NO328291B1 - Fremgangsmate og anordning for maling, styring og registrering av tilfort energimengde ved levering av energi til en forbruker - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angir en fremgangsmåte og en anordning for måling, styring og registrering av tilført energimengde ved levering av energi til en forbruker via et varmebærende, lavtemperert sirkulasjonsmedium, for eksempel vann. Leveranse foregår via et sirkulasjonsnett for transport av sirkulasjonsmediet tur/retur i en lukket bane mellom en energileverandør og forbrukeren.

Den vanligste måten å måle energibruk på i væske- eller luftbårne varmesystemer, går ut på å bestemme temperaturendringen til det varmebærende medium som følge av energiavgivelsen, og sirkulasjonshastigheten til det varmebærende medium målt i masse pr. tidsenhet. Levert effekt er lik denne temperaturforskjellen multiplisert med sirkulasjonshastigheten og varmekapasiteten til det varmebærende medium.

Denne metoden er lite egnet dersom det varmebærende medium i varmesystemet har en forholdsvis stor sirkulasjonshastighet (mengde pr. tidsenhet) og liten temperaturendring. F.eks. i vannbårne gulwarmeanlegg utgjør hele gulvflaten den varmeavgivende flate, og temperaturforskjellen mellom tur og returvannet i slike systemer kan ofte være mindre enn en grad.

Energimålingen benyttes gjerne til å fastlegge hva forbruker skal betale for be-nyttet varme, og dette stiller krav til nøyaktighet i beregningen. Normalt bør energimengden bestemmes med usikkerhet under 5 % for at metoden skal være egnet som grunnlag for betaling. Ved temperaturforskjell på en grad må i så fall nøyaktigheten i temperaturavlesningen være bedre enn 0.05 grader. I praksis betyr dette meget kostbar sensorteknologi og strenge måletekniske krav til plassering og organisering av temperaturmålingen.

Nøyaktige volumstrømsmålinger er også forholdsvis komplisert. Spesielt krev-ende blir volumstrømsmålingene i anlegg der varmetilførselen reguleres med volumstrømmen, som i tilfellet med romtermostater tilkoplet termoventiler på en fordeler. Et annet hovedprinsipp for regulering av varmetilførsel er basert på temperaturstyring av vannet ved hjelp av shunt mellom tur og retur. Dette stiller enda større krav til hurtig og presis registrering av temperaturdifferens. Dessuten fordrer metoden at pumpen er plassert mellom shunten og en fordeler til gulwarmeanlegget, noe som ikke er praktisk i fellesanlegg.

Spesielt når det er mange brukere av en felles ressurs, der oppgaven blir å fordele kostnadene den enkelte skal dekke i henhold til deres forbruk, er energimåling nød-vendig. Mangelen på tilstrekkelig nøyaktige og samtidig økonomisk forsvarlige målemetoder/utstyr representerer i dag en betydelig barriere for bruk av lavtempererte varmesystemer i slike sammenhenger. Dette er uheldig, da lavtempererte varmesystemer er en viktig forutsetning for effektiv utnyttelse av energisparende teknologier (f.eks. varmepumper) og fornybare energikilder som solenergi og bioenergi.

Fra EP-A1 -0 569 739 er kjent et system for et varmeanlegg hvor en sirku-(asjonspumpe koples til og fra som funksjon av utetemperaturens avvik fra en innstilt temperatur. Videre er det fra EP-B1-0 150 671 kjent en metode for regulering av et varmeanlegg, basert bl.a. på måling av temperaturen til sirkulasjonsmediet i returledningen til et forbrukeranlegg. Metoden baseres på intermittent drift, alternativt variabel hastighet på sirkulasjonspumpen, styrt bl.a. av returtemperaturen i forhold til en fast eller variabel referansetemperatur. Denne metoden angir også en fremgangsmåte for bestemmelse av levert energi basert på telleverk på sirkulasjonspumpa som måler mengde av medium som har sirkulert i forbrukeranlegget og temperaturdifferansen mellom tilført og returnert sirkulasjonsmedium.

Regulering basert på måling av returtemperaturen synes lite egnet for anvend-else i lavtempererte varmesystemer. Disse er karakterisert ved stor væskestrøm, og derved returtemperaturer som ligger meget nær turtemperaturen til sirkulasjonsmediet i den tid dette sirkulerer. Returtemperaturen som måles ved intermittent drift, blir videre en tidsavhengig funksjon med perioder der returtemperaturen ligger nær turtemperaturen, og perioder med lavere returtemperaturer. Ved langvarig sirkulasjonsopphold (f.eks 10 minutter eller mer) vil returtemperaturen etter at sirkulasjonen starter, ligge i nærheten av temperaturen til den konstruksjonen (f.eks. gulvet), hvor varmeavgiverne i forbrukeranlegget er plassert. En enkel referansetemperatur for styring av sirkulasjonen utgjør neppe noe særlig hensiktsmessig styringsprinsipp for denne type applikasjon.

Metodene for energimåling som refereres, er basert på måling av sirkulasjons-mengde og temperaturdifferens mellom tilført og returnert medium. Som nevnt blir dette komplisert når temperaturdifferansen blir tilstrekkelig liten.

