DE102005045198B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers - Google Patents

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Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers (HK) beschrieben, bei denen die Heizkörpertemperatur DOLLAR I1 und die Raumtemperatur DOLLAR I2 gemessen und mit einer Korrekturgröße (K¶GES¶, K¶CW¶, K¶CL¶) in die gewünschten Wärmekenndaten umgerechnet werden. Um möglichst universell einsetzbare Korrekturgrößen zu erhalten, hängt die Korrekturgröße (K¶GES¶, K¶CW¶, K¶CL¶) von dem aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers (HK) ab, welcher durch die Heizkörpervorlauftemperatur DOLLAR I3, die Heizkörperrücklauftemperatur DOLLAR I4, die Heizkörperumgebungstemperatur, den Heizkörpermassenstrom und/oder die Heizkörperventilstellung bestimmbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers, bei dem die Heizkörpertemperatur und die Raumtemperatur gemessen und mit einer Korrekturgröße in die gewünschten Wärmekenndaten umgerechnet werden, sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
  • Insbesondere bei der Erfassung und Verteilung der Wärmemenge für die Raumheizung mittels elektronischer Heizkostenverteiler, aber auch bei der Bestimmung der Regelparameter für Einzelraumtemperaturregelungen werden bei modernen Systemen üblicher Weise Temperatur- und/oder Strömungswerte der Heizkörper gemessen, um daraus die benötigten Wärmekenndaten eines Heizkörpers zu bestimmen.
  • Elektronische Heizkostenverteiler, die dem heutigen Stand der Technik entsprechen, berechnen den Anzeigefortschritt der verbrauchten Wärmemenge (Wärmemengeninkrement) ΔQ auf Basis des Potenzgesetzes:
    Figure 00010001
    wobei Δt das Berechnungsintervall für das Wärmemengeninkrement, Q . die aktuelle Heizkörperleistung,
    Figure 00010002
    Nenn die Heizkörpernennleistung im Auslegungspunkt, Δlog die aktuelle logarithmische Übertemperatur, Δlog,Nenn die logarithmische Übertemperatur im Auslegungspunkt, z.B. im Auslegungspunkt (90,70,20) Δlog,60 = 59,44K, und n der Heizkörperexponent sind.
  • Die aktuelle logarithmische Übertemperatur Δlog kann bspw. mit einem elektronischen Heizkostenverteiler bestimmt werden, der mit zwei Temperatursensoren typischerweise die heizkörperseitige Temperatur ϑ ^HKS, bspw. die Heizkörper-Oberflächentemperatur an der Heizfläche, und die raumseitige Temperatur ϑ ^RLS, insbesondere die Heizkörperumgebungstemperatur in der Nähe des Heizkörpers, erfassen. Die logarithmische Übertemperatur Δlog wird dann wie folgt berechnet: Δlog = KGes·(ϑ ^EHKV,HKS – ϑ ^EHKV,RLS), wobei
    Figure 00020001
    einen Korrekturfaktor für den jeweiligen Heizkörper darstellt. Der Korrekturfaktor KGes kann auch in das Produkt eines wasserseitigen Korrekturfaktors
    Figure 00020002
    und eines luftseitigen Korrekturfaktors
    Figure 00020003
    aufgespaltet werden.
  • Die heizkörperspezifischen Korrekturfaktoren KGes, KCW, KCL werden aus den entsprechenden heizkörperspezifischen C-Werten berechnet, die für jeden Heizkörper entweder messtechnisch oder simulativ ermittelt werden müssen. In der heutigen Praxis der Heizkostenverteilung werden als C-Werte bzw. Korrekturfaktoren KGes, KCW, KCL einmal ermittelte, feste Werte verwendet.
  • In diesem Zusammenhang ist es bspw. aus der DE 101 08 847 C1 bekannt, zur Regelung der Raumtemperatur die mit den Sensoren gemessenen Temperaturwerte für die Raumlufttemperatur bei einer Zwei-Fühler-Messung mittels eines Korrekturalgorithmus zu korrigieren. Dadurch sollen insbesondere die verfäl schenden Einflüsse der Heizmediumtemperatur und der Strahlungseinfluss des Heizkörpers korrigiert werden.
  • Ferner ist aus der DE 101 08 852 C2 bekannt, bei einer Raumtemperaturregelung, welche auf einer Zwei-Fühler-Messung beruht, einen dritten Messfühler vorzusehen, um die Betriebskennlinie des Heizkörperschließventils zu ermitteln und die Regelparameter der Raumtemperaturregelung in Abhängigkeit von dem Arbeitspunkt des Ventils an die Betriebskennlinie anzupassen.
  • Die vorgenannten Korrekturen hängen jedoch von den heizkörperspezifischen Korrekturfaktoren ab und benötigen empirische Modelle für die Korrekturmechanismen. Die Ermittlung dieser Modelle ist aufwendig und lässt sich nicht universal für die Berechnung von Heizkörperkenndaten jeglicher Art heranziehen.
  • Ein ähnliches Verfahren ist aus der EP 1 376 084 A2 bekannt, bei dem zur Ermittlung eines der Normleistung eines Heizgerätes mit einem Gebläse entsprechenden Bewertungsfaktors für eine normgerechte Heizkostenabrechung der Betriebszustand des Heizgerätes durch Messen des Volumenstroms der angesaugten Zugluft berücksichtigt wird.
