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Die Erfindung betrifft eine Regelvorrichtung bzw. ein Regelverfahren für die Primärpumpe thermischer Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung oder Raumheizung, welche (s) ohne die sonst üblichen Temperaturfühler im Sonnenkollektor und im Solarspeicher oder Solarwärmetauscher auskommt und mit in ihr integrierten Sensoren ausgestattet ist, die eine beginnende Besonnung des Sonnenkollektors durch die Ausdehnung des Solarmediums oder deren Folge, die Druckerhöhung, erkennen und als Startsignal für den Regelalgorithmus nutzen.
Insbesondere soll mit der Erfindung eine Solarregelung für einfachste Montage, nämlich ohne die Notwendigkeit einer Sonnenkollektorfühlermontage und einer Solarspeicher- oder Wärmetauscherfühlermontage geschaffen werden, die darüber hinaus auch effizienter und stabiler regelt als konventionelle Solarregler.
Anhand der Figuren 1 und 2 wird der bisherige Stand der Technik erörtert :
Figur 1 : Prinzipschema des druckgesteuerten Reglers für thermische Solaranlagen
Figur 2 : Prinzipschema einer Solardifferenzregelung mit bisherigem Stand der Technik und einem Wärmespeicher (Solarboiler bzw. Solarpufferspeicher) als "Verbraucher".
Deutlich erkennbar sind die konventionellen Fühlerplatzierungen [Sonnenkollektor-
Temperaturfühler (25) und Solarspeicher- Temperaturfühler (26) ]
Die Grundfunktion der konventionellen Solarregelung besteht darin, zu gewährleisten, dass Wärme (-energie) immer nur vom Sonnenkollektor (1) zum Solarspeicher (2) bzw. Wärmetauscher (3) (Im folgenden Text als "WT" bezeichnet) transportiert wird und nie umgekehrt.
Dazu messen bisherige Solarregelungen mittels Sonnenkollektor-Temperaturfühler (25) die Temperatur im Sonnenkollektor und vergleichen diese mit der mittels SolarspeicherTemperaturfühler (26) oder Wärmetauscher-Temperaturfühler (27) gemessenen Temperatur im Solarspeicher (oder WT).
Nur wenn nun die Kollektortemperatur höher ist als die Solarspeicher- (od. WT-) temperatur, schaltet die elektronische Regelung (7) die Primärpumpe (4) ein.
Dazu müssen aber erst die o. e. Fühler mittels Tauchrohren im Kollektor (meist am Solarabsorber) und im Solarspeicher genau platziert (zusätzlich mit einer Zugentlastung gegen Herausgleiten gesichert) und mit der elektronischen Regelung verdrahtet werden. Diese wiederum muss mit der Primärpumpe verdrahtet werden. Erfindungsgemäss wurde gefunden :
Die Platzierung eines Temperaturfühlers im Kollektor bzw. am (im) Solarspeicher (oder Wärmetauscher) ist im Grunde gar nicht notwendig.
Tatsächlich benötigt man für den exakten Betrieb einer thermischen Solaranlage nicht die Temperatur im Kollektor, sondern die Temperatur des Mediums unmittelbar vor Eintritt in den Speicher (oder Wärmetauscher). Diese Temperaturen werden auch bisher (meist hinreichend grau) dadurch simuliert, dass eine Temperaturdifferenz (z. B. + 4 K) im Regler programmiert wurde, um sicherzustellen, dass die Temperaturveriuste in der Solarverrohrung (auf dem Weg vom Kollektor bis zum Solarspeicher/Wärmetauscher) damit kompensiert werden und die tatsächlich "ankom- mende" Temperatur des Mediums unmittelbar vor Eintritt (z. B. in den Boilerwärmetauscher) nicht unter der"Verbrauchertemperatur" (z. B. Trinkwasser im Boiler) zu liegen kommt.
Diese Temperaturdifferenz bedingt aber, dass die Kollektortemperatur um diesen, eingestellten, Betrag höher sein muss als die verglichene "Verbrauchertemperatur" um den Solarkreislauf durch Einschalten der Solarpumpe überhaupt erst zu starten. Damit geht automatisch Zeit verloren (der "nutzbare Sonnentag"\erkürzt sich praktisch). Dasselbe passiert im Ausschaltzeitpunkt. Die Solarpumpe wird vom Regler ausgeschaltet, obwohl der Kollektor um den Betrag der Differenztemperatur heisser ist als der "Verbraucher". Durch die regelungsinternen Hysteresen wird dieser Effekt noch verstärkt. Ein geduldetes, weil bisher notwendiges "Übel" bei der Installation von thermischen Solarsystemen ist also die "Verdrahtung" (= elektrische Verbindung/Verkabelung) der elektronischen Regelung und der Solarpumpe.
