DE3603294A1 - Verfahren und vorrichtung zur erfassung der einer oder mehreren energieabgabeeinrichtungen zugefuehrten energiemenge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung der einer oder mehreren Energieabgabeeinrichtungen zugeführten Energiemenge.

Für Wohnhäuser oder Wohnblocks sind bereits Meßsysteme zur nicht elektrischen Erfassung der von in den Wohneinheiten aufgestellten Radiator-Heizkörpern abgegebenen Wärmeenergien zum Zwecke der Kostenverteilung bekannt, bei denen in bestimmtem Turnus (beispielsweise ein Jahr) eine Ablesung des an jedem Heizkörper angeordneten Meßsystem durch eine Person erfolgen muß. Diese Person muß Zugang zu den Wohneinheiten haben und von Heizkörper zu Heizkörper jedes zugeordnete Meßsystem ablesen und die Werte notieren.

Die in einem Raum oder einer Wohneinheit zu installierende Leistung eines Wärmeerzeugers richtet sich bei einer vorgegebenen Maximaltemperatur im Raum oder in der Wohneinheit nach einer Reihe von zum Teil miteinander verknüpften, bauphysikalischen Einflußgrößen. Die von den Wärmeerzeugern beanspruchte Heizenergie und damit die anteiligen Heizkosten sind wegen der unterschiedlichen Nutzungsgewohnheiten der Bewohner der jeweils installierten Wärmeleistung nicht proportional. Deshalb zeigen sich sehr große Unterschiede in den erfaßten Heizkosten von Wärmeerzeugern, die bezüglich der installierten Leistung miteinander vergleichbar sind.

Alle bisher bekannten Verfahren, die Heizkosten nicht nur aus der installierten Leistung, sondern auch unter Berücksichtigung der Nutzergewohnheiten zu erfassen, sind mit Nachteilen belastet, z. B. durch nicht auszuschließende Manipulationsmöglichkeiten, durch Fehlanzeigen bei Beeinflussung mit Fremdwärme, durch Fehler bei der Anbringung der Sensoren oder durch hohe Kosten bei der Erfassung von einer Vielzahl von raumspezifischen Daten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur genauen Erfassung der einer oder mehreren Energieabgabeeinrichtungen zugeführten Energiemenge zu entwickeln und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Energieabgabeeinrichtungen in aufeinanderfolgenden, jeweils voneinander getrennten Zeitabschnitten zur Energieabgabe mit jeweils einer vorgegebenen Leistung veranlaßt werden, und daß die Summe der Zeitdauern für einen vorgebbaren Erfassungszeitraum gemessen wird; wobei die Vorrichtung erfindungsgemäß vorsieht, daß in einer Leitung zwischen einer Energiequelle und der jeweiligen Energieausgabeeinrichtung ein im Ein-, Aus-Betrieb von einem Regler betätigbares Ventil angeordnet ist und daß während der Einschaltbetriebsstellung des Ventils in einem Zähler Taktimpulse gleichbleibender Frequenz aufsummiert werden. Dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren liegt das Prinzip zugrunde, bedarfsweise den Energieabgabeeinrichtungen bestimmte Mengen eines Energietransportmittels zuzuführen, das je Zeiteinheit die gleiche Energiemenge über die Energieabgabeeinrichtung abführt. Die transportierte und die abgegebene Energiemenge ist damit der Zeit proportional, in der das Energietransportmittel in die jeweilige Energieabgabeeinrichtung strömt. Die Kosten für die Energie sind der Energiemenge und damit ebenfalls der Zeit proportional. Die Energiezufuhr erfolgt dabei nicht stetig, sondern portionsweise, das heißt, es wird entweder gar kein Energietransportmittel oder Energietransportmittel mit der maximal möglichen Energiemenge pro Zeiteinheit der jeweiligen Energieabgabeeinrichtung zugeführt. Mit dem im Anspruch 1 beschriebenen Verfahren lassen sich die oben erwähnten Nachteile der bekannten Verfahren vermeiden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die Zeitdauern, während denen jeweils Energietransportmittel in eine Energieabgabeeinrichtung innerhalb des vorgebbaren Erfassungszeitraums fließt, gezählt. Die Zählung kann bereits in Kosten erfolgen, da Proportionalität zwischen Kosten und den Zeitdauern besteht. Es ist lediglich ein entsprechender Proportionalitätsfaktor bei der Zeitmessung vorzusehen.

