-
Die
Regelung und Steuerung einer Solaranlage erfolgt in der Regel auf
zwei Wegen:
Am weitesten verbreitet ist die Temperaturmessung
im oder am Solarkollektor sowie an der oder den Wärmeabnahmestellen.
Die Temperaturen werden von einer Regelung verglichen und sobald
die Temperatur des Solarkollektors um eine gewünschte Differenz höher ist
als an der Wärmeabnahmestelle
z.B. ein Warmwasserspeicher, wird der Solarkreis in Betrieb gesetzt,
und zwar derart, dass durch eine Pumpe das flüssige Medium in den Rohrleitungen
eines Kreislaufes vom Solarkollektor zur Wärmeabnahmestelle und zurück umgewälzt wird.
-
Sinkt
die Temperaturdifferenz wieder unter die gewünschte Höhe, wird der Kreislauf wieder
gestoppt.
-
Bei
einer weitere Form der solaren Betriebsweise wird von einer Solar-Messstelle
die solare Einstrahlung ermittelt und bei einer einstellbaren Mindesteinstrahlung,
z.B. 300 Watt wird ein erster Solarkreis, vorzugsweise über eine
Pumpe in Betrieb genommen.
-
Der
erste Kreislauf der Solaranlage führt üblicherweise zunächst zu
einer Weiche, z.B. einem so genannten Dreiweg-Ventil und nicht zur Wärmeabnahmestelle
(z. B. Warmwasserspeicher). Solange die Temperatur des Mediums im
Solarkreislauf, an der Weiche nicht um eine festgelegte Temperatur
höher ist
als an der Wärmeabnahmestelle,
wird das flüssige
Medium wieder zu den Kollektoren zurückgeführt. Erst wenn die Temperatur
an oder in der Nähe
der Weiche höher
ist, als an der Wärmeabnahmestelle
wird der Kreislauf weiter zur Wärmeabnahmestelle
freigegeben.
-
Dadurch
ergeben sich jedoch, verschiedene Probleme. So muss häufig nachträglich ein
Elektrokabel zwischen dem Solarmesser auf dem Dach oder der Außenwand
bzw. dem Temperaturfühler
beim Solarkollektor und dem Regler im Heizungskeller verlegt werden
was sich deshalb als besonders schwierig darstellt, weil ein „auf Putz
verlegtes Kabel" von
dem Wohnungsbesitzer eines Hauses nicht gewünscht wird. Ist der Solarmesser
auf dem Dach angebracht und die Leitung verlegt, so werden die Kabel
häufig
durch Vögel
und Marder zerstört
oder der Solarmesser bzw. Temperaturfühler durch Überspannung eines in der Nähe erfolgten
Blitzes so beschädigt
das eine genaue Messung nicht mehr möglich ist.
-
Ein
Austausch der Messstelle auf dem Dach ist problematisch, da ohne
aufwendige Absicherung des Monteurs eine Reparatur nicht möglich ist.
Ist es Winter und die Dachziegeln sind mit Schnee oder Eis behaftet,
ist eine Reparatur auf einem Schrägdach nur mit sehr großen Aufwand
möglich.
-
Bei
der Version mit dem Solarmesser kann ein weiteres Problem bei geringer
solarer Einstrahlung auftreten. Die solare Einstrahlung kann zwar
hoch genug sein damit die Umwälzpumpe
in Betrieb gesetzt wird, aber nicht ausreicht um genügend Wärme zu erzeugen
um der Wärmeabnahmestelle
Wärme zuzuführen, z.B. wenn
die Wärmeabnahmestelle
bereits über
eine höhere
Temperatur verfügt.
Dann ist während
des ganzen Tages die Umwälzpumpe
in Betrieb, ohne dass der Wärmeabnahmestelle
Wärme zugeführt werden
kann. Die Pumpe arbeitet also völlig
umsonst. Das bedeutet dass bei schlechten Wetter und bei Regen,
insbesondere in der Winterzeit, nicht nur die Pumpe unnötig häufig umsonst
läuft,
sondern außerdem
die im Solarkollektor erzeugte Wärme
durch die Wärmezirkulation
in den Rohren, zur Weiche und zurück wieder in erheblichem Umfang
verlustig geht.
