DE102022110506A1

DE102022110506A1 - Verfahren zur Untersuchung der Wärmeverluste von Fernwärmeleitungen

Info

Publication number: DE102022110506A1
Application number: DE102022110506.7A
Authority: DE
Inventors: Ingo Weidlich
Original assignee: Hafencity Univ Hamburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Hafencity Universitaet Hamburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Hafencity Univ Hamburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Hafencity Universitaet Hamburg Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2022-04-29
Filing date: 2022-04-29
Publication date: 2023-11-02

Abstract

Verfahren zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitungen, wobei
a. in der Fernwärmeleitung eine Wärmequelle in einer oder mehreren Messpositionen positioniert wird,
b. in der jeweiligen Messposition von der Wärmequelle ein bekannter Wärmestrom abgegeben wird,
c. die hierdurch erhöhte Temperatur der Wand eines Mediumrohres der Fernwärmeleitung mit mindestens einem Temperatursensor gemessen wird
d. und aus dem abgegebenen Wärmestrom und/oder den Temperaturmessungen ein Wärmeverlustmaß für sämtliche Messpositionen ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betriff ein Verfahren zur Untersuchung der Wärmeverluste von Fernwärmeleitungen.
Wärmenetze dienen der Wärmeversorgung von Stadtgebieten. Wärmenetze verbinden Wärmeerzeugungsstandorte über ein Rohrleitungssystem mit der Wärmesenke, dem Nutzungsstandort der Wärme. Der Wärmeträger ist Heißwasser. Dabei wird der Transport des Heißwassers zur Wärmesenke über eine Vorlaufleitung und der Transport des ausgekühlten Wassers wird über eine Rücklaufleitung realisiert. Das Rohrleitungssystem ist durch eine Dämmung charakterisiert, welche die Wärmeverluste klein hält. Typischer Weise besteht ein solches Rohrsystem daher aus einem Mediumrohr für den Transport von Heißwasser, das konzentrisch in einer Ummantelung angeordnet ist. Der Zwischenraum wird mit einem Dämmschaum werkseitig ausgefüllt. Die zum Einsatz kommenden Materialien sind für das Mediumrohr je nach Belastung Stahl oder Kunststoff, für die Dämmung ein Polyurethan-Schaum oder Mineralwolle und für die Ummantelung ebenfalls ein Kunststoff, in der Regel Polyethylen oder bei besonderen äußeren Lasten ebenfalls Stahl. Die Vor- und Rücklaufleitungen können als Einzelrohre oder zusammen in einer Ummantelung als Doppelrohre ausgeführt werden. Die Beschreibung der Systeme kann den entsprechenden Standards entnommen werden [1, 2, 3]. Für die Trassenführung entstehen so vorgefertigte gerade Rohrstücke, Bögen und Abzweige, die auf der Baustelle miteinander verbunden werden müssen. Für diese Rohrverbindungen werden zunächst die Mediumrohre der Formteile materialabhängig durch Schweißen oder Pressverbindungen miteinander verbunden. Danach wird ein vorgefertigtes Stück Ummantelung über die Verbindungsstelle geschoben und mit dem vorgefertigten Rohr verbunden. Der Zwischenraum wir vor Ort mit einem Dämmschaum ausgeschäumt. Die Einfüllöffnungen für die Schaumkomponenten werden nach dem Ausreagieren des Schaumes wasserdicht verschlossen und kraftschlüssig verbunden.
Die Rohre können als Freileitungen über der Geländeoberfläche oder als erdverlegte Leitungen ausgeführt werden. Die meisten Leitungen von Wärmenetzen werden erdverlegt ausgeführt, damit die Oberfläche anderweitig genutzt werden kann. Darüber hinaus hat die Erdverlegung von Fernwärmeleitungen Vorteile für die rohrstatische Auslegung, da haltende Kräfte aus Bettungsreaktionen des Verfüllmaterials angesetzt werden können. Hierfür wird ein Graben ausgehoben, in dem die Arbeiten für die Installation der Rohre stattfinden. Dieser Graben wird nach dem Rohrbau wieder verfüllt. Dabei muss das Verfüllmaterial den Anforderungen des Tiefbaus entsprechend verdichtet werden, um Setzungen an der Oberfläche zu vermeiden.
Die Trassen von Wärmenetzen zeichnen sich demnach durch einen Vor- und Rücklauf, eine Grabenverlegung in einer bestimmten Tiefe und eine Kombination von geraden Rohrstücken, Bögen und Abzweigen aus.
Wärmenetze müssen aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Energieeffizienz mit einem möglichst geringen Brennstoffeinsatz betrieben werden. Ein Maß für die Effizienz eines Wärmenetzes sind die Wärmeverluste. Durch niedrige Wärmeverluste wird eine größere Menge Wärme seiner eigentlichen Bestimmung, zum Beispiel dem Beheizen von Gebäuden, zugeführt. Wärmenetzbetreiber sind deshalb bemüht, die Wärmeverluste durch ein Management der Wärmeverluste anhand eines angepassten Betriebes so gering wie möglich zu halten. Ein Management der Wärmeverluste setzt allerdings voraus, dass die Wärmeverluste für das Wärmenetz an allen Punkten entlang der Trasse bekannt sind.
Die jeweilige bauliche Zusammensetzung ebenso wie die zum Einsatz kommenden Materialien und die Betriebsweise beeinflussen die Wärmeverluste eines Wärmenetzes. Aber auch weitere, im Folgenden dargestellte Faktoren haben Einfluss auf die verschiedene Ausprägung der Wärmeverluste.
Für gerade Rohre ist bekannt, dass die Wärmeleitung der Dämmung von der Betriebstemperatur abhängt [4]. Zudem ist die Wärmeableitung von der Art der Grabenverfüllung und der Oberflächentemperatur abhängig [5]. Insbesondere ändert sich die Wärmeleitung in Abhängigkeit des Wassergehalts und des Verdichtungsgrades der Grabenverfüllung. Je größer das mit Luft statt Wasser gefüllte Porenvolumen ist, desto besser sind die Dämmeigenschafen der Grabenverfüllung. Dabei ist eine homogene Verdichtung im Kontaktbereich des Rohres aufgrund der geometrischen Randbedingungen kaum möglich. Insbesondere der Zwickelbereich ist für schwierige Verdichtungsbedingungen bekannt. Weiterhin können die Überdeckungshöhe und die Zusammensetzung und Eigenschaften der im Graben verwendeten Materialien schwanken. Im Fernwärmeleitungsbau gelten unterschiedliche Anforderungen für das Verfüllmaterial für die Leitungszone am Rohr und die Verfüllzone über der Leitungszone (s. 7 und 8). Auch hierdurch wird die Wärmeleitung beeinflusst.
Weiterhin sind die Rohrelemente konstruktiv nicht an allen Punkten mit einer konstanten Dämmdicke versehen. Neben möglichen Abweichungen der Koaxialität zwischen Mediumrohr und Ummantelung sind insbesondere in Bögen und Abzweigen Dämmdicken nicht konstant (s. 4). Zudem ist bekannt, dass aus dem Herstellungsprozess Lunker (größere Hohlräume) und eine Anisotropie der physikalischen Eigenschaften des Schaumes zu erwarten sind [6]. Hinzu kommen die im Feld hergestellten Verbindungen, die in situ verschäumt werden. Die Eigenschaften des Schaumes variieren an den Verbindungsstellen der Rohre, die zwischen allen Formteilen, bei geraden Abschnitten z.B. alle sechs bis zwölf Meter, zu erwarten sind. Zudem können die Verbindungen in ihrer Geometrie vom Grundrohr abweichen (s. 1 und 2, sowie [7]).
Im Betrieb kann eine punktuelle Durchfeuchtung der Dämmung zu einer Veränderung der Wärmeverluste führen. Ursachen hierfür können Haarrisse im Mediumrohr, Migration von Feuchtigkeit in Rohrachse, Permeation durch die Ummantelung etc. sein.
Zur Abschätzung der Wärmeverluste wurden verschiedene rechnerische Verfahren entwickelt, mit denen die Wärmeverluste anhand von modellartigen Querschnittsbetrachtungen mit signifikanten Vereinfachungen für repräsentative Trassenabschnitte bestimmt werden können [8, 9]. Hierdurch werden lokale Abweichungen übersehen und vernachlässigt und die Wärmeverluste können nur sehr grob abgeschätzt werden.
Experimentell werden die Wärmeverluste erdverlegter Wärmeleitungen derzeit mit Hilfe von Laboruntersuchungen am einzelnen geraden Rohrelement abgeschätzt. Die Messungen werden in einer Klimakammer unter standardisierten Bedingungen durchgeführt [10]. Das Mediumrohr wird erhitzt und die Temperatur am Mediumrohr und an der Ummantelung wird durch Temperatursensoren erfasst. Hieraus kann die Wärmeleitung und der Wärmedurchgangskoeffizient λ durch die Dämmung des Rohrsystems bestimmt werden. Der so im Labor bestimmte Wert wird für die Berechnung der Wärmeverluste angesetzt. Diese Verfahren bilden jedoch nicht die im Betrieb auftretenden Wärmeverluste von Wärmenetzen ab, die an verschiedenen Orten verschieden ausgebildet sein können.
Verfahren, mit denen versucht wird, die Wärmeverluste entlang von Wärmenetztrassen sichtbar zu machen, sind solche, bei denen mittels Thermografieaufnahmen erhöhte Temperaturen an der Oberfläche identifiziert werden können. Dies kann mittels Thermografiekamera von Hand oder mit Drohnen und Flugzeugüberfliegung aus der Luft erfolgen [11]. Bei jüngeren Netzen und solchen, die mit einer geringeren Vorlauftemperatur unter 100°C betrieben werden reichen die Temperaturunterschiede an der Oberfläche nicht aus, um Aussagen zu den Wärmeverlusten treffen zu können. Durch die Überdeckung der Leitungen ergeben sich nur noch kaum messbare Unterschiede der Temperatur an der Oberfläche, da auch das Bettungsmaterial mit der darin enthaltenen Luft eine Dämmwirkung hat. Die Thermografieverfahren eignen sich daher hauptsächlich für die Detektion von Leckagen und nicht für die Bestimmung von Wärmeverlusten [12].
Davon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem im Betrieb zu erwartende Wärmeverluste einer Fernwärmeleitung an verschiedenen Orten der Fernwärmeleitung punktuell oder kontinuierlich zuverlässig quantifiziert werden.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 23 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsarten des Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitungen ist dadurch gekennzeichnet, dass

