AT512034A4

AT512034A4 - Solaranlage und Verfahren zum Betreiben einer Solaranlage

Info

Publication number: AT512034A4
Application number: ATA50208/2012A
Authority: AT
Original assignee: Walter Meier Klima Schweiz Ag
Priority date: 2011-08-09
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-05-15
Also published as: CH705353A1; CH705353B1; AT512034B1; DE102012105000A1; DE102012105000B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solaranlage (1) mit einem Sonnenkollektor (2), einem Wärmespeicher (3), einer Umwälzpumpe (4, 4') und einem Aufnahmebehälter (5), welche in einem Förderkreislauf (6) für eine Wärmeträgerflüssigkeit angeordnet sind, wobei der Wärmespeicher (5) über eine Rücklaufleitung (8, 8.1, 8.2) mit dem Sonnenkollektor (2) verbunden und der Aufnahmebehälter (5) in einer vom Sonnenkollektor (2) kommenden Vorlaufleitung (7, 7.1, 7.2) angeordnet ist, und wobei die Vorlaufleitung (7, 7.1) und die Rücklaufleitung (8, 8.1) über eine Bypassleitung (9) miteinander verbunden sind, wobei die Bypassleitung (9) über eine in die Bypassleitung (9) eingesetzte Ventileinrichtung (10) an den Aufnahmebehälter (5) angeschlossen ist, wobei die Bypassleitung (9) oberhalb einer Grenzebene (12) zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit (14) und einem Luftpolster (13) an den Aufnahmebehälter (5) angeschlossen ist und die Mündung (15) der Vorlaufleitung (7, 7.1) in den Aufnahmebehälter (5) unterhalb der Grenzebene (12) zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit (14) und dem Luftpolster (13) liegt. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben der Solaranlage (1).

Description

1

(38653) HEL

Die Erfindung betrifft eine Solaranlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Solaranlage gemäss Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche. Bei der Solaranlage handelt es sich um eine thermische Solaranlage.

Bekannte thermische Solaranlagen mit Drain-Back-Systemen mit einem Förder-kreislauf für eine Wärmeträgerflüssigkeit weisen oftmals im Vorlauf bzw. in der Vorlaufleitung einen Aufnahmebehälter oder alternativ einen übergross dimensionierten Wärmetauscher auf, welcher die Funktion des Aufnahmebehälters mit übernimmt. Der Vorlauf bzw. die Vorlaufleitung ist die vom Sonnenkollektor kommende Leitung, die im Betrieb die aufgewärmte Wärmeträgerflüssigkeit zum Wärmespeicher führt. Bei der Wärmeträgerflüssigkeit handelt es sich in der Regel um Wasser oder um ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel (z.B. Glykol).

Im ausgeschalteten Zustand befindet sich die Wärmeträgerflüssigkeit in dem Aufnahmebehälter, während der Sonnenkollektor und zumindest die oberen Leitungen des Förderkreislaufs keine Wärmeträgerflüssigkeit enthalten bzw. leer sind. Sobald die Temperatur im Sonnenkollektor die Temperatur im Wärmespeicher übersteigt, wird eine Umwälzpumpe gestartet und Wärmeträgerflüssigkeit durch den Sonnenkollektor gefördert. Die in dem Sonnenkollektor befindliche Luft wird dabei in den Aufnahmebehälter bzw. alternativ in den Wärmetauscher hinuntergedrückt, falls 2 dieser die Funktion des Aufnahmebehälters übernimmt. Sobald die gewünschte Temperatur im Wärmespeicher erreicht ist, wird die Umwälzpumpe abgeschaltet und die Wärmeträgerflüssigkeit fliesst aus dem Sonnenkollektor in den Aufnahmebehälter zurück, sodass ein Überhitzen der Solaranlage verhindert wird (vgl. Prospekt „Profitieren Sie von der Energie der Sonne - Solarsysteme Oertli", Walter Meier (Klima Schweiz) AG, Oktober 2009). Derartige Solaranlagen werden auch als Solaranlagen mit Drain-Back-Systemen bezeichnet, wobei der Aufnahmebehälter die Drain-Back-Box darstellt und auch als Drain-Behälter bezeichnet wird. Üblicherweise handelt es sich bei den bekannten Solaranlagen um in sich geschlossene Systeme, d.h. die in der Solaranlage befindliche Luft wird nicht ausgetauscht.

Die Offenlegungsschrift DE 199 53 493 A1 offenbart eine thermische Solaranlage, an dessen Förderkreislauf ein Schutzkreislauf angeschlossen ist. Der Schutzkreislauf umfasst den frost- und überhitzungsgefährdeten, insbesondere den die Sonnenkollektoren aufweisenden Bereich der Solaranlage. Die Solaranlage hat einen Vorratsbehälter, der mit dem Wärmeträgermedium und einem Schutzmedium, welches ein geringeres spezifisches Gewicht als das Wärmeträgermedium hat, befüllt ist. Die vom Sonnenkollektor kommende Vorlaufleitung ist unterhalb des Grenzbereichs zwischen Wärmeträgermedium und Schutz-medium an den Vorratsbehälter angeschlossen. Eine Bypassleitung verbindet den Vorratsbehälter mit einem in die Rücklaufleitung eingesetzten Drei-Wege-Ventil, wobei die Bypassleitung oberhalb des Grenzbereichs zwischen Wärmeträgermedium und Schutzmedium an den Vorratsbehälter angeschlossen ist. Als Schutzmedium wird zweckmäßigerweise Öl eingesetzt. Wenn eine Hochtemperaturbelastung oder Frost, d.h. eine ausserhalb des Normalbetriebsbereichs liegende Betriebssituation auftritt, wird das Schutzmedium in den Schutzkreislauf gefördert.

