DE2847217A1

DE2847217A1 - Anordnung zur messung der waermeenergieabgabe von raumheizkoerpern

Info

Publication number: DE2847217A1
Application number: DE19782847217
Authority: DE
Inventors: Werner Ing Grad Bleiker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-10-30
Filing date: 1978-10-30
Publication date: 1980-05-08
Also published as: FR2440546B1; BE879632A; FR2440546A1

Description

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · C 4Σ.ΟΟ ESSEN 1 · AM RUHRSTEIN 1 · TEL.: (02 01) 4126Θ7 Seite ~ X ~ B 83

2^472 ι 7

Ing.(grad) W. Bleiker Hafenstraße .16, -4354 Datteln

Anordnung zur Messung der Wärmeenergieabgabe von Raumheizkörpern

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Wärme— · energieabgabe von Raumheizkörpern unter Verwendung von Temperaturfühlern und einer Differenzbildungseinrichtung zur Temperaturdifferenzmessung.

Bei zentral beheizten Wohneinheiten mit mehreren Parteien als Abnehmer der von einer gemeinsamen Brennstoffquelle aus zugeführten Wärmeenergie ist es erforderlich, den Wärmeverbrauch jeder einzelnen Partei zumindest qualitativ oder anteilsmäßig zu bestimmen, um eine angemessene Heizkostenverteilung vorzunehmen. Dies geschieht derzeit überwiegend mit Hilfe von nach dem Verdunsterprinzip arbeitenden Geräten, die an Heizkörpern in den einzelnen Räumen befestigt werden. Im Betrieb dieser bekannten Geräte wird die Temperatur der Oberfläche des Heizkörpers auf das Verdunstungsmeßgerät (Hilfsmeßgerät) durch Wärmeleitung übertragen, wobei die Verdunstungsmenge der Flüssigkeit im Verdunsterröhrchen pro Zeiteinheit der Oberflächentemperatur des jeweiligen Heizkörpers proportional ist· Dieses Prinzip ist in der

Z/ko.

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Praxis als Meß- und Anzeigeverfahren nicht anwendbar; denn es bietet lediglich die Möglichkeit der Messung einer analogen Größe, die als solche nur von» Wärmedienst als Be- und Vertreiber der Verdunstungsmeßgeräte ausgewertet werden kann. Dem Verbraucher wird dabei jegliche Kontrolle» möglichkeit entzogen. Außerdem bedürfen die Verdunstungsmeßgeräte regelmäßiger Wartung durch Auswechseln des Verdünstungsröhrchens. Die Wärmemengenmessung nach dem Verdunstungsprinzip ist außerordentlich--ungenau und von .verschiedenen, in der Praxis teilweise unvorhersehbaren Faktoren abhängig.

Aus der DE-AS 24 16 749 ist eine Meßanordnung zur Messung des Wärmeenergieverbrauchs eines"umbauten Raumes unter'Verwendung einer Differenzmessung zwischen der Innentemperatur und der Außentemperatur bekannt, bei der das der Differenz zwischen den von den Temperaturfühlern gemessenen Innen- und Außentemperaturen proportionale Ausgangssignal einer Differenzbildungseinrichtung in einer Multipliziereinrichtung mit einem einer Raum-Wärmekenngröße proportionalen Multiplikator multipliziert werden. Als Raum-Wärmekenngröße ist dabei der genormte Raum-Wärmebedarf, dividiert durch die Differenz der genormten Innen- und Außentemperaturen definiert. Der Multipliziereinrichtung ist eine Integrationseinrichtung nachgeschaltet, deren Ausgangssignal ein quantitatives Maß des Wärmeenergieverbrauchs imumbautem Raum darstellt. Diese bekannte Meßanordnung ermöglicht eine laufende Messung und dem Benutzer unmittelbar verständliche Anzeige des Wärmeenergieverbrauchs in umbauten Räumen. Diese Messung ist unabhängig von der Art der zur Raumheizung verwendeten. Heizsysteme, arbeitet also in prinzipiell gleicher Weise bei Raumheizkörpern, Fußbodenheizungen, Deckenstrahlungsheizungen, Luftheizungen, Fußleistenheizungen, Unterflurkonvektoren usw. Diese bekannte Anordnung ermöglicht erstmals die .Erfassung des Wärme-

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Verbrauchs in Wohnungen, Raumgruppen oder Räumen unter Erfassung des thermodynamischen Verhaltens der entsprechenden Gebäudeteile und damit der Verbrauchseigenschaften eines Raumes oder einer Raumgruppe, denn der Abfluß der Wärme in weniger geheizte oder ungeheizte angrenzende Räume wird durch Messung der Raumtemperatur berücksichtigt. Die strenge Proportionalität zwischen den Raumtemperaturen und der insgesamt erzeugerseitig in einem Gebäude zur Verfugung gestellten Wärmemenge kann jedoch dadurch beeinträchtigt werden, daß aus den der Messung unterzogenen Räumen Wärme beispielsweise bei geöffneten Fenstern nach außen abgeführt wird.

Eine Meßanordnung zur quantitativen Messung der Wärmeenergieabgabe an einen umbauten Raum war bisher nur mit sogenannten Wärmemengenzählern möglich (US-PS 3 301 049), bei denen das Produkt von Wassermenge und Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf gemessen wird. Diese bekannte Konstruktion des Wärmemessers ist gerätetechnisch außerordentlich aufwendig, da an jedem Heizkörper neben Temperaturfühlern Durchsatzmeßgeräte angebracht werden müssen·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung der Wärmeenergieabgabe von Raumheizkörpern mit vergleichsweise geringem gerätetechnischen Aufwand durchzuführen und eine dem Benutzer unmittelbar verständliche Anzeige der Wärme- I energieabgabe zu ermöglichen.

Die Erfindung stützt sich bei der Lösung der Erfindungsaufgabe auf die Erkenntnis, daß jedem Heizkörper eine Heizkörperkenngröße H zukommt, die auf der Grundlage der nach DIN 4704 geprüften Heizkörperleistung sowie des DIN-Blattes 4703 berechnet werden kann. Nach den vorgenannten DIN-Normblättern lasten sich die folgenden Größen definieren:

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Q_n » Heizkörperleistung, geprüft nach DIN 4704 • Claut Hersteller-Tabelle)

*^\diN ^{= Raum}""^Prüftemperatur £kJ

HKmDIN ^{= mittlere} Heizkörper-Prüftemperatur £kJ

•^VDIN ^{= He}^^c°rpervorlauf-Prüftemperatur

RDIN ^{= Heizkör}P^errücK¹auf-Prüftemperatur

Q₇ _ VDIN + RDIN HKmDIN ^

Die erfindungsgemäß eingeführte Heizkörperkenngröße H , die als spezifische Heizkörperkonstante dient, wird wie folgt definiert:

H ^{q (i3}HKmDIN ~

Das Produkt der für jeden Heizkörper konstanten Heizkörperkenngröße H und der Temperaturdifferenzen Δ«?¹ * der Istwerte der mittleren Heizkörpertemperatur -·&.,-. und der Raumtemperatur *3l ergibt nach Integration über die Zeit t₀ bis t sin Maß für die vom Heizkörper abgegebene Wärmemenge Q. Diese Erkenntnis läßt sich mathematisch wie folgt formulieren:

^Q *

HKmDIN iDIN^;

J A^^li3dt = H_q Ύ

Ausgehend von der Anordnung der eingangs angegebenen Art, schlägt die Erfindung unter Ausnutzung der zuvor abgeleiteten Erkenntnis zur Lösung der ihr zugrundeliegenden Aufgabe vor,

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daß Temperaturmeßfühler zur Messung der Vor- und Rücklauftemperaturen (& und ^t^) der Heizkörper und der Raumtemperatur & . vorgesehen sind, die mit einer die Differenzbildungseinrichtung enthaltenden Einrichtung zur Bildung eines Temperaturmittelwerts aus den gemessenen Temperatursignalen gekoppelt sind, daß der Mittelwertbildungseinrichtung eine deren Ausgangssignal mit einem voreingestellten Exponenten potenzierende Einrichtung und eine Multipliziereinrichtung mit einstellbarer Multiplikatpreingabe nachgeschaltet sind, in der das mit dem voreingestellten Exponenten potenzierte Ausgangssignal der Mittelwertbildungseinrichtung mit einem einer Heizkörperkenngröße H proportionalen Multiplikator multiplizierbar' ist, wobei als Heizkörperkenngröße H die nach DIN 4704 geprüfte Heiz-^ körperleistung Q , dividiert durch die mit 1,3 potenzierte Differenz der mittleren Heizkörperprüftemperatur 4P HKmDIN und der Raumprüftemperatur 3*,_D „ definiert ist, und daß mit der Multipliziereinrichtung in an sich bekannter Weise eine Integrationseinrichtung verbunden ist, wobei das am Ausgang der Anordnung erscheinende, das Integral des mit der Heizkörperkenngröße H multiplizierten und mit dem Exponenten 1,3 potenzierten Temperaturmittelwerts darstellende Signal ein quantitatives Maß der Wärmeenergieabgabe des Raumheizkörpers ist.

Das am Ausgang der Anordnung erscheinende Signal ist bei allen Temperaturmeßwerten dann ein quantitatives Maß der Wärmeenergieabgabe des Raumheizkörpers, wenn aus den Vor- und Rück lauf tempera türen rö¹^. und /&„ und der Raumtemperatur /■3"¹. ein logarithmischer Temperaturmittelwert Δ ^P nach der folgenden Beziehung gebildet wird

in

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- r-

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Zur Gewinnung des genauen und stets gültigen Meßsignals ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Temperaturmeßfühler temperaturabhängige elektrische Widerstände sind, die zur Mittelwertbildung an ein elektrisches Rechengerät angeschaltet sind, und daß das Rechengerät so ausgebildet und angeordnet ist, daß es aus den drei Istwerten der Vor lauf temperatur /^_v, der Rücklauf tempera tür ^_R und der Raumtemperatur £P. den oben angegebenen logarithmischen Temperaturmittelwert bildet.

Wenn die zu erwartenden Istwerte der gemessenen Temperaturen die Bedingung erfüllen:

so kann mit ausreichender Genauigkeit die Meßanordnung durch Bildung eines arithmetischen Temperaturmittelwerts vereinfacht werden. Diese Anordnung zeichnet sich in Weiterbildung der Erfindung dadurch aus, daß die Temperaturmeßfühler temperaturabhängige elektrische Widerstände sind, die zur Bildung eines arithmetischen Temperaturmittelwerts L·. J^ durch Differenzbildung aus einer mittleren Heizkörpertemperatur

*Y,l-, a ¹ und der Raumtemperatur (vT¹ . mit der Dif f erenz-HKm d. χ

bildungseinrichtung gekoppelt sind und daß das Ausgangssignal der Differenzbildungseinrichtung als Mittelwertsignal an den Eingang der Potenziereinrichtung angelegt ist. Vorzugsweise ist dabei die Anordnung so getroffen, daß die Temperaturmeßfühler in Reihe geschaltet sind. Da die Heizkörperkenngröße H eine aus den vorstehend angegebenen Größen ohne Schwierigkeit berechenbare für jeden Heizkörper spezifische Konstante ist, wird sie vor oder nach dem Einbau durch geeignete Einstellung der Multipliziereinrichtung über die Multiplikatoreingabe einmal eingegeben. Diese heizkörper-bezogene Kenngröße korrigiert die laufend gemessene Temperaturdifferenz

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zwischen mittlerer Heizkörpertemperatur und Raumtemperatur in überraschend einfacher Weise derart, daß sich am Ausgang der Anordnung nach Integration über die Zeit ein quantitatives Maß für die vom Heizkörper abgegebene Wärmemenge ergibt·

Die Ausführung der erfindungsgemäßen Schaltung läßt sich mit Hilfe einfacher elektrischer Schaltungskomponenten realisieren· Die in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendeten Schaltungskomponenten, nämlich die Differenzbildungseinrichtung, die Multiplizierschaltung mit einstellbarer Multiplikatoreingabe, die Potenzierschaltung usw. sind in der Technik sowohl als analoge Schaltungen als auch als digitale Schaltungen bekannt. Bei Verwendung von digitalen Schaltungen ist an geeigneter Stelle hinter den Temperaturfühlern ein Analog/Digital-Umsetzer vorzusehen. In einer digitalen Anordnung können die Mittelwertbildungseinrichtung und die Potenziereinrichtung besonders einfach in einem digital arbeitenden Rechengerät zusammengefaßt werden·

Bei Verwendung analoger Schaltungskomponenten kann die Differenzbildungseinrichtung als Widerstandsbrücke ausgebildet sein, der die Temperaturfühler als temperaturabhängige elektrische Widerstände in geeigneter Weise zugeordnet sind. Die Potenziereinrichtung kann beispielsweise durch einen Verstärker mit exponentieller Verstärkung (Exponent 1,3) gebildet sein. Die Multipliziereinrichtung kann in an sich bekannter Weise ein der Differenzbildungseinrichtung nachgeschalteter Rechenverstärker sein, bei dem die Eingabe der Heizkörperkenngröße H durch einen das Ausgangssignal des Rechenverstärkers zu einem Eingang rückkoppelnden Leitungszweig mit einem einstellbaren Widerstand erfolgt.

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Vorzugsweise sind zwei Temperaturmeßfühler zur Messung der mittleren Heiztemperatür derart angeordnet, daß der eine die Vorlauftemperatur &~ und der andere die Rücklauftemperatur *üfr_R des Heizkörpers mißt, wobei die beiden als temperaturabhängige elektrische Widerstände ausgebildeten Temperaturmeßfühler untereinander in Reihe und mit dem ebenfalls als temperaturabhängiger elektrischer "Widerstand ausgebildeten Raumtemperaturfühler zur Mittelwertbildung zusammengeschaltet sind.

Die Integrationseinrichtung und die Multipliziereinrich— tung können in beliebiger Weise hintereinander geschaltet werden, d.h. entweder die Multipliziereinrichtung oder die Integrationseinrichtung bildet die vorausgehende Schaltangsstufe. Zur Mehrfachausnutzung einer Integrationseinrichtung ist es jedoch zweckmäßig, die Integrationseinrichtung der Multipliziereinrichtung nachzuschalten. Dabei ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Ausgänge mehrerer, unterschiedlichen Heizkörpern zugeordneten Multipliziereinrichtungen mit den Eingängen einer Sumraierschaltung verbunden sind, deren Summationsausgang mit der Integrationseinrichtung verbunden ist. Am Ausgang der. Integrationseinrichtung kann dann ein Zählersignal als quantitatives Maß für die yon mehreren Heizkörpern abgegebene Wärmemenge entwickelt werden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Anordnung zur Messung der Wärmeenergieabgabe von Raumheizkörpern anhand der Zeichnung näher erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die Istwerte der Vor- und Rücklauftemperaturen und der Raumtemperatur zu einem arithmetischen Mittelwert verarbeitet, und diese Anordnung ist für die in der Praxis auftretenden Temperatur-Istwerte von ausreichender Genauigkeit, denn ihr Ausgangssignal entspricht bei einer Toleranz von weniger als 1 % der Wärmeenergieabgabe des Raumheizkörpers.

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Die Betriebsspannung der beschriebenen Anordnung wird von einem herkömmlichen Netzgerät 1 geliefert. Bei Verwendung einer Batterieversorgung kann dem Netzteil 1 der die Raumtemperatur messende Temperaturfühler unmittelbar zugeordnet werden und der Netzteil mit diesem als komplette Einheit ohne Fremdinstallation eingesetzt werden. Das Netzgerät 1 liefert an seinen Ausgängen beispielsweise eine geglättete Gleichspannung von 2 x 15 Volt. Je nach Ausbildung der Differenzbildungseinrichtung kann als Netzgerät auch, ein Konstantstromgerät verwendet werden.

Das Netzgerät 1 speist eine Differenzbildungseinrichtung, die in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel durch eine im strichpunktierten Block 2 dargestellte Widerstandsbrücke mit den Widerständen R_HK, R-, und R. sowie einen Differenz-

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verstärker 21 gebildet ist. Die beiden zusammen mit dem festen Widerstand R₁ in Reihe geschalteten Widerstände

R₁J₁, und R. sind temperaturabhängige, elektrische Wider-^HK i (NTC-Widerstaride)

stände, also beispielsweise Kaltleiter/, wobei R„_K den die mittlere Heizkörpertemperatur messenden Temperaturfühler, R. den die Raumtemperatur messenden Temperaturfühler darstellt. Der Differenzverstärker 21 ist eingangsseitig mit den Verbindungspunkten zwischen den Widerständen Rj,_K und R. bzw. R^ und R. verbunden. Am Ausgang des .Differenz verstärkers 21 erscheint bei entsprechender Auslegung des Differenzverstäjters ein Signal, das der Temperaturdifferenz zwischen der mittleren Heizkörpertemperatur^„,, und der Raumtemperatur rd¹. entspricht.

Der Ausgang der Differenzbildungseinrichtung 2 bzw. des Differenzverstärkers 21 ist mit dem Eingang einer Potenziereinrichtung 3 verbunden, in der das Eingangssignal mit dem. Exponenten 1,.3, vor eingestellt über die Exponenteneingabe e, potenziert wird.

Das die Temperaturdifferenz Δ ^, potenziert mit dem Exponenten 1,3, darstellende Ausgangssignal der Potenziereinrichtung wird einer schematisch im strichpunktierten Block 4 dargestellten Multipliziereinrichtung zugeführt. Diese besteht bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Rechen— verstärker 41, dessen Ausgang über eine Rückkopplungsschaltung zum Eingang zurückgeführt ist. In der Rückkopplungsschleife ist ein veränderlicher Widerstand R angeordnet, über den die als Multiplikator eingegebene Heizkörperkenn— größe H einstellbar ist.

q ·

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel folgt der Multipliziereinrichtung 4 ein Analog/Digital-Umsetzer 5, in welchem das analoge Ausgangssignal der Multipliziereinrichtung in ein entsprechendes Digitalsignal umgesetzt wird. Eine geeignete A/D-Umsetzerschaltung ist in der

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DE-AS 24 16 749 beschrieben. Der Digitalausgang des A/D-Umsetzers wird in einer Integrationseinrichtung 6 integriert, und das integrierte Signal wird an einer nicht-dargestellten Zähleranzeige zur Anzeige gebracht. Nach Eichung ermöglicht diese Anordnung eine dem Verbraucher unmittelbar verständliche Ablesung der vom Heizkörper abgegebenen Wärmemenge beispielsweise in kWh.

Um die von mehreren Heizkörpern abgegebene Wärmemenge auf einer Zähleranzeige zur Anzeige zu bringen, also auch die Ausgangssignale mehrerer,unterschiedlichen Heizkörpern zugeordneter Multipliziereinrichtungen 4 gemeinsam

dem
zu integrieren, kann entweder/A/D-Umsetzer 5 oder der ^v Integriereinrichtung 6 eine Summiereinrichtung vorgeschaltet werden, deren Eingänge an die Ausgänge der zusammenzufassenden Multipliziereinrichtungen 4 angeschaltet sind.

