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Wärmezähler in Netzen mit unterschiedlichen Betriebsparametern

Beitrag aus EuroHeat&Power 35. Jg (2006), Heft 7-8 von Günter Leitgen
Dipl.-Ing. (TH) Günter Leitgen ist Geschäftsführer der WSG Wärmezähler-Service GmbH, Essen, und Leiter der staatlich anerkannten Prüfstellen für Wasser und Wärme bei der WSG


Die korrekte Messung der gelieferten Wärme und die dazu erforderliche Auswahl der geeigneten Messgeräte ist von wesentlicher wirtschaftlicher Bedeutung für Wärmeversorgungsunternehmen.
Dabei hat sich die Qualität der Messgeräte und insbesondere deren Messbeständigkeit jedoch seit Einführung der Zulassungspflicht und der Eichpflicht bis heute nicht wesentlich verbessert.
Der Autor stellt den Status quo der Wärmemessung dar und mahnt deutliche Qualitätsverbesserungen an.

Die richtige Erfassung der gelieferten thermischen Energie ist für Fernwärmeversorgungsunternehmen von wesentlichem Interesse.
Die Mitarbeiter der staatlich anerkannten Prüfstelle für Wärmezähler KH 1 der Wärmezähler-Service GmbH, Essen, können auf mehr als 20 Jahre Erfahrungen in diesem Bereich zurückgreifen,
insbesondere in Bezug auf den Umgang mit adäquaten Messgeräten, den typischen Problemen mit dieser Technik und das Langzeitverhalten der Geräte.
Auf der Grundlage dieser Erfahrungen stellt der Autor im Folgenden den Status quo der Wärmemessung dar und mahnt deutliche Verbesserungen – insbesondere in Bezug auf die Messbeständigkeit – bei der herstellenden Industrie an.
Hierzu gehören ebenso entsprechende aussagefähige Bauartprüfungen, die alle Parameter von praktischer Relevanz abdecken.
Besondere Bedeutung erlangt diese Darstellung durch die Einführung der europäischen Messgeräterichtlinie (MID) am 1. November 2006.
Hier sollten auf erste Sicht alle Geräte als gleichwertig angesehen werden können, die in Zukunft mit einem CE- und einem M-Zeichen gekennzeichnet sind.


Vergleich der verschiedenen Medien und der verfügbaren Messgeräte
Seit vielen Jahrzehnten bestehen umfangreiche Erfahrungen im Be­reich der Strom-, Gas- und Wasser­messung, die durchaus positiv sind.
Die Sicherheit und auch die Mess­beständigkeit insbesondere bei Strom- und Gaszählern ist weithin zufriedenstellend und führt zu Ein­satzdauern (Eichgültigkeitsdauer), die, durch statistische Verfahren verlängert, mehrere Jahrzehnte be­tragen können.
Die hierbei einge­haltenen tatsächlichen Abweichun­gen vom wahren Wert liegen erfreu­licherweise meist im Promillebe­reich.
Einzig im Bereich der Durch­flussmessung von kaltem und war­mem Wasser gelten etwas erweiter­te Fehlergrenzen und hier spielen die Eigenschaften des zu messen­den Mediums mit in das Langzeit­verhalten hinein.
Wärmezähler müssen im Vergleich zu den oben genannten Messverfahren die physikalisch an­spruchsvollste Aufgabe lösen.

Da­bei sind zwei Messungen miteinan­der zu verknüpfen:
1. die Durchflussmessung und
2. die Messung der Temperaturdiffe­renz zwischen Vor- und Rücklauf.