-
Ist
im Winter ergiebiger Schneefall, so kann der Solarmesser (2)
unterhalb des Schnees liegen, wärmend
bei nennenswerter solarer Einstrahlung der Schnee vom Glas der Solarkollektoren
(12) abrutschen kann. Der Solarmesser (2) würde dann
den Solarkreis (18) nicht in Betrieb setzen, sodass es
zu keiner Wärmeabführung der
Solarkollektoren (12) zur Wärmeabnahmestelle (13)
kommen kann.
-
Die
Erfindung sieht vor, dass in der Zeit in der der ein solarer Ertrag
möglich
ist, also tagsüber,
der solare Kreislauf (18), vorzugsweise durch den Betrieb
der Umwältspumpe
(3), und zwar über
eine Intervallschaltung für
kurze Zeit in Betrieb gesetzt wird, nämlich gerade so lange um das
Medium vom Sonnenkollektor (12) zur Temperaturmessstelle
(4) zu führen.
Statt die Temperatur an mindestens einer Temperaturmessstelle (5)
mindestens einer Wärmeabnahmestelle
(13) zu messen, kann ein Temperatur-Fühler (6) stattdessen
in oder an der Leitung (17) zum Solarkollektor (12)
angebracht sein, vorzugsweise in der Nähe der Wärmeabnahmestelle(n) (13).
Wenn später
von der Temperatur der Wärmeabnahmestelle
(13) gesprochen wird, so sind die Messstellen 5 und 6 gemeint
von mindestens einer Wärmeabnahmestelle
(13). Dies ist so zu verstehen, dass entweder die Messstelle 5 oder 6 vorhanden
ist.
-
Die
Erfindung sieht weiter vor, dass die Pumpe (3), über eine
Intervallschaltung nur für
kurze Zeit in Betrieb gesetzt wird, nämlich gerade so lange um das
Medium vom Sonnenkollektor (12) zur Temperaturmessstelle
(4) an der Leitung zur Wärmeabnahmestelle (13)
oder zur Weiche (20) zu führen.
-
Ist
nun an der Temperaturmessstelle (4) die Temperatur nicht
um die gewünschte
Gradzahl höher
als die der Temperaturmessstelle (5) der Wärmeabnahmestelle
(13), so wird die Umwälzpumpe
(3) wieder abgeschaltet.
-
Nach
einer beliebig wählbaren
Zeit z.B. 15 Minuten, wird die Pumpe (3) wieder in Betrieb
gesetzt.
-
Eine
weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Ruheintervalle in Abhängigkeit
von der Temperaturdifferenz zwischen der Solar-Messstelle 4 und
der Messstelle (5 ,6) an der Wärmeabnahmestelle (13)
festgelegt wird.
-
Bei
hoher solarer Einstrahlung und höhere
Außentemperatur
ist die Intervallzeit von 15 Minuten zu lang. Bei leistungsfähigen Solarkollektoren
(12) kann während
dieser Zeit die Flüssigkeit
in den Solarkollektoren (12) bereits den Siedepunkt erreichen
und zu Störungen
der Anlage führen.
-
Bei
geringer solarer Einstrahlung kann die Intervallzeit von 15 Minuten
wiederum zu gering sein.
-
Eine
Lösung
dieser Aufgabe besteht darin das nicht starr eine bestimmt Interwallzeit
vorgegeben wird, sondern die Intervallzeit durch einen geeigneten
Rechner im Solarregler (1) in Abhängigkeit der Temperatur an der
Messstelle (4) und der Temperatur der Wärmebedarfsstelle (13)
sich jeweils selbst errechnet.
-
Dies
hat so zu geschehen, dass je höher
die Temperatur-Differenz
der Wärmeabnahmestelle
(13) gegenüber
der Temperatur der Messstelle (4) ist, desto größer der
Interwallzeitraum ist in der der Kreislauf (18) nicht in
Betrieb genommen wird.