Aus der Europäischen Patentschrift EP 1 692 435 B1 ist eine thermische Solaranlage mit Auffangkammer und einer Gasabscheideeinrichtung bekannt, wobei die Gasabscheideeinrichtung ein Gasabscheidematerial wie beispielsweise Edelstahl- 3 wolle aufweist. Die Gasabscheideeinrichtung ist über die Vorlaufleitung mit dem Sonnenkollektor verbunden. Durch das Vorsehen der Gasabscheideeinrichtung wird der Einsatz kostengünstiger Umwälzpumpen ermöglicht, die eine geringere Druckdifferenz als bei herkömmlichen selbstentleerenden Solaranlagen eingesetzte Umwälzpumpen aufbringen. Zum Befüllen der Solaranlage sind ein Absperrventil in der Vorlaufleitung und eine Bypassleitung vorgesehen, welches ein Rückschlagventil aufweist. Alternativ kann in der Rücklaufleitung ein Umschaltventil vorgesehen sein, über welches die Bypassleitung an die Rücklaufleitung angeschlossen ist. Im Betrieb insbesondere bei niedriger Flussgeschwindigkeit kann Luft aus der Aufnahmekammer und der Gasabscheideeinrichtung nach oben entgegen der Flussrichtung der Wärmeträgerflüssigkeit zum Sonnenkollektor strömen, was zu einem Blockieren der Solaranlage bzw. von deren Funktion führen kann. Ferner zeichnet sich die aus EP 1 692 435 B1 bekannte Solaranlage durch keine hohe Benutzerfreundlichkeit aus, was die Montage und Dimensionierung angeht.

Ein häufiger Nachteil bekannter Solaranlagen nach dem Drain-Back-Prinzip ist, dass im Betrieb der Auftrieb der Luft, welche im Förderkreislauf enthalten ist und welche sich im Aufnahmebehälter bzw. im als Aufnahmebehälter fungierenden Wärmetauscher unter Bildung eines Luft-polsters ansammelt, gegen die Flussrichtung der vom Sonnenkollektor kommenden Wärmeträgerflüssigkeit wirkt. Dies führt dazu, dass mehr Energie und somit eine leistungsstärkere Umwälzpumpe benötigt werden, um den Durchfluss der Wärmeträgerflüssigkeit durch den Sonnenkollektor aufrecht zu erhalten. Ferner hat dies zur Folge, dass ein modulierender Betrieb mit sehr geringen Volumenströmen der Wärmeträgerflüssigkeit wegen des Auftriebs des sich im Aufnahmebehälter bildenden Luftpolsters kaum möglich ist, da der Auftrieb gegen die Flussrichtung wirkt. Weiter kann sich wegen des gegen die Flussrichtung der Wärmeträgerflüssigkeit wirkenden Auftriebs des Luftpolsters die Entleerung der Sonnenkollektoren je nach Umwälzpumpentyp als sehr aufwändig gestalten und den zusätzlichen Einsatz von Bypass-Ventilen erforderlich machen.

Bei den bekannten Solaranlagen erfolgt die Regelung der Umwälzpumpe üblicherweise anhand der Temperaturdifferenz zwischen einer von einem Kollektortempera- 4 turfühler gemessenen Kollektortemperatur und einer von einem Wärmespeichertemperaturfühler gemessenen Wärmespeichertemperatur. Ist die Kollektortemperatur höher als die Wärmespeichertemperatur werden die Umwälzpumpe und somit die Solaranlage eingeschaltet. Dies kann jedoch je nach Sonneneinstrahlung und Wärmeverlusten im Vorlauf bzw. in der Vorlaufleitung nachteilig sein, wenn nämlich die tatsächliche Temperatur im Vorlauf bzw. in der Vorlaufleitung unterhalb der Wärmespeichertemperatur liegt, was zu einer Auskühlung des Wärmespeichers führt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Solaranlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Solaranlage bereitzustellen, mit welchen die eingangs genannten Nachteile bekannter Solaranlagen vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird durch eine Solaranlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Solaranlage mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Die erfindungsgemässe Solaranlage umfasst einen Sonnenkollektor, einen Wärmespeicher, eine Umwälzpumpe und einen Aufnahmebehälter, welche in einem Förderkreislauf für eine Wärmeträgerflüssigkeit angeordnet sind. Unter einem Wärmespeicher wird auch ein Heizwasserspeicher, ein Brauch wassere nwärmer bzw. Brauchwasserspeicher (Boiler), ein Wärmetauscher bzw. ein Wärmetauscherregister verstanden. Als Wärmeträgerflüssigkeit können zum Beispiel Wasser oder ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (beispielsweise Glykol) eingesetzt werden. Der Wärmespeicher ist über eine Rücklaufleitung des Förderkreislaufs mit dem Sonnenkollektor verbunden. Der Aufnahmebehälter ist in einer vom Sonnenkollektor kommenden Vorlaufleitung angeordnet. Mittels der Umwälzpumpe wird die durch den Sonnenkollektor erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit über die Vorlaufleitung vom Sonnenkollektor zum Wärmespeicher und von dort die abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit über die Rücklauf leitung wieder zurück zum Sonnenkollektor gefördert. Der Aufnahmebehälter wird auch als Drain-Back-Behälter bezeichnet. 5

Die Umwälzpumpe ist vorzugsweise in einem unteren Abschnitt der Rücklaufleitung angeordnet ist, der auch im entleerten Stillstand der Solaranlage mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist, sodass die Umwälzpumpe bei einem Start/Befüllen der Solaranlage nach dem Stillstand unmittelbar Wärmeträgerflüssigkeit schöpfen und zum Sonnenkollektor befördern kann. Mit dem Ausdruck „entleerter Stillstand der Solaranlage“ ist der Zustand gemeint, wenn die Umwälzpumpe nicht betrieben ist und der Sonnenkollektor von Wärmeträgerflüssigkeit entleert ist.

