise ausreichend genau bestimmt werden.

Ist Normvolumenstrom dasselbe wie Betriebsvolumenstrom?

Nein. Der Betriebsvolumenstrom bezieht sich auf die tatsächlichen Bedingungen im Kanal. Ein Norm- beziehungsweise Referenzvolumenstrom wird auf festgelegte Temperatur- und Druckbedingungen umgerechnet.

Wie stark beeinflusst ein falscher Kanalquerschnitt das Ergebnis?

Direkt proportional. Wird die Fläche beispielsweise um 5 % zu groß angesetzt, wirkt sich dies bei unveränderter mittlerer Geschwindigkeit ebenfalls mit ungefähr 5 % auf den berechneten Volumenstrom aus.

Kann ein genaueres Anemometer ein schlechtes Messraster kompensieren?

Nein. Ein hochgenaues Gerät misst lediglich die lokale Geschwindigkeit sehr genau. Wenn diese lokale Geschwindigkeit nicht repräsentativ für den gesamten Querschnitt ist, bleibt der daraus berechnete Volumenstrom trotzdem falsch.

Warum sollte ich die Einzelmesswerte speichern?

Aus den Einzelwerten lässt sich erkennen, ob das Strömungsprofil gleichmäßig oder stark gestört ist. Bei späteren Vergleichsmessungen kann dadurch außerdem festgestellt werden, ob sich nur der Gesamtvolumenstrom oder auch die Strömungsverteilung verändert hat.

Welches ICS-Gerät eignet sich für Rastermessungen im Lüftungskanal?

Das testo 416 mit 16-mm-Flügelrad und Teleskopsonde eignet sich besonders für Kanalmessungen und unterstützt sowohl punktuelle als auch zeitliche Mittelwertbildung sowie die Volumenstromberechnung.

Welche Alternative gibt es für niedrige Luftgeschwindigkeiten?

Das testo 425 verwendet eine thermische Hitzdrahtsonde und deckt Luftgeschwindigkeiten ab 0,01 m/s ab. Dadurch eignet es sich insbesondere für Anwendungen mit geringeren Geschwindigkeiten.

Kann ich mit dem testo 440 ebenfalls Volumenstrom messen?

Ja. In Verbindung mit einer geeigneten Strömungssonde bietet das testo 440 spezielle Messmenüs für Volumenstrommessungen im Kanal und kann Kanalgeometrie und -abmessungen für die Berechnung berücksichtigen.