• in der Fernwärmeleitung eine Wärmequelle in einer oder mehreren Messpositionen positioniert wird,
• in der jeweiligen Messposition von der Wärmequelle ein bekannter Wärmestrom abgegeben wird,
• die hierdurch erhöhte Temperatur der Wand eines Mediumrohres der Fernwärmeleitung mit mindestens einem Temperatursensor gemessen wird und
• aus dem angegebenen Wärmestrom und/oder den Temperaturmessungen ein Wärmeverlustmaß für sämtliche Messpositionen ermittelt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen ist dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile umfasst:

• eine Wärmequelle, die eingeschaltet werden kann, sodass sie einen bekannten Wärmestrom abgibt;
• mindestens einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Wand eines Mediumrohres der Fernwärmeleitung;
• einen Träger, der die Wärmequelle und den mindestens einen Temperatursensor trägt;
• eine Einrichtung zur Verlagerung der Vorrichtung in der Fernwärmeleitung.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, ein quantitatives Wärmeverlustmaß für die Wärmeverluste von verlegten Fernwärmeleitungen zu ermitteln. Dies bietet den Vorteil, dass die im Betrieb zu erwartenden Wärmeverluste realistisch abgebildet werden. Dazu wird eine Wärmequelle verwendet, die einen Wärmestrom abgibt, der bekannt ist. Zusammen mit mindestens einem Temperatursensor wird die Wärmequelle in der zu untersuchenden Leitung an einer Messposition positioniert. Zur Erfassung der Wärmeverluste an einer Position wird die Temperatur der Wand des Rohres der Fernwärmeleitung, welches in Folge der abgegebenen Wärme der Wärmequelle erwärmt ist, mit dem mindestens einen Temperatursensor gemessen. In Folge der Beschaffenheit des Rohres und seiner Umgebung in unmittelbarer Nähe zu der Messposition bildet sich ein gewisser Wärmestrom aus, der zu einer bestimmten, gemessenen Wandtemperatur führt. Der von der Wärmequelle zur Verfügung gestellte Wärmestrom dient zur Ermittlung eines Wärmeverlustmaßes. Auch die sich einstellende Wandtemperatur ist ein Wärmeverlustmaß für die auftretenden Wärmeverluste. Eine solche Quantifizierung der Wärmeverluste wird an beliebig vielen Messpositionen wiederholt, um die Wärmeverluste an verschiedenen Positionen zu untersuchen. Variationen der Wärmeverluste innerhalb der verlegten Leitungen können so quantitativ erfasst werden.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen praktisch angewendet werden. In Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird so die zuverlässige Bestimmung der Wärmeverlustmaße ermöglicht, welche die Wärmeverluste in Fernwärmeleitungen von Wärmenetzen quantifizieren. Zur Erzeugung eines Wärmestroms weist die Vorrichtung eine Wärmequelle auf und zur Messung der Temperatur der Rohrwand der Fernwärmeleitung weist die Vorrichtung mindestens einen Temperatursensor auf. Mit der Wärmequelle wird ein Wärmestrom erzeugt, der die Rohrwand von innen aufheizt. Die Temperatur der aufgeheizten Wand wird von dem mindestens einen Temperatursensor gemessen. Gemäß der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens erlaubt diese Messung und/oder der abgegebene Wärmestrom eine Quantifizierung des Wärmeverlustmaßes an einer Messposition. Um die Wärmequelle und den mindestens einen Temperatursensor zu verschiedenen Messpositionen verlagern zu können, weist die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Träger auf, der die Wärmequelle und den mindestens einen Temperatursensor gemeinsam trägt. Dieses gemeinsame Tragen der Gegenstände durch den Träger führt auch dazu, dass die Posen der Gegenstände relativ zueinander gewahrt bleiben.
Gemäß einer Ausführungsart der Erfindung wird im Verfahren der Wärmestrom der Wärmequelle konstant gehalten. Dadurch ergibt sich nach einer gewissen Zeit, die auch abhängig von den Wärmeverlusten und der Beschaffenheit der Fernwärmeleitung und ihrer Umgebung in der Nähe der Messpositionen im Allgemeinen ist, ein thermodynamisches Gleichgewicht. Dieses führt dazu, dass sich die Wandtemperatur nicht mehr ändert. Aufgrund des Energieerhaltungssatzes entspricht der überwiegende Teil des über die Wand abgegebenen Wärmestroms der Wärme, die von der Wärmequelle abgegeben wird. Durch die konstanten Verhältnisse werden die Messungen erleichtert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart wird der von der Wärmequelle abgegebene Wärmestrom geregelt. Dazu wird eine Temperatur spezifiziert, die die Rohrwand erreichen soll. Der Wärmestrom wird hinsichtlich seiner Leistung so geregelt, dass diese Temperatur erreicht und möglichst genau gehalten wird. Zur Schließung des Regelkreises können die Temperaturmessungen verwendet werden, die mit den Temperatursensoren durchgeführt werden. Durch die Vorgabe einer geregelten Temperatur wird die Befüllung eines Rohres mit einem Medium dieser Temperaturen abgebildet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden zusätzliche Temperatursensoren verwendet. Diese werden nicht im Leitungsrohr angeordnet. Stattdessen werden sie zur Messung der Temperatur der Geländeoberfläche oberhalb einer Messposition im Leitungsrohr angeordnet. Durch diese Messungen kann der Gradient zwischen der Temperatur der Rohrwand, welche mit den am Träger befindlichen Temperatursensoren gemessen wird, und den an der Geländeoberfläche gemessenen Temperaturen in die Ermittlung des Wärmeverlustmaßes einbezogen werden. So werden lokale Unterschiede des Untergrundes und ihre Auswirkung auf die Wärmeverluste besser erfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden weitere Temperatursensoren verwendet. Diese werden zur Messung der Geländetemperatur der direkten Umgebung der Messposition in der Fernwärmeleitung unmittelbaren in der Nähe der Messposition im Untergrund platziert. Durch diese Messungen wird der Gradient zwischen der Temperatur der Rohrwand, welche mit den am Träger befindlichen Temperatursensoren gemessen wird, und den im Untergrund platzierten Temperatursensoren bestimmt und in die Bestimmung des Wärmeverlustmaßes miteinbezogen. Durch diese zusätzliche Messung werden lokale Unterschiede des Untergrunds und ihre Auswirkung auf die Wärmeverluste besser erfasst.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart wird zur Ermittlung des Wärmeverlustmaßes die gemessene Temperatur des Rohres der Fernwärmeleitung verwendet. Nachdem sich ein thermodynamisches Gleichgewicht ausgebildet hat, ist die Temperatur in Kombination mit der abgegebenen Wärme der Wärmequelle im Rahmen dieser Ausführungsart ein repräsentatives Wärmeverlustmaß, das die Wärmeverluste quantifiziert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart wird zur Ermittlung des Wärmeverlustmaßes der bekannte Wärmestrom, der von der Wärmequelle abgegeben wird, verwendet. Gemäß des Energieerhaltungssatzes, der gilt, nachdem sich ein Gleichgewicht ausgebildet hat, entspricht dieser, von der Wärmequelle abgegebene Wärmestrom überwiegend dem Wärmestrom, der über die Rohrwand abgegeben wird. Diese Ausführungsart erlaubt, unter Berücksichtigung der lokalen Ausprägung der Leitungsbeschaffenheit, somit eine Quantifizierung des Wärmestroms, der im Betrieb an der Messposition als Wärmeverlust abgegeben wird, als Wärmeverlustmaß.
Gemäß einer weiteren Ausprägungsart wird die Ersatzschaltbildmethode verwendet, um Wärmeverlustmaß zu ermitteln. Dazu wird der Temperaturgradient verwendet, der zwischen der Rohrwand und den weiteren im Untergrund bzw. nahe der Geländeoberfläche positionierten Temperatursensoren herrscht. Zusammen mit dem Wärmestrom, den die Wärmequelle abgibt, wird die Ersatzschaltbildmethode angewendet, um die Wärmeleitfähigkeit der Leitung und ihrer direkten Umgebung zu quantifizieren. Im Besonderen kann dazu ein zweidimensionaler Querschnitt an einer Messposition und/oder ein dreidimensionaler Verlauf der bestimmten Größen ermittelt werden. Dazu kann mit dem Maschenstromverfahren ein n x m Gleichungssystem aufgestellt werden, welches mit dem Gauss'schen Eliminationsverfahren gelöst wird. Auch diese Quantifizierungen der Wärmeleitfähigkeit wird als Wärmeverlustmaß verwendet. Auf diese Weise wird ein noch umfassenderes Bild davon aufgezeichnet, wie die Umgebung des Rohres beschaffen ist und wie sich die entsprechenden Wärmeverluste ausbilden. Ergänzend oder alternativ werden die Finite-Element-Methode und/oder die Multipol-Methode nach Wallenten verwendet, um ein Wärmeverlustmaß zu ermitteln. Ähnlich wie bei der Ersatzschaltbildmethode werden der Temperaturgradient und der Wärmestrom der Wärmequelle verwendet, um die Wärmeleitfähigkeit in direkter Umgebung einer Messposition zu ermitteln. Sie liefern detaillierte Ergebnisse, welche auch ortsaufgelöst dargestellt werden können. Insbesondere die Finite-Elemente-Methode kann auch dazu genutzt werden, detaillierte dreidimensionale Verteilungen der bestimmten Größen zu ermitteln. Die genannten Methoden dienen dazu, einen tiefgreifenden Einblick in die Beschaffenheit der Wärmeleitfähigkeiten in Umgebung einer Messposition zu erhalten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden die Ersatzschaltbildmethode und/oder die Multipol-methode und/oder die Finite-Element-Methode in Echtzeit ausgewertet. Dies ist aufgrund des, verglichen mit anderen komplexeren Berechnungsmethoden, geringen Berechnungsaufwands möglich. Die Verweildauer an einer Messposition kann dieser Echtzeitauswertung angepasst werden und die insgesamte Messdauer gesenkt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden die zeitlichen Verläufe aller Messwerte der Temperaturen und der von der Wärmequelle abgegebene Wärmestrom erfasst. Die zeitlichen Verläufe dieser Größen werden mittels eines dazu eingerichteten und ausgebildeten Computers in einer Protokolldatei gespeichert. Außerdem werden sie mit einem Computer ausgewertet, um die Wärmeverluste zu berechnen. Die Speicherung der Werte und die Auswertung muss somit nicht mehr zeitgleich erfolgen, sondern kann gesondert im Anschluss an alle Messungen durchgeführt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden Labormessungen durchgeführt, deren Ergebnisse zur Korrektur der ermittelten Wärmeverlustmaße verwendet werden. Die Labormessungen finden unter definierten Bedingungen statt, welche denen an den Messpositionen in den verlegten Fernwärmeleitung hinsichtlich der Beschaffenheit der Rohrmaterialien, des Dämmmaterials, der Einbettungsart, dem Einbettungsmaterial, dessen Feuchtigkeit, der Temperaturen, usw. möglichst ähnlich sind. Anhand der Labormessungen werden die in axialer Richtung des Rohres auftretenden Wärmeströme bestimmt und bei der Berechnung der Wärmeverlustmaße berücksichtigt. Die Wärmeverlustuntersuchung gewinnt somit an Güte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden die zeitlichen Verläufe der aufgezeichneten Temperaturmessungen und des Wärmestroms der Wärmequelle ausgewertet. Die zeitlichen Verläufe der Daten erlauben