-
Die Erfindung betrifft eine Wärmezählereinrichtung, aufweisend eine Zuleitung, in der ein wärmeführendes Fluid wenigstens einem Verbraucher zugeführt wird, eine Rückleitung für durch wenigstens einen des wenigstens einen Verbrauchers genutztes Fluid, eine elektrisch betriebene Messeinrichtung, aufweisend Messmittel zur Messung eines Volumenstroms durch die Zuleitung und/oder Rückleitung sowie einer Temperaturdifferenz zwischen Zuleitung und Rückleitung und ein Rechenmittel zur Ermittlung eines Wärmeverbrauchs, sowie eine elektrische Energie für die Messeinrichtung bereitstellende Energ iebereitstellungseinrichtung.
-
Wärmezählereinrichtungen, häufig auch kurz als „Wärmezähler“ bezeichnet, sind im Stand der Technik bereits seit Langem bekannt. Wärmezählereinrichtungen vermessen Wärmemengen, indem ein Volumenstrom eines die Wärme transportierenden Fluids, beispielsweise von Wasser, in einen Kreislauf mit wenigstens einem Verbraucher bzw. aus dem Kreislauf heraus gemeinsam mit einer Temperaturdifferenz zwischen dem in den Kreislauf eintretenden und dem aus dem Kreislauf zurückströmenden Fluid vermessen wird. Die Messeinrichtung, welche mithin Messmittel zur Messung des Volumenstroms und Messmittel, insbesondere Temperatursensoren, zur Feststellung der Temperaturdifferenz aufweist, wird dabei üblicherweise elektrisch betrieben. Die dafür benötigte elektrische Energie kann beispielsweise durch eine Energiebereitstellungseinrichtung bereitgestellt werden.
-
Während es klassischerweise bekannt war, Wärmezählereinrichtungen beispielsweise an ein Stromnetz anzuschließen und/oder mit einer Batterie zu versehen, wurde als Schritt zu einem möglichst weitgehend autarken Betrieb der Wärmezählereinrichtung im Stand der Technik vorgeschlagen, an der Zuleitung oder an der Rückleitung einen thermoelektrischen Generator (TEG) vorzusehen.
-
Thermoelektrische Generatoren sind Festkörpereinrichtungen, die Wärme in Elektrizität konvertieren können. Dabei wird ein Temperaturgradient von warm zu kalt und der daraus resultierende Wärmefluss ausgenutzt. Gemäß dem der sogenannten Seebeck-Effekt, einer Art des thermoelektrischen Effekts, resultiert ein Temperaturgradient in einem leitenden Material in einem Wärmefluss, welcher wiederum in der Diffusion von Ladungsträgern resultiert. Der Fluss der Ladungsträger zwischen den heißen und kalten Bereichen erzeugt wiederum eine Spannungsdifferenz. Eine beispielhafte Ausgestaltung eines thermoelektrischen Generators kann beispielsweise vorsehen, abwechselnd senkrecht zum Wärmefluss aufeinanderfolgende n- und p-dotierte Halbleiter vorzusehen, so dass abwechselnd positive und negative Ladungsträger eingesetzt werden. Werden diese Halbleiter nun alternierend oben und unten verbunden, entsteht durch den Wärmegradienten und somit Wärmefluss ein Stromfluss, der eine Spannungsdifferenz generiert.
-
Dabei wurden inzwischen insbesondere auch kleinbauende thermoelektrische Generatoren vorgeschlagen, die sich problemlos in eine Wärmezählereinrichtung integrieren lassen. Das Problem solcher, mit einem thermoelektrischen Generator versehener Wärmezählereinrichtungen ist, dass die Produktion von elektrischer Energie nicht sichergestellt werden kann, da im Fall, dass die Temperatur des Fluids in der Zuleitung oder in der Rückleitung, je nachdem wo der thermoelektrische Generator vorgesehen ist, im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht. Das bedeutet, es können Umgebungstemperaturen auftreten, bei denen der thermoelektrische Generator nicht zur Stromversorgung der Messeinrichtung genutzt werden kann, so dass weitere Quellen elektrischer Energie vorgesehen werden müssen, um die Funktionsfähigkeit der Wärmezählereinrichtung sicherstellen zu können.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Ausgestaltung einer Wärmezählereinrichtung anzugeben, die insbesondere vollständig autark betrieben werden kann.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Wärmezählereinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Energiebereitstellungseinrichtung wenigstens zwei thermoelektrische Generatoren umfasst, wobei wenigstens einer der thermoelektrischen Generatoren zur Nutzung eines Temperaturunterschieds zwischen der Zuleitung und der Umgebungsluft und der wenigstens eine andere thermoelektrische Generator zur Nutzung eines Temperaturunterschieds zwischen der Rückleitung und der Umgebungsluft ausgebildet ist.
