Der Einfluss von Glykol-Wasser Gemischen auf die Messrichtigkeit
Werbung
Braunschweig, Juni 2002 Joachim-Friedrich March Der Einfluss von Glykol-Wasser­ Gemischen auf die Messrichtigkeit von Rechenwerken bei Wärmezählern für thermische Solaranlagen Die Serien der PTB-Berichte: Akkreditierung, Qualitätsmanagement, Zertifizierung PTB-AQZ Atomphysik PTB-APh Dosimetrie PTB-Dos Elektrizität PTB-E Elektronische Entwicklung PTB-EW Fertigungsmesstechnik PTB-F Informationstechnik PTB-IT Literaturzusammenstellungen und Veröffentlichungshinweise PTB-L Mechanik und Akustik PTB-MA Medizinische Messtechnik PTB-MM Neutronenphysik PTB-N Internationale Organisation für Gesetzliches Messwesen PTB-OIML Optik PTB-Opt Physikalische Grundlagen PTB-PG Wissenschaftlich -Technische Querschnittsaufgaben PTB-Q Radioaktivität PTB-Ra Thermodynamik und Explosionsschutz PTB-ThEx Technisch-Wissenschaftliche Dienste PTB-TWD Eingestellte Serien: Akustik (bis 1985) PTB-Ak Forschungs- und Meßreaktor Braunschweig (bis 1988) PTB-FMRB Institut Berlin (bis 1985) PTB-IB Mechanik (bis 1985) PTB-Me Neu tronendosi metrie (bis 1988) PTB-ND Sicherstellung und Endlagerung radioaktiver Abfälle (bis 1989) PTB-SE Wärme (bis 3/97) PTB-W Herausgeber: Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig und Berlin Presse und Öffentlichkeitsarbeit Telefon: (05 31) 592-8202 Bundesallee 100 38116 Braunschweig Telefon: (0531) 592-0 Telefax: (0531) 592-9292 Internet: http://www.ptb.de/ Vertrieb: Wirtschaftsverlag NW Verlag für neue Wissenschaft GmbH Bürgermeister-Smidt-Str. 74-76 27568 Bremerhaven Telefon: (0471) 94544-61 Telefax: (0471) 94544-88 Internet: www.nw-Verlag.de Physikalisch-Technische Bundesanstalt Thermodynamik und Explosionsschutz PTB-ThEx-24 Braunschweig, Juni 2002 Joachim-Friedrich March Der Einfluss von Glykol-Wasser-Gemischen auf die Messrichtigkeit von Rechenwerken bei Wärmezählern für thermische Solaranlagen ISSN 1434-2391 ISBN 3-89701-874-8 -~- ,I Inhaltsverzeichn is Nr. 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. Thema Verzeichnisse Bilder Begriffe Abkürzungen Formelzeichen Zusammenfassung Einleitung Messsystem Geräteauswahl Glykol-Wasser-Gemische Berechnung der konventionell richtigen Werte Ergebnisse Fazit Literaturverzeichnis Anhang Seite 1 1 1 3 3 4 5 6 7 7 7 8 13 14 15 1. Verzeichnisse 1.1 Bilder Bild 1: Messaufbau zum Prüfen der Rechenwerke Bild 2: Relative Messabweichungen eines für Wasser programmierten Rechenwerks bei Verwendung von unterschiedlichen Glykol-Wasser-Gemischen (Glykol­ gehalt 50 Vol.-%) und bei einer Temperaturdifferenz von 10 K zwischen Vor­ und Rücklauf 1.2 Begriffe Dichte Quotient aus der Masse eines Stoffes und des Volumens, der i. a. von der Tempe­ ratur abhängt. Einheit in kg/m 3 oder kg/L. Durchflusssensor [D97,Teil1, 3.4.1] Teilgerät (eines Wärmezählers), durch welches der Wärmeträger fließt und das ent­ weder im Vorlauf oder im Rücklauf eines Wärmetauscher-Kreislaufs eingebaut ist. Der Durchflusssensor gibt ein Signal ab, das eine Funktion des Volumens oder der Masse oder des Volumen- oder Massedurchflusses ist. Frequenzgenerator Elektronisches Gerät zum Erzeugen von Impulsen (hier: Rechteck-Signal mit eirwm Impuls-Pausen Verhältnis von 1:1) während einer Zeiteinheit von 1 s. Impulswertigkeit Der Messwert eines Durchflusssensors, der die Empfindlichkeit bei der Volumen­ oder Durchflussbestimmung charakterisiert, Größe: V / Ntmp. Einheit: L. Die Impulswertigkeit ist i. a. abhängig von den Größen: Durchfluss, Temperatur, Vis­ kosität und Dichte. Impulszahl Summe der Impulse: N tmp . Impulszähler Elektronisches Gerät zum Summieren der Impulse. Korrektionsfaktor [V94, 3.16] Zahlenfaktor, mit dem das unberichtigte Messergebnis zum Ausgleich hinsichtlich der systematischen Messabweichung multipliziert wird. 1 Konventionell richtiger Wert (einer Messgröße) [095, 1.4] Bekannter Wert für Vergleichszwecke (hier: berechneter Wert der Wärme aus spezi­ fischer Wärme, Dichte, Impulswertigkeit und Impulszahl) dessen Abweichung vom wahren Wert für den Vergleichszweck als vernachlässigbar betrachtet wird. Korrektionsfaktor [V94, 3.16] Zahlenfaktor, mit dem das unberichtigte Messergebnis zum Ausgleich hinsichtlich der systematischen Messabweichung multipliziert wird. Messabweichung (relative) [095, 3.5] Abweichung (relative) eines aus Messungen gewonnenen und der Messgröße zuge­ ordneten Wertes (in Prozent) vom wahren Wert. Messwert [095, 3.2] Wert, der zur Meßgröße gehört und der Ausgabe eines Messgerätes (hier: ange­ zeigter, digitaler Wert der Wärme in kWh) eindeutig zugeordnet ist. R~chenwerk [097, Teil 1, 3.4.3] Teilgerät eines Wärmezählers, das