weitere Analysen dahingehend, wie die Wärmeleitfähigkeiten, welche als Wärmeverlustmaß dienen können, räumlich um die Messposition herum ausgebildet sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden Dämmeinrichtungen verwendet. Sie werden in Längsrichtung des Rohres an jeder Messposition vor und hinter der Wärmequelle und den im Rohr befindlichen Temperatursensoren eingesetzt. Sie minimieren die in axialer Richtung abgegebenen Wärmeströme, welche als unerwünschte Verlustwärmeströme bezeichnet werden können. In der Folge gewinnt die Ermittlung der Wärmeverlustmaße an Güte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden Vor- und Rücklaufleitungen untersucht. Auf diese Weise werden durch beide Teile des Rohrsystems verursachte Wärmeverluste berücksichtigt. Außerdem werden Ergebnisse der Ersatzschaltbildmethode und ähnlicher Methoden verbessert, weil diese mit realistischeren Annahmen hinsichtlich der Umgebung einer Messposition durchgeführt werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart kommt ein Träger zum Einsatz, der alle Gegenstände trägt, die an den Bestimmungen der Wärmeverlustmaße beteiligt sind und sich im Rohr befinden. Der Träger und somit die Gegenstände werde gemeinsam von Messposition zu Messposition verlagert. Dies erleichtert den Messablauf und ermöglicht eine Reduzierung des Aufwands des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart wird der Träger, der alle Gegenstände trägt, die an den Bestimmungen der Wärmeverlustmaße beteiligt sind und sich im Rohr befinden, , mit einem Seil zwischen den verschiedenen Messpositionen verlagert. Diese Verlagerungsart erlaubt eine zuverlässige Verlagerung mit einer außerhalb des Rohres befindlichen Energiequelle. Dies reduziert den Aufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Verlagerung mit einem Seil kann ergänzt oder ersetzt werden dadurch, dass der Träger mit Rollen verlagert wird, welche motorisch betrieben sind. So wird eine aufwandsarme und zuverlässige Verlagerung des Trägers und der von ihm getragenen Gegenstände ermöglicht, ohne dass sich außerhalb der Leitung weitere Technik befinden muss.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart wird die Position des Trägers und der von ihm getragenen Gegenstände mittels eines dazu geeigneten Messverfahrens ermittelt. Dazu wird z.B. mittels in der Leitung befindlicher, tachymetrischer Sensoren die Position des Trägers bestimmt. Auch andere in der Geodäsie übliche Sensoren, wie beispielsweise GPS, Laser-Abstandsensoren oder Theodoliten können eingesetzt werden. Die bestimmten Positionen erlauben eine Zuordnung der ermittelten Wärmeverlustmaße zu einer Position in der Fernwärmeleitung, so dass eine ortsaufgelöste Untersuchung der Wärmeverluste möglich ist. Diese ist die Voraussetzung für eine ortsspezifische Angabe der Wärmeverluste und darauf basierender Veränderungsmaßnahmen. Zudem erlaubt die Kenntnis der Position des Trägers diesen an einer spezifischen Position innerhalb der Leitung zu positionieren und diese Stelle gezielt zu untersuchen. Von besonderem Interesse ist es hierbei, die Kurven einer Fernwärmeleitung oder die Übergänge zwischen verschiedenen Fernwärmeleitungsabschnitten zu untersuchen und in diesen Bereichen die Wärmeverlustmaße zu ermitteln. Eine Ermittlung der Position ist jedoch nicht zwingender Bestandteil des Verfahrens zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitungen. Auch nicht-positionsbezogene Durchführungen des Verfahrens zur Untersuchung der Wärmeverluste können wertvolle Informationen hinsichtlich der zu erwartenden Wärmeverluste eines Wärmenetz liefern. Auch sind im Rahmen einer fortschreitenden Bau- oder Erneuerungsarbeit zeitlich regelmäßige Anwendungen des Verfahrens zur Untersuchung der Wärmeverluste in den zuletzt bearbeiteten (z.B. drei) Rohrabschnitten denkbar. Solche regelmäßen Anwendungen erlauben auch ohne Positionsmessungen eine umfassende Untersuchung der zu erwartenden Wärmeverluste eines Wärmenetzes.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart wird die Position des Trägers bestimmt, indem ein Seil außerhalb des Rohres angebracht und gespannt wird. Anschließen wird die abgewickelte Seillänge gemessen, um die Position des Trägers zu bestimmen. Auch diese Positionsangaben erlauben eine Verknüpfung von Ortsangaben mit Ermittlungen des Wärmeverlustmaßes sowie eine genaue Positionierung des Trägers. Auch ist es nach ähnlichem Prinzip möglich, die Position des Trägers mit einer Rolle zu bestimmen. Dazu ist die Rolle mit dem Träger verbunden und rollt auf der Rohrwand ab. Die Bestimmung der Position des Trägers geschieht über eine Messung der Anzahl der Umdrehungen der Rolle seit der Einführung des Trägers in die Fernwärmeleitung. Auch die so bestimmten Positionsangaben erlauben eine Verknüpfung von Positionsangaben mit Wärmeverlustmessungen sowie eine genaue Positionierung des Trägers.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart wird die ermittelte Position des Trägers als Verlauf von der Zeit in einer Protokolldatei auf einem Computer, der dazu ausgebildet und eingerichtet ist, gespeichert und ausgewertet. Das Protokollieren der Position erlaubt eine zeitlich von der Durchführung der Messvorgänge getrennte Auswertung. Die Auswertung mit einem Computer gestattet zudem eine zeiteffiziente Berechnung.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart werden gleichzeitig Vor- und Rücklaufleitung untersucht. Dazu werden in beiden Fernwärmeleitungen die zuvor beschriebenen Untersuchungen zu Wärmeverlusten durchgeführt. Die in der Fernwärmeleitung befindlichen Gegenstände werden in den Fernwärmeleitungen jeweils so positioniert, dass ihr Abstand zu den jeweils anderen Gegenständen im anderen Rohr minimal ist. Dazu können bspw. die zuvor genannten Positionsbestimmungs- und Verlagerungstechniken verwendet werden. Diese gleichzeitige Untersuchung der Wärmeverluste in Vor- und Rücklaufleitung führt zu einer gesteigerten Genauigkeit des Verfahren, da mehr Informationen über die lokalen Verhältnisse berücksichtigt werden. Insbesondere in Verbindung mit der Ersatzschaltbildmethode können hierdurch weitreichende Genauigkeitssteigerungen erwartet werden, da alle üblicherweise für die Ersatzschaltbildmethode benötigten Randbedingungen und Berechnungsgrößen vorliegen.
Gemäß einer weiteren Ausführung werden vor allem Temperaturen von weniger als 100°C bei den Untersuchungen verwendet und/oder erreicht. Diese Temperatur ist typisch für Niedertemperaturwärmenetze. Die Bestimmung der Wärmeverluste bei diesen Netzarten ist besonders vorteilhaft, weil bei diesen die Wärmeverluste einen entscheidenden Optimierungsfreiheitsgrad darstellen, wohingegen bei konventionellen Netzen mit höheren Temperaturen Sicherheitsaspekte mehr im Vordergrund stehen.
Gemäß einer weiteren Ausführung wird das Verfahren vor allem bei der Neuverlegung vor der Inbetriebnahme der Fernwärmeleitungen und bei der Revision der Fernwärmeleitungen angewendet. In diesen Fällen sind die Fernwärmeleitungen gut zugänglich, sodass die für die Untersuchung der Wärmeverluste benötigten Gegenstände einfach in den Leitungen positioniert werden können. Gleichzeitig sind die Leitungen bereits in den Trassen und entsprechenden Einbettungen befindlich. Folglich gewinnt das Verfahren bei Durchführung zu diesen Zeitpunkten an Güte. Ergänzend oder alternativ wird das Verfahren zur Begleitung von baulichen Änderungen der Fernwärmeleitung verwendet. Bauliche Änderungen umfassen bspw. das Nachverdichten des Bettungsmaterials oder die Anpassung der Ummantelung sowie des Dämmmaterials, bzw. des gesamten Rohrsystems. Die Kenntnis der Wärmeverluste erlaubt, an entscheidenden Stellen bauliche Änderungen vorzunehmen, um die Wärmeverluste zu minimieren und somit die Wirkungsgrade des Wärmenetzes zu steigern. Dies wird auch bewerkstelligt, indem die ermittelten Wärmeverlustmaße dazu verwendet werden, das Wärmemanagement eines Wärmenetzes zu unterstützen. Basierend auf Kenntnis der Wärmeverluste innerhalb eines Wärmenetztes können entscheidende Größen, wie z.B. die Mediumtemperatur oder der Massenstrom, so eingestellt werden, dass der Wirkungsgrad des Wärmenetzes maximiert wird.
Gemäß einer weiteren Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung der Wärmeverluste einen Computer auf. Dieser ist ausgebildet und eingerichtet, um den von der Wärmequelle abgegebenen Wärmestrom sowie die von den Temperatursensoren gemessenen Temperaturen auszulesen, die an einer Messposition ausgelesenen Werte in einer Protokolldatei zu speichern und anschließend auszuwerten. Diese Verarbeitung der zur Quantifizierung des Wärmeverlustes verwendeten Größen mit einem Computer erlaubt den Einsatz verschiedener, moderner Computerprogrammprodukte z.B. bei der oben dargestellten Echtzeitauswertung der Ersatzschaltmethode. Aber auch die zeitversetzte Auswertung ist durch den Einsatz einer Protokolldatei möglich, sodass eine Vielzahl von Messdaten im Anschluss gemeinsam an die Messungen ausgewertet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Wärmequelle auf, die so eingestellt werden kann, dass sie verschieden große, spezifizierte Wärmeströme abgibt. Die Wahl verschiedener Wärmeströme dient unter anderem dazu, verschiedene Wandtemperaturen des Rohres an einer Messposition zu realisieren. Außerdem kann mittels der einstellbaren Wärmequelle der Wärmestrom geregelt werden. Zudem ermöglicht die Kenntnis des Wärmestroms vielfältige, oben dargestellte Arten der Auswertung zur Bestimmung eines Wärmeverlustmaßes.