-
Beispielhaft
ist nachfolgend angegeben wie die Intervallzeiten bei unterschiedlichen
Temperaturdifferenzen sein könnten.
-
-
Die
Wärmeabnahmestelle
(13) wurde hier mit einer konstantesten Temperatur von
60° C angegeben.
-
Natürlich kann
die Wärmeabnahmestelle
(13) auch eine andere, beliebige Temperatur aufweisen. Wichtig
ist alleine die höhe
der Temperaturdifferenz.
-
Entscheidend
ist dabei zunächst
die Temperaturdifferenz zwischen Wärmeabnahmestelle (13)
und der Temperatur an der Solar-Messstelle (4). Ist die
negative Temperaturdifferenz besonders hoch z.B. –50° C dann ist
der Ruheinterwalle besonders lang. Je niedriger die negative Temperaturdifferenz
ist, umso kürzer
ist der Ruheinterwall, bis eine positive Temperaturdifferenz festgestellt
wird, die so hoch ist, das es lohnt den Kreislauf (18, 19)
in Dauerbetrieb zu nehmen.
-
Die
angegebenen Temperaturen und die Zeit der Ruheinterwalle sind beispielhaft
angegeben und können
je nach Situation geändert
werden. Zwischen diesen Temperaturen wird der Zeitinterwalle gleitend
festgestellt, d.h. bei einer negativen Temperaturdifferenz von –40° C wäre dann
der Ruheinterwall z.B. 35 Minuten.
-
Der
Rechner nimmt vorzugsweise eine Korrektur vor, nämlich dann, wenn die Temperaturen
ein hohes Niveau erreicht haben z. B. die Wärmeabnahmestelle (13) über eine
Temperatur von 90° C
verfügt
und der Kollektor (12) über
eine Temperatur von 80°C
verfügt,
also eine Temperaturdifferenz von –10° C. Dann wird der Ruhe-Interwalle
verkürzt
z. B. statt 15 Minuten nur 5 Minuten, da davon ausgegangen werden
kann dass genügend
hohe Solareinstrahlung vorhanden ist und ein zu langer Ruheinterwalle
die Flüssigkeit
der Solarkollektoren (12) zum Siedepunkt führen würde. Das
bedeutet, dass je höher
die Temperatur an der Messstelle (4) ist, desto kürzer sind
die Ruheintervalle.
-
Wenn
mehrfach in Folge eine hohe, weitgehenst unveränderte negative Temperaturdifferenz
zwischen der Messstelle (4) und der Wärmeabnahmestelle (13)
festgestellt wird, wird vorzugsweise der Ruheintervall verlängert, da
davon auszugehen ist, dass die Gegebenheiten sich voraussichtlich
weiterhin nicht ändern.
Tritt an der Wärmeabnahmestelle
(13) jedoch eine Temperaturreduzierung ein z.B. wenn frisches
Kaltwasser in die Wärmeabnahmestelle
fließt,
so wird der Ruheintervall durch Zirkulation der Flüssigkeit
im Solarkreis (18) unterbrochen.
-
Verfügt die solare
Anlage über
eine Solarmessgerät
(2), so wird der Ruheintervall ebenfalls unterbrochen,
wenn an dem Solarmessgerät
(2) eine Erhöhung
der solaren Einstrahlung stattfindet.
-
Im
Falle der Verwendung eines Solarmessgerätes (2), sieht die
Erfindung vor, dass die vom Solarmessgerät (2) festgestellte
solare Einstrahlung mit der Temperatur der Wärmeabnahmestelle (13)
verglichen wird. Je nach Temperatur der Wärmeabnahmestelle muss der Solarmesser
(2) eine solare Einstrahlungsstärke feststellen um die Umwälzpumpe
(3) in Betrieb zu nehmen. Beträgt z.B. die Temperatur der
Wärmeabnahmestelle
20°C, so
genügt
eine solare Einstrahlung von z.B. 300 Watt. Beträgt hingegen die Temperatur
an der Wärmeabnahmestelle
(13) z.B. 40°C,
so muss die solare Einstrahlung z.B. 400 Watt betragen, bevor die
Umwälzpumpe
(3) in Betrieb gesetzt wird. Das heißt je höher die Temperatur an der Wärmeabnahmestelle (13), umso
höher muss
die solare Einstrahlung sein, um den solaren Kreislauf (18)
in Betrieb zu nehmen.