Signale vom Durchflusssensor und den Tempe­ raturfühlern empfängt und daraus (mit der Impulswertigkeit des Durchflusssensors und den kalorischen Daten des Wärmeträgers) die ausgetauschte Wärmemenge berechnet und anzeigt. Rückverfolgbarkeit [095, 4.7, Anmerkung 6] Als Rückverfolgbarkeit bezeichnet man die Eigenschaft eines Messergebnisses, durch eine ununterbrochene Kette von dokumentierten Vergleichen auf geeignete Normale bezogen zu sein. Spezifische Wärme(kapazität) Energie zum Erhitzen einer Masse-Einheit von 1 kg eines Körpers von einer vorge­ wählten Temperatur um 1 K bei konstantem Druck. Einheit in kJ/(kg . K). Temperaturfühlerpaar [097, Teil 1, 3.4.2] Teilgerät (eines Wärmezählers), das die Temperaturen des Wärmeträgers im Vor­ und Rücklauf des Wärmetauscherkreislaufes erfasst. Wahrer Wert (einer Messgröße) [095, 1.3] Wert der Messgröße als Ziel der Auswertung von Messungen der Messgröße. Wärmezähler (kombinierter) [097, Teil 1 ,3.2] Wärmezähler, der aus den Teilgeräten Durchflusssensor, Temperaturfühlerpaar und Rechenwerk besteht. 2 1.3 Abkürzungen BAFA Fa. i. a. PC PTB Vol.-% WZ Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle Firma im allgemeinen Personal Computer Physikalisch-Technische Bundesanstalt Volumenprozent Wärmezähler 1.4 Formelzeichen und physikalische Größen 19 v 19 R ..1 19min ..1 19 p (19) cp (19) Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur kleinste zulässige Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf Dichte als Funktion der Temperatur spezifische Wärme bei konstantem Druck als Funktion der Temperatur cpm (ßv, 19RJ mittlere spezifische Wärme bei konstantem Druck als Funktion der Temperaturen von Vor- und Rücklauf Ec K N,mp. V W Eichfehlergrenze eines Rechenwerks (in %) Wärmekoeffizient Impulszahl Volumen thermische Energie 3 2. Zusammenfassung Zur Bestimmung der mit einer thermischen Solaranlage gewonnenen Energie wer­ den Wärmezähler benötigt, die für die in den Kollektorkreisläufen von Solaranlagen üblicherweise verwendeten Glykol-Wasser-Gemischen als Wärmeträger geeignet sind. In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und von der Wärmezählerindu­ strie unterstützten Vorhaben, wurde unter Verwendung eines industriell hergestellten und in solaren Anlagen weitverbreiteten Glykol-Wasser-Gemisches, bestehend aus 50 Vol.-% TYFOCOR L (96 Vol.-% Propylenglykol, 4 Vol.-% Additive) und 50 Vol.-% Wasser, die Messrichtigkeit von in Wärmezählen verwendeten Durchflusssensorty­ pen untersucht. Es erwiesen sich nur die Flügelradzähler für den Einsatz in Solaran­ lagen geeignet [MOO]. In diesem weiterführenden Bericht wurden acht häufig verwendete Rechenwerke für Wärmezähler einer Untersuchung auf ihre Eignung in thermischen Solaranlagen un­ terzogen. Bei den Prüfungen wurden das Ausgangssignal des Durchflusssensors durch einen Frequenzgenerator und das Temperaturfühlerpaar durch zwei unter­ schiedliche Festwiderstände simuliert. Zwei der in aufwändigen Regeleinheiten integrierten Rechenwerke eignen sich nur zur Funktionskontrolle von Solaranlagen. Von den sechs separaten Rechenwerken bzw. Wärmezählern erreichte zunächst nur ein einziges Rechenwerk relative Messabweichungen von kleiner als 0,2% bei allen Temperaturdifferenzen, selbst bei 3 K, zwischen Vor- und Rücklauf. Die übrigen Re­ chenwerkstypen wiesen relative Messabweichungen von bis zu 22% auf. Wurden die im Fachlaboratorium aufgedeckten Fehlerquellen beseitigt, zeigten die nachgebes­ serten Geräte messtechnisch gute Resultate. 4 3. Einleitung Thermische Solaranlagen [prE97] finden wegen der zukünftig zu erwartenden stei­ genden Energiepreise und der aus ökologischen Gründen gewährten staatlichen Zu­ schüsse eine immer weitergehendere Verbreitung. Eine solche Anlage besteht in der Regel aus einem Kollektor, einem Wärmespeicher mit einem Wärmetauscher, einem Rohrleitungssystem, welches Kollektor und Wärmespeicher verbindet und einer Reglereinheit. Über den Sekundärkreislauf wird dem Warmwasser-Wärmespeicher Energie entzogen. Die Verwendung eines Wärmezählers (WZ) [097] wird finanziell gefördert, da mit diesem die Menge der mit einer solchen Anlage gewonnenen thermischen Energie bestimmt werden kann und damit die Effizienz der Anlage nachprüfbar wird. Der WZ wird L a. in Anlagen kleiner thermischen Leistung im Primärkreislauf (Kollektorkreis­ lauf) eingebaut. Ein WZ besteht aus drei Komponenten: 1. Durchflusssensor (in der Regel im Rücklauf eingebaut) 2. Temperaturfühlerpaar, La. Platin-Widerstände 3. Rechenwerk, welches aus den gemessenen Volumen- und Temperaturwerten zusammen mit den kalorischen Daten des verwendeten