AT526287A1 - Energiemessung von Heizkörpern - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Wärme- oder Kühlleistung eines Wärmeelements, insbesondere eines Heizkörpers (1), an einen Raum, wobei ein Heizmedium in das Wärmeelement über einen Vorlaufeinlass (1) als Vorlauf eintritt, Wärme über das Wärmeelement an die Umgebung des Wärmeelements abgibt und als Rücklauf aus dem Wärmeelement an einem Rücklaufauslass (3) austritt. Jeweils ein Temperaturmesser (6a, 6b), mit dem die Temperatur (TVL) des in das Wärmeelement einströmenden Vorlaufs und die Temperatur (TRL) des Rücklaufs gemessen wird, ist am Vorlaufeinlass (2) und am Rücklaufauslass (3) vorgesehen. Die Lufttemperatur des Raumes (TRaum) wird über einen Raumtemperaturmesser (4) bestimmt. Die Wärme- und/oder Kühlleistung des Wärmeelements wird mittels einer Modellfunktion bestimmt, wobei die Funktionen fk und fn des Wärmeelements mittels Untersuchungen an einem Referenz-Wärmeelement ermittelt werden.

Description

Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Verfahren bekannt, mit denen der Wärmeenergieverbrauch von Häusern oder Wohnungen bestimmt wird. So wird beispielsweise der Verbrauch von einzelnen Wohneinheiten in Mehrfamilienhäusern über den Gesamtwärmeverbrauch des Hauses anhand der Quadratmeter der einzelnen Wohneinheiten bestimmt. Jedoch bewirkt dies gerade in Mehrfamilienhäusern, dass der pro Quadratmeter errechnete Verbrauch selten dem realen Verbrauch der einzelnen Wohneinheiten entspricht und beispielsweise sparsamere Haushalte dadurch benachteiligt werden bzw. höhere Kosten tragen, als es ihrem Verbrauch entspricht. Weiters sind aus dem Stand der Technik mehrere Verfahren bekannt, die beispielsweise für einzelne Heizkörper den Wärmebedarf ermitteln können. Bei diesen Verfahren wird die Temperatur des Heizmediums, das in den Heizkörper eintritt, sowie dessen Durchflussmenge bestimmt und daraus die durch den Heizkörper bzw. das Heizmedium abgegebene Wärmemenge bestimmt. Derartige Verfahren sind beispielsweise in der EN 442 oder EN 16430 bekannt.

Es wird dabei im Stand der Technik der momentane Wasserdurchfluss sowie die Vor- und Rücklauftemperaturen des Heizwassers im Heizkörper gemessen. Multipliziert man diesen thermischen Eingangswert mit dem Messintervall, erhält man die übertragene Heizenergie während eines bestimmten Zeitraums:

Q=*At (Gl. 1)

wobei

* Q <= Heizenergie, kJ

* ® = Wärme- oder Kühlleistung bzw. Leistung, W

* At= Messintervall, s

Und zum Beispiel die Summe der Heizenergie während der Heizperiode:

ZQ = (9 * At) (GI. 2) Die thermische Wirkung des Heizkörpers, der Wärmeeintrag, kann beschrieben werden:

OD = V*p*C0*(Tw- Ta) (Gl. 3)

wobei

ee V = Volumenstrom des Wassers, m} /s * pp = Dichte von Wasser, kg/m®

® Cp= spezifische Wärmekapazität von Wasser, kJ/kgK

®* Tri = Rücklaufwassertemperatur,° C

Anmerkung: V * p = m = Massenstrom des Wassers, kg/s

Nachteil der aus dem Stand der Technik bekannten Methoden ist jedoch, dass meist nur die Wärmeleistung oder Kühlleistung der gesamten Wohneinheiten mit einem Durchflussmessgerät, das am Eingang der Heizleitung in die jeweilige Wohneinheit angeordnet ist, bestimmt werden kann, da der Aufwand bzw die Kosten zu groß wäre, jeden Heizkörper mit einem Durchflussmessgerät auszustatten. Auch ist es bei bestehenden Anlagen mit einem erheblichen Aufwand verbunden, nachträglich teure Durchflussmessgeräte einzubauen und daher, insbesondere bei bestehenden Anlagen,

unpraktisch und teuer, eine genaue Leistungserfassung zu ermöglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und genaues Verfahren zur Bestimmung der Wärme- oder Kühlleistung einzelner Heizkörper bzw. Wärmeelemente bereitzustellen, das einerseits bei bestehenden Anlagen einfach nachgerüstet werden kann und andererseits geringe Kosten beim Nachrüsten und der Erstellung von Heizanlagen verursacht. Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Leistung ® des Wärmeelements mittels einer Modellfunktion:

5, AT}

(GI. 9 ) bestimmt wird, wobei die Funktion fx und die Funktion fa des Wärmeelements mittels Untersuchungen an

= fie, AT) SAT m

einem Referenz-Wärmeelement ermittelt werden

Eine solche heizkörperspezifische Energiemessung ist für das _digitalisierte Heizungsnetzsystem relativ einfach zu realisieren. Vorlauf- und Rücklauftemperaturen können an der Heizkörperoberfläche oder am Heizmedium und die Raumtemperatur zum

Beispiel mit einem Wandthermostat gemessen werden.