Besonders aufwendig dabei sind die Installation und Verkabelung des Sonnenkollektor-Temperaturfühlers (Durchbrüche über mehrere Stockwerke, Erdkabel bei Freiverlegung,......). Übliche Längen der Kollektorfühlerkabel sind bei Kleinanlagen bis zu 40 m und bei Grossanlagen bis zu 300 m. Diese Kabel sollten im besten Fall (bei grösseren Längen aber unbedingt) geschirmt sein und zusätzlich in Kabelisolierrohren oder Kabelkanälen (die über die gesamte Länge mit Dübeln und Schrauben befestigt werden müssen) platziert werden.
Daraus resultiert eine längere Montagezeit.
Weiters ist ein Grossteil der Heizungsmonteure nicht gewillt oder befähigt, Elektroinstallationen
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im Zuge der Rohrmontagen durchzuführen, was den zusätzlichen Einsatz von Elektrikern (extra Anfahrt, Eindenken ins System, getrennte Materiallogistik) erfordert.
Mit der Erfindung wird die Aufgabe der Regelung thermischer Solaranlagen durch einen gänzlich neuen Ansatz, nämlich, dass zur Übermittlung des Startsignals weder ein Sonnenkollektort8l1- peraturfühler noch das dazugehörige Kabel notwendig sind, gelöst, da man die Druck- oder Volumsänderung des sich erhitzenden Solarmediums in örtlicher Nähe der Solarregelung durch geeignete Sensoren erkennen und als Startsignal nutzbar machen kann. Sobald nämlich die Solarpumpe von der Solarregelung eingeschaltet worden ist, beginnt der Solarkreislauf und (erwärmtes) Solarmedium gelangt vom Sonnenkollektor in den Speicher bzw. Wärmetauscher.
Durch Temperaturfühler vor und nach dem Speicher bzw. Wärmetauscher, jedenfalls in unmittelbarer Nähe des Reglers, kann eine exakte Differenztemperaturregelung eingeleitet werden, die das Weiterlaufen und Stoppen der Solarpumpe bestimmt.
Eine aus US 4 289 114 A bekanntgewordene Vorrichtung bezieht sich auf das technische Gebiet der Dampferzeugung in sogenannten Solar-Turmkraftwerken. Hochkonzentrierte Solarstrahlung wird auf einen Empfänger gebündelt, in dessen Zentrum spiegelsymmetrisch Siederohre angeordnet sind. Eine Differenzdruckmessung in beiden Hälften des Strahlungsempfängers regelt lediglich de Mengen des Speisewassers, damit beide parallelen Dampfkreise exakt die gleiche Versorgung über die Speisewasserpumpe erfahren. Die Speisewasseranforderungssignale werden wie folgt erzeugt : Die Druckflanke an zwei Regulierorganen wird von Differenzdruckaufnehmern gemessen.
Der niedrigere Differenzdruck wird einer Vergleichsvorrichtung zugeführt, welche dieses Signal mit einem Fixwert vergleicht und die festgestellte Abweichung wird einer Proportio- nal-Integrier-Vorrichtung zugeführt und gemeinsam mit einem zusätzlichen Signal an eine Summierstation geleitet. Die Summierstation summiert das vorhergenannte Signal mit dem Gesamt- Speisewasseranforderungs-Signal einer weiteren Summenstation, welches von einem Funktionsgenerator in ein Drehzahlanforderungssignal für die Speisewasserpumpe umgewandelt wird um ein weiteres Signal der Summiervorrichtung zur Verfügung zu stellen. Das Signal von der Summiervorrichtung wird zwei Wärmetauschern zur Verfügung gestellt um von dort zu zwei Pumpen geleitet zu werden um deren Drehzahl zu regeln.
Diese Art der Regelung kommt hundertfach in ähnlichen industriellen Grossanlagen vor und hat mit thermischen Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung im regeltechnischen Sinn nichts gemein. Auch regelt die Druckdifferenzregelung nicht den Start oder das Ende eines thermodynamischen Prozesses, sondern ein Detail unabhängig davon und auch unabhängig vom Brennstoff, der zur Dampferzeugung herangezogen wird und in diesem Falle, ohne Einfluss auf die Regelung beliebig austauschbar, eben aus gebündelter Solarstrahlung besteht.
