Wahlstory Bquadratische Last⏱ 30 hSprint 6 und 7
Die Bahnsteighallen der alten Bahn liegen in Hochlage unter einem Dach. Abluftventilatoren halten die Luft frisch. Sie laufen seit 1994 mit voller Drehzahl, die Luftmenge wird mit einer Drosselklappe eingestellt. Der Flughafen fragt, ob sich ein Umrichter rechnet.
Schritt 2 von 4. Du liest die Wahlstory ganz, klärt im Team die Anforderungen mit dem Auftraggeber und schreibt das Lastenheft. Dann legt ihr aus, entscheidet und bereitet die Messe vor.
Danach: Die Technikmesse
Der wichtigste Satz auf dieser Seite: Bei einem Lüfter entscheidet die Drehzahl über die Leistung, nicht die Klappe. Wer drosselt, bremst mit dem Motor gegen sich selbst.
Der Auftrag in einem Satz
Untersucht, ob die Abluftventilatoren der beiden Bahnsteighallen mit Umrichter statt mit Drosselklappe betrieben werden sollen, und legt den Antrieb dafür aus.
Darum geht es
Als Ingenieurbüro möchten wir mit belastbaren Zahlen zeigen, was ein drehzahlveränderbarer Antrieb an den Bahnsteiglüftern spart und was er kostet, damit der Flughafen eine Entscheidung treffen kann, die sich auch in zehn Jahren noch rechnet.
Die Lage
In jeder der beiden Bahnsteighallen laufen zwei gleiche Abluftventilatoren, zusammen vier. Gesteuert wird heute nur über die Drosselklappe: tagsüber halb geschlossen, nachts weiter geschlossen, an heißen Sommertagen ganz offen. Der Motor läuft dabei immer mit voller Drehzahl.
Zu prüfen ist, wie viel elektrische Leistung der Ventilator mit Umrichter in jedem Betriebspunkt noch braucht, was das im Jahr spart, ob der vorhandene Motor bleiben kann und was der Umrichter für das Netz der Halle bedeutet. Als Erweiterung könnt ihr dieselbe Frage für die Verdampferlüfter der 18 Wagenklimageräte stellen, die ihr aus Lernangebot 2 kennt.
Anforderungen des Auftraggebers
Diese Werte hat der Auftraggeber genannt. Alle sind Unterrichtswerte. Was hier fehlt, klärt ihr als Rückfrage, bevor ihr das Lastenheft schreibt.
| Nr. | Anforderung | Wert |
|---|---|---|
| B1 | Ventilatoren | 4 Radialventilatoren, je 2 in den Bahnsteighallen von Station A und Station B |
| B2 | Nennbetriebspunkt je Ventilator | 36.000 m³/h bei 1.200 Pa Druckerhöhung, Drehzahl bei 50 Hz |
| B3 | Ventilatorwirkungsgrad | 0,78 im Nennbetriebspunkt |
| B4 | Motor heute | Asynchronmotor 18,5 kW, 400 V, 50 Hz, 4-polig, Wirkungsgrad 89,5 % (entspricht etwa IE1), Baujahr 1994 |
| B5 | Elektrische Leistung mit Drosselklappe (gemessen) | 17,2 kW bei 100 % Luftmenge; 14,6 kW bei 70 %; 12,4 kW bei 50 % |
| B6 | Betriebsprofil je Ventilator und Jahr | 360 h mit 100 %, 6.200 h mit 70 %, 2.200 h mit 50 % Luftmenge |
| B7 | Strompreis | 0,20 €/kWh |
| B8 | Kosten | Umrichter 18,5 kW mit Einbau 4.800 € je Ventilator; neuer Motor IE4 18,5 kW 2.900 € |
| B9 | Netz | Hallenverteilung 3 AC 400 V 50 Hz aus einem Transformator 630 kVA, an dem auch Beleuchtung und Bahnsteigtüren hängen |
Rechne selbst: hier fängst du an
Die Tabelle nennt Startpunkte, keine Lösung. Ob ihr alle braucht und was danach kommt, entscheidet ihr.