Wärmeträgers die an den Wär­ mespeicher abgegebene thermische Energie berechnet und in gesetzlichen Einheiten anzeigt. Die Wärmezähler für den Wärmeträger Wasser, die zur Erfassung der Heizkosten dienen, unterliegen der Eichpflicht. Die Bauarten werden von der PTB zur Eichung zugelassen. Die relativen Fehlergrenzen für die Wärmezähler sind in der DIN EN 1434, Teil 1 [097] festgelegt worden. Die Fehlergrenze (Ec) in % beträgt für die Rechenwerke: Ec = 0,5 + .119-min I .119­ d. h. maximal 1,5% bei der kleinsten zulässigen Temperaturdifferenz .119-min. Bis auf wenige Ausnahmen [SchOO] wird in Nordeuropa m Primärkreislauf einer So­ laranlage als Wärmeträger nicht Wasser sondern vorzugsweise ein Propylenglykol­ Wasser-Gemisch mit wenigen Prozent korrosions hemmenden Additiven verwendet. Dies hat zur Folge, dass sowohl der Durchflusssensor als auch das Rechenwerk des WZ für diese Wärmeträger ausgelegt sein muss, um die Messrichtigkeit des WZ zu gewährleisten. In einem von der Deutschen Bundesstiftung Umwelt und von der Wärmezählerindustrie unterstützten Vorhaben, wurde unter Verwendung eines indu­ striell hergestellten Glykol-Wasser-Gemisches, bestehend aus 50 Vol.-% TYFO­ COR L (96 Vol.-% Propylenglykol, 4 Vol.-% Additive) und 50 Vol.-% Wasser die Messrichtigkeit von in Wärmezählen verwendeten Durchflusssensortypen bestimmt. Von den untersuchten unterschiedlichen Bauarten von Durchflusssensoren - Turbi­ nenradzählern, Ultraschall- und magnetisch-induktiven Durchflusssensoren sowie Flügelradzählern - erwiesen sich nur die letztgenannten für Solaranlagen geeignet [MOO]. Dieser weiterführende Bericht hat die Untersuchung de~ Messrichtigkeit von Re­ chenwerken für Wärmezähler in thermischen Solaranlagen zum Gegenstand. Die Berechnung der relativen Messabweichungen der thermischen Energie (in Prozent des jeweiligen Messwertes) für diese Geräte wird in Abschnitt 7, die Ergebnisse der Untersuchungen in Abschnitt 8 beschrieben. 5 3. Messsystem Die Prüfung der Rechenwerke (6) wurde mit dem auf Bild 1 dargestellten Messsy­ stem durchgeführt. Ein Frequenzgenerator (3) erzeugt Rechtecksignale mit einem Impuls-Pausenverhältnis von 1:1. Die Messsignale, die auf dem Display des Spei­ cheroszilloskops (5) zu sehen waren, dienten zur Simulation der Ausgangssignale eines Durchflusssensors. Ein Impulszähler (2) erfasste während der jeweils vorgege­ benen Messzeit die Zahl der Impulse. Das simulierte Volumen des Wärmeträgers ergab sich aus der Impulswertigkeit des in der Solaranlage zu verwendenden (rea­ len) Durchflusssensors multipliziert mit Zahl der Impulse. Diese Impulswertigkeit muss in dem Rechenbaustein des zu prüfenden Rechenwerks eingegeben sein. Die Platinwiderstandsthermometer wurden durch zwei entsprechend den gewünschten Vor- und Rücklauftemperaturen eingestellten Präzisions-Widerstandsdekaden (1) simuliert [096]. Die Widerstandswerte der Dekaden wurden mit einem Digitalmulti­ meter (4) ausgemessen, das seinerseits mit Normalwiderständen auf Anzeigerichtig­ keit rückverfolgt wurde. Bild 1: Messaufbau zum Prüfen der Rechenwerke (1) Widerstandsdekaden (2) Impulszähler (3) Frequenzgenerator (4) Digitalmultimeter (5) Speicheroszilloskop (6) Rechenwerk für Wärmezähler 6 5. Geräteauswahl Aus den Unterlagen der vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) bewilligten Förderanträge, wurden die in Deutschland verwendeten Rechenwerksfa­ brikate ermittelt. Für die Untersuchung wurden alle Rechenwerke von Wärmezählern für Solaranlagen aus dem Bereich der Wärmezählerindustrie und alle eigenständigen Geräte aus dem Bereich der Solarindustrie (insgesamt 6 Gerätetypen) einbezogen. Von den Re­ chenwerken, die in Solarreglern integriert waren, wurden exemplarisch nur zwei Ty­ pen ausgewählt, da bei diesen, wie sich bei den Untersuchungen dann herausstellte, die Messabweichungen beträchtlich größer waren. Der Grund hierfür ist, dass die Hersteller dieser Geräte i. a. exakte Wärmemengenmessung als übertrieben bei thermischen Solaranlagen erachten. Dies zeigt sich auch, dass die Energie nur in ganzen kWh erfolgt und einer korrekten Temperaturerfassung geringe Bedeutung zugemessen wird. 6. Glykol-Wasser-Gemische Die kalorischen Daten der Dichte und der spezifischen Wärme der Wärmeträger sind dem Glykolgehalt entsprechend den Tabellen von der Fa. Dow Deutschland für DOWCAL 20, von der Fa. Clariant für ANTIFROGEN N sowie ANTIFROGEN L und von der Fa. Tyforop für TYFOCOR sowie TYFOCOR L zu entnehmen. Für TYFO­ COR und TYFOCOR L waren zusätzlich die exakteren Polynomkoeffizienten für die Dichte und für die spezifische Wärme zugänglich. Die Daten für den mit Wasser ge­ mischten Wärmeträger TYFOCOR LS (Propylenglykolgehalt 42 Vol.