-
Gibt
dass Solarmessgerät
(2) jedoch während
der hellen Zeit des Tages keine Werte an, so geht der Regler (1)
von einer Störung
aus und beginnt mit der beschriebenen Intervall-Schaltung, als wäre kein Solarmessgerät (2)
vorhanden.
-
Ist
keine solare Messstelle (2) vorhanden, so ist es sinnvoll,
eine andere Vorrichtung zur Verhinderung eines plötzlichen
Temperaturanstieges bis zum Siedepunkt der Solarkollektoren (12),
durch plötzliche
Erhöhung
der solaren Einstrahlung vorzusehen. Dies kann vorzugsweise dadurch
geschehen, dass in den Solarkreislauf (18) ein Druckmelder
(21) vorgesehen wird. Durch den Anstieg der solaren Einstrahlung
wird sich die Temperatur der Solarkollektoren (12) und
damit der Flüssigkeit
der Solarkollektoren (12) erhöhen und in Folge der Druck
der solaren Flüssigkeit
im Solarkreislauf (18) ansteigen. Erreicht der Druck der
Flüssigkeit
im Solarkreislauf (18) einen vorher festgelegten Wert,
dann wird der Solarkreis (18) in Betrieb gesetzt, vorzugsweise durch
Inbetriebnahme der Pumpe (3) und dabei die Flüssigkeit
aus den Solarkollektoren (12) zur Messstelle (4)
transportiert. Die Messstelle (4) kann dann den neuen Wert
der Temperaturdifferenz gegenüber
der Wärmeabnahmestelle
(13) ermitteln.
-
Die
Intervallzeit kann auch in Abhängigkeit
von der Leistungsfähigkeit
der Solarkollektoren (12), des Standortes und der Jahreszeit
festgelegt werden. Je schneller der Temperaturanstieg der Solarkollektoren
(12) und je intensiver die solare Einstrahlung am Standort
der Solaranlage ist, umso kürzer
müssen
die Ruheintervalle sein, im Vergleich zu weniger leistungsfähigen Solarkollektoren
(12), einem Standort mit weniger intensiver solarer Einstrahlung
und der Winterzeit. Vorzugsweise muss das Regelgerät (1)
diese Unterschiede berücksichtigen
können.
-
Vorzugsweise
wird die Leistungsfähigkeit
der Kollektoren (12) und/oder die solare Einstrahlungsintensität und/oder
die Jahreszeit durch eine Kennziffer im Regelgerät (1) berücksichtigt,
so dass das Regelgerät (1)
die optimalen Zeitintervalle errechnen kann.
-
Wählt man
sinnvolle Ruheintervalle, so wird die Umwälzpumpe (3) bei negativer
Temperaturdifferenz nur selten in Betrieb genommen
-
Eine
Zeitschaltuhr im Regler (1) kann den Beginn des Intervallbetriebes
freigeben, vorzugsweise bei Beginn des Sonnenaufganges und beendet
die Intervallzeit bei Sonnenuntergang.
-
Sind
mehrere Wärmeabnahmenstellen
(13) vorhanden so wird die Messstelle bei der Wärmeabnahmestelle
(13) mit der niedrigsten Temperatur zum Vergleich der Temperaturdifferenz
herangezogen.
-
Statt
wie oben ausgeführt,
den Solarkreis (18) gleich zur Wärmeabnahmestelle zu führen, kann
er zunächst
auch nur bis zu einer Weiche (20) geführt werden, und ein zweiter
Kreislauf (19) führt
von der Weiche (20) zur Wärmeabnahmestelle (13).
