DE102005046235A1

DE102005046235A1 - Anordnung und Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere Wärme- und Kälteanlagen

Info

Publication number: DE102005046235A1
Application number: DE200510046235
Authority: DE
Inventors: Marek Gross
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-28
Filing date: 2005-09-28
Publication date: 2007-03-29

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gerätetechnische Anordnung und ein Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere Wärme- und Kälteanlagen, zu schaffen, die eine Ermittlung des momentanen Wirkungsgrades ermöglicht und damit eine Einordnung bezüglich der Effizienz der Energieumwandlungsanlage zulässt. DOLLAR A Die Wirkungsgradermittlung erfolgt durch eine zeitnahe Erfassung der wirkungsgradrelevanten Größen, insbesondere Temperaturen, Durchflussmengen und elektrische Größen mit entsprechenden Messgeräten. Aus den Messwerten wird in einem Berechnungsmodul unter Verwendung eingebbarer Stoffkennwerte und anderer Konstanten der Wirkungsgrad zeitnah ermittelt. Damit sind Voraussetzungen für eine Optimierung des Betriebs der Energieumwandlungsanlage, insbesondere der Steuer- und Regelfunktionen, und infolgedessen eine Brennstoff- und eine Elektroenergieeinsparung in wirtschaftlich bedeutender Größenordnung gegeben. DOLLAR A Einsatzgebiet der Erfindung ist die Mess-, Steuer- und Regeltechnik sowie Automatisierungstechnik von Energieanlagen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren zur Ermittlung, Visualisierung und Speicherung von Wirkungsgraden und wirkungsgradrelevanter Größen von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere Wärme- und Kälteanlagen, die mit Hilfe einer speziellen Anordnung von Messgeräten, Berechnungsmodul, Ausgabe- und Speichereinheiten sowie geeigneter Schaltungsanordnung realisiert werden.
Für die Wärme- und Kältebereitstellung in Gebäuden kommen vorrangig die Energieträger Gas, Erdöl, verschiedene feste Brennstoffe, Elektroenergie und Energie aus regenerativen Energiequellen in entsprechenden Energieumwandlungsanlagen zum Einsatz. Alternativ kann die Versorgung über Fern- bzw. Nahwärme erfolgen. Ebenso wird Prozeßwärme unter Nutzung unterschiedlicher Energieträger in Energieumwandlungsanlagen bereitgestellt.
Die Vorkommen an fossilen Energieträgern sind erschöpflich und deren Verwendung ist mit negativen Umweltfolgen verbunden. Alle Energieträger sind kostenrelevant. Demzufolge ist die Reduzierung des Energieeinsatzes geboten. Dies kann insbesondere dadurch erfolgen, dass durch Erhöhung des Wirkungsgrades bei der Energieumwandlung bei gleichem Nutzen weniger Energie eingesetzt werden muss. Letztlich werden auf diese Weise die Umwandlungsverluste reduziert.
Um die Energie möglichst effizient zu verwenden, bietet die Industrie eine Vielzahl von Messgeräten sowie von Steuer- und Regelgeräten an. Diese Geräte dienen größtenteils der Einhaltung optimaler Temperaturen von Heizkesseln, Warmwasserbereitern, Nutzräumen, etc. Heizkesselregler, Heizungsregler und Lüftungsregler sparen insbesondere mit den Temperaturregelungen Brennstoff und zusätzlich Elektroenergie beim Betrieb der Nebenaggregate, wie z.B. Heizungspumpen und Lüftermotoren. Messgeräte, wie Temperaturmessgeräte für Vorlauftemperaturen und Rücklauftemperaturen, dienen zur Kontrolle der Betriebsgrößen und damit der Wirksamkeit der Steuerungen und Regelungen. Elektroenergiezähler, Gaszähler, Wärmezähler und Ölzähler werden zur Abrechnung der Energie- bzw. Brennstoffkosten verwendet. Zur fortlaufenden Kontrolle mehrerer Betriebsgrößen werden Computer an die Elektroenergiezähler oder Wärmezähler angeschlossen, die Messwertaufzeichnungen relevanter Betriebsgrößen ermöglichen und als Zahlenreihen oder als Kennlinien in Diagrammen dargestellt werden können.
Der Energieverbrauch der einzelnen Energieumwandlungsanlagen ist außer von den Außentemperaturen auch von der Wärmeisolierung des Gebäudes und Anlagentechnik sowie von den Gebäudenutzern, hautsächlich aber vom Wirkungsgrad der Gebäudetechnik abhängig. Die Energieeinsparverordnung schreibt für Gebäude bestimmte Energieverbrauchskennwerte vor, die durch Wärmeisolierung und Einsatz von Energiespartechnik erreicht werden können.
Die Heizkostenverordnung schreibt für Mieträume eine genaue Verteilung der Heizkosten nach den Anteilen der einzelnen Energieverbraucher vor. Beim derzeitigen Stand der Technik verbraucht die Gebäudetechnik in vielen Gebäuden zu viel Brennstoff und Elektroenergie. Die Gebäudetechnik ist ein komplexes System aus den Berechnungen der Planungsunterlagen, den Funktionsbaugruppen und den Steuerungen.

Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Messgeräten und Schaltungsanordnungen zur Ermittlung der abgegebenen Wärmemenge bekannt. In der DE-OS 35 25 224 ist eine Schaltung zur separaten Erfassung des Wärmeenergieverbrauches mehrerer, von einer Energiezentrale gespeister Nutzeinheiten beschrieben. Dabei werden die Daten eines Vorlauftemperaturfühlers, eines Rücklauftemperaturfühlers und eines Volumenzählers pro Nutzeinheit in gesondert ermittelt. Die den einzelnen Nutzereinheiten zugeordneten Temperaturfühlern und Volumenzähler sind einem außerhalb angeordneten Rechenwerk, in dem die Wärmemengen ermittelt werden, verbunden. Diese Schaltungsanordnung hat keine Rückmeldeschleife. Ohne Rückmeldeschleife kann allerdings der Anteil der Wärmeenergieverluste am Gesamtwärmeverbrauch nicht festgestellt werden. Die Wärmeenergieverluste erhöhen deshalb pro gemessener Zeiteinheit stetig die Wärmeverbrauchskosten, ohne dass diese kontrolliert werden können.

Eine andere Wärmemengenmesseinrichtung ist aus der DOS-OS 31 50 837 bekannt. Hierbei wird sowohl die Durchflussmenge eines Wärmeträgers als auch dessen Temperatur erfasst. Des weiteren wird die Vorlauftemperatur ausgewertet. Ein Rechner wertet die Daten aus und liefert Korrekturfaktoren für eine andere Aufteilung der total gelieferten Wärmemenge. Mit dieser Mess- und Rechenschaltung werden zwar Korrekturfaktoren für eine andere Aufteilung der gelieferten Wärmemenge ermittelt, aber ob die total gelieferte Wärmemenge Blindwärmemengeanteile enthält, ist nicht ablesbar. Für große Entfernungen zwischen Heizquelle und Heizungsanlage, wie beispielsweise bei Fernwärmeverwendung, ist diese Schaltungsanordnung nicht einsetzbar.

In der DE-PS 34 28 344 ist ein Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit von eingebauten, geschlossenen, elektronischen Wärmemengenzählern sowie eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. Dabei wird über die Erzeugung von Impulsfolgen die Wärmemengenabgabe simuliert und mit der tatsächlichen Wärmemenge verglichen. Das Verfahren zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit von eingebauten, geschlossenen, elektronischen Wärmemengenzählern sowie die Anordnung zur Durchführung des Verfahrens erkennt nur solche Fehler, die an den Wärmemengenzählern selbst auftreten. Ungenaue Sollwerteinstellungen, Unregelmäßigkeiten an den Steuerungen und Regelungen sowie bei der Betriebsführung der Heizungsanlagen sind damit nicht feststellbar.

Ein anderes Betriebsverfahren für einen Wärmemengenzähler ist in der DE-OS 35 39 940 erläutert. Dabei wird die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf des Wärmeverbrauchers in festen Zeitabständen gemessen, abgespeichert und jeweils nach einem konstanten Volumendurchsatz eine Aufsummierung der Temperaturdifferenzmesswerte durchgeführt. Auch mit diesem Betriebsverfahren für einen Wärmemengenzähler werden Wärmeenergieverluste, die durch Unregelmäßigkeiten, Ungenauigkeiten und Fehler an den Steuerungen und Regelungen sowie bei der Betriebsführung der Heizungsanlagen entstehen, nicht festgestellt.

In der DE-195 15 467 wird ein Messgerät und ein Verfahren zur Wärmeleistungsmessung in Fernwärmeanlagen beschrieben, das insbesondere eine Messung der Momentanleistung und eine automatische Speicherung des Leistungsmaximums vornimmt. Dabei erfolgt die Ermittlung der Eingangskenngrößen über einen Vorlauftemperaturfühler, einen Rücklauftemperaturfühler und ein Durchflussvolumenmesswerk. Zwar können mit diesem Messgerät und Verfahren zur Wärmeleistungsmessung die Angaben auf den Wärmelieferungsmessgeräten mit hoher Genauigkeit ermittelt bzw. kontrolliert werden. Aber die durch Ungenauigkeiten der Steuerung und Regelung in den Fernwärme-Hausstationen entstehenden Wärmeenergieverluste können auch damit nicht ermittelt werden.

