Was ist Luftdruck?
Der Mensch kann ohne frische Luft nicht leben. Unser Körper braucht Sauerstoff (O₂), um Energie zu produzieren. Fehlt uns frischer Sauerstoff, fühlen wir uns müde, schwindelig oder können sogar ersticken. Beim Atmen nehmen wir Sauerstoff auf und geben Kohlendioxid (CO₂) ab. Ohne Frischluftzufuhr sammelt sich CO₂ in Innenräumen an und kann Kopfschmerzen, Benommenheit oder Schlimmeres verursachen. Ein Lüftungssystem sorgt für eine ausreichende Frischluftzufuhr, um CO₂ und andere Schadstoffe zu entfernen.
Frische Luft ist saubere Außenluft mit einem natürlichen Gleichgewicht an Gasen, frei von schädlichen Schadstoffkonzentrationen, Rauch oder abgestandener Luft (wie sie in geschlossenen Räumen vorkommt). In Meeresnähe besteht frische Luft aus:
- Stickstoff (N₂): ~ 78 %
- Sauerstoff (O₂): ~ 21 %
- Argon und andere Edelgase: ~ 0,9 %
- Kohlendioxid (CO₂): ~ 0,04 %
- Wasserdampf: variabel (0–4 %, abhängig von der Luftfeuchtigkeit)
Auch wenn Luft leicht ist, hat jedes winzige Luftteilchen (Molekül) ein Gewicht. Und in jedem Atemzug bewegen sich Milliarden von Molekülen. Wir sind von Luftmolekülen umgeben. Sie fliegen mit sehr hoher Geschwindigkeit umher und stoßen gegen alles – auch gegen dich. Jeder Zusammenstoß ist wie ein winziger Stoß. Der Stoß eines einzelnen Moleküls ist winzig, aber da unzählige Moleküle aus allen Richtungen auf Oberflächen treffen, entsteht daraus eine spürbare Kraft: der Luftdruck.
Die Luft über uns (bis in den Weltraum) hat ein Gewicht. Auf Meereshöhe drückt die Luftsäule über dir mit etwa 1 bar (100.000 Pascal) auf dich. Das bedeutet: Jeder Quadratzentimeter deiner Haut spürt etwa 1 Kilogramm Kraft – wie ein kleiner Apfel, der auf jedem Quadratzentimeter deines Körpers liegt! Du bemerkst das nicht, weil dein Körper von innen mit gleichem Druck dagegenhält.
Luftdruck ist also einfach gesagt: Wie stark die Luft auf eine Fläche drückt. Stell dir vor, du tauchst ins Wasser – je tiefer du gehst, desto stärker drückt das Wasser auf deinen Körper. Das ist Druck. Bei der Luft ist es ähnlich: Auch wenn wir es nicht fühlen, ist Luft wie ein unsichtbarer Ozean, der ständig auf alles um uns herum drückt.
Für die Technikfans unter uns: Luftdruck wird in Pascal (Pa) angegeben. Das ist die Kraft, die auf eine Fläche wirkt. Ein Pascal = ein Newton pro Quadratmeter. Obwohl Pascal die offizielle SI-Einheit (Internationales Einheitensystem) für Druck ist, wird im metrischen System auch oft bar verwendet. 1 bar = 100.000 Pa. Das SI-System ist die moderne, international anerkannte Form des metrischen Systems.
Was ist Differenzdruck?
Der Differenzdruck ist der Unterschied im Luftdruck zwischen zwei Punkten. Hoher Druck drückt Luft in Richtung niedrigeren Drucks. Das bedeutet: Luft bewegt sich nur, wenn ein Druckunterschied besteht – also ein Differenzdruck. Ein solcher Druckunterschied kann z. B. durch einen Ventilator erzeugt werden. Der Ventilator versetzt die Luft in Bewegung – er „schiebt“ sie gewissermaßen an. Dadurch entsteht Überdruck hinter dem Ventilator und Unterdruck an dessen Ansaugseite – das erzeugt einen Luftstrom. Je größer der Druckunterschied über den Ventilator, desto stärker der Luftstrom. Auch eine höhere Drehzahl des Ventilators führt zu stärkerem Luftstrom. Der Differenzdruck ist also im Grunde der „Antrieb“, der Luft in Bewegung setzt.