Alternativ kann die Umwälzpumpe in einem unteren Abschnitt der Vorlaufleitung angeordnet sein, der dem Aufnahmebehälter flussrichtungsmässig nachgeschaltet ist und der im entleerten Stillstand der Solaranlage mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist.

Bevorzugt ist jedoch die Anordnung der Um-wälzpumpe in dem unteren Abschnitt der Rücklaufleitung, d.h. in derjenigen der beiden Leitungen Vorlaufleitung und Rücklaufleitung, die kältere Wärmeträgerflüssigkeit enthält, da die Abwärme der Umwälzpumpe ebenfalls zum Erwärmen der Wärmeträgerflüssigkeit verwendet werden kann und die Belastung der Dichtungen der Umwälzpumpe dort niedriger ist.

Die Rücklaufleitung und die Vorlaufleitung sind über eine Bypassleitung miteinander verbunden, wobei die Bypassleitung über eine in die Bypassleitung eingesetzte Ventileinrichtung an den Aufnahmebehälter angeschlossen ist. Die Bypassleitung ist oberhalb einer Grenzebene zwischen der in dem Aufnahmebehälter befindlichen Wärmeträgerflüssigkeit und einem in dem Aufnahmebehälter gebildeten Luftpolster an den Aufnahmebehälter angeschlossen. Die Mündung der Vorlaufleitung in den Aufnahmebehälter liegt unterhalb dieser Grenzebene zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit und dem Luftpolster.

Die Grenzebene zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit und dem Luftpolster ergibt sich im Aufnahmebehälter, wenn die Solaranlage mit Wärmeträgerflüssigkeit befüllt 6 wird bzw. nach deren Befüllung, wobei die Höhe der Grenzebene im Aufnahmebehälter je nach Betriebszustand variabel ist.

Die Ventileinrichtung umfasst vorzugsweise ein Drei-Wege-Ventil oder zwei Zwei-Wege-Ventile, von denen eines in der Bypassleitung zwischen Aufnahmebehälter und Vorlaufleitung und eines in der Bypassleitung zwischen Aufnahmebehälter und Rücklaufleitung angeordnet ist. Das Drei-Wege-Ventil bzw. die Zwei-Wege-Ventile können derart ausgeführt sein, dass das Öffnen bzw. Schliessen elektrisch oder mittels Federkraft bewirkt wird. Bei dem Drei-Wege-Ventil bzw. den Zwei-Wege-Ven-tilen kann sich beispielsweise um motorisch oder um magnetisch angetriebene Ventile (d.h. um Motorventile oder Magnetventile) handeln. Die Ventileinrichtung ist vorzugsweise über ein Steuergerät steuerbar/regelbar.

Im Betrieb und beim Füllvorgang der erfindungsgemäßen Solaranlage ist die Ventileinrichtung geschlossen, sodass keine Luft des Luftpolsters entgegen der Flussrichtung der Wärmeträgerflüssigkeit in der Vor und in der Rücklaufleitung nach oben zu dem und gegebenenfalls in den Sonnenkollektor fliessen kann, wobei sich die Flussrichtung auf die Vorlauf leitung bezieht. Dies hat den Vorteil, dass die Umwälzpumpe auch bei sehr geringen Volumenströmen einfach modulierend und somit bei tiefen Drehzahlen betrieben werden und dadurch der Stromverbrauch reduziert werden kann. Im Stillstand der Solaranlage ist die Ventileinrichtung vorzugsweise geöffnet, sodass sowohl die Vorlaufleitung/der Vorlaut als auch die Rücklauflei· tung/der Rücklauf belüftet werden und Luft sowohl über die Vorlaufleitung als auch über die Rücklaufleitung in den Sonnenkollektor strömen kann, was einen sicherer Abfluss der Wärmeträgerflüssigkeit von dem Sonnenkollektor sicherstellt und Frostschutz und Schutz vor durch Überhitzung der Wärmeträgerflüssigkeit hervorgerufene Überhitzungsschäden garantiert.

Gemäss einem wetteren Aspekt der erfindungsgemässen Solaranlage ist dem Wärmespeicher ein Wärmespeichertemperaturfühler, der Vor lauf leitung ein Vorlauftemperaturfühler und vorzugsweise dem Sonnenkollektor ein Kollektortemperatur-fühler zugeordnet. Es ist ein Steuergerät zur Steuerung der Umwälzpumpe der So- 7 laranlage vorgesehen. Der Wärmespeichertemperaturfühler, der Vorlauftemper-aturfühler und der vorzugsweise vorgesehene Kollektortemperaturfühler sind an das Steuergerät angeschlossen. Der Vorlauftemperaturfühler ist im Förderkreislauf vorzugsweise zwischen dem Aufnahmebehälter und dem Wärmespeicher angeordnet, wobei er bevorzugterweise möglichst nahe am Wärmespeicher angeordnet ist. Alternativ kann der Vorlauftemperaturfühler im Förderkreislauf in bzw. an der Vorlaufleitung zwischen dem Sonnenkollektor und dem Aufnahmebehälter angeordnet sein, vorzugsweise am bzw. in der Nähe des Eintrittspunkts der Vorlaufleitung in den Aufnahmebehälter und somit möglichst nahe am Eingang des Aufnahmebehälters. Der Ausdruck „möglichst nahe“ ist dabei montagetechnisch zu verstehen und bezeichnet den nähesten Punkt der jeweiligen Leitung am Wärmespeicher bzw. am Eingang des Aufnahmebehälters, an dem eine Montage des Vorlauftemperaturfüh-lers technisch möglich ist. Dieser Punkt liegt in der Regel maximal 1 Meter vom Wärmespeicher bzw. vom Eingang des Aufnahmebehälters entfernt.

Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren zum Betreiben einer solchen Solaranlage wird die Umwälzpumpe von dem Steuergerät in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der von dem Vorlauftemperaturfühier ermittelten bzw. gemessenen Temperatur (Vorlauftemperatur) und der von dem Wärmespeichertemperaturfühler ermittelten bzw. gemessenen Temperatur (Wärmespeichertemperatur) gesteuert bzw. geregelt und zwar insbesondere sobald Wärmeträgerflüssigkeit im Förderkreislauf zum Vorlauftemperaturfühler gelangt. Ist die Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Wärmespeichertemperatur positiv, so wird die Umwälzpumpe von dem Steuergerät betrieben, sodass die Wärmeträgerflüssigkeit den Förderkreislauf durchläuft und die Wärme vom Sonnenkollektor zum Wärmespeicher führt. Ist diese Temperaturdifferenz gleich Null oder negativ wird die Umwälzpumpe von dem Steuergerät abgeschaltet und die Wärmeträgerflüssigkeit fliesst von dem Sonnenkollektor in den Aufnahmebehälter zurück. Die Steuerung der Umwälzpumpe erfolgt über die Steuerung von deren Drehzahl.

Bevor Wärmeträgerflüssigkeit im Förderkreislauf zum Vorlauftemperaturfühler gelangt, wird die Umwälzpumpe von dem Steuergerät vorzugsweise in Abhängigkeit 8 von der Temperaturdifferenz zwischen der dem Sonnenkollektor zugeordneten Kollektortemperaturfühler ermittelten bzw. gemessenen Temperatur (Kollektortemperatur) und der von dem Wärmespeichertemperaturfühler ermittelten bzw. gemessenen Temperatur {Wärmespeichertemperatur) ge-steuert bzw. geregelt. Ist die letztgenannte Temperaturdifferenz zwischen der Kollektortemperatur und der Wärmespeichertemperatur positiv, so wird die Umwälzpumpe von dem Steuergerät gestartet und betrieben, sodass die Wärmeträgerflüssigkeit den Förderkreislauf durchläuft und die Wärme vom Sonnenkollektor zum Wänmespeicher führt. Ist die Temperaturdifferenz gleich Null oder negativ wird die Umwälzpumpe von dem Steuergerät abgeschaltet und die Wärmeträgerflüssigkeit fliesst in den Aufnahmebehälter zurück. Sobald Wärmeträgerflüssigkeit zum Vorlauftemperaturfühler gelangt und dieser somit eine Vorlauftemperatur ermitteln/messen kann, schaltet die Steuerung um und das Steuergerät steuert/regelt die Umwälzpumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Wärmespeichertemperatur wie im vorhergehenden Absatz beschrieben.

Dass die Umwälzpumpe und somit die Solaranlage in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Wärmespeichertemperatur gesteuert wird, insbesondere wenn die Wärmeträgerflüssigkeit im Förderkreislauf bis zum Vorlauftemperaturfühler gelangt, hat gegenüber einer alleinigen Steuerung in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Kollektortemperatur und der Wärmespeichertemperatur den Vorteil eines genaueren und effizienteren Betriebs der Solaranlage. Durch diesen genauen Betrieb kann die Kollektortemperatur so tief wie möglich gehalten werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Wärmeverluste in den Leitungen des Förderkreislaufs zwischen Sonnenkollektor und Wärmespeicher möglichst gering zu halten. Es kann hierdurch vermieden werden, dass Wärmeträgerflüssigkeit, deren Temperatur in der Vorlaufleitung kälter ist ais die Wärmespeichertemperatur, in den Wärmespeicher gelangt und diesen auskühlt. Dass die Vorlauftemperatur unterhalb der Kollektortemperatur liegt kann beispielsweise eine Folge von Wärmeverlusten in den Leitungen des Förderkreislaufs sein. 9

Bis der Vorlauftemperaturfühler einen Messwert der Vorlauftemperatur liefern Kann, wird die Umwälzpumpe in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen Kollektortemperatur und Wärmespeichertemperatur gestartet und betrieben.

Der Aufnahmebehälter kann separat bzw. extern von oder integriert mit dem Wärmespeicher ausgeführt sein. Bei einer integrierten Ausgestaltung ist der Aufnahmebehälter vorzugsweise innerhalb des Wärmespeichers bzw. am Wärmespeicher innerhalb von dessen Speicherisolierung vorgesehen.

Die erfindungsgemässe Solaranlage kann selbstverständlich auch mehrere Sonnenkollektoren, mehrere Wärmespeicher und/oder mehrere Umwälzpumpen im Förderkreislauf umfassen, wobei vorzugsweise eine entsprechende Anzahl Aufnahmebehälter, Ventileinrichtungen, Bypassleitungen und/oder Temperaturfühler vorgesehen sind.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und den anhand der Zeichnungen nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Solaranlage im Stillstand,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Solaranlage während des Füllvorgangs und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Solaranlage im Normalbetrieb.

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Komponenten.