Die verschiedenen Anordnungen und Verfahren beschreiben die Möglichkeiten zur Ermittlung von Wärmemengen, erlauben es jedoch nicht, einen Vergleich der von der Anlage abgegebenen Energie mit der aufgenommenen Energie bei unterschiedlichen Energieformen zu bestimmen und anzuzeigen. Nachteilig bei allen bekannten Anordnungen und Verfahren zur Regelung von Energieumwandlungsanlagen ist, dass sie die unmittelbare Bewertung der Effizienz der Energieumwandlung durch Angabe eines Wirkungsgrades nicht ermöglichen. Ein Wirkungsgradabfall würde aber auf ungünstige Betriebsparameter, Defekte oder z.B. auch die Verschmutzung von Wärmtauschern hinweisen. Der Betreiber der Anlage hat keine Informationen hinsichtlich der Effizienz seiner Anlage und nimmt daher unter Umständen über einen längeren Zeitraum erhöhte Energiekosten in Kauf. Auch verfügt mit den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Geräten über keinerlei Informationen, in welcher Größenordnung erhöhte Energiekosten, bedingt durch ineffizienten Anlagenbetrieb, vermeidbar wären.

Die Ermittlung eines Wirkungsgrades von Wärme- und Kälteanlagen wird bei einigen Energiedienstleistungen angeboten, wobei die zugeführte Energie und die Energieabgabe ermittelt werden und aus dem Quotienten der Wirkungsgrad ermittelt wird. Die Energieermittlung erfolgt mit bekannten Energiezählern für Elektroenergie, Wärme oder mit Gaszählern. Nachteil dieser Energiedienstleistung ist, das der Wirkungsgrad erst nach einer Bearbeitungszeit zur Verfügung steht, nach der die Auswirkungen von Handlungen zur Energieoptimierung nicht mehr festgestellt werden können.

Um einen Wirkungsgrad zielgerichtet beeinflussen zu können, muss die Zeitdauer zwischen der Anzeige eines Wirkungsgrades und den zielgerichteten Handlungen zur Energieoptimierung sowie von einer erneuten Anzeige möglichst kurz sein. Ebenso ist diese Dienstleistung keine Überwachung des Anlagenbetriebs bezüglich des Wirkungsgrades möglich.

Eine solche Energiedienstleistung ist nur zum Zwecke der allgemeinen Information eines über einen langen Zeitraum verlaufenden Energieprozesses geeignet. Bezüglich dieser Energiedienstleistung wurden keine Schutzrechte ermittelt.

Die Aufgabe einer Regelung ist es, den Istwert einer bestimmten Größe, beispielsweise einer Temperatur, einem vorgegebenen Sollwert anzugleichen und möglichst konstant zu halten. Bei der Regelung von Energieprozessen können lediglich die Sollwerte der einzelnen Regelgrößen, beispielsweise Kesseltemperaturen, Raumtemperaturen usw. manuell oder automatisch eingestellt und kontrolliert werden.

Aber wie viel Energie im Verhältnis zur Nutzenergie aufgewendet werden muss, um die Verluste zu decken, wird bei den bekannten Anordnungen und Verfahren nicht erfasst.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gerätetechnische Anordnung und ein Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere Wärme- und Kälteanlagen zu schaffen, die eine Ermittlung des momentanen Wirkungsgrades ermöglicht und damit eine Einordnung bezüglich der Effizienz der Energieumwandlungsanlage zulässt.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung und dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades an Energieumwandlungsanlagen, insbesondere Wärmeanlagen wie beispielsweise Heizungsanlagen oder Dampfanlagen in Gewerbe und Industrie, an großen Warmwasserbereitern, Lüftungsanlagen sowie an Kälte- und Klimaanlagen, sollen die Verluste zeitnah erfassbar und damit Voraussetzungen für eine Optimierung der Steuer- und Regelfunktionen und infolge dessen eine Brennstoff- und eine Elektroenergieeinsparung in wirtschaftlich bedeutender Größenordnung möglich sein.