-
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis zugrunde, dass ein Betrieb der Wärmezählereinrichtung nur sinnvoll, also hinreichend genau, bzw. vorgesehen ist, wenn überhaupt eine gewisse, vorgegebene Temperaturdifferenz zwischen der Zuleitung und der Rückleitung vorliegt. Das bedeutet aber auf der anderen Seite, dass in allen relevanten Anwendungsfällen der Temperaturunterschied von der Zuleitung zur Umgebungsluft unterschiedlich zum Temperaturunterschied von der Rückleitung zur Umgebungsluft ist. Hieraus folgt wiederum, dass wenigstens einer der thermoelektrischen Generatoren einen hinreichenden Temperaturunterschied vorfindet, um eine hinreichende Stromversorgung der Messeinrichtung zu gewährleisten. Damit ist erreicht, dass durch die Kombination von zwei thermoelektrischen Generatoren an der Zuleitung (Vorlauf) sowie an der Rückleitung (Rücklauf) die unbekannte Umgebungstemperatur keinen Einfluss mehr auf die Versorgung der Wärmezählereinrichtung mit elektrischer Energie hat. Es entsteht also eine komplett leistungsfähige Wärmezählereinrichtung mit autarker, theoretisch unbegrenzter Lebensdauer durch die Nutzung der zwei thermoelektrischen Generatoren. Es sind auch mehr als zwei thermoelektrische Generatoren denkbar, die auf die Zuleitung und die Rückleitung zu verteilen sind, wobei gerade Zahlen von thermoelektrischen Generatoren und eine Gleichverteilung bevorzugt sind.
-
Hierbei kann ausgenutzt werden, dass thermoelektrische Generatoren existieren, die bereits bei kleinen Temperaturunterschieden, beispielsweise von 1 Kelvin, hinreichende elektrische Energie für die Funktion der Messeinrichtung bereitstellen können, während die Messeinrichtung selbst erst bei größeren Temperaturunterschieden betrieben wird bzw. sinnvoll betreibbar ist. Mit anderen Worten kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die Wärmezählereinrichtung ab einem vorgegebenen Wert, insbesondere 3 Kelvin, der Temperaturdifferenz zur Messung des Wärmeverbrauchs ausgebildet ist, wobei die thermoelektrischen Generatoren jeweils zur vollständigen Versorgung der Messeinrichtung bei einem genutzten Temperaturunterschied, der weniger als die Hälfte des vorgegebenen Werts, insbesondere 1 Kelvin, beträgt, ausgebildet sind. Bei einer entsprechenden Wahl des vorgegebenen Werts und der Temperaturunterschiedswerte, ab denen jeder einzelne der thermoelektrischen Generatoren hinreichende elektrische Energie für die Messeinrichtung bereitstellt, kann also sichergestellt werden, dass unter keinen Umständen ein Ausfall erfolgt, mithin unabhängig von der Umgebungstemperatur der Messeinrichtung, wenn gemessen werden muss/soll, auch genügend elektrische Energie zur Verfügung steht. Misst die Wärmezählereinrichtung beispielsweise ab einer Temperaturdifferenz von 3 Kelvin, bieten sich Temperaturunterschiedswerte, ab denen hinreichende elektrische Energie von einem thermoelektrischen Generator produziert wird, von 1 Kelvin an. Dies sei anhand einiger Beispiele genauer erläutert.
-
Beträgt beispielsweise die Umgebungstemperatur 30°C, die Vorlauf-Temperatur (in der Zuleitung) 55°C und die Rücklauf-Temperatur (in der Rückleitung) 45°C, existieren für beide thermoelektrischen Generatoren große Temperaturunterschiede von 25 Kelvin und 10 Kelvin, so dass in jedem Fall genügend elektrische Energie für die Messeinrichtung bereitsteht.
