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Die Erfindung betrifft einen Durchflussmesser für Verteilerrohre von Warmwasser-Heizungsanlagen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Konventionelle Durchflussmesser für Verteilerrohre von Warmwasser-Heizungsanlagen, die zur Erfassung von Fußbodenheizströmen dienen, wie z. B. aus der
EP 1497 591 81 bekannt, sind lediglich mit dem Auge ablesbar.
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Aktuelle Wärmeanlagen in Gebäuden verwenden meist Heiz-/Kühlkreisverteiler, die das Medium Warmwasser in die Bereiche eines Gebäudes verteilen (oft einzelne Räume aber auch Bereiche in großen Räumen). Auf diese Art fließt also nicht eine Leitung durch das ganze Gebäude, die jeden Raum mit Wärme/Kälte versorgt, sondern die Bereiche/Räume werden von diesem Verteiler aus individuell beheizt. So wird es möglich über ein Thermostat, das sich im jeweiligen Bereich/Raum befindet, eine Solltemperatur einzustellen, die das Thermostat dazu veranlasst das Ventil am Heiz/Kühlkreisverteiler für den jeweiligen Bereich/Raum so lange zu öffnen bzw. zu schließen, bis der gewünschte Sollwert am Thermostat gemessen wird. Dabei ist zu beachten, dass dieses Thermostat das Ventil lediglich voll öffnen oder schließen kann, eine genaue Regelung des fließenden Volumenstromes ist so nicht möglich. Der für den jeweiligen Bereich vorgesehene Volumenstrom wird manuell auf die jeweilige Größe des Bereichs eingestellt. Dies ist notwendig, da durch die unterschiedlich großen Bereiche unterschiedlich lange Leitungen verlegt sind, die damit unterschiedlich große Flusswiderstände aufweisen. So wäre ohne eine Einschränkung des Durchflusses der Volumenstrom immer in der kürzesten Leitung am größten. Dies würde zur sehr schnellen Aufheizung/Abkühlung kleiner Bereiche/Räume führen und zur sehr langsamen von großen Bereichen/Räumen.
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Nachteilig an der
EP 1497 591 81 ist, dass es trotz der manuellen Anpassung der Volumenströme auf die jeweiligen Leitungslängen auf diese Art nicht möglich ist, eine gleichmäßige Wärme-/Kälteverteilung auf jedes Segment zu garantieren; der Volumenstrom einer einzelnen Leitung hängt gleichzeitig vom Volumenstrom der anderen Leitungen ab. Wird also eine Leitung geschlossen, da in diesem Bereich gerade kein Bedarf ist, verteilt sich das Fluid auf die zurückbleibenden geöffneten Leitungen anders als vorher, und es kann wieder zu einem ungleichen Aufwärm-/Abkühlverhalten in den einzelnen Bereichen kommen. Eine bedarfsgerechte Dosierung des Volumenstromes ist so auch nicht möglich; die Leitungen können lediglich geöffnet und geschlossen werden. Dies führt zu einer ökonomisch wie auch ökologisch ungünstigen Lage.
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Es gibt auch Schwebekörperdurchflussmesser, die ein Schaltsignal erzeugen, und/oder eine magnetische Übertragung an ein analoges vor Ort Anzeigegerät bewerkstelligen. Derartige Durchflussmesser sind sehr aufwändig aufgebaut und beanspruchen ein entsprechendes Bauvolumen und können deshalb gar nicht oder nur mit einem entsprechend großen Aufwand in vorhandene Verteilersysteme integriert werden.