Die Anordnung und das Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere Wärme- und Kälteanlagen, zeichnet sich dadurch aus, dass der momentane Wirkungsgrad und wirkungsgradrelevante Größen der Energieumwandlungsanlagen ermittelt und dargestellt werden. Zugleich ist die Darstellung in unterschiedlicher Form möglich. Insofern erhält der Betreiber eine Information bezüglich der Effizienz der Energieumwandlungsanlage. Die Kenntnis des Wirkungsgrads ist bei der optimalen Einstellung und Inbetriebnahme der Anlage ebenso hilfreich wie für die Betriebsüberwachung und bei Wartungsarbeiten. Mit der Anordnung und dem Verfahren zur Wirkungsgradermittlung kann ein verminderter Wirkungsgrad beispielsweise auf Defekte, Planungs- bzw. Montagefehler oder die Verschmutzung von Wärmetauschern hinweisen. Damit ist die Erfindung Voraussetzung dafür, dass ein entsprechender Mangel überhaupt erkannt und die Ermittlung der Ursachen veranlasst werden kann. Infolgedessen können Mängel an der Anlage behoben werden. Ebenso kann die Anordnung die Einstellung der Regelparameter der Energieumwandlungsanlage verbessern und erleichtern.

Auf diese Weise kann die Effizienz der Anlage erhöht, der Energieeinsatz verringert und damit Kosten reduziert sowie und die Lebensdauer der Anlage erhöht werden.

Das optimale Ergebnis der Steuerung und Regelung einer Energieumwandlungsanlage ist die Deckung des Energiebedarfs mit dem höchstmöglichen erzielbaren Wirkungsgrad. Der Wirkungsgrad ist die geeignetste und sogar für Nichtfachleute verständlichste Größe zur Kontrolle des Energieverbrauchs. Er ist das Verhältnis der Nutzenergie zum Energieeinsatz. Verluste erhöhen den Energieaufwand und den Verschleiß und damit die Betriebskosten einer Energieumwandlungsanlage.

Bei der Inbetriebnahme, der Einstellung der Steuerungen und Regelungen und bei der Instandhaltung ist der Wirkungsgrad die wesentliche Information hinsichtlich der Effizienz einer Energieumwandlungsanlage. Weitere wirkungsgradrelevante Größen, die die Bewertung der Energieeffizienz unterstützen, sind sämtliche Einzel- und Summenleistungen, Wärmemengen, Energieverluste, Teilwirkungsgrade, Leistungszahlen, diverse Kennzahlen, etc.

Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere von Wärme- und Kälteanlagen, ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 7 und des Verfahrens aus den Unteransprüchen 9 bis 16.

