-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Verfahren zum Messen des Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten
eines elektrisch geheizten Raums.
-
Der fragliche Raum ist vorzugsweise
ein Einfamilienhaus, kann jedoch jedes Gebäude sein, das zu Wohnzwecken
verwendet wird, oder auch ein Teil eines solchen Gebäudes, beispielsweise
eine Wohnung in einem mehrstöckigen
Haus.
-
Der Volumenkoeffizient von Wärmeverlusten G
ist gleich der thermischen Wärmeverlustleistung des
Raums (in Watt) pro Volumeneinheit des Raums (in m2)
und pro Grad Celsius (oder pro Kelvin) des Ausmaßes zwischen der Innentemperatur
des Raums und der Temperatur der Außenluft.
-
Es kann sehr nützlich sein, diesen Koeffizienten
zu bestimmen, für
einen gegebenen Raum, und zwar in den folgenden Fällen:
-
- – Nach
dem Bau des Raums, um sicherzustellen, dass der Konstrukteur des
Raums die einschlägigen Normen
oder bestimmte Qualitätsvorschriften
bezüglich
der thermischen Isolierung des Raums respektiert hat, wobei eine
solche Qualitätsprüfung momentan
selten durchgeführt
wird,
- – im
Fall des Streits zwischen dem Benutzer des Raums und dem Energieanbieter,
wenn der Benutzer seine Stromrechung anficht: in diesem Fall ermöglicht,
wenn der Anbieter keinen Fehler in der Stromrechnung feststellt,
die Messung des Volumenkoeffizienten der Wärmeverluste des Raums es sicherzustellen,
ob der übermäßige Energieverbrauch
auf eine schlechte thermische Isolierung des Raums zurückzuführen ist,
und eventuell den Benutzer des Raums zu einer Verbesserung der thermischen
Isolierung und/oder einer Verbesserung der Regelung der elektrischen
Heizung anzuleiten;
- – wenn
man eine Rehabilitierung des Raums in betracht zieht, ermöglicht es
die Bestimmung des Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten, eine Diagnose
der thermischen Isolierung durchzuführen, um Maßnahmen zu bewerten, die hinsichtlich
der thermischen Isolierung und/oder der Regelung der Heizung zu
treffen sind.
-
Es ist bekannt, den Volumenkoeffizienten von
Wärmeverlusten
eines Raums durch in-situ-Messungen zu bestimmen (FR 2 506 937).
-
Aber die bekannten Messverfahren
sind langwierig (mehrere Monate), und sie erfordern eine schwere
und teure Ausstattung.
-
Demzufolge wird in der Praxis der
Volumenkoeffizient von Wärmeverlusten
eines Raums nur sehr selten gemessen.
-
Es gibt außerdem Berechnungssoftware,
die es ermöglicht,
diesen Koeffizienten zu bestimmen, aber einerseits ist diese Software
relativ schwierig in Betrieb zu setzen, und andererseits ergibt
sie nur ein theoretisches Resultat, das nicht so verlässlich ist wie
eine in-situ-Messung.
-
Die Erfindung hat das Ziel, ein Verfahren
zu schaffen, das es ermöglicht,
den Wert des Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten eines Raums mit mäßigen Kosten
schnell zu messen und mit einer vernünftigen Präzision in der Größenordnung
von ±15%.