| Was du suchst | Womit du anfängst |
|---|---|
| Förderleistung im Nennpunkt | PLuft = V̇ · Δp, mit V̇ in m³/s |
| Leistung an der Welle | PW = PLuftηV |
| Drehzahl für eine kleinere Luftmenge | Affinitätsgesetz: V̇2V̇1 = n2n1 |
| Leistung bei kleinerer Drehzahl | Affinitätsgesetz: P2P1 = (n2n1)³; Wirkungsgrade von Motor und Umrichter danach berücksichtigen |
| Energie im Jahr | W = Σ Pk · tk über die drei Betriebspunkte aus B6, mit Klappe und mit Umrichter |
| Wirtschaftlichkeit | Einsparung in € je Jahr aus der Energiedifferenz und B7; statische Amortisation = InvestitionEinsparung je Jahr |
| Frequenz am Umrichter | Drehzahlverhältnis gleich Frequenzverhältnis, solange der Motor kaum belastet ist; prüfen, wie genau das stimmt |
| Netzrückwirkung | Eingangsstrom des Umrichters abschätzen und mit dem Bemessungsstrom des Transformators vergleichen |
Euer Lastenheft zum Ausfüllen
Aus den Anforderungen oben und den Antworten des Auftraggebers macht ihr prüfbare Anforderungen: je Zeile eine Anforderung, ein Wert oder eine Grenze, wie sie geprüft wird, und ob sie Muss oder Soll ist. Das Lastenheft gebt ihr beim Auftraggeber zur Freigabe ab.
| Nr. | Anforderung | Wert oder Grenze | So wird geprüft | Muss oder Soll |
|---|---|---|---|---|
| L1 | ||||
| L2 | ||||
| L3 | ||||
| L4 | ||||
| L5 | ||||
| L6 | ||||
| L7 | ||||
| L8 | ||||
| L9 | ||||
| L10 |
Fertig bist du, wenn …
- das Lastenheft vom Auftraggeber freigegeben ist,
- die Kennlinie des Ventilators und die Anlagenkennlinie skizziert und die Betriebspunkte mit Klappe und mit Umrichter eingetragen sind,
- die elektrische Leistung in allen drei Betriebspunkten für beide Varianten gerechnet ist,
- die Energie- und Kosteneinsparung im Jahr und die Amortisation für alle vier Ventilatoren vorliegen,
- entschieden und begründet ist, ob der vorhandene Motor bleibt oder ein Motor IE4 kommt,
- Umrichter, Steuerverfahren und Einstellungen (Frequenzbereich, Rampen, Kennlinie) festgelegt sind,
- die Netzrückwirkung bewertet und eine Maßnahme vorgeschlagen ist, falls nötig,
- Plakat, drei Prüffragen und Wissensspeicher-Blatt für die Messe vorliegen.
Stolperfallen: Fragen, die ihr euch stellen solltet
Hier steht keine Antwort. Jede dieser Fragen gehört beantwortet in eure Dokumentation, mit Rechnung oder Begründung.
- Gilt das Kubikgesetz auch dann, wenn die Anlage einen festen Druckanteil hat, etwa durch Filter oder Wind auf der Abluftöffnung?
- Weshalb sinkt die Leistung mit Drosselklappe so viel weniger als mit Umrichter, obwohl dieselbe Luftmenge gefördert wird?
- Bleibt der Wirkungsgrad des Motors bei halber Drehzahl und kleiner Last gleich, und wie wirkt sich das auf deine Einsparung aus?
- Darf ein Motor von 1994 ohne Prüfung an einem Umrichter laufen? Woran denkst du bei Isolation und Lagern?
- Welche Effizienzklasse verlangt die Ökodesign-Verordnung heute für einen neuen Motor dieser Größe, und gilt sie auch, wenn er am Umrichter läuft?
- Was ändert sich am Transformator, wenn vier Umrichter mit Diodengleichrichter gleichzeitig am Netz hängen?
Zahlen und Hintergrund
Radialventilatoren in Lüftungsanlagen sind die klassische quadratische Last: Das Moment steigt mit dem Quadrat der Drehzahl, die Leistung mit der dritten Potenz. Drosselklappen sind billig und einfach, verschenken aber den größten Teil der möglichen Einsparung.
Die Werte B1 bis B9 sind Unterrichtswerte. Die Leistungen mit Drosselklappe in B5 hat die Elektrowerkstatt gemessen. Die Kennlinie des Ventilators bekommt ihr auf Nachfrage beim Auftraggeber; ohne sie arbeitet ihr mit den Affinitätsgesetzen und nennt die Annahme.
Weiter: Wie ihr euren Folgeauftrag ausstellt, steht in der Lektion „Die Technikmesse“. Die Formeln vom Lastfall zum Motor stehen auf der Karte „Formeln der Antriebstechnik“.