SE530417C2 - En anordning för mätning av energiåtgång fär att värma upp tappvatten - Google Patents

Description

20 25 30 530 41? 2 och till vad den används. Utan information om hur energin använts så är det svårt att veta hur man ska gå till väga för att spara energi. Ska man tilläggsisolera huset eller är långa duschar orsaken till en hög energiåtgáng? Genom att separat mäta energiåtgång för både uppvärmning av tappvatten och uppvärmning av fastigheten kan man även avgöra ifall man lyckats spara energi. Studier har visat att separerat mätning av konsumtion av uppvärmt tappvatten kan få till följd ändrat beteende hos konsumenten. Erfarenheter från en studie i Danmark där ett flerfamiljshus ursprungligen hade endast ett centralt integreringsverk installerat, visade att installation av individuella mätare för varje lägenhet resulterade i sänkt energiåtgàng. Den nämnda typen av separata mätningar ger dessutom information som kan användas som underlag i forskning och för dimensionering av fjärrvärmecentraler och fjärrvärmenätverk.

Ett exempel på en känd fjärrvärmecentral är DE 3,533,160, som refererar till en styrkonfiguration för en central konsumentenhet ansluten till ett fjärrvärmenät. Enheten har en flödesmätare och temperaturgivare för att mäta temperaturen i inkommande/framledning och i returledning.

Enheten har vidare en integrerande enhet för att beräkna och integrera konsumerad termisk energi samt en variabel flödesreglerande ventil för att reglera flödet av vatten fràn fjärrvärmenätet genom den centrala konsumentenheten.

I majoriteten av alla kommersiella upplägg så är det hus ägaren som äger fjärrvärmecentralen och operatören av fjärrvärmenätet som äger integreringsverket. Detta medför att mätning av varmt tappvatten bör göras med extra 10 15 20 25 30 530 41? 3 givare anslutna till ett separat integreringsverk.

Ytterliggare givare, integreringsverk och installation av dessa är dyrbart. Man kan tänka sig att ansluta ytterligare givare för varmvatten mätning till det ursprungligt installerade integreringsverket. Men då uppstår följdfrågor såsom vem som äger och ansvarar för det uppgraderade mätsystemet plus att givarna måste fortfarande installeras i fjärrvärmecentralen vilket är kostsamt. ÄNDAMÅL OCH SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Ett ändamål med uppfinningen är att anvisa en anordning, såsom ett integreringsverk, för mätningar i en fjärrvärmecentral av energiåtgång för uppvärmt tappvatten skilt från mätningar av energiåtgång för uppvärmning av en fastighet som exempelvis ett hus, anordningen avses att anslutas endast till givare anslutna till inkommande/framlednings och retur rör vid fjärrvärmecentralen. Detta ändamål uppnås av en anordning enligt patentkrav 1. Anordningen kan ha alternativa benämningar som integreringsverk, energimätare eller värmemätare. Anordningen innefattar ett identifieringsmedel för att identifiera avvikelser i den totala effektåtgången som används i en fjärrvärmecentral.

Nämnda identifieringsmedel använder mätningar från en temperaturgivare anordnad retur-vatten röret, avvikelsen relaterar till förändringar i användning av uppvärmt tappvatten. Anordningen innefattar beräkningsmedel för att kunna beräkna energiåtgång i en andra värmeväxlare, som är kopplad till avvikelsen.

En fördel med uppfinningen är att den möjliggör mätning av energiåtgàng, som härrör från användning av uppvärmt 10 15 20 25 30 530 417 4 tappvatten, vilket inte är möjligt i tidigare kända installationer av fjärrvärmessystem som används i stor skala idag. Beräkningarna i anordningen är enbart beroende av mätningar som görs av givare anslutna till rören anslutna till fjärrvärmecentralen. Den nämnda typen av givare finns i vanliga fall redan installerade i fjärvärmecentralerna som finns i hus. Pä grund av detta krävs en begränsad insats för att installera en energimätare enligt uppfinningen i en fastighet, detta då givare redan finns installerade.

Ett annat syfte med uppfinningen är att ge en metod för att mäta energiàtgång för uppvärmning av tappvatten i en fjärrvärmecentral, där metoden enbart är beroende av mätningar från givare anslutna vid inkommande och returfjärvärme rör kopplade till fjärrvärmecentralen.