Det foreligger med andre ord et behov for en metode for energilevering og sjonsmedium, og der hensynet til tilfredsstillende regulering og energimåling ikke fører til at mediets temperatur må høynes i forhold til den temperatur på sirkulasjonsmediet som rent fysisk behøves for at ønsket komforttemperatur på forbruksstedet skal kunne oppfylles.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å tilfredsstille dette behovet, og det er derfor i henhold til et første aspekt av oppfinnelsen tilveiebrakt en fremgangsmåte for måling, styring og registrering av tilført energimengde ved levering av energi til en forbruker via et varmebærende sirkulasjonsmedium, ved bruk av et sirkulasjonsnett for transport av mediet tur/retur i en lukket bane mellom en energileverandør og forbrukeren, hvor styringen foretas ved å regulere en intermittensfaktor ved intermitterende sirkulasjon av mediet til forbrukeren, som funksjon av målte variable parametere hos forbrukeren. Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at en energimengde som skal leveres tilpasset forbrukerens behov for en påfølgende tidsperiode ved lavtemperert sirkulasjon, dvs. sirkulasjon med liten differanse mellom inn- og utløpstemperatur, beregnes på basis av parametrenes måleverdier samt en kjent innløpstemperatur til forbrukeren for mediet, og beregningsresultatet benyttes både til intermittens-styringen og til registreringen av tilført energimengde.

I et andre aspekt av oppfinnelsen er det tilveiebrakt en anordning for måling, styring og registrering av tilført energimengde ved levering av energi til en forbruker via et varmebærende sirkulasjonsmedium. Anordningen er tilknyttet et sirkulasjonsnett for transport av mediet tur/retur i en lukket bane mellom en energileverandør og forbrukeren, og omfatter en reguleringsanordning innrettet for å regulere en intermittensfaktor ved intermitterende sirkulasjon av mediet til forbrukeren, samt måleranordninger for måling av variable parametere hos forbrukeren. Disse måleranordningene er tilknyttet en prosessoranordning inkludert i reguleringsanordningen for behandling av de målte parametrene. Anordningen ifølge oppfinnelsen kjennetegnes ved at prosessoranordningen er innrettet for beregning av en energimengde som skai leveres tilpasset forbrukerens behov for en påfølgende tidsperiode ved lavtemperert sirkulasjon, dvs. sirkulasjon med liten differanse mellom inn- og utløpstemperatur, på basis av en kjent innløpstemperatur til forbrukeren for mediet, og som funksjon av parametrenes måleverdier, idet reguleringsanordningen videre er innrettet for regulering på basis av den utførte beregningen av energimengde for påfølgende tidsperiode, og for registrering av den tilførte energimengden.

Spesielle og fordelaktige utførelsesformer av oppfinnelsen fremgår av de vedføyde uselvstendige patentkravene 2-10 og 12-17.

Den foreliggende oppfinnelse består i å utnytte de spesifikke fysiske egenska-per til lavtempererte varmeanlegg til å styre energiavgivelsen på en måte som gir mulighet til nøyaktig og vesentlig enklere energimåling enn tidligere kjente metoder. Lavtempererte varmeanlegg er karakterisert ved at store varmeflater oppvarmes. Disse flater innebærer i praksis en stor varmekapasitet, slik at tilført varme først avgis til varmeflaten, og dernest fra varmeflaten til objektet (rommet) som skal oppvarmes. Varmen som er lagret i slike distribusjonssystemer, svarer typisk til 1 til 10 timers varmeforbruk. Det betyr at om varmen avleveres kontinuerlig i et effektstyrt system, eller om den leveres i form av energipulser der oppholdet mellom pulsene er vesentlig kortere enn 1 time, vil den sekundære varmeavgivelsen fra varmeflaten til objektet ikke endre seg merkbart.

I den foreliggende oppfinnelse styres varmeavgivelsen til forbruksstedet ved å levere varmen i form av energipulser. I praksis organiseres dette slik at sensorer registrerer de parametre som er viktige for beregning av energibehovet, i forbindelse med oppvarming av bygninger er utetemperaturen og solinnstråling gjennom vinduer de viktigste parametre. Parameterverdiene leses av en prosessor som beregner behovet for varme levert innenfor et derpå følgende tidsintervall, f.eks. 15 eller 30 minutter. Temperaturen til det varmebærende medium bestemmer hvor mye energi i form av varme som avleveres pr. tidsenhet når det varmebærende medium sirkulerer med konstant hastighet gjennom varmesystemet. Basert på denne informasjonen beregner så prosessoren den nødvendige sirkulasjonstid for at riktig varmemengde skal avleveres. Metoden forutsetter at det ved innregulering av anlegget er gjort målinger av sirkulasjonshastigheten, eventuelt at sirkulasjonshastigheten er tilstrekkelig stor slik at temperaturforskjellen mellom tilført og returnerende væske er liten (f.eks. et par grader eller mindre). Innstillingen av regulatoren kan enten gjøres ut fra kjennskap til varmeavgivelse pr. flateenhet som funksjon av temperaturen til det varmebærende medium, eller en kan suksessivt innstille på grunnlag av erfaringene om sammenheng mellom væsketemperatur og romtemperatur under driften av anlegget.

I det følgende skal oppfinnelsen belyses nærmere ved gjennomgang av forskjellige aspekter og utførelsesformer av den, og det skal i denne sammenheng vises til de vedføyde tegningene, hvor

Fig. 1 viser et konvensjonelt styringsarrangement for vannbåret gulvvarme, Fig. 2 viser et enkelt eksempel på et styringsarrangement i samsvar med foreliggende oppfinnelse, Fig. 3 viser eksperimentelle temperaturvariasjoner i et gulvvarmeanlegg mont-ert i et tregulv, ved pulset energitilførsel, Fig. 4 viser måleresultater over et antall døgn for en bolig hvor intermittensfaktor er regulert i samsvar med foreliggende oppfinnelse, Fig. 5 viser, på diagramform, forholdet mellom energiforbruk, bestemt ved sirkulasjonstid, og direkte målt forbruk, fremstilt som funksjon av vanntemperatur, og

Fig. 6 viser varmeoverføring fra vannrør til et rom.

