Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Ermittlung des Wärmeverbrauchs von Verbrauchern,
insbesondere bei der Beheizung von Räumen, auf der Grundlage eines Warmwasserheizsystems, wobei die
während einer bestimmten Zeitspanne gelieferte Wärmemenge unter Berücksichtigung des Heizwasserdurchsatzes
und seiner Abkühlung zwischen Vor- und Rücklauf gemessen wird und wobei das Zeitintegral
mittels mechanischer oder elektromechanischer oder elektronischer Zähler gebildet wird.
Im folgenden ist der bekannte Stand der Technik geschildert, wie er durch die Richtlinien für Wärmemessung
und Wärmeabrechnung, herausgegeben von der Arbeitsgemeinschaft Fernwärme e. V. bei der Vereinigung
Deutscher Elektrizitätswerke VDEW e. V, gegeben ist.
In einem Warmwasserheizsystem ist die während eines bestimmten Zeitraumes gelieferte Wärmemenge
gleich dem Zeitintegral des Produktes aus Massendurchfluß, in, spezifischer Wärmekapazität, cnh und
Ternperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf, Ai).
Es ist bekannt, diese Wärmemenge mit Hilfe einer Kombination aus Volumendurchflußmesser und zwei
Temperaturfühlern zu messen, und die Ausgangssignale dieser Instrumente mittels mechanischer und elektronischer
Rechenwerke miteinander zu verknüpfen. Das Zeitintegral wird üblicherweise mi! mechanischen,
elektromechanischen oder elektronischen Zählern gebildet.
Eine solche Anordnung zur Ermittlung des Wärmevorbrauchs ist beispielsweise durch die DE-OS 22 40 584
bekannt geworden. Der bekannte Wärmezähler arbeitet mit einem Venturirohr als Durchflußmengenmesscr.
das mit einem Differentialmanometer gekoppelt ist. Die
zur Bildung des Zeitintegrals »gelieferte Wärmemenge« noch benötigte Temperaturdifferenz /wischen Heizwasscrvor-
und -rücklauf wird durch Thermoelemente ermittelt.
Durch die Notwendigkeit, sowohl den Durchfluß als auch die Temperaiurdifferenz zu messen, sowie diese
Meßgrößen rechnerisch zu verarbeiten (Produktbildung), handelt es sich bei den bekannten Wärmcmeßgeräten
um aufwendige und kostspielige Instrumente, deren Einsatz nur bei größeren Anschlußwerten
wirtschaftlich vertretbar ist. Bei kleineren Abnehmern (z. B. Wohnungsheizung mit Zentral- oder Fernheizung)
wird deshalb häufig aus Koslengründen auf die Messung der gelieferten Wärmemenge verzichtet. Stattdessen ist
es in diesen Fällen üblich, die Kostenverleilung zwischen den verschiedenen Abnehmern mittels Hilfsverfahren
(vor allem mit Verdunstungsgeräten) oder pauschal nach verschiedenen Schlüsseln (z. B. nach der
Wohnfläche) durchzuführen. Beide Verfahren sind jedoch unbefriedigend, die Verdunstungsgeräte aus
grundsätzlichen meßtechnischen Gründen,die Pauschalabrechnung aus Gründen der verbrauchergerechten
Kostenverteilung und wegen des Fehlens eines individuellen Sparanreizes beim Verbraucher. Eine kostengünstigere
Wärmeverbrauehsmessung ist daher auch unter energiepolitischen Gesichtspunkten äußerst wünschenswert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung isi es. eine
Meßanordnung der eingangs bezeichneten Art so auszugestalten, daß ohne großen technischen und
kostenmäßigen Aufwand eine vergleichsweise exakte Ermittlung des Wärmeverbrauchs ermöglicht wird.
Gemäß der Erfindung wird das Problem im wesentlichen dadurch gelöst, daß in eier Vorlaufleitung
und in der Rücklaufleitung des Warmwassersystems je ein Strömungswiderstandsmesser angeordnet ist, und
daß die Meßwertausgänge der Strömungswiderstandsmesser
über Meßwertumwandler unter Differenzbildung an den Zähler angeschlossen sind. Vorzugsweise
besitzen die beiden Strömungswiderstandsmesser in Heizwasservor- und -rücklaufleitung identische Abmessungen.