-
Zu diesem Zweck schafft die Erfindung
ein Verfahren zur Messung des Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten
eines Raums, der mit einem direkten elektrischen Heizungssystem
ausgestattet ist (das heißt
mit einer Heizung, die den bewohnbaren Bereich des Raums direkt
erhitzt, nämlich
einer Heizung mit Konvektoren oder Radiatoren, ausgeschlossen sind
Systeme zur Ansammlung von Wärme), welches
System zumindest eine elektrische thermostabilisierte Heizvorrichtung
aufweist, wobei das Verfahren eine Messzeit beinhaltet, die zwischen
einen und sieben Zeiträume
der nächtlichen
Messung aufweist und sich auf insgesamt 6 bis 42 Messstunden beläuft, und
wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
-
- – Regeln
jeder Heizvorrichtung des elektrischen Heizungssystems auf die gleiche
Einstelltemperatur, zumindest 48 Stunden vor dem Beginn der Messzeit, und
Aufrechterhalten dieser Regelung bis zum Ende der Messzeit,
- – Heizen
des Raums ausschließlich
mittels des elektrischen Heizungssystems für zumindest 48 Stunden vor
der Messzeit und bis zum Ende der Messzeit,
- – während jedem
Messzeitraum, Messen in benachbarte Zeitintervallen, die durch das
elektrische Heizungssystem verbrauchte Energie, und Messen in den
gleichen Zeitintervallen zumindest einer Temperatur im Inneren des
Raums und einer Temperatur der Außenluft, bezeichnet als innere
und äußere Temperatur,
wobei diese Temperaturen einen Unterschied von zumindest 15°C während jedes
Messzeitraums aufweisen,
- – und
Berechnen des Volumenkoeffizienten der Wärmeverluste des Raums auf der
Grundlage der oben genannten Messungen der Energie, der Innentemperatur
und der Außentemperatur.
-
Daraus folgt:
-
- – Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann schnell durchgeführt
werden, weil die Dauer der Messung höchstens sieben Tage beträgt und vorzugsweise
ein bis drei Tage,
- – das
Verfahren ist einfach und wenig kostengünstig zu betreiben,
- – die
Benutzer des Raums werden kaum beeinträchtigt,
- – die
Messungen werden nur wenig durch die Benutzer des Raums verfälscht, weil
die Messungen nachts stattfinden,
- – und
das Anwenden des Verfahren zieht keine wesentlichen Arbeiten nach
sich, die Ärgernisse
erwecken könnten,
und es muss auch kein komplexer elektrischer Aufbau realisiert werden.
-
In bevorzugten Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann unter anderem eines der folgenden Merkmale realisiert sein:
-
- – Der
berechnete Volumenkoeffizient der Wärmeverluste ist ein Mittelwert
von Momentanwerten, die jeweils einer bestimmten Messung entsprechen,
wobei der Momentanwert für
die (n + 1)-te Messung wie folgt berechnet wird:
Gn+1 =
En
+
1/(V·Δθ·Δt) , wobei:
n
eine ganze natürliche
ganze Zahl ist,
En+1 die von dem elektrischen
Heizungssystem zwischen der n-ten und (n + 1)-ten Messung verbrauchte Energie
ist, eventuell korrigiert bezüglich
parasitärer Wärmezufuhr,
V
das geheizte innere Volumen des Raums ist,
Δθ der Unterschied zwischen der
Innentemperatur und der Außentemperatur
ist,
- und Δt
die Dauer ist, die die n-te und die (n + 1)-te Messung voneinander
trennt.
- - Das elektrische Heizungssystem wird von zwei Leitern gespeist,
die im einphasigen Stromnetz verbunden sind,
- und wobei die Messung der vom elektrischen Heizungssystem verbrauchten
Energie mittels einer Ampere-Messklemme durchgeführt wird, die um einen der
beiden Leiter herum vorgesehen ist und mit einem Energiezähler verbunden
ist, der durch das einphasige Stromnetz gespeist wird.
- - Der genannte Raum ist ein Einfamilienhaus.
- - Jeder Messzeitraum beginnt um ungefähr 0 Uhr und endet um ungefähr um 6
Uhr morgens.
- - Innerhalb jedes Messzeitraums sind die Messungen voneinander
um ein konstantes Zeitintervall beabstandet, das geringer ist als
zehn Sekunden.