Dasselbe Prinzip findet sich auch im großen Maßstab – etwa in der Meteorologie. Auch Wind ist eine Luftbewegung und entsteht durch Druckunterschiede: Er weht von einem Hochdruckgebiet in ein Tiefdruckgebiet.
Die Messung des Differenzdrucks in einem Lüftungssystem ist entscheidend. Sie steht in direktem Zusammenhang mit der Luftgeschwindigkeit, der Menge an zugeführter Frischluft und der Effizienz und Sicherheit des Lüftungssystems. Auf Basis der Differenzdruckmessung lässt sich sowohl die Strömungsgeschwindigkeit (Luftgeschwindigkeit) als auch der Volumenstrom (Luftmenge) berechnen.
Differenzdrucksensoren werden verwendet, um zu überprüfen, ob genügend Frischluft zugeführt wird (ausreichender Luftstrom). Sie können auch anzeigen, wann Luftfilter gewechselt oder gereinigt werden müssen: Wenn der Differenzdruck über dem Filter zu hoch wird, ist ein Wechsel oder eine Reinigung erforderlich.
Ein Lüftungssystem kann nur dann saubere Luft liefern, wenn die Filter richtig gewartet werden. Schlecht gewartete Filter behindern den Luftstrom und können Partikel nicht mehr zuverlässig zurückhalten. Das rechtzeitige Reinigen oder Ersetzen der Luftfilter ist daher entscheidend für die einwandfreie Funktion des Lüftungssystems.Unter normalen Bedingungen behindert ein sauberer Luftfilter den Luftstrom nur minimal und verursacht einen geringen Differenzdruck. Mit zunehmender Verschmutzung bleiben mehr Partikel im Filter zurück – die Luft kann immer schlechter hindurchströmen. Der Filter verstopft. Dadurch wird der Luftstrom stärker behindert und der Differenzdruck über dem Filter steigt.
Wird der Differenzdruck kontinuierlich überwacht, ist der Anstieg im Zeitverlauf klar erkennbar. In der SenteraWeb-Cloud können für jeden Sensor verschiedene Schwellenwerte definiert werden. Sobald diese erreicht werden, werden Benachrichtigungen an den Benutzer der Anlage und an das Wartungsteam gesendet. Befindet sich der Differenzdruck im Warnbereich, sollte eine Wartung eingeplant werden. Wird der kritische Bereich überschritten, ist ein sofortiger Filterwechsel notwendig, da sonst die Raumluftqualität gefährdet ist.
Ein Differenzdrucksensor liefert in Echtzeit den tatsächlichen Messwert – vergleichbar mit einem Thermometer, das die Temperatur misst. Es gibt aber auch einfachere Lösungen zur Filterüberwachung, wie z. B. ein Differenzdruckrelais mit einstellbarem Schaltpunkt. Dieses zeigt nur an, ob der Differenzdruck über oder unter dem eingestellten Wert liegt – liefert jedoch keinen konkreten Messwert.
Ein Differenzdrucksensor verfügt immer über zwei Anschlussstellen, sogenannte „Düsen“. Durch diese Düsen strömt die zu messende Luft über das elektronische Sensorelement. Daher ist es sehr wichtig, dass die gemessene Luft sauber und frei von korrosiven Bestandteilen ist.- Die Düse mit der Kennzeichnung „+“ muss mit dem Punkt höchsten Drucks verbunden werden – also vor dem Luftfilter oder am Auslass des Ventilators.
- Die Düse mit der Kennzeichnung „–“ wird mit dem Punkt niedrigeren Drucks verbunden – also nach dem Luftfilter oder am Einlass des Ventilators.
