DE102010055400A1

DE102010055400A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmebedarfs

Info

Publication number: DE102010055400A1
Application number: DE102010055400A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-06-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Wärmebedarfs einer Heizungsanlage, die von einem Heizungserzeuger gespeist wird. Dazu wird der tatsächliche Wärmeverbrauchs (E) aus der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf und der Durchflussmenge des Wärmemediums ermittelt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Stand der Technik
Herkömmlicherweise wird die Feststellung des Wärmebedarfs der Heizungsanlage auf der Grundlage der DIN EN 12831 errechnet. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass die so bestimmte Heizleistung der Heizungsanlagen immer überdimensioniert ist. Dies liegt daran, dass die DIN EN 12831 Sicherheitsreserven enthält. In der Fernwärmeversorgung wird daher die zur Verfügung gestellte Heizleistung, dessen Wert ein Installateur berechnet, pauschal um ca. 30% reduziert. Die Berechnung der Heizleistung erfolgt im Stand der Technik prinzipiell folgendermaßen: Q = A·U·(t₂ – t₁) wobei:

Q: = Heizleistung [W]
A: = Außenwandfläche ⌊m²⌋
U: = Wärmedurchgangszahl [ W / K·m² ]
t₂: = Zimmertemperatur [°C]
t₁: = Außentemperatur [°C]

Der tatsächliche Energiebedarf bzw. Wärmebedarf einer Heizungsanlage kann mit diesem herkömmlichen Verfahren nicht ermittelt werden. Die Kenntnis des tatsächlichen Wärmebedarfs ist jedoch sehr wünschenswert, um die Heizleistung optimal anpassen zu können. Für Energieversorger (Heizungen, Wärmepumpen oder auch Fernwärmeversorger) ist die Kenntnis des tatsächlichen Wärmebedarfs von angeschlossenen Heizungsanlagen besonders wichtig, um somit durch optimale Anpassung der zur Verfügung gestellten Heizleistung weder eine zu geringe Heizleistung bereit zu stellen – was zu Kundenunzufriedenheit führen würde – noch eine übermäßig hohe Heizleistung bereitzustellen – was erhöhte Energieverluste bei der Wärmeübertragung (insbesondere bei Fernwärmeübertragung) mit sich bringen würde. Gleiches gilt auch bei privaten Hausanlagen in denen der Energieversorger der Heizkessel der Heizungsanlage ist.
Für Installateure gibt die Kenntnis des tatsächlichen Wärmebedarfs Planungssicherheit und für Heizungsanlageninhaber eine Kostenersparnis durch die Einsparung von unnötigen Leistungsreserven. Das Verfahren schont die Umwelt und führt zu geringeren Mietnebenkosten für die Bewohner.
Zusammenfassung der Erfindung
Daher besteht die Aufgabe der vorliegenden Anmeldung darin, ein Verfahren anzugeben, um zu ermitteln, wie groß der tatsächliche Wärmebedarf der Heizungsanlage ist, die von einem Energieversorger (Heizungen, Wärmepumpen oder auch Fernwärmeversorger) gespeist wird. Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Parameters für eine Messung zur Festlegung des Starts einer Messung;
Starten der Messung der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf, sobald sowohl der erste Parameter als auch der zweite Parameter in Bezug auf äußere Randbedingungen erfüllt ist;
Beenden der Messungen der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf nach einer vorbestimmten Zeitspanne;
Bestimmen der Menge der Durchflussmenge eines Wärmemediums, die in der vorbestimmten Zeitspanne von Vorlauf über den Heizkreis zum Rücklauf geflossen ist;
Ermittlung eines tatsächlichen Wärmeverbrauchs (E) aus der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf und der Durchflussmenge des Wärmemediums; und
Addieren eines Sicherheitszuschlages zum ermittelten tatsächlichen Wärmeverbrauch, wobei das Ergebnis dieser Addition den Energiebedarf darstellt.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist eine schematische Ansicht einer Heizungsanlage mit Heizkreis, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird.
