AT507980B1 - Anlage zur wärmegewinnung - Google Patents
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Abstract
Anlage zur Wärmegewinnung mit einem Solarkollektor zur Erwärmung von Brauchwasser, dessen Auslass mit einem Brauchwasserspeicher verbunden ist, wobei der Brauchwasserspeicher stromab des Solarkollektors angeordnet ist und ein Heizelement zum Nachheizen des Brauchwassers beim Nichterreichen einer gewünschten Brauchwassertemperatur durch den Solarkollektor aufweist, wobei das Heizelement auf seiner Oberfläche eine Sicherheitsvorrichtung zum Erfassen einer Oberflächentemperatur des Heizelementes aufweist, die einer vorgegebenen Grenztemperatur des Brauchwassers im Heizbetrieb entspricht und der Abschaltung der Energieversorgung des Heizelements beim Überschreiten dieser vorgegebenen Grenztemperatur dient.
Description
österreichisches Patentamt AT507 980B1 2012-06-15
Beschreibung
ANLAGE ZUR WÄRMEGEWINNUNG
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie, insbesondere auf eine Thermosiphonanlage.
[0002] Eine Anlage zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie besteht grundsätzlich aus Sonnenkollektoren, welche die Sonnenenergie einfangen und an ein Wärmeträgermedium (Wasser-Glykol, Wasser-Ethanol) abgeben, einem Speicher und einem geschlossenen Kreislauf, der die im Kollektor aufgenommene Wärme zum Speicher transportiert. Der Wärmeträgermedium, auch Sole genannt, wird durch die Sonnenstrahlung im Kollektor erwärmt und dann über den Solekreislauf dem Speicher zugeführt. Anschließend kann die Sonnenwärme zum Beispiel zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung oder Schwimmbaderwärmung genutzt werden.
[0003] Aus der DE 195 45 155 ist ein Temperaturbegrenzer, angeordnet in einem Gehäuse mit Heizstäben, bekannt. Bei diesem Temperaturbegrenzer wird einen Temperaturanstieg durch die Bildung eines Wärmestaus, verursacht durch die Verkalkung des Heizelements, auf einen Sicherheitstemperaturfühler übertragen. Damit wird eine Unterbrechung der Stromzufuhr zu den Heizelementen bewirkt. Die Bildung eines Wärmestaus ist für das Wirkungsprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung nachteilig und ungewünscht.
[0004] In dem DE 297 18 500 wird die Energiezufuhr eines Heizstabs über ein Schaltelement, angeordnet am Ende eines Wärmeleitelements unterbrochen. Bei einem so genannten Trockenbrandschutz wird hier explizit auf die Temperatur des Heizstabs, wenn er nicht von Flüssigkeit umgeben ist, abgestellt.
[0005] Bei einer Thermosiphonanlage wird die unterschiedliche spezifische Dichte des Wassers bei unterschiedlicher Temperatur genutzt, um den Wasserkreislauf nach dem Schwerkraftprinzip anzutreiben. Aus dem Dichteunterschied zwischen dem warmen und kalten Wasser steigt das warme (leichtere) Wasser nach oben. Dabei ist wichtig, dass der Speicher oberhalb des Kollektors angeordnet ist, damit eine dauerhafte Zirkulation gewährleistet ist. Eine Pumpe oder ein Regler sind dabei nicht mehr erforderlich.
[0006] Da es bei dieser Anlage keine temperaturabhängige Reglung gibt, können sich bei einer solaren Beheizung Wassertemperaturen im Speicher größer als 100Ό ergeben.
[0007] Auf der anderen Seite kann bei unzureichender Sonnenstrahlung die von dem Benutzer gewünschte Wassertemperatur nicht erreicht werden. In diesem Fall werden elektrische Heizelemente wie Heizstäbe eingesetzt, um die Wunschtemperatur zu sichern. Diese Heizstäbe verfügen neben einer Thermostat-Regelung über eine Sicherheitsvorrichtung, die eine Überschreitung der Wassertemperatur von über 100°C z.B. bei einer Fehlfunktion des Heizstabs oder der Thermostat-Regelung verhindert. Dabei unterbricht ein so genannter Sicherheitstemperaturbegrenzer (STB) beim Überschreiten der lOOO-Wassertemperaturgrenze die Stromzufuhr zum Heizelement und verriegelt sich, damit der fehlerhafte Heizstab beim Unterschreiten der Wassertemperatur von 100 °C nicht automatisch wieder in Betrieb geht.
[0008] Es kann somit nicht unterschieden werden, ob die Brauchwassertemperatur durch solare Erwärmung oder durch eine Fehlfunktion im Heizstab überschritten worden ist. Somit wird sich der Sicherheitstemperaturbegrenzer in beiden Fällen, bei einer Überschreitung der Brauchwassertemperatur durch Sonneneinstrahlung über 100°C und auch durch elektrische Beheizung über 100°C, abschalten. Eine solche Sicherheitsabschaltung stellt sich dann nicht automatisch zurück und darf nur von einer Fachkraft vor Ort wieder zurückgestellt werden. Dies ist aufwendig und teuer.