- - Bei jeder Messung ist der für die durch das elektrische
Heizungssystem verbrauchte Energie in Betracht gezogene Wert ein
korrigierter Wert, um die Wärme
in Betracht zu ziehen, die dem inneren geheizten Volumen des Raums
durch parasitäre
Wärmequellen
zugeführt
wird, wobei diese Korrektur für die
(n + 1)-te Messung durch die folgende Formel durchgeführt wird:
En+1 = EOn+1 + A·Δt, wobei:
n
eine natürliche
ganze Zahl ist,
En+1 der korrigierte
Wert der durch das elektrische Heizungssystem verbrauchte Energie
zwischen der nten und der (n + 1)-ten Messung ist,
EOn+1 der gemessene Bruttowert der von dem
elektrischen Heizungssystem verbrauchten Energie zwischen der nten
und der (n + 1)-ten Messung ist,
A ein geschätzter Mittelwert
der Wärmeenergie
ist, die dem geheizten inneren Volumen des Raums durch die parasitären Wärmequellen
zugeführt
wird, und
Δt
die Dauer ist, die die n-te und die (n + 1)-te Messung voneinander
trennt.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nun folgenden ausführlichen Beschreibung
einer ihrer Ausführungsformen,
die beispielhaft und nicht begrenzend sein soll, mit Bezug auf die
anliegenden Zeichnungen.
-
In den Zeichnungen ist:
-
1 eine
schematische Ansicht eines Einfamilienhauses, dessen Volumenkoeffizient
von Wärmeverlusten
gemäß der Erfindung
gemessen werden kann,
-
und 2 ein
Blockschema, das eine Vorrichtung zum Messen des Volumenkoeffizienten
von Wärmeverlusten
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
-
Mit Bezug auf 1 soll
die Erfindung den Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten G eines Einfamilienhauses 1 oder
eines anderen Raums schaffen, der über ein elektrisches Heizungssystem verfügt, das
zumindest eine elektrische thermostabilisierte Heizvorrichtung 1a aufweist.
Das Einfamilienhaus 1 wird durch das öffentliche Einphasennetz versorgt,
und das elektrische Heizungssystem wird über ein Paar von Leitern 13, 14 (2) gespeist, die mit dem
Einphasennetz verbunden sind.
-
Die Messung des Koeffizienten G wird
mittels der in 2 dargestellten
Einrichtung durchgeführt,
und zwar während
eines Messzeitraums, der zumindest eine nächtliche Messperiode aufweist.
-
Wie es in der 2 dargestellt ist, hat diese Einrichtung
die Form eines Kastens, der Folgendes aufweist:
-
- – Eine
Energieversorgung 2, die im Betrieb mit dem oben erwähnten Einphasennetz
verbunden ist,
- – eine
Zentraleinheit 3, wie beispielsweise einen Mikroprozessor,
der mit der Energieversorgung 2 verbunden ist und eine
Uhr 3a beinhaltet (diese Uhr kann auch einen vom Mikroprozessor 3 unterschiedlichen
Schaltkreis bilden und mit diesem verbunden sein),
- – einen
externen Speicher 4, verbunden mit dem Mikroprozessor 3,
- – eine
Anzeigeeinrichtung 5 mit einem Steuerbildschirm, der mit
dem Mikroprozessor 3 und der Energieversorgung 2 verbunden
ist,
- – eine
Eingabetafel 6, die durch eine Tastatur gebildet werden
kann oder durch den Steuerungsbildschirm der Anzeigeeinrichtung 5,
wenn es sich um einen Touch-Screen handelt,
- – zwei
Schnittstellen 7, 8, die mit dem Mikroprozessor 3 kommunizieren
und die im Betrieb mit Temperatursensoren 9, 10 verbunden
sind,
- – und
einen Energiezähler 11,
der einerseits mit einem Eingang des Mikroprozessors 3 verbunden
ist und andererseits mit der Energieversorgung 2 und der
in Betrieb mit einer Strommessklemme 12 verbunden ist,
die die wirksame Intensität
I mist, die von dem elektrischen Heizungssystem verbraucht wird.
-
Der Energiezähler 11 weist einen
ersten Analog-Digitalwandler 11a auf, der die Intensitätsmessung
I empfängt,
die von der Strommessklemme 12 durchgeführt wird, und einen zweiten
A/D-Wandler 11b,
der mit der Energieversorgung 2 verbunden ist, um von dieser
den Wert der wirksamen Spannung des Einphasennetzes zu erhalten.
-
Die beiden A/D-Wandler 11a und 11b kommunizieren
mit einem Mikroprozessor 11c, der von der Energieversorgung 2 versorgt
wird und der von den besagten Wandlern den von der Strommessklemme 12 gemessenen
Stromwert I und den Wert der wirksamen Spannung U des Einphasennetzes empfängt.