-%) wurden von der Fa. Tyforop in Form von grafischen Darstellungen als Prospektblatt und zusätz­ lich als numerische Tabellen in Papierform zur Verfügung gestellt. 7. Berechnung der konventionell richtigen Werte Bei Einsatz des Durchflusssensors im Rücklauf erfolgt die Berechnung der (konven­ tionell) richtigen Werte der thermischen Energie mit den kalorischen Daten der Her­ steller der Glykol-Wasser Gemische nach der Zahlenwert-Gleichung: W = K· (tJv - tJR) . N ,mp. • (VI N ,mp ) 13600 mit K= Cpm (ßV,i}R) • P(i}R) V kg/L L tJv- tJR K P(i}R) kJ/(L·K) i1v und Cpm(iJv,i}R) kWh = 1/(tJv- tJR)· JCp(ß)diJ =C p ([iJv+i}R]/2) kJ/(kg K) i1R 7 8. Ergebnisse Alle Geräte wurden mindestens für das Frostschutzmittel TYFOCOR L mit einem Glykolgehalt von 50 Vol.-% untersucht. Integral-V-Solar (Fa. Allmess [alt] bzw. Fa. Actaris [neu]) Dieser Wärmezählertyp ist ein Beispiel für in thermischen Solaranlagen auch ver­ wendete Wärmezähler, deren Rechenwerke nur die thermophysikalischen Daten von Wasser [WK98] enthalten. Für Rücklauftemperaturen unterhalb von 60 oe (typisch) ergeben sich allein auf Grund der gegenüber Wasser unterschiedlichen kalorischen Daten für verschiedene Glykol-Wasser-Gemische mit einem Glykolgehalt von 50 Vol.-%, beispielsweise bei einer Temperaturdifferenz von 10 K zwischen Vor- und Rücklauf, relative Messabweichungen der Wärmemenge von mehr als 8% (Bild 2). 17 16 'cf2. 15 c 0) ~TYFOCORL 14 -11- ANTIFROGEN c .c 13 L ::J ~TYFOCOR Q Q) :s: 12 .....- ANTIFROGEN N .0 m 11 (f) Q) 2 10 Q) .2: ....... 9 Q) 8 cu '­ 7 6 o 20 40 60 Rücklauftemperatur in 80 100 oe Bild 2: Relative Messabweichungen der Wärmemenge eines für Wasser program­ mierten Rechenwerks bei Verwendung von unterschiedlichen Glykol-Wasser­ Gemischen (Glykolgehalt 50 Vol.-%) und bei einer Temperaturdifferenz von 10 K zwischen Vor- und Rücklauf Wegen dieser großen Messabweichungen ist es nicht sinnvoll, solche Geräte im Primärkreislauf von Solaranlagen einzusetzen. 8 Calec sr Solar Rechenwerk (Fa. Aquametro) Die Anzeige der erzeugten Wärme erfolgt in kWh mit drei Nachkornmastellen. Dieses Rechenwerk kann neben Wasser für vier weitere Wärmeträger (TYFOeOR, TYFOeOR L, ANTIFROGEN N und ANTIFROGEN L) mit Schritten von einem Volu­ menprozent Glykolgehalt auf die richtige Konzentration zwischen 20 VoL-% und 60 VoL-% Glykolgehalt eingestellt werden. Abweichend zu den Angaben auf dem Typenschild waren Messungen mit den unterschiedlichen am Gerät eingestellten Frostschutzmitteln nicht bis 160 oe sondern nur bis 110 oe möglich. Bis auf diese Einschränkung war es der einzige Gerätetyp der ohne Nachbesserung sehr gute Er­ gebnisse lieferte. Mit den bei vorgegebenem Wärmeträger, Glykolgehalt und Rück­ lauftemperatur vom Gerät angezeigten Wärmekoeffizienten ergaben die angezeigten Werte der thermischen Energie gegenüber den berechneten relative Abweichungen von weniger als 0,1% selbst bei den kleinsten Temperaturdifferenzen zwischen Vor­ und Rücklauf von 3 K. Mit den von der Fa. Tyforop gelieferten Polynomdaten als Nä­ herung für die kalorischen Werte ergaben sich beispielsweise für TYFOCOR L (50 VoL-%) Differenzen zwischen den berechneten und angezeigten Wärmekoeffizi­ enten, die jedoch so gering waren, dass (bei ausreichender Messzeit) die relativen Abweichungen der thermischen Energie zwischen Messwert und berechnetem Wert niemals mehr als 0,2% betrugen. Rechenwerk optocom (Fa. Kundo) Die Anzeige der erzeugten Wärme erfolgt in kWh mit drei NachkommastelIen. Je nach gewünschtem Wärmeträger und Wassergehalt des Frostschutzmittels wird das Rechenwerk vom Herstellers parametriert. Hier wurde ein Gerät für das Frost­ schutzmittel TYFOCOR L mit 50 VoL-% Wassergehalt untersucht. Wegen eines Fehlers im Integralalgorithmus waren zunächst alle gemessenen Werte der thermi­ schen Energie signifikant falsch. Nach Beseitigung dieses Fehlers betrugen die rela­ tiven Abweichungen der thermischen Energie (bei ausreichender Messzeit) weniger als 0,2% selbst bei der kleinsten Temperaturdifferenz von 3 K zwischen Vor- und Rücklauf. EEG30 Rechenwerk (Fa. Technische Alternative) Die Anzeige der erzeugten Wärme erfolgt in kWh mit nur einer Nachkommastelle. Bei diesem Rechenwerk kann der Glykolgehalt des Frostschutzmittels in Schritten von einem Volumenprozent eingegeben werden, jedoch nicht der Frostschutztyp selbst. Von folgenden Frostschutzmitteln: ANTIFROGEN N, ANTIFROGEN L, TYFOCOR, TYFOeOR L und DOWCAL 20 wurden vom Hersteller aus den gemit­ telten Werten der spezifischen Wärme und der Dichte Kennlinien in Abhängigkeit von der Temperatur