Detta ändamål uppnås av en metod för identifiering av en avvikelse av den totala energiàtgången (P) i fjärrvärmecentralen, genom att använda mätningar från en temperaturgivare där avvikelsen beror på en ökning i energiàtgången för att värma tappvatten. Metoden innefattar beräkningar av energiàtgången i den andra värmeväxlaren, vilkenrelaterar till avvikelsen.

Uppfinningen möjliggör separat mätning av energiåtgång för uppvärmning av fastigheten och uppvärmt tappvatten i fjärrvärmecentralen.

I ytterligare en aspekt av uppfinningen så möjliggör metoden ett estimat i volym av använt tappvatten.

FIGURBESKRIVNING 10 15 20 25 30 530 IH? 5 Uppfinningen förklaras närmare under hänvisning till bifogade figurer.

Figur l visar en översikt av en fjärrvärmecentral.

Figur 2 visar ett mer detaljerat exempel på en energimätare enligt uppfinningen med anslutna temperaturgivare.

Figur 3 visar ett exempel på en trendkurva över total förbrukad effekt för uppvärmning av fastigheten och för att värma tappvatten under samma tidsperiod som visas i figur 4 och figur 5.

Figur 4 visar ett exempel på trendkurva över effekt förbrukningen vid värmning av tappvatten under samma tidsperiod som visas i figur 3 och figur 5.

Figur 5 är ett exempel på en trendkurva där effektförbrukningen vid uppvärmning av fastigheten visas under samma tidsperiod som visas i figur 3 och figur 4.

DETALJERAD BESKRIVNING AV UPPFININGEN Differentiell energimätning.

Värmeenergin som förbrukas i fjärrvärmecentralen l, mellan t=O och t ges av integralen: t l Q = [map (TS - TRW = [VC-ppm -rRyiz 0 0 m V=**'volym flödeshastighet P I en utföringsform av anordningen 20, approximeras den kontinuerliga integralen, med hjälp av en integral i diskret form. Diskretisering kan utformas med något 10 15 20 25 530 41? 6 varierande metoder beroende på typ av anordning 20. I de fall anordningen 20 är en mätare med konstant samplingsfrekvens, mäts flöde av inkommande vatten och temperatur med vissa konstanta intervall. Mellan mätningarna kan flöde och temperatur antas vara konstanta, eller integralen kan förbättras med en formel för att approximera beteendet i den mätbara variabeln mellan mätningarna. Om värdet av den mätbara variabeln antas vara konstant mellan mätningar, blir beräkningen: l Q = J-I/(Ts "Tflkldt 0 en diskret approximering av ovanstående ekvation med n samplingar, tagna vid tiden f = "T och vidare AT=Q-Q PCO) = V(AT)k1 PDUI) = V(n)AT(fl)k1 PDUI) = PAM) , QU)=§iVUÛATÛÛÄT är en diskret approximation av den Ö kontinuerliga energi integralen för värme.

V Volymflödeshastighet ma/S Ir Framlednings temperatur °C 7% Retur temperatur °C k1 Värmekoffecient, QV7 kJ/m3°C T Samplingstid s n : Sampel nr n PD(n): Diskret effekt (värmeflöde) ekvation PC(t): Kontinuerlig effekt (värmeflöde) ekvation 10 15 20 25 30 530 41? 7 Figur 1 visar en översikt av en fjärrvärmecentral 1.

Anordningen 20, integreringsverk, innefattar en aritmetisk enhet som kan vara av analog eller digital typ. En sådan anordning kan innefatta identifieringsmedel 24 och beräkningsmedel 25.

Anordningen kan innefatta en CPU eller liknande. Det är en fördel om identifieringsmedlet 24 och beräkningsmedlet 25 åtminstone i någon omfattning implementeras som mjukvara. Anordningen kan också genomföra integralberäkning. Anordningen 20 innefattar kommunikationsmedel för att kommunicera med två temperaturgivare 22, 23 och en flödesmätare 21. Sá väl temperatur givarna 22,23 som flödesmätaren 21 är belägna på primärsidan. Den första temperaturgivaren 22 är anordnad till framledningsröret 2, den andra temperaturgivaren 23 är anordnad till retur röret 3.

