Messgrenzen für die Anlagenleistung

Eine Kältemaschine mit 300 Kältetonnen Leistung und 180 kW elektrischer Aufnahme hat für sich allein einen COP von 5,86. Bezieht man ihre Kalt- und Kühlwasserpumpen mit insgesamt 20 kW ein, sinkt der COP auf 5,28. An der Anlage hat sich nichts geändert, aber der Kennwert fällt um 10 %. Leistung im Sinne dieses Kennwerts ist nutzbarer Ausgang geteilt durch Eingang; die Messgrenze bestimmt das Ergebnis. Halten Sie diese Grenze vor jeder Berechnung fest, sonst nennen zwei Personen für dieselbe Woche zwei verschiedene Werte.

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Vier Fragen für jede Berechnung

1. Welche Anlagenteile liegen innerhalb der Messgrenze? Erfassen Sie, was ein- und ausgeschlossen ist: Antriebe, Pumpen, Lüfter, Trockner, Kühltürme, Steuerungen und elektrische Zusatzheizungen. Berücksichtigen Sie auch ein Reservegerät, das dieselbe Versorgung nutzt.
2. Was ist die nutzbare Ausgangsgröße? Hydraulische Leistung bei einer Pumpe, gelieferte Luft bei einem Verdichter, Wärme oder Kälte bei thermischen Anlagen. Messen Sie sie am selben physikalischen System wie die Eingangsgröße. Ein Durchflussmesser hinter einem Bypass oder Mischventil erfasst nicht den Pumpenvolumenstrom.
3. Welcher Betriebszustand wird verglichen? Drehzahl oder Stufe, Last und der Druck oder die Temperatur, gegen die die Maschine arbeitet, erklären einen Großteil der Unterschiede. Bei derselben Pumpe liegt das Leistungsverhältnis zwischen 60 % und 90 % Drehzahl ungefähr bei 1 zu 3,4 (0,6³ zu 0,9³). Vergleichen Sie ähnliche Zustände.
4. Beziehen sich alle Werte auf denselben Zeitraum? Ein Verhältnis von Leistungswerten braucht Mittelwerte über dasselbe Intervall und dieselbe Uhr. Für einen Tages-, Chargen- oder Saisonwert brauchen beide Energiewerte dieselbe Regel für fehlende Daten.

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Nutzen Sie das Projektarbeitsblatt für Energiemonitoring, um Messgrenzen, Datenziel und Verantwortliche für die Abnahme des ersten Standorts festzuhalten.

Pumpen

Die Gesamtwirkungsgradbetrachtung einer Pumpe reicht vom elektrischen Eingang bis zum Wasser: hydraulische Leistung geteilt durch elektrische Eingangsleistung an der Antriebsversorgung. Die hydraulische Leistung ist ρ·g·Q·H. Ermitteln Sie die Förderhöhe aus dem Differenzdruck über der Pumpe; 1 bar entspricht bei 20 °C etwa 10,2 m Wassersäule. Fördert eine Pumpe 100 m³/h gegen 30 m Förderhöhe, ergibt sich 1.000 × 9,81 × (100 ÷ 3.600) × 30 = 8,2 kW hydraulische Leistung. Misst die Antriebsversorgung 12 kW, beträgt der Wirkungsgrad vom Strom zum Wasser 68 %. Darin sind Verluste in Antrieb, Motor und Pumpe enthalten; der Wert liegt deshalb unter dem Wirkungsgrad auf der Pumpenkennlinie.

Nach den Affinitätsgesetzen ist der Volumenstrom proportional zur Drehzahl, die Förderhöhe zu deren Quadrat und die Leistung zu deren dritter Potenz. Bei 80 % Drehzahl sinkt die Leistung auf 0,8³ = 51 %; aus 30 kW werden etwa 15,4 kW:

Das Kubikgesetz gilt nur, wenn die Anlagenkennlinie bei null Volumenstrom durch null Förderhöhe verläuft, also bei einem geschlossenen Kreislauf mit ausschließlich Reibungsverlusten. Ein offenes System mit statischer Förderhöhe, etwa zur Förderung in einen Behälter oder in einen offenen Kühlturmkreislauf, braucht eine Mindesthöhe, bevor Wasser fließt. Eine niedrigere Drehzahl spart dort erheblich weniger als das Kubikgesetz vorhersagt. Unter einer bestimmten Drehzahl fördert die Pumpe überhaupt kein Wasser mehr und nimmt trotzdem Strom auf. Prüfen Sie jede Einsparungsschätzung an gemessenem Volumenstrom und gemessener Leistung.