Eine andere aus US 4 921 580 A bekanntgewordene Vorrichtung beschreibt ein solares Wasserdestilliergerät. Die Sotar-Wasser-Destilliervorrichtung umfasst einen kugelförmigen Boiler mit einer Eingangsrohrleitung, welche den Boiler mit einem vordefinierten (Ab-) Wasserstrom versorgt, um dieses Wasser zu destillieren. Am höchsten Punkt dieses kugelförmigen Boilers ist eine Rohrleitung angebracht um den erzeugten Wasserdampf abzuführen. Ein, im kugelförmigen Boiler drehbar montiertes Schwimmerventil steuert eine Absperrvorrichtung in der Eingangsrohrleitung.
Zusätzlich wird diese Absperrvorrichtung von einem Druckwächter aktiviert, um den Druck im Inneren des kugelförmigen Boilers konstant zu halten und so die Effizienz aufrecht zu erhalten. Es wird dadurch angestrebt, dass der Wasserspiegel in einem definierten Bereich (bei ca. halbem Volumen) in dem kugelförmigen Boiler eingestellt wird, in dem der oben erwähnte Druckwächter über die Absperrvorrichtung den Innendruck in einem sehr engen Bereich aufrechterhält. Weiters ist der Druckwächter mit einem solarbetriebenen Motor elektrisch verbunden, weicher eine Vakuumpumpe steuert, die den erzeugten Dampf abführt um den Dampfdruck gering und somit die Effizienz hoch zu halten.
Man sieht also sehr deutlich, dass sich die beschriebene Vorrichtung von der eingereichten Erfi ndung gänzlich unterscheidet, vor allem in der Bestimmung, eine gerichtete Strömung eines offenen Systems in einem kurzzeitigen Arbeitspunkt konstanten Bedingungen zu unterwerfen, damit Wasser thermisch gereinigt (destilliert) wird. Bei dem eingereichten Erfindungsgegenstand jedoch wird ein geschlossener Solarkreis zur Wärmelieferung geregelt und zwar liefert ein Druck- (bzw. ) Strömungssensor ein Startsignal für eine folgende Temperaturdifferenzregelung und dient keinesfalls zur Konstanthaltung von Regelparametern.
Weiters wird die aus US 4 312 401 A bekanntgewordene Vorrichtung zur Steuerung einer
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Pumpe eines Trinkwasser-Wärmetauschers entgegengehalten, die wie folgt funktioniert : Die Warmwasserbereitung erfolgt hier nicht über einen Warmwasserspeicher, sondern, meist aus hygienischen Gründen, über einen Trinkwasser-Wärmetauscher, allgemein als Durchlauferhitzer bekannt. Sobald nun ein Warmwasserhahn geöffnet wird, fällt der Druck in dieser Leitung ab. Über einen Druckschalter wird nun jene Pumpe eingeschaltet, die von einer Wärmequelle erhitztes Medium (meist Wasser) dem Trinkwasser-Wärmetauscher zuführt, um auf dessen Sekundärseite kaltes Trinkwasser zu erhitzen und dem Nutzer als Warmwasser zur Verfügung zu stellen.
Diese Steuerung (keine Regelung) dient der Pumpenstromersparnis, da die Pumpe lediglich dann aktiviert wird, wenn auf der Sekundärseite auch wirklich Warmwasser gezapft wird. Ausserdem handelt es sich hierbei um ein offenes System und eine Quasi-Handsteuerung, denn wenn der Warmwasserhahn wieder geschlossen wird, schaltet der Druckschalter auch wieder die Pumpe aus. Beim eingereichten Erfindungsgegenstand hingegen leitet der Druck- bzw. Strömungssensor über ein Zeitglied eine Differenztemperaturregelung ein, was einer völlig automatisierten Regelung (und nicht Steuerung) entspricht. Das geschlossene System einer thermischen Solaranlage wird von Temperaturen bzw. deren Folgen (Druck, Strömung) exakt geregelt und keinesfalls manuell gesteuert wie die oben erwähnte Vorrichtung am Trinkwasser-Wärmetauscher.
Die mit US 3 906 928 A genannte Vorrichtung beschreibt ein Ventil an einer Solarabsorberanlage zur Schwimmbad- (=Pool-) Wassererwärmung. Das Ventil sperrt (bei Anforderung) den Direktpfad der Poolwasserleitung und zwingt das Poolwasser durch Solarpaneele, damit es sich aufheizt.
Die Bezeichnung "Druck" in der Beschreibung bezieht sich lediglich auf die örtliche Situierung des Ventils in Bezug auf die Filterpumpe (sie hat wie jede Pumpe eine Saug- und eine Druckseite...).
Die Erfindung wird nun Anhand der Figur 3 näher erläutert :
In Figur 3 tritt an die Stelle eines Wärmespeichers ein Wärmetauscher (3), welcher die vom Sonnenkollektor gelieferte Wärme lediglich an einen oder mehrere folgende"Verbraucher", z. B.