Givarna 22, 23 kan mäta temperaturen direkt eller indirekt. Temperaturgivarna 22, 23 kan vara av typen soft sensor, med andra ord så kan temperaturen beräknas genom att observera andra mätbara variabler. Flödesmätaren 21 som typiskt mäter vattenflödet från fjärrvärmesystemet genom fjärrvärmecentralen kan vara anordnad antingen på framledningens röret eller pà retur röret.

Fjärrvärmecentralen i figur 1 innefattar en första värmeväxlare 4a som är medströms och en andra värmeväxlare Sa som är motströms. Men värmeväxlarna 4a, 5a kan vara anordnade medströms och/eller motströms i olika kombinationer. Det kan finnas ytterligare värmeväxlare i fjärrvärmecentralen. Den första 4a och andra 5a värmeväxlaren kan vara anordnad i en gemensam kapsling. Temperaturgivarna 22, 23 belägna vid röret för returvatten kan ha en sensorenhet monterad inne i röret.

Alternativt kan en sensorenhet vara monterad på utsidan 10 15 20 25 30 530 41? 8 av röret. Flödesmätaren 21 kan vara av varierande typ.

Fjärrvärmecentralen kan innefatta en eller flera pumpar.

Fjärrvärmecentralen kan vara parallell eller av annat slag.

Energimätare kan generellt indelas i två kategorier, nämligen flödesberoende energimätare (av traditionell typ), och energimätare med konstant samplingsfrekvens.

Den flödesberoende energimätaren mäter temperatur och beräknar energiàtgång efter att en viss volym av vatten har passerat. Energimätare med konstant samplingsfrekvens beräknar energiätgàng baserat på mätningar av flöde och temperatur med konstanta intervall. Kvalitén på energimätningen är beroende av kvalitén på mätningar från givarna, samt tiden mellan mätningarna.

Tidigare kända integreringsverk och metoder för energimätning, som baseras på mätningar från på ovan nämnda givare ger enbart den totala energiátgângen.

Kretsen för tappvatten är en snabbare process än kretsen för uppvärmning av fastigheten. Energiåtgången för tappvatten i en fastighet, varierar snabbare än för uppvärmning av fastigheten. Kretsen med radiatorer 4b är en relativt långsam process i jämförelse med kretsen för tappvatten 6. Värmeväxlaren 5a som är till för att värma tappvatten ska omedelbart kunna producera varmt vatten om ingen ackumulator används. Då energi/effekt förbrukning för att värma fastigheten varierar långsamt, och energi/effekt förbrukning för att värma tappvatten varierar snabbare och har större toppar, blir det möjligt för uppfinnaren att separera de två från varandra. lO 15 20 25 30 530 4fi? 9 Figur 4 är ett exempel på en trendkurva där effekt förbrukning för att värma tappvatten visas. Figur 5 visar ett exempel på en trendkurva över total använd effekt för att värma en fastighet och värma tappvatten under samma tidsperiod som visas i figur 4. Scenariot i figur 4 är samma som det i figur 5. Scenariot i exemplet är ett hus med radiatorer 4b och en fjärrvärmecentral med två värmeväxlare 4a, 5a med separata styrenheter. Börvärdet för tappvattnet är 50 °C, och det kalla vattnets temperatur är 10 °C. Utomhus temperaturen är ~15 °C och rumstemperaturen i huset är inställd på att hålla 20 °C.

Tappning av varmvatten har slumpmässig amplitud och genomförs var femhundrade sekund.

För att kunna skilja på effekt använd till uppvärmning av fastigheten respektive för uppvärmning av tappvatten så behöver man identifiera när en tappning startar 31 respektive avslutas 32. Om en sådan identifiering görs kan man få ett noggrant estimat på energiátgäng för tappvatten respektive för att värma upp fastigheten. Ett sätt för att få sådan information är att övervaka ventilen 8 som kontrollerar värmeväxlaren 5a för tappvatten eller en ventil 7 som kontrollerar värmeväxlaren 4a för uppvärmning. Men många typer av ventiler är självverkande och därför svära att övervaka utan ytterligare sensorer.