Geräte zur Messung des Strömungswiderstands eines umströmten Körpers oder eines durchströmten Leitungsabschnitts
sind zwar als solche bekannt. Sie wurden bisher aber nur als reine Durchflußmengenmesser
eingesetzt, und zwar vorzugsweise in turbulenter Strömung, wo der Strömungswiderstand nur unwesentlich
von der Viskosität des Mediums abhängt.
Dagegen verbietet die starke Temperaturabhängigkeit der Viskositätskonstante von Wasser den Einsatz
solcher Strömungswiderstandsmesser als Durchflußmengenmesser in laminarer Strömung, weil bei starken
Temperaturschwankungen des Wassers (wie sie z. B. in Heizsystemen auftreten) die jeweils ermittelte Durchflußmenge
zu ungenau würde.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende schöpferische Leistung beruht nun gerade darauf, sich
den geschilderten vermeintlichen Nachteil (Tempeiaturabhängigkeit der Viskositätskonstanten von Wasser)
zunutze zu machen.
Bei laminarer Strömung ist der Strömiingswidcrsuind
eines flüssigkcitsumströmten Körpers oder eine
durchströmten Leitungsabschnitts im wesentlichen proportional zur Strömungsgeschwindigkeit und /w
Viskosität des fließenden Mediums. Sct/l man nun /wei
Strömungswiderstandsmesser.deren MeßweiUiusgünge
zweckmäßigerweise «n Meßwertumwandler für elektrische Messungen angeschlossen sind, in die Vor- und
Rücklaufleitung eines Wärmeverbrauchers ein. so gill für die Differenz d der Meßsignale der beiden
Instrumente
d =
(D
hier bedeuten ))u die Viskositäl. iy>
die Geschwindigkeit des strömenden Wassers im Vorlauf (Index 1) bzw. Rücklauf (Index 2). G>
sind l'roportionalitätsl'aktoren. die von der Geometrie der Strömungsmesser und der
Art der Meßweruimwandlung in elektrische Größen
bestimmt sind. (Bei völlig identischen Instrumenten in Vor- und Rücklauf ist C\ = G) D;: der Massendurchfluß,
m, in Vor- und Rücklauf gleich ist. läßt sich Gleichung (I)
vereinfachen lu
d = m (C2 v2 -
v,)
(2)
worin Vu die kinematischen Zähigkeitskonstanten von
Wasser bei Vor- bzw. Rückliiuftemperatur sind. C'1,2 sind
von C1.2 verschiedene Proportionalitätskonstanten.
Im interessierenden Temperaturbereich variiert die
kinematische Zähigkeitskonstante vcn Wasser zwischen 6,6x 10 7 m-7s bei 40"C und 3,3 χ 10 7 m-'/s bei
9O0C (vergleiche Fig. 1). Ohne größeren Fehler kann
diese Temperaturabhängigkeit durch einen linearen Zusammenhang mit einer mittleren Steigung
(dvld5)m = -b
angenähert werden (größter Fehler über den gesamten
Temperaturbereich von 40 bis 90°C: ±5%). In der einfachsten Ausführung kann man deshalb im Vor- und
Rücklauf identische Instrumente wählen (C\ = C'2=C')
und erhält als Differenzanzeige
d = b ■ C ■ m (Ox - O2) = C m (O1 - O2) (3)
also eine Größe, die der gelieferten Wärmemenge pro Zeiteinheit direkt proportional ist
Eine noch genauere Messung kann man ohne größeren Aufwand dadurch erhalten, daß für die
Umwandlung des gemessenen Strömungswiderstandes in eine elektrische Meßgröße verschiedene Koeffizienten
der Temperaturabhängigkeit der Meßgröße gewählt werden, entsprechend den zu erwartenden
Mittelwerten von Vor- und Rücklauftemperaturen.
Die Verarbeitung der Meßwerte kann in an sich bekannter Weise durch elektronische Signalerzeugung
und -integration durchgeführt werden (z. B. mittels Impulserzeuger und elektromechanischem oder elektronischem
Zähler).
Führen zu einem einzelnen Verbraucher mehrere Paare von Vor- und RUcklaufleitungen (wie es bei der
Wohnraumbeheizung in Mehrfamilienhäusern im allgemeinen der Fall ist), so genügt vorteilhaft ein zentraler
Zähler pro Verbraucher, in welchen die Meßsignale aller Strömungswiderstandsmesser der Vorlaufleitungen
positiv und die Meßsignale aller Strömungswiderstandsmesser der Rücklaufleitungen negativ eingespeist
werden.