Druckluft

Die spezifische Leistung ist die elektrische Eingangsleistung geteilt durch die gelieferte Luftmenge. Ein Verdichter, der bei 16,7 m³/min 100 kW aufnimmt, erreicht 6,0 kW je m³/min:

Drei Faktoren können diesen Wert verändern, ohne dass sich der Verdichter ändert. Der erste ist die Volumeneinheit. Verdichterdatenblätter nennen die freie Liefermenge (FAD) nach ISO 1217: Volumenstrom bei angegebenen Ansaugbedingungen, oft 1 bar(a) und 20 °C. Viele thermische Massendurchflussmesser geben Normkubikmeter (Nm³) an, häufig bezogen auf 0 °C und 1,01325 bar. Ein Nm³ belegt bei 20 °C und 1 bar etwa 1,09 m³. Werden die 16,7 oben als Nm³/min gelesen, entspricht das etwa 18,2 m³/min FAD; die spezifische Leistung beträgt dann 5,5 kW je m³/min. Dokumentieren Sie die Einheit des Messgeräts, bevor Sie mit einem Datenblatt vergleichen.

Der zweite Faktor ist der Verdichtungsdruck. In einem System um 7 bar(g), also 100 psig, erhöht jede zusätzliche Druckstufe von 2 psi (0,14 bar) die Verdichterleistung um etwa 1 %, entsprechend ungefähr 7 % je bar. Ein Wert bei 7,5 bar ist mit einem bei 6,5 bar nicht unmittelbar vergleichbar.

Der dritte Faktor ist die Messgrenze. Eine an den Klemmen des Verdichters gemessene Paketleistung lässt Trockner, Kondensatableiter und Lüftungsventilatoren außen vor. Ein kaltregenerierender Adsorptionstrockner verbraucht zudem einen Teil der Druckluft zur Regeneration. Hinter dem Trockner kommt deshalb weniger Luft an als die FAD des Verdichters. Geben Sie an, ob der Durchflussmesser vor oder hinter dem Trockner sitzt.

Heizkessel und thermische Anlagen

Der Kesselwirkungsgrad ist Nutzwärme geteilt durch Brennstoffenergie. Schon der verwendete Heizwert verändert das Ergebnis. Der Brennwert (GCV) von Erdgas ist etwa 10,7 % höher als der Heizwert (NCV), weil er die Kondensationswärme des Wasserdampfs im Abgas einschließt. Brennwertkessel werden auf Heizwertbasis häufig mit über 100 % angegeben. Die EU-Ökodesignregeln für Heizkessel bis 400 kW (Verordnung 813/2013) geben den saisonalen Wirkungsgrad auf Brennwertbasis an. In Irland und Großbritannien wird das Gasvolumen auf Rechnungen ebenfalls mit dem Brennwert in kWh umgerechnet. Liefert ein Kessel 870 kWh Wärme aus 1.000 kWh Gas auf Brennwertbasis, liegt sein Wirkungsgrad dort bei 87 %. Derselbe Eingang entspricht 903 kWh auf Heizwertbasis (1.000 ÷ 1,107); darauf bezogen sind es 96 %. Nennen Sie die Bezugsbasis bei jedem Wert.

Ein Monitoring nutzt die direkte Methode mit gemessenem Eingang und gemessenem Ausgang. Die indirekte Methode, bei der Abgas-, Gehäuse- und Absalzverluste von 100 % abgezogen werden, gehört zu einer Verbrennungsprüfung. Ermitteln Sie die Nutzwärme mit einem Wärmezähler oder aus Volumenstrom und Temperaturdifferenz als Q = ρ·cp·V·ΔT. Bei 10 m³/h und 70/50 °C ergibt das 228 kW:

Der größte Fehler entsteht meist bei der Temperaturdifferenz. Bei 20 K entsprechen 0,1 K Abweichung zwischen Vor- und Rücklauffühler 0,5 % des Ergebnisses; bei 5 K sind es 2 %. Deshalb verwenden Wärmezähler nach EN 1434 ein aufeinander abgestimmtes Fühlerpaar. Zwei Montagefehler kommen häufig vor. Vertauschte Vor- und Rücklauffühler ergeben einen negativen oder nahezu null betragenden Wärmestrom, den manche Zähler gar nicht erfassen. Ein Durchflussmesser auf der Sekundärseite einer hydraulischen Weiche misst den Kreisvolumenstrom, nicht den Kesselvolumenstrom; der Quotient beschreibt dann eine andere Messgrenze. Der Wärmezähler-Leitfaden erläutert Register- und Statusprüfungen.

Vergleichen Sie Kessel bei ähnlicher Feuerungsleistung. Bei Teillast und im Sommer machen Gehäuse- und Leitungsverluste einen größeren Anteil der geringeren Nutzwärme aus. Ein Wirkungsgrad im Juli ist daher nicht ohne Weiteres mit einem im Januar vergleichbar.