-
Die beiden Wandler 11a, 11b können in
dem Mikroprozessor 11c integriert sein, und sie können auch
durch einen einzigen Wandler mit zwei Eingängen ersetzt werden.
-
Der Mikroprozessor 11c berechnet
permanent das Produkt UI dieses Stroms und dieser Spannung, das
die elektrische Leistung darstellt, die von dem elektrischen Heizungssystem
verbraucht wird.
-
Außerdem berechnet der Mikroprozessor 11c ebenfalls
permanent das Integral des Produkts U·I bezüglich der Zeit (∫U∙Idt),
welches eine elektrische Energie darstellt, die von dem elektrischen
Heizungssystem verbraucht wird, und der aktuelle Wert dieses Integrals
wird in einem Speicher abgelegt.
-
Jedes Mal, wenn sich dieses Integral
um einen vorbestimmten Wert vergrößert, beispielsweise 10 Wattstunden,
schickt der Mikroprozessor 11c einen elektrischen Impuls
an ein Relais 11d, das mit dem Mikroprozessor 11c verbunden
ist, an die Energieversorgung 2 sowie an dem Mikroprozessor 3.
-
Jedes Mal, wenn das Heizungssystem 10 Wattstunden
verbraucht hat, schickt daher der Energiezähler 11 einen elektrischen
Impuls in Richtung des Mikroprozessors 3.
-
Bei jedem empfangenen Impuls vergrößert der
Mikroprozessor 3 ein Energiezählregister, das intern sein
kann oder sich im Speicher 4 befindet und am Beginn jeder
Messung auf Null gesetzt wird: der Inhalt dieses Zählregisters
steht daher für
die von dem elektrischen Heizungssystem seit Beginn der Messung
verbrauchte Energie.
-
Vor dem Durchführen der Messung des Volumenkoeffizienten
von Wärmeverlusten
des Einfamilienhauses installiert man die Messeinrichtung wie folgt:
-
- – Der
Temperatursensor 9 wird im Inneren des Hauses montiert,
- – der
Temperatursensor 10 wird außerhalb des Hauses montiert,
um die Temperatur der Außenluft
zu messen,
- – die
Strommessklemme 12 wird um einen der beiden elektrischen
Leiter 13, 14 herum angeordnet, die das elektrische
Heizungssystem versorgen, so dass diese Strommessklemme daher die
wirksame Intensität
I misst, die den fraglichen Leiter durchläuft,
- – und
das Gehäuse 1 wird
mit dem Einphasennetz im Inneren des Einfamilienhauses verbunden.
-
Mindestens 48 Stunden vor
dem Beginn der Messung des Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten,
beispielsweise 48 bis 72 vor dem Beginn dieser Messung, riegelt
man alle Heizvorrichtungen des elektrischen Heizungssystems auf
die gleiche Solltemperatur, und man behält diese Regelung bis zum Ende
der Messung bei. Vorzugsweise kann die Regelung der elektrischen
Heizvorrichtungen mechanisch blockiert werden, um jegliche Verstellung
zu verhindern.
-
Während
der gesamten Messung wird das Haus außerdem exklusiv mittels des
elektrischen Heizungssystems geheizt, das heißt ohne zusätzliche Heizungen, wie beispielsweise
elektrische tragbare Heizgeräte,
Kamine, Gas- oder Fioul-Heizungen, etc.
-
Schließlich überträgt vor dem Beginn der Messung
ein Bediener Daten an den Mikroprozessor 3 mittels der
Eingabetafel 6, und diese Daten werden mittels des Mikroprozessors 3 in
dem Speicher 4 gespeichert.
-
Diese Daten können Folgendes aufweisen:
-
- – Eventuell
Datum und Uhrzeit des Beginns und Endes jeder Messperiode (zwischen
einer und sieben nächtlichen
Messperioden von insgesamt 6 bis 42 Stunden Messung, und vorzugsweise
zwischen einer und drei nächtlichen
Messperioden von insgesamt 6 bis 18 Messstunden, wobei jede Messperiode
um 0 Uhr beginnen kann und um 6 Uhr morgens enden kann), wobei diese
Daten und Uhrzeiten eventuell automatisch bestimmt werden können bei
dem Einschalten des Geräts,
- – das
geheizte innere Volumen V des Hauses,
- – und
wenn das geheizte Volumen V parasitäre Energiequellen beinhaltet,
eine Ziffer A, die einem geschätzten
Mittelwert der Wärmeleistung
entspricht, die dem geheizten Volumen V durch diese parasitären Quellen
zugeführt
wird.