In den Figuren 1 bis 3 ist eine erfindungsgemässe Solaranlage 1 dargestellt, wobei Figur 1 die Solaranlage 1 im Stillstand, Figur 2 die Solaranlage 1 beim Befüllen mit Wärmeträgerflüssigkeit und Figur 3 die Solaranlage 1 im Normalbetrieb zeigt. Figur 1 zeigt den eingangs definierten „entleerten Stillstand der Solaranlage“. 10

Die Solaranlage 1 umfasst einen Sonnenkollektor 2, einen Wärmespeicher 3, eine Umwälzpumpe 4 und einen Aufnahmebehälter 5, welche in einem Förderkreislauf 6 angeordnet sind. Der Förderkreislauf 6 weist eine Vortaufleitung 7 zur Förderung der mittels des Sonnenkollektors 2 erwärmten Wärmeträgerflüssigkeit von dem Sonnenkollektor 2 über den Aufnahmebehälter 5 zum Wärmespeicher 3 und eine Rücklaufleitung 8 zur Förderung der abgekühlten Wärmeträgerflüssigkeit von dem Wärmespeicher 3 zurück zum Sonnenkoliektor 2 auf. Die Umwälzpumpe 4 ist in der Rücklaufleitung 8 angeordnet und zwar vorzugsweise in einem unteren, wärmespeicherseitigen Abschnitt 8.2 der Rücklaufleitung 8, der auch im Stillstand mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist. Alternativ kann die Umwälz-pumpe 4’ in der Vorlaufleitung 7 angeordnet sein und zwar vorzugsweise in einem unteren, wärmespeicherseitigen Abschnitt 7.2 der Vorlaufleitung 7, der auch im Stillstand mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist. Beide Anordnungsvarianten der Umwälzpumpe 4,4’ haben bei einem Start/Befüllen der Solaranlage 1 nach einem Stillstand den Vorteil, dass die Umwälzpumpe 4,4’ sogleich Wärmeträgerflüssigkeit schöpfen und fordern kann. In den Figuren 1 bis 3 ist die Umwälzpumpe 4’ gestrichelt dargestellt. Die nachfolgenden Ausführungen zur Umwälzpumpe 4 gelten, soweit nicht anders vermerkt, auch für die Umwälzpumpe 4’.

Es ist eine Bypassleitung 9 vorgesehen, die die Vorlaufleitung 7 und die Rücklaufleitung 8 (bzw. deren obere Abschnitte 7.1 und 8.1) miteinander verbindet. Die Bypassleitung 9 ist in Flussrichtung gesehen vor dem Aufnahmebehälter 5 an den Abschnitt 7.1 der Vorlaufleitung 7 angeschlossen. An den Abschnitt 8.1 der Rücklaufleitung 8 ist die Bypassleitung 9 in Flussrichtung vorzugsweise nach der Umwälzpumpe 4 angeschlossen.

In die Bypassleitung 9 ist eine Ventileinrichtung 10 eingesetzt, über welche die Bypassleitung 9 an den Aufnahmebehälter 5 angeschlossen ist, wobei der aufnahmebehälterseitige Ausgang der Ventileinrichtung 10 vorzugsweise über eine Zuleitung 11 mit dem Aufnahmebehälter 5 verbunden ist. Die Bypassleitung 9 ist oberhalb einer Grenzebene 12 zwischen einem Luftpolster 13 und Wärmeträgerflüssigkeit 14, welche beide nach dem Befüllen der Solaranlage 1 in dem Aufnahmebehälter 5

10 2012/50208 11 vorhanden sind, an den Aufnahmebehälter 5 angeschlossen. Die Mündung 15 der Vorlaufleitung 7 bzw. des Abschnitts 7.1 der Vorlaufleitung 7, der von dem Sonnenkollektor 2 zum Aufnahmebehälter 5 führt, in den Aufnahmebehälter 5 liegt dagegen unterhalb dieser Grenzebene 12. Das heisst, die aufnahmebehälterseitige Öffnung des Abschnitts 7.1 der Vorlaufleitung 7 liegt unterhalb der Grenzebene 12 und somit unterhalb des Anschlusses der Bypassleitung 9 an den Aufnahmebehälter 5.

Die Ventileinrichtung 10 ist vorzugsweise als Drei-Wege-Ventil 16 mit einem rücklaufleitungsseitigen Ausgang, einem vorlaufleitungsseitigen Ausgang und einem aufnahmebehälterseitigen Ausgang realisiert. Alternativ kann die Ventileinrichtung 10 durch zwei Zwei-Wege-Ventile 17.1 und 17.2 realisiert sein, wobei ein Zwei-Wege-Ventil 17.1 in der Bypassleitung 9 zwischen dem Anschluss an den Aufnahmebehälter 5 und dem oberen Ab-schnitt 8.1 der Rücklaufleitung 8 und ein Zwei-Wege-Ventil 17.2 in der Bypassleitung 9 zwischen dem Anschluss an den Aufnahmebehälter 5 und dem oberen Abschnitt 7.1 der Vorlaufleitung 7 angeordnet ist.

Ferner ist dem Sonnenkollektor 2 ein Kollektortemperaturfühler 18, dem Wärmespeicher 3 ein Wärmespeichertemperaturfühler 19 und der Vorlaufleitung 8 ein Vor-lauftemperaturtühler 20 zugeordnet. Es ist ein Steuergerät 21 zur Steuerung/-Regelung der Umwälzpumpe 4 vorgesehen, wobei das Steuergerät 21 über entsprechende, nicht näher bezeichnete Steuerleitungen mit der Umwälzpumpe 4, der Ventileinrichtung 10, dem Kollektortemperaturfühler 18, dem Wärmespeichertemperaturfühler 19 und dem Vorlauftemperaturfühler 20 verbunden ist. Die Signalleitungen sind in den Figuren 1 bis 3 gestrichelt dargestellt.

Der Kollektortemperaturfühler 18 ist im bzw. am zur Förderung der Wärmeträgerflüssigkeit bestimmten Teil des Sonnenkollektors 2 angeordnet. Der Wärmespeichertemperaturfühler 19 ist in bzw. am Wärmespeicher 3, vorzugsweise in bzw. an dessen unterem Bereich, angeordnet.