Kältemaschinen

Der COP einer Kältemaschine ist Kälteleistung geteilt durch elektrische Eingangsleistung. Die in den USA gebräuchliche Kennzahl kW pro Kältetonne ist der Kehrwert in anderer Einheit: 3,517 ÷ COP; hier ist ein niedriger Wert besser. Die Kältemaschine mit 300 Kältetonnen (1.055 kW) bei 180 kW elektrischer Aufnahme hat einen COP von 5,86 oder 0,60 kW pro Kältetonne. Wenn 20 kW Kalt- und Kühlwasserpumpen in der Messgrenze liegen, sind es COP 5,28 beziehungsweise 0,67 kW pro Kältetonne:

Geben Sie auch an, ob Kühlturmventilatoren dazugehören. Mit Pumpen und Kühltürmen wird die Kaltwasseranlage insgesamt beschrieben, nicht nur die Kältemaschine.

Ein gemessener COP beschreibt einen Betriebspunkt. Der integrierte Teillastwert IPLV nach AHRI 550/590 ist ein gewichteter Mittelwert von vier Punkten: IPLV = 0,01A + 0,42B + 0,45C + 0,12D; A bis D stehen für Wirkungsgrade bei 100, 75, 50 und 25 % Last. Für jeden Punkt ist eine standardisierte Kühlwasser- oder Lufttemperatur festgelegt, die mit der Last sinkt. Volllast trägt nur 1 % zum gewichteten Wert bei. NPLV verwendet dieselben Gewichte unter den Auslegungsbedingungen des Projekts. Ein Standortwert bei 60 % Last und 27 °C Kühlwasser kann mit keinem dieser Werte verglichen werden, solange Last und Verflüssigertemperatur nicht übereinstimmen.

Wärmepumpen

Der COP einer Wärmepumpe ist zu einem Zeitpunkt gelieferte Wärme geteilt durch elektrische Eingangsleistung. Das Verhältnis der Energiesummen über einen Zeitraum heißt saisonaler Leistungsfaktor (SPF). Das Projekt SEPEMO-Build definierte vier übliche Messgrenzen dafür:

Die EU-Leitlinie zur Anrechnung erneuerbarer Wärme aus Wärmepumpen (Beschluss 2013/114/EU, Abschnitt 3.4) verwendet H2 und SCOPnet nach EN 14825. Bei 300 kW gelieferter Wärme, 90 kW für Gerät und quellenseitigen Lüfter sowie 10 kW für die Zusatzheizung beträgt der COP an H2 3,33 und an H3 3,00:

Beziehen Sie Abtauvorgänge in die Summen ein. Eine Luftwärmepumpe, die zum Abtauen ihren Kreis umkehrt, entzieht dem Heizkreis für einige Minuten Wärme. Ignoriert der Wärmezähler oder die Berechnung diesen negativen Wärmestrom, wird der SPF zu hoch. Speichern Sie mit jedem Intervallwert die Betriebsart (Heizen, Warmwasser, Abtauen, Standby) und die Außentemperatur. Dann lässt sich der jährliche SPF nach Betriebsart und Temperaturband aufschlüsseln.

Gleiche Zeitbasis und veraltete Werte

Teilen Sie nach Möglichkeit Energie durch Energie. Die Differenzen eines Stromzählers und eines Wärmezählers über dieselben 15 Minuten ergeben ein Verhältnis, das kleine Zeitabweichungen toleriert. Ein Verhältnis momentaner Leistungswerte verlangt dagegen Mittelwerte über dasselbe Intervall mit derselben Uhr.

Häufig ist einer der Eingangswerte veraltet. In einem EpiSensor-System kommt die elektrische Eingangsleistung gewöhnlich von einem ZEM an der Anlagenversorgung. Ein Wärme- oder Durchflusszähler erreicht das ZGW-20 Gateway über M-Bus, Modbus oder Impulse, oft mit längerer Abfragezeit. Antwortet der Wärmezähler nicht mehr, kann sein letzter Wert neben aktuellen Leistungswerten stehen und einen plausiblen, aber falschen COP ergeben. Legen Sie für jeden Eingang ein Höchstalter fest, beispielsweise zwei seiner eigenen Abfrageintervalle. Geben Sie keinen Quotienten aus, sobald ein Eingang älter ist.

Fehlende Daten sind keine null. Wenden Sie auf beide Seiten dieselbe Regel an: Fehlt eine Stunde Wärme, nehmen Sie dieselbe Stunde Strom aus der Periodensumme heraus. Bewahren Sie mit jedem Ergebnis die Formel, das Datum ihrer letzten Änderung, Einheitenumrechnungen und die Liste einbezogener Anlagen auf. Eine Änderung der Messgrenze ist dann als datierter eigener Eintrag sichtbar.

Messgrenzprotokoll

Führen Sie für jede Anlage ein Protokoll. Die herunterladbare Vorlage enthält:

Stellen Sie ein System zusammen, ausgehend von der Anlage, ihrer nutzbaren Ausgangsgröße und den Hilfsverbrauchern innerhalb der Messgrenze.