Das hier erfindungsgemäße Energiemessverfahren bietet eine ausreichende Genauigkeit und eine faire Möglichkeit, die Heizkosten eines Gebäudes auf die jeweiligen Wohnungen bzw Wohneinheiten umzulegen. Die heizkörperspezifische Energiemessung in einem

digitalisierten Heizungsnetz ermöglicht auch eine automatisierte Abrechnung.

Ein erfindungsgemäßes Wärmeelement muss geeignet sein, Wärme aus dem Raum

abführen bzw aufnehmen oder an diesen Wärme abgeben zu können und kann

Besonders vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche näher definiert:

Um die Funktionen vorteilhaft mit einer hohen Genauigkeit bestimmen zu können kann optional vorgesehen sein, dass die Leistung ©; des Wärmeelements bei zumindest zwei Temperaturen t,t2 ‚... ti ermittelt wird, wobei die Faktoren ki und n; durch eine Regression nach der Gleichung ®; = k* ATi" anhand der ermittelten Leistung ®; bei den jeweiligen Temperauren ermittelt wird, wobei die Funktion fx und die Funktion fu mittels einer, insbesondere linearen, Regression für das jeweilige Wärmeelement unter den ermittelten

Faktoren ki und n; bestimmt werden.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Leistung ©; des Wärmeelements bei zumindest zwei Temperaturen t+,t2, ... ti ermittelt wird, wobei die jeweiligen Faktoren ki; und n; durch eine Regression nach der Norm der Gleichung ® = k * AT" anhand der ermittelten Leistung ©; bei den jeweiligen Temperauren ermittelt wird, wobei die Funktion fx mittels Regression aus der bei den jeweiligen Temperaturen t;,t,, ... ti ermittelten Faktors ki in Abhängigkeit von der

bei den jeweiligen Temperaturen vorliegenden relativen Kühlrate TRL-TRaum TvyL-T . . «us . . .

c/cn = EST ermittelt wird und wobei die Funktion fx mittels Regression aus der

bei den jeweiligen Temperaturen t+,t;, ... ti ermittelten Faktors n; in Abhängigkeit von der bei

TRL-TRaum TyL-TRaum

den jeweiligen Temperaturen t;,t, ... ti vorliegenden relativen Kühlrate c/cn = 0818

ermittelt wird.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung sieht vor eine Anordnung zur Durchführung des Erfindungsgemäßen Verfahrens bereitzustellen. Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass die Anordnung eine Auswerteeinheit umfasst, der die Messwerte der Temperturmesser zugeführt sind, die Wärmeleistung oder Kühlleistung © des Wärmeelements nach einem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt wird.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der Wärme- oder Kühlleistung eines Wärmeelements, Fig. 2 zeigt eine beispielhafte Bestimmung der Funktion fi, und Fig. 3 zeigt ein Diagramm, das der

Regression zur Bestimmung der Funktion fa zugrunde lag.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Bestimmung der Wärme- oder Kühlleistung eines Wärmeelements. Die Anordnung umfasst ein Wärmeelement, das als Heizkörper 1 ausgebildet und in einem Raum positioniert ist. In den Heizkörper 1 tritt am Vorlaufeingang 2 das warme Heizmedium in den Heizkörper 1, gibt Wärme über den Heizkörper 1 in den Raum ab und tritt als Rücklauf aus dem Rücklaufauslass 3 aus. Das Heizmedium kann dabei eine Flüssigkeit, ein Gas oder dampfförimg sein. An dem Heizkörper 1 ist jeweils im Bereich des Vorlaufeinlasses 2 und des Rücklaufauslasses 3 ein Temperaturmesser 6a, 6b, beispielsweise eine Temperatursonde, angeordnet. Der im Bereich des Vorlaufeinlasses 2 angeordnete Temperaturmesser 6a bestimmt somit die Temperatur des Vorlaufs Tv. und der Temperaturmesser 6b im Bereich des Rücklaufs die Temperatur des Rücklaufs 7a.. In dem Raum ist weiters ein Raumtemperaturmesser 4 angeordnet, mit dem die Lufttemperatur des Raums Traum bestimmt wird. Die Anordnung umfasst weiters eine Auswerteeinheit 5, der die einzelnen Messwerte der Temperaturmesser 4, 6a, 6b, also die Temperatur des Vorlaufs Tv, die Temperatur des Rücklaufs Tri und die Lufttemperatur des Raums Traum zugeführt werden. Die Auswerteeinheit 5 nimmt sodann die Bestimmung der Menge der Leistung durch den einzelnen Heizkörper1 bzw. das einzelne Wärmeelement nach dem

