IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 7/2003, Seite 38 ff.


HEIZUNGSTECHNIK


Die neue Art zu messen

Ultraschall-Wärmezähler in der Haustechnik

Dipl.-Phys.-Ing. Bernd Henrichs*

Bei Wärmezählern ist ein Trend hin zu vollelektronischen Geräten nach dem Ultraschallprinzip zu beobachten. Der vermehrte Einsatz dieser Geräte ist auf zwei wichtige Vorteile der Ultraschallmessung zurückzuführen: Hohe Genauigkeit und herausragende Langzeitbeständigkeit – auch unter schwierigen Einsatzbedingungen. Im vorliegenden Artikel wird das Funktionsprinzip statischer Wärmezähler nach dem Ultraschallprinzip und deren Einsatzbedingungen und -möglichkeiten im Bereich der Haustechnik vorgestellt.

Ein Ultraschall-Wärmezähler neuester Bauart.

Funktionsprinzip eines Wärmezählers

Wärmezähler sind Messgeräte zur exakten Bestimmung der Wärmemenge. Sie errechnen aus dem gemessenen Volumen und der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf eines Heizsystems die abgegebene Wärmemenge nach der Formel:

Q = k · V · (tV – tR)

Dabei ist V das gemessene Volumen, tV und tR die Wassertemperatur im Vor- und Rücklauf und k ein gleitender Wärmekoeffizient, der die temperaturabhängige Dichte und Wärmekapazität des Heizungswassers berücksichtigt. Entsprechend diesem Funktionsprinzip besteht ein Wärmezähler aus den drei Funktionsgruppen Rechenwerk, Temperaturmesseinrichtung und Volumenmessteil.

Rechenwerk

Das Rechenwerk verarbeitet die vom Volumenmessteil und der Temperaturmesseinrichtung erzeugten Signale unter Berücksichtigung des temperaturabhängigen Wärmekoeffizienten und zeigt die ermittelte Wärmemenge auf einem Display an. Zudem können eine Vielzahl von weiteren Daten abgerufen werden, beispielsweise die bislang insgesamt geflossene Wassermenge, die Momentanwerte für Wärmeleistung und Durchfluss oder die aktuellen Vor- und Rücklauftemperaturen.

In der Regel verfügen Wärmezähler auch über eine so genannte Stichtagsanzeige: Der Wärmezähler erfasst dabei selbsttätig die zu einstellbaren Stichtagen (z.B. 31.12.) aufgelaufenen Verbrauchszählerstände für Wärmemenge und Volumen und speichert diese ab. Von besonderem Interesse ist diese "Stichtagsfunktion" bei der belegfreien Erfassung von Verbrauchszählerständen. Alternativ hierzu speichern neuere Geräte die 12 Monatsendstände der Verbrauchswerte ab.

Temperaturmesseinrichtung

Zur Erfassung der Temperaturen im Vor- und Rücklauf des Heizkreises werden bei fast allen Wärmezählern Platin-Widerstandsthermometer (Pt 100, Pt 500) eingesetzt. Der Einbau der Temperaturfühler erfolgt bei direkt ins Heizmedium eintauchenden Fühlern über Kugelhähne oder T-Stücke und bei indirekt eintauchenden Fühlern über Tauchhülsen, wobei letztere Einbauvariante in der Haustechnik verbreitet ist.

Volumenmessteil

Zur Messung des Volumens werden hauptsächlich Geschwindigkeitszähler wie Flügelrad- und Woltmannzähler, magnetisch-induktive Zähler sowie statische Zähler nach dem Ultraschallprinzip eingesetzt. Weitere Verfahren, die allerdings nur eine geringe Marktbedeutung aufweisen, sind Schwingstrahlzähler, Wirbelzähler sowie Wirk- und Staudruckzähler.