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 ermöglicht es, den Abfragetakt der Messwerte zu verändern und diesen damit sowohl auf die Charakteristik der Energieumwandlungsanlage als auch auf spezifische Untersuchungsgegenstände, wie z.B. bei der Inbetriebnahme oder Fehlersuche anzupassen. Bei Weiterbildung nach Anspruch 3 kann der Bediener über ein Bedienfeld die Taktfrequenz zur Abfrage der Messwerte ändern und weitere Werte eingeben, die zur Ermittlung des Wirkungsgrades notwendig oder für wirkungsgradrelevante Größen sinnvoll sind. Ebenso können Vorgaben bezüglich der Anzeigeoptionen und der Speicherung von Werten gemacht werden. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 ermöglicht die Erfassung des Energiegehaltes unterschiedlicher zugeführter Brennstoffe und damit z.B. auch die Ermittlung eines Kesselwirkungsgrades. Durch Weiterbildung nach Anspruch 5 wird die Erfassung der Elektroenergie und damit insbesondere bei elektrischen Wärmepumpenanlagen die Ermittlung der Leistungszahl und der Jahresarbeitszahl möglich. Bei allen Anlagen kann die Antriebsenergie (z.B. Pumpen) berücksichtigt werden. Für Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen kann der elektrische Wirkungsgrad bestimmt werden. Die Weiterbildung nach Anspruch 6 ermöglicht die Weiterleitung von Informationen beispielsweise durch akustische Melder oder Warnleuchten. Ebenso wird damit beispielsweise die Versendung von Fax, Mails, SMS etc. ermöglicht. Mit Weiterbildung nach Anspruch 7 ermöglicht es die Anordnung, einen Wert, z.B. als Regelgröße, an die Regelung der Anlage weiterzuleiten und damit einen unmittelbaren Einfluss auf den Betrieb der Anlage zu nehmen und insbesondere den Wirkungsgrad zielgerichtet zu beeinflussen. Durch Weiterbildung nach Anspruch 9 kann für Wärmeanlagen, insbesondere Übergabe- oder Hausstationen für Nah- bzw. Fernwärme und an Wärmetauschern, durch Ermittlung der Verhältniszahl festgestellt werden, welche noch nutzbare Energie im Rücklauf enthalten ist. Auf diese Weise kann der Wärmeverlust des Rücklaufs bzw. Kondensats bewertet und infolge. dessen durch entsprechende Eingriffe verringert werden. Die Weiterbildung nach Anspruch 10 ermöglicht die unterschiedliche, den Bedürfnissen entsprechende Darstellung der ermittelten, gespeicherten, berechneten oder sonstigen Werte. Es besteht die Möglichkeit, die Einstellungen zu verändern und damit dem Untersuchungsgegenstand anzupassen. Damit wird die optimale Einstellung der Parameter bei Inbetriebnahme und die Ursachenermittlung bei schlechtem Wirkungsgrad erleichtert. Bei Weiterbildung nach Anspruch 11 ist die Angabe der gemessenen und berechneten Werte in Form von unterschiedlichen Diagrammen (z.B. Kreis oder Säulendiagramm), Kennlinien, Kennfeldern etc. möglich. Damit wird eine Einordnung und Auswertung der Daten erleichtert. Die Weiterbildung nach Anspruch 12 ermöglicht die Einstellung und Veränderung der Taktzeiten zur Abfrage der Messwerte und damit die spezifische Anpassung an die Energieumwandlungsanlage und auf spezifischen Untersuchungsgegenstände, z.B. bei der Inbetriebnahme oder der Fehlersuche. Bei Weiterbildung nach Anspruch 13 wird die Auswertung und Einordnung der Daten dadurch ermöglicht und/oder verbessert, dass Optionen Speicherung, Darstellung, Mittelwertbildung, Abhängigkeiten mehrerer Größen möglich und veränderbar sind. Damit wird die Ursachenanalyse und die optimale Einstellung der Energieumwandlungsanlage erleichtert. Die Weiterbildung nach Anspruch 14 sieht die Weiterleitung geeigneter Daten bzw. Signale an die Steuerung/Regelung bzw. Stellglieder der Energieumwandlungsanlage mit dem Ziel der Verbessung des Wirkungsgrades vor. Damit ist es ohne Eingriff von Außen möglich, dass die Anordnung in die Betriebsführung der Energieumwandlungsanlage mit dem Ziel der Erhöhung des Wirkungsgrades eingreift. Bei Weiterbildung nach Anspruch 15 können die Messwerte im Berechnungsmodul mit Stoffkennwerten wie Heizwert, Brennwert, spezifische Wärmekapazität, Dichte, Korrekturfaktoren etc. verknüpft werden, um den Wirkungsgrad zu ermitteln. Die Weiterbildung