Výsledky porovnávacího měření spotřeby teplé vody

Transkript

1 Výsledky porovnávacího měření spotřeby teplé vody Jaroslav Šípal Měření spotřeby teplé vody v poslední době nabývá na důležitosti. nahou všech, kteří se zabývají touto problematikou je odpověď na otázku, s jakou přesností se vlastně spotřeba teplé vody měří. Pokusil se o to i autor tohoto článku. Příspěvek seznamuje čtenáře s výsledky porovnávacího měření spotřeby teplé vody patním měřičem, bytovými vodoměry a etalonem. Měření bylo navrženo tak, aby simulovalo měření spotřeby bytového domu se šesti odběrateli. Naměřené hodnoty jednotlivých měřidel byly porovnávány s hodnotami naměřenými na etalonech. Množství naměřená rychlostními vodoměry byla vždy větší, než skutečnost. Příčinou jsou především setrvačné hmoty soustrojí a vody v tělese vodoměru. V závěru příspěvku je navržen možný způsob řešení, jak zajistit přesnější měření spotřeby teplé vody na vstupu do soustavy zásobování teplou vodou. Úvod Dodávka teplé vody je v současné době považována za naprosto běžnou službu. Teplá voda je připravována buď centrálně nebo individuálně. Centrální přípravou teplé vody rozumíme její přípravu v předávací stanici tepelné energie, ve které je zajišťována současně s dodávkou tepelné energie pro vytápění více stavebních objektů, například sídlištní celek. V případě centrální přípravy teplé vody se měření spotřeby teplé vody v současné době uskutečňuje ve dvou nebo ve třech stupních. Tyto stupně měření vznikaly v posledních cca čtyřiceti letech z důvodů zajištění spravedlivého rozdělení Recenzent: Miloš Bajgar spotřeby teplé vody, a tím i nákladů na její přípravu mezi jednotlivé odběratele. Nejprve byla montována měřidla v. stupni, potom měřidla ve 3. stupni a nakonec ve. stupni (obrázek ). Pod pojmem individuální příprava teplé vody je nutné chápat všechny ostatní přípravy teplé vody, a to buď v jednotlivých bytech nebo objektech. Jednotliví vlastníci bytů či objektů si ohřívají dodanou pitnou vodu sami pro sebe, a proto není spotřebovanou teplou vodu třeba samostatně měřit na vstupu do objektu. Způsoby měření spotřeby teplé vody při centrální přípravě chéma měření teplé vody v rozdělení na jednotlivé stupně je znázorněno na obrázku. V. stupni je prováděno měření pitné vody před vstupem do systému připravujícího teplou vodu, tj. do akumulačního ohříváku, případně do soustavy předehřevu. Měření pitné vody v. stupni je prováděno rychlostním vodoměrem (suchoběžným nebo mokroběžným). Dodavatel teplé vody na základě údajů z. stupně měření provádí vyúčtování jednotlivým odběratelům. Pro spravedlivější rozdělení spotřeby teplé vody mezi jednotlivé odběratele (uživatele bytů) bylo později zavedeno měření ve 3. stupni. Jedná se o instalaci Obr. chéma měření teplé vody bytových, používají se suchoběžné rychlostní vodoměry. Tato měřidla jsou používána jako poměrová. To znamená, že množství naměřené na vstupu do systému přípravy teplé vody (. stupeň) je rozděleno mezi jednotlivé odběratele v poměru jejich vlastních náměrů. Výpočet je možno vyjádřit následujícím vzorcem: = i, j, upr P m i, j n i = j = i, j i,j je naměřená spotřeba teplé vody v i-tém objektu u j-tého odběratele. P je naměřená spotřeba do systému ohřevu, i,j,upr je upravená spotřeba j-tého odběratele v i-tém objektu. ymboly ve vzorci odpovídají popiskům v obrázku. Novým trendem v současné době je instalace poměrových měřidel na patě objektu, tj.. stupeň měření. Měření ve. stupni může být prováděno diferenční metodou (podle MPM-metoda B) nebo měřením doplňované teplé