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Aus der unverständlichen Gebrauchsmusterschrift
DE29801695U1 , die im Detail keine ausreichende Offenbarung bietet, ist nur ganz allgemein ein Thermostatventil mit Anzeige der Durchflussmenge bekannt. Die Funktionsfähigkeit wird bezweifelt, da ein Sensor den Abstand zu einer beweglichen Nadelspitze erfassen soll. Die gesamte Ventilanordnung ist vom Grundsatz sehr aufwendig aufgebaut und erfordert einen erheblichen Bauraum. Für den Einsatz eines solchen Thermostatventils mit Anzeige muss die Heizungsanlage entleert, das vorhandene Ventil ausgebaut und durch das beschriebene nicht funktionsfähige Thermostatventil mit Anzeige ersetzt werden. Diese Ventilanordnung ist auch nicht für den Einsatz bei vorhandenen Verteilerrohren geeignet. Der mechanische Grundkörper, das eigentliche Thermostatventil, ist speziell für den Messzweck an einem Heizkörper ausgebildet, wo in der Regel ausreichend Platz vorhanden ist. Ein für die elektronische Erfassung des Durchflusses erforderlicher Sensor ist in einer Schraubkappe vorgesehen, die auf den Grundkörper aufsetzbar ist. Eine einfache, platzsparende nachträgliche Umrüstung weder von herkömmlichen Thermostatventilen noch von Durchflussmessern für Verteilerrohre ist mit einer solchen Anordnung nicht möglich. Darüber hinaus ist eine druckdichte Abdichtung des mechanischen Anzeigeelements (Durchflussmeldernadel) zum Außenraum erforderlich, was die Reaktion auf Änderungen des Durchflusses erheblich verlangsamt.
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Aus der Gebrauchsmusterschrift
DE 202016107240 U1 ist ein Durchflussmesser bekannt, bei dem an der Spitze eines beweglichen Stifts ein Magnet angebracht ist, der mit einem „Metallring aus magnetisch anziehbarem Material“ als Anzeigeelement magnetisch gekoppelt ist. Durch die magnetische Kopplung überträgt sich die Bewegung des Stifts auf das Anzeigeelement, dessen Position, durch mehrere seitlich angebrachten Reed- oder Hallsensoren erfasst werden kann. Aufgrund der axialen Anordnung des Anzeigeelements zum Magneten kann ein Verkannten des Metallrings auf seiner Führung nicht ausgeschlossen werden, was zu einer erhöhten Reibung und damit zu einer Ansprechverzögerung des Messsystems bzw. im Extremfall zu einem Hängenbleiben des Metallrings führen kann, was erhebliche Fehlmessungen bedeuten würde.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Durchflussmesser für Verteilerrohre von Warmwasser-Heizungsanlagen anzugeben, der die oben angegebenen Nachteile nicht aufweist, der auf Änderungen des Durchflusses schnell reagiert, der eine genaue Messung des Durchflusses ermöglicht und damit insbesondere für eine genaue Regelung von Volumenströme in Verteilerrohren von Warmwasser- Heizungsanlagen geeignet ist, der einfach und kostengünstig aufgebaut ist, der wenig Platz beansprucht und der ohne großen Aufwand bei bestehenden Verteilerrohren von Warmwasser-Heizungsanlagen einsetzbar ist.
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Lösung der Aufgabe
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Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 5 angegebenen Merkmale gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Kern der Erfindung
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Die wesentliche Idee der Erfindung ist es an einem herkömmlichen analogen Durchflussmesser zwei Zusatzkomponenten vorzusehen, die aus einer elektromechanischen Wandlereinheit und einer Magnetscheibe bestehen. Diese Zusatzkomponenten ermöglichen die Erfassung der Auslenkung des bei dem herkömmlichen Durchflussmesser vorhandenen Anzeigeelements und damit eine Ausgabe eines Durchflussmesssignals. Dabei besteht der massive Teil der Wandlereinheit aus einem Gehäuseaufsatz, der passend zum Schauglas des herkömmlichen Durchflussmessers ausgebildet ist und lösbar auf diesen aufgeschoben ist. Damit können bestehende Warmwasser-Heizungsanlagen einfach nachgerüstet werden.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 Schauglas eines herkömmlichen Durchflussmessers mit den erfindungsgemäßen Zusatzkomponenten und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung bei 0 l/min Durchfluss
- 2 Schauglas eines herkömmlichen Durchflussmessers mit den erfindungsgemäßen Zusatzkomponenten und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung bei einer mittleren Durchflussmenge l/min.