nach Anspruch 16 ermöglicht die Vorgabe von Sollwerten für Messgrößen, Berechnungswerte, insbesondere den Wirkungsgrad und bei Überschreiten dieser die Aussendung von optischen wie Warnleuchten oder akustischen bzw. sonstigen Signalen sowie Übertragung von Daten. Damit kann die Überwachung der Energieumwandlungsanlage erleichtert werden. Übertragene Daten können per Modem, SMS, Fax etc. an für die für technische Betriebsführung zuständige Stelle weitergeleitet werden und damit die Beseitigung des Fehlers erleichtern. Die Gefahr, dass die Energieumwandlungsanlage unbemerkt fehlerhaft bzw. mit schlechtem Wirkungsgrad arbeitet, kann somit verringert werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
1 die Anordnung zur Wirkungsgradermittlung,
2 das Verfahrenschema zur Wirkungsgradermittlung und
3 das Ausführungsbeispiel einer Anordnung zur Wirkungsgradermittlung einer Wärmeversorgungsanlage.
Die Anordnung und das Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere Wärme- und Kälteanlagen, zeichnet sich dadurch aus, dass der momentane Wirkungsgrad und wirkungsgradrelevante Größen der Energieumwandlungsanlagen ermittelt und dargestellt werden. Zugleich ist die Darstellung in unterschiedlicher Form, z.B. als Diagramm, möglich. Insofern erhält der Betreiber eine Information bezüglich der Effizienz der Energieumwandlungsanlage. Die Kenntnis des Wirkungsgrades ist bei der optimalen Einstellung und Inbetriebnahme der Anlage ebenso hilfreich wie für die Betriebsüberwachung und bei Wartungsarbeiten. Mit der Anordnung und dem Verfahren zur Wirkungsgradermittlung kann ein verminderter Wirkungsgrad beispielsweise auf Defekte, Planungs- bzw. Montagefehler, ungünstige Reglereinstellungen oder auch die Verschmutzung von Wärmetauschern hinweisen. Damit ist die Erfindung Voraussetzung dafür, dass ein entsprechender Mangel überhaupt erkannt und die Ermittlung der Ursachen veranlasst werden kann. Infolgedessen können Mängel an der Anlage behoben und entsprechend optimale Parameter eingestellt werden. Auf diese Weise kann die Effizienz der Anlage erhöht, der Energieeinsatz verringert und damit Kosten reduziert sowie und die Lebensdauer der Anlage erhöht werden.
Zugleich wird die Inbetriebnahme der Anlage erleichtert.
Die Anordnung wurde wie folgt realisiert:
Zur Ermittlung der Wärmemenge wird ein Volumenzählwerk 14 im Heizkreislauf installiert. Zugleich wird die Vorlauftemperatur 15 und Rücklauftemperatur 16 des Heizmediums mit Sensoren 2 gemessen. Die Wärmeleistung wird bestimmt, indem für einen bestimmten Zeitraum (Taktung) die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf mit dem vom Volumenmesswerk 14 ermittelten Volumenstrom und mit der spezifischen Wärmekapazität 17 des Heizmediums multipliziert wird. Entsprechend und mit gleicher Taktung erfolgt durch ein zweites Volumenzählwerk 18 die Ermittlung des Volumenstroms des Brennstoffes (z.B. Erdgas, Heizöl). Im Berechnungsmodul 6 wird dieser Wert mit dem Heizwert 19 bzw. Brennwert und/oder Korrekturfaktoren 20 multipliziert. Als Ergebnis ist die der Energieumwandlungsanlage durch die Brennstoffe zugeführte Leistung bekannt. Entsprechend wird die elektrische Leistung ermittelt. Korrekturfaktoren 20, wie messgerätespezifische oder Stoffkennwerte können eingegeben werden. Das Berechnungsmodul 6 addiert jeweils alle zugeführten Leistungen und alle abgegebenen Leistungen. Durch Bildung des Quotienten aus der von der Energieumwandlungsanlage 1 insgesamt abgegebenen Leistung und der zugeführten Leistung wird der Wirkungsgrad 7 bestimmt und in der Anzeige 8 dargestellt.
Die Vorgaben zur Abfrage der Messwerte 3 können über das Bedienfeld 12 eingegeben werden. Entsprechend wird die Taktfrequenz des Taktgebers 11 festgelegt. Mit der Taktfrequenz werden die Messgeräte 2 vom Taktgeber 11 zur Abfrage der Messwerte 3 angesteuert.
Die Werte der Wirkungsgrade 7 werden nach Vorgaben, die gleichfalls über das Bedienfeld eingegeben werden können, im Speicher 9 abgelegt und können in verschiedener Form, z.B. numerisch oder. als Diagramm in der Anzeige 8 dargestellt werden.