berechnet und im Rechenwerk abgespeichert. Bezogen auf das Frostschutzmittel TYFOeOR L mit 40 VoL-% oder 50 VoL-% Wassergehalt ergaben sich bei Temperaturdifferenzen von kleiner als 20 K i. a. negative relative Abwei­ chungen von betragsmäßig weniger als 2%. Bei großen Temperaturdifferenzen wa­ ren die relativen Abweichungen größer, da das Rechenwerk so programmiert wurde, dass für die Berechnung der thermischen Energie inkorrekter Weise jeweils die Dichte bei der mittleren Temperatur zwischen Vor- und Rücklauf statt der Dichte bei der Rücklauftemperatur verwendet wird. Bei einer Temperaturdi'lferenz von bei­ spielsweise 50 K ergibt sich eine zusätzliche relative Messabweichung von -1 %. 9 Fazit: Das EEG30 Rechenwerk entspricht nicht dem Stand der Technik für Wärmezähler mit Wasser als Wärmeträger. WMZ M1 Rechenwerk (Fa. Resol) Es werden die Vor- und Rücklauftemperatur in °C mit einer Nachkommastelle, der Durchfluss in m3 /h, die thermische Leistung ganzzahlig in kW und die Wärmemenge ganzzahlig in Wh, kWh und MWh angezeigt. Dieses Rechenwerk erlaubte es, Wasser und die Frostschutzmittel Ethylenglykol (TYFOCOR) sowie Propylenglykol (TYFOCOR L) im Bereich von 0 Vol.-% bis 70 Vol.-% Glykolgehalt in Schritten von einem Volumenprozent Glykolgehalt als Wärmeträger einzustellen. Bei den ersten Geräten waren die relativen Abweichun­ gen der thermischen Energie stets negativ, deren Beträge sich mit abnehmender Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf vergrößerten. Bei 5 K Temperatur­ differenz betrug die relative Abweichung des Messwertes -21,5% gegenüber dem konventionell richtigen Wert. Nach mehrmaliger Nachbesserung und zwischenzeitli­ cher vollständig neuer Programmierung ergaben sich folgende Resultate: Das nachgebesserte Rechenwerk ist nunmehr geeignet für vier unterschiedliche Wärmeträger: Wasser, Ethylenglykol (TYFOCOR), Propylenglykol (TYFOCOR L), und TYFOCOR LS. Bei Ethylenglykol (TYFOCOR) und Propylenglykol (TYFOCOR L) erfolgt die Einstellung des Glykolgehalts in Schritten von einem Volumenprozent im Bereich von 20 Vol.-% bis 70 Vol.-% Glykolgehalt. Die Programmierung des Rechenwerk-Chips war in den meisten Fällen korrekt mit relativen Abweichungen von weniger als 0,2%. Nur beim Wärmeträger TYFOCOR zeigten sich bei Temperaturdifferenzen ~ 70 K größere Abweichungen bis -1 %. Dies liegt vermutlich an der unzureichenden Berücksichtigung der stärkeren Abweichun­ gen von der Linearität der Temperaturabhängigkeit bei der für die Energieberech­ nung verwendeten spezifischen Wärme dieses Wärmeträgers. Die angezeigten Temperaturen bei den untersuchten Geräten wichen aber von den konventionell richtigen Temperaturen um bis zu 0,3 K ab, sodass sich hieraus relati­ ve Messabweichungen bis zu 10% bei Temperaturdifferenzen bis zu minimal 3 K er­ gaben. Entsprechend betrug bei einer Temperaturdifferenz von 10 K die relative Messabweichung 3%. Zusammengefasst kann gesagt werden: Wegen der i. a. aus den Abweichungen bei der Temperaturmessung resultierenden Abweichungen der Leistungen und der Wärmemengen entsprechen die Geräte nicht dem Stand der Technik. Sie sind nur zur Funktionskontrolle thermischer Solaranla­ gen geeignet. Deshalb plant die Firma, den Gerätetyp mit einer verbesserten Elek­ tronik auszurüsten. 235-mmx Rechenwerk (Fa. Metrix) Die Anzeige der erzeugten Wärme erfolgt in kWh mit drei NachkommastelIen. In dem Rechenwerk sind die Polynomkoeffizienten bis zur 2. Ordnung für die spezifi­ sche Wärme und bis zur 3. Ordnung für die Dichte von den unterschiedlichen Wär­ meträgern (NORCORSIN, ANTIFROGEN L, ANTIFROGEN N, TYFOCOR, TYFO­ COR L und PKL) [A99] mit unterschiedlichen Konzentrationen abgelegt. Der jeweilige Wärmeträger mit einer festgelegten Konzentration kann nur über die serielle Schnitt­ stelle eines PC mit einem entsprechenden Programm geändert werden. Ebenso können die werkseitig vorgegebenen Polynomkoeffizienten geändert oder durch die 10 Koeffizienten anderer Wärmeträger ersetzt werden. Aufgrund einer falschen Formel und der gegenüber den Herstellerangaben des Frostschutzmittels TYFOeOR L in [A99] differierenden Koeffizienten resultierten relative Messabweichungen von etwa 5%. Mit dem jeweiligen aus diesen Einflüssen resultierenden Korrektionsfaktor erga­ ben sich für die berichtigten Werte der thermischen Energie ähnlich kleine Messab­ weichungen wie beim Wärmeträger Wasser. Bei Temperaturdifferenzen von mehr als 30 K betrugen die relativen Abweichungen zwischen dem Messwert und dem kon­ ventionell richtigen Wert weniger als 0,2%. Bei einer Temperaturdifferenz von 3 K stieg die Messabweichung auf etwa 1,5% an. Suntana