  • Für herkömmliche Heizkörper ist aus der DE 32 34 850 C2 ein Verfahren zur Ermittlung der abgegebenen Wärmemengen bekannt, bei dem für den verwendeten Heizkörpertyp spezifische Korrekturfaktoren verwendet werden.
  • In der EP 0 530 382 A1 werden zur Ermittlung der Heizleistung von Heizkörpern einer Einrohrheizung mit Heizkostenverteilern nach dem Verdunstungsprinzip Korrekturwerte so lange iterativ berechnet, bis die Abweichung kleiner als ein vorgegebener Grenzwert ist.
  • Ferner ist aus der DE 103 06 465 A1 ein Verfahren zur Parametrierung von Heizkostenverteilern bekannt, bei dem fest vorgegebene Kenngrößen in einem Heizkostenverteiler verwendet werden, um eine virtuelle Fühlertemperatur oder virtuelle Umgebungstemperatur zu bestimmen. Dies dient dazu, innerhalb einer Abrechnungseinheit Heizkostenverteiler unterschiedlicher Bauart verwenden zu können.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es daher, universell einsetzbare Korrekturgrößen vorzuschlagen, die zur Bestimmung einer Vielzahl von oder aller Wärmekenndaten des Heizkörpers herangezogen werden können.
  • Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Korrekturgröße von dem aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers abhängt, welcher durch die Heizkörpervorlauftemperatur, die Heizkörperrücklauftemperatur, die Heizkörperumgebungstemperatur, den Heizkörpermassenstrom und/oder die Heizkörperventilstellung bestimmbar ist. Dabei wird als Korrekturgröße vorzugsweise der Korrekturfaktor KGES für die Bestimmung der logarithmischen Übertemperatur verwendet, weil letzterer einen unmittelbaren Einfluss auf eine Vielzahl der interessierenden Wärmekenndaten eines Heizkörpers hat. Die Korrekturfaktoren KCW oder KCL finden bei der Bestimmung der aktuellen Heizkörperumgebungstemperatur Anwendung, die bspw. bei einer Berechnung von Heizkörperversorgungszuständen bzw. von Heizkörpervorlauf- oder Heiz körperrücklauftemperaturen benötigt werden, sofern die jeweils andere Temperatur bekannt ist.
  • Erfindungsgemäß soll die Korrekturgröße von dem aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers abhängen. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Korrekturgröße keineswegs, wie bei den bisherigen Verfahren angenommen, ein für einen Heizkörper konstanter Wert ist, sondern dass die Korrekturgröße teilweise erheblich von dem jeweiligen Arbeitspunkt des Heizkörpers abhängt. Dabei kann im Rahmen der erforderlichen Genauigkeit der Arbeitspunkt des Heizkörpers bereits durch Ermittlung einer der nachfolgenden Größen Heizkörpervorlauftemperatur, Heizkörperrücklauftemperatur, Heizkörperumgebungstemperatur, Heizkörpermassenstrom und/oder Heizkörperventilstellung mit ausreichender Genauigkeit festgelegt werden, so dass der Korrekturfaktor insbesondere als Funktion einer dieser Größen ausgebildet sein kann. Natürlich können auch die Wärmekenndaten selbst oder andere Korrekturgrößen als Zwischendaten von diesen Größen abhängen.
  • Im Gegensatz zu den bereits bekannten Verfahren zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers, beispielsweise des Wärmemengenverbrauchs, welche durch Verwendung eines festen, heizkörperspezifischen Korrekturfaktors nur eine ungenaue Berechnung der aktuellen logarithmischen Übertemperatur, der aktuellen Heizkörperwärmeleistung, der abgegebenen Wärmemenge bzw. des Wärmemengeninkrements oder dergleichen erlauben und aus diesem Grund zusätzliche Korrekturmechanismen erfordern, wird durch die korrekte Berücksichtigung des aktuellen Arbeitspunkts des Heizkörpers bei der Berechnung einer Korrekturgröße eine genaue Bestimmung der Wärmekenndaten eines Heizkörpers ohne individuelle Korrekturen für jede einzelne Größe ermöglicht. Insbesondere kann die Korrekturgröße selbst als von dem heizkörperspezifischen C-Wert abhängige Größe eine interessierende Größe der Wärmekenndaten des Heizkörpers sein.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können also die Wärmekenndaten und/oder die Korrekturgröße von der Heizkörperübertemperatur, welche durch die Differenz der Heizkörpertemperatur und der Raumtemperatur bzw. Heizkörperumgebungstemperatur gebildet wird, und von der Heizkörpervorlauftemperatur und/oder der Heizkörperrücklauftemperatur abhängen. Diese Temperaturen können einfach mit Hilfe von drei Heizkörpersensoren bestimmt werden, so dass das Verfahren messtechnisch besonders einfach umsetzbar ist.