Beide Resultate werden multipli­ziert und mit einer Enthalpie- und Dichtekorrektur versehen.
Die Komplexität dieser Aufgabenstel­lung spiegelt sich in den erlaubten Fehlergrenzen wieder, die ein Viel­faches der Fehlergrenzen bei Strom- und Gasmessgeräten betra­gen.
Bei Wärmezählern gelten Eich­fehlergrenzen bis zu 10 %, die Ver­kehrsfehlergrenzen sind doppelt so groß. Innerhalb dieser Fehlergren­zen gelten die Messgeräte gesetz­lich als richtig.
Ein weiteres Resultat dieser schwierigen Aufgabenstel­lung ist die recht kurze Eichgültig­keitsdauer von 5 Jahren.
Wesentli­che Ursache dafür ist, dass insbe­sondere Volumenmessteile für das Wärmeträgermedium Wasser dem Einfluss von Temperaturwechseln, Druckbelastungen und insbeson­dere
dem Einfluss der Schmutz­fracht des Wärmeträgermediums ausgesetzt sind.
Die Messbestän­digkeit aller heute verwendeten Vo­lumenmessteile lässt hier noch er­heblich zu wünschen übrig.
Eine Detailbetrachtung der zu messenden Signale zeigt, dass die häufig anzutreffenden Fehler der Messgeräte – seien sie vor Ort verifi­ziert oder im Rahmen der Messein­richtung einer staatlich anerkann­ten Prüfstelle – durchaus in der glei­chen Größenordnung liegen.
An­ders ausgedrückt: die allgemein be­kannten und vielfach beklagten Schwierigkeiten, den Volumen­strom des Heizmediums richtig zu erfassen, sind nur eine Seite der Me­daille.
Die korrekte Erfassung des Signals für die Temperaturdifferenz birgt Risiken in der gleichen Grö­ßenordnung.
Diese Risiken sind in erster Linie bedingt durch Proble­me des korrekten Einbaus von Tem­peraturfühlern, aber auch durch Probleme bei der korrekten Ver­drahtung, der elektrischen Kontak­tierung und der mehr oder weniger ungeschickten Leitungsführung.
Die Fehler der beiden Teilsignale gehen multiplikativ in das Regis­trierergebnis für die gelieferte Ener­gie ein.
Dabei ist festzustellen, dass beide Messwerte Abweichungen haben, die in der überwiegenden Zahl der Fälle ein negatives Vorzei­chen aufweisen.
Das heißt: Der Wärmeversorger verliert einen Teil des gelieferten Wertes durch Nicht­registrierung.
Bei der Betrachtung der Eigen­schaften der verwendeten Messge­räte seit Einführung der Zulas­sungspflicht und der Eichpflicht (1980 bis heute) wird deutlich, dass nach mehr als 25 Jahren Entwicklungstätigkeit im Betrachtungszeit­raum sich die äußere Gestalt und die verwendete Technik zwar verän­dert hat, bedauerlicherweise liegen aber die Abweichungen der ange­zeigten Energie vom richtigen Wert immer noch in der gleichen Grö­ßenordnung: Es ist davon auszuge­hen, dass bei durchschnittlich ge­pflegten und für die Zwecke der Fernwärmeversorgung geeigneten Wärmezählern Erfassungsverluste in der Größenordnung zwischen 5 und 10 % der gesamten gelieferten Energie keine Seltenheit sind, son­dern eher einem typischen Durch-schnitt entsprechen.
Hierfür sind über die Eigenschaften der verwen­deten Messgeräte und deren Teilge­räte hinaus auch die Einbaubedin­gungen verantwortlich, die von den Monteuren von Wärmezählern in sehr vielen Fällen nicht ausreichend berücksichtigt werden.
Deshalb ist es die Intention der neuen europäischen Richtlinie MID, von Montagepersonal für Wärmezähler in Zukunft einen Qualifikations­nachweis zu fordern.
Dies setzt ent­sprechende Schulungen voraus.

Beispiele für vielfältig anzutref­fende Einbaufehler sind:

  • Fehlanpassung des Volumen­messteils durch Orientierung am vorhandenen Rohrleitungsquer­schnitt;
  • mangelhafte Berücksichtigung der (häufig nicht genannten) Anfor­derung an ungestörte Ein- und Aus­laufstrecken bei Volumenmesstei­len bis hin zur Positionierung von stark strömungsverzerrend wirkenden Ventilen, Schiebern, Filtern und anderem Inventar in der Nähe der Volumenmesseinrichtung;
  • schlechter Einbau (Ankopplung) der verwendeten Temperaturfühler an den vom Wärmeträgermedium durchströmten Rohrleitungsquer­schnitt.

Das hierzu erstellte AGFW­Arbeitsblatt FW 202 findet in sehr vielen Fällen kaum oder gar keine Beachtung.
Die dabei typischerweise verursachten Ankopplungs­fehler führen stets zu einer Verrin­gerung der gemessenen Tempera­turdifferenz dT gegenüber der tatsächlich vorhandenen Temperatur­spreizung


Einflüsse von Partikeln und Fremdionen im Heizmedium

Die WSG betreut in Deutschland mehrere Dutzend Fernwärmenetze.
Die in Bild 1 dargestellten absolut gleichen Flügelräder aus Polypro­pylen zeigen die unterschiedlichen Wasserverhältnisse in den Fernwär­menetzen in Deutschland.
Sie ver­deutlichen, wie groß die unterschiedlichen Belastungen der ver­wendeten Volumenmessteile durch die im Fernheizwasser mitgeführ­ten Fremdstoffe tatsächlich sind.
Verschiedene Eisenverbindungen sind hier ebenso von Bedeutung wie beispielsweise Kohlensäurever­bindungen oder Stickstoffverbin­dungen.
Alle diese Oxidschichten oder Salze bilden Ablagerungen in den Volumenmessteilen und leisten somit ihren Beitrag zur begrenzten Messbeständigkeit.
Gewichtes man die Inhaltsstoffe des Wärmeträgers im Sinne chemischer Reaktionspro­dukte bei modernen Fernwärmenetzen, so ist zu 90 % der Stoff Fe3O4 (Magnetit) das Problem, das besonders verschmutzungstoleran­te Volumenmessteile erfordert, da die Verbesserung der Qualität des Fernheizwassers an praktische und ökonomische Grenzen stößt.