Der Vorlauftemperaturfühler 20 ist in bzw. an der Vorlaufleitung 7 angebracht. Gemäss bevorzugter Ausgestaltung ist der Vorlauftemperaturfühler 20.1 in bzw. an

12 10 2012/50208 dem Abschnitt 7.1 der Vorlaufleitung 7 angebracht, der vom Sonnenkollektor 2 zum Aufnahmebehälter 5 führt, und vorzugsweise zwar möglichst nahe am Aufnahmebehälter 5, insbesondere an bzw. in der Nähe eines Eintrittspunktes des Abschnitts 7.1 der Vorlaufleitung 7 in den Aufnahmebehälter 5 wie dies in den Figuren 1 bis 3 für den Vorlauftemperaturfühler 20.1 dargestellt ist.

Gemäss alternativer bevorzugter Ausgestaltung ist der Vorlauftemperaturfühler 20.2 in bzw. an dem unteren Abschnitt 7.2 der Vorlaufleitung 7 angebracht, die den Aufnahmebehälter 5 mit dem Wärmespeicher 3 verbindet, wobei der Vorlauftemperaturfühler 20.2 vorzugsweise näher an dem Wärmespeicher 3 als an dem Aufnahmebehälter 5 an-geordnet ist (vgl. den Vorlauftemperaturfühler 20.2 in den Figuren 1 bis 3). Der Abschnitt 7.2 der Vorlauf leitu ng 7 ist unten bzw. in einem unteren Bereich des Aufnahmebehälters 5 an diesen derart angeschlossen, dass der Anschluss im Betrieb mit Wärmeträgerflüssigkeit 14 gefüllt und bedeckt ist und die Wärmeträgerflüssigkeit durch diesen zum Wärmespeicher 3 fliessen kann.

Die Solaranlage 1 wird derart betrieben bzw. deren Umwälzpumpe 4 wird derart von dem Steuergerät 21 gesteuert, dass die Umwälzpumpe 4 betrieben wird, wenn die von dem Wärmespeichertemperaturfühler 19 ermittelte Wärmespeichertemperatur unterhalb der von dem Vorlauftemperaturfühler 20 ermittelten Temperatur liegt. Erreicht die Wärmespeichertemperatur einen gewünschten, vorbestimmten Grenzwert, ist insbesondere die Temperaturdifferenz zwischen der Vollauftemperatur und der Wärmespeichertemperatur gleich Null oder ist die Wärmespeichertemperatur grösser als die Vorlauftemperatur, so wird die Umwälzpumpe 4 von dem Steuergerät 21 wieder abgeschaltet, die Ventileinrichtung 10 wird geöffnet und die Wärmeträ-gerflüssigkeit fliesst in den Aufnahmebehälter 5 und in den unteren Abschnitt 7.2 der Vorlaufleitung und den unteren Abschnitt 8.2 der Rücklaufleitung 8 zurück (Stillstand der Solaranlage 1, vgl. Figur 1). Hierdurch kann ein Überhitzen der Solaranlage 1 und insbesondere der Wärmeträgerflüssigkeit im Sonnenkollektor 2 verhindert werden.

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Beim Start der Solaranlage 1, bevor vom Sonnenkollektor 2 erwärmte Wärmeträgerflüssigkeit in der Vorlaufleitung 7 am Vorlauftemperaturfühler 20 vorliegt, d.h. bevor der Vorlauftemperaturfühler 20 einen Messwert für die Vorlauftemperatur liefern kann, wird die Umwälzpumpe 4 von dem Steuergerät 21 vorzugsweise in Abhängigkeit von einer Temperaturdifferenz zwischen einer von dem Kollektortemperaturfühler 18 ermittelten Temperatur und der von dem Wärmespeichertemperaturfühler 19 ermittelten Temperatur betrieben. Ist die Kollektortemperatur höher als die Wärme-Speichertemperatur so wird die Umwälzpumpe 4 eingeschaltet/betrieben. Erreicht die Wärmespeichertemperatur einen vorbestimmten Grenzwert, insbesondere die ermittelte Kollektortemperatur, so wird die Umwälzpumpe 4 ausgeschaltet. Sobald Wärmeträgerflüssigkeit im Förderkreislauf 6 zum Vorlauftemperaturfühler 20 gelangt, steuert/regeft das Steuergerät 21 die Umwälzpumpe bevorzugterweise nur noch in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Wärmespeichertemperatur wie im letzten Absatz beschrieben.

Die Steuerung/Regelung in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Wärmespeichertemperatur hat den Vorteil, dass eine exaktere Temperatursteuerung/-regelung der Soiaranlage 1 und somit eine Erhöhung von dessen Wirkungsgrad erzielt werden können. So wird bei derartiger Steuerung/Regelung die tatsächliche Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit in der Vorlaufleitung 7 berücksichtigt, die wegen Wärmeverlusten in der Vorlaufleitung 7 unterhalb der Kollektor-temperatur liegen kann. Wegen dieser Wärmeverluste könnte die Vorlauftemperatur sogar unterhalb der Wärmespeichertemperatur liegen. Bei der Steuerung/Regelung in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur (anstelle der Kollektortemperatur) und der Wärmespeichertemperatur verbleibt die Umwälzpumpe jedoch in diesem Falle im Stillstand oder stellt frühzeitig ab bzw. wird frühzeitig von dem Steuergerät 21 abgestellt, sodass derart abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit nicht in den Wärmespeicher 3 gelangen kann.