Wärmespeicher, weiterleitet. Für den Primärkreis gilt dasselbe wie für Figur 2.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Regelung thermischer Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung und Raumheizung (oder andere Nutzungsarten mit ähnlichem Solarsystem) mit einer gegenüber dem bekannten Stand der Technik verbesserten Vorrichtung zu bewerkstelligen, welche in der Montage sehr viel einfacher und damit günstiger und im Betrieb wartungsfreier, stabiler und effizienter ist.
Gegenstand der Erfindung ist somit eine Regelung der eingangs genannten Art, deren wesentliche Merkmale darin bestehen, anstelle eines konventionellen Kollektorfühlers das systemimmanente Signal der Druckerhöhung des Solarmediums oder dessen Folge, eine Ausdehnungsströmung, zu nutzen. Eine Druckerhöhung des Solarmediums entsteht immer dann, wenn sich diese Flüssigkeit durch beginnende Besonnung aufheizt.
Dieses Signal ist systemimmanent, weil durch eine in diesem Arbeitspunkt (beginnende Besonnung) entstehende Druckerhöhung (bzw. deren Folge, eine geringe Strömung des Solarmediums Richtung Ausdehnungseinrichtung), des Solarmediums herbeigeführt. Das Solarmedium, ein Wasser-Frostschutzgemisch, dehnt sich wie alle Flüssigkeiten bei Erwärmung aus. Wenn nun, z. B. bei Tagesanbruch, die Helligkeit und damit der Solarstrahlungsanteil der Atmosphäre im Steigen begriffen ist, erwärmt sich der Solarabsorber und mit ihm das Solarmedium. Dies führt zu einer Ausdehnung desselben und, da es sich um geschlossene Systeme handelt, zu einer Druckerhöhung. In Folge strömt verdrängtes Solarmedium vom Sonnenkollektor in Richtung Ausdehnungseinrichtung.
Es ist also durch diese Ausdehnung des Solarmediums in den ohnehin installierten Solarleitungen (Vorlauf und Rücklauf) eine eindeutige Regelgrösse in der Nähe des Solarspeichers /Wärmetauschers und der massgeblichen Solararmaturen (Sicherheitseinrichtungen, elektronische Regelung, Primärpumpe) bereits vorhanden.
Diese Regelgrösse muss lediglich vom Regelsystem erfasst werden ; durch ebendiese Registrierung einer (wenn auch minimalen) Druckerhöhung oder Strömung soll sodann die Solarpumpe eine definierte Zeit (z. B. 45 Sekunden) über ein Relais eingeschaltet bleiben.
Nach Ablauf dieser Zeit (das Medium hat inzwischen den Weg vom Sonnenkollektor zum Vorlauftemperaturfühler (9), welcher im Vorlaufrohr (10) in unmittelbarer Nähe der elektronischen Regelung und des "Verbrauchers" sitzt, zurückgelegt) wird das Schalten der Primärpumpe über die elektronische Regelung durch Temperaturmessung [am Vorlauftemperaturfühler (9) und am Rücklauftemperaturfühler (8)] übernommen.
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Dies gewährleistet, dass der tatsächliche Arbeitsbeginn der Solaranlage (=Speicherladung) früher stattfindet als bei konventionellen Solarregelungen.
Der Ausschaltzeitpunkt der Solarpumpe wird, bedingt durch die bereits eingesetzte Temperaturführung, sogar ohne die druckabhängige Regelung ermittelt und dies ebenso sehr viel exakter als bei der bisherigen, konventionellen Technik, da auch in diesem Arbeitspunkt auf die Programmierung einer Differenztemperatur verzichtet werden kann.
Grob abgeschätzt werden mit diesem System aus- (oder nach-) gerüstete Solaranlagen zwischen 10 und 20 Minuten täglich (an Sonnentagen..) länger in Betrieb sein als konventionell geregelte Systeme, obwohl die elektrische Installation der Primärseite für den Installateur entfällt, und daher die Montagezeit sehr deutlich verringert wird.
Dies bedeutet, dass solcherart von Fachfirmen montierte Solarsysteme nicht nur verbilligt, sondern auch verbessert werden und mehr Ertrag liefern (unabhängig vom eingesetzten Kollektor, Speicher, etc.).
Durch die Einfachheit des Systems und den praktischen Entfall von Blitzschäden ist durchaus auch eine erhöhte Lebensdauer zu erwarten.