En metod enligt uppfinningen möjliggör att skilja på energiâtgâng för varmvatten och energiåtgång för uppvärmning av fastigheten. Metoden ger inget fel, eller ett mindre fel, i total energiåtgång, enligt simuleringar endast en mindre del av en procent av estimatet, som till största delen beror på anordningen. I graferna, som 10 15 20 25 30 530 417 10 presenteras i figur 3, är energiåtgángen för varmvatten produktion 2.04 kWh och felet i estimeringen var -0.0016 kWh. Energiåtgången för uppvärmning var 8.49 kWh och felet i estimeringen var 0.0016 kWh. Nio tappningar görs vid denna differentierade energimätning,i fjärrvärmecentralen 1, som visas i figur 3. I genomsnitt så används lite mer än 0.2 kWh energi vid varje tapptillfälle. Längden på experimentet var 4500 sekunder eller ca 1.25 timmar. Under experimentet så är energiätgången i medeltal 6.78 kWh per timma för uppvärmning av huset.

Nedan visas en utföringsform av metoden för att identifiera en tappning av varmvatten när ventilerna är självreglerande: Identifiera tappning, vid start 31 och stopp 32, genom att övervaka C, MPO: +1)-P(f) H= c vilket är skillnaden mellan två samplingar (mätvärden) av uppmätt effekt 30. Om det värdet är större än ett visst tröskelvärde så är en tappning identifierad. Som ett alternativ så kan en filterfunktion användas för att identifiera en tappning efter ett antal samplingar och, i tillägg till aktuella och framtida värden, så kan beräkningsmedlet också använda historiska värden för att beräkna energiätgången under en avvikelse som en topp 41.

Som ett alternativ till detektering kan beräkningsmedlet använda sig av det faktum att när den totala effektåtgången är större än effekten som kan produceras av den första värmeväxlaren 4a för uppvärmning av fastigheten, så kan en tappning identifieras.

P(r+1) -Pm = C 10 15 20 25 30 530 41? ll Den totala effekten P(t)=Ptap(t) + Pheatfl) , där P(t) kan mätas av anordningen 20 och integreras för att beräkna Q(t). För ett vanligt hushåll kan man anta att användning av varmvatten inte är konstant.

Qw ~ i PD mf I ett hushåll sker tappning slumpmässigt (med avseende på start, varaktighet och flöde). Anta att uppvärmning av fastigheten är konstant under tappningstillfället, med undantag för att tappningen tar extremt lång tid.

Anta att P(t) är lika med Pheat(t) då ingen tappning pågår.

Om ingen tappning är identifierad så är Ptap(t)=0 och Pheat(t)=P(I). Värdet på tröskelvärdet för C bestämmas av de dynamiska egenskaperna för fjärrvärmecentralen l och varierar med hur stor derivatan (av uppmätt effekt) är när tappning startar 31 och stoppas 32. Man kan anta att derivatan är nära 0 för uppvärmning och att derivatan är påtaglig för tappning av varmvatten. Genom att välja ett litet värde för tröskelvärdet så ges en bra separation, men ett för litet tröskelvärde skulle klassificera alla variationer som en tappning. En 10 sekunders lång tappning skulle leda till P (0)=Pheat(0) Vid t=0 pågår ingen tappning, tappning startar vid t=O+ P(l) =Pheat(0) +Ptap(1) , P(2) =Pheat(0) +Ptap(2) P(l0) =Pheat(O) +Prap(10) Anta att Pheaflt) är konstant för O pågår) . Det ger att Ptap(I)=P(I)-Pheat(0) och så vidare. P(t) 10 15 20 25 30 530 41? 12 mäts av systemets integreringsverk. Ett tillvägagångssättl för att förbättra estimatet är att ta mätningarna PUI)and Pflüoch använda dom för att approximera värdet av Phan mellan Pflboch PU1)då PGL)kan vara större eller mindre än Pflh.