Im in Figur 1 dargestellten Stillstand der Solaranlage 1 wird die Ventileinrichtung 10 durch das Steuergerät 21 derart angesteuert, dass sie geöffnet ist, sodass die Bypassleitung 9 von der Rücklaufleitung 8 (bzw. deren Abschnitt 8.1), von der Vorlauf- 14 14 102012/50206 leitung 7 (bzw. deren Abschnitt 7.1) und von dem Aufnahmebehälter 5 aus mit Luft durchströmt werden und ein Druckausgleich stattfinden kann. Dies hat zur Folge, dass Luft des im Aufnahmebehälter 5 befindlichen Luftpolster 13 ungehindert vorteilhafterweise sowohl entlang des sonnenkollektorseitigen Abschnitts 7.1 der Vorlaufleitung 7 als auch entlang des sonnenkollektorseitigen Abschnitts 8.1 der Rücklaufleitung nach oben durch die Solaranlage 1 und somit in den Sonnenkollektor 2 aufsteigen kann. Gerade hierdurch wird ein sicherer Abfluss von in dem Sonnenkollektor 2 befindlicher Wärmeträgerflüssigkeit sichergestellt und eine Überhitzung der Wärmeträgerflüssigkeit verhindert.

Beim in Figur 2 dargestellten Befüllen der Solaranlage 1 mit der Wärmeträgerflüssigkeit und im in Figur 3 dargestellten Normalbetrieb der Solaranlage 1 wird die Ventileinrichtung 10 dahingegen von dem Steuergerät 21 so angesteuert, dass sie geschlossen ist, d.h. es ist keine Durchströmung der Bypassleitung 9 von dem Aufnahmebehälter 5, von der Rücklaufleitung 8 und von der Vorlaufleitung 7 (bzw. deren Abschnitten 7.1 und 8.1) aus möglich. Dies hat zur Folge, dass das in dem Aufnahmebehälter 5 befindliche Luftpolster 13 bzw. dessen Luft von dem Rest der Solaranlage 2 weggeschaltet wird, sodass es nicht über den oberen Abschnitt 7.1 der Vorlaufleitung 7 und auch nicht über den oberen Abschnitt 8.1 der Rücklaufleitung 8 in den Sonnenkollektor 2 strömen und dort befindliche Wärmeträgerflüssigkeit verdrängen kann. Der Weg der Luft nach oben in Richtung Sonnenkollektor 2 ist versperrt. Ein Wirken der Luft des Luftpolster 13 entgegen die Flussrichtung der Wärmeträgerflüssigkeit wird somit vorteilhafterweise verhindert, sodass die Umwälzpumpe 4 effizienter betrieben und auch bei sehr geringen Volumenströmen einfach modulierend betrieben werden und dadurch der Stromverbrauch reduziert werden kann. Ein modulierender Betrieb der Umwälzpumpe 4, insbesondere ein stufenlose Regelung in Abhängigkeit von der Intensität der Sonneneinstrahlung (z.B. höhere Drehzahl bei höherer Intensität, niedrigere Drehzahl bei diffusem Licht niedrigerer Intensität), kann einfacher realisiert werden. Das im Aufnahmebehälter 5 befindliche Luftpolster 13 wird jedoch als Expansionsvolumen bzw. als Ausdehnungs-Aufna-hme-Volumen im Aufnahmebehälter 5 selbst eingesetzt. Durch den Abschnitt 7.1 der Vorlaufleitung 7 in den Aufnahmebehälter 5 hineinströmende Luft kann weiterhin 15 ungehindert in den Aufnahmebehälter 5 gelangen und das Luftpolster 13 vergrös-sem, welches Volumen der Wärmeträgerflüssigkeit 14 im Aufnahmebehälter 5 ersetzt, wobei dieses Volumen der Wärmeträgerflüssigkeit dann insbesondere in dem Sonnenkollektor 2 und den oberen Leitungsabschnitten 7.1 und 8.1 zum Einsatz kommt. Während des in Figur 2 dargestellten Füllvorgangs wird bei eingeschalteter Umwälzpumpe 4 Wärmeträgerflüssigkeit nach dem Stillstand wieder über die Rücklaufleitung 8 zum Sonnenkollektor 2 gefördert.

In den Figuren 1 bis 3 sind die keine Wärmeträgerflüssigkeit enthaltenen Abschnitte der Vorlaufleitung 7 und der Rücklaufleitung 8 strichpunktiert dargestellt, wobei die Striche länger als die Striche der Steuerteitungen sind. Dies sind in Figur 1 (Stillstand der Solaranlage 1) die Abschnitte 7.1 und 8.1 und in Figur 2 (Befüllung der Solaranlage 1) der Abschnitt 7.1. Die Abschnitte, die mittels des Sonnenkollektors 2 erwärmte, vom Sonnenkollektor 2 kommende Wärmeträgerflüssigkeit enthalten, sind gepunktet bzw. mit kurzen Strichen, welche kürzer sind als die Striche der Steuerleitungen, dargestellt. Dies sind in den Figuren 1 und 2 (Stillstand und Befüllung) der Abschnitt 7.2 und der in den Aufnahmebehälter hineinragende, von Wärmeträgerflüssigkeit 14 umgebene Teil des Abschnitts 7.1 der Vorlaufleitung 7 und in Figur 3 (Normalbetrieb) die gesamte Vorlaufleitung 7 umfassend die Abschnitte 7.1 und 7.2. Die Abschnitte, die abgekühlte, vom Wärmespeicher 3 kommende Wärmeträgerflüssigkeit enthalten, sind durchgezogen dargestellt. Dies sind in Figur 1 (Stillstand) der Abschnitt 8.2 der Rücklaufleitung 8 und in den Figuren 2 und 3 (Befüllung und Normalbetrieb) die gesamte Rücklaufleitung 8 umfassend die Abschnitte 8.1 und 8.2.