Bild1. Einfluss der unterschiedlichen Wasserverhältnisse in den Fernwärmenetzen auf die Durchflusssensoren
Bild1. Einfluss der unterschiedlichen Wasserverhältnisse in den Fernwärmenetzen auf die Durchflusssensoren

Mag­netit ist eines der am stärksten mag­netisch wirksamen Mineralien und weist eine besonders hohe Härte auf.
Dieses Mineral ist in der Lage, sowohl Volumensensoren mit rotie­renden Flügeln in ihrer Drehbewe­gung nachhaltig zu hemmen als auch durch Bildung von Ablagerungen an der Innenseite von moder­nen Ultraschallvolumenmessteilen das Messsignal in seiner Qualität empfindlich zu stören.
Dies führt zu Fehlregistrierungen von erhebli­chem Ausmaß.
Hierzu reichen nach Erfahrungen der WSG bereits gerin­ge Schichtstärken von wenigen Mikrometern aus.
Allerdings reagie­ren die auf dem Markt verfügbaren Messsysteme sehr unterschiedlich auf Ablagerungen, sodass eine pau­schale Aussage hier nicht getroffen werden kann.
Der Autor ist der Auffassung, dass bei konsequentem Einsatz der heu­te verfügbaren Methoden zur Mate­rialbearbeitung, zur Materialaus­wahl und zur Oberflächenvergü­tung sowie bei konsequentem Ein­satz hochauflösender mathemati­scher Verfahren zur Ermittlung des Durchflusssignals Geräte herge­stellt werden können, welche die Fernwärmewirtschaft nicht nur zufrieden stellen, sondern die heutige Einsatzdauer auch erheblich zu ver­längern in der Lage wären.
Leider ist hiermit nicht der Status quo beschrieben. In den letzten Jahren neu entwickelte Geräte, die den Markt beherrschen, wurden of­fensichtlich in erster Linie nur dahingehend optimiert, dass die Her­stellkosten gesenkt werden. Hierbei ist der zu fordernde Qualitätswett­bewerb in den Hintergrund gelangt.

Zusammenfassend kann festge­stellt werden, dass über einen Be­trachtungszeitraum von einem viertel Jahrhundert sich im Grunde die durchschnittliche Qualität bei der Erfassung der Volumensignale nicht signifikant verbessert hat, obwohl dies unter Würdigung heutiger technologischer Kenntnisse und Verfahren möglich wäre.

Einfluss von Temperatur und Feuchte am Ort der Messung

Im Rahmen dieser Betrachtung darf nicht verschwiegen werden, dass die Messaufgabe, die gelieferte thermische Energie exakt zu erfas­sen, häufig in feuchtwarmer Umge­bung durchzuführen ist.
Hierzu steht moderne Elektronik mit ge­ringster Stromaufnahme zur Verfü­gung, sodass mit Batterien gearbei­tet werden kann.
Dies kommt den Bedingungen der Fernwärmever­sorgung sehr entgegen.
Die Kehr­seite dieser gegebenen Möglich­keiten ist allerdings eine beson­dere Empfindlichkeit der verwen­deten Messgeräte auf eben diese Einflüsse von Temperatur und Feuchte (Bild 2).
Bedauerlicherweise haben sich im Marktsegment für die Heizkos­tenverteilung weitgehend Wärme­zähler durchgesetzt, die nur für eine Einsatzperiode gebaut und opti­miert sind.
Es handelt sich also um Einweggeräte. Die Erfahrung mit diesen Geräten zeigt, dass hier die Anforderungen der Fernwärme­vwirtschaft nicht ausreichend erfüllt werden und es häufig zu erheb­lichen Driften und Ausfallerschei­nungen bereits innerhalb der Ein­satzperiode kommt.
Ein Großteil der Fernwärmever­sorgungsunternehmen setzt aller­dings Mehrweggeräte ein, die in entsprechenden Werkstätten wieder hergerichtet werden können.
Somit ist ein Einsatz über 3 bis 5 Eichperioden durchaus möglich. Eine Betrachtung der TCO (Total Costs of Ownership) zeigt hier sehr deutlich, dass qualitativ höherwer­tige und in den Anschaffungskosten höher liegende Mehrweggeräte in einer Betrachtung über 3 bis 5 Eich­perioden hinweg deutlich wirt­schaftlicher sind, insbesondere wenn die geringeren Erfassungsver­luste dieser Geräte berücksichtigt werden.
Ein erfreulicher Nebenef­fekt ist die Unterstützung der Anfor­derungen des Kreislaufwirtschaft­gesetzes. Hier findet echtes Recy­cling zur Vermeidung von unnöti­gem Elektronikschrott statt.
Es han­delt sich also um eine rohstoff- und energieschonende Verfahrensweise des Materialeinsatzes.