- 3 Schauglas eines herkömmlichen Durchflussmessers mit den erfindungsgemäßen Zusatzkomponenten und einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung bei einer großen Durchflussmenge
- 4 herkömmlicher analoger Durchflussmesser für Verteilerrohre von Warmwasser-Heizungsanlagen in Schnittdarstellung
- 5 Heizungsanlage mit mehreren erfindungsgemäßen Durflussmessern
- 6 perspektivische Ansicht der zwei Zusatzkomponenten gemäß 1- 3
- 7 perspektivische Ansicht der Zusatzkomponenten gemäß 6 teilweise geschnitten
- 8 Anschlussplan einer Messbrücke einer GMR-Zelle
- Fig, 9 Prinzipdarstellung eines in einer der Zusatzkomponente Gehäuseaufsatz vorgesehenen Sensorelements
- 10 verschiedene Messkurven
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1 zeigt die elektromechanische Wandlereinheit WE, die zusammen mit einem als Magnetscheibe MS ausgebildeten detektierbaren Mittel, die erfindungsgemäßen Zusatzkomponenten eines herkömmlichen analogen Durchflussmesser DFM' darstellen.
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Bei herkömmlichen Durchflussmessern DFM' ist in einem zylinderförmigen Schauglas SG eine Anzeigestange AZS sichtbar, die am Ende ein scheibenförmiges Anzeigeelement AE aufweist. Die Anzeigestange AZS mit dem Anzeigeelement AE kann gegen die Federkraft einer Feder F verschoben werden. Die Verschiebung ist proportional zum Durchfluss der Wassermenge. Die Durchflussmenge kann über eine auf dem Schauglas SG vorgesehenen Skala SK einfach abgelesen werden. Im Dargestellten Fall beträgt der Durchfluss 0 l/min.
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Die elektromechanische Wandlereinheit WE besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuseaufsatz GA der passend zu dem Schauglas SG des herkömmlichen Durchflussmessers DFM ausgebildet ist.
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Dadurch kann der Gehäuseaufsatz GA einfach auf das Schauglas SG aufgeschoben und auch wieder abgezogen werden. Der Gehäuseaufsatz GA weist eine Aussparung AS im Bereich der Skala SK, die auf dem Schauglas vorgesehen ist, auf. Damit kann die Durchflussmenge weiterhin einfach abgelesen werden. Im oberen Bereich des Gehäuseaufsatzes GA ist eine Sensoreinheit SE vorgesehen, die zur Detektion der Stellung einer Magnetscheibe MS dient.
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Die Magnetscheibe MS ist am vorderen Ende der Anzeigestange AS auf dem scheibenförmigen Anzeigeelement AE fixiert. Über ein Anschlusskabel AK ist die Sensoreinheit SE mit einer Steuer- und/oder Regelungseinrichtung SR verbunden, die nur symbolisch angedeutet ist. In der Regel ist an der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung SR eine Anzeige A für den Durchfluss angeordnet und sie dient zur Ansteuerung von Proportionalventilen PV.
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Das Sensorelement SE weist eine GMR-Zelle auf, mit der der Abstand L der Magnetscheibe MS sehr präzise erfasst werden kann. Im dargestellten Fall ist der Abstand L gleich L1.
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Die untere Kante des Gehäuseaufsatzes GA schließt quasi mit dem unteren Ende der Skala SK ab.