Som gjennomgående eksempel på fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen, vil det i det følgende bli fokusert på vann som varmetransporterende medium, og på oppvarming av gulv i boliger. I oppfinnelsens videste betydning skal man imidlertid ikke begrense seg til dette, andre typer sirkulasjonsmedium kan være f.eks. oljebaserte væsker eller vann med glykol-tilsetning, og "forbrukeren" som omtales i patentkravene, representerer en energimottaker eller et område for mottak av energi generelt, f.eks. vegger eller himlinger i enhver type bygning, eller mer generelt en hvilken som helst type varmeveksler-anlegg som arbeider med små temperaturforskjeller.

Et gulvvarmeanlegg er et meget tregt oppvarmingssystem. Effektoverføringen gjennom gulvet er begrenset, samtidig som mye materiale skal varmes opp. Den følbare virkningen av å endre temperaturen på eller gjennomstrømningshastigheten til vannet i gulvene kommer først etter lang tid (noen timer). Anlegget må derfor styres automatisk for å kunne oppnå god og stabil temperatur og samtidig gi minimalt energiforbruk. Energiforbruket avhenger av temperaturnivået, og selv forskjeller på 2 - 3 grader, som i og for seg er komfortmessig akseptabelt, kan bety 15-20 % større eller mindre energiforbruk. Dette representerer derfor en delikat utfordring til styringsautomatikken.

Bruk av romtermostater til styring av gulvvarmeanlegg er en meget vanlig, men energimessig og faglig sett tvilsom løsning. Grunnen er at endringen av energi-tilførsel skjer først når temperaturen i rommet avviker fra det nivå som er ønskelig. På grunn av den tidligere nevnte treghet vil en slik korreksjon på grunnlag av følbar virkning komme alt for sent, og vil derfor kunne gi opphav til temperaturfluktuasjoner i rommet som ofte betyr et substansielt merforbruk av energi. Det prinsipielt riktige er

derfor å styre anlegget på grunnlag av fremtidig energibehov.

Målinger utført over lang tid i mange forskjellige hus, viser at varmebehovet først og fremst bestemmes av utetemperaturen. Spesielt vår og høst vil også solinnstrålingen gjennom vinduer ha betydning for varmebehovet. Det er således disse ytre faktorene som vil bestemme hvor mye varme som skal tilføres for å holde en konstant og behagelig innetemperatur. I moderne hus med god isolasjon vil virkningen av temperaturendring ute komme forholdsvis lenge etter at temperaturen endrer seg. Denne forsinkelsen passer godt til tregheten i gulvvarmeanlegget. Reguleres derfor varmetilførselen i takt med svingninger i utetemperatur, vil de to forsinkelsene kompensere hverandre slik at innetemperaturen forblir konstant. Solinnstrålingen gjennom vinduer har en umiddelbar virkning på romtemperaturen, men er forholdsvis begrenset rent effektmessig. Ved å plassere en strålingsføler slik at denne registrerer strålingen før solinnfallet blir maksimalt, kan en også her oppnå informasjonen i tide til å kompensere for tregheten til gulvvarmeanlegget.

Tettheten av gulvrørene og kvaliteten til eventuelle varmefordelere (i bjelkelagsgulv) har også betydning for reguleringen og derfor energiforbruket i anlegget. Det er viktig at gulvet holder en jevn og forholdsvis moderat temperatur over hele flaten (gjerne under 26 grader), og at denne temperaturen ikke er vesentlig lavere enn temperaturen i og omkring gulvrørene (god termisk kopling). Slike gulv har da en betydelig selvregulerende virkning, idet en temperaturendring på en grad eller to drastisk endrer energiavgivelsen fra gulvet. Merk imidlertid at det ikke kun er luft-temperaturen i rommet som bestemmer varmeavgivelsen, men i like stor grad temperaturen på de andre flatene (vegger og tak) i rommet.

Fig. 1 og fig. 2 viser to styringssystemer som begge baserer seg på å innstille varmetilførselen ut fra forventet framtidig varmebehov. Den konvensjonelle løs-ningen, se fig. 1, er å benytte en shuntventil 1, der temperaturen på vannet ut i gulvet varieres ved å blande varmt vann fra en kjel 6 og noe kjøligere returvann fra rørene 7 i gulwarmesystemet. Styringsenheten 2 bestemmer riktig temperatur ved hjelp av en utvendig plassert temperaturføler 3, og programmeres til en bestemt funksjonell

sammenheng mellom vanntemperatur og utetemperatur som passer for den aktuelle bygning.

Shuntventilen 1 er tilkoplet en motor som sørger for det til enhver tid ønskede blandingsforhold mellom tur- og returvann. Dette registreres ved hjelp av en temperaturføler 4 på røret etter ventilen 1. Sirkulasjonspumpa 5 arbeider kontinuerlig

i dette systemet.

Fig. 2 viser et enkelt eksempel på en utførelsesform av foreliggende oppfinnelse. Dette er et forenklet system, der tilførselen av varme til gulvene reguleres ved driften av selve pumpa 5. På samme måte som for shuntsystemet bestemmes varmebehovet ut fra utetemperatur, som måles med temperaturføler 3, og eventuelt også på grunnlag av solinnstråling gjennom vinduer. Den beregnede varmemengden som er nødvendig for et nærmere bestemt tidsrom, f.eks. 15 min., tilføres så gulvet ved å begrense sirkulasjonstiden. Beregningen av riktig sirkulasjonstid baseres, på samme måte som for shunt-systemet, på den aktuelle vanntemperatur. Vanntemperaturen måles med en føler 4. Høy vanntemperatur betyr kort sirkulasjonstid. Fra et styringsteknisk synspunkt er de to omtalte styringsmetodene likeverdige, men systemet ifølge oppfinnelsen har den fordel at pumpetiden begrenses, slik at elektrisitetsforbuket blir mindre. Det er også vesentlig rimeligere rent installasjonsmessig.