Regler mit Rechenwerk zur Wärmeerfassung (Fa. Steca) Die Anzeige der erzeugten Wärme erfolgt in ganzzahligen kWh. Die Temperaturen werden in Form ganzzahliger oe angezeigt. Bei dem Regler konnte für die Wärmenmengenmessung das Rechenwerk auf das Frostschutzmittel TYFOCOR L in Schritten von einem Volumenprozent Glykolgehalt eingestellt werden. Bei der Berechnung werden für die spezifischen Wärmen die Werte von den Rücklauftemperaturen an Stelle der korrekten gemittelten spezifi­ schen Wärmen zwischen Vor- und Rücklauftemperaturen verwendet. Dies führt er­ wartungsgemäß zu negativen relativen Abweichungen, die sich mit zunehmenden Temperaturdifferenzen von 0,5% bei 10 K bis zu 5% bei 100 K vergrößern. Die Fre­ quenz der Impulse des Durchflusssensors darf 1 Hz nicht überschreiten. Dies ent­ spricht einem Durchfluss von 3,6 m3 /h bei einer Impulswertigkeit des Durchflusssen­ sors von 1 L. Nach Auskunft des Herstellers werden die Energiewerte aus Temperaturwerten mit Nachkommastelien berechnet. Die Unsicherheit bei der Analog-Digitalwandlung der Widerstandswerte der Temperaturfühler führt bei Temperaturdifferenzen von 10 K zu zusätzlichen gemessenen relativen Abweichungen von bis zu - 8,5%. Nicht akzeptabel ist, dass bei Bruch oder Kurzschluss eines Temperaturfühlers oder mehrerer Temperaturfühler dies zwar angezeigt wird, die Berechnung der Wärme mit den Temperaturdaten vor Auftreten des Defekts weiter fortgeführt wird. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Rechenwerk zur Bestimmung der Wärmemenge wenig geeignet ist. Solareg PD1 Regler mit Rechenwerk zur Wärmeerfassung (Fa. Prozeda) Die Wärmemengenanzeige erfolgt in ganzzahligen kWh und wird einmal pro Minute erneuert. Bei dem Regler konnte für die Wärmenmengenmessung das Rechenwerk auf das Frostschutzmittel TYFOeOR L in Schritten von einem Volumenprozent Glykolgehalt eingestellt werden. Die Temperaturen werden in Form ganzzahliger Werte durch Weglassen der NachkommastelIen angezeigt. Dies führt in ungünstigen Fällen zu negativen relativen Energieabweichungen bis zu 1% bei einer Temperaturdifferenz von 100 K und bis zu 10% bei einer Temperaturdifferenz von 10 K. Als Vorlauftempe­ ratur wird die Kollektortemperatur verwendet. Nach mündlicher Rücksprache mit dem Hersteller werden vor der Berechnung der Energiewerte von der gemessenen Tem­ peraturdifferenz 2 K abgezogen, um Wärmeverluste durch die Rohrleitung (ohne die gewünschte Wärmeübertragung im Wärmespeicher) zwischen den Messorten der Temperaturfühler zu berücksichtigen. Dies führt jedoch bei kleinen Temperaturdiffe­ renzen, also bei niedrigen Vorlauftemperaturen , bei denen die Wärmeverluste gering 11 sind, zu großen Korrekturen. Die relativen Energiekorrekturen betragen beispielswei­ se 2% bei einer Temperaturdifferenz von 100 Kund 20% bei 10 K. Das Gerät war nur unterhalb von etwa 0,5 Hz, dies entspricht einem Durchfluss von 1,8 mJ/h bei einer Impulswertigkeit des Durchflusssensors von 1 L, zu betreiben, oh­ ne zusätzliche Messabweichungen hervorzurufen. Außer den relativen Energieab­ weichungen, die durch diese beschriebene Einflüsse verursacht wurden, waren die verbleibenden relativen Energieabweichungen noch erheblich und betrugen bei 10 K (19 °C/29 °C) Temperaturdifferenz bis zu 3% und bei 100 K (19 °C/119 °C) Ternpe­ raturdifferenz bis zu 6%. Aufgrund dieser schlechten Ergebnisse wurde das Gerät vom Hersteller ohne die Temperaturkorrektur von 2 K neu programmiert. Die Messungen konnten nun bei Temperaturdifferenzen bis 90 K bei Frequenzen bis 2 Hz durchgeführt werden. Die Temperaturen von Kollektor, Speicher und Rücklauf werden mit einer Nachkomma­ steIle angezeigt. Die Temperaturabweichungen von den konventionell richtigen Werten betrugen bei Temperaturen unterhalb von 100°C etwa -1 K und bei Tempe­ raturen oberhalb von 100°C etwa +3,5 K. Bei Vorlauftemperaturen bis einschließlich 100°C lagen die relativen Abweichungen der Wärmemenge La. bei ± 2% bis maxi­ mal bei ± 3,5%. Bei höheren Vorlaufternperaturen ergaben sich (vermutlich wegen der oben genannten Temperaturabweichungen) relative Messabweichungen bis zu +10%. Kurzschluss oder Bruch von Temperaturfühlern werden im Display angezeigt. Zu­ sätzlich wird der Störfall durch das Aufleuchten von zwei roten Dioden kenntlich ge­ macht. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass trotz der Nachbesserung des Re­ chenwerks die Wärmemengenberechnung nicht dem Stand der Technik entspricht. Das Gerät ist nur zur Funktionskontrolle einer Solaranlage geeignet. 