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Die Sensoreinheit ist als T-förmige Leiterplattenanordnung ausgebildet. Wobei das obere Teil der Leiterplattenanordnung an dem das Anschlusskabel AK fixiert ist, als Kreisscheibe ausgebildet ist, die in einer Ausnehmung AN des Gehäuseaufsatzes GA fixiert ist. Alternativ und zur weiteren Kostenreduzierung können die beiden Platinen auch zu einer Platine zusammengefasst werden. Maßgeblich für die Funktionalität ist die Positionierung und Ausrichtung der GMR-Zelle in Relation zum Magneten (Magnetscheibe MS), wie in 1 dargestellt.
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2 zeigt den oberen Teil des erfindungsgemäßen Durchflussmessers bei einer mittleren Durchflussmenge. Die Magnetscheibe MS befindet sich im Abstand L2 von der GMR-Zelle.
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3 zeigt den oberen Teil des erfindungsgemäßen Durchflussmessers bei einer großen Durchflussmenge. Die Magnetscheibe MS befindet sich im Abstand L3 von der GMR-Zelle.
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4 zeigt einen herkömmlichen rein analogen Durchflussmesser DFM' für Verteilerrohre von Warmwasser-Heizungsanlagen.
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Dieser besteht aus einem Verteilerventil VV mit einem zylinderförmigen Schauglas SG, wobei im Schauglas SG eine federbelastete Anzeigestange AS sichtbar angeordnet ist, die an ihrem Ende ein scheibenförmiges Anzeigeelement AE aufweist, dessen Auslenkung proportional zum Durchfluss der Wassermenge durch das Verteilerventil VV ist. Die Durchflussmenge kann anhand einer auf dem Schauglas SG angeordneten Skala SK gut abgelesen werden.
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5 zeigt eine Gesamtansicht einer Heizungsanlage mit einem Vorlauf VL in ein VorlaufVerteilerrohr VVR. Vom Verteilerrohr VVR zweigen die einzelnen Heizstränge HS1, HS2, HS3, HS4, die z. B. zu einzelnen Räumen führen ab und werden über ein Rücklauf-Sammelrohr RSR zum Rücklauf RL geführt.
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Die herkömmlich eingesetzten Durchflussmesser DFM' für Verteilerrohre VVR von Warmwasser-Heizungsanlagen sind erfindungsgemäß durch die elektromechanische Wandlereinheiten WE und die entsprechenden Magnetscheiben MS auf den Anzeigeelementen AE ergänzt, und damit zu Durchflussmessern DFM1, DFM2, DFM3 und DFM4 aufgerüstet.
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Der Durchfluss in den einzelnen Heizsträngen kann auch noch an den aufgerüsteten Durchflussmessern DFM1, DFM2, DFM3, DFM4 vor Ort per Auge analog abgelesen werden.
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Zusätzlich wird der Durchfluss in den einzelnen Heizsträngen HS1 - HS4 an den Durchflussmessern DFM1, DFM2, DFM3, DFM4 jeweils als Durchflussmesssignal ausgegeben und an eine Steuer- und/oder Regelungseinrichtung SR weitergeleitet. Die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung SR ist mit mehreren vorzugsweise ansteckbaren Temperaturfühlern TF1 - TF4 verbunden, die die Rücklauftemperaturen in den einzelnen Heizsträngen HS1 - HS4 erfassen, sowie einem Vorlauftemperaturfühler TFV der die Temperatur im Vorlauf erfasst. Die Heizleistung kann erst durch die erfindungsgemäße Ergänzung genau geregelt werden. Hierfür sind im Rücklauf RL entsprechende Proportionalventile PV vorgesehen, die von der Steuer- und/oder Regelungseinrichtung SR angesteuert werden und so jeden Heizstrang HS1 - HS4 individuell in Echtzeit je nach Bedarf einregeln können.