Siden systemet ifølge oppfinnelsen representerer en ny og uvant styringsmet-ode, vil vi i det følgende beskrive i større detalj hvordan systemet virker, og mulig-hetene det gir til å kombinere styring og energimåling for lavtempererte varmesystemer:

VARMEOVERFØRING VED IKKE-KONTINUERLIG VANNSIRKULASJON

Et naturlig spørsmål ved ikke-kontinuerlig varmetilførsel til gulvet, er om gulvtemperaturen derved vil svinge, og således gi et uakseptabelt inneklima. For å kunne belyse denne problemstillingen, vil vi se nærmere på typiske gulvkonstruksjoner. Gulvvarme benyttes både i støpte gulv og i trebjelkelag. Spesielt for et betonggulv, men også i trebjelkelag er det en betydelig masse som blir varmet opp. Varmekapasiteten til betonggulvet er typisk 40 Wh/(m<2>K), og for bjelkelagsgulvet ca. 10 Wh/(m<2>K). Sammenliknet med varmeoverføringen gjennom gulvflaten, som maksimalt blir 60 W/m<2>, betyr denne varmelagringsevnen en meget konstant temperatur innefor de tidsintervaller som er aktuelle. Virkningen av temperaturutjevningen illustreres i fig. 3, som gjelder et alminnelig bjelkelagsgulv der gulvrørene er utstyrt med varmespredere i aluminium: Øverst i figuren vises tur- og returtemperatur for vannet, som funksjon av tid. Derunder vises temperatur-tidsutviklingen for en varmespredningsplate, og nederst i figuren vises gulvoverflatens og romluftens temperaturer.

Det fremgår hvordan en varierende temperatur på sirkulasjonsvannet utjevnes gjennom konstruksjonen. Temperaturvariasjonen, som i utgangspunktet var ca. 5 grader i 15 minutters sykler, er allerede i varmespredningsplaten redusert til under 2 grader. Overflaten til gulvet holder en helt konstant temperatur, det samme gjelder romtemperaturen. En ser altså her at en puls-syklus på 15 minutter ikke gir målbar variasjon i temperatur for gulvoverflate og rom. Gulvet som varmekilde er altså ikke påvirket av om varmen kommer i porsjoner, eller ved kontinuerlig tilførsel.

Som tidligere nevnt, avhenger varmebehovet i en bolig først og fremst av utetemperaturen, som derved representerer den viktigste styringsparameteren for et lavtemperatur-oppvarmingssystem. Når det således tas hensyn til utetemperatur-variasjoner som måles, ved beregningen av puls-syklus for et slikt oppvarmingssystem, skal det kunne oppnås stabil komfort-temperatur på gulvoverflate og i et rom. I Fig. 4 vises måleresultater fra en villa i Lørenskog, Norge med gulvvarme som eneste oppvarmings-kilde. Varmen hentes fra et varmelager hvor temperaturen kan variere. Varmelagerets temperatur er også temperaturen til vannet inn i gulvet, som vist øverst på figuren. Utetemperaturen i måleperioden, vist nederst, varierer fra +6 °C til -20 °C. Innetemperatur er målt i to rom med henholdsvis bjelkelagsgulv og støpt dekke, vist i midten av figuren.

Figuren viser at romtemperaturen holdes meget stabil, selv med mer enn 25° variasjon i utetemperatur og med variasjon i det tilførte vannets temperatur. På grunn av høy isolasjonsstandard og temperaturopplevelsen ved strålevarme ligger komforttemperaturen i underkant av 20 °C, og styringen sørger for meget god temp-eraturstabilitet kombinert med lavt energiforbruk.

MÅLING AV ENERGIFORBRUK

Energiforbruket i lavtempererte, vannbårne varmesystemer er ofte vanskelig å måle. Hovedårsaken er at ved den konvensjonelle metoden basert på å bestemme energiforbruket ved måling av væskestrøm og temperaturdifferens mellom tur- og returvann, blir usikkerheten stor på grunn av at temperaturdifferansen ofte bare er brøkdelen av en grad.

Energimålinger er viktige, spesielt i store anlegg med flere brukere tilknyttet samme energikilde eller system, fordi energikostnadene bør fordeles etter forbruket til den enkelte bruker. Mangelen på akseptabelt måleutstyr har vært en barriere mot bruken av lavtempererte varmesystemer i slike fellesanlegg.

Foreliggende oppfinnelse åpner for en ny måte å bestemme energiforbruket pa.

Sirkulasjonstiden for vannet bestemmer varmeoverføringen, og den blir samtidig et mål for energiforbruket. Dersom flere brukere er knyttet til samme system, og anleggene er riktig innregulert, vil sirkulasjonstiden i hvert enkelt anlegg gi et godt mål for den relative energibruken i hvert av anleggene. Derved kan de totale energikostnader fordeles mellom de enkelte brukere av hvert av anleggene, i henhold til deres individuelle forbruk.

Fig. 5 viser preliminære resultater av energimåling basert på sirkulasjonstiden

i et konkret anlegg. Figuren viser forholdet Q mellom energi levert til gulvvarmeanlegget pr. døgn, bestemt ved måling av sirkulasjonstid og slik dette registreres i styringsenheten, og målt, tilført elektrisk energi (i et tilfelle hvor systemet ikke får annen energitilførsel enn elektrisitet), plottet som funksjon av tilførselsvannets temperatur.

De to målingene gir tilfredsstillende overensstemmelse, dvs. man ser at forholdet Q ligger nær 1. Det fremgår av figuren at det absolutte energiforbruk på denne måten vil kunne bestemmes med en presisjon på ca 10-12 %.