Gemäß einer weiteren Ausführung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Temperatursensoren auf, die nicht von dem Träger getragen werden, aber dennoch mit dem Computer ausgelesen werden können. Diese Temperatursensoren können auch außerhalb des Rohres der Fernwärmeleitung platziert zu werden. In der Folge können z.B. Temperaturgradienten gemessen werden, die bspw. zur Anwendung der Ersatzschaltbildmethode verwendet werden könne. Im Allgemeinen können mit den zusätzlichen Temperatursensoren und den entsprechenden, gemessenen Temperaturen weitere Auswertungen zur Ermittlung von Wärmeverlustmaßen durchgeführt werden, um die Güte der Ermittlung der Wärmeverlustmaße zu steigern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart weist die erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens zwei Dämmelemente auf. Bezüglich einer Längsachse des Trägers stehen diese radial vor und laufen um die Längsachse um. Weiterhin weisen die Dämmelemente zueinander einen Abstand auf. Die Wärmequelle und die vom Träger getragenen Temperatursensoren sind zwischen den Dämmelementen angeordnet. In der Fernwärmeleitung liegen die Dämmelemente der Vorrichtung an der Rohrwand an und verhindern, dass die von der Wärmequelle abgegebene Wärme zu einem Wärmestrom in axialer Richtung führt. Die Begrenzung solch unerwünschter Verlustwärmeströme ermöglicht eine Steigerung der Güte der Ermittlung der Wärmeverlustmaße.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart weist die erfindungsgemäße Vorrichtung am Träger eine Befestigungseinrichtung für ein Seil auf, an der ein Seil befestigt ist. Mit dem Seil kann der Träger verlagert werden. Die dazu nötigen Zugkräfte werden über die Befestigungseinrichtung übertragen. Über die abgewickelte Seillänge ist zudem die Bestimmung der Position des Trägers in einer Fernwärmeleitung möglich. Mittels der Positionen ist es möglich, Wärmeverlustmaße Positionen in der Fernwärmeleitung zuzuordnen und somit eine lokal aufgelöste Untersuchung der Wärmeverlustmaße zu erlauben. Alternativ oder ergänzend kann die Vorrichtung auch Rollen aufweisen, die motorisch betrieben sind. Auch die Rollen dienen zur Verlagerung der Vorrichtung. Die Verwendung motorisch betriebener Rollen weist zudem den Vorteil auf, dass keine zusätzliche Technik außerhalb der Leitung zur Verlagerung nötig ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart weist die erfindungsgemäße Vorrichtung Sensorik für geodätische Messungen auf. Dies können bspw. Markierungen für tachymetrische Messungen oder GPS-Sensoren sein. Mit diesen ist eine Bestimmung der Position der Vorrichtung in der Fernwärmeleitung möglich. Die Positionsbestimmung ermöglicht die Zuordnung von bestimmten Wärmeverlustmaßen zu spezifischen Stellen der Fernwärmeleitung. Dadurch wird die lokal aufgelöste Untersuchung der Wärmeverluste ermöglicht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart befinden sich an der erfindungsgemäßen Vorrichtung Rollen, die dazu dienen, die Position der Vorrichtung innerhalb einer Fernwärmeleitung zu bestimmen. Zudem weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Messeinrichtung auf, mit der der Abrollwinkel der Rollen gemessen werden kann. Über die Messung der Abrollwinkel ist eine Bestimmung der Position des Trägers in einer Fernwärmeleitung möglich. Mittels der Positionen ist es möglich, Wärmeverlustmaße Positionen in der Fernwärmeleitung zuzuordnen und somit eine lokal aufgelöste Untersuchung der Wärmeverlustmaße durchzuführen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dessen Computer ausgebildet und eingerichtet, die Positionen des Trägers in der Fernwärmeleitung auszulesen und in der Protokolldatei abzuspeichern. Die Positionen stammen z.B. von den Messungen der Abrollwinkel der motorisch betriebenen Rollen oder der abgewickelten Länge des Seiles. Durch das Speichern in der Protokolldatei werden die gemessenen Positionen für die Kombination mit den oben beschriebenen Ermittlungsverfahren für die Wärmeverlustmaße im Sinne einer zentralen Datenhaltung vereinfacht.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind dessen Temperatursensoren als Widerstandsthermometer ausgeführt. Diese sind einfach und kostengünstig zu beschaffen und erlauben dennoch Messungen mit einer hohen Güte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Wärmequelle elektrisch betrieben. Eine Heizpatrone ist eine beispielhafte, technische Umsetzung einer elektrischen Wärmequelle. Eine solche elektrische Wärmequelle ist einfach und genau verstellbar, sodass der von der Quelle abgegebene Wärmestrom ebenfalls einfach, genau und schnell eingestellt werden kann. Dies ist bspw. die Voraussetzung für eine präzise Regelung des Wärmestroms, mit der sich bspw. die spezifizierte Wandtemperatur einstellen lässt. Es sind darüber hinaus aber auch noch weitre Wärmequellen, die nicht ausschließlich elektrisch betrieben werden, vorstellbar. Dazu zählen beispielsweise Wärmequellen, die auf exothermen Reaktionen beruhen, z.B. dem Verbrennen von Erdgas oder Kohle. Im Falle einer elektrisch betriebenen Wärmequelle ist eine Energieversorgung über Batterien oder eine externe Stromversorgung mittels eines Kabels einfach. Aber auch bei weiteren Energiequellen ist es möglich, z.B. über eine Gasleitung, eine Energieversorgung in den Fernwärmeleitungen für die Wärmequelle zu gewährleisten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dessen Träger so beschaffen, dass er aus mehreren Teilen besteht, die über mindestens ein Drehgelenk verbunden sind. Durch den Einsatz von Drehgelenken zwischen den Teilen des Trägers kann die Verlagerungstrajektorie des Trägers auch enge Radien aufweisen. Dies erlaubt den Einsatz in Fernwärmeleitungen, welche starke Biegungen aufweisen.
Die Erfindung und ihre vorteilhaften Wirkungen werden nachfolgend weiter erläutert.
Das Verfahren zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitung kann punktuell oder kontinuierlich erfolgen. Vor der Messung ist festzulegen, wie viele Messpunkte untersucht werden sollen. Je mehr Messpunkte vorliegen, desto genauer können die gesamten Wärmeverluste bestimmt werden. Zudem muss festgelegt werden, wie viele Vorrichtungen zum Einsatz kommen. Eine gleichzeitige Untersuchung von Vor- und Rücklauf an demselben Querschnitt liefert die realistischeren Daten. Die Anwendung des Verfahrens eignet sich besonders beim Neubau von Wärmenetzen, da in diesem Fall die Leitungen noch leer sind und über die Baugruben und Gräben zugänglich sind. Zudem kann eine Anfangsmessung dazu dienen, Veränderungen der Materialeigenschaften des Rohrverbundsystems über die Zeit zu erfassen. Bei Altleitungen muss ein zu untersuchender Leitungsabschnitt außer Betrieb genommen und entleert werden, um die Möglichkeit zu schaffen den Messwangen einzuführen. Derartige Messungen können zusammen mit anderen Revisionsmaßnahmen vorgesehen werden. Bei vorhandener Anfangsmessung direkt nach dem Neubau können durch Folgemessungen neben aktuellen Aussagen zu den Wärmeverlusten auch Aussagen zur Alterung des Systems getroffen werden.
Die Wärmequelle, welche die Aufgabe hat, die Leitung von innen zu erwärmen und die Temperatursensoren, mit denen die auftretenden Temperaturen und die aufgewendete Heizenergie gemessen werden, in einer Fernwärmeleitung zu positionieren. Durch eine tachymetrische Messung wird der Träger auf Position gebracht. Dies kann zum Beispiel durch eine einfache Seilkonstruktion bewerkstelligt werden. Ein Beispiel für einen solchen Messwagen ist in den 1, 2, 3 und D gegeben. Andere selbstfahrende positionssichere Messwagen sind aber genauso denkbar. Wichtig ist dabei, dass der Träger nicht nur in geraden Leitungsabschnitten, sondern auch in Bögen von Wärmeleitungen zum Einsatz kommen kann (vgl. 4, Messung in einem 90°-Bogen). Zudem ist bei der Positionierung Präzision gefordert, um auch Rohrverbindungen von innen anfahren zu können (vgl. 1 und 2). Neben den Wärmeverlusten eines geraden Rohres sind insbesondere diese lokalen Veränderungen von großem Interesse. Verbindungen kommen je nach Länge der einzelnen geraden Rohrstangen sehr häufig vor (z.B. alle 6 Meter), deren Einfluss auf die Wärmeverluste, seien diese positiv oder negativ, sind bisher unbekannt. Für den Messvorgang muss die Wärmequelle zum Beispiel eine Heizpatrone enthalten, mit der die erwünschten Betriebstemperaturen punktuell erzeugt werden können. Durch zwei Dämmkrägen sollte die Heizleistung punktuell eingeschränkt werden.
An einer Messposition laufen folgende Vorgänge ab: Der Träger steht an der gewünschten Position im Mediumrohr. Mit der Wärmequelle wird die zu untersuchende Temperatur erzeugt und das Rohr wird inklusive Umgebung aufgeheizt. Die Aufheizung wird fortgesetzt bis die zu untersuchende Temperatur erreicht ist. Danach wird die Wärmezufuhr über die Heizpatrone nachgeregelt, bis ein stationärer Zustand erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt entspricht aufgrund des Energieerhaltungssatzes die aufgewendete elektrische Leistung den Wärmeverlusten. Abbildung E zeigt schematisch eine Temperatur-Zeit-Kurve und eine Leistungs-Zeit-Kurve der Wärmequelle. Die Form der Aufheizkurve hängt von den jeweils vorliegenden Umgebungsbedingungen ab. Neben den Temperaturmessungen im Rohr kann begleitend auch die Umgebungstemperatur an der Oberfläche erfasst werden. Über die instationäre Aufheizphase und die stationäre Heizphase können Aussagen zu den Wärmeverlusten und einer resultierenden Wärmeleitfähigkeit des Gesamtquerschnitts etc. getroffen werden. Weitere Informationen zur Wärmeleitfähigkeit von Einzelkomponenten, wie z.B. dem Bettungsmaterial, können gewonnen werden, wenn der angefahrene Messquerschnitt mit weiteren Temperaturfühlern ausgestattet wird, die z.B. mit einer Sonde von der Geländeoberfläche auf eine definierte Tiefe über dem Messwagen gebracht werden (vgl. 5, 6, 7). Durch Labormessungen können die Messungen noch präziser ausgewertet werden, wenn die axialen Wärmeverlustströme durch den Stahlquerschnitt des Mediumrohres und die Pfropfen- oder Packerdämmung ermittelt werden. Nach Abschluss der Messvorgänge wird der Messwagen entweder an die nächste Messposition verlagert oder aus dem System entnommen. Die feldseitigen Maßnahmen sind mit der Entnahme des Trägers abgeschlossen.
Aufgrund des Energieerhaltungssatzes entspricht die eingesetzte elektrische Leistung der Wärmequelle, im Falle einer elektrischen Ausführung dieser, nach dem Erreichen des stationären Zustands während der Messung dem Wärmeverlustmaß an dieser Messposition. Aufgrund der begrenzten Länge des Trägers und des aufgeheizten Bereiches sind dreidimensionale Effekte zu beachten, wenn Aussagen für die Wärmeverluste in Watt pro Meter getroffen werden sollen. Sofern diskontinuierliche Wärmeverluste und auch zusätzliche Temperaturdaten an der Geländeoberfläche und auch im Untergrund berücksichtigt werden sollen, sind komplexere Berechnungsverfahren erforderlich. Zum Einsatz können die Finite Elemente Methode und andere kommen. Besonders effektiv und daher hier empfohlen, ist die Ersatzschaltbildmethode [13]. Die Ersatzschaltbildmethode basiert auf der Annahme, dass elektrische Vorgänge derselben Laplaceschen Differenzialgleichung genügen, wie thermische Vorgänge [14]. Dies ist vereinfacht für die Messung mit zwei Wärmequellen jeweils in der Vor- und Rücklaufleitung in dargestellt. Für zusätzliche Messpositionen kann das System um weitere Maschen erweitert werden. Es ergeben sich dann aufwändigere Ersatzsysteme, die durch Verfahren der Elektrotechnik gelöst werden können. Hierfür ist das Maschenstromverfahren besonders geeignet. Es ergibt sich für n-Maschen ein nxn- Gleichungssytem, welches mit dem Gaußschen Eliminationsverfahren gelöst werden kann. Aufgrund des vergleichsweise geringen Berechnungsaufwands kann mit der Ersatzschaltbildmethode die Auswertung der Messungen in Echtzeit erfolgen. Vorlaufend können Referenzmessungen unter definierten Laborbedingungen mit der Vorrichtung am geraden Rohr ohne Bettung und optional für eine höhere Genauigkeit mit Aufbauten mit Bettung für die zu untersuchenden Durchmesser durchzuführen.
Die vorstehende Erfindung wird nachfolgend anhand von Beispielen näher erläutert.