Estimering av ett hushålls varmvattens förbrukning En grundläggande princip för estimering är att värmeväxlaren 5a för uppvärmt tappvatten 6 är en apparat utan energiförluster. Varje Watt som förbrukas antas användas för att värma hushållets varmvatten. För att värma vatten till en viss temperatur, så använder värmeväxlaren en viss mängd energi. Genom att mäta energi, kallvattnets temperatur samt varmvattnets temperatur så får man pålitliga estimat av volymen av värmt vatten. Med ett sådant angreppssätt så finns ett behov av att mäta tappvatten temperaturen före 9 och efter 10 när det passerat genom värmeväxlaren Sa för tappvattnet. Om ett sådant arrangemang inte är tillgängligt, och man inte mäter temperaturen på kallvattnet samt temperaturen på varmvattnet, så kan man istället anta att temperaturen på varmvattnet och temperaturen på kallvattnet är konstanta. Genom att anta att energin som tillförs värmeväxlaren 5a används för attt värma vattnet fås följande ekvationer: Qhzfh Q-h = 'ñhkh "T/zr) Q=mtmfn> Genom att anta Qh=QL så ges möjlighet att estimera flödet av hushållets varmvatten ”1 enligt: AR=n~n 10 15 20 25 530 IH? 13 mfššflcem "1= massflöde kg/s rw= temperatur för inflöde på primärsida (het) Ru: temperatur för retur på primärsida (het) 7§== temperatur för inflöde på sekundär sida (kall) zu= temperatur för retur på sekundärsida (kall) Q) är värmeeffekt som tillförs från fjärrvärmenätets vatten till värmeväxlaren. QL är effekten som används för att värma tappvattnet 6. "k är massflödet av hushållets 'in p) varmvatten genom värmeväxlaren (K:= k är värmeöverförings koefficient som är beroende på egenskaper i värmeväxlaren 5a och vattnets specifika värme. Man bortser från tidsfördröjningar i värmeöverföringen. Enligt gjorda försök, så är felaktigheter i estimaten beroende på dessa antaganden försumbara.

Qh kan estimeras enligt ovanstående beskrivning i avsnittet differentiell energimätning, baserat på att Pmp0U=PmyPhau«». Alternativt mäts Q» genom att använda ett andra integeringsverk. Efter att man erhållit QQ, kan man använda m-Q” C-kATC =m för an: beräkna flöden.

Antar man att energiöverföringen sker utan förluster, blir flödet överestimerat. Pâ grund av förluster så är mängden vatten mindre än i estimatet. Detta kan justeras genom att använda koefficienten k. Koefficienten k kan 10 530 41? 14 ändras över tiden, vilket ger en ökad noggrannhet i estimatet, ändringen kan vara beroende av försämringar i prestanda, som försmutsning, av värmeväxlaren Sa.

Ovanstående beskrivning ger exempel på utföringsformer baserat på uppfinningen. Exemplen begränsar inte omfattningen av uppfinningen eller den underliggande idén.

Claims (9)

10 15 20 25 30 530 41? 15 PATENTKRAV

1. En anordning (20) för mätning av energiàtgång för uppvärmning av tappvatten (6) i en fjärrvärmecentral (1), anordningen (20) innefattar ett första medel (22) för att mäta en första temperatur(Ts) i ett inkommande rör (2), ett andra medel (23) för att mäta en andra temperatur (Tr) i ett returnerande rör (3), ett medel för att mäta totalt flöde (V) av vatten från fjärrvärmenätet till fjärrvärmecentralen (1) medelst en flödesmätare (21) anordnad det inkommande röret (2) eller det returnerande röret (3), ett medel för att beräkna den totala tillförda effekten (P) till fjärrvärmecentralen (1) baserat på mätningarna av den första temperaturen (TS), den andra temperaturen (Tr) och det totala flödet (V), en första värmeväxlare (4a) för uppvärmning av fastigheten, en andra värmeväxlare (5a) för uppvärmning av tappvatten (6) för förbrukning i ett hushåll kännetecknad av att anordningen (20) innefattar ett identifieringsmedel (24) för att identifiera en avvikelse (31) i den totala effekten (P) som förbrukas i fjärrvärmecentralen (1), vilket identifieringsmedel (24) nyttjar mätningarna från det andra medlet (23) där avvikelsen (31) är orsakad av ökad användning av uppvärmt (6), ett beräkningsmedel (25) för att beräkna energiåtgången i tappvatten den andra värmeväxlaren (Sa), vilken relaterar till avvikelsen (31), varvid beräkningsmedlet (25) approximerar att effekten (Pheat) i den första värmeväxlaren (4a) är konstant under den detekterade tappningen och beräkningsmedlet (25) beräknar 10 15 20 25 30 530 41? 16 effektàtgäng (Ptap) i den andra värmeväxlaren (Sa) för tappvatten, baserad på de nämnda mätningarna under den identifierade avvikelsen, varvid beräkning utförs som Ptap(t)=P(t)-Pheat(O) där Pheat(0) är den totala effekten vid starten av en identifierad avvikelse.