erfindungsgemäßen Verfahren vor.

Im Folgenden wird anhand einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens das Verfahren beispielhaft beschrieben:

Es ist auch bekannt, dass die Wärmeleistung eines Heizkörpers kann auch durch beschrieben werden: OD=k*AT", W (Gl. 4) wobei

e* k = strahlertypspezifischer Faktor

TvL—-T In: VL _* Raum TRL-T Raum

* n = Heizkörpertyp-spezifischer Temperaturexponent

Bei Standard-Durchflussbedingungen, die den Standardtemperaturen Tv_ /TR. / TRAaum = 75°C/65°C /20°C entsprechen, wobei Truam die Innentemperatur des Raumes ist, sind die Faktoren k und n Konstanten gemäß EN 442 und EN 16430. Bei normalen variablen Betriebsbedingungen sind k und n jedoch Funktionen des Wasserdurchsatzes und der Übertemperatur.

Bei den Berechnungen ist es möglich, bei Kenntnis der Heizkörper-Normwärmeleistung ®so und des Normwasserdurchflusses m} einen relativen Durchfluss m/m, zu verwenden.

Es wurde bei den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchung herausgefunden, dass der relative Durchfluss m/m} mit brauchbarer Genauigkeit durch sogenannte Kühlraten bzw c-Werte ersetzt werden kann. Auch bei unterschiedlichen Übertemperaturen mit StandardDurchflussbedingungen ist die Abkühlungsrate mit guter Genauigkeit für normal angeschlossene Wärmeelemente wie zB Plattenheizkörper konstant:

. Trı-T Mc = A Kan (Gl. 6)

TyL-TRaum Der Standardfluss m} mit den jeweiligen Standardtemperaturen Tv. /TR. / Traum = 75°C/ 65°C/ 20°C kann dann entsprechend formuliert werden:

nen = Zei Traum — 25720 — 0,818 (Gl. 7)

Der relative Durchfluss m/m} ergibt sich sodann zu

TRL-T Raum I — TyL-TRaum m/mn-c/cn = 5818 (Gl. 8) Da der Wert von c, mit ausreichender Genauigkeit konstant ist und somit nur die Kühlrate c und die Übertemperatur AT in der Wärmeleistungsberechnung für k und n benötigt werden, kann die Gleichung (Gl. 4) in der Form geschrieben werden: A FF. dc, AT) =f.ic, ATH*AT d=R{c, AT) (Gl. 9) Auf der Grundlage von Laborergebnissen zur Messung der Wärmeleistung unter verschiedenen Temperatur- und Durchflussbedingungen ist es möglich, mathematische

Regressionsmodelle fx und f} für jeden Heizkörpertyp zu erstellen, wobei die Temperaturen

Die vom Heizkörper 1 an den Raum abgegebene Energie kann dann nun nach Gleichung (GI. 2) berechnet werden. Je dichter das Messintervall ist, desto genauer ist das Ergebnis. Diese Methode vermittelt ein zuverlässiges Bild der Wärmeübertragung verschiedener Arten von Wärmeelementen in unterschiedlichen Betriebssituationen, was in

unterschiedlichen Laboruntersuchungen nachgewiesen wurde.

In Laborversuchen wurden das später verwendete Wärmeelement bzw. der Heizkörper 1 bzw. ein gleichartiges Referenzmodell untersucht und die relative Kühlrate c/ca anhand der Gleichung (Gl. 8) in zumindest zwei, bei dieser Ausführungsform drei, unterschiedlichen Temperaturen des Heizmediums untersucht. So wird die Temperatur des Heizmediums, das in den Heizkörper 1 eintritt, variiert und somit drei Vorlauftemperaturen Tyı1, Tvi2, Tvi3 dem Heizkörper 1 zu unterschiedlichen Zeitpunkten zugeführt und die jeweils bei den Vorlauftemperaturen Tvi1, Tvi2, via daraus resultierende Leistung ®;, ®,, ®3 des Wärmeelements sowie die jeweiligen Rücklauftemperatur Tauı, Trız, Tas und die Änderung der Raumtemperatur Traum, TRaum2, TRaums bestimmt. Die Ergebnisse von beispielhaften Messungen sind in Tabelle 1 dargestellt.