Bild 2. Einfluss von Temperatur und Feuchte auf die Elektronik
Bild 2. Einfluss von Temperatur und Feuchte auf die Elektronik


Vergleich verschiedener Untersuchungen an Durchflusssensoren

Im Folgenden werden verschiedene Untersuchungen an Durchfluss­sensoren verglichen.
In Bild 3 sind die Ergebnisse einer Untersuchung der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), Berlin, darge­stellt, die um die Jahrhundertwende herum durchgeführt wurde.
Die Untersuchungen haben erhebliche Abweichungen bei Volumenmess­teilen aufzeigt, die nur 5 Jahre im Einsatz waren.

Bild 3. Anteil ausgefallener Geräte bei der bundesweiten K20-Untersuchung der PTB an gebrauchten Wärmezählern
Bild 3. Anteil ausgefallener Geräte bei der bundesweiten K20-Untersuchung der PTB an gebrauchten Wärmezählern


In Bild 4 sind Untersuchungser­gebnisse der WSG an einem offenbar besseren Kollektiv von einge­setzten Zählern dargestellt.

Bild 4. AnteiI ausgefallener Geräte bei K20-Untersuctungen der WSG an gebrauchten Wärmezählern aus unterschiedlichen Netzen in Deutschland, die von der WSG betreut werden
Bild 4. Anteil ausgefallener Geräte bei K20-Untersuctungen der WSG an gebrauchten Wärmezählern aus unterschiedlichen Netzen in Deutschland, die von der WSG betreut werden

Daraus ergeben sich zwei Schlussfolgerun­gen:
Bis zum Zeitpunkt der Berichter­stattung (2006) lagen die gemesse­nen Abweichungen von in der Fern­wärmewirtschaft über 5 Jahre hinweg benutzten Geräten im Bereich von 3 bis 5 %.
Das Vorzeichen dieser Abweichungen ist im Wesentlichen negativ.
Ähnliche Untersuchungen vor mehr als 20 Jahren ergaben ver­gleichbare Ergebnisse. Deshalb sind nach geraumer Zeit der Ent­wicklung neuer Produkte wirkliche Fortschritte bis heute nicht erkennbar.
Die Vereinheitlichung der An­forderungen an Wärmemessgeräte durch die MID wird sicherlich hierzu keinen neuen positiven Impuls liefern.
Im Gegenteil, es ist mit einer allgemein geringeren Qualität zu rechnen.
Gegenwärtige Diskussionen in verschiedenen Fachgremien und insbesondere in der internationa­len Normenorganisation CEN lassen erwarten, dass künftige Bau­musterprüfungen und insbesonde­re herstellerunabhängige Erstei­chungen (Initial Verification nach Modul F) hier Fortschritte erbrin­gen werden.

 



Der Status quo der Wärmemes­sung kann wie folgt zusammenge­fasst werden:

Unterschiedliche Bauarten von Wärmezählern werden in ihrer Messbeständigkeit in Netzen mit verschiedenen Betriebsparametern verschieden beeinflußt.
Erstaunlicherweise hat sich trotz gravierender Fortschritte in der Technologie die Messbeständigkeit von modernen Wärmezählern im Durchschnitt während der letzten 25 Jahre nicht wesentlich verändert.
Nur verstärkte Anstrengungen der Nutzer von Wärmezählern zur Sicherung der Qualität können eine vorhersehbare weitere Qualitäts­verflachung - hervorgerufen durch die recht unpräzisen Vorgaben der neuen europäischen Richtlinie MID - im Ansatz verhindern und den fehlenden Qualitätswettbewerb anregen.
Den herstellerunabhängigen Prüfstellen kommt im Kontext der modernen QM-Verfahren eine stei­gende Bedeutung zu.
Mehrweggeräte mit qualitativ hochwertiger Wiederaufbereitung sind für Fernwärmeversorgungs­unternehmen kostengünstiger als Einweggeräte.
Die Erfahrungen zei­gen jedoch, dass vereinfachte Me­thoden zur Aufbereitung (z.B. »Spü­len« statt Detailreinigung) nicht ausreichen.


   Update: 4. Feb 2010

© 2007 Wärmezähler-Service-GmbH