  • Um die Anzahl der verschiedenen Korrekturmechanismen bei Anwendung des Verfahrens zu beschränken und insbesondere nur einen zentralen Korrekturmechanismus vorzusehen, werden die gemessenen Temperaturwerte, insbesondere die Heizkörpertemperatur, die Raumtemperatur und/oder die Heizkörperübertemperatur als unkorrigierte Temperaturmesswerte verwendet. Die einzige vorzunehmende Korrektur für die Bestimmung der Vielzahl der Wärmekenndaten des Heizkörpers liegt also in der Arbeitspunktabhängigkeit der Korrekturgröße von dem Heizkörper.
  • In einer besonders einfachen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Korrekturgröße und ggf. auch Wärmekenndaten in Form eines Polynoms berechnet werden, das mathematisch einfach handhabbar ist und mit dem sich die Abhängigkeit der Korrekturgröße von dem Arbeitspunkt des Heizkörpers mit guter und insbesondere im Rahmen der erforderlichen Genauigkeit ausreichenden Präzision nachbilden lässt.
  • Einfacherweise kann das Polynom, welches insbesondere zur Bestimmung der Korrekturgröße herangezogen wird, als Funktion der Heizkörpertemperatur, der Raumtemperatur, der Heizkörperumgebungstemperatur oder vorzugsweise der Heizkörperübertemperatur gebildet sein. Die Polynomkoeffizienten hängen dabei vorzugsweise von der Heizkörpervorlauf- oder der Heizkörperrücklauftemperatur ab. Es ist jedoch auch möglich, die Polynomkoeffizienten in Abhängigkeit des Heizkörpermassenstroms und der Heizkörperventilstellung auszubilden, um die Arbeitspunktabhängigkeit des Heizkörpers mit ausreichender Genauigkeit in den Polynomkoeffizienten abzubilden.
  • Es hat sich herausgestellt, dass ein Polynom zweiter Ordnung die Abhängigkeit der Korrekturgröße von dem Arbeitspunkt des Heizkörpers in geeigneter Weise beschreiben kann. Zur Bestimmung der Polynomkoeffizienten können diskrete Stützstellen in der Funktion der Polynomkoeffizienten in Abhängigkeit der Heizkörpervorlauftemperatur, der Heizkörperrücklauftemperatur, dem Heizkörpermassenstrom und/oder der Heizkörperventilstellung verwendet werden, um die Polynomkoeffizienten am Arbeitspunkt des Heizkörpers zu bestimmen. Es hat sich gezeigt, dass vier Stützstellen in dem in der Praxis benötigten Arbeitsbereich des Heizkörpers für eine hohe Genauigkeit ausreichend sind. Liegt beispielsweise die aktuell gemessene Heizkörpervorlauf- oder Heizkörperrücklauftemperatur zwischen den vorbestimmten Stützstellen, in denen die Polynomkoeffizienten ermittelt wurden, können an sich bekannte Interpolationsverfahren, beispielsweise eine lineare Interpolation, zum Einsatz kommen.
  • Besonders einfach lässt sich eine Berechnung von Wärmekenndaten mit einer universellen Korrektur erreichen, wenn die Wärmekenndaten, die Korrekturgröße und/oder ein Polynomkoeffizient von den Heizkörper-C-Werten abhängen, welche maßgeblich die Eigenschaften des Heizkörpers im Arbeitspunkt bestimmen.
  • Als Wärmekenndaten bzw. Berechnungszielgrößen des Heizkörpers können ein als Korrekturgröße verwendeter Korrekturfaktor, die unkorrigierte oder logarithmische Heizkörperübertemperatur des Heizkörpers, eine Heizkörperleistung, ein Wärmemengeninkrement, eine Heizkörperrücklauf- bzw. -vorlauftemperatur, ein Heizkörpermassenstrom, eine Heizkörperumgebungstemperatur, eine Heizkörperkennlinie, eine Ventilkennlinie und/oder eine Ventilautorität bestimmt werden. Für die Bestimmung der Heizkörper- bzw. Ventilkennlinie ist es vorteilhaft, wenn als weitere Eingangsgröße die Ventilhubstellung beispielsweise aus einer elektronischen Einzelraumtemperaturregelung bekannt ist, so dass die Heizkörper- bzw. Ventilkennlinie und schlussendlich auch die Ventilautorität mitlaufend automatisch berechnet werden können. Daher kann das vorliegende Verfahren auch für die automatische Adaption von Reglerparametern für elektronische Einzelraumregelungen verwendet werden, ähnlich dem in der DE 101 08 852 C2 beschriebenen Konzept.
  • Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers, welche insbesondere zur Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens geeignet und eingerichtet ist. Dazu weist die Vorrichtung einen ersten Temperatursensor zur Erfassung einer Heizkörpertemperatur, einen zweiten Temperatursensor zur Erfassung einer Raumtemperatur, insbesondere der Heizkörperumgebungstemperatur, mindestens einen weiteren Sensor zur Erfassung der Heizkörpervorlauftemperatur, der Heizkörperrücklauftemperatur, des Heizkörpermassenstroms und/oder der Heizkörperventilstellung und eine Recheneinheit zur Berechnung von Wärmekenndaten auf. Um erfindungsgemäß die Abhängigkeit vom Arbeitspunkt des Heizkörpers zu berücksichtigen, ist in der Recheneinheit ein Modul zur Bestimmung einer Korrekturgröße in Abhängigkeit von dem durch die Heizkörpervorlauftemperatur, die Heizkörperrücklauftemperatur, die Heizkörperumgebungstemperatur, den Heizkörpermassenstrom und/oder die Heizkörperventilstellung bestimmten aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers sowie ein Modul zur Bestimmung der Wärmekenndaten vorgesehen.