Die Anwendbarkeit der Erfindung beschränkt sich indessen keineswegs auf Heizsysteme, in deren Vor- und
RUcklaufleitungen ausschließlich laminare Strömungen vorkommen: Besteht die Gefahr eines Umschlags in
turbulente Strömung, so ist es in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, durch eine
konstruktive Ausgestaltung der Meßanordnung, und zwar durch Aufteilung der Gesamtströmung in Teilströmungen,
z. B. durch Leitbleche, Sinterkörper u. dgl., allein innerhalb der Meßräume eine Laminarisierung
der Strömung zu bewirken.
Nach dem im vorstehenden Gesagten lassen sich die wesentlichen Vorteile der Erfindung wie folgt zusammenfassen:
Während man bei den bisherigen Verfahren der Wärniemessung pro Paar Vor- und Rücklaufleitung
jeweils 3 Sonden, nämlich 2 Temperatursonden und einen Durchflußmesser benötigt, deren Ausgangswerte
in eine rechnerkompatible Form gebracht, von einem mechanischen oder elektronischen Rechenwerk zu
einem kombinierten Signal verknüpft werden mußten, das schließlich mit einem Zähler integriert werden
konnte, benötigt die erfindungsgemäße Meßanordnung nur 2 Sonden (Strömungswiderstandsmesser) pro Paar
Vor- und Rücklaufleitung, deren Ausgangswerte in einer zählerkompatiblen Form vorliegen müssen. Das Rechenwerk
kann im allgemeinen entfallen, da einfache Additionen und Subtraktionen entweder direkt durch
den Zähler oder schon vorher in analoger Form
b5 durchgeführt werden können. Darüberhinaus genügt
pro Verbraucher ein einziger Zähler, selbst wenn dieser Verbraucher mehrere Verbrauchsstellen hat.
Dies alles macht deutlich, daß ein erfindungsgemäßer
Wärmemengenmesser sehr viel preisgünstiger als die bekannten Instrumente angeboten werden kann. Dadurch
wird die Verwendung von Wärmemessern in vielen Fällen möglich werden, in denen sie bisher
wirtschaftlich noch nicht gerechtfertigt war. Die Erfindung ermöglicht also einerseits eine gerechtere
Verteilung der Heizkosten auf die einzelnen Abnehmer; andererseits erhält der Verbraucher durch die laufende
Kontrolle seines Wärmeverbrauchs einen energiepolitisch nicht zu unterschützenden Sparanreiz.
Die Erfindung ist nun anhand von Diagrammen und Ausführungsbeispielen in der Zeichnung veranschaulicht
und in der nachstehenden Zeichnungsbeschreibung noch näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 die graphische Darstellung der kinematischen Zähigkeitskonstantc von Wasser, aulgetragen über der
Temperatur,
F i g. 2 eine mögliche Ausführungsform einer Meßanordnung nach der Erfindung (schematisch).
F i g. 3 eine mögliche Ausführungsform einer elcktrisehen Schaltung für eine Meßanordnung nach F i g. 2
und
Fig.4 eine Meßanordnung nach der Erfindung (in
schemätischer Darstellung), angewendet auf ein Gebäude mit 3 separaten Wohnungen.
Nach Fig. 2 bezeichnet 10 die Vorlaufleitung und 11
die Rücklaufleitung eines Warmwasserheizsystems. z. B. für eine Wohnung. Die Strömungsrichtung des Heizwassers
ist durch Pfeile 12 und 13 gekennzeichnet. Die Wärmeabgabe des Heizsystems soll bei 14 erfolgen. Es
kann sich hierbei z. B. um einen üblichen Heizkörper für Wohnungen handeln. Vor dem Heizkörper 14 ist in der
Heizwasserleitung, ebenfalls in üblicher Weise, ein schematisch angedeutetes und mit 15 bezeichnetes
Ventil angeordnet.