-
Beträgt in einem zweiten Fall die Umgebungstemperatur 30°C, die Vorlauf-Temperatur 33°C und die Rücklauf-Temperatur 30°C, ergibt sich für den der Rückleitung zugeordneten thermoelektrischen Generator ein Temperaturunterschied von 0 Kelvin, so dass dieser keine elektrische Energie liefern kann. Allerdings kann hier der andere, der Zuleitung zugeordnete thermoelektrische Generator genutzt werden, bei dem der Temperaturunterschied 3 Kelvin beträgt.
-
In einem weiteren, dritten Fall kann die Umgebungstemperatur 30°C betragen, die Vorlauf-Temperatur 31,5°C und die Rücklauf-Temperatur 28,5°C. An beiden der thermoelektrischen Generatoren liegt somit ein Temperaturunterschied von 1,5 Kelvin, der aber ausreicht, um die Messeinrichtung zu versorgen.
-
Schließlich kann in einem vierten Fall die Umgebungstemperatur 30°C betragen. Beträgt dann die Vorlauf-Temperatur 30°C und die Rücklauf-Temperatur 25°C, ergibt sich wiederum am Vorlauf keine Temperaturdifferenz, somit auch keine Erzeugung elektrischer Energie, welche aber am Rücklauf gegeben ist, wo 5 Kelvin Temperaturunterschied existieren.
-
In jeder denkbaren Variante ist also die Wärmezählereinrichtung durch mindestens einen der thermoelektrischen Generatoren stromversorgt.
-
Vorzugsweise kann ferner vorgesehen sein, dass die thermoelektrischen Generatoren mit jeweiligen Temperatursensoren der Messmittel der Messeinrichtung als gemeinsam anbringbare Baueinheit realisiert sind. Das bedeutet, die Anbindung der thermoelektrischen Generatoren kann gemeinsam mit den beispielsweise als Temperaturfühler ausgebildeten Temperatursensoren, über die die Temperaturdifferenz bestimmt wird, erfolgen. Beispielsweise kann die Baueinheit in einem Schritt an die entsprechende Leitung, insbesondere also die Zuleitung bzw. die Rückleitung, angebracht werden, so dass sowohl eine Wärmekontaktfläche des thermoelektrischen Generators mit der Leitung in Kontakt kommt, als auch eine Sensorfläche des Temperatursensors.
-
Zweckmäßigerweise kann die Wärmezählereinrichtung in Ausführungsbeispielen auch eine Powermanagementeinrichtung aufweisen, welche beispielsweise unterschiedliche Polaritäten durch unterschiedliche Richtungen des Temperaturgradienten korrigiert, mithin immer die benötigte Spannung in korrekter Polung an die Komponenten der Wärmezählereinrichtung bereitstellt.
-
Es sei angemerkt, dass die Wärmezählereinrichtung auch ein Gehäuse umfassen kann, in dem beispielsweise die Messeinrichtung und die thermoelektrischen Generatoren, mithin insbesondere die Baueinheiten, aufgenommen sind. Die Zuleitung und die Rückleitung treten an entsprechenden Stellen in das Gehäuse ein und aus dem Gehäuse wieder aus. An dem Gehäuse kann auch eine Anzeigevorrichtung angeordnet sein, auf der aktuelle Zählerstände und dergleichen angezeigt werden können. Auch die Anzeigeeinrichtung kann, falls notwendig, mittels der thermoelektrischen Generatoren betrieben werden.