Ein- und Mehrstrahlzähler

Das Wasservolumen wird in konventionellen Wärmezählern über Sensoren bestimmt, die die Anzahl der Umdrehungen einer Turbine erfassen. Hauptvertreter dieser Technik sind die Flügelrad-Einstrahl- und Mehrstrahlsensoren, bei denen die Flüssigkeitsströmung über eine oder mehrere Einlassdüsen auf flache Flügelradlamellen trifft. Der Einsatzbereich liegt in der Messung von Durchflüssen bis etwa 15 m3/h.

Ultraschallzähler

Ultraschall-Wärmezähler bestimmen den Durchfluss über die Laufzeit von Schallwellen. Dabei werden kurze akustische Impulse mit einer Frequenz von etwa 1 MHz mit und gegen die Strömungsrichtung des Heizmediums durch ein Messrohr gesendet. Aufgrund des Ultraschall-Mitführungsprinzips sind die Laufzeiten tauf und tab der Ultraschallwellen unterschiedlich und die Laufzeitdifferenz ∆t = tab – tauf der Signale, die im Rechenwerk des Wärmezählers gebildet wird, proportional zur mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Messrohr und damit proportional zum Volumenstrom des Heizmediums.

Einstrahl-Messturbine eines mechanischen Wärmezählers.

Vorteile statischer Wärmezähler für die Haustechnik

Wärmezähler nach dem Ultraschallprinzip sind konventionellen Flügelrad-Wärmezählern in vielerlei Hinsicht überlegen:

Hervorragende Messstabilität

Die Messstabilität mechanischer Wärmezähler wird fast ausschließlich von der Qualität des Heizmediums bestimmt. Je nach Medienbeschaffenheit treten früher oder später Ablagerungen an den Flügelrädern und deren Lagerelementen auf, die eine Erhöhung der Lagerreibung bewirken und somit die Lagerabnutzung beschleunigen, was sich negativ auf die Messgenauigkeit – besonders bei kleinen Strömungsgeschwindigkeiten – auswirkt und langfristig zum Blockieren des Flügelrades und damit zum Geräteausfall führen kann. Statische Wärmezähler beinhalten keine mechanisch bewegten Teile. Damit sind diese Geräte unempfindlich gegenüber Verunreinigungen im Heizmedium und gewährleisten einen störungsfreien Messbetrieb mit gleichbleibender Messgenauigkeit über die gesamte Einsatzdauer.

Überlastsicherheit

Konventionelle mechanische Wärmezähler werden derart ausgelegt, dass im Dauerbetrieb der auf dem Gehäuse des Gerätes angegebene Nenndurchfluss Qn nicht oder nur einige Stunden am Tag überschritten wird. Eine Nichtbeachtung dieser Regel kann zur Überlastung des Messgerätes und damit zum vorzeitigen Geräteausfall führen. Der Einsatz von statischen Wärmezählern erleichtert dem Planer die Arbeit, da entsprechende Zähler oft bis zum zweifachen des Nenndurchflusswertes permanent überlastsicher sind. Eine Zerstörung der Geräte ist in der Regel ausgeschlossen.

Unabhängigkeit der Einbaulage

Die Geräte sind für den Einbau in waagerechten Leitungen sowie Steig- oder Fallrohrleitungen gleichermaßen gut geeignet. Selbst der bei mechanischen Wärmezählern nicht gestattete "Über-Kopf-Einbau" ist mit Ultraschall-Wärmezählern problemlos möglich.

Schmutzfänger nicht erforderlich

Der Einsatz von Schmutzfängern, die periodisch gewartet werden müssen, ist nicht erforderlich, da Ultraschallwärmezähler keine beweglichen Komponenten aufweisen.

Beruhigungsstrecken nicht erforderlich

Beruhigungsstrecken, die bei mechanischen Wärmezählern je nach Dimension etwa die fünf- bis zehnfache Länge der Rohrnennweite betragen und oft aufgrund beengter Raumverhältnisse nicht realisiert werden (Messungenauigkeit), sind bei Wärmezählern nach dem Ultraschallprinzip nicht erforderlich. Denn asymmetrische oder drallbehaftete Geschwindigkeitsverteilung, die durch einen Rohrbogen, ein Ventil oder eine schlecht ausgeführte Verbindung entstehen, sind unproblematisch.