Wie F i g. 2 weiterhin deutlich macht, ist sowohl in der
Vorlaufleitung 10 als auch in der Rücklauflcitung Il jeweils ein insgesamt mit 16 bzw. 17 bezeichneter
Strömungswiderstandsmesser zwischengeschaltet. Die Strömungswiderstandsmesser 16 und 17 bestehen
jeweils aus einer gegenüber den Leitungen 10 bzw. 11 im
Querschnitt erweiterten Durchflußkammer 18. in der ein
Meßkörper 19 in Pfcilrichiung 20 beweglich ungeordnet
ist. Der Mcßkörpcr 19 ist bei dem ge/dgicn
Ausführungsbeispiel jeweils als Kugel ausgebildet. welche Form sich insbesondere bei laminarer Hcizwasserströmung
gut eignet. Eine andere mögliche Ausgestaltung des Meßkörpers ist die Stromlinienform. Die
Beweglichkeit des Meßkörpers 19 in Pfeilrichtung 20 soll jeweils gegen Federwiderstand erfolgen, was in der
Zeichnung schematisch durch an dem Mcßkörpcr 19 einerseits und an der Durchflußkammer 18 andererseits
angreifende Federn 21, 22 angedeutet is'. Der
Meßkörper 19 ist außerdem mit dem Schieber 23 eines als Meßwertumwandler dienenden elektrischen Schic-
berwiderstandes R\ bzw. R2 verbunden. Die Schiebe
widerstände Ri und /?2 sind in einem gemeinsamen
elektrischen Stromkreis 24 angeordnet, beispielsweise in einer Schaltung gemäß F i g. 3.
In der Schaltung nach F i g. 3 bezeichnet 25 eine
beliebige Spannungsquelle und 26 einen verstellbaren Widerstand, z. B. Eichwiderstand. Zwei parallel zueinander
geschaltete Widerstände R3 und Ri sorgen für einen
ausreichenden Spannungsabfall. Die Widerstände R1
und Ri sollen daher wesentlich höhere Widerstandswerte aufweisen als die Schiebewiderstände Ri und R?, die
ebenfalls parallel zueinander geschaltet sind. Die Schiebewiderstände Ri und R2 sind auf einen Spannungsfrcquenzwandler
27 geschaltet, dessen Ausgang 28 in einen Zähler 29 einmündet.
Die Meßanordnung nach Fig. 2 und 3 arbeitet nun wie folgt. Das von der Heizquelle kommende erwärmte
Heizwasser tritt in Pfeilrichtung 12 in die Vorlaufleitung 10 und von dort in die Durchflußkammer 18 des
Strömungswiderstandsmessers 16 ein. Das in den Strömungswiderstandsmesser 16 einströmende Heizwasscr
besitzt eine bestimmte Temperatur #1 und — in Abhängigkeit davon — eine bestimmte Zähigkeit (vgl.
hierzu Fig. 1). Nach Wärmeabgabe in dem Heizkörper 14 vermindert sich die Temperatur des Heizwassers auf
einen Wert ϋ2. Entsprechend erhöht sich die Zähigkeit
des nunmehr in die Rücklaufleitung 11 eintretenden Heizwassers (vgl. auch hierzu Fig. I).
Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.2 und 3 sei
angenommen, daß die beiden Strömungswiderstandsmesser 16 und 17 genau gleich ausgebildet sind, daß es
sich bei den Schiebewiderständen Ri und R2 um linear
variable Widerstände handelt und daß die Heizwasserströmung laminar sei. Aufgrund ihrer höheren Temperatur
(#1) und damit entsprechend geringerer Viskosität übt die strömende Flüssigkeit in dem Strömungswiderstandsmesser
16 einen vergleichsweise geringeren Strömungswiderstand auf den kugelförmigen Meßkörper
19 aus, der sich daraufhin in Pfeilrichtung 12 um den Wen S\ längs des Schiebewiderstands Ri verschiebt. In
dem in der Rücklaufleitung 11 befindlichen zweiten Strömungswiderstandsmesser 1/ besitzt dagegen das
Heizwasser eine niedrigere Temperatur (#2), eine entsprechend höhere Viskosität und übt daher auf den
kugelförmigen Meßkörper 19 einen höheren Strömungswiderstand aus als dies innerhalb des ersten
Strömungswiderstandsmessers 16 der Fall war. Der vom kugelförmigen Meßkörper 19 des zweiten Strömungswiderstandsmessers
17 hierbei in Pfeilrichtung 13 zurückgelegte Weg S2 ist daher größer als der Weg Si
des Strömungswiderstandsmessers 16. Die Differenz st—si, die den Meßwertausgang der beiden Strömungswiderstandsmesserl6
und 17 darstellt, wird durch die als Meßwertumwandler dienenden Schiebewiderstände Ri
und Ri linear in eine entsprechende Spannungsdifferenz
umgewandelt. Diese gelangt über den Spannungsfrequenzwandler 27 in den Zähler 29 und kann dort
unmittelbar als Wärmeverbrauch abgelesen werden.