-
Zweckmäßigerweise kann die Wärmezählereinrichtung also im Allgemeinen ferner eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige einer auf den Betrieb der Wärmezählereinrichtung bezogenen Betriebsinformation, insbesondere eines Zählerstandes, aufweisen. Zumindest in Phasen, in denen diese Anzeigeeinrichtung elektrische Energie benötigt, was insbesondere dann der Fall ist, wenn eine Temperaturdifferenz zwischen Zuleitung und Rückleitung existiert, kann die Anzeigeeinrichtung auch über wenigstens einen der wenigstens zwei thermoelektrischen Generatoren betrieben werden. Dabei ist es im Rahmen der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt, wenn die Anzeigeeinrichtung als ein stromloses Display, insbesondere umfassend E-Papier, zur Anzeige der Betriebsinformation auch bei nicht vorliegender Energie aus der Energiebereitstellungseinrichtung ausgebildet ist. Dabei können verschiedene, im Stand der Technik bereits vorgeschlagene Technologien zur Erzeugung eines E-Papiers (elektronisches Papier, englisch auch ePaper) verwendet werden. Beispielsweise kann eine Veränderung eines Pixelinhalts durch kurzzeitiges Anlegen eines elektrischen Feldes erfolgen, beispielsweise zur Änderung der Lage von Partikeln, wonach das elektrische Feld wieder entfernt werden kann. In derartigen und anderen bekannten Technologien für E-Papier wird also elektrische Leistung nur dann benötigt, wenn eine Änderung der dargestellten Betriebsinformation, insbesondere des Zählerstandes, erfolgen soll, so dass die Betriebsinformation auch dann auslesbar ist, wenn weder an der Zuleitung noch an der Rückleitung eine Temperaturdifferenz zum Betrieb des thermoelektrischen Generators vorliegt, beispielsweise in Sommermonaten oder dergleichen.
-
Trotzdem zumindest dann, wenn die zur Messung notwendige Temperaturdifferenz zwischen der Zuleitung und der Rückleitung vorliegt, die thermoelektrischen Generatoren hinreichende Energie zum Betrieb der Wärmezählereinrichtung liefern, kann es zweckmäßig sein, wenn in Ausgestaltungen die Energiebereitstellungseinrichtung zusätzlich einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Stützbatterie, aufweist. So kann ohne zusätzliche Geräte beispielsweise die Anzeigeeinrichtung auch dann genutzt werden, wenn ein Temperaturunterschied vorliegt, der ausreicht, dass die thermoelektrischen Generatoren Energie liefern. In diesem Kontext ist es alternativ oder zusätzlich jedoch auch besonders bevorzugt, wenn die Energiebereitstellungseinrichtung ferner wenigstens eine Schnittstelle, insbesondere eine RFID-Schnittstelle und/oder einen Stromanschluss, für von extern bereitgestellte Energie aufweist. Neben der auch hier vorliegenden Möglichkeit zum Betrieb der Anzeigeeinrichtung bei keine Energie liefernden thermoelektrischen Generatoren ergibt sich dadurch der besondere Vorteil, dass von extern, insbesondere durch eine Zugriffseinrichtung, bereitgestellte elektrische Energie zum Auslesen gespeicherter Betriebsinformation und/oder zum Konfigurieren der Wärmezählereinrichtung durch die externe Zugriffseinrichtung bei keine Energie liefernden thermoelektrischen Generatoren genutzt werden kann. Sowohl ein zusätzlicher Energiespeicher, insbesondere eine Stützbatterie, als auch über eine Schnittstelle extern bereitgestellte elektrische Energie können genutzt werden, um die Anzeigeeinrichtung zu betreiben oder aber auch Betriebsinformationen auszulesen beziehungsweise auszusenden, beispielsweise über eine optische und/oder funkbasierte Kommunikationsschnittstelle, wie dies im Stand der Technik bereits beschrieben wurde. Beide Möglichkeiten zum Erhalt elektrischer Energie auch bei nicht vorliegenden Temperaturunterschieden bieten zudem die Möglichkeit der Konfiguration der Wärmezählereinrichtung von extern, beispielsweise vor dem Einbau der Wärmezählereinrichtung, während einer Sommerphase und/oder nach dem Ausbau der Wärmezählereinrichtung.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Wärmezählereinrichtung, und
- 2 eine an einer Leitung angeordnete Baueinheit.
-
1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Wärmezählereinrichtung 1. Diese umfasst vorliegend ein Gehäuse 2, durch das eine Zuleitung 3 eines wärmetransportierenden Fluids in einen Kreislauf mit wenigstens einem Verbraucher und eine Rückleitung 4 für das genutzte Fluid aus dem Kreislauf geführt sind. Eine Messeinrichtung 5 umfasst, wie grundsätzlich bekannt, ein erstes Messmittel 6 zur Messung des Volumenstroms in wenigstens einer der Leitungen 3, 4, weitere, als Temperatursensoren 7, 8 ausgebildete Messmittel, über die eine Temperaturdifferenz zwischen der Zuleitung 3 und der Rückleitung 4 festgestellt werden kann, sowie Rechenmittel 9, die aus den entsprechenden Messwerten der Messmittel einen Wärmeverbrauch ableiten können. Eine Anzeigevorrichtung 16 kann außen an dem Gehäuse 2 angeordnet sein.