Eine Vorrichtung zur Erfassung der einer oder mehreren Energieabgabeeinrichtungen zugeführten Energiemenge ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß in einer Leitung zwischen einer Energiequelle, die ein Energietransportmittel ausgibt, und der jeweiligen Energieabgabeeinrichtung ein im Ein-, Aus-Betrieb von einem Regler betätigbares Ventil angeordnet ist und daß während der Einschalt-Betriebsstellung des Ventils in einem Zähler Taktimpulse gleichbleibender Frequenz aufsummiert werden. Es wird somit ein Zweipunktregler verwendet, dessen Stellglied das Ventil ist. Die Zeitdauern der Durchlässigkeit des Ventils werden gemessen.

Vorzugsweise sind die Ventile Magnetventile, die je von einem Temperaturregler betätigbar sind, der mit einem Regelgrößenistwertgeber in dem die Energieabgabeeinrichtung umgebenden Medium verbunden ist. Eine derartige Vorrichtung eignet sich für Heizanlagen, bei denen das Energietransportmittel Wasser ist.

Bei einer anderen Ausgestaltung des Erfindungsgedanken sind die Ventile Magnetventile, die je von einem Druckregler betätigbar sind, der mit einem Regelgrößenistwertgeber in dem die Energieabgabeeinrichtung umgebenden Medium verbunden ist. Diese Vorrichtung eignet sich für Anlagen, bei denen das Energietransportmittel gasförmig ausgebildet ist. Hierbei wird der Druck des Gases geregelt.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn zu dem jeweiligen Ventil und der Energieabgabeeinrichtung erfindungsgemäß ein Bypass parallel geschaltet ist, dessen Öffnungsquerschnitt auf den Ventilöffnungsquerschnitt derart abgestimmt ist, daß das Verhältnis Bypassquerschnitt zu Ventilöffnungsquerschnitt kleiner als eins ist. Über den Bypass kann das Energietransportmittel zirkulieren, wenn das Ventil geschlossen ist. Eine solche Vorrichtung eignet sich für Anlagen, in denen eine Umwälzpumpe verwendet wird. Öffnet das Ventil, dann strömt das Energietransportmittel in die Energieabgabeeinrichtung. Die einströmende Menge pro Zeiteinheit hängt vom Querschnittsverhältnis ab. Diese Menge wird als Konstante bei der Bestimmung der Heizkosten berücksichtigt.

Bei einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform ist zu dem jeweiligen Ventil und der Energieabgabeeinrichtung ein Bypass parallelgeschaltet, dessen Querschnitt gleich dem Querschnitt des Ventils ist, wobei im Bypass eine Absperrklappe vorgesehen ist. Die Absperrklappe kann vorzugsweise über ein weiteres Steuersignal aus dem Regler geschlossen werden, wenn das Ventil geöffnet wird. Bei geschlossenem Ventil zirkuliert das Wärmetransportmittel über den Bypass und die offene Absperrklappe. Wenn das Ventil geöffnet wird, schließt die Absperrklappe, so daß das Wärmetransportmittel in die Energieabgabeeinrichtung strömt. Es ist möglich, den wirksamen Querschnitt des Bypasses mittels der Absperrklappe stetig zu verändern.