1: Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen (Seitenansicht)
2: Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen (Draufsicht)
3: Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen (Frontansicht)
4: Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen an gekrümmten Rohrstellen positioniert
5: Beispielhafter Verlauf von Temperatur und der Heizleistung bei Anwendung des Verfahrens zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen
6: Vorbereitung des Verfahrens zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitungen (Seitenansicht)
7: Anwendung des Verfahrens zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitungen bei getrennter Vor- und Rücklaufleitung
8: Anwendung des Verfahrens zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitungen bei Vor- und Rücklaufleitung in Verbundbauweise
9: Ersatzschaltbildmethode für zwei Temperaturquellen

1 zeigt beispielhaft die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Untersuchung der Wärmeverluste von Fernwärmeleitung in der Seitenansicht. In der Figur ist dargestellt, dass die Vorrichtung an einem Verbindungspunkt zwischen zwei Rohrabschnitten positioniert ist. Die Diskontinuität der Wärmeverluste an diesem Punkt ergibt sich hier durch das baustellenseitige Herstellen der Dämmung in der Verbindung. Im Schnitt wird die vom Träger getragene Messtechnik schematisch dargestellt.
2 zeigt dieselbe Messposition und die erfindungsgemäße Vorrichtung wie 1 in der Ansicht von oben (Draufsicht). In dieser Ansicht sind die Gelenke zu erkennen, die Teile des Trägers miteinander verbinden. Die Messtechnik ist hier nicht dargestellt.
3 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung von vorne, wie sie in einem Verbundrohr, welches im Querschnitt dargestellt ist, positioniert ist. In dieser Ansicht wird die Wirkung der motorisch betriebenen Rollen erkennbar, mit welchen der Träger und die von ihm getragenen Gegenstände verlagert werden.
4 zeigt eine Positionierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem 90°-Bogen. Solche Punkte einer Fernwärmeleitung sind von Diskontinuität der Wärmeverluste geprägt. Die Diskontinuität der Wärmeverluste ergibt sich an diesem Punkt durch die veränderliche Dämmdicke im Bogenbereich, aufgrund der segmentierten Ummantelung und des gebogenen Mediumrohrs. Weiterhin ist zu erkennen, dass die Gelenke des Trägers der erfindungsgemäßen Vorrichtung dafür sorgen, dass der enge Radius des Rohres die Verlagerung des Trägers nicht behindert.
5 zeigt ein Diagramm, das den zeitlichen Verlauf der Temperatur der Rohrwand und die Heizleistung einer elektrischen Ausführung der Wärmequelle darstellt. Die Darstellung ist qualitativ. Hierbei ist T_op die spezifizierte Temperatur der Wand des Mediumrohrs der Fernwärmeleitung, welche durch eine Regelung der Wärmequelle erreicht wird und welche die spätere Betriebstemperatur im Wärmenetz darstellt, T_env ist die Temperatur der Umgebung an der Oberfläche, T_sond sind Temperaturen im Untergrund am Rohr oder im Rohr, die mit weiteren Temperatursensoren gemessen werden, P_el ist die aufgenommene, elektrische Leistung einer elektrisch ausgeführten Variante der Wärmequelle und Q_v ist ein Wärmestrom, der ein Wärmeverlustmaß darstellt.
6 zeigt die Vorbereitung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Rohrgraben. Ein Zugseil ist bereits im Rohr der Fernwärmeleitung installiert. In einem nächsten Schritt ist der Messwagen in das Rohr zu verlagern.
7 stellt die Grabenansicht aus 6 von vorne auf zwei erdverlegte Verbundmantelrohre für die Wärmeverteilung dar. Sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf der Fernwärmeleitung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung positioniert.
8 stellt die Grabenansicht aus 6 von vorne für ein erdverlegtes Doppelrohr dar. Sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf der Fernwärmeleitung ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung positioniert.
9 zeigt ein Beispiel für ein ebenes Modell der Ersatzschaltbildmethode, mit der thermophysikalische Parameter aus der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens abgleitet werden können. Links ist das System für erdverlegte Rohre dargestellt. Rechts ist das Ersatzschaltbild dargestellt. Die Abkürzungen sind: T_E0=Temperatur an der Geländeoberfläche; h_E=Überdeckung bis zur Rohrachse, λE=Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs, T_R1=Temperatur der Rohrleitung mit dem Index 1, T_R2=Temperatur der Rohrleitung mit dem Index 2, d_R1=Durchmesser der Rohrleitung mit dem Index 2, d_R2=Durchmesser mit der Rohrleitung mit dem Index 2, R_ii=Kehrwert des thermischen bzw. der elektrische Widerstand, I_ii=Wärmestrom bzw. Stromstärke, U_ii= Temperaturunterschied bzw. Spannung. Das Modell lässt sich einfach um weitere Messebenen und auch dreidimensionale Berechnungen erweitern.
Bezugszeichenliste