-
Die oben erwähnten parasitären Wärmequellen
können
nämlich
die Wärmeverluste
eines Kühlschranks
(1b – 2) aufweisen, eines Gefrierschranks
oder eines Wassererhitzers, wenn diese sich in dem geheizten Volumen
befinden.
-
Während
jeder Messperiode wird der Mikroprozessor 3 programmiert,
in engen Zeitintervallen, beispielsweise jede Sekunde, einen "Momentanwert" des Koeffizienten
G zu berechnen.
-
Dazu wird der Mikroprozessor 3 programmiert,
um bei jeder der Messungen die Werte der Innentemperatur, der Außentemperatur
und der gesamten vom elektrischen Heizungssystem verbrauchten Energie
zu empfangen, und zwar über
die Schnittstellen 7, 8 und das Energiezählregister.
-
Wenn die in Betracht gezogene Messung
die (n + 1)-te ist, bestimmt der Mikroprozessor so die Energie Eon+1, die vom elektrischen Heizungssystem verbraucht
worden ist – zwischen
der n-ten und der (n + 1)-ten Messung, über den Unterschied zwischen
einerseits dem aktuellen Wert der gesamten vom elektrischen Heizungssystem
verbrauchten Energie bei der (n + 1)-ten Messung (gegeben durch
den aktuellen Wert des Energiezählregisters),
und andererseits dem Wert, den diese gesamte Energie bei der n-ten Messung
hatte (gespeichert bei der n-ten Messung).
-
Dieser Wert EOn+1 wird
korrigiert durch den Mikroprozessor 3 über die Formel En+1 =
En+1 + A∙Δt), wobei:
-
- - n eine ganz natürliche
Zahl ist,
- – En+1 der korrigierte Wert der vom elektrischen
Heizungssystem verbrauchte Energie zwischen der n-ten und der (n
+ 1)-ten Messung ist, wobei dieser Wert korrigiert ist entsprechend
im Wesentlichen der Energie, die in Abwesenheit der parasitären Wärmequellen
verbraucht worden wäre,
- – und Δt die Dauer
zwischen der n-ten und der (n + 1)-ten Messung ist, in dem vorliegenden
Beispiel eine Sekunde.
-
Der Mikroprozessor 3 berechnet
anschließend
den Momentanwert des Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten für die (n
+ 1)-te Messung durch die folgende Formel : Gn+1 =
En+1/(V∙Δθ∙Δt), wobei Δt der Unterschied zwischen der
Innen- und Außentemperatur,
gemessen bei der (n + 1)-ten Messung, ist, wobei dieser Unterschied
während
jeder Messperiode über
15°C liegen
muss.
-
Außerdem berechnet der Mikroprozessor 3 auch
den Mittelwert des Volumenkoeffizienten von Wärmeverlusten über die
gesamte Messung hinüber und
speichert diesen Mittelwert im Speicher 4.
-
Wenn man den Mittelwert des Volumenkoeffizienten
von Wärmeverlusten,
der in dem Speicher 4 nach der n-ten Messung (initialisiert
bei O am Anfang der Messung) als GO bezeichnet, wird der Mittelwert des
Koeffizienten G bei der (n + 1)-ten Messung durch die folgende Formel
berechnet:
G = (n∙GO
+ Gn+1)/(n + 1).
-
Der Mittelwert des Koeffizienten
G wird vorzugsweise durch die Anzeigeeinrichtung 5 angezeigt, und
die Entwicklungsgeschichte dieses Mittelwerts ist vorzugsweise im
Speicher 4 gespeichert, beispielsweise dadurch, dass alle
zehn Minuten der aktuelle Mittelwert des Koeffizienten G gespeichert wird.