  • Vorzugsweise sind dabei der erste und der zweite Temperatursensor in einem herkömmlichen Heizkostenverteiler integriert, wie er bereits vielfältig im Einsatz ist.
  • Der weitere Sensor kann erfindungsgemäß ein Heizkörpertemperatur- oder Gebäudevorlauftemperatursensor, ein Heizkörpertemperaturrücklaufsensor, ein Massenstromsensor und/oder ein Ventilstellungssensor sein. Es ist auch möglich, dass die Sensoren einer Einzelraumtemperaturregelung verwendet werden, welche typischer Weise an dem Vorlauf eines Heizkörpers angebracht ist und einen Vorlauftemperatur- und einen Umgebungstemperatursensor aufweist. Anstelle einer berechneten (korrigierten) Heizkörperumgebungskorrektur kann dann die gemessene Raumlufttemperatur des Umgebungstemperatursensors als zusätzliche Hilfs- oder Referenzgröße für die Berechung der Wärmekenndaten verwendet werden.
  • Ferner kann die Recheneinheit in einem Datensammler integriert sein, der in der Regel ohnehin einen Datenprozessor aufweist.
  • Daher ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung in Heizungsanlagen einfach nachrüstbar, die bereits mit elektronischen und kommunikationsfähigen Heizkostenverteilern ausgestattet wurden. Zusätzlich ist dann insbesondere lediglich ein weiterer Sensor, vorzugsweise ein Vorlauf- oder Rücklauftemperatursensor notwendig. Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendige Logik kann einfacher Weise in einen zentralen oder dezentralen, intelligenten Datensammler integriert werden, welcher vorzugsweise bidirektionale Kommunikationsmöglichkeiten aufweist. Bei der nachträglichen Installation der ein System bildenden Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Verfahrensablauf auch durch eine nachladbare Software in der Recheneinheit installiert werden. Damit kann für das System die bereits bestehende Technik verfügbarer, kostengünstiger elektronischer und kommunikationsfähiger Heizko stenverteiler, beispielsweise auch Funkheizkostenverteiler, verwendet werden, die in bestehenden Heizungsanlagen einfach installierbar oder nachinstallierbar sind.
    •
  • Ausführungsbeispiele und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung.
  • Es zeigen:
  • 1 die Abhängigkeit des Korrekturfaktors von dem Massenstromverhältnis;
  • 2 die Abhängigkeit des Korrekturfaktors von der gemessenen Übertemperatur des Heizkostenverteilers;
  • 3 den Signalflussplan zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß 3;
  • 5 den Signalflussplan zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß 5;
  • 7 den Signalflussplan zur Durchführung des Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
  • 8 eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß 7;
  • 9 die logarithmische Übertemperatur in Abhängigkeit von dem Massenstromverhältnis für verschiedene Vorlauftemperaturen;
  • 10 die Heizkörperleistung in Abhängigkeit von dem Massenstromverhältnis für verschiedene Vorlauftemperaturen;
  • 11 die im Heizkostenverteiler gemessene Lufttemperatur in Abhängigkeit von dem Massenstromverhältnis für verschiedene Vorlauftemperaturen;
  • 12 die tatsächliche Lufttemperatur in Abhängigkeit von dem Massenstromverhältnis für verschiedene Vorlauftemperaturen;
  • 13 den relativen Volumenstrom in Abhängigkeit von dem relativen Ventilhub für verschiedene Ventilautoritäten und
  • 14 die relative Heizkörperleistung in Abhängigkeit von dem relativen Ventilhub für verschiedene Ventilautoritäten.
  • Bisher werden bei elektronischen Heizkostenverteilern das zur Erfassung der verbrauchten Wärmemenge erforderliche Wärmeinkrement ΔQ in einem Berechnungsintervall Δt aus der Heizkörpernennleistung
    Figure 00110001
    Nenn im Auslegungspunkt und dem Verhältnis der aktuellen logarithmischen Übertemperatur Δlog zu der logarithmischen Übertemperatur im Auslegungspunkt Δlog,Nenn berechnet. Die logarithmische Übertemperatur Δlog ist dabei als Differenz aus der heizkörperseitigen Temperatur ϑ ^HKS und der raumseitigen Temperatur ϑ ^RLS gebildet, welche mit einem Korrekturfaktor KGES multipliziert wird.
  • In der bisherigen Praxis wird dieser Korrekturfaktor KGES als konstant angenommen.
  • Da dieser Korrekturfaktor KGES, welcher von reziproken, heizkörperspezifischen C-Werten abhängt, jedoch mit dem jeweiligen Arbeitspunkt des Heizkörpers variiert, wird durch die Verwendung eines konstanten Korrekturfaktors KGES ein mehr oder weniger großer Fehler in der Berechnung der Wärmemenge oder anderer Wärmekenndaten des Heizkörpers gemacht.
  • Die Abhängigkeit des Korrekturfaktors von dem beispielsweise durch das Massenstromverhältnis oder die gemessene Übertemperatur charakterisierten Arbeitspunkt des Heizkörpers ist für verschiedene Vorlauftemperaturen in den 1 und 2 dargestellt. In den dargestellten Kennlinienbildern ist mit dem Bezugszeichen 1 jeweils der unkorrigierte, konstante Korrekturfaktor KGES dargestellt. Die tatsächliche Abhängigkeit zeigen die durchgezogenen Linien mit den Bezugszeichen 2 bis 6, die in einem Prüfstand gemessen wurden. Als gepunktete Linien ist eine verwendete Approximation des Korrekturfaktors KGES dargestellt.
  • Um diese Abhängigkeiten zu berücksichtigen, wird bei einem Verfahren zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers, welche sowohl Zwischen- als auch Zielgrößen sein können, eine Korrekturgröße KGES verwendet, die von dem aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers abhängt und die dargestellte Abhängigkeit berücksichtigt. Diese Korrekturgröße, welche eine Zwischengröße bei der Berechnung der Wärmekenndaten des Heizkörpers darstellt und mit dem C-Wert des Heizkörpers korreliert ist, kann beispielsweise zur Berech nung der aktuellen logarithmischen Heizkörperübertemperatur Δlog, der aktuellen Heizkörperwärmeleistung Q . und der abgegebenen Heizkörperwärmemenge bzw. des Anzeigefortschritts des Wärmeinkrements ΔQ des Heizkostenverteilers verwendet werden. Somit wird durch diese eine Korrekturgröße KGES, welche einen Faktor zu den gemessenen Heizkörper- und Umgebungstemperaturen darstellt, eine universelle Größe bestimmt, die zur Verwendung sämtlicher bzw. einer Vielzahl der Wärmekenndaten des Heizkörpers gleichermaßen verwendet werden kann, ohne dass individuelle Korrekturen vorgenommen werden müssen.
  • Das Verfahren wird für eine erste Ausführungsform anhand des in 3 dargestellten Signalflussplans näher beschrieben. Mittels einer Messeinrichtung am Heizkörper werden eine Heizkörpertemperatur
    Figure 00130001
    HKS und eine Raumtemperatur ϑ ^RLS gemessen, deren Differenz die gemessene Heizkörperübertemperatur Δϑ ergibt. Die Messeinrichtung am Heizkörper kann beispielsweise ein Heizkostenverteiler 1 sein. Ferner ist die gesamte Vorlauftemperatur ϑ ^GVL im Gebäude bekannt, welche über ein Rohrmodell 2 in eine Heizkörpervorlauftemperatur ϑ ^VL umgerechnet wird. Dazu wird der Vorlauftemperaturverlust in dem Heizungsrohrsystem in Abhängigkeit von der Länge der Vorlauftemperaturzuleitung zu dem Heizkörper sowie ggf. weiterer Einflussgrößen wie Lage der Rohre, Wärmeschutzummantelung und dergleichen bestimmt.
  • Diese Eingangsgrößen ϑ ^HKS, ϑ ^RLS bzw. Δϑ und ϑ ^VL werden einer Recheneinheit 3 zugeleitet, die ein Modul 4 zur Bestimmung einer Korrekturgröße KGES, KCW, KCL und ein Modul 5 zur Bestimmung von Wärmekenndaten aufweist.
  • Bei der in dem Modul 4 bestimmten Korrekturgröße handelt es sich um einen oder mehrere der Korrekturfaktor KGES, KCW, KCL. Der Korrekturfaktor KGES wird mit der Differenz der gemessenen, unkorrigierten Temperaturwerte ϑ ^HKS und ϑ ^RLS zur logarithmischen Heizkörperübertemperatur Δlog, einer der Wärmekenndaten des Heizkörpers, multipliziert. Weitere Wärmekenndaten können die aktuelle Heizkörperwärmeleistung
    Figure 00140001
    , das abgegebene Heizkörperwärmemengeninkrement ΔQ, die mit der abgegebenen Wärmemenge einhergehenden Kosten sein. Ferner können auch unter Verwendung der Korrekturgrößen KCW, KCL die Rücklauftemperatur (bei bekannter Vorlauftemperatur oder umgekehrt) ein Versorgungszustand des Raumes oder Heizkörpers zur Wärmeadaptionsregelung und/oder eine Heizkörper- und Ventilkennlinie sein.
  • Die Arbeitspunktabhängigkeit wird also dadurch berücksichtigt, dass zusätzlich zu den in einem Heizkostenverteiler 1 ohnehin messtechnisch erfassten heizkörperseitigen und raumseitigen Temperaturen, insbesondere der Heizkörperoberflächentemperatur und der Raumlufttemperatur, entweder die Heizkörpervorlauf- oder die Heizkörperrücklauftemperatur messtechnisch erfasst wird und in die Berechnung der Zwischen- und Zielgrößen (KGES, Δlog u.a.) eingeht. Dabei ist es besonders vorteilhaft, die zu berechnende Ziel- oder Zwischengröße in Abhängigkeit der unkorrigierten, gemessenen Heizkörperübertemperatur Δϑ und der zusätzlich erfassten Vor- und Rücklauftemperatur ϑ ^VL, ϑ ^RL zu berechnen.
  • Die Kombination aus aktueller Vor- bzw. Rücklauftemperatur ϑ ^VL, ϑ ^RL und der aktuellen Heizkörperübertemperatur Δϑ stellt eine eindeutige Beschreibung des Heizkörperarbeitspunktes dar.
  • In dem Modul 4 wird der Korrekturfaktor KGES, KCW, KCL bzw. die entsprechende Ziel- oder Zwischengröße in Form eines Polynoms berechnet, wobei die von der Heizkörperübertemperatur Δϑ unabhängigen Polynomkoeffizienten am in Ab hängigkeit der zusätzlich erfassten Vor- oder Rücklauftemperatur ϑ ^VL, ϑ ^RL bestimmt werden. Das bietet den wesentlichen Vorteil, dass diese Polynomkoeffizienten am aus den ohnehin erforderlichen Heizkörper-C-Wertmessungen vorab ermittelt werden können und somit als Parametersatz in die Algorithmik des Moduls 4 eingehen können. Die Berechnung wird nachfolgend beispielhaft für den Korrekturfaktor KGES dargestellt:
    Figure 00150001
    ΔEHKV = ϑEHKV,HKS – ϑEHKV,RLS die unkorrigierte EHKV-Übertemperatur Δϑ und die Maritx
    Figure 00150002
    Polynomkoeffizienten in den Stützpunkten der Vorlauftemperatur sind.
  • Gute Ergebnisse erzielt man bereits mit einem Polynom zweiter Ordnung und mit 4 Stützstellen in der Heizkörpervorlauf- oder der Heizkörperrücklauftemperatur ϑ ^VL, ϑ ^RL.
  • Liegt die gemessene aktuelle Heizkörpervorlauf- oder Heizkörperrücklauftemperatur ϑ ^VL, ϑ ^RL zwischen den verwendeten Stützstellen, in denen die Polynomkoeffizienten am ermittelt wurden, so können etablierte Interpolationsverfahren zum Einsatz kommen. Gute Ergebnisse werden bereits mit einem linearen Interpolationsansatz erzielt:
    Figure 00160001
    • ϑ unten / VL der untere Stützpunkt der Vorlauftemperatur,
    • ϑ oben / VL der obere Stützpunkt der Vorlauftemperatur und
    • ΔEHKV = ϑEHKV,HKS – ϑEHKV,RLS die unkorrigierte EHKV-Übertemperatur Δϑ sind.
  • Mit Hilfe des somit arbeitspunktabhängig ermittelten Korrekturfaktors KGES werden in dem Modul 5 dann die folgenden Wärmekenndaten bzw. Zielgrößen arbeitspunktabhängig berechnet:
    Figure 00160002
    als aktuelle logarithmische Heizkörper-Übertemperatur,
    Figure 00160003
    als aktuelle Heizkörperleistung
    Figure 00160004
    als aktuelles Wärmemengeninkrement.
  • Weitere Zielgrößen wie etwa der aktuelle Heizkörpermassenstrom, die aktuelle Heizkörperumgebungstemperatur, die Heizkörperrücklauftemperatur (bei be kannter Vorlauftemperatur) oder die Heizkörpervorlauftemperatur (bei bekannter Rücklauftemperatur) lassen sich nach dem gleichen Verfahren aus den C-Wertmessungen ermitteln:
    Figure 00170001
  • Die Vorrichtung zur Durchführung des zuvor in Bezug auf 3 beschriebenen Verfahrens ist in 4 dargestellt.
  • Die dargestellte Vorrichtung 6 bildet ein System mit den nachfolgend beschrieben Einrichtungen und weist an den Heizkörpern HK montierte Heizkostenverteiler 1 auf, welche über Kommunikationswege 7 mit der die Module 4 und 5 beinhaltenden Recheneinheit 3 in Verbindung stehen, die beispielsweise in einem Datensammler integriert sein kann. Die Kommunikation kann drahtgebunden, über Funk oder über ein Powerline-Busnetz erfolgen, wobei jegliche Kommunikationsverbindungen grundsätzlich geeignet sind. Ferner ist an dem gebäudezentralen Vorlauf der Heizkörper HK ein Vorlauftemperatursensor 8 angeordnet, der die Gesamtvorlauftemperatur des Gebäudes ϑ ^GVL misst. Diese wird in der Recheneinheit 3 mittels des Rohrmodells 2 in eine Heizkörpervorlauftemperatur des jeweiligen Heizkörpers HK umgerechnet.
  • In 5 ist eine Variante des in 3 beschriebenen Verfahrens dargestellt, bei dem die Vorlauftemperatur nicht zentral an einer Stelle des Gebäudes, sondern jeweils an dem Heizkörpervorlauf gemessen wird. Daher entfällt die Umrechnung der gesamten Vorlauftemperatur ϑ ^GVL des Gebäudes in dem Rohrmodell 2.
  • Ansonsten entspricht die in 5 dargestellte Variante dem in 3 beschriebenen Verfahren, so dass auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen werden kann. Entsprechendes gilt für die in 6 dargestellte, nachfolgend auch als System bezeichnete Vorrichtung 6, die anstelle eines zentralen Vorlauftemperatursensors 8 zwei Heizkörper- Vorlauftemperatursensoren 9 an jedem Vorlauf eines Heizkörpers HK aufweist. Die in den 7 und 8 dargestellten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Systems beruhen darauf, dass anstelle der Vorlauftemperatur die Rücklauftemperatur zur Festlegung des Arbeitspunktes des Heizkörpers gemessen wird, so dass anstelle der Heizkörper-Vorlauftemperatursensoren 9 dementsprechend Heizkörper-Rücklauftemperatursensoren 10 vorgesehen sind. Im übrigen funktioniert auch die dritte Ausführungsform der Erfindung wie zuvor beschrieben.
  • In den 9 und 10 werden weitere Varianten des Systems 6 gemäß 4 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, die grundsätzlich ähnlich aufgebaut sind, so dass nachfolgend nur auf die Unterschiede eingegangen wird.
  • Bei der in 9 dargestellten Variante des Systems 6 ist zusätzlich zu dem Vorlauftemperatursensor 8 ein Lufttemperatursensor 11 in der Nähe eines jeden Heizkörpers HK zur Messung der Heizkörperumgebungstemperatur vorgesehen, welche anstelle der berechneten Heizkörperumgebungstemperatur als zusätzliche Hilfs- oder Referenzgröße für die Berechnung bestimmter Wärmekenndaten der Heizkörper, insbesondere eines Heizkörperversorgungszustands, verwendet werden kann.
  • Das in 10 gezeigte System 6 zeigt eine in der Praxis interessante Kombination eines Heizkostenverteilers 1 und einer elektronischen Einzelraumtemperaturregelung 12, die ein Stellglied für das Heizkörperventil und einen Vorlauftemperatursensor 9 aufweist. Ferner kann in die Einzelraumtemperaturregelung 12 ein zusätzlicher Raumlufttemperatursensor integriert sein. Der an dem Heizkörperventil, also typischer Weise Heizkörpervorlauf angebrachte Regler der elektronischen Einzelraumtemperaturregelung 12 mit einem Vorlauftemperatur- und/oder einem Raumlufttemperatursensor kann die Temperaturwerte an die zentrale oder dezentrale Auswerteeinheit 3 und/oder direkt oder indirekt an die zugeordneten Heizkostenverteiler übertragen. Damit kann das Verfahren in einem bestehenden System ohne wesentliche Nachinstallationen abgewendet werden und ist mit Lösungen für kommunikationsfähige Einzelraumtemperaturregelungen unmittelbar kombinierbar.
  • Beispielhaft werden in den 11 bis 16 die Ergebnisse des Verfahrens für die Bestimmung der logarithmischen Übertemperatur, der Heizkörperleistung, der am elektrischen Heizkörperverteiler gemessenen Lufttemperatur sowie der tatsächlichen Lufttemperatur, jeweils aufgetragen gegen das Massenstromverhältnis dargestellt, wobei die durchgezogenen Linien die tatsächlich auf einem Prüfstand gemessenen Messwerte, die gepunkteten Linien die aus den unkorrigierten Daten abgeleiteten Werte und die gestrichelten Linien die Ergebnisse der Anwendung des vorliegenden Verfahrens jeweils für verschiedene Vorlauftemperaturen darstellen. In den 15 und 16 sind die Kennlinien linearer Stellventile und die relative Heizkörperleistung als Funktion des relativen Ventilhubs für verschiedene Ventilautoritäten dargestellt.
  • Durch Anwendung des Verfahrens bzw. Installation der als System ausgebildeten Vorrichtung in einer bestehenden Heizungsanlage ist es also auf einfache Weise möglich, die zu berechnenden Wärmekenndaten bzw. Zielgrößen des Heizkörpers auf einfache Weise miteinander zu verknüpfen, weil die anzuwendenden Korrekturwerte den tatsächlichen Arbeitspunkt des Heizkörpers berücksichtigen und somit universell gültig sind. So können aus dem berechneten Heizkörpermassenstrom und der Heizkörperleistung auch die Heizkörperkennlinien ermittelt werden. Sind außerdem noch Ventilhubstellungen bekannt, beispielsweise von einer elektronischen Einzelraumregelung, so kann zusätzlich die Heizkörper- bzw. die Ventilkennlinie und schlussendlich die Ventilautorität mitlaufend automatisch berechnet werden. Diese Ergebnisse können für die automatische Adaption von Regelparametern für die elektronische Einzelraumregelung Verwendung finden.