Die Energieabgabeeinrichtungen sind vorzugsweise jeweils Heizkörper einer Heizanlage. In gleicher Weise kann aber auch eine Fußbodenheizung oder eine Kombination aus beiden gesteuert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Die Zeichnung zeigt in einer einzigen Figur schematisch eine Heizungsanlage, z. B. in einem Wohngebäude, mit einem Heizungskessel 1, der als Energieerzeuger einem Energietransportmittel, z. B. Wasser, Wärme zuführt. Der Heizungskessel 1 ist über eine Umwälzpumpe 2 an eine zentrale Vorlaufleitung 3 angeschlossen, von der Vorlaufleitungen 4, 5 zu Heizkörpern 6, 7 abzweigen. Die Heizkörper 6, 7, die in Form von Radiatoren als Wärmetauscher bzw. Energieabgabeeinrichtungen die sich umgebende Luft erwärmen, befinden sich in Räumen, die nicht näher dargestellt sind. Von den Heizkörpern 6, 7 verlaufen jeweils Rücklaufleitungen 8, 9 zu einer zentralen Rücklaufleitung 10, die mit dem Heizungskessel 1 verbunden ist. Es können in einem Gebäude zahlreiche Heizkörper auf die in der Zeichnung nur für zwei Heizkörper 6, 7 dargestellte Art mit der zentralen Vorlauf- und Rücklaufleitung 3, 10 verbunden sein.

Der Heizungskessel 1 regelt die Temperatur des Energietransportmittels auf einen gleichbleibenden Wert. Es ist weiterhin eine Druckregelung für das Energietransportmittel vorgesehen, so daß den Heizkörpern 6, 7 das Energietransportmittel unter gleichem Druck zugeführt wird.

In den Vorlaufleitungen 4, 5 sind jeweils Ventile 11, 12 angeordnet. Vorzugsweise handelt es sich um Magnetventile, deren Spulen in der Zeichnung jeweils mit 13, 14 bezeichnet sind.

Die Ventile 11, 12 arbeiten im Ein-, Aus-Betrieb, d. h. sie sind entweder vollständig offen oder vollständig geschlossen. Die Ventile 11, 12 sind als Stellglieder Reglern 15, 16 nachgeschaltet, die jeweils mit den Spulen 13, 14 der Ventile 11, 12 verbunden sind. Es handelt sich bei den Reglern vorzugsweise um Temperatur-Regler 15, 16, die je an einen Regelgrößenistwertgeber 17, 18 und einen Temperaturfühler angeschlossen sind. Die Temperaturfühler befinden sich an geeigneten Stellen in der Umgebung der Heizkörper 6, 7. Beispielsweise sind die Temperaturfühler an einer bestimmten Stelle im Raum angeordnet, an der eine gewünschte Temperatur herrschen soll.

Die Heizkörper 6, 7 sind unter Einschluß der Ventile 11, 12 jeweils durch einen Bypass 19, 20 überbrückt. Der Querschnitt des jeweiligen Bypasses 19, 20 ist derart an den Öffnungsquerschnitt des zugeordneten Ventils 11, 12 angepaßt, daß das Verhältnis von Bypassquerschnitt zu Ventilquerschnitt kleiner als eins ist.

Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform ist im Zuge eines jeden Bypasses eine Absperrklappe 21, 22 angeordnet, die in der Zeichnung durch das Symbol eines Ventils dargestellt ist. Die Absperrklappen 21, 22 können ebenfalls je durch einen der Regler 15, 16 gesteuert werden. Es ist möglich, die Absperrklappen 21, 22 ebenso wie die Ventile im Ein-, Aus-Betrieb zu steuern. In diesem Falle ist es günstig, wenn die Strömungswiderstände des Bypasses 19 bzw. 20 an den Strömungswiderstand des zugeordneten Heizkörpers 6 bzw. 7 nebst Ventil 11 bzw. 12 über einen entsprechenden Querschnitt des Bypasses in etwa gleich sind. Eine Anpassung der Strömungswiderstände kann aber auch durch eine Zwischenstellung der jeweiligen Absperrklappe 21, 22 erreicht werden, die dann in ihrer Position stetig einstellbar ist.

Die Anschlüsse der Ventilspulen 13, 14 sind über nicht dargestellte Signalformerstufen, z. B. Schmitt-Trigger, mit Steuereingängen von Zählern 23, 24 verbunden, deren Takteingänge an einen Taktgenerator 25 angeschlossen sind, der Taktimpulse von konstanter Frequenz erzeugt. Die Ausgänge der Zähler sind an einen Addierer 26 angeschlossen, dem die Ausgabeeinrichtung 27 nachgeschaltet ist, die z. B. als Anzeigeeinheit ausgebildet sein kann. Die aus den Zählern 23, 24, dem Taktgenerator 25, dem Addierer 26 und der Ausgabeeinrichtung 27 bestehende Anordnung kann zweckmäßigerweise ein Mikrocomputer sein.

Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Wenn beide Ventile 11, 12 geschlossen sind, strömt das Energietransportmittel vom Heizungskessel 1 über die Pumpe 2, die Vorlaufleitungen 3, 4, 5, die Bypässe 19, 20 und die Rücklaufleitungen 8, 9, 10 zurück in den Heizungskessel 1. Wenn jedoch in einem Raum, in dem sich z. B. der Heizkörper 6 befindet, die Temperatur unter die Solltemperatur abgesunken ist, beaufschlagt der Regler 15 die Spule 13 mit Spannung, so daß das Ventil 11 entgegen der Kraft einer Rückzugsfeder geöffnet wird. Zugleich wird der Bypass 19 durch Schließung der Absperrklappe 21 geschlossen. Nunmehr fließt das Energietransportmittel über das Ventil 11 in den Heizkörper 6, der Wärme an die Umgebung abgibt. Wenn die Spule 13 mit Spannung beaufschlagt wird, wird der Zähler 21 für die Taktimpulse des Taktgenerators 25 geöffnet. Es beginnt damit ein Zählvorgang. Erreicht die Temperatur im Raum ihren Sollwert, dann unterbricht der Regler 15 die Spannungszufuhr zum Ventil 11, das unter der Wirkung der Rückstellfeder geschlossen wird. Zugleich wird die Absperrklappe 21 über ein entsprechendes Steuersignal geöffnet, so daß die Strömung des Energietransportmittels im Heizkörper 6 unterbrochen wird und in den Bypass 19 umgelenkt wird. Wenn die Spannungsbeaufschlagung der Spule 13 beendet ist, wird der Zähler 23 gegen weitere Taktimpulse gesperrt. Der Zählerinhalt gelangt zum Addierer 26. Der Zählerinhalt ist ein Maß für die Dauer des Energietransportmittelflusses im Heizkörper 6. Das Energietransportmittel, dessen Temperatur und Druck am Eingang zum Heizkörper 6 jeweils konstant sind, transportiert die Zeiteinheit eine bestimmte gleichbleibende Energiemenge in den Heizkörper, der die Energie mit einer vorgegebenen, gleichbleibenden Leistung abgibt, die vorzugsweise der Nennleistung entspricht. Hierfür sorgt die Einstellung des Reglers 15. Der Zählerinhalt ist deshalb der während des Transportmittelflusses vom Heizkörper 6 gegebenen Energiemenge proportional. In entsprechender Weise wird die Dauer des Energietransportmittelflusses im Heizkörper 7 gemessen, wenn der Regler 16 das Ventil 12 öffnet. Die Inhalte der beiden Zähler 23, 24 werden im Addierer 26 aufsummiert und von der Anzeigeeinrichtung 27 angezeigt. Der angezeigte Wert ist der verbrauchten Energiemenge proportional. Die Heizkosten ergeben sich aus dem Produkt der Zählerinhalte mit der Nennleistung des jeweiligen Heizkörpers und den spezifischen Heizkosten.

Die gesamten Heizkosten ergeben sich aus dem Produkt der mit dem Addierer ermittelten verbrauchten Gesamtenergiemenge mit der Gesamtleistung und den spezifischen Kosten der transportierten Energie. Die Aufteilung der Kosten auf die einzelnen Heizkörper oder auf Gruppen von Heizkörpern, denen bestimmte Kostenstellen zugeordnet sind , ist ohne weiteres möglich. Zur Heizkostenerfassung wird die pro Kostenstelle installierte Nennheizleistung herangezogen. Bei der Heizkostenabrechnung können auch die Anlagekosten auf die Kostenstellen, z. B. mit einem bestimmten Faktor, der auf die gesamte Betriebszeit abgestimmt ist, aufgeteilt werden. Berücksichtigt werden auch die Brennstoffkosten, die installierte Wärmeleistung, die Brennstoffmenge und der Heizwert sowie ein Korrekturfaktor. Der Quotient mit den Brennstoffkosten und der installierten Leistung der Kostenstelle im Zähler und dem Produkt aus Brennstoffmenge, Heizwert und einem Korrekturfaktor im Zähler gibt die Brennstoffkosten pro Kostenstelle im Verbrauchszeitraum an. Der Quotient aus Anlagekosten mal installierter Leistung je Kostenstelle im Zähler und der installierten Kesselleistung im Nenner gibt die Anlage je Kostenstelle an. Die Anlagekosten können zu den Brennstoffkosten pro Kostenstelle in Bezug gesetzt werden, wobei sich eine lineare Abhängigkeit ergibt.