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Die Differenz zwischen Vorlauftemperatur gemessen an Temperaturfühler Vorlauf TFV und den jeweiligen Rücklauftemperaturen der Heizstränge HS1 - HS4 gemessen an TF1 - TF4 gibt Aufschluss darüber wie viel Wärme einem Strang zugeführt werden muss und ob sich das System im Gleichgewicht befindet. Wenn beispielsweise die Rücklauftemperatur TF1 fast gleich der Vorlauftemperatur TFV ist, bedeutet dies, dass der Bereich/Raum HS1 bereits ausreichend warm ist, und nur noch wenig wärme in den Raum abgegeben wird, das Medium also so schnell durch den Heizstrang fließt, dass kaum Wärme abgegeben wird. Wenn nun gleichzeitig die Differenz zwischen
der Rücklauftemperatur TF3 und der Vorlauftemperatur TFV groß ist, kann der Durchfluss an HS1 zugunsten von HS3 mit Hilfe von PV1 gedrosselt werden, damit die Wärmemenge, die in HS3 fließt, erhöht und so das System ausbalanciert wird.
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Zudem ist eine Quantifizierung der Wärmemenge möglich, die sich aus der jeweiligen Temperaturdifferenz und dem Volumenstrom ergibt. So lassen sich Heizkosten genauer analysieren und Einsparpotentiale aufdecken.
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6 zeigt eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Zusatzkomponenten für einen herkömmliche Durchflussmesser DFL'. Diese Zusatzkomponenten bestehen aus der elektromechanischen Wandlereinheit WE mit Anschlusskabel AK und Stecker M12 und der Magnetscheibe MS. Gut erkennbar ist in dieser Ansicht die Aussparung AS am Gehäuseaufsatz GA, die das Ablesen der Durchflussmenge in herkömmlicher Weise ermöglicht.
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7 zeigt eine entsprechende Teilschnittdarstellung der Ansicht gemäß 5. In dieser Darstellung ist die T-förmige Leiterplattenanordnung gut erkennbar.
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8 zeigt den Anschlussplan der Messbrücke einer GMR-Zelle.
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Fig, 9 zeigt eine Prinzipdarstellung des Sensorelements SE.
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10 zeigt die mit einem erfindungsgemäßen Durchflussmesser aufgenommenen Messkurven für mehrere Räume. Deutlich sind die Änderungen der Messwerte für die einzelnen Räume erkennbar, wenn ein Heizkreislauf für einen anderen Raum zu oder abgeschaltet wird. Die Messgenauigkeit ist ausreichend, um den entsprechend angeordneten Temperaturfühlern TF.. einen eichbaren Wärmemengenzähler bereitzustellen
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Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert.
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Mit den beiden Zusatzkomponenten ist eine einfache, platzsparende Umrüstung von herkömmlichen analogen Durchflussmessern, die in Verteilerrohren von Warmwasser-Heizungsanlagen bereits eingebaut sind, zu Durchflussmessern, die ein Durchflussmesssignal für eine elektronische Regelung liefern, möglich.
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Die elektromechanische Wandlereinheit WE ist sehr einfach aufgebaut und braucht dank des eingesetzten Messprinzips nur sehr Energie (<5mW). Außerdem erfordert sie sehr wenig Platz, was für den Einbau in bestehende Heizungsanlagen von enormer Bedeutung ist. Die Wandlereinheit WE kann einfach auf das Schauglas SG aufgesetzt werden. Für das Fixieren der Magnetscheibe MS auf dem Anzeigeelement AE muss lediglich das Verteilerrohr in den drucklosen Zustand versetzt werden, was einfach möglich ist, weil in normalen Warmwasser-Heizungsanlagen jeweils ein Absperrventil im Zulauf und im Rücklauf vorgesehen sind. Die Heizungsanlage muss deshalb nicht aufwendig entleert werden. Das vorhandene Verteilerventil muss nicht ausgebaut werden. Nach dem Abschrauben des Schauglases SG kann die Magnetscheibe MS einfach aufgesetzt werden. Die Nachrüstung ist werkzeuglos durchführbar und erfordert keinen Fachmann (Installateur) sondern kann auch von einem Laien durchgeführt werden.