    • 1
    Heizkostenverteiler
    2
    Rohrmodell
    3
    Recheneinheit
    4
    Modul zur Bestimmung einer Korrekturgröße
    5
    Modul zur Bestimmung der Wärmekenndaten
    6
    System, Vorrichtung
    7
    Kommunikationswege
    8
    Vorlauftemperatursensor
    9
    Heizkörper-Vorlauftemperatursensoren
    10
    Heizkörper-Rücklauftemperatursensoren
    11
    Lufttemperatursensor
    12
    Einzelraumtemperaturregelung
    HK
    Heizkörper
    ΔQ
    Wärmemengeninkrement
    ϑ ^HKS
    Heizkörpertemperatur, Heizkörperoberflächentemperatur
    ϑ ^RLS
    Raumtemperatur
    KGES
    Korrekturgröße. Korrekturfaktor
    ϑ ^VL
    Heizkörpervorlauftemperatur
    ϑ ^GWL
    Gesamtvorlauftemperatur
    ϑ ^RL
    Heizkörperrücklauftemperatur
    Δϑ
    Heizkörperübertemperatur
    Δlog
    logarithmische Heizkörperübertemperatur

Claims (14)

  1. Verfahren zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers (HK), bei dem die Heizkörpertemperatur (ϑ ^HKS) und die Raumtemperatur (ϑ ^RLS) gemessen und mit einer Korrekturgröße (KGES) in die gewünschten Wärmekenndaten umgerechnet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturgröße (KGES) von dem aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers (HK) abhängt, welcher durch die Heizkörpervorlauftemperatur (ϑ ^VL), die Heizkörperrücklauftemperatur (ϑ ^RL), die Heizkörperumgebungstemperatur, den Heizkörpermassenstrom und/oder die Heizkörperventilstellung bestimmbar ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkörpertemperatur (ϑ ^HKS) und/oder die Raumtemperatur (ϑ ^RLS) als unkorrigierte Temperaturmesswerte verwendet werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekenndaten und/oder die Korrekturgröße (KGES) von der Heizkörperübertemperatur (Δϑ), welche durch die Differenz der Heizkörpertemperatur (ϑ ^HKS) und der Raumtemperatur (ϑ ^RLS) gebildet wird, und von der Heizkörpervorlauftemperatur (ϑ ^VL) und/oder der Heizkörperrücklauftemperatur (ϑ ^RL) abhängen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkörperübertemperatur (Δϑ) als unkorrigierter Temperaturmesswert verwendet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekenndaten und/oder die Korrekturgröße (KGES) in Form eines Polynoms berechnet werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Polynom als Funktion der Heizkörpertemperatur (ϑ ^HKS), der Raumtemperatur (ϑ ^RLS) oder der Heizkörperübertemperatur (Δϑ) gebildet ist und Polynomkoeffizienten (am) von der Heizkörpervorlauftemperatur (ϑ ^VL), der Heizkörperrücklauftemperatur (ϑ ^RL), dem Heizkörpermassenstrom und/oder der Heizkörperventilstellung abhängen.
  7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polynom zweiter Ordnung mit vier Stützstellen in der Heizkörpervorlauftemperatur (ϑ ^VL), der Heizkörperrücklauftemperatur (ϑ ^RL), dem Heizkörpermassenstrom und/oder der Heizkörperventilstellung verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass einer der oder mehrere Polynomkoeffizienten (am) von Heizkörper-C-Werten abhängen.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmekenndaten und/oder die Korrekturgröße (KGES) von Heizkörper-C-Werten abhängen.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als die Wärmekenndaten des Heizkörpers (HK) ein als Korrekturgröße verwendeter Korrekturfaktor (KGES), eine Heizkörperübertemperatur (Δϑ) eines Heizkörpers (HK), eine Heizkörperleistung (Q .), ein Wärmemengeninkrement (ΔQ), eine Heizkörperrücklauf- oder -vorlauftemperatur (ϑ ^RL, ϑ ^VL), ein Heizkörpermassenstrom, eine Heizkörperumgebungstemperatur, eine Heizkörperkennlinie, eine Ventilkennlinie und/oder eine Ventilautorität bestimmt werden.
  11. Vorrichtung zur Bestimmung von Wärmekenndaten eines Heizkörpers (HK) mit einem ersten Temperatursensor zur Erfassung einer Heizkörpertemperatur (ϑ ^HKS), einem zweiten Temperatursensor zur Erfassung einer Raumtemperatur (ϑ ^RLS), mindestens einem weiteren Sensor (8, 9, 10) zur Erfassung der Heizkörpervorlauftemperatur (ϑ ^VL), der Heizkörperrücklauftemperatur (ϑ ^RL), des Heizkörpermassenstroms und/oder der Heizkörperventilstellung und einer Recheneinheit (3) zur Berechnung der Wärmekenndaten, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (3) ein Modul (4) zur Bestimmung einer Korrekturgröße (KGES) in Abhängigkeit von dem durch die Heizkörpervorlauftemperatur (ϑ ^VL), die Heizkörperrücklauftemperatur (ϑ ^RL), die Heizkörperumgebungstemperatur, den Heizkörpermassenstrom und/oder die Heizkörperventilstellung bestimmten aktuellen Arbeitspunkt des Heizkörpers und ein Modul (5) zur Bestimmung der Wärmekenndaten aufweist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Temperatursensor in einem Heizkostenverteiler (1) integriert sind.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Sensor (8, 9, 10) ein Heizkörpertemperatur- oder Gebäudevorlauftemperatursensor (8, 9), ein Heizkörpertemperaturrücklaufsensor (10), ein Massenstromsensor und/oder ein Ventilstellungssensor ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinheit (3) in einem Datensammler integriert ist.
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