2 ist ein Blockdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren veranschaulicht.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In einem ersten Schritt werden Vorlauftemperatur und Rücklauftemperatur der Heizungsanlage sowie der Volumenstrom der Heizungsanlage an dem zentralen Punkt der Energieeinspeisung innerhalb eines Referenzzeitraums (vorzugsweise eine Stunde) bei einer vorgegebenen Außentemperatur bzw. Außennormtemperatur gemessen. Vor- und Rücklauftemperatur werden mit der durchfließenden Menge eines Wärmemediums abgeglichen. Dieses Wärmemedium ist vorzugsweise Wasser oder ein Wassergemisch. Der Messpunkt für die Vorlauftemperatur (MPV) und der Messpunkt für die Rücklauftemperatur (MPR) befinden sich entsprechend an der Schnittstelle vom Einspeisekreislauf des Energieversorgers bzw. Heizkessels (Versorgerkreis) zum Heizkreis. In der Wärmeversorgungstechnik ist hinreichend bekannt, dass der Energieversorger Wärmemedium, insbesondere Heizwasser aus seinem Versorgerkreis in den jeweiligen Heizkreis beimengt. Zur Verdeutlichung ist in 1 eine entsprechende Einspritzvorrichtung und ein Rückschlagventil eingezeichnet, welche allerdings im Stand der Technik bekannt sind und keinen Teil dieser Erfindung darstellen.
Die Blockpfeile in 1 innerhalb des schematisch dargestellten Heizkreises stellen die Fließrichtung des Wärmemediums bzw. des Heizwassers im Heizkreis dar. Entsprechend stellen die Pfeile beim MPV und MPR die Fließrichtung des Heizwassers im Versorgerkreis dar.
Die Durchflussmenge des Heizwassers erhält man über einen Impulsgeber eines herkömmlichen Wärmezählers, wobei die so erhaltenen Impulse entsprechend dem verwendeten Fabrikat des Wärmezählers in die jeweils korrekte Durchflussmenge des Heizwassers umgerechnet werden.
Mit Hilfe einer Zeitschaltuhr wird zu einer vorbestimmten bzw. vorher beliebig festgelegten Zeit als ersten Parameter (z. B. Tagesbetrieb: ab 07.00 Uhr) eine Messung angesetzt. Diese Zeitschaltuhr ist vorzugsweise in einer elektronischen Steuervorrichtung integriert, die die Verfahrensschritte der vorliegenden Erfindung in ihrer Ausführung steuert. Ein beliebig voreingestellter bzw. vorbestimmter Temperaturbereich für die Außentemperatur (z. B. –12°C bis –15°C) dient als zweiter Parameter, innerhalb derer die Messung stattfinden soll. Der zweite Parameter kann aber auch ein vorbestimmter Temperaturpunkt der Außentemperatur sein (z. B. –12°C), an dem die Messung gemäß der vorliegenden Erfindung beginnen soll. Die Zeit und die gemessene Außentemperatur bilden äußere Randbedingungen, die mit der festgelegten Zeit und dem beliebig voreingestellten Temperaturbereich verglichen werden. Messung und Archivierung der gemessenen Daten werden gestartet, sobald beide äußeren Randbedingungen (Zeit und Außentemperatur) zu den jeweiligen voreingestellten Sollparametern passen. Die Messung erstreckt sich über einen festgelegten Zeitraum. Um die Außentemperatur zu messen, ist die elektronische Steuerungsvorrichtung mit einem entsprechenden Außentemperaturfühler verbunden (siehe 1). In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt dieser Zeitraum eine Stunde. Alle Parameter, d. h. Außentemperatur, Vor- und Rücklauftemperatur, Durchflussmenge des Heizwassers bzw. Volumenstrom und Messzeit, werden in der elektronischen Steuervorrichtung zusammengefasst. Falls einer der beiden vordefinierten Parameter von Zeit bzw. Außentemperaturbereich von den gemessenen äußeren Randbedingungen nicht erreicht wird, findet keine Messung statt, was jeweils durch die elektronische Steuervorrichtung geregelt wird. Die Daten können optional per Modem an eine internetbasierte Rechenstelle weitergeleitet und verwertet werden. Optional werden die Daten mit einem Raumfühler (nicht gezeigt) abgeglichen der in einem Referenzraum des Gebäudes installiert wird, um exaktere Werte zu erhalten.
Außerdem ist erfindungsgemäß eine Sonderregelung – ausgeführt durch die elektronische Steuerungsvorrichtung – für den Fall vorgesehen, dass der genormte und voreingestellte Wert für die Außentemperaturbereich (Bsp. –12°C bis –15°C) oder der Temperaturpunkt der Außentemperatur (z. B. –12°C) in der Heizperiode nicht erreicht wird. Diese Sonderregelung misst andauernd die tiefste je gemessene Außentemperatur nach Art eines Minimalthermometers und startet dann bei Erreichen des Temperaturminimums eine Messung für den Referenzzeitraum t von z. B. einer Stunde. Somit liefert diese Sonderregelung einen Hilfswert zur weiteren Verarbeitung gemäß der vorliegenden Erfindung, falls der Parameter der Temperatur nicht erreicht wird. Diese Sonderregelung ist passt sich somit dynamisch den jeweiligen Außentemperaturbedingungen an, wobei eine Wärmebedarfsmessung gemäß der vorliegenden Erfindung bei Erreichen eines Temperaturminimums gestartet wird.