12 Fazit Die Untersuchungen der Rechenwerke haben gezeigt, dass bis auf eine Ausnahme, die Kontrolle auf Messrichtigkeit der Geräte durch den Hersteller zu wünschen ließ. Erst nach der Konfrontation mit den zum Teil mangelhaften Ergebnissen wurden die meisten Hersteller aktiviert, ihre Geräte nachzubessern. Am Ende dieses Nachbesserungsprozesses ergab sich folgendes Bild: 1. Die beiden Gerätetypen mit den kleinsten ($ 0,2%) relativen Messabweichungen für die Wärmemenge bei allen Temperaturdifferenzen zwischen Vor- und Rück­ lauf waren der Ca/ec ST Solar von der Fa. Aquametro und der optocom von der Fa. Kundo gefolgt vom Gerätetyp 235-mmx (Fa. Metrix). der mit abnehmender Temperaturdifferenz unterhalb von 10 K Temperaturdifferenz ansteigende relati­ ve Messabweichungen bis zu 1,5% bei 3 K Temperaturdifferenz zeigte. 2. Der Gerätetyp EEG30 vom Hersteller Technische Alternative wies relative Messabweichungen weniger als 2% für Temperaturdifferenzen bis 20 K und bis zu 4% ansteigend bei Temperaturdifferenzen bis 100 Kauf. 3. Der WMZ M1 vom Hersteller Resol erfasste die Temperaturen zum Teil mangel­ haft, welches bei einem Gerät zu relativen Messabweichungen bis zu 10% bei 3 K Temperaturdifferenz und bis zu 3% bei 10 K Temperaturdifferenz führte. Oh­ ne diesen Einfluss waren die Messabweichungen in den meisten Fällen $ 0,2%. Nur beim Wärmeträger TYFOCOR traten bei Temperaturdifferenzen oberhalb von 50 K relative Messabweichungen bis zu 1% auf. Eine Verbesserung der Elektronik für die Temperaturbestimmung ist geplant. 4 Die beiden Wärmemengenzählertypen, die in Temperaturreglern integriert wa­ ren, zeigten so große Messabweichungen, sodass sie nur als Funktionskontroll­ geräte für eine thermische Solaranlage geeignet sind. Allgemein hat sich bei den Untersuchungen herausgestellt, dass die Rechenwerke von Wärmezählern für Solaranlagen, die von Herstellern von Wärmezählern für de Wärmeträger Wasser entwickelt wurden, bedeutend kleinere Messabweichungen aufwiesen als die Rechenwerke, insbesondere in Regelgeräten, von Herstellern aus dem Bereich der Solarindustrie. Da der Verbraucher (d. h. der Käufer einer Solaranlage) nicht in der Lage ist, Wär­ mezähler mit großen Messabweichungen zu erkennen, sollten folgende Schritte in Erwägung gezogen werden, um ihn zu schützen: Ergänzung der Wärmezähler-Norm DIN EN 1434 [097] mit Vorschriften bei Verwendung von Wasser- Glykol Gemischen als Wärmeträger Bauartzulassung Eichpflicht 13 Literaturverzeichnis [A99] AOUNKA, F.: Handbuch der Wärmeverbrauchsmessung, S. 3.5 - 3.11 und S. A 7, Vulkan Verlag, Essen, 3. Auflage 1999 [095] OIN 1319-1: Grundlagen der Meßtechnik - Teil 1: Grundbegriffe der Meßtechnik, Beuth Verlag, Berlin, Ausgabe Januar 1995 [096] OIN EN 60751: Industrielle Platinwiderstandsthermometer und Platin­ Messwiderstände, Beuth Verlag, Berlin, Ausgabe Juli 1996 [097] OIN EN 1434: Wärmezähler, Beuth Verlag, Berlin, Ausgabe April 1997 [MOO] MARCH, J.-F.: Der Einfluss von Glykol-Wasser-Gemischen auf die Messrichtigkeit von Wärmezählern für thermische Solaranlagen, PTB-Bericht PTB-ThEx-14, Braunschweig und Berlin, Verlag tür neue Wissenschaft, Bremerhaven, 2000 [prE97] pr EN 12975 Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile -Kollektoren, Beuth Verlag, Berlin, 1997 pr EN 12976 Thermische Solaranlagen und ihre Bauteile - Vorgefertigte Anlagen, Beuth Verlag, Berlin, 1997 [SchOO] SCHNAITER, G.: Ganz ohne Frostschutzmittel, Sanitär- und Heizungs­ technik, S. 34 - 37, Heft 1,2000 [V94] OIN: Internationales Wörterbuch der Metrologie -Intenational Vocabula­ ry of Basic and General Terms in Metrology, Beuth Verlag, Berlin, 2. Auflage 1994 [WK98] WAGNER, W. und KRUSE, A. Zustandsgrößen von Wasserdampf, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg 1998 14 Wasser und 10. Anhang Anschriften der Hersteller 1. Allmess GmbH Am Vossberg 11 D-23758 Oldenburg i. H. Telefon 04361 6250 Telefax 04361 625250 2. Aquametro AG Ringstr.75 CH-4106 Therwil/Schweiz Telefon 0041 61 725 1122 Telefax 0041 61 725 1595 3. Kundo Systemtechnik GmbH Bahnhofstr. 10 D-78112 S1. Georgen Telefon 0 7724 9389 0 Telefax 0 7724 9389 10 4. Clariant GmbH D 65840 SulzbachlTs. 061967578807 Telefon Telefax 06196 7578945 5. Dow Deutschland GmbH Am Kronberger Hang D 65824 Schwalbach. Postfach 5284 D-66727 Eschborn Telefon 0 6196 5566 0 Telefax 0 6196 5566 444 6. Metrix Systems AG Lerchensangstr. 13 CH-8552 Felben-Wellhausen 0041 527662600 Telefon Telefax 0041 52 766 26 09 7. Prozeda GmbH Fahrgasse 1 D-91352 Pautzfeld Telefon 0954594490 Telefax 0 9545 9449 22 15 8. Resol GmbH Heiskampstr. 10 0-45527 Hattingen Telefon 0 2324 96 48 0 Telefax 0 2324 96 48 55 9. Steca GmbH Mammostraße 1 0-677000 Memmingen Telefon 0 8331 8558 0 Telefax 0 8331 8558 11 10. Technische Alternative GmbH Langestr. 