2. Anordningen (20) enligt patentkrav 1 kännetecknat av att beräkningsmedlet (25) i anordningen (20) nyttjar mätningarna av den första temperaturen (TS), den andra (Tr) och det totala flödet andra mätningar används för att beräkna effekt och temperaturen (V). och inga energiåtgång i den andra värmeväxlaren (Sa).

3. Anordningen (20) enligt patentkrav 2 kännetecknat av att identifieringsmedlet (24) detekterar start (31) och stopp (32) av en tappning genom att övervaka ett tröskelvärde C och beräkning av närliggande mätvärden enligt (Pa +1) -Pm U = C.

4. Anordningen (20) enligt krav 3 kännetecknat av att anordningen (20) är en separat enhet fysiskt skiljd från fjärrvärmecentralen (1).

5. Anordningen enligt något av föregående patentkrav kännetecknat av att beräkningsmedlet (25) beräknar energiàtgången i den första värmeväxlaren (4a).

6. En metod för beräkning av energiåtgång för att värma tappvatten (6) i en fjärrvärmecentral (1) vilken innefattar en första värmeväxlare (4a) för uppvärmning av fastigheten och en andra värmeväxlare (5a) för att värma tappvatten (6), metoden innefattar, 10 15 20 25 30 530 41? 17 mätning av en första temperatur (TS) i ett inkommande rör (2) medelst ett första medel (22) anordnat det inkommande (2): mätning av en andra temperatur (Tr) i ett returnerande röret rör (3) medelst ett andra medel (23) anordnat till returröret (3); mätning av ett totalt flöde (V) av framledningsvatten till fjärrvärmecentralen (1) medelst en flödesmätare (21) anordnad det inkommande röret (2) eller det returnerande röret (3), beräkning av den totala energiàtgången i fjärrvärmecentralen (1) baserat på mätningarna av den första temperaturen (TS), den andra temperaturen (Tr) och det totala flödet (V), kännetecknad av identifiering av avvikelse (31) i den totala effektåtgången (P) i fjärrvärmecentralen (1) baserad på mätningar från det andra medlet (23) där avvikelsen (31) är orsakad av ökad användning av uppvärmt tappvatten (6); beräkning av energiàtgången i den andra värmeväxlaren (Sa), vilken relaterar till avvikelsen (31), varvid i beräkningen approximeras effekten (Pheat) till att vara konstant i den första värmeväxlaren (4a) 0Ch effektåtgången (Ptap) i den andra värmeväxlaren (Sa) beräknas baserat på nämnda mätningar under den identifierade avvikelsen som Ptap(t)=P(t)-Pheat(0), där Pheat(O) är den totala effekten vid starten av en identifierad avvikelse; estimering av flöde av tappvatten under en identifierad Q, kAR tappning utförs genom beräkning av ñz= 10 15 530 41? 18

7. Metoden enligt krav 6 kännetecknat av att beräkningsmedlet (25) i anordningen (20) nyttjar mätningarna av den första temperaturen (TS), den andra temperaturen (Tr) och det totala flödet (V), och inga andra mätningar nyttjas för att beräkna effekt och energiátgång i den andra värmeväxlaren (5a).

8. Metoden enligt krav 7 kännetecknat av att beräkningsmedlet (25) detekterar start (31) och stopp (32) av en tappning genom att övervaka ett tröskelvärde C och beräkning av närliggande mätvärden enligt (Pa + 1) -Pm U = c.

9. Metoden enligt krav 6, 7 eller 8 kännetecknat av beräkning av energiåtgáng i den första värmeväxlaren (4).