Im zweiten Schritt wird der Wärmeverbrauch des Heizkreises ermittelt. Dieser entspricht dem tatsächlichen Wärmeverbrauch des Gebäudes und wird wie folgt berechnet: E = Q_W·(T_Vor – T_Rück)·c_Wρ_W·t
In der Formel gilt:

E: = Wärmeverbrauch [Wh]
Q_W: = gemessener Volumenstrom [ m³ / h ];
T_Vor: = gemessene Vorlauftemperatur [°C]
T_Rück: = gemessene Rücklauftemperatur [°C]
c_W: = spezifische Wärmekapazität [ Wh / kg·°C ]
ρ_W: = Dichte [ kg / m³ ]
t: = Zeitspanne bzw. Dauer der Messung [h]

Der Index W steht für Wasser und die Angaben in den eckigen Klammern entsprechen den jeweiligen Einheiten. Es werden selbstverständlich während des Messzeitraums jeweils mehrere Messwerte von Q_W T_Vor und T_Rück aufgezeichnet, die jeweils zu einem entsprechenden Mittelwert über den Messzeitraum zusammengefasst und anschließend für die Berechnung des Wärmeverbrauchs verwendet werden.
Die Vorlauf- und Rücklauftemperatur wird von einem Wärmezähler am Messpunkt des Vorlaufs bzw. am Messpunkt des Rücklaufs gemessen und die Temperaturdifferenz T_Vor – T_Rück wird vom Wärmezähler, der mit dem MPV und MPR verbunden ist, ausgewertet und – vorzugsweise über einen Bus (M-Bus) – an die elektronische Steuerungsvorrichtung übertragen, wobei die elektronische Steuerungsvorrichtung selbst M-Bus-fähig ist. Ein M-Bus (d. h. Meter-Bus) ist bereits im Stand der Technik bekannt und definiert einen Feldbus für die Verbrauchsdatenerfassung und ist ein eigenständiger Standard gemäß der EN 13757. M-Bus-fähige Geräte gibt es bereits für die Aufgaben als Wasserzähler, Wärmezähler, Stromzähler und Gaszähler.
Die elektronische Steuerungsvorrichtung kann in einer tragbaren Vorrichtung mit Temperaturvorlauffühler und Temperaturrücklauffühler integriert sein, wobei die tragbare Vorrichtung weiter einen Außentemperaturfühler und/oder einen Anschluss für einen Außentemperaturfühler, einen Wärmezähler und/oder einen Anschluss für einen Wärmezähler und einen Anschluss zur Verbindung mit einem Durchflussmesser hat, um die Durchflussmenge von Heizwasser im Heizkreis auszulesen. Die elektronische Steuervorrichtung ist mit einem Außentemperaturfühler und dem Wärmezähler verbunden, wobei die elektronische Steuervorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Energiebedarfs ausführt.
Zu diesem resultierenden tatsächlichen Wärmeverbrauch wird bei Bedarf noch ein frei wählbarer Sicherheitszuschlag addiert, womit man im Ergebnis den nötigen Wärmebedarf erhält. Der Sicherheitszuschlag ist individuell an die spezifischen Eigenschaften des jeweiligen Gebäudes anpassbar und umfasst vorzugsweise einen Prozentanteil des ermittelten tatsächlichen Wärmeverbrauchs, vorzugsweise einschließlich 0% bis 100%. Falls kein Sicherheitszuschlag addiert wird (d. h. im Falle von 0% Sicherheitszuschlag), ist der tatsächliche Wärmeverbrauch identisch mit dem nötigen Wärmebedarf.