Die geschilderte Wirkungsweise der erfindungsgemäßcn
Meßanordnung sei — basierend auf dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 3 — nachstehend an zwei
einfachen Zahlcnbeispiclcn veranschaulicht.
I. Der Heizwasserdurchfluß m
sei = 1 (z. B. kg/min)
Die Temperatur ι'Λ in der Vorlaufleitung 10 habe
den Wert 80 (z.B. C).
Die Temperatur ΐΚ in der Rücklaufleitung 1! habe
den Wert 70 (z.B. 0Q.
Nach Gleichung (3) gilt dann
d=C"- 1(80-7O)=C- 10
Der Heizwasserdurchfluß werde nun auf den Wert 2 verdoppelt, wobei aber die Heizwassertemperaturen #t und &2 gleichbleiben sollen. Es ergibt sich
dann
d= C" ■ 2 (80-70)=C" - 20
Der Differenzwert d der dem Wärmeverbrauch entspricht, ist also hier doppelt so groß wie beim
vorhergehenden Beispiel
2. l£s sei nun angenommen i7,=90 (z. B. r C). i7_. = 70
(z. B. °C), bei rii= 1 (z. B. kg/min).
Hier ergibt sich für den Wärmeverbrauch
d=C" ■ 1 (90-7O) = C"- 20
Bei einer Verdoppelung der Temperaturdifferenz
iV| — $2 ergibt sich also, wie zu erwarten, ebenfalls
eine Verdoppelung des angezeigten Wärmeverbrauchs pro Zeiteinheit.
10
Die Messungen des Wärmeverbrauchs nach der Erfindung beschränken sich jedoch keineswegs auf
Heizsysteme mit laminarer Strömung. Da in den Vor- und Rücklaufleitungen gebräuchlicher Warmwasser-Heizsysteme
jedoch kaum Reynoldszahlen über 104
auftreten, ist dio Laminarisierung der Strömung innerhalb der Meßkammern durch Sinterkörper, Leitbleche
oder durchbohrte Meßkörper ohne großen Druckverlust möglich.
Durch das Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 ist die Anwendung erfindungsgemäßer Meßanordnungen in
einem 3-Familienhaus mit 3 Wohnungen veranschaulicht. Hierbei bezeichnet 30 den Kessel der Heizanlage,
von dem aus das erwärmte Heizwasser in eine Vorlaufleitung 31 eingespeist wird. Die Vorlaufleitung
31 verzweigt sich in 3 Vorlaufleitungen 31a,316und 31c Entsprechend gibt es auch 3 Rücklaufleitungsstränge
32a, 32b und 32c, die sich zu einer wiederum in den Heizkessel 30 mündenden Rücklaufleitung 32 vereinigen.
Zwischen die jeweils einander zugeordneten Vorlaufleitungsstränge und Rücklaufleitungsstränge,
z. B. 31a und 32a, sind jeweils Wärmeverbraucher, z. B. Heizkörper 33, zwischengeschaltet. Die Wärmeverbraucher
33 sind jeweils in üblicher Weise durch ein vorgeschaltetes Ventil 34 einschaltbar bzw. absperrbar.
Außerdem ist in dem Vorlaufleitungsstrang vor jedem Wärmeverbraucher 33 im Rücklaufleitungsstrang hinter
jedem Verbraucher 33 jeweils ein erfindungsgemäßer Strömungswiderstandsmesser 35 bzw. 36 eingeschaltet.
Für jede Wohnung ist hierzu ein Spannungsfrequenzwandier 37 bzw. 38 bzw. 39 sowie ein Zähler 40 bzw. 41
bzw. 42 vorgesehen. Die Strömungswiderstandsmesser der Wohnung Nr. 1 arbeiten somit auf die Anzeigegeräte
37, 40; die Strömungswiderstandsmesscr der Wohnung Nr. 2 sind an die Anzeigegeräte 38,41 angeschlossen,
und die Strömungswiderstandsmesser der Wohnung Nr. 3 sind den Anzeigegeräten 39, 42 zugeordnet.
Es genügt, ungeachtet der Anzahl der einzelnen Wärmeverbraucher, für jede Wohnung ein einziger
Spannungsfrequenzwandler und ein einziger Zähler.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen