Energiemanagement bei Planung und Betrieb von Gebäuden

7.2 Messung elektrischer Grössen

7.1 Grundlagen der Messtechnik
7.2 Messung elektrischer Grössen
7.3 Temperaturmessung
7.4 Durchflussmessung
7.5 Wärme/Kälte
7.6 Druckmessung
7.7 Luftgeschwindigkeit
7.8 Luftfeuchtigkeit
7.9 Luftqualität
7.10 Lichttechnische Messungen
7.11 Füllstandsmessung
7.12 Luftdichtheit, Blower-Door-Test
7.13 Infrarot-Thermografie
 

7.2.1 Strommessung

7.2.1 Strommessung – 7.2.2 Spannungsmessung – 7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt) – 7.2.4 Stromzange – 7.2.5 Elektrische Leistung – 7.2.6 Elektrische Energie (kWh) – 7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

Geräte, die den elektrischen Strom messen, werden als Strommessgeräte oder Amperemeter bezeichnet. Das Formelzeichen für die Stromstärke ist I und die Messung erfolgt normalerweise in der SI-Einheit Ampere (A).

Abb. 14 zeigt eine einfache Anordnung, bei der der Strom, der durch einen Widerstand R fliesst, mit einem Strommessgerät gemessen werden soll. Die Spannungsquelle wird hier durch ihr Ersatzschaltbild mit der Leerlaufspannung Uq und dem Innenwiderstand Ri dargestellt.

Messung des Stroms I durch den Widerstand R
Abb. 14: Messung des Stroms I durch den Widerstand R
Angelehnt an Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Geräte, S. 89

Das Strommessgerät wird in Serie geschaltet. Da das Messgerät einen Innenwiderstand Ra besitzt, verändert sich auch die Belastung der Quelle. Der gemessene Strom entspricht dadurch nicht mehr dem wahren Strom ohne Messgerät. Das Messgerät hat also eine systematische Rückwirkung auf die Messgrösse, die bei der Bestimmung des wahren Stroms korrigiert werden muss. Für niederohmige Strommessgeräte, d.h. Ra « Ri + R, kann die Messabweichung durch die Rückwirkung allerdings vernachlässigt werden [8].

7.2.2 Spannungsmessung

7.2.1 Strommessung – 7.2.2 Spannungsmessung – 7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt) – 7.2.4 Stromzange – 7.2.5 Elektrische Leistung – 7.2.6 Elektrische Energie (kWh) – 7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

Die elektrische Spannung wird mit einem Spannungsmessgerät oder Voltmeter gemessen. Das Formelzeichen für die elektrische Spannung ist U und die zugehörige SI-Einheit das Volt (V).

Für die Messung der Spannung über einem Widerstand R wird das Messgerät parallel zum Widerstand geschaltet (Abb. 15).

Spannungsmessung
Abb. 15: Spannungsmessung
Angelehnt an Thomas Mühl, Einführung in die elektrische Messtechnik: Grundlagen, Messverfahren, Geräte, S. 91

Auch hier entsteht, wie bei der Messung des Stroms, eine Rückwirkung durch das Messgerät. Die gemessene Spannung entspricht nicht der wahren Spannung ohne das Messgerät.

Hier kann die Messabweichung für Ra « R // Ri vernachlässigt werden, weshalb Spannungen mit einem möglichst hochohmigen Messgerät gemessen werden sollten [9].

7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt)

7.2.1 Strommessung – 7.2.2 Spannungsmessung – 7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt) – 7.2.4 Stromzange – 7.2.5 Elektrische Leistung – 7.2.6 Elektrische Energie (kWh) – 7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

Vor allem bei der Messung von grossen Strömen wird ein Verfahren angewendet, bei dem ein niedrigohmiger Stromfühlwiderstand in den Stromkreis eingebaut wird. Mit einem Spannungsmessgerät wird dabei die Spannung über den exakt definierten Stromfühlwiderstand gemessen und daraus die Stromstärke abgeleitet. Der Shunt hat üblicherweise einen Widerstand von kleiner als 0,01 Ω [10].

7.2.4 Stromzange

7.2.1 Strommessung – 7.2.2 Spannungsmessung – 7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt) – 7.2.4 Stromzange – 7.2.5 Elektrische Leistung – 7.2.6 Elektrische Energie (kWh) – 7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

Mit einer Stromzange können Ströme gemessen werden, ohne dass der Stromkreis aufgetrennt werden muss.

Eine Stromzange für Wechselstrom besteht aus einer Spule und einem Ringkern, der geöffnet werden kann. Der Leiter wird vom Ringkern umschlossen, wobei in der Spule ein Sekundärstrom induziert wird. Der Sekundärstrom wird anschliessend gemessen und daraus kann auf den Primärstrom im Leiter geschlossen werden.

Mit einem sekundärseitigen Widerstand kann der Strom in eine proportionale Spannung umgewandelt werden und anschliessend beispielsweise auf einem Oszilloskop oder einem Multimeter angezeigt werden [11].

Für die Messung von Gleichstrom kann im Messkreis ein Hall-Sensor genutzt werden.

Heutige Strommesszangen sind meistens Multi-Messgeräte, welche über unterschiedliche Sensoren und Messmöglichkeiten verfügen (Abb. 16).

Stromzange zur Messung von Wechselstrom, Gleich- und Wechselspannung, Kapazitäten und Widerstand im HLK-Bereich
Abb. 16: Stromzange zur Messung von Wechselstrom, Gleich- und Wechselspannung, Kapazitäten und Widerstand im HLK-Bereich
Fluke

7.2.5 Elektrische Leistung

7.2.1 Strommessung – 7.2.2 Spannungsmessung – 7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt) – 7.2.4 Stromzange – 7.2.5 Elektrische Leistung – 7.2.6 Elektrische Energie (kWh) – 7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

Geräte, die die elektrische Leistung messen und anzeigen, werden als Wattmeter bezeichnet. Die Leistung hat das Formelzeichen P und wird normalerweise in der SI-Einheit Watt (W) gemessen.

Im Gleichstromkreis kann die Leistung über die Beziehung P = U · I und den aus dem ohmschen Gesetz abgeleiteten Beziehungen P = U² ÷ R und P = I² · R einfach bestimmt werden.

Die Leistungsmessung im Wechselstromkreis muss anders angegangen werden, da der Strom und die Spannung als sinusförmige Wechselgrössen vorliegen und zeitabhängig sind. Damit wird auch die Leistung zu einer zeitabhängigen Grösse p(t) = u(t) · i(t), die als Momentanleistung bezeichnet wird.

Wird die Momentanleistung zeitlich gemittelt, erhält man die Wirkleistung P. Die Wirkleistung steht mit den Effektivwerten von Strom und Spannung, I und U und dem Phasenverschiebungswinkel Φ in folgendem Zusammenhang: P = U · I · cos (Φ).

Die Blindleistung Q trägt im Mittel nicht zu einem Leistungstransport zum Verbraucher bei und ergibt sich nach Q = U · I · sin (Φ).

Die Scheinleistung S wird mit den Effektivwerten von Strom und Spannung gemäss S = U · I berechnet [12], [13].

Der Strom I wird umso grösser, je grösser die Phasenverschiebung F (bzw. je kleiner der cos (Φ)-Wert) ist. Weil grössere Ströme im Verteilnetz zu höheren ohmschen Verlusten führen, ist Blindleistung in der Praxis unbeliebt [14].

Die Messung der Blindleistung kann zum Beispiel mit einem elektronischen Messgerät, welches mit dem Abtastverfahren arbeitet, bestimmt werden. Die Momentanwerte von Strom und Spannung i(t) und u(t) werden in einem bestimmten Zeitraster gemessen. Die Änderung der Phasenlage zwischen Strom und Spannung wird bestimmt und die Blindleistung berechnet [15].

Die genaue Definition der Messgrösse ist auch bei der Leistungsmessung wichtig. Für die Dimensionierung eines Versorgungsnetzes können beispielsweise Maximalwerte von Interesse sein, während bei einer Energieverbrauchsmessung Mittelwerte im Vordergrund stehen.

7.2.6 Elektrische Energie (kWh)

7.2.1 Strommessung – 7.2.2 Spannungsmessung – 7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt) – 7.2.4 Stromzange – 7.2.5 Elektrische Leistung – 7.2.6 Elektrische Energie (kWh) – 7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

Elektrische Energie wird üblicherweise in der Einheit Kilowattstunde (kWh) angegeben. Die Energie stellt die Integration der Leistung über einen bestimmten Zeitraum dar. In digitalen Geräten wird dazu die Zeitdifferenz zwischen zwei Messungen mit der beobachteten Leistung in diesem Zeitraum multipliziert.

7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

7.2.1 Strommessung – 7.2.2 Spannungsmessung – 7.2.3 Stromfühlwiderstand (Shunt) – 7.2.4 Stromzange – 7.2.5 Elektrische Leistung – 7.2.6 Elektrische Energie (kWh) – 7.2.7 Geräte zur Leistungs- und Energiemessung

Steckbare Zähler

Energiemessgeräte erlauben auf einfache Weise das Messen von Leistung (W) und Verbrauch (kWh) diverser elektrischer Geräte. Oft können auch noch Netzspannung (V) und Stromfluss (A) angezeigt werden. Häufig sind die Geräte auf die Messung von 230-V-Verbraucher beschränkt, können also nur eine Phase messen.

Das Messgerät wird an die Steckdose angeschlossen, dann der Stecker des Verbrauchsgerätes mit der Steckdose des Messgerätes verbunden. Nun kann auf der Anzeige die gewünschte Information abgelesen werden. Diese Energiemessgeräte enthalten eine komplizierte Elektronik, die mit kleinen Gleichströmen arbeitet. Für die Verarbeitung der Wechselspannung und des Wechselstroms aus dem Stromnetz müssen diese analogen Eingangssignale deshalb in kurzen Intervallen abgetastet werden. Die so erhaltenen Werte werden digital weiterverarbeitet (Abb. 17).

Steckdosen-Messgerät für Stromleistung und Energie, mit Datenspeicher und USB-Schnittstelle
Abb. 17: Steckdosen-Messgerät für Stromleistung und Energie, mit Datenspeicher und USB-Schnittstelle
EMU Elektronik AG

Verrechnungszähler

Mit einem Stromzähler wird die gelieferte Energie in kWh gemessen. Die Zähler werden in jeder Gebäudeeinheit angebracht und gehören dem jeweiligen Elektrizitätswerk. Der Strom wird von Mitarbeitern der Energiewerke oder in Sonderfällen von den Bewohnern abgelesen und damit der zu bezahlende Preis berechnet.

Es gibt zwei grundsätzlich unterschiedlich funktionierende Stromzähler, elektronische resp. digitale Stromzähler und mechanische Induktionszähler. In vielen älteren Gebäuden sind noch elektromechanische Induktionszähler im Einsatz (Abb. 18). Bei diesen Zählern wird eine Aluminiumscheibe durch ein magnetisches Drehfeld zur Rotation gebracht. Die Drehgeschwindigkeit der Scheibe ist proportional zur Leistung, die gemessen werden soll, und die Drehbewegung wird anschliessend auf einen mechanischen Zähler übertragen. Das Drehfeld wird durch eine Stromspule und eine Spannungsspule, die auf beiden Seiten der Drehscheibe angeordnet sind, aufgebaut. Durch die Stromspule mit kleinem Widerstand fliesst der zu messende elektrische Strom. Die Spannung wird in der Spannungsspule gemessen, die einen sehr hohen Widerstand hat und parallel geschaltet ist. Die elektromechanischen Zähler werden immer mehr durch digitale Zähler abgelöst.

Drehstromzähler
Abb. 18: Drehstromzähler
KMJ
Digitaler Stromzähler
Abb. 19: Digitaler Stromzähler
GWF MessSysteme AG

Digitale Stromzähler (Abb. 19) ermitteln den Stromverbrauch mit einer elektronischen Messung. Auch die Anzeige am Gerät erfolgt elektronisch. Diese Zählerart verspricht höchste Präzision dank moderner Messtechnik und einen grossen Messbereich. Ein wesentlicher weiterer Vorteil sind Zusatzfunktionen, wie ein separater Rückliefertarif oder mehrere und zeitvariable Tarife. Es können Werte gespeichert werden und z.B. die bezogene Höchstleistung mit genauer Zeitmarke bestimmt werden. Die Auslesung kann auch über eine Datenschnittstelle erfolgen.

Heute spricht man immer mehr von intelligenten Stromzählern (Smart Meters, Abb. 20). Diese Zähler sind eigentlich elektronische Zähler, welche zusätzlich über eine Kommunikationsschnittstelle verfügen, sowie meist über einen internen Prozessor mit zusätzlichen Funktionen resp. eben mit einer «Intelligenz». Damit ist es mit solchen kommunikationsfähigen Stromzählern möglich, eine Fernablesung oder eine Fernüberwachung auszuführen. Die Kommunikation kann bidirektional sein, sodass dynamische Tarife ermöglicht werden oder auch dem Stromkunden Informationen zurückgemeldet werden. Möglich ist es, auch Schaltbefehle zu übertragen, um zum Beispiele Lasten in Spitzenzeiten abzuwerfen oder Verbraucher ein- und auszuschalten. Als Ziel des Einsatzes von Smart Meters wird heute oft angegeben, damit die Stromkunden zu einem stromsparenden Verhalten anhalten zu können. Dem Kunden können genaue Informationen über seinen Energieverbrauch gegeben werden. Umgekehrt schürt die Möglichkeit der dauernden Überwachung in Echtzeit Ängste vor einem Verlust der Privatsphäre und lässt Fragen des Datenschutzes aufkommen.

Smart Meter für den gewerblichen Bereich
Abb. 20: Smart Meter für den gewerblichen Bereich
GWF MessSysteme AG

Privatzähler

Unter Privatzähler werden Stromzähler verstanden, welche nicht zu Verrechnungszwecken eingesetzt werden. Damit sind sie auch nicht eichpflichtig und deswegen meist günstiger als Verrechnungszähler. Privatzähler werden eingesetzt, um Stromverteilungen sowie Abgänge zu überwachen und zu messen oder den Stromverbrauch einzelner Verbraucher zu messen. Ziel kann es sein, die Versorgungssicherheit im Betrieb zu sichern, Störungen zu vermeiden oder deren Ursachen festzustellen oder den Stromverbrauch für das Energiemanagement zu messen.

Auf dem Markt finden sich verschiedenste Produkte, vom einfachen, billigen Energiezähler bis zu Universal-Messgeräten (Abb. 21) und Netzanalysatoren mit den unterschiedlichsten Funktionen. Heute sind die meisten dieser Messgeräte elektronische Geräte mit Kommunikationsfähigkeit. So können Messdaten über Bus-Leitungen ausgelesen und im Messdatenspeicher gesammelt werden. Es können auch lokal Daten im Gerät gespeichert werden oder Alarmwerte eingestellt werden, z.B. bei zu hoher Leistung oder von anderen Netzparametern wie Spannung, Bildstrom, Klirrfaktor oder Oberwellenanteil.

Universal-Messgerät für festen Einbau mit Mikroprozessor und Datenschnittstelle
Abb. 21: Universal-Messgerät für festen Einbau mit Mikroprozessor und Datenschnittstelle
Janitza electronics GmbH