Fremgangsmåten og anordningen ifølge oppfinnelsen er fordelaktige ved bestemmelse av det relative energiforbruket til flere brukere tilknyttet et felles varmeanlegg. Her vil temperaturen til det varmebærende medium som tilføres hver enkelt bruker, være tilnærmet den samme. Forutsatt at distribusjonssystemene teknisk sett er tilnærmet like, vil avgitt varme pr. tidsenhet være proporsjonal med arealet til heteflaten, dvs. det oppvarmede gulvareal i tilfellet med vannbåren gulvvarme. Energikarakteristikken til hvert enkelt distribusjonssystem vil således kunne bestemmes ved at det ved innreguleringen av anlegget måles sirkulasjonshastighet for hver enkelt forbruker. Siden det i slike anlegg gjerne er en felles sirkulasjons-pumpe for hele anlegget, vil tilførselen av varmebærende medium til den enkelte forbruker, kunne reguleres ved hjelp av en motorstyrt eller termisk styrt ventil som er koplet til temperaturstyrer/energimåler hos hver enkelt forbruker. Metoden gjør det følgelig mulig å fordele det samlede energiforbruket i anlegget på de enkelte brukere i henhold til deres relative energiforbruk.

Bestemmelse av det relative energiforbruket kan skje på flere måter:

i) Det foreliggende system baserer seg altså på at energibehovet beregnes før energien avleveres, og at energien deretter avgis i henhold til det beregnede behovet. Energimålingen kan derved i enkleste utforming bestå i å summere de beregnede energimengder og addere dette i et register tilknyttet prosessoren.

ii) En kan også på uavhengig måte måle at den energien som er beregnet tilført distribusjonssystemet, faktisk blir avlevert. Dette gjøres ved å måle den faktiske sirkulasjonstiden, og temperaturen til det varmebærende medium. Det eksisterer en funksjonell sammenheng mellom den energimengde som avleveres innenfor en syklus og følgende parametere; temperaturen til varmebæreren som tilføres distribusjonssystemet, sirkulasjonstiden, stillstandstiden og varmeoverførings-koeffisienten. Sistnevnte er bestemt av den konstruktive utformingen av distribusjonssystemet. Dersom dimensjonene på rørene som fører det varmebærende medium er meget små, vil varmemengden som avleveres ved stillstand være neglisjerbar. Den faktisk avleverte energi blir da direkte proporsjonal med sirkulasjonstiden og temperaturdifferansen mellom températuren på tilført varmebærer og en temperatur som er representativ for den konstruktive utformingen av distribusjonssystemet.

I praksis vil dimensjonene på rørene i distribusjonssystemet være så store at varmen som avleveres ved stillstand, representerer et signifikant bidrag til den samlede avleverte energimengde. Varmen avlevert ved stillstand er funksjonelt avhengig av antallet stillstandsperioder, varigheten av stillstandsperioden, temperaturen til varmebæreren og varmeoverføringskoeffisienten.

iii) En kan også måle temperaturen til det varmebærende medium når det kommer tilbake etter at varmen er avlevert i distribusjonssystemet. Temperaturen vil endre seg med tiden, og temperaturvariasjonen viser et karakteristisk forløp som bærer informasjon om avlevert varmemengde. Straks sirkulasjonen starter, vil, så lenge det medium som passerer temperaturføleren, har oppholdt seg på grunn av stillstand en tid inne i distribusjonssystemet, temperaturen som måles, være tilnærmet lik distribusjonssystemets temperatur. Etter en viss tid er dette medium drevet ut, og en vil registrere en temperaturøkning karakterisert ved den

varmemengden som avgis fra mediet når det sirkulerer gjennom distribusjonssystemet. Temperaturen vil nærme seg asymptotisk en grenseverdi som ligger noe lavere enn temperaturen til det varmebærende medium før det sendes inn i distribusjonssystemet. Denne temperaturendringen registreres med bare en temperaturføler, og en er således ikke avhengig av å bestemme temperaturdifferens målt med to følere med begrenset absolutt nøyaktighet.

En kan også måle det absolutte energiforbruket ved først å bestemme sammenhengen mellom temperaturen på væsken i distribusjonssystemet og avgitt effekt pr. arealenhet i den foreliggende anleggsutforming. Ulike konstruksjoner for lavtemperert varmeavgivelse har karakteristiske varmeovergangstall. Disse varmeovergangstallene kan bestemmes eksperimentelt for aktuelle konstruksjonstyper.

I forbindelse med de ovennevnte energimålemetodene for lavtempererte varmeanlegg, skal det nå ses nærmere på visse grunnleggende begreper og teoretiske utledninger av sentral betydning når det gjelder forståelsen av foreliggende oppfinnelse: a) Lavtempererte varmeanlegg med energileveranse regulert i henhold til oppfinnelsen I et ideelt lavtemperert varmeanlegg er temperaturen til vannet som tilføres brukerstedet, lavest mulig. Av dette følger at volumstrømmen bør være størst mulig (større enn i konvensjonelle gulvvarmeanlegg), og at varmeoverføringen fra det varmebærende vannet til rommet er maksimal. Disse idealiserte krav kan tilnærmes med at temperaturdifferansen for vannet ved å passere forbruksstedet er lik null, og at temperaturen i gulvet holder seg stabil og tilnærmet lik den konstante romtemperaturen. Under disse forutsetninger vil tilført effekt kunne uttrykkes ved

der A er arealet til gulvet og UVg spesifikk varmeoverføringskoeffisient pr. arealenhet.

For at dette skal gi riktig temperatur i rommet, må vanntemperaturen Tv om-hyggelig styres av det momentane effektbehovet. Dersom imidlertid varmekapasiteten til vannet i røret er neglisjerbar, kan energitilførselen reguleres med sirkulasjonstiden for vannet. Vi innfører en gangtidsparameter d (duty factor, intermittensfaktor) som angir hvor stor andel av et tidsintervall t vannet sirkulerer i varmesystemet.

Derved kan tilført energimengde pr. tidsintervall t styres ved å variere d. Tilsvarende vil avlevert energi kunne måles med samme parameter d og temperaturen Tv til vannet.

Disse ideelle krav kan vanskelig realiseres i praksis. Det er en varmemotstand mellom gulvet og rommet som gjør at gulv/temperaturen også varierer. Videre representerer vannet i røret en ikke neglisjerbar varmekapasitet, tilsvarende også for gulvet. Samlet fører disse effekter til at uttrykket (2) må modifiseres, og vi skal her se nærmere på hvordan de ulike effektene virker inn på energimålingen.

b) Varmeovergangen fra vann til rom

Det har betydning for funksjonen hvor effektivt varmen kan ledes fra vannet i

røret og ut i rommet. Situasjonen er beskrevet i figur 6, og vi skal her se nærmere på hvordan dette virker inn på energimålingen. I figuren er Tv, Tg og TR henholdsvis vanntemperatur, gulvtemperatur og romtemperatur. Varmeovergangstallene Uvg og Ugr gjelder for varmeovergang fra henholdsvis vann til gulv, og fra gulv til rom. Pi og P2 er effektstrømmene, og Cg er varmekapasiteten til gulvet.

Varmeoverføringen fra vannet i røret og til gulvet er beskrevet ved hjelp av følgende differensiallikning, som kan løses eksakt.

For vårt formål er det nok å drøfte de ulike grensebetingelser.

Dersom varmeoverføringstallet Ugr mellom gulv og rom er vesentlig høyere enn tallet UVg, mellom rør og gulv, vil gulvtemperaturen ligge nær romtemperaturen, og temperaturdifferansen mellom rør og gulv vil variere i takt med vanntemperaturen. Dersom derimot varmeoverføringen mellom gulv og rom er dårligere enn mellom rør og gulv, vil førstnevnte representere en barriere som medfører at temperaturdifferansen mellom gulv og rør blir forholdsvis konstant, selv om vanntemperaturen varierer.

Virkningen av en varierende vanntemperatur vil avhenge av varmekapasiteten til gulvet. Stor varmekapasitet innebærer at gulvtemperaturen utjevner fluktuasjoner i vanntemperaturen, og temperaturdifferansen mellom vann og gulv varierer i takt med vanntemperaturen.

c) Virkningen av periodevis sirkulasjon

Varmeoverføringen ved periodevis sirkulasjon kan uttrykkes som summen av

den varmemengde som overføres under sirkulasjonstiden t0d, betegnet q<j, og den varmemengde som overføres som følge av at vannet står stille i røret, betegnet qs

Første ledd svarer til likning (2), der vi har multiplisert med gangtiden tod. To effekter bidrar til andre ledd. Ved periodevis sirkulasjon blir varmt vann stående i gulvrørene og avgi varme. Under stillstanden vil dessuten temperaturen synke i gulv-massen som rørene vekselvirker med, siden gulvet avgir mer varme enn det får tilført gjennom røret. Følgen blir at når varmt vann igjen begynner å sirkulere i røret, vil gulvmassens temperatur en stund være lavere enn om sirkulasjonen foregikk kontinuerlig.

De to ovennevnte energibidragene til qs kan beregnes teoretisk. Det enkleste tilfelle er når gulvets varmekapasitet er tilstrekkelig stor til at vi kan se bort fra endringene i gulvmassens temperatur.

Avgitt effekt fra vannet under stillstand blir da

Setter vi Tv - Tg = T og antar Tg = konstant, vil dTv = dT.

PA = - Cv dT/dt = UVgT med løsning

Ser vi på en syklus med varighet to og en intermittensfaktor (relativ gangtid) på d, blir tiden som varmeavgivelsen foregår i under stillstand, lik to(1-d). Vi innfører dette i uttrykket (6) og finner

Dersom gulvets varmekapasitet er slik at gulvmassens temperatur synker signifikant under stillstandsperioden, vil dette både øke den varmemengde som vannet i røret avgir under stillstanden og føre til en høyere varmeavgivelse når sirkulasjonen starter etter stillstanden.

Til første orden vil korreksjonen herfra i forhold til uttrykket i likning (7) være av formen 2ATqCg, der ATq er temperaturfallet i gulvet under stillstandsperioden og Cg er den effektive varmekapasiteten til gulvet. Konsekvensen av dette er at virkningen av å redusere gangtiden vil variere med gulvkonstruksjonen.

I praksis vil størrelsene Uvg og Cg være bestemt av anleggets utførelse, og må bestemmes eksperimentelt. Den matematiske form er imidlertid riktig beskrevet, og det er denne som er avgjørende når det gjelder å foreta relative energimålinger.

Tabell 2 viser resultater for henholdsvis qa og qs med verdier beregnet i tabell 1. Tabellen gjelder for gulv med relativt høy varmekapasitet slik at likning (7) er en god approksimasjon.

Det fremgår av tabell 2 at virkningen av periodevis drift er en forhøyet varmeavgivelse, som ved små intermittensfaktorer blir av relativt stor betydning. Varmeavgivelsen ved minimal gangtid (d < 5 %) er gjerne 15-20 % av varmeavgivelsen ved kontinuerlig drift. Både av hensyn til temperaturstyringen og energimålingen må denne effekten kompenseres.

Kompenseringen som er valgt, er at syklustiden øker når relativ gangtid blir mindre enn 10 eller 20 %.

d) Tilpasset funksjon for energimåling

Analysen i de foregående avsnitt viser at likning (2) må modifiseres for å gi et

pålitelig bilde av energioverføringen i gulvvarmeanlegg.