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Da der vorhandene analoge Durchflussmesser DFM' ohne Änderungen übernommen werden kann bietet die Erfindung einen wesentlichen Beitrag zur Nachhaltigkeit.
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Darüber hinaus ist eine druckdichte Abdichtung des mechanischen Anzeigeelements AE zum Außenraum, wie sie bei Thermostatventilen erforderlich ist nicht notwendig, da sich dieses im Druckraum hinter dem Schauglas 2 befindet und frei beweglich d.h. verschiebbar ist, um den Durchfluss ohne Verzögerung zu erfassen. Das genaue Erfassen insbesondere bei kleinen Durchflussmengen ist deshalb möglich, weil der Sensor mit der der Messzelle bei kleinen Durchflussmengen unmittelbar gegenüberliegend mit einem geringen Abstand L1 den Durchfluss erfassen kann.
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Es hat sich außerdem erwiesen, dass die gängig verbauten und preiswerten thermoelektrisch gesteuerten Digitalventile mit Hilfe von Puls-Pausen-Modulation dank ihrer Trägheit als Proportionalventile eingesetzt werden können, und so auf den Einsatz von teuren und umbauintensiven Schrittmotorproportionalventilen verzichtet werden kann.
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Mit den beiden Zusatzkomponenten können herkömmliche Heizungsanlagen somit einfach aufgerüstet werden, damit sie zusammen mit einer elektronischen Regelung und Temperaturfühlern eine moderne, optimierte Wärmereglung ermöglichen.
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Die Erfindung ermöglicht es, die Messwerterfassung von Strömungsmesswerten dezentral an einem Verteilerrohr in sehr einfacher Weise durch einen entsprechenden Nachrüstsatz bestehend aus der Wandlereinheit WE einer kleinen Magnetscheibe MS zu erfassen und an eine zentralen Auswerteeinheit in einer Steuer- und Regelungseinheit SR weiterzuleiten und so zur Berechnung der Heizleistung pro Fläche bzw. pro Raum zur laufenden Optimierung der Energieerzeugung z. B. minimale Vorlauftemperatur zu ermöglichen. Die ist insbesondere sehr wichtig bei Einsatz von Wärmepumpen sowie bei allen Niedrigtemperaturheizungen. Die Wärmeverteilung und Minimierung des Energieverbrauchs in Gebäuden mit Fußbodenheizungen kann so optimal eingestellt werden. Außerdem ist ein permanenter hydraulischer Abgleich ohne großen Aufwand bei bestehenden Heizungsanlagen mit dem erfindungsgemäßen Durchflussmesser DFM möglich. Der Abgleich ist insito möglich.
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Die Messtechnik basiert auf sehr einfachen kostengünstigen Standardbauteilen, die in großer Stückzahl weltweit zur Verfügung stehen.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Anzeige
- AE
- Anzeigeelement
- AK
- Anschlusskabel
- AN
- Ausnehmung
- AS
- Aussparung
- AZS
- Anzeigestange
- DFM
- Durchflussmesser
- F
- Feder
- GA
- Gehäuseaufsatz
- HS
- Heizstrang
- L1-L3
- Abstand (Magnetscheibe - GMR-Zelle)
- MS
- Magnetscheibe
- PV
- Proportionalventil
- RL
- Rücklauf
- RSR
- Rücklaufsammelrohr
- SE
- Sensoreinheit
- SG
- Schauglas
- SK
- Skala
- SR
- Steuer- und/oder Regeleinrichtung
- TF
- Temperaturfühler
- TFV
- Vorlautemperaturfühler
- VA
- Volumenstromanzeige
- VL
- Vorlauf
- VVR
- Vorlaufverteilerrohr
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 149759181 [0002, 0004]
- DE 29801695 U1 [0006]
- DE 202016107240 U1 [0007]