nn Messpunkte Modell Purmo 22-600-1400 Symbole Einheit 1 2 3 Datum 10.06.2022 | 10.06.2022 10.06.2022 Luftdruck p mbar 951,03 951,28 951,04 Bezugslufttemperatur tr °C 20,11 20,18 20,18 Vorlauftemperatur t1 °C 70,21 76,85 50,3 Rücklauftemperatur t2 °C 36,95 34,78 32,34 Temperaturspreizung t1-t2 K 33,27 42,07 17,96 Enthalpie im Vorlauf h. kJ/kg 293,97 321,74 210,69 Enthalpie im Rücklauf h, kJ/kg 154,9 145,84 135,64 Oberflächentemperatur der Wände: Lo °C 18,54 18,68 19,22 links vom Heizkörper gegenüber dem Heizkörper Lo °C 18,55 18,69 19,23 rechts vom Heizkörper Tr °C 18,56 18,7 19,25

des Bodens t °C 18,55 18,69 19,23 der Decke to °C 18,62 18,76 19,28 hinter dem Heizkörper Ta °C 32,95 32,18 28,58 Schichtungstemperaturen tn °C 19,53 19,63 19,8 0,05m über dem Boden 1,50m über dem Boden Em °C 20,53 20,56 20,38 0,05m unter der Decke La °C 22,4 22,38 21,54 Mittlere Wassertemperatur tn °C 53,58 55,81 41,32 Übertemperatur AT K 33,47 35,63 21,14 Wasserstrom Om kg/h 19,81 20,05 21,06 Wärmeleistung (gemessen) Da: W 765 640 439 Wärmeleistung bei 101,3kPa © W 793 666 455

Tabelle 1:

Für die einzelnen Temperaturen des Vorlaufs wird sodann über ein Regressionsverfahren die Faktoren k+,k2,ks und n+4,n2,N3 für die einzelnen Temperaturen Tvı1, Tv, Tvia des Vorlaufs mittels der Gleichung (Gl. 4) ®= k* AT" bestimmt. Die daraus erhaltenen Faktoren k+,k2,k3 und n+,n2,na werden sodann über die Verhältnisse Kühlraten bzw die relative Kühlrate c/c, abgebildet. Die jeweiligen Werte der In den Fig.2 und Fig. 3 abgebildeten Diagramme:

C/Cn K n 1 13,417 1,3104 0,2414 16,007 1,2827 0,1093 17,528 1,2751

Mittels eines Regressionsverfahrens wurden wie in den Diagrammen der Fig. 2 und Fig. 3 beispielhaft dargestellt werden die Funktionen fx und fa in Abhängigkeit der relativen Kühlrate c/c, bestimmt. So zeigt das Diagramm der Fig. 2 eine beispielhafte Bestimmung der Funktion fx und Fig. 3 ein Diagramm, das der Regression zur Bestimmung der Funktion

f„ zugrunde lagen.

In mehreren Untersuchungen wurde das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Referenzheizkörpers vom TYP Purmo 22-600-1400 (siehe Tabelle 1) untersucht: So wurde mit der erfindungsgemäßen Methode herausgefunden, dass eine Genauigkeit bzw. Abweichung von unter 2-3% erreicht wurde, die jedoch im Verhältnis zu bestehenden, aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren nur geringe Abweichungen zum Realwert darstellt und bei gleichzeitig einfacher Messung der einzelnen Parameter kostengünstig durchgeführt werden kann.

Alternativ zu dem oben beschriebenen Verfahren kann auch jedes andere Wärmeelement vorgesehen sein, in das ein Heizmedium eintritt, dessen Temperaturen im Einlass und Auslass bestimmbar sind. So kann das erfindungsgemäße Wärmeelement beispielsweise ein Heizkörper, ein Heizkonvektor, ein Paneel, ein Radiator oder ein Fan-Coil sein.

Alternativ zu den oben angeführten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahren kann anstelle der Wärmeleistung des Wärmeelements, also dem aufheizen des Raums, auch eine Kühlung des Raums durch eine Kühlleistung des Wärmeelements erfolgen bei der Wärmeaufnahme wir das Heizmedium mit einer Vorlauftemperatur Tv. unterhalb der Traumtemperatur Traum dem Wärmeelement zugeführt nimmt Wärme aus dem Raum auf und wird sodann mit einer höheren Rücklauftemperatur Tri aus dem Wärmeelement wieder ausgebracht. Das Verfahren zur Bestimmung der Wärmeabnahme kann dann entsprechend der Wärmeleistung auch für die Kühlleistung durchgeführt werden. Bei der Berechnung wird sodann lediglich eine negative Wärmeleistung ® als Ergebnis erhalten.