-
In
diesem Fall wird die Messstelle (4) in oder an der Leitung
des ersten Kreislaufes (18) zwischen Solarkollektoren (12)
und Weiche (20) angebracht.
-
Ist
die solare Temperatur entsprechend höher als die der Wärmeabnahmestelle
(13), so wird der zweite Kreislauf (19) zwischen
Weiche (20) und Wärmeabnahmestelle
(13) in Betrieb gesetzt.
-
Ist
die Weiche (20) ein Dreiweg-Ventil, so genügt eine
Umstellung des Ventilweges um den Flüssigkeitsstrom zur Wärmeabnahmestelle
(13) zu führen.
-
Statt
eines Dreiwegeventiles kann die Weiche (20) auch ein externer
Wärmetauscher
(9) mit mindestens zwei Strömungskanälen (7, 8)
sein.
-
Der
erste Kreislauf (18) zwischen Solarkollektoren und Wärmetauscher
führt durch
den Solarkollektor-Strömungskanal
(7) und der zweite Kreislauf (19) zwischen Wärmetauscher
(9) und Wärmeabnahmestelle (13)
führt durch
den zweiten Strömungskanal
(8).
-
Verfügt die solare
Temperaturmessstelle (4) über die geforderte höhere Temperatur
als die Wärmeabnahmestelle
(13), so wird auch der zweite Solarkreis (19)
in Betrieb gesetzt, vorzugsweise über eine weitere Pumpe (14).
-
Vorzugsweise
soll das Regelgerät
(1) mit einer Vorrichtung, vorzugsweise einem Display und
Bedienertastatur ausgestattet sein, mit der die Bedienung und Einstellung
des Reglers (1) und das einfache Ablesen der vom Regler
(1) ermittelten Daten möglich
ist.
-
Diese
Einrichtung kann sowohl unmittelbar am Regler (1) angebracht
sein, als auch an einem anderen Ort und/oder in eine andere Vorrichtung
integriert sein, wie z.B einem Personalcomputer oder ein Gerät mit dem
weitere Einrichtung des Hauses bedient und Daten gemessen werden.
Neben einem Computer könnte dies
auch eine Telefonanlage, die Zentralstelle einer Haus-Bus-Anlage
sein oder eine andere Form der Geräteüberwachung und Steuerung eines
Hauses. Die Daten vom Regler (1) zu dieser anderen Vorrichtung
können per
Funk oder Kabel übertragen
werden.
-
Figurenbeschreibung:
-
1:
Eine Solaranlage, bestehend aus einem Regelgerät (1), Solarkollektoren
(12), einer Wärmeabnahmestelle
(13), einer Pumpe (3), einer Leitung (10)
von den Sonnenkollektoren (12) zu Wärmeabnahmestelle (13)
und einer Rücklaufleitung
(11), von der Wärmeabnahmestelle
(13) zu den Sonnenkollektoren (12), einer Wärmemessstelle
in der Vorlaufleitung (4), sowie einer weiteren Messstelle
(5) in der Wärmeabnahmestelle (13).
-
Das
Regelgerät
(1) verfügt über eine
Intervallschaltung bei der die Intervallzeiten nicht fest vorgegeben
sind, sondern in Abhängigkeit
von der Temperaturdifferenz zwischen den Messstellen 4 und 5,
die Pumpe (3) einschaltet und damit den Solarkreislauf
(18) in Betrieb setzt. Ist die Temperaturdifferenz zwischen
den Wärmefühlern (4, 5))
so, dass die Solarkollektoren (12) der Wärmeabnahmestelle
(13) Wärme
zuführen
können,
bleibt die Pumpe (3) in Betrieb.
-
Im
Regelgerät
(1) befindet sich die Zeitschaltuhr, die den Betrieb der
Pumpe (3) erst dann frei gibt, wenn eine Solareinstrahlung
voraussichtlich gegeben ist, also kurz nach Sonnenaufgang und kurz
vor Sonnenuntergang.
-
In
dem Solarkreis (18) ist ein Druckmesser (21) angebracht.