Alternativ können die Leistungen weiterer Energieströme ermittelt und zur Wirkungsgradermittlung verarbeitet werden. Die ermittelten Werte werden in einen Speicher 9 abgelegt und dienen zur Summenbildung, Mittelwertbildung, Integration etc. Außerdem kann auf diese Weise der Wirkungsgrad z.B. in Abhängigkeit von der Außentemperatur, der Leistung, des Volumenstroms, des Betriebsregimes oder weiterer Größen in der Anzeige 8 dargestellt werden.
Eine Abgabe eines entsprechenden Warnsignals ist z.B. durch Ansteuerung externe Geräte 13 möglich, wenn in der vorgebbare Werte nicht eingehalten werden. Ebenso ist die Signalweitergabe an das Steuerungsmodul 10 der Energieanlage 1 zur unmittelbaren Beeinflussung der technischen Betriebsführung vorgesehen.
Mit der Anordnung kann der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ermittelt werden. Damit erlangt der Betreiber Kenntnis über die Effizienz seiner Anlage und kann defekte Komponenten lokalisieren und entsprechend die Einstellungen optimieren. Dieses wird dadurch erleichtert, das bei Veränderungen an der Anlage die Auswirkungen auf den Wirkungsgrad zeitnah angezeigt werden können und damit eine zielgerichtete Optimierung möglich wird. Die Vorrichtung wurde wie folgt realisiert:
Zur Ermittlung der Wärmemenge wird ein Volumenzählwerk 14 im Heizkreislauf installiert. Zugleich wird die Vorlauftemperatur 15 und Rücklauftemperatur 16 des Heizmediums mit Sensoren 2 gemessen. Die Wärmeleistung wird ermittelt, indem für einen bestimmten Zeitraum (Taktung) die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf mit dem vom Volumenmesswerk 14 ermittelten Volumenstrom und mit der spezifischen Wärmekapazität 17 des Heizmediums multipliziert wird. Entsprechend und mit gleicher Taktung erfolgt durch ein zweites Volumenzählwerk 18 die Ermittlung des Volumenstroms des Brennstoffes (z.B. Erdgas, Heizöl). Im Berechnungsmodul 6 wird dieser Wert mit dem Heizwert 19 bzw. Brennwert und/oder Korrekturfaktoren 20 multipliziert. Als Ergebnis ist die der Anlage durch die Brennstoffe zugeführte Leistung bekannt. Entsprechend wird die elektrische Leistung ermittelt. Korrekturfaktoren 20 können eingegeben werden. Das Berechnungsmodul 6 addiert jeweils alle zugeführten Leistungen und alle abgegebenen Leistungen. Durch Bildung des Quotienten aus der von der Energieumwandlungsanlage 1 abgegebenen Leistung und der insgesamt zugeführten Leistung wird der Wirkungsgrad 7 bestimmt und in der Anzeige 8 dargestellt.
Die Vorgaben zur Abfrage der Messwerte 3 können über das Bedienfeld 12 eingegeben werden. Entsprechend wird die Taktfrequenz des Taktgebers 11 festgelegt. Mit der Taktfrequenz werden die Messgeräte 2 vom Taktgeber 11 zur Abfrage der Messwerte 3 angesteuert.
Die Werte der Wirkungsgrade 7 werden nach Vorgaben, die gleichfalls über das Bedienfeld eingegeben werden können, im Speicher 9 abgelegt und können in verschiedener Form, z.B. als Diagramm in der Anzeige 8 dargestellt werden.
Alternativ können die Leistungen weiterer Energieströme ermittelt und zur Wirkungsgradermittlung verarbeitet werden. Die ermittelten Werte werden in einem Speicher 9 abgelegt und dienen zur Summenbildung, Mittelwertbildung, Integration etc. Außerdem kann auf diese Weise der Wirkungsgrad z.B. in Abhängigkeit von der Außentemperatur, der Leistung, des Volumenstroms, des Betriebsregimes oder weiterer Größen in der Anzeige 8 dargestellt werden.
Eine Abgabe eines entsprechenden Warnsignals ist z.B. durch Ansteuerung externer Geräte 13 möglich, wenn vorgegebene Werte nicht eingehalten werden. Ebenso ist die Signalweitergabe an das Steuerungsmodul 10 der Energieanlage 1 zur unmittelbaren Beeinflussung der technischen Betriebsführung vorgesehen.
Mit der Anordnung kann der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ermittelt werden. Damit erlangt der Betreiber Kenntnis über die Effizienz seiner Anlage und kann entsprechende Einstellungen optimieren. Dieses wird dadurch erleichtert, dass bei Veränderungen an der Anlage die Auswirkungen auf den Wirkungsgrad zeitnah angezeigt werden können und damit eine zielgerichtete Optimierung möglich wird.