Insgesamt wird bei dieser Messung davon ausgegangen, dass die erzielte Raumtemperatur im Gebäude dem Nutzerverhalten entspricht. Dies kann durch den optional einsetzbaren Raumfühler gemessen und mit dem erfindungsgemäß erhaltenen Wärmebedarf abgeglichen werden. Die elektronische Steuervorrichtung sorgt dafür, dass bei Erreichen der Normaußentemperatur des Standortes, d. h. wenn sich die Außentemperatur innerhalb des festgesetzten Temperaturbereichs befindet, über dem Referenzzeitraum t (z. B. eine Stunde) automatisch bestimmt wird, welche Heizleistung vom Gebäude abgenommen wurde. Die Dokumentation der Messwerte erfolgt ebenfalls durch die elektronische Steuervorrichtung. Die dokumentierten Messzustände der Heizungsanlage entsprechen damit einer aktuellen Heizkurve, die mit einem Referenzzeitraum t abgeglichen ist. Die sich ergebende Heizkurve kann in einen zukünftigen Regler einprogrammiert werden und stellt die tatsächliche Heizkurve des Gebäudes dar was zu einer zusätzlichen Energieeinsparung führt.
Über eine Signalverbindung (drahtgebunden oder drahtlos, insbesondere über das Internet) der elektronischen Steuerungsvorrichtung mit dem Energieversorger, kann der Energieversorger auf die ausgewerteten Daten, und vor allem auf den errechneten Wärmebedarf eines individuellen Heizkreises zugreifen und die Versorgung mit Heizwasser je nach Bedarf anpassen. Ein pauschaler Zu- oder Abschlag wie im Stand der Technik ist gemäß der vorliegenden Erfindung nicht mehr nötig. Durch die vorliegende Erfindung kann die vom Energieversorger bereitgestellte Heizleistung eines Energieversorgers oder einer Fernwärmeversorgung individuell angepasst werden, so dass Energieverluste durch die Übertragung des Heizwassers ausgehend vom Energieversorger, minimiert werden können. Die Kenntnis des jeweiligen Wärmebedarfs jeder einzelnen Heizungsanlage, die an einem derartigen Energieversorger angeschlossen ist, ermöglicht es dem Energieversorger schnell auf Schwankungen des Wärmebedarfs zu reagieren Auch nichtlineare Effekte, die zum Beispiel durch große Temperaturunterschiede zwischen einem beheizten Haus und seiner Umgebung entstehen, können somit durch Nachregelung des Energieversorger ausgeglichen werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die Anpassung der des Energieversorgers an kurzfristigen Mehrbedarf oder Minderbedarf von Heizenergie. Der Wärmebedarfsmesser wird auch eingesetzt um Leistungen von Heizkesseln ohne Sicherheitszuschläge festlegen zu können!
Die gemessenen Daten und der daraus berechnete Wärmebedarf können optional als Datensatz in einer Heizkurve (Auftragung Wärmebedarf gegen Messzeitraum) festgelegt werden. Diese Heizkurve ist spezifisch kennzeichnend für das jeweils beheizte Gebäude. Bei Neuinstallation einer Heizungsanlage kann die neue Heizungsanlage sofort auf die bereits vorliegende Heizkurve angepasst werden, um die neue Heizungsanlage optimal einzustellen, ohne erneut aufwändige Messungen durchführen zu müssen.
Außerdem kann jedes Gebäude mit einer derartigen Heizungsanlage mit der vorliegenden Erfindung mit Kennlinien zum Wärmebedarf charakterisiert werden. Sowohl jahreszeitliche, wie auch tägliche Kennlinien sind damit erstellbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 12831 [0001]
DIN EN 12831 [0001]
EN 13757 [0015]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Energiebedarfs einer Heizungsanlage mit Heizkreis, der Vorlauf und Rücklauf umfasst, umfassend: Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Parameters für eine Messung zur Festlegung des Starts einer Messung; Starten der Messung der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf, sobald sowohl der erste Parameter als auch der zweite Parameter in Bezug auf äußere Randbedingungen erfüllt ist; Beenden der Messungen der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf nach einer vorbestimmten Zeitspanne; Bestimmen der Menge der Durchflussmenge eines Wärmemediums, die in der vorbestimmten Zeitspanne von Vorlauf über den Heizkreis zum Rücklauf geflossen ist; Ermittlung eines tatsächlichen Wärmeverbrauchs (E) aus der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf und der Durchflussmenge des Wärmemediums; Addieren eines Sicherheitszuschlages zum ermittelten tatsächlichen Wärmeverbrauch, wobei das Ergebnis dieser Addition den Energiebedarf darstellt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Parameter eine vorbestimmte Zeit und der zweite Parameter ein vorbestimmter Temperaturbereich für eine Außentemperatur ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren weiter eine Sonderregelung umfasst, welche bei Erreichen der höchsten gemessene Außentemperatur eine Messung für einen Referenzzeitraum startet.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 3, wobei die Ermittlung des tatsächlichen Wärmeverbrauchs (E) durch: E = Q_W·(T_Vor – T_Rück)·c_W·ρ_W·t
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, wobei der ermittelte Energiebedarf der Heizungsanlage über eine Datenleitung an einen Energieversorger übertragen wird, um dem Energieversorger zu ermöglichen, die Versorgung mit Wärmemedium je nach Bedarf anzupassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 4, wobei der ermittelte Energiebedarf der Heizungsanlage in eine Heizkurve übertragen wird, wobei bei einer Installation einer neuen Heizungsanlage eben diese Heizkurve reproduziert werden kann.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sicherheitszuschlag ein frei wählbarer Prozentanteil des ermittelten tatsächlichen Wärmeverbrauchs, vorzugsweise zwischen einschließlich 0% bis 100% ist.