Geringer Druckverlust

Ultraschall-Wärmezähler ermöglichen einen wirtschaftlichen Betrieb der Umwälzpumpe, da der von der Pumpe auszugleichende Druckabfall relativ gering ausfällt.

Prinzip der Ultraschall-Durchflussmessung: Obere Darstellung: Ultraschallsignale werden von den beiden Ultraschallwandlern gleichzeitig oder in einem kurzen Abstand direkt in die Messstrecke gesendet. Untere Darstellung: Die senkrecht zur Fließrichtung des Heizmediums angeordneten Ultraschallwandler nutzen Reflektoren zu Schallumlenkung.

Geringe Geräuschentwicklung

Der Betrieb eines mechanischen Wärmezählers ist immer mit einer Geräuschentwicklung verbunden, die sich über die Rohrleitungen im Gebäude ausbreiten kann und – insbesondere während der Nachtstunden – von den Bewohnern als störend empfunden werden. Bei der Verwendung von Wärmezählern nach dem Ultraschallprinzip tritt dieses akustische Problem nicht auf, da sie keine mechanischen bewegten Komponenten beinhalten und der zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzte Ultraschall unhörbar ist.

Lange Gerätelebensdauer

Wärmezähler müssen laut Eichgesetz nach fünfjähriger Betriebsdauer ausgetauscht werden. Da eine Aufarbeitung mechanischer Kleinwärmezähler unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten oft nicht möglich ist, werden diese Geräte nach Ablauf der Eichgültigkeitsdauer entsorgt. Ultraschallzähler hingegen sind für eine Einsatzdauer von 10 bis 15 Jahren konzipiert, das heißt, diese Geräte stehen nach einer Revision durch den Hersteller, die sich in der Regel auf einen Batterietausch und eine Reinigung des Messrohres beschränkt, für einen erneuten Einsatz zur Verfügung. Somit sind diese Geräte auch unter ökologischen Gesichtspunkten mechanischen Wärmezählern eindeutig überlegen.

Volumenmessteil eines statischen Ultraschall-Kleinwärmezählers.

Hinweis zur Installation

Ultraschall-Wärmezähler bestimmen das Volumen des Heizmediums über die Laufzeiten von Ultraschallwellen. Ist die Schallübertragung zwischen den Ultraschallwandlern unterbrochen, kann keine Volumenmessung und damit keine Wärmemengenbestimmung erfolgen. Kurzzeitige Störungen der Schallübertragung können auftreten, wenn größere Luftblasen mit der Strömung des Heizmediums durch den Wärmezähler transportiert werden oder sich bei geringen Strömungsgeschwindigkeiten im Bereich der Wandler festsetzen. Zur sicheren Vermeidung dieser Betriebsstörungen ist das Heizsystem nach der Gerätemontage sorgfältig zu entlüften. Des Weiteren sollte die Installation der Messgeräte nicht am höchsten Punkt des Heizsystems erfolgen, da sich hier leicht Luftansammlungen bilden können.

Zusammenfassung

In der Wärmemesstechnik ist ein Trend hin zu statischen, verschleißfreien Wärmezählern nach dem Ultraschallprinzip zu beobachten, der auf die positiven Gerätemerkmale dieser Technologie zurückzuführen ist. Damit stellen Ultraschall-Wärmezähler eine vielversprechende Alternative zu mechanischen Flügelrad-Wärmezählern dar und werden sicherlich – aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile – langfristig die dem Verschleiß unterliegenden konventionellen Wärmezähler ablösen.

Internetinformationen:
www.brunata-muenchen.de


*) Dipl.-Phys.-Ing. Bernd Henrichs, Produktingenieur bei BRUNATA Wärmemesser GmbH & Co. KG, München


B i l d e r:   BRUNATA Wärmemesser GmbH & Co. KG, München, www.brunata-muenchen.de


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