1.1: Messwagen
1.2: Tachymetrische Messeinheit
1.3: Öse
1.4: Wirbel und Verbindung mit dem Führungsseil
1.5: Stromversorgung
1.6: Heizpatrone
1.7: Rad
1.8: Gelenk
1.9: Temperatursensoren (4 Stück)
1.10: Dämmung in Pfropfen- oder Packerform
1.11: Zugseil
1.12: Laser
1.13: Messeinheit für theodolitische Horizontalmessung
1.14: = 1.10
1.15: = 1.9
1.16: Mediumrohr
1.17: Dämmung des Rohres
1.18: Dämmschaum der Verbindung (baustellenseitige Herstellung)
1.19: Schweißnaht (beispielhafte Verbindung des Mediumrohrs)
1.20: Ummantelung
3.1: Ummantelung des geraden Rohrs
3.2: Dämmung
3.3: Mediumrohr
3.4: Erfindungsgemäße Vorrichtung
4.1: Diskontinuierliche Dämmung im 90° Bogen, außen
4.2: Diskontinuierliche Dämmung im 90° Bogen, innen
4.3: Erfindungsgemäße Vorrichtung
6.1: Baugrube
6.2: Trommel für das Zugseil
6.3: Zugseil
6.4: Mediumrohr
6.5: Ummantelung
6.6: Erfindungsgemäße Vorrichtung
6.7: Zugseil und Stromversorgung
6.8: Trommel für das Zugseil und die Stromversorgung
6.9: Datenerfassung
6.10: Zusätzliche Temperaturfühler im Untergrund
7.1: Gewachsener Baugrund
7.2: Verfüllzone des Grabens
7.3: Leitungszone des Grabens
7.4: Verbundmantelrohr in Einzelrohrausführung
7.5: Erfindungsgemäße Vorrichtung
7.6: Zusätzliche Temperatursensoren im Untergrund
8.1: Verbundmantelrohr in Doppelrohrausführung
8.2: Zusätzliche Temperatursensoren im Untergrund