Die Düsen können entweder an ein normales Anschlussset (ein Satz Kunststoffschläuche) oder an ein Pitotrohr angeschlossen werden.
- Ein Pitotrohr ist ein kleines Messinstrument, das misst, wie schnell Luft in einem Luftkanal, einem Rohr oder sogar um ein Flugzeug herum strömt. Es ist wie ein kleiner „Luftgeschwindigkeitsmesser“ – es misst, wie stark die Luft dagegendrückt. Aus dieser Messung kann der Sensor mithilfe eines Algorithmus berechnen, wie schnell die Luft tatsächlich strömt. Oben am Pitotrohr befinden sich zwei Anschlussstellen, die über einen transparenten Luftschlauch mit dem Differenzdrucksensor verbunden werden können.
- Das Anschlussset wird zur Messung des Differenzdrucks verwendet. Es besteht aus zwei Kunststoff-Aufsätzen, die einfach in einem Luftkanal installiert werden können. Diese Aufsätze können über einen transparenten Luftschlauch mit dem Differenzdrucksensor verbunden werden.
Das Luftvolumen gibt die Menge der bewegten Luft an
Lüftung ist unerlässlich, um eine gute Raumluftqualität zu erreichen. Sie erzeugt einen Luftstrom – also eine Bewegung der Luft. Frische Außenluft wird zugeführt, während verbrauchte Innenluft und Schadstoffe abgeführt werden. Dafür werden Ventilatoren eingesetzt, die einen Druckunterschied erzeugen und so den Luftstrom in Gang setzen.
Differenzdrucksensoren messen den Druckunterschied vor und nach dem Ventilator (oder Filter). Auf Basis dieses Unterschieds kann der Sensor den Luftstrom berechnen. Eine Differenzdruckmessung ist die einfachste Methode, um zu überprüfen, ob der Ventilator die korrekte Luftmenge liefert.
Differenzdrucksensoren berechnen den Volumenstrom basierend auf dem Querschnitt des Luftkanals oder dem K-Faktor des Ventilators. Der K-Faktor ist eine Zahl (eine Konstante), die den Zusammenhang zwischen Luftvolumenstrom und dem erzeugten Druck beschreibt. Er gibt im Grunde an, wie viel Luft ein Ventilator bei einem bestimmten Druckunterschied bewegen kann. Jeder Ventatortyp hat seinen eigenen spezifischen K-Faktor. Den K-Faktor deines Ventilators kannst du beim Lieferanten erfragen.
Um das vom Ventilator erzeugte Luftvolumen mit bekanntem K-Faktor zu überwachen, kann ein Differenzdrucksensor mit einem einfachen Anschlussset kombiniert werden. Beide Messpunkte müssen weit genug vom Ein- und Auslass des Ventilators entfernt angebracht werden, um zu vermeiden, dass die Düsen in der turbulenten Zone des Luftstroms sitzen. Am Einlass ist der Druck niedriger als am Auslass. Deshalb muss der Einlass mit der „– Düse“ des Differenzdrucksensors verbunden werden. Der Auslass wird mit der „+ Düse“ des Sensors verbunden. Für eine genauere Messung des zugeführten Luftvolumens kann die „– Düse“ auch einfach nicht angeschlossen werden, sodass der Umgebungsdruck in der Nähe des Differenzdrucksensors als Referenz genommen wird.
Für die Technikinteressierten unter uns: Der Luftvolumenstrom wird in Kubikmetern pro Stunde (m³/h) angegeben und beschreibt, wie viel (Volumen an) Frischluft in einer bestimmten Zeit zu- oder abgeführt wird. Der Luftstrom lässt sich aus dem Differenzdruck berechnen.
Hier ein Beispiel zur Berechnung des Luftvolumens basierend auf einer Differenzdruckmessung: Angenommen, ein Ventilator hat einen K-Faktor von 150. Wenn der Ventilator läuft, beträgt der Differenzdruck über ihm 100 Pa. Der Differenzdruck wird mit einem Differenzdrucksensor und einem normalen Anschlussset gemessen. Die Berechnung erfolgt wie folgt:
Also erzeugt der Ventilator in diesem Beispiel einen Luftstrom von 1.500 Kubikmetern pro Stunde (m³/h).