-
Zur Versorgung mit elektrischer Energie weist die Wärmezählereinrichtung 1 zwei thermoelektrische Generatoren 10, 11 auf, wobei der thermoelektrische Generator 10 den Temperaturunterscheid (und mithin Temperaturgradienten) zwischen der Rückleitung 4 und der Umgebungstemperatur/Umgebungsluft nutzen kann, der thermoelektrische Generator 11 den Temperaturunterschied zwischen der Zuleitung 3 und der Umgebungsluft. Nachdem die Messeinrichtung 5 erst bei einer Temperaturdifferenz von 3 Kelvin oder mehr zwischen der Zuleitung 3 und der Rückleitung 4 überhaupt misst bzw. messen muss, gleichzeitig aber die thermoelektrischen Generatoren 10, 11 beide bereits bei einem Temperaturunterschied von 1 Kelvin hinreichende elektrische Energie liefern, kann zumindest einer der thermoelektrischen Generatoren 10, 11 immer die Versorgung der Wärmezählereinrichtung 1 mit elektrischer Energie sicherstellen.
-
2 zeigt, dass die thermoelektrischen Generatoren 10, 11 auch in einer Baueinheit 12 realisiert werden können, dort am Beispiel der Baueinheit 12 der Rückleitung 4. Die Baueinheit 12 kann direkt an die Rückleitung 4 montiert werden, so dass sowohl der Temperatursensor 7 mit der Rückleitung 4 in Kontakt gebracht werden kann, als auch eine Wärmetransportfläche 13 des thermoelektrischen Generators 10. Die Wärmetransportfläche 13 ist genau wie die gegenüberliegende Wärmetransportfläche 14, die der Umgebungsluft ausgesetzt ist, elektrisch isolierend, wobei sich zwischen ihnen, wie grundsätzlich bekannt, eine thermoelektrische Struktur 15 befinden kann.
-
Zurückkehrend zu 1 ist die Anzeigeeinrichtung 16 vorliegend umfassend E-Papier ausgebildet, so dass insbesondere elektrische Energie nur beim Ändern der dort dargestellten Betriebsinformation, insbesondere des Zählerstandes, benötigt wird. Optional kann die Wärmezählereinrichtung 1 ferner einen elektrischen Energiespeicher, hier eine Stützbatterie 17, und/oder eine Schnittstelle zum Empfang externer elektrischer Energie aufweisen, wobei vorliegend beispielhaft ein Stromanschluss 19 und eine RFID-Schnittstelle 18 gezeigt sind. Derartige Energiequellen, wobei Möglichkeiten zur Entgegennahme externer elektrischer Energie bevorzugt sind, ermöglichen es, Komponenten der Wärmezählereinrichtung 1 auch dann zu betreiben, wenn keine Temperaturdifferenzen/Temperaturunterschiede vorliegen, die eine Energieerzeugung über die thermoelektrischen Generatoren 10, 11 ermöglichen, beispielsweise, wenn die Wärmezählereinrichtung 1 nicht eingebaut ist und/oder während einer Sommerphase, in der keine Wärme benötigt und somit entgegengenommen wird, sich Flüssigkeit in der Zuleitung 3 und der Rückleitung 4 mithin der Umgebungstemperatur anpasst. Derartige, aus anderen Quellen als den thermoelektrischen Generatoren 10, 11 stammende elektrische Energie kann neben einem Betrieb der Anzeigeeinrichtung 16 auch zum Auslesen von Betriebsinformation und/oder zur Konfiguration der Zählereinrichtung 1 mittels einer externen Zugriffseinrichtung genutzt werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wärmezählereinrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Zuleitung
- 4
- Rückleitung
- 5
- Messeinrichtung
- 6
- Messmittel
- 7
- Temperatursensor
- 8
- Temperatursensor
- 9
- Rechenmittel
- 10
- Generator
- 11
- Generator
- 12
- Baueinheit
- 13
- Wärmetransportfläche
- 14
- Wärmetransportfläche
- 15
- Struktur
- 16
- Anzeigeeinrichtung
- 17
- Stützbatterie
- 18
- RFID-Schnittstelle
- 19
- Stromanschluss