Die in einem Solarkreis (18) üblichen Sicherheitseinrichtungen
wie Sicherheitsventil, Ausdehnungsgefäß u.a. sind nicht gezeichnet,
da zum Verständnis
nicht erforderlich. Dies gilt auch für die nachfolgenden Figurbeschreibungen.
-
2 unterscheidet
sich von der 1 dadurch, dass zusätzlich eine
Solarmessstelle (2) vorhanden ist, die die solare Einstrahlungsintensität ermittelt
und die Einschaltung der Pumpe (3) erst dann zulässt, wenn eine
ausreichend hohe Einstrahlungsintensität vorhanden ist.
-
Die
Messstelle (6) für
die Ermittlung der Temperaturdifferenz ist in der Rücklaufleitung
(11) nahe der Wärmeabnahmestelle
(13) angeordnet, ein Druckmesser ist hier nicht vorhanden.
-
3:
Ist Analog der (1) ohne Druckmesser.
Sie besitzt jedoch zusätzlich
eine Weiche (20) die aus einem Drei-Weg-Ventil bestehen kann. Zunächst zirkuliert
ein erster Kreislauf (18) zwischen Solarkollektor (12),
Weiche (20) und wieder zurück zum Solarkollektor (12).
Erst bei einer positiven Temperaturdifferenz, wenn Wärme vom
Solarkollektor (12) zu Wärmeabnahmestelle (13)
transportiert werden kann, wird der Kreislauf (18) erweitert über die
Weiche (20) um einen weiteren Kreislauf (19) zur
Wärmeabnahmestelle
(13). Die Wärmefühler der
Messstelle (4) sind angebracht zwischen Sonnenkollektor
(12) und Weiche (20), vorzugsweise unmittelbar
vor der Weiche (20) und die weitere Messstelle (5)
in der Wärmeabnahmestelle
(13).
-
4 unterscheidet
sich von der 3 dadurch, das die Weiche (20)
ein Wärmetauscher
(9) ist, bei dem ein erster Kreislauf (18) an
den Strömungskanal
(7) angeschlossen ist und ein weiterer Strömungskanal (9)
in Entgegengesetzte Richtung den Strömungskanal (8) passiert
und an den Kreislauf (19) nämlich der Leitung (16)
und der Leitung (17) zwischen Wärmeabnahmestelle (13)
und Wärmetauscher
(9) angeschlossen ist.
-
Melden
die Wärmemessstellen
(4) und die Wärmeabnahmestelle
(13) eine positive Temperaturdifferenz so schaltet der
Regler (1) zusätzlich
zur Pumpe (3) die Pumpe (14) in Betrieb, sodass
das Medium Solar-Kreislaufes (18) mittels des Strömungskanales
(7) Wärme über eine
gemeinsame Wandung an das Medium des Strömungskanales (8) und
damit an den Kreislauf (19) abgibt. Der Regler kann auch
hier zusätzlich um
eine Solarmessstelle (2) ergänzt sein, die hier nicht dargestellt
ist.
-
- 1
- Solarregler
- 2
- Solarmessgerät
- 3
- Pumpe
im Solarkreis
- 4
- Messstelle
- 5
- Wärmemessstelle
der Wärmeabnahmestelle
- 6
- Wärmemessstelle
- 7
- Strömungskanal
Solarkreis
- 8
- Strömungskanal
Kreislauf Wärmeabnahmestelle
- 9
- Wärmetauscher
- 10
- Leitung
von den Solarkollektoren
- 11
- Leitung
zu den Solarkollektoren
- 13
- Wärmeabnahmestelle
- 12
- Solarkollektor
- 14
- Pumpe
im zweiten Kreislauf
- 15
- Kabel
zu den Messpunkten
- 16
- Leitung
Weiche zur Wärmeabnahmestelle
- 17
- Leitung
Wärmeabnahmestelle
zur Weiche
- 18
- Kreislauf
Solarkollektor
- 19
- Kreislauf
Weiche – Wärmeabnahmestelle
- 20
- Weiche
- 21
- Druckmelder