vody v rozdělených okruzích (podle MPM-metoda A). Na základě údajů těchto měřidel je vyrobená teplá voda rozdělována poměrovým způsobem mezi jednotlivé stavební objekty zásobované z jedné předávací stanice. Všechny tři uvedené stupně reprezentují měřicí řetězec pro účtování teplé vody jednotlivým odběratelům. Předmětem zkoumání bylo porovnat výsledky měření bytových a diferenčního vodoměru na patě objektu, protože diferenční vodoměry jsou měřidla jiné kvality než rychlostní vodoměry. Cílem porovnávacího měření bylo vyhodnotit chování měřidel ve druhém a třetím stupni měřicího řetězce. Přesnost jednotlivých Vodoměry a diferenční měřidla se liší jak svou konstrukcí, tak přesností měření (pásmem nejistoty). Přesnost stanoví ČN EN 454 3, podle velikosti měřeného množství vody Q. Hodnoty Q Q a Q 4 jsou stanoveny výrobcem pro každý typ vodoměru podle []. V rozsahu intervalu <Q ; Q ) je pásmo nejistoty stejné pro vodoměry na teplou i studenou vodu a je omezeno hodnotami ± 6 %. V rozsahu intervalu <Q ; Q 4 ) je pásmo nejistoty pro vodoměry na teplou vodu omezeno hodnotami ± 3,5%a pro vodoměry na studenou vodu je pásmo nejistoty omezeno hodnotami ±,5 %. [] Přesnost diferenčních metod měření určuje MPM -07 a platí, že povolené pásmo nejistoty v intervalu <Q ; Q 4 )je omezeno hodnotami ± 0,5 %, při dodržení vzájemné odchylky ± 0,3 %. [] 6/0

2 Konfigurace měření Měření bylo navrženo tak, aby simulovalo měření dodávky teplé vody ve stavebním objektu se šesti odběry, schématické zapojení je znázorněno na obrázku. Obr. Měření diferenční metodou Pro měření byla použita měřicí sestava kalár III, dva hmotnostní etalony a šest shodného typu. Zapojení šesti bylo uskutečněno pomocí vyrobeného přípravku, který obsahoval rozdělení k jednotlivým m, šest kulových kohoutů (v každé větvi jeden) a centrální uzávěr. chéma zapojení měřicího řetězce je uvedeno na obrázku 3. Voda dopravovaná čerpadlem prochází senzorem diferenčního průtokoměru a při uzavřeném centrálním uzávěru prochází senzorem a je vážena hmotnostním etalonem E. Tento okruh simuluje funkci cirkulačního okruhu při přípravě teplé vody. Jednotlivé větve s vodoměry nahrazují dílčí odběry ve stavebním objektu. Otevřením centrálního uzávěru se zmenší množství vody vracející se cirkulací do etalonu E. Voda, která je odebrána dílčími odběry z okruhu je vážena hmotnostním etalonem E. Uzávěry ve větvích V až V6 byly v průběhu měření náhodně otevírány, aby reprezentovaly chování jednotlivých odběratelů při používání teplé vody. Pro měření byly vybrány čtyři typy rychlostních, které jsou ve skutečných situacích nejběžněji používané. Jednalo se o vodoměry:, Domaqua, suchoběžná a mokroběžná. Pro každý typ vodoměru byla provedena čtyři měření, vždy dva pro nižší a dva pro vyšší průtočnou rychlost. Vybrané vodoměry byly předem ocejchovány na zkušební trati pro jistotu, že byly vybrány vodoměry odpovídající požadavkům normy. Postup měření Teoretické předpoklady pro vyhodnocení naměřených hodnot přístroji a etalony vycházejí ze schématu na obrázku 3 a lze je popsat vzorci: 6 i = = E + E = E Vi = E Teplá voda má teplotu cca 55 C. Měření však bylo prováděno vodou o teplotě 4,4 C. Rozdíl teplot mezi teplotami teplé vody a měřené vody nemá vliv na výsledky měření, protože voda o této teplotě protékala všemi měřidly a je možné vliv teploty zanedbat. Obr. 4 Měření Výsledky měření Výsledky všech měření byly zpracovány tabulkově i graficky. Na prvním sloupcovém grafu je zobrazeno porovnání naměřených veličin v absolutních hodnotách. loupce jsou řazeny postupně: senzor, suma, etalon E, etalon E a senzor. Druhý graf ukazuje rozložení odebíraného množství mezi jednotlivé větve v procentech. Jednotlivé větve jsou řazeny od svislého rozdělení proti směru hodinových ručiček. Větev V je tmavě modrá výseč. vodoměry, senzory diferenčního průtoku a etalony jsou na obrázku 4. Rozložení odebíraného množství vody pro jednotlivá měření je na obrázku 5. Obr. 3 chéma měřicího řetězce Vodoměry jsou měřidla objemu proteklé vody. Aby jejich naměřené hodnoty bylo možno srovnávat s hmotnostními etalony, je nutný přepočet naměřených hodnot na hmotnost. Pro teplotu 4,4 C je podle tabulek hustota vody ρ = 997 kg m 3. Touto konstantou byly upraveny hodnoty rychlostních a senzorů kaláru. Pro všechna měření byly vypočteny relativní chyby pro: ( ) senzor δ E E + = 00 E + E ( ) E senzor δ = 00 E součet naměřených množství všech 6 E Vi i = δ 6 = 00 Vi E ι = Jako základ byly brány naměřené hodnoty etalonů. Obr. 5 Vodoměry Jednotlivé relativní chyby jsou v následující tabulce:. měření 0,0745 0,5509,7347. měření 0,0754 0,3768 4, měření 0,093 0,3379, měření 0,054 0,493 3,707 průměr 0,0744 0,3537,985 6/0 3

3 Obr. 6 Měření Domaqua Obr. 7 Vodoměry Domaqua Domaqua vodoměry Domaqua, senzory diferenčního průtoku a etalony jsou na obrázku 6. Rozložení odebíraného množství vody pro jednotlivá měření je na obrázku 7. Jednotlivé relativní chyby jsou v následující tabulce: Domaqua. měření 0,06 0,0834 6,54. měření 0,684 0,4058 4, měření 0,0663 0,4 3, měření 0,658 0,676 5,396 průměr 0,55 0,45 5,0594 suchoběžná vodoměry suchoběžná, senzory diferenčního průtoku a etalony jsou na obrázku 8. Rozložení odebíraného množství vody pro jednotlivá měření je na obrázku 9. Jednotlivé relativní chyby jsou v následující tabulce: suchob.. měření 0,0385 0,0496 4,487. měření 0,077 0,93 3, měření 0,089 0, 4,67 4. měření 0,036 0,394 4,57 průměr 0,06 0,75 4,60 vodoměry mokroběžná, senzory diferenčního průtoku a etalony jsou na obrázku 0. Rozložení odebíraného množství vody pro jednotlivá měření je na obrázku. Jednotlivé relativní chyby jsou v následující tabulce: mokrob.. měření 0,0479 0,50 5,543. měření 0,0964 0,97 6, měření 0,085 0,4 7, měření 0,0779 0,337 8,95 průměr 0,087 0,0345 6,976 Vyhodnocení výsledků měření Výsledky měření byly zpracovány do následující závěrečné tabulky, kde bylo provedeno porovnání absolutní velikosti hmotností proteklé vody. V prvním sloupci je naměřené množství ode- mokroběžná Obr. 9 Vodoměry suchoběžná Obr. 8 Měření suchoběžná Obr. Vodoměry mokroběžná Obr. 0 Měření mokroběžná 4 6/0

4 brané vody diferenčním průtokoměrem kalár III, ve druhém je součet naměřených hmotností v jednotlivých větvích a ve třetím je naměřená hmotnost etalonem. V posledních dvou sloupcích jsou absolutní rozdíly proti etalonu. V řádcích jsou zobrazeny průměrné hodnoty z měření jednotlivých typů použitých. Δ Z výsledků měření vyplývá, že všechna měřidla naměřila větší množství vody než etalon: Rozdíl naměřeného množství vody u diferenčního měřidla se pohyboval do 0,5 %, což je 0,5 kg na 00 kg. U součtu se tato odchylka pohybovala až do 7 %, to je rozdíl 7 kg na 00 kg vody. Relativní chyba u diferenčního měřidla byla vždy o jeden řád menší, než průměr relativních chyb u všech typů. Porovnáním uvedených výsledků měření bylo potvrzeno, že diferenční měřidla jsou přesnější, než rychlostní vodoměry. Naměřené výsledky potvrzují hodnoty odchylek stanovených v ČN EN 454 z roku 007 a MPM -07. Příčinou tohoto rozdílu je rozdíl v konstrukci jednotlivých typů měřidel. Diferenční měřidlo kalár III