[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie, insbesondere eine Thermosiphonanlage derart zu verbessern, dass ein Abschalten der Anlage im Fall einer Sonneneinstrahlung beim Überschreiten einer definierten Temperatur verhindert wird. 1 /7 österreichisches Patentamt AT507 980 B1 2012-06-15 [0010] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass die Anlage zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie, insbesondere eine Thermosiphonanlage, [0011] - einen Solarkollektor (1) und einem Brauchwasserspeicher (2) mit einem Wärmetau scher (3) zur Erwärmung von Brauchwasser aufweist, wobei der Solarkollektor (1) mit dem Brauchwasserspeicher (2) verbunden ist, wobei [0012] - der Brauchwasserspeicher (2) stromab des Solarkollektors (1) angeordnet ist und ein
Heizelement (4) zum Nachheizen des Brauchwassers beim Nichterreichen einer gewünschten Brauchwassertemperatur beim Beheizen durch den Solarkollektor (1) aufweist, wobei [0013] - das Heizelement (4) auf seiner Oberfläche eine Sicherheitsvorrichtung (5) zum Erfas sen einer Oberflächentemperatur des Heizelementes TSchait aufweist, die einer vorgegebenen Grenztemperatur TGrenz des Brauchwassers im Heizbetrieb entspricht und zum Abschalten der Energieversorgung des Heizelements beim Überschreiten dieser vorgegebenen Grenztemperatur dient.
[0014] Im Gegensatz zum Stand der Technik wird bei der erfindungsgemäßen Anlage nicht die Brauchwassertemperatur, sondern die Oberflächentemperatur des Heizstabs gemessen. Für die Erfassung der Temperatur kann vorzugsweise ein Kapillarfühler verwendet werden.
[0015] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung. Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen [0016] Figur 1 eine schematisch dargestellte Anlage zur Wärmegewinnung, [0017] Figur 2 eine schematische Darstellung des Heizelementes mit einer Sicher heitsvorrichtung, [0018] Figuren 3 und 4 einen Temperaturverlauf der Oberflächentemperatur des Heizelemen tes und der Wassertemperatur während des elektrischen Heizbetriebs, [0019] Figur 5 einen Temperaturverlauf der Oberflächentemperatur des Heizelemen tes und der Wassertemperatur während des Solarbetriebs und [0020] Figur 6 einen Temperaturverlauf der Oberflächentemperatur des Heizelemen tes und der Wassertemperatur aufgrund einer Fehlfunktion während des elektrischen Heizbetriebs.
[0021] In Figur 1 ist schematisch eine Anlage zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie mit einem - einen Absorber umfassenden - Solarkollektor 1 und einem Warmwasserspeicher 2 mit einem Wärmetauscher 3 dargestellt. Dabei ist der Warmwasserspeicher 2 stromab des Solarkollektors 1 angeordnet. Der Absorber des Solarkollektors 1 wandelt die Sonnenenergie in Wärme um und überträgt die Wärme auf eine frostgeschützte Solarflüssigkeit (z.B. Wasser-Glykol, Wasser-Ethanol) im Kollektor 1. Die Solarflüssigkeit wird somit rasch erwärmt und steigt auf Grund seiner geringeren Dichte auf. Die aufsteigende Solarflüssigkeit gelangt über den Kollektorvorlauf VL in den Warmwasserspeicher 2 und durchströmt dort den Wärmetauscher 3. Dabei gibt die Solarflüssigkeit die Wärme an das Brauchwasser ab. Die abgekühlte Solarflüssigkeit sinkt wegen der nun höheren Dichte über den Kollektorrücklauf RL in den Kollektor ab. Durch den Aufstieg der gleichzeitig erwärmten Solarflüssigkeit und das Absinken der abgekühlten Solarflüssigkeit im System entsteht ein Kreislauf 6.
[0022] Wenn die Soll-Temperatur des Brauchwassers bei einer Solarbeheizung nicht erreicht werden kann, wird diese über eine elektrische Nachheizung 4 in Form beispielsweise eines Heizstabs sichergestellt. Dabei bleibt die Oberflächentemperatur des Heizstabs gleich der Brauchwassertemperatur, wenn der Heizstab nicht in Betrieb ist.