Vorrichtung, die angepasst ist, um an einer Heizungsanlage mit Heizkreis installiert zu werden, wobei die Vorrichtung umfasst: eine elektronische Steuervorrichtung; einen Außentemperaturfühler, zum Messen der Außentemperatur; einen Wärmezähler, der mit einem Vorlauftemperaturfühler, zum Messen der Vorlauftemperatur und einem Rücklauftemperaturfühler, zum Messen der Rücklauftemperatur verbunden ist; wobei die elektronische Steuervorrichtung mit dem Außentemperaturfühler und dem Wärmezähler verbunden ist, und wobei die elektronische Steuervorrichtung das Verfahren zur Bestimmung des Energiebedarfs gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, indem ein erster und zweiter Parameter für eine Messung zur Festlegung des Starts einer Messung bereitgestellt wird, die Messung der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf gestartet wird, sobald sowohl der erste Parameter als auch der zweite Parameter in Bezug auf äußere Randbedingungen erfüllt ist, die Messungen der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf nach einer vorbestimmten Zeitspanne beendet wird, die Menge der Durchflussmenge eines Wärmemediums bestimmt wird, die in der vorbestimmten Zeitspanne von Vorlauf über den Heizkreis zum Rücklauf geflossen ist, der tatsächliche Wärmeverbrauch (E) aus der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf und der Durchflussmenge des Wärmemediums ermittelt wird und ein Sicherheitszuschlages zum ermittelten tatsächlichen Wärmeverbrauch addiert wird, wobei das Ergebnis dieser Addition den Energiebedarf darstellt.
Tragbare Vorrichtung, umfassend: eine M-Bus-fähige elektronische Steuervorrichtung; einen Temperaturvorlauffühler und einen Temperaturrücklauffühler zum Messen einer Vorlauf- und einer Rücklauftemperatur; einen Anschluss für einen Außentemperaturfühler, zum Messen der Außentemperatur; einen Anschluss für einen Wärmezähler, der mit dem Vorlauftemperaturfühler und dem Rücklauftemperaturfühler verbunden ist; einen Anschluss zur Verbindung mit einem Durchflussmesser, um die Durchflussmenge von Heizwasser im Heizkreis auszulesen; wobei die elektronische Steuervorrichtung mit dem Außentemperaturfühler und dem Wärmezähler verbunden ist, und wobei die elektronische Steuervorrichtung das Verfahren zur Bestimmung des Energiebedarfs gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6 ausführt, indem ein erster und zweiter Parameter für eine Messung zur Festlegung des Starts einer Messung bereitgestellt wird, die Messung der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf gestartet wird, sobald sowohl der erste Parameter als auch der zweite Parameter in Bezug auf äußere Randbedingungen erfüllt ist, die Messungen der Temperaturen von Vorlauf und Rücklauf nach einer vorbestimmten Zeitspanne beendet wird, die Menge der Durchflussmenge eines Wärmemediums bestimmt wird, die in der vorbestimmten Zeitspanne von Vorlauf über den Heizkreis zum Rücklauf geflossen ist, der tatsächliche Wärmeverbrauch (E) aus der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf und der Durchflussmenge des Wärmemediums ermittelt wird und ein Sicherheitszuschlages zum ermittelten tatsächlichen Wärmeverbrauch addiert wird, wobei das Ergebnis dieser Addition den Energiebedarf darstellt.
Tragbare Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die M-Bus-fähige Steuerungsvorrichtung angepasst ist, um die Regelung des Heizkreises der angeschlossenen Heizungsanlage zu übernehmen.
Computerprogrammprodukt, das das Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 7 in maschinenlesbaren Code umfasst und auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeichert ist, um das Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 7 auszuführen.