Das Verfahren zur Regelung der Primärpumpe besteht gemäss Anspruch 1 darin, dass auf eine druck-bzw. strömungsbedingte Startphase eine definierte Zeitspanne mit Pumpenlauf und gleichzeitiger Differenztemperaturmessung folgt und diese Temperaturmessung die weitere Regelfunktion übernimmt.
Für die Regelung von thermischen Solaranlagen besonders bevorzugt ist eine Regelvorrichtung gemäss den Merkmalen des Anspruchs 2, wobei hingewiesen wird, dass die elektrischen Bauteile miteinander und mit einem Druckfühler verbunden sind, der, wie auch die Temperaturfühler, an die Solarleitung angeschlossen ist (sind) und ein Zeitschaltglied die temperatur-geführte Regelfunktion einleitet.
Ein bedeutender Vorteil in der Praxis der Haustechnikinstallation ist der Umstand, dass sich, gemäss Anspruch 3 alle für die Regelung notwendigen Sensoren und Armaturen auf einer Monta- geplatte bzw. in einem Gehäuse befinden. Dadurch benötigt der Rohrverleger keinen Elektriker mehr (Montagezeitverkürzung).
Die Montage von Tauchhülsen an mediumführenden Rohren entfällt, da sich, gemäss Anspruch 4 die Anschlüsse der Fühler bereits vormontiert im Gehäuse (bzw. auf der Montageplatte) befinden und gemäss Anspruch 5 zusätzlich auch die Anzeigearmaturen.
Sogar die Sicherheitsarmaturen und das versorgungsspannungsführende Kabel sind auf der Montageplatte bzw. im Gehäuse bereits vormontiert (Anspruch 6).
Lediglich 4 Rohrverbindungen (21), das Ausblaserohr (30) des Sicherheitsventils (12) und das versorgungsspannungsführende Kabel (29), eventuell mit Netzstecker (31), ragen (Anspruch 7) aus dem Gehäuse (der Montageplatte) und machen die Regelvorrichtung zu einem extrem montagefreundlichen Kompaktbauteil.
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<tb>
<tb>
Legende <SEP> zu <SEP> den <SEP> Figuren <SEP> 1 <SEP> bis <SEP> 3.
<tb>
Zu <SEP> Fig. <SEP> 1, <SEP> Position <SEP> 1 <SEP> bis <SEP> 24 <SEP> : <SEP>
<tb> 1 <SEP> Sonnenkollektor <SEP>
<tb> 2 <SEP> Solarspeicher
<tb> 3 <SEP> Wärmetauscher
<tb> 4 <SEP> Primärpumpe
<tb> 5 <SEP> Druckfühler
<tb> 6 <SEP> Zeitschaltglied
<tb> 7 <SEP> elektronische <SEP> Regelung <SEP>
<tb> 8 <SEP> Rücklauftemperaturfühler
<tb>
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EMI5.1
<tb>
<tb> 9 <SEP> Vor) <SEP> auftemperaturfüh) <SEP> er <SEP>
<tb> 10 <SEP> Vorlaufrohr
<tb> 11 <SEP> Rücklaufrohr
<tb> 12 <SEP> Sicherheitsventil
<tb> 13 <SEP> Manometer
<tb> 14 <SEP> Vorlaufthermometer
<tb> 15 <SEP> Rücklaufthermometer
<tb> 16 <SEP> Rückschlagventil
<tb> 17 <SEP> Absperrvorrichtung
<tb> 18 <SEP> Füllhahn <SEP> (= <SEP> KFE-Hahn)
<tb> 19 <SEP> Entleerungshahn
<tb> 20 <SEP> Montageplatte <SEP> oder <SEP> Gehäuse
<tb> 21 <SEP> Rohrverbindungen
<tb> 22 <SEP> Ausdehnungsleitung
<tb> 23 <SEP> Entlüfter
<tb> 24 <SEP> Strömungsfühler
<tb> Zu <SEP> Fig. <SEP> 2 <SEP> und <SEP> 3, <SEP> Position <SEP> 25, <SEP> 26 <SEP> und <SEP> 27
<tb> 25 <SEP> Sonnenkollektor-Temperaturfühler
<tb> 26 <SEP> Solarspeicher-Temperaturfühler
<tb> 27 <SEP> Wärmetauscher-Temperaturfühler
<tb> Wieder <SEP> zu <SEP> Fig. <SEP> 1, <SEP> Position <SEP> 28 <SEP> bis <SEP> 31 <SEP> : <SEP>
<tb> 28 <SEP> Ausdehnungseinrichtung
<tb> 29 <SEP> versorgungsspannungsführendes <SEP> Kabel
<tb> 30 <SEP> Ausblaserohr
<tb> 31 <SEP> Netzstecker
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