En for ulike typer gulvkonstruksjoner hensiktsmessig representasjon oppnås ved å ta utgangspunkt i de temperaturer som er målbare eller relativt konstante, nemlig vanntemperaturen til turvannet i sirkulasjonsanlegget Tv og romtemperaturen TR.. Under stasjonære forhold, dvs. konstant temperatur over tid og kontinuerlig sirkulasjon, kan effektoverføringen uttrykkes ved

Overgangstallet UVr er kjent for ulike gulvkonstruksjoner. For gulvrør innstøpt i betonggulv med keramiske fliser ligger varmeovergangstallet UVr i området 6 til 9 W/m<2> grad. For tregulv der gulvrørene må utstyres med varmespredere i aluminium, er Uvr i området 2 til 3 W/m<2> grad, avhengig av tykkelsen og beskaffenheten til gulvdekket.

Effektovefrøringen ved periodevis sirkulasjon kan uttrykkes ved

Her er a(d) en attenuasjonsfaktor (svekkelsesfaktor) som uttrykker hvor mye varmeoverføringen reduseres med som følge av begrenset gangtid t0d.

God temperaturstyring innebærer at gangtiden tod varieres slik med vanntemperaturen Tv, at effektoverføringen er uavhengig av vanntemperaturen, når de ytre variable som bestemmer behovet for oppvarming er konstante. På grunnlag av ønsket temperaturnivå bestemmer brukeren sammenhengen mellom intermit-tensfaktoren d og vanntemperaturen. Matematisk kan denne sammenhengen uttrykkes som en eksponentialfunksjon

der Tvo velges ut fra ønsket romtemperatur. Et empirisk uttrykk for k(Tvo) som gir god fleksibilitet når det gjelder å tilpasse ulike gulvkonstruksjoner, er k(Tvo) = a - b(TVo-25), der a og b er valgbare koeffisienter, a velges mellom 0 og 1, og b mellom 0 og 0.1.

Energimålingen tar utgangspunkt i at attenuasjonsfaktoren a(d) absorberer de ulike mekanismer som gir redusert effektoverføring ved redusert gangtid. I praksis bestemmes a(d) ut fra målinger på ulike gulvtyper. Slike målinger har vist at a(d) kan uttrykkes som en tilnærmet lineær funksjon av d så lenge periodelengden t0 er konstant. Denne funksjonssammenhengen kan så benyttes til å summere energiforbruket q for hver periode to systemet er i funksjon.

der A er gulvarealet, Tr er romtemperaturen og K en parameter bestemt av varme-overgangskoeffisienten for hele gulvkonstruksjonen. Parameteren K har betydning dersom metoden skal benyttes til absolutte energimålinger.

Avslutningsvis oppsummeres avgjørende trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse: Ved bruk av oppfinnelsen bere<g>ner man energi- eller varmebehov for et gitt, valgbart tidsrom, på basis av målbare parametere, og man sørger for at den riktige energimengde avleveres til brukerstedet ved å styre sirkulasjonstid eller -mengde, ved intermitterende påslipp, for det varmebærende medium i henhold til den temperatur mediet holder. Den beregnede energimengde som behøves pr. valgt tidsrom, summeres i et register. Dersom flere brukere er tilknyttet et felles varmesystem, kan det relative energiforbruket hos hver enkelt bruker beregnes greit.

For øvrig kan også energiforbruket bestemmes ved å måle den faktiske sirkulasjonstiden, stillstandstiden og temperaturen på tilført varmebærer. Siden sirkulasjonen gjerne besørges av en sentral pumpe, kan sirkulasjonen hos hver enkelt bruker reguleres ved at styreren virker på en motorstyrt eller termisk styrt ventil som enten er åpen eller lukket. Temperaturen til det varmebærende medium er den samme ved levering til hver enkelt bruker. Sirkulasjonstiden hos hver enkelt bruker, energi avlevert ved stillstand, og arealet på heteflaten (oppvarmet gulvareal) gir da informasjon om det relative forbruk hos hver enkelt bruker. Denne informasjon kan benyttes til å dele den samlede energikostnad i henhold til faktisk forbruk hos hver enkelt bruker.

Dersom varmeavgivelsen for den aktuelle konstruksjon til distribusjonssystemet er kalibrert, kan sistnevnte metode også benyttes til absolutt bestemmelse av den avleverte energimengde.

Metoden kan forøvrig benyttes til å måle temperaturvariasjonen til det varmebærende medium når det returnerer fra distribusjonssystemet, og på grunnlag av sirkulasjonstiden og temperaturvariasjonen innenfor tidsrommet som angir varigheten av hver enkelt energipuls, bestemme den avleverte energimengde.

Dersom sirkulasjonshastighetene i distribusjonssystemet i de enkelte leilighe-ter er forskjellige, eller varierer over tid, kan målingen beskrevet over suppleres ved at det installeres en væskestrømsmengdemåler i distribusjonssystemet. Sirkulert mengde og korresponderende væsketemperatur gir ytterligere informasjon om energiforbruket.

Dersom varmebehovet i de ulike deler av bygningen eller anlegget er forskjellig, eller avhenger på forskjellig måte av de eksterne parametere (for eksempel ved at en del av en bygning er sydvendt og har stort solinnfall gjennom vinduene), kan anlegget inndeles i ulike soner som styres på forskjellig måte uavhengig av hverandre. Energiforbruket registreres da for hver enkelt sone og summeres.

Registeret(ene) som viser energibruken, kan avleses eksternt ved at hver enkelt enhet (for eksempel leilighet) er koplet til et utlesningsnettverk (databuss).