Die Luftgeschwindigkeit gibt die Geschwindigkeit des Luftstroms an
Die Luftgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der ein Luftvolumen sich bewegt. So wie ein Auto mit einer bestimmten Geschwindigkeit fährt, kann sich auch ein Luftvolumen mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegen. Sie wird üblicherweise auf Basis einer Messung des „Geschwindigkeitsdrucks“ berechnet. Den Geschwindigkeitsdruck kann man nur mit einem Pitotrohr messen. Ein Pitotrohr ist ein kleines Instrument, das den Druck misst, der durch die Bewegung der Luft in einem Luftkanal, einem Rohr oder sogar um ein Flugzeug herum entsteht. Es ist wie ein kleiner „Luftgeschwindigkeitsmesser“ – es misst, wie stark die Luft dagegendrückt. Aus dieser Messung kann der Algorithmus des Sensors berechnen, wie schnell sich die Luft bewegt.
Um also die Luftgeschwindigkeit zu messen, muss ein Pitotrohr mit dem Differenzdrucksensor verbunden werden. Dank des Pitotrohrs kann der Differenzdrucksensor den Geschwindigkeitsdruck messen. Basierend auf dieser Messung berechnet der Sensor die Luftgeschwindigkeit (Luftstromgeschwindigkeit).
Ein Pitotrohr hat zwei Öffnungen: eine, die nach vorne in den anströmenden Luftstrom zeigt, um den Gesamtdruck (Eindruckdruck) zu erfassen, und eine andere seitlich, um den statischen Druck zu messen. Die Differenz zwischen diesen Drücken (dynamischer Druck) wird dann verwendet, um die Luftgeschwindigkeit zu berechnen. Diese beiden Drücke werden also verglichen:
- Gesamtdruck (Luft, die direkt in das Rohr gedrückt wird, wie Wind im Gesicht).
- Statischer Druck (Luft, die von der Seite drückt).
Die Differenz zwischen beiden wird als Geschwindigkeitsdruck bezeichnet, der angibt, wie schnell sich die Luft bewegt. Dies nennt man die Luftgeschwindigkeit.
Und... basierend auf der Luftgeschwindigkeit ist es möglich, das Luftvolumen zu berechnen, wenn der Querschnitt des Luftkanals bekannt ist. Der Luftstrom durch einen Luftkanal lässt sich mit einer belebten Einkaufsstraße vergleichen. Je breiter die Straße und je weniger Hindernisse, desto mehr Menschen können passieren. Je schneller die Menschen sich durch die Straße bewegen, desto mehr Menschen können pro Stunde passieren. Dasselbe gilt für die Luftmoleküle in einem Luftkanal. Der Luftstrom hängt von zwei Dingen ab:
- Wie groß der Kanal ist (der Querschnitt)
- Wie schnell die Luft sich bewegt (die Luftgeschwindigkeit)
Wenn der Durchmesser des Luftkanals größer ist, kann mehr Luft hindurchströmen. Wenn die Luft schneller bewegt, strömt mehr Luft in derselben Zeit hindurch. Mathematisch ausgedrückt: Die Luftgeschwindigkeit (m/s) multipliziert mit dem Querschnittsbereich des Kanals (m²) ergibt das Luftvolumen (m³/h).
Die Kombination aus Differenzdrucksensor und Pitotrohr misst also auch das Luftvolumen (Berechnung basierend auf dem Querschnitt des Luftkanals).
Im Beispiel rechts nehmen wir an, dass der Querschnitt des Kanals 0,02 m² beträgt (runder Kanal mit D160 mm) und die Luftgeschwindigkeit 1 m/s ist. Das ergibt ein Luftvolumen von 72 m³/h.