je měřidlo, které pracuje s jinou přesností, než rychlostní vodoměr. Jeho konstrukční uspořádání je takové, že se v něm nevyskytují pohyblivé vodoměrné části a přesnost měření není ovlivněna setrvačnými hmotami. Rozložení relativních chyb senzorů diferenčního měřidla se pohybovalo v kladných i záporných hodnotách, což je zdokumentováno v tabulkách naměřených hodnot pro jednotlivé vodoměry. Naproti tomu součet naměřených hodnot jednotlivých byl takový, že vodoměry naměřily vždy více vody. Naměřený rozdíl je možné vysvětlit setrvačnými hmotami jak převodového soustrojí, tak i vody v tělese vodoměru. V. stupeň pásmo nejistoty,5 % v intervalu <Q ; Q 4 ) (ČN 454 3; vodoměr na studenou vodu);. stupeň pásmo nejistoty 0,5% v intervalu <Q ; Q 4 ) (MPM -07; diferenční metoda měření); 3. stupeň pásmo nejistoty 3,5 % v intervalu <Q ; Q 4 ) (ČN 454 3; vodoměr na teplou vodu). E E Δ E V 0,775 04,7598 0,7730 0,5045,9868 Domaqua 00,894 05, ,7605 0,309 5,0960 suchoběžná 00, ,660 00,380 0,437 4,78 mokroběžná 0,78 08,7976 0,6970 0,03 7,006 Dochází tak k nesourodému řazení měřidel s různým pásmem nejistoty. Z výsledků provedených měření vyplývá, že vodoměry 3. stupně vždy naměřily větší množství vody, než byla skutečnost. Vzhledem k tomu, že vodoměry. stupně jsou stejné konstrukce (i když s menším pásmem nejistoty), je možno odvodit, že naměří větší množství vody, než je skutečně vyrobeno. Hodnota naměřeného množství vody na. stupni je složena ze skutečného odebraného množství vody a chyby vodoměru (neodebrané množství vody). Naměřené, ale skutečně neodebrané množství vody ovlivní množství teplé vody účtované odběrateli. Z toho důvodu je, při realizaci měřicího řetězce, vhodné řadit za sebou měřidla spotřeby vody tak, aby na. stupni byla měřidla nejpřesnější (tj. s nejmenším pásmem nejistoty). V dalších dvou stupních je možné přesnost měřidel snižovat vzhledem k tomu, že se jedná o měřidla poměrová. Na základě zjištěných skutečností je možné navrhnout doporučení pro provozovatele centrální přípravy teplé vody, které tento problém umožní řešit. Doporučení spočívá v instalaci diferenčního měřidla teplé vody na výstup Obr. Návrh nového měřicího řetězce a cirkulaci systému přípravy teplé vody, podle kterého by byla účtována dodávka teplé vody. Měřicí řetězec by se změnil a jeho schéma je znázorněno na obrázku. Měření vznikla v rámci spolupráce Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem Fakulty výrobních technologií a managementu s autorizovaným metrologickým střediskem K47 Ulitep s.r.o. v Ústí nad Labem, jehož pracovníkům bych rád touto cestou poděkoval za pomoc a spolupráci. Použité zdroje [] ČN EN 454 z roku 007 [] MPM -07 Metrologická expertíza metod měření množství teplé vody pro účely 78 odst. 6 zákona č. 458/000 b.; Úřad pro technickou normalizaci a státní zkušebnictví; Autor: doc. Ing. Jaroslav Šípal, Ph.D., Fakulta výrobních technologií a managementu, Univerzita Jana Evangelisty Purkyně, Ústí nad Labem Recenzent: Ing. Miloš Bajgar, Vytápění znalecká a projektová kancelář, Praha; člen redakční rady Topenářství instalace Poznámka recenzenta: Uváděná odchylka bytových +7 % může být skutečně platná, ale jen pro jeden konkrétní případ. Odchylka rychlostního (bytového) vodoměru závisí na počtu a četnosti rychlého uzavření průtoku. Při nepřerušovaném průtoku je relativní chyba vodoměru +3,0 %. Pokud je průtok přerušován jednopákovou baterii v intervalu odpuštění cca 0,3 až 0,5 I vody (např. umytí rukou, nebo natočení jedné sklenice vody), pak se tato chyba zvětší až na 33,9 %. Praktický pokus lze zhlédnout například na internetových stránkách v sekci Video. V článku popsaná metoda měření neobsahuje údaje o četnosti uzavírání jednot- Závěr V měřicích řetězcích znázorněných na obrázku, které jsou v současné době používány v praxi při použití diferenční metody měření (metoda B), dochází k sestavování měřidel s následujícími pásmy nejistot: 6/0 5