Claims (17)

1. Fremgangsmåte for måling, styring og registrering av tilført energimengde ved levering av energi til en forbruker via et varmebærende sirkulasjonsmedium, ved bruk av et sirkulasjonsnett for transport av mediet tur/retur i en lukket bane mellom en energileverandør og forbrukeren, hvor styringen foretas ved å regulere en intermittensfaktor ved intermitterende sirkulasjon av mediet til forbrukeren, som funksjon av målte variable parametere hos forbrukeren, karakterisert ved at en energimengde som skal leveres tilpasset forbrukerens behov for en påfølgende tidsperiode ved lavtemperert sirkulasjon, dvs. sirkulasjon med liten differanse mellom inn- og utløpstemperatur, beregnes på basis av parametrenes måleverdier samt en kjent innløpstemperatur til forbrukeren for mediet, og beregningsresultatet benyttes både til intermittens-styringen og til registreringen av tilført energimengde.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at de målte parametere er parametere fra en første gruppe som omfatter innetemperatur, lufttemperatur ute, intensitet av solinnstråling gjennom en forbrukers vinduer, vindhastighet og vindretning.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte intermittensfaktor for sirkulasjonen av mediet oppnås ved prosessor-styrt starting og stopping av en pumpeanordning.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at nevnte intermittensfaktor for sirkulasjonen av mediet oppnås ved prosessor-styrt åpning og stengning av en påslippsventil på et innløp hos en individuell forbruker i et sirkulasjonsnett med parallelle forbrukere, idet én pumpeanordning drives felles for hele sirkulasjonsnettet.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at energimengden som skal leveres til en forbruker over et visst tidsrom, beregnes med en prosessor på basis av bestemt intermittensfaktor for tidsrommet, dvs. på basis av summert bestemt gangtid for sirkulasjonen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 og 5, karakterisert ved at summert bestemt gangtid for sirkulasjonen benyttes som eneste variable element ved beregning av en forbrukers energiforbruk i et sirkulasjonsnett med parallelle forbrukere, idet relative gangtider angir brøkdeler av et kjent totalforbruk.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 6, karakterisert ved at, i tillegg, faktisk sirkulasjons-gangtid og faktisk innløps-temperatur på mediet måles for hver forbruker, for korrigering og forbedring av beregningsgrunnlaget for energiforbruket.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor forbrukeren eventuelt er en av flere parallelle forbrukere tilknyttet et sirkulasjonsnett, karakterisert ved at, i tillegg, temperaturvariasjon måles i mediet i en posisjon på sirkulasjonsnettets utløpsside, idet temperaturvariasjonen der vil være relatert til energiavgivelsen hos forbrukeren eller forbrukerne.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at reguleringen av nevnte intermittensfaktor også foretas som funksjon av registrerte individuelle faste eller innstillbare parametere hos forbrukeren.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at de registrerte individuelle faste eller innstillbare parametere hentes fra en andre gruppe som omfatter beliggenhet, bygnings/romstruktur, vindus/veggmaterialer, romstørrelse, ønsket temperatur.

11. Anordning for måling, styring og registrering av tilført energimengde ved levering av energi til en forbruker via et varmebærende sirkulasjonsmedium, hvilken anordning er tilknyttet et sirkulasjonsnett for transport av mediet tur/retur i en lukket bane mellom en energileverandør og forbrukeren, og omfatter en reguleringsanordning innrettet for å regulere en intermittensfaktor ved intermitterende sirkulasjon av mediet til forbrukeren, samt måleanordninger for måling av variable parametere hos forbrukeren, hvilke måleanordninger er tilknyttet en prosessanordning inkludert i reguleringsanordningen for behandling av de målte parametrene, karakterisert ved at prosessanordningen er innrettet for beregning av en energimengde som skal leveres tilpasset forbrukerens behov for en påfølgende tidsperiode ved lavtemperert sirkulasjon, dvs. sirkulasjon med liten differanse mellom inn- og utløpstemperatur, på basis av en kjent innløpstemperatur til forbrukeren for mediet, og som funksjon av parametrenes måleverdier, idet reguleringsanordningen videre er innrettet for regulering på basis av den utførte beregningen av energimengde for påfølgende tidsperiode, og for registrering av den tilførte energimengden.

12. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at prosessoranordningen er innrettet for å beregne den nevnte energimengde også som funksjon av registrerte individuelle faste eller innstillbare parametere hos forbrukeren.

13. Anordning ifølge krav 12, karakterisert ved at de målte parametere er parametere for en første gruppe som omfatter innetemperatur, lufttemperatur ute, intensitet av solinnstråling gjennom en forbrukers vinduer, vindhastighet og vindretning, mens de faste eller innstillbare parametere er parametere fra en andre gruppe som omfatter beliggenhet, bygnings/romstruktur, vindus/veggmaterialer, romstørrelse og ønsket temperatur.

14. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at reguleringsanordningen omfatter en pumpeanordning i sirkulasjonsnettet, hvilken pumpeanordning er start- og stoppbar under styring av prosessoranordningen.

15. Anordning ifølge krav 11, karakterisert ved at reguleringsanordningen omfatter respektive påslippsventiler i innløp til individuelle forbrukere i et sirkulasjonsnett med parallelle forbrukere, hvilke påslippsventiler kan åpnes og stenges under styring av prosessoranordningen, samt en pumpeanordning som er felles for hele sirkulasjonsnettet.

16. Anordning ifølge krav 15, karakterisert ved ytterligere måleranordninger for måling av faktisk sirku-lasjonsgangtid og faktisk innløpstemperatur på mediet for hver forbruker, for korrigering og forbedring av beregningsgrunnlag for energiforbruket.

17. Anordning ifølge krav 15, karakterisert ved ytterligere måleranordninger for måling av temperaturvariasjon i mediet i en posisjon på sirkulasjonsnettets utløpsside, hvilken temperaturvariasjon vil være relatert til energiavgivelsen hos forbrukerne.