124 A-3872 Amaliendorf Telefon 00 43 2862 5363 5 Telefax 00 43 2862 5363 7 11. Tyforop Chemie GmbH Heilbrookstr. 5a 0-22305 Hamburg 0406121 69 Telefon 0406121 99 Telefax 16 PTB-Berichte der Serie Wärme bzw. ab Frühjahr 1997 ThEx (Thermodynamik und Explosionsschutz) ThEx-2: W. Hirsch, D. Hempel, H. Förster: Untersuchungen zum Explosionsschutz beim Einsatz von Kühlschmierstoffen in Werkzeugmaschinen. 72 S., ISBN 3-89701-044-5,1997, € 17,00 ThEx-3: R. Jährling, D. Schiel (Hrsg.): Festkörperanalytik. Vorträge. 172 S., ISBN 3-89701-089-3,1997, € 21,00 ThEx-4: U. v. Pidol!: Sicherheitstechnische Untersuchungen hinsichtlich der Betankung von Kraftfahrzeugen mit Ottokraftstoffen bei erhöhter GasrÜckführrate. 28 S., ISBN 3-89701-116-6, 1998, € 11,00 ThEx-5: D. Knopf: Dynamisch-gravimetrische Herstellung von Kalibriergas­ gemischen hoher Genauigkeit als Normale in der Gas­ analytik. Dissertation. 140 S., ISBN 3-89701-126-3, 1998, € 19,50 ThEx-8: M. Gödde: Zündtemperaturen organischer Verbindungen in Abhän­ gigkeit von chemischer Struktur und Druck. Dissertation TU Braunschweig. 174 S., ISBN 3-89701-261-8, 1998, € 41 ,00 ThEx-9: U. v. Pidoll: Vermeiden der Entzündung faserfOrmiger Beschichtungs­ stoffe (Flock) beim elektostatischen Beflockungsprozess. 32 S., ISBN 3-89701-441-6,1999, € 10,50 ThEx-IO: U. Johannsmeyer u. M. Krämer: Zusammenschaltung nichtlinearer und linearer eigen­ sicherer Stromkreise. 40 S., ISBN 3-89701-440-8,1999, € 10,50 ThEx-6: W. Sabuga, O. Jusko: Effective area 01' the DH Instruments piston-cylinder, piston POI07 and cylinder COI07, calculated from the dimensional measurement data. Phase Al 01' the CCM comparison in gas media up to I MPa 22 S.; ISBN 3-89701-475-0, 1999, € 9,00 ThEx-IOe: U. Johannsmeyer, M. Krämer: Interconnection 01' non-linear and linear intrinsically safe circuit. 40 S., ISBN 3-89701-474-2,1999, € 10,50 ThEx-ll: Harro Bauer, Herbert Broeke, Günther Klingenberg: Basic calibration 01' the PTB's primary viscometers. 42 S., ISBN 3-89701-508-0, 2000, € .11,00 ThEx-12: G. F. Mo1inar, B. Rebaglia, A. Sacconi u. a. : Dimensional Measurements and Calculation 01' the Effective Area. Phase Al 01' the CCM Key Comparison in the Pressure Range 0,05 to I MPa (gas medium, gauge mode). 44 S., ISBN 3-8970 1-6J 4-1, 2000, € 11,00 ThEx-13: D. Stuck (Hrsg.): Messung thermischer Energie für den industriellen Bereich. Vorträge des 154. PTB-Seminars in Berlin-Charlollenburg 116 S., ISBN 3-89701-634-6, 2001, € 20,50 ThEx-14: J.-F. March: Der Einfluss von Glykol-Wasser-Gemischen auf die Messrichtigkeit von Wärmezählern für thermische Solaranlagen. Abschlussbericht über ein Entwicklungsprojekt, gefördert unter dem Az: 16403 von der Deutschen Bundes­ stiftung Umwelt 30 S., ISBN 3-89701-639-7, 2000, € 9,50 ThEx-15: P. Spitzer, U. Sud meier (Hrsg.): Electrolytical conductivity. 146. PTB-Seminar ca. 1005, ISBN 3-89701-661-3, 2000, ca. € 17,50 ThEx-16: H. Wolf: Volumenbestimmung im Mikoliterbereich. Abschlussbericht zum Projekt 126 S., ISBN 3-89701-662-1,200 I, € 21 ,00 ThEx- 17: S. Schenk: Entzündung explosionsfähiger Atmosphäre durch gepulste optische Strahlung. Dissertation TU Braunschweig 1505., JSBN 3-89701-667-2,200 I, € 20,00 ThEx-18: P. Schulz, D. Hempel, E. Brandes: Sicherheitstechnische Kenngrößen der in der Verordnung über die BefOrderung gefährlicher Güter auf dem Rhein (ADNR) genannten Stoffe. ca. 106 S., ISBN 3-89701-695-8,2001, ca. € 17,50 ThEx-19: O. Rienitz: Entwicklung chemisch-analytischer Primärmethoden zur Bestimmung physiologisch relevanter anorganischer Bestandteile in Humanserum. Dissertation ca. 166 S., ISBN 3-89701-739-3,2001, ca. € 20,50 ThEx-20: H. Bothe und Th. Stolz (Hrsg.): DECHEMA-Fachtreffen Sicherheitstechnik und 9. BAMlPTB-Kolloquium zur chemischen und physikalischen Sicherheitstechnik (Vorträge des 165. PTB-Seminars) 128 S, ISBN 3-89701-741-5, 2001, € 19,00 ThEx-21: G. Schuster, A. Hoffmann, D. Hechtfjscher: Realisation 01' the temperature scale PLTS-2000 at PTß. 30 S., ISBN 3-89701 -742-3, 2001, ca. € 10,00 ThEx-22: H. Bauer, G. Klingenberg (Editors): EUROMET.M.V-K3 key intercomparison 01' liquid viscosity measurements. 92 S, ISBN 3-89701-749-0,2001, ca. € 17,00 ThEx-23: M. Thedens: Funkenzündung von Gasgemischen bei erhöhten Drücken und Temperaturen für die Zündschutzart Eigensicherheit. Dissertation 1185., ISBN 3-89701-834-9,2002, ca. € 18,50 ThEx-24: J.-F. March: Der EinOuss von Glykol- Wasser-Gemischen auf die Messrichtigkeit VOn Rechenwerken bei Wärmezählern für thermische Solaranlagen. ca. 18 5., [SBN 3-89701-874-8,2002, ca. € 8,50