Es ist einzusehen, daß die oben beschriebenen Maßnahmen zur Energiebedarfsbestimmung und zur Kostenerfassung auch bei anderen Aufgabenstellungen, bei denen es zur Energiebelieferung von Energietauschern durch externe oder zentrale Energiewandler kommt, angewendet werden können.

Auch bei Zustandsbestimmungen in Gasen oder Fluiden kann statt der Temperatur der einzuregelnde Druck verwendet werden, indem statt eines Temperaturreglers ein Druckregler eingesetzt wird.

• Bezugszeichenliste:  1 Heizungskessel
   2 Umwälzpumpe
   3, 4, 5 Vorlaufleitung
   6, 7 Heizkörper
   8, 9, 10 Rücklaufleitung
  11, 12 Ventil
  13, 14 Spule
  15, 16 Regler
  17, 18 Regelgrößenistwertgeber
  19, 20 Bypass
  21, 22 Absperrklappe
  23, 24 Zähler
  25 Taktgeber
  26 Addierer
  27 Ausgabeeinrichtung

Claims (13)

1. Verfahren zur Erfassung der einer oder mehreren Energieabgabeeinrichtungen zugeführten Energiemenge, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieabgabeeinrichtungen in aufeinanderfolgenden, jeweils voneinander getrennten Zeitabschnitten zur Energieabgabe mit jeweils einer vorgegebenen Leistung veranlaßt werden, und daß die Summe der Zeitdauern für einen vorgebbaren Erfassungszeitraum gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgegebene Leistung der Nennleistung der jeweiligen Energieabgabeeinrichtung entspricht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitdauern, während denen jeweils Energietransportmittel in eine Energieabgabeeinrichtung innerhalb des vorgebbaren Erfassungszeitraums fließt, gezählt werden.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergebenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Leitung (4, 5) zwischen einer Energiequelle und der jeweiligen Energieausgabeeinrichtung ein im Ein-, Aus-Betrieb von einem Regler (15, 16) betätigbares Ventil (11, 12) angeordnet ist und daß während der Einschaltbetriebsstellung des Ventils (11, 12) in einem Zähler (23) Taktimpulse gleichbleibender Frequenz aufsummiert werden.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (11, 12) Magnetventile sind, die je von einem Temperaturregler betätigbar sind, der mit einem Regelgrößenistwertgeber in dem die Energieabgabeeinrichtung umgebenden Medium verbunden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile Magnetventile sind, die je von einem Druckregler betätigbar sind, der mit einem Regelgrößenistwertgeber in dem die Energieabgabeeinrichtung umgebenden Medium verbunden ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem jeweiligen Ventil (11, 12) und der Energieabgabeeinrichtung ein Bypass (19, 20) parallel geschaltet ist, dessen Öffnungsquerschnitt auf den Ventilöffnungsquerschnitt derart abgestimmt ist, daß das Verhältnis Bypassquerschnitt zu Ventilöffnungsquerschnitt kleiner als eins ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zu dem jeweiligen Ventil (11, 12) und der Energieabgabeeinrichtung ein Bypass (19, 20) parallel geschaltet ist, dessen Querschnitt gleich dem Querschnitt des Ventils (11, 12) ist und daß im Bypass (19, 20) eine Absperrklappe (21, 22) vorgesehen ist.

9.Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrklappe (21, 22) im Ein-, Aus-Betrieb steuerbar ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Absperrklappe der Querschnitt des Bypasses (19, 20) stetig veränderbar ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieabgabeeinrichtung ein Heizkörper (6, 7) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Energietransportmittel Wasser ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Taktimpulse an die vorgegebene Leistung der Energieabgabeeinrichtung angepaßt ist.