Liste der zitierten Nichtpatentliteratur

[1] EN 253, Fernwärmerohre - Werkmäßig gedämmte Verbundmantelrohrsysteme für direkt erdverlegte Fernwärmenetze - Verbund-Rohrsystem, bestehend aus Stahl-Mediumrohr, 5 Polyurethan-Wärmedämmung und Außenmantel aus Polyethylen; Deutsche und Englische Fassung EN
[2] EN 15698, Werkmäßig gedämmte Verbundmanteldoppelrohre für direkt erdverlegte Fernwärmenetze- Teil 1: Verbund-Doppelrohrsystem bestehend aus zwei Stahl-Mediumrohren, Polyurethan-Wärmedämmung und einem Außenmantel aus Polyethylen; Deutsche und Englische Fassung EN
[3] EN 15632, Fernwärmerohre - Werkmäßig gedämmte flexible Rohrsysteme - Teil 1: Klassifikation, allgemeine Anforderungen und Prüfungen; Deutsche Fassung EN 15632-1:2009+A1:2014
[4] Kraft, S. (2007): Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit von zylindersymmetrisch aufgebauten Rohrsystemen. 3R international (46), Heft 4.
[5] Weidlich I., Schuchardt G., „Sensitivitätsanalyse der Eingangsparameter aus den Bettungsbedingungen bei der Auslegung von Fernwärmeleitungen", bbr - das Fachmagazin für Leitungsbau, Brunnenbau und Geothermie, Ausgabe 04/2016, Seiten 30-37, wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn, 2016
[6] Doyle, L., Weidlich I., Illguth M., „Anisotropy in Polyurethane Pre-Insulated Pipes", Polymers, MDPI, 2019, 11(12), 2074, https://doi.org/10.3390/polym11122074
[7] Grage, T., Herbst, V.: Praxisgerechte Qualitätsprüfungen von KMR-Muffensystemen. EuroHeat&Power 42. Jg, H. 9, S. 46-53, 2013.
[8] Wallenten, P.: Steady-State Heat Loss from insulated pipes, Dissertation, Lund, 1991.
[9] Oppelt T., Urbaneck T., Platzer B., „New Model for Calculating the Heat Flow through the Walls of 35 Buried Parallel Pipes", Euroheat&Power, English Edition, Vol. 10 III, 2013, pp. 38-43
[10] EN ISO 8497, Wärmeschutz - Bestimmung der Wärmetransporteigenschaften im stationären Zu15 stand von Wärmedämmungen für Rohrleitungen (ISO 8497:1994); Deutsche Fassung EN ISO 8497:1996
[11] Friman, O.; Follo, P.; Ahlberg, J.; Sjökvist, S.: Methods for Large-Scale Monitoring of District Heating Systems Using Airborne Thermography, IEEE Trans. Geoscience and Remote Sensing (52), 2014
[12] Generische Zustandsanalyse von Fernwärmenetzen, Entwicklung und Validierung einer Parametermatrix zur Auswertung von TIR-Bildern im Hinblick auf die Zustandsbewertung von Fernwärmeleitungen, Fernwärme-Forschungsinstitut in Hannover e.V., Schlussbericht 1024_4837, 2011
[13] Weidlich Ingo, (2020) „Untersuchung der thermischen Interaktion zwischen Fernwärmeleitungen und einer Trinkwasserleitung“, Abschlussbericht, unveröffentlicht, im Auftrag der GEF - Ingenieur AG Leimen
[14] Zeitler, Martin (1980) „Berechnungsverfahren zur Bestimmung des Wärmeverlustes von verschiedenen Verlegesystemen erdverlegter Rohrleitungen“, Fernwärme international - FWI Jg. 9 Heft 3