1: Energieumwandlungsanlage
2: Messgerät, Sensor
3: Messwert
4: Wandler
5: Verstärker
6: Berechnungsmodul
7: Wirkungsgrad
8: Anzeige
9: Speicher
10: Steuerungsmodul/Stellglied
11: Taktgeber
12: Bedienfeld
13: externe Geräte
14: Volumenmesswerk
15: Vorlauftemperatur
16: Rücklauftemperatur
17: spezifische Wärmekapazität
18: Volumenmesswerk (Brennstoff)
19: Heizwert
20: Korrekturfaktor

Claims

Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, insbesondere von Wärmeanlagen wie Wärmepumpenanlagen, Dampfanlagen, Kälteanlagen, wobei von Messgeräten bzw. Sensoren relevante Messwerte wie Temperaturen, Durchflussmengen, Druck, Dichte, Dampfparameter und elektrische Größen erfasst, in einem Berechnungsmodul verarbeitet, in einem Speicher abgelegt und in einer Anzeige dargestellt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zeitnah, selbsttätig und kontinuierlich von den entsprechend an den Energieumwandlungsanlagen (1) positionierten Messgeräten bzw. Sensoren (2) Messwerte (3) sowie weitere Komponenten erfassbar sind und die entsprechenden Signale durch geeignete Datenleitungen übertragbar, ggf. durch einen Wandler (4) wandelbar und/oder einen Verstärker (5) verstärkbar zu dem Berechnungsmodul (6) übertragbar sind und in diesem energierelevante Größen, insbesondere ein zeitnaher Wirkungsgrad (7) und andere wirkungsgradrelevante Größen der Energieumwandlungsanlagen (1) bestimmbar und in der Anzeige (8) darstellbar, im Speicher (9) ablegbar und/oder als entsprechend geeignete Signale an ein Steuerungsmodul (10) und/oder Stellglied der Energieumwandlungsanlagen (1) übertragbar sind.
Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zeitliche Abfolge (Taktfrequenz) der von den Messgeräten (2) bzw. Sensoren ermittelten Messwerte (3) durch einen Taktgeber (11) vorgebbar ist.
Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass über ein Bedienfeld (12) für den Bediener die Taktfrequenz für die Abfrage der Messwerte (3), die Stoffkennwerte – insbesondere Dichte, Heiz- und Brennwert, messgerätespezifische und sonstige Korrekturfaktoren, Naturkonstanten, Umrechnungsfaktoren, Sollwerte, Toleranzen, Grenzwerte und Anzeige- bzw. Speicheroptionen eingebbar und änderbar sind.
Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (2), insbesondere Massen- bzw. Volumenstrom und Heiz- bzw. Brennwertes von festen, flüssigen und gasförmigen Energieträgern mit geeigneten Meßgeräten (2) erfassbar und zur Ermittlung des Wirkungsgrades (7) und anderer wirkungsgradrelevanter Größen im Berechnungsmodul (6) verarbeitbar sind.
Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektroenergiezähler elektrische Größen wie Leistung, Arbeit einschließlich Schein- bzw. Blindwerte ermittelbar und an das Berechnungsmodul (6) zur Bestimmung eines zeitnahen Wirkungsgrades (7) übertragbar sind.
Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Berechnungsmodul (6) externe Geräte (13) verbunden sind, durch die bei Überschreitung von Sollwerten entsprechende Signale in akustischer oder optischer Form oder als Daten ausgebbar sind.
Anordnung zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung über mindestens einen Ausgang verfügt, durch den Regler, Steuerungsmodul (10) und/oder Stellglieder der Energieumwandlungsanlage (1) ansteuerbar sind.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass relevante Messwerte (3) eines Energieprozesses gleichzeitig und selbsttätig durch Messgeräte (2) erfasst, zum Berechnungsmodul (6) weitergeleitet und in diesem elektronisch verarbeitet werden, dabei insbesondere abgegebene und zugeführte Leistung, Leistungsmittel und/oder Arbeit ermittelt und ggf. jeweils aufsummiert werden sowie durch Bildung des Quotienten aus insgesamt abgegebener und zugeführter Energie ein momentaner Wirkungsgrad (7) der Energieumwandlungsanlage (1) bestimmt wird.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Wärmeverbrauchsanlagen, insbesondere Fernwärmeanlagen und Dampfenergieanlagen unter Verwendung der ermittelten Wärmeenergie des Heizungsrücklaufes bzw. des Kondensates eine Verhältniszahl aus realer und optimaler Wärmeabgabe ermittelt wird.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Messwerte (3) und die berechneten Werte in unterschiedlichen Darstellungsformen, insbesondere als Prozent, Dezimalbruch, Kehrwert derselben und/oder mit Angabe von Maßeinheiten und weiterhin auch Momentanwerte, Maximalwerte, Minimalwerte, Mittelwerte, Optimalwerte bzw. Sollwerte, aufsummierte Werte, Verhältniszahlen, z.B. von Realwert zu Optimalwert, und Werte in Abhängigkeit eines Messwertes (3) oder berechneten Wertes ermittelt und/oder angezeigt bzw. gespeichert werden können.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten und berechneten Größen in grafischer Form, insbesondere in Form von Diagrammen, Kennlinien, Kennfeldern und Zeigern dargestellt werden.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Taktzeiten für die Messung der Meßgrößen variabel einstellt bzw. programmiert werden können.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Vorgaben zur Darstellung bzw. Speicherung berechneter Größen, insbesondere des Wirkungsgrades und zur Mittelwertbildung sowie zur Darstellung in Abhängigkeit von bestimmten Meßgrößen bzw. des zeitlichen Verlaufs, variabel eingestellt bzw. programmiert werden können.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Wirkungsgrad (7) oder andere ermittelte wirkungsgradrelevante Größen als Sollwert, Regelgröße, oder sonstige Eingangsgrößen für die Steuerung bzw. Regelung des Energieumwandlungsprozess verwendet werden.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die automatisch erfassten Messdaten (2) entsprechend mit Heizwert, Brennwert oder einer vergleichbaren Größe und/oder mit temperatur- oder druckabhängigen Korrekturfaktoren, wie z.B. Dichte-, Volumenkorrekturfaktor bzw. Enthalpiekorrekturfaktor, verknüpft werden.
Verfahren zur Ermittlung des Wirkungsgrades von Energieumwandlungsanlagen nach Anspruch 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens eine der Größen ein oder mehrere Sollwerte vorgebbar sind und die Anzeige bei Überschreitung dieser Werte entsprechende Signale ausgibt bzw. Signale und/oder Daten an externe Geräte weitergeleitet werden.