5 livých odběrů, navíc nejsou použity jednopákové baterie, ale kulové kohouty, které nelze tak rychle uzavřít. I tak leží naměřený výsledek bytových v očekávaném pásmu od 3%do 33,9 %. Relativně přesné diferenční měření na patách domů je dnes degradováno nejenom chybou rychlostního vodoměru na přívodu studené vody do ohřevu (+,5 %), ale i chybou měření průtoku vody s nestejnou teplotou: studená voda na vstupu do ohřevu +0 C, měrná hmotnost 999,7 kg/m 3, teplá voda (55 a 50 C) o průměrné teplotě 5,5 C, měrná hmotnost 986,85 kg/m 3. Rozdíl je,85 kg/m 3 teplé vody, vytváří přídavnou chybu +,85 %. Tato chyba by mohla být eliminována přemístěním měřidla (i rychlostního) na výstup teplé vody z ohřevu. Celková chyba měření na vstupu do mnohem přesnějších diferenčních měřičů na patách domů je dnes +3,8 %. Doporučení spočívající v instalaci diferenčního měřidla teplé vody na výstup a cirkulaci systému přípravy teplé vody nebude pravděpodobně pro dodavatele teplé vody akceptovatelné. Jeho silným argumentem je, že studenou vodu nakupuje od vodáren podle objemového vodoměru a takto ji i dál prodává. výtoku, budou rozdíly a tím i chyba jiná (předpoklad je, že větší). Vyhodnocování naměřeného množství proteklé vody se uskutečňuje v objemových jednotkách [m 3 ]. V rámci měření byly použity váhové etalony. Z tohoto důvodu byly naměřené hodnoty, zastupujících bytové vodoměry, přepočítány na hmotnostní jednotky, aby došlo k porovnání se skutečně naměřenými hodnotami etalonem, který zastupuje patní vodoměr. Při praktickém použití je spotřeba měřena v objemových jednotkách, pro stanovení spotřeby tepelné energie jsou použity vypočtené hmotnostní jednotky. Příspěvek ve svém závěru uvádí dva poznatky. Prvním poznatkem, který podporuje montáž patních měřidel, je skutečnost, že součet jednotlivých (bytových) je v každém případě vyšší než množství naměřené etalonem. Druhý poznatek doporučuje instalaci diferenčního měření na výstupu z předávací stanice, z důvodů přesnosti měřidel v měřicí řadě a měření množství vody, která má rozdílnou teplotu a tím i hustotu. Doplněk autora k poznámce recenzenta: Na základě postřehů recenzenta byly výsledky a vývody uveřejněné ve výše uvedeném příspěvku Výsledky porovnávacího měření spotřeby teplé vody doplněny následujícími zpřesňujícími informacemi. Každé měření a samozřejmě i to, které se uskutečnilo, je omezeno místními podmínkami, které jsou buď upřednostněny nebo zanedbány. Jejich nastavení je dáno cílem měření. V případě popisovaném v příspěvku bylo cílem provést porovnávací měření mezi etalonem, různými typy bytových a patním diferenčním měřičem. Měřicí sestava měla napodobit soustavu patního měřidla a bytových. Z důvodu omezené velikosti etalonu, byla zvolena sestava pouze šesti bytových. Cílem měření nebylo pozorovat vliv četnosti rychlého uzavření průtoku na výsledné naměřené množství, proto byl vybrán nejpříznivější případ, tzn. měřená spotřeba bez rychlého uzavírání odběrů. V důsledku tohoto rozhodnutí byly použity kulové kohouty a nebyla sledována četnost zavírání. Je zřejmé, že pokud by bylo měření zaměřeno na sledování ovlivnění naměřené spotřeby v závislosti na rychlém uzavírání 6 6/0