Wie aus den Figuren 1 bis 3 ersichtlich ist die Umwälzpumpe 4 derart angeordnet, dass sie nicht nur im Normalbetrieb und während des Befüllens (Figuren 2 und 3), sondern auch im Stillstand vorteilhafterweise mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt, so-dass sie diese bei einem Start/Füllvorgang nach dem Stillstand sogleich zum Sonnenkollektor 2 fördern kann.

Claims

ff 10 2012/50208 Patentanwälte Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Spittelwiese 7, A 4020 Linz (38653) HEL Patentansprüche: 1. Solaranlage mit einem Sonnenkollektor (2), einem Wärmespeicher (3), einer Umwälzpumpe (4,4’) und einem Aufnahmebehälter (5), welche in einem Förderkreislauf (6) für eine Wärmeträgerflüssigkeit angeordnet sind, wobei der Wärmespeicher (5) über eine Rücklaufleitung (8, 8.1,8.2) mit dem Sonnenkollektor (2) verbunden und der Aufnahmebehälter (5) in einer vom Sonnenkollektor (2) kommenden Vorlaufleitung (7,7.1,7.2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlaufleitung (7,7.1) und die Rücklaufleitung (8,8.1) über eine Bypassleitung (9) miteinander verbunden sind, wobei die Bypassleitung (9) über eine in die Bypassleitung (9) eingesetzte Ventileinrichtung (10) an den Aufnahmebehälter (5) angeschlossen ist und wobei die Bypassleitung (9) oberhalb einer Grenzebene (12) zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit (14) und einem Luftpolster (13) an den Aufnahmebehälter (5) angeschlossen ist und die Mündung (15) der Vorlaufleitung (7,7.1) in den Aufnahmebehälter (5) unterhalb der Grenzebene (12) zwischen der Wärme-trägerflüssigkeit (14) und dem Luftpolster (13) liegt.
2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (10) ein Drei-Wege-Ventil (16) umfasst.
3. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (10) zwei Zwei-Wege-Ventile (17.1,17.2) umfasst, wobei ein Zwei-Wege-Ventil (17.2) in der Bypassleitung (9) zwischen Aufnahmebehälter (5) und Vorlauf leitung (7, 7.1) und ein Zwei-Wege-Ventil (17.1) in der Bypassleitung (9) zwischen Aufnahmebehälter (5) und Rücklaufleitung (8, 8.1) angeordnet ist.
4. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (4) in einem unteren Abschnitt (8.2) der Rücklaufleitung (8)

2 angeordnet ist, der auch im entleerten Stillstand der Solaranlage (1) mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist.
5. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (4’) in einem unteren Abschnitt (7.2) der Vorlaufleitung (7) angeordnet ist, der auch im entleerten Stillstand der Solaranlage (1) mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist.
6. Solaranlage insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Sonnenkollektor (2), einen Wärmespeicher (3), eine Umwälzpumpe (4,4’) und einen Aufnahmebehälter (5), welche in einem Förderkreislauf (6) für eine Wärmeträgerflüssigkeit angeordnet sind, wobei der Wärmespeicher (3) über eine Rücklauf-leitung (8,8.1,8.2) mit dem Sonnenkollektor (2) verbunden und der Aufnahmebehälter (5) in einer vom Sonnenkollektor (2) kommenden Vorlauf leitung (7,7.1, 7.2) angeordnet ist, und wobei dem Wärmespeicher (3) ein Wärmespeichertemperaturfühler (19) zugeordnet ist und ein Steuergerät (21) zur Steuerung der Umwälzpumpe (4, 4’) vorgesehen ist, wobei der Wärmespeichertemperaturfühler (19) an das Steuergerät (21) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlaufleitung (7,7.1,7.2) ein Vorlauftemperaturfühler (20,20.1,20.2) zugeordnet ist, welcher an das Steuergerät (21) angeschlossen ist.
7. Solaranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauftemperaturfühler (20.2) im bzw. am Förderkreislauf (6) zwischen dem Aufnahmebehälter (5) und dem Wärmespeicher (3) angeordnet ist.
8. Solaranlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauftemperaturfühler (20.1) im bzw. am Förderkreislauf (6) zwischen dem Sonnenkollektor (2) und dem Aufnahmebehälter (5) angeordnet ist.
9. Solaranlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorlauftemperaturfühler (20.1) am Eintrittspunkt der Vorlaufleitung (7.1) in den Aufnahmebehälter (5) angeordnet ist.

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10. Soiaranlage nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sonnenkollektor (2) ein Kollektortemperaturfühler (18) zugeordnet ist, weicher an das Steuergerät (21) angeschlossen ist.
11. Verfahren zum Betreiben einer Solaranlage nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe (4,4’) vom Steuergerät (21) in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der von dem Vorlauftemperaturfühler (20, 20.1,20.2) ermittelten Temperatur und der von dem Wärmespeichertemperaturfühler (19) ermittelten Temperatur gesteuert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Start der Solaranlage (1) die Umwälzpumpe (4,4’) vom Steuergerät (21) solange in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der von einem dem Sonnenkollektor (2) zugeordneten Kollektortemperaturfühler (18) ermittelten Temperatur und der von dem Wärmespeichertemperaturfühler (19) ermittelten Temperatur gesteuert wird, bis Wärmeträgerflüssigkeit im Förderkreislauf (6) bis zum Vorlauftemperaturfühler (20, 20.1,20.2) gelangt. Linz, am 30. Mai 2012 Walter Meier (Klima Schweiz) AG durch: /Dl Karl Winfried Hellmich/ (elektronisch signiert)