[0023] Figur 3 zeigt den Verlauf der Brauchwassertemperatur a und der Temperatur gemessen an der Oberfläche des Heizelementes b während des regulären Betriebs des Heizelementes. 2/7
Claims (4)
- österreichisches Patentamt AT507 980 B1 2012-06-15 Beim Betrieb des Heizstabs ist seine Oberflächentemperatur wesentlich höher als die Brauchwassertemperatur. Bei einem im Thermostat eingestellten Soll-Wert der Brauchwassertemperatur von z.B. Tsoii=75°C und eine entstehende Temperaturdifferenz von z.B. ΔΤ=35Κ beträgt die Oberflächentemperatur des Heizstabs 110°C. [0024] Fig. 2 zeigt die Anbringung einer Sicherheitsvorrichtung 5 am Heizstab 4. Durch diese Anbindung der Sicherheitsvorrichtung 5 (Sicherheitstemperaturbegrenzer STB) an der Oberfläche des Heizstabs -wie in Fig. 4 gezeigt- kann die Brauchwassertemperatur auf eine Grenztemperatur TGrenz von z.B. 95°C begrenzt werden. Da die Brauchwassertemperatur und die Oberflächentemperatur des Heizstabs aneinander korreliert sind, kann so bei einer Brauchwassertemperatur TGrenz=95°C und einer entsprechenden Oberflächentemperatur des Heizstabs ein Schaltpunkt z.B. TSchait=130°C festgelegt werden. [0025] Figur 5 zeigt den Verlauf der Brauchwassertemperatur (Linie a) und der Oberflächentemperatur des Heizelements (Linie b) während des Solarbetriebs. Dabei kann die Wassertemperatur im Speicher maximal z.B. 120°C erreichen. Die Oberflächentemperatur des Heizstabs 4 -da der Heizstab nicht in Betrieb ist- erreicht dann ebenfalls 120°C, wobei die Sicherheitsvorrichtung 5 nicht aktiviert wird. Wie in Figur 5 dargestellt, wird somit die bei einer solaren Erwärmung maximal erreichbare Brauchwassertemperatur von z.B. Tmax=120°C (gestrichelte Linie c) unterhalb der festgelegten Schaltpunkttemperatur TSchait=130°C des Heizstabs (gestrichelte Linie d) bleiben. [0026] Figur 6 zeigt den Fall einer Fehlerfunktion des Thermostats im Speicher. Aufgrund der Fehlfunktion wird der Heizstab beim Erreichen der im Thermostat vorgegebenen Soll-Brauchwassertemperatur von z.B. 75° (Linie a) nicht abgeschaltet. Die Wassertemperatur im Speicher überschreitet somit die Solltemperatur von 75°C. Da der Heizstab in Betrieb ist, ist auch seine Oberflächentemperatur wesentlich höher als die Wassertemperatur im Speicher. Beim Erreichen der Brauchwasser-Grenztemperatur TGrenz=95qC erreicht die Oberflächentemperatur des Heizstabs ebenfalls ihren maximalen Wert TSchait=130°C und der Heizstab wird von der Sicherheitsvorrichtung 5 abgeschaltet. Somit wird die Sicherheitsvorrichtung 5 die Stromversorgung nur dann unterbrechen, wenn die Grenztemperatur des Brauchwassers TGrenz größer als 95°C ist und elektrisch geheizt wird. Ein Ausschalten des Heizstabs infolge einer solaren Beheizung wird somit verhindert. Patentansprüche 1. Anlage zur Wärmegewinnung aus Sonnenenergie, insbesondere eine Thermosiphonanla-ge, mit einem Solarkollektor (1) und einem Brauchwasserspeicher (2) mit einem Wärmetauscher (3) zur Erwärmung von Brauchwasser, wobei der Solarkollektor (1) mit dem Brauchwasserspeicher (2) verbunden ist, wobei der Brauchwasserspeicher (2) stromab des Solarkollektors (1) angeordnet ist und ein Heizelement (4) zum Nachheizen des Brauchwassers beim Nichterreichen einer gewünschten Brauchwassertemperatur beim Beheizen durch den Solarkollektor (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (4) auf seiner Oberfläche eine Sicherheitsvorrichtung (5) zum Erfassen einer Oberflächentemperatur des Heizelementes TSchalt aufweist, die einer vorgegebenen Grenztemperatur TGrenz des Brauchwassers im Heizbetrieb entspricht und zum Abschalten der Energieversorgung des Heizelements beim Überschreiten dieser vorgegebenen Grenztemperatur dient.
- 2. Anlage zur Wärmegewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Heizelement (4) ein Heizstab ist.
- 3. Anlage zur Wärmegewinnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Höchsttemperatur Tmax, die sich durch eine Beheizung mit dem Solarkollektor (1) ergibt, unterhalb der Oberflächentemperatur TSchait des Heizelementes (4) liegt, die der vorgegebenen Grenztemperatur TGrenz des Brauchwassers im Heizbetrieb entspricht. 3/7 österreichisches Patentamt AT507 980B1 2012-06-15
- 4. Anlage zur Wärmegewinnung nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Brauchwasser aufgrund der Schwerkraft in einem geschlossenen Kreislauf (6) zwischen dem Solarkollektor (1) und dem Warmwasserspeicher (2) zirkuliert. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen 4/7
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