Claims (3)

1. Verfahren zur Bestimmung der Wärme- oder Kühlleistung eines Wärmeelements, insbesondere eines Heizkörpers (1), an einen Raum,

- wobei ein Heizmedium in dem Wärmeelement über einen Vorlaufeinlass (1) als Vorlauf eintritt, Wärme über das Wärmeelement an die Umgebung des Wärmeelements abgibt und als Rücklauf aus dem Wärmeelement an einem Rücklaufauslass (3) austritt, wobei jeweils ein Temperaturmesser (6a, 6b) am Vorlaufeinlass (2) und am Rücklaufauslass (3) vorgesehenen sind mit der die Temperatur (Tv) des in das Wärmeelement einströmenden Vorlaufs und die Temperatur (TR) des Rücklaufs gemessen wird,

- wobei die Lufttemperatur des Raumes (Traum) über einen Raumtemperaturmesser (4) bestimmt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

- die Wärme- und/oder Kühlleistung © des Wärmeelements mittels einer Modellfunktion:

Cs = Fe, AT} af (e AT) FAT TU (Gl. 9) bestimmt wird, - wobei die Funktion fx und die Funktion fa des Wärmeelements mittels

Untersuchungen an einem Referenz-Wärmeelement ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme- und/oder Kühlleistung ®i des Wärmeelements bei zumindest zwei Temperaturen t,t2 ,... ti ermittelt wird,

- wobei die Faktoren ki und n; durch eine Regression nach der Gleichung ©; = k* ATAn anhand der ermittelten Wärme- und/oder Kühlleistung ®; bei den jeweiligen Temperauren ermittelt wird, wobei die Funktion fx und die Funktion f„ mittels einer, insbesondere linearen, Regression für das jeweilige Wärmeelement unter den

ermittelten Faktoren ki und ni bestimmt werden.

3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme- und/oder Kühlleistung ©; des Wärmeelements bei zumindest zwei Temperaturen t+,t2, ... ti ermittelt wird,

- wobei die jeweiligen Faktoren k; und n; durch eine Regression nach der Norm der Gleichung ® = k+*AT” anhand der ermittelten Wärmeleistung und/oder der ermittelten Kühlleistung ®; bei den jeweiligen Temperauren ermittelt wird,

- wobei die Funktion fx mittels Regression aus der bei den jeweiligen Temperaturen t4,t2, ... ti ermittelten Faktors ki in Abhängigkeit von der bei den jeweiligen Temperaturen

TRL-TRaum TyL-TRaum 0,818

vorliegenden relative Kühlrate c/cn = ermittelt wird und wobei die

Funktion fa mittels Regression aus der bei den jeweiligen Temperaturen t+,tz, ... ti ermittelten Faktors ni in Abhängigkeit von der bei den jeweiligen Temperaturen t+,t2, ...

TRL-TRaum TVL-TRaum 0,818

ti vorliegenden relative Kühlrate c/cn = ermittelt wird.

Anordnung zur Bestimmung der Wärme- und/oder Kühlleistung eines Wärmeelements,

insbesondere eines Heizkörpers (1), an einen Raum,

- wobei in dem zu bestimmenden Raum zumindest ein Wärmeelement angeordnet ist in dem ein Heizmedium über einen Vorlaufeinlass (2) als Vorlauf eintritt, Wärme über das Wärmeelement an die Umgebung des Wärmeelements abgebbar ist und das Heizmedium als Rücklauf aus dem Wärmeelements an einem Rücklaufauslass (3) austreten kann,

- wobei im Bereich des Vorlaufeinlasses (2) und des Rücklaufauslasses (3) jeweils ein Temperaturmesser (6a, 6b) angeordnet ist, mit denen die Temperatur (Tv.) des in das Wärmeelement einströmenden Vorlaufs und die Temperatur (Tr) des Rücklaufs messbar ist,

- wobei in dem Raum ein Raumtemperaturmesser (4) angeordnet ist mit dem die Lufttemperatur des Raumes (Traum) bestimmbar ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Anordnung eine Auswerteeinheit (5) umfasst der die Messwerte der

Temperturmesser (6a, 6b, 4) zugeführt sind,

- die Wärmeleistung und/oder Kühlleistung © des Wärmeelements mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 durchgeführt wird.