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

Doyle, L., Weidlich I., Illguth M., „Anisotropy in Polyurethane Pre-Insulated Pipes“, Polymers, MDPI, 2019, 11(12) [0065]
Grage, T., Herbst, V.: Praxisgerechte Qualitätsprüfungen von KMR-Muffensystemen. EuroHeat&Power 42. Jg, H. 9, S. 46-53 [0065]
Oppelt T., Urbaneck T., Platzer B., „New Model for Calculating the Heat Flow through the Walls of 35 Buried Parallel Pipes“, Euroheat&Power, English Edition, Vol. 10 III, 2013, pp. 38-43 [0065]

Claims

Verfahren zur Untersuchung von Wärmeverlusten von Fernwärmeleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass a. in der Fernwärmeleitung eine Wärmequelle in einer oder mehreren Messpositionen positioniert wird, b. in der jeweiligen Messposition von der Wärmequelle ein bekannter Wärmestrom abgegeben wird, c. die hierdurch erhöhte Temperatur der Wand eines Mediumrohres der Fernwärmeleitung mit mindestens einem Temperatursensor gemessen wird d. und aus dem abgegebenen Wärmestrom und/oder den Temperaturmessungen ein Wärmeverlustmaß für sämtliche Messpositionen ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem von der Wärmequelle ein konstanter Wärmestrom abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der abgegebene Wärmestrom so geregelt wird, dass eine zuvor spezifizierte Temperatur des Mediumrohres konstant gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem zusätzlich die Temperatur an der Geländeoberfläche oberhalb des Rohres gemessen und zusätzlich bei der Ermittlung des Wärmeverlustmaßes verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Temperaturen an weiteren Positionen innerhalb des Untergrundes gemessen und ebenfalls zur Ermittlung des Wärmeverlustmaßes verwendet werden, wobei diese Temperaturen in der Nähe einer jeweiligen Messposition durchgeführt werden, an der gerade das Verfahren durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem zur Ermittlung des Wärmeverlustmaßes die ermittelte Wandtemperatur verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem zur Ermittlung des Wärmeverlustmaßes ein Verlustwärmestrom verwendet wird, der mittels des Energieerhaltungssatzes berechnet wird und dem von der Wärmequelle abgegebenen Wärmestrom entspricht.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem zur Ermittlung des Wärmeverlustmaßes Wärmeleitfähigkeiten mit der Ersatzschaltbildmethode und/oder der Finite-Element-Methode und/oder der Multipol-Methode berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Ermittlung des Wärmeverlustmaßes in Echtzeit vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die an mindestens einer Messposition bestimmten zeitlichen Verläufe des von der Wärmequelle abgegebenen Wärmestroms und der gemessenen Temperaturen in einer Protokolldatei auf einem Computer gespeichert und ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Ergebnisse von Labormessungen unter definierten Bedingungen zur Korrektur des Wärmeverlustmaßes verwendet werden, indem vor allem axial auftretende Verlustwärmeströme berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die zeitlichen Verläufe der gemessenen Temperaturen und des Wärmestroms ausgewertet und zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit des Gesamtquerschnittes verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Dämmeinrichtungen bei jeder Messung in Längsrichtung des Leitungsrohres vor und hinter der Wärmequelle positioniert werden, um Wärmeverluste in Längsrichtung des Leitungsrohres zu verhindern.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem Vor- und Rücklaufleitungen untersucht werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Gegenstände, die sich im Rohr befinden und an der Bestimmung des Verlustwärmestroms beteiligt sind, von einem Träger getragen werden und der Träger in der Fernwärmeleitung zu den Messpositionen verlagert wird.
Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Verlagerung des Trägers mit einem Seilzug und/oder angetriebenen Rollen bewerkstelligt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei dem die Position mit einem Messverfahren zur Positionsbestimmung bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei dem die Position des Trägers bestimmt wird mit a. einem gespannten Seil, das außerhalb des Rohres und mit dem Träger befestigt ist und mit dessen abgewickelter Länge die Position des Trägers bestimmt wird, b. einer Rolle, die mit dem Träger verbunden ist, auf der Rohrwand abrollt, deren Umdrehungszahl mit einem Sensor gemessen wird und mit deren Umdrehungszahl die Position des Trägers bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, bei dem die als zeitlicher Verlauf bestimmte Position des Trägers in einer Protokolldatei auf einem Computer gespeichert und ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, mit dem Vor- und Rücklaufleitung gleichzeitig untersucht werden, wobei die in beiden Leitungen an der Messung beteiligten Gegenstände so positioniert werden, dass sie zu den Gegenständen im jeweils anderen Mediumrohr einen minimalen Abstand aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das besonders zur Verwendung von Temperaturen unter 100°C, welche typisch für Niedertemperatur-Netze sind, geeignet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, das bei Neuverlegungen und/oder bei Revisionen von Fernwärmeleitungen zum Wärmemanagement des Fernwärmenetzes und/oder zur Umsetzung baulicher Änderungen eingesetzt wird.
Vorrichtung zur Untersuchung von Wärmeverlusten in Fernwärmeleitungen, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Bestandteile umfasst: a. eine Wärmequelle, die eingeschaltet werden kann, sodass sie einen bekannten Wärmestrom abgibt, b. mindestens einen Temperatursensor zur Messung der Temperatur der Wand eines Mediumrohres der Fernwärmeleitung, c. einen Träger, der die Wärmequelle und den mindestens einen Temperatursensor trägt, d. eine Einrichtung zur Verlagerung der Vorrichtung in der Fernwärmeleitung.
Vorrichtung nach Anspruch 23, die einen Computer aufweist, der ausgebildet und eingerichtet ist, den von der Wärmequelle abgegebenen Wärmestrom und die gemessenen Temperaturen auszulesen, die an einer Messposition ausgelesenen Werte aufzuzeichnen, in einer Protokolldatei zu speichern und die Messwerte mit einem Computerprogramm auszuwerten.
Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, deren Wärmequelle so eingestellt werden kann, dass verschieden große, spezifizierte Wärmeströme abgegeben werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 25, die weitere Temperatursensoren aufweist, die von dem Computer ausgelesen werden können und nicht von dem Träger getragen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, die bezüglich einer Längsachse des Trägers mindestens zwei radial vorstehende und um die Längsachse umlaufende Dämmelemente aufweist, wobei die Dämmelemente in Richtung der Längsachse einen Abstand voneinander aufweisen und die Wärmequelle und die am Träger befindlichen Temperatursensoren zwischen den Dämmelementen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 27, deren Träger motorisch betriebene Rollen zur Verlagerung des Trägers aufweist und/oder deren Träger eine Befestigungseinrichtung für die Befestigung eines Seiles und ein an der Befestigungseinrichtung befestigtes Seil aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, welche Sensorik für geodätische Messungen aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 29, an deren Träger sich Rollen befinden und die eine Messeinrichtung zur Messung der Anzahl der Umdrehungen der Rolle aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 29 oder 30, deren Computer ausgebildet und eingerichtet ist, die Position des Trägers innerhalb einer Fernwärmeleitung auszulesen und in der Protokolldatei zu speichern.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 31, deren Temperatursensoren als Widerstandsthermometer ausgeführt sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 32, deren Wärmequelle elektrisch betrieben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 33, deren Träger mehrere Teile umfasst, die über mindestens ein Drehgelenk miteinander verbunden sind.