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Claims

PATENTANWÄLTE ZENZ & HELBER · D 43ÜO ESSEN Ί · AM RUHRSTEIN 1 · TEL.: (02 01) 4126 Seite _ ^K_ B 83 - ώe ι eο eχρ-ι^ «<<■; * Patentansprüche :c SS.SSSSS = = = = =5 = = = = SS= ksss 3

1. Anordnung zur Messung der Wärmeenergieabgabe von Raumheizkörpern unter Verwendung von Temperaturfühlern und einer Differnzbildungseinrichtung zur Temperaturmessung, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturmeßfühler (Ruj,» Rj) zur Messung der Vor- und *

Rücklauftemperatüren C&L und <^_R) der Heizkörper und der

Raumtemperatur /T^ vorgesehen sind, die mit einer die Differenzbildungseinrichtung enthaltenden Einrichtung (2) zur Bildung eines Temperaturmittelwerts b*P aus den gemessenen TemperatürSignalen gekoppelt sind, daß der Mittelwertbildungseinrichtung (2) eine deren Ausgangssignal mit einem voreingestellten Exponenten potenzierende Einrichtung (3) und eine Multipliziereinrichtung (4) mit einstellbarer Multiplikatoreingabe (R ) nachgeschaltet sind, in der (4) das mit dem voreingestellten Exponenten potenzierte Ausgangssignal der Mittelwertbildungs— einrichtung (2) mit einem einer Heizkörperkenngröße H proportionalen Multiplikator multipliziert ist, wobei als Heizkörperkenngröße H die nach DIN 4704 geprüfte Heizkörperleistung Q_M, dividiert durch die mit 1,3 potenzierte Differenz der mittleren Heizkörperprüftemperatur /θ

ηΚΙΠ L)J-N

und der Raumprüftemperatur ^_iDIN definiert ist, und daß mit der Multipliziereinrichtung (4) in an sich bekannter Weise eine Integrationseinrichtung (6) verbunden ist, wobei das am Ausgang der Anordnung erscheinende, das Integral des mit der Heiskörperkenngröße H multiplizierten und mit dem Exponenten 1,3 potenzierten Temperaturmittelwerts darstellende Signal ®±n quantitatives Maß der Wärmeenergieabgabe des

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Raumheizkörpers ist·

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßfühler temperaturabhängige elektrische Widerstände (R_HK> R₄) sind, die zur Mittelwertbildung an ein elektrisches Rechengerät angeschaltet sind, und daß das Rechengerät so ausgebildet und angeordnet ist, daß es aus den drei Istwerten der Vorlauf temperatur r^^der Rücklauftemperatur »Si¹ und der Raumtemperatur nP ^ einen, logarithmischen Temperaturmittelwert £ /θ¹ nach der Beziehung

bildet.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßfühler temperaturabhängige elektrische Widerstände (R_ut,, R₄) sind, die zur Bildung eines arithmetischen

«*· ^x durch Differenzbildung Temperaturmittelwerts b^r/ans einer mittleren Heizkörper-

. r9> γ ⁺ R <y-

temperatur nTV,,, ■ ■ ■ und der Raumtemperatur λΓ₄ HKm ₂ i

mit der Differenzbildungseinrichtung (2) gekoppelt sind, und daß das Ausgangssignal der Differenzbildungseinrichtung (2) als Mittelwertsignal an den Eingang der Potenziereinrich-. tung (3) angelegt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßfühler (^R _HK» Rj) in Reihe geschaltet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrationseinrichtung (6) der Multipliziereinrichtnirif (4) nachgeschaltet ist.

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6· Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Multipliziereinrichtung (4). der Integrationseinrichtung (6) nachgeschaltet ist.

7. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge mehrerer, unterschiedlichen Heizkörpern zugeordneten Multipliziereinrichtungen (4) mit den Eingängen einer Summierschaltung verbunden sind, deren Summations— ausgang mit der Integrationseinrichtung (6) verbunden, ist.

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