DE102008027865A1 - Verfahren und Einrichtung zum Steuern der Beladevorgänge eines Wärmespeichers mit Wärme einer unsteten Wärmequelle, insbesondere mit solarer Wärme - Google Patents

Verfahren und Einrichtung zum Steuern der Beladevorgänge eines Wärmespeichers mit Wärme einer unsteten Wärmequelle, insbesondere mit solarer Wärme Download PDF

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Abstract

Es soll ein einfaches, aber effizientes Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zum Steuern der Beladevorgänge angegeben werden. Lösung: a) eine Umlaufpumpe (P, P1, P2) lässt einen Wärmeträger über einen Vorlauf (V, V') und einen Rücklauf (R, R') zwischen der Wärmequelle (1.1) und dem Wärmespeicher (2.2) oder einem zwischengeschalteten Wärmetauscher (WT) zirkulieren; b) Steuerung des Volumenstroms (Massendurchsatzes) des Wärmeträgers, derart, dass sich am Auslauf (A) der Wärmequelle (1.1) oder an einer vorbestimmten Stelle des Vorlaufs (V, V') oder am Einlauf (E, E') des Wärmespeichers (2.2) bzw. des Wärmetauschers (WT) eine Ist-Temperatur (Is) einstellt, die einer automatisch vorgegebenen, veränderlichen Soll-Temperatur (So) folgt; c)rechend einem dynamischen Temperatur-Bedarfswert desjenigen Systems (2.4, 2.5, 2.7, 3.1.1, ...) gebildet, dem die gespeicherte Wärme des Wärmespeichers (2.2) zugeführt wird; d) der dynamische Temperatur-Bedarfswert dieses Systems wird dynamisch aus individuellen Bedarfswerten für relevante Komponenten des Systems ermittelt. Besondere Eignung für thermische Solaranlagen.ö

Description

  • Aus der DE 43 13 276 C2 ist eine Solaranlage mit Solarmodul bekannt, das über einen Wärmetauscher einen Wärmespeicher beladen kann. Dort sind die Massendurchsätze des Primär- und des Sekundär-Kreislaufes des Wärmetauschers unabhängig voneinander regelbar, und zwar in Hinblick auf einen beliebig wählbaren Temperatur-Sollwert, wobei auch die Außentemperatur mit einbezogen werden kann, ohne dass jedoch angegeben ist, wie letzteres geschehen soll.
  • Die DE 28 25 405 C2 bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer Wärmeübertragungsanlage mit wenigstens zwei Wärmeerzeugern, von denen einer eine Solaranlage mit Heizwasser-Speicher ist, wobei mit einem umlaufenden Wärmeträger gearbeitet wird, der mit Hilfe einer Umlaufpumpe mit einer im Wesentlichen konstanten Umlaufmenge durch die Wärmeübertragungsanlage befördert wird. Bei „höherem Wärmebedarf” kann eine parallel geschaltete zweite Umlaufpumpe den Durchsatz durch die Sonnenkollektoren erhöhen. Die Umlaufpumpen werden durch ein Steuergerät betätigt, und zwar in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz, die sich in einem Heizwasserkreislauf zwischen Vorlauf und Rücklauf ergibt.
  • Dabei ist aber nicht bedacht geworden, dass (bei gleich bleibender Leistung des Sonnenkollektors) durch Zuschalten der zweiten Umlaufpumpe die Vorlauf-Temperatur sinken wird, was bei dem oben erwähnten „höheren Wärmebedarf” kontraproduktiv ist!
  • Mit dem Verfahren zur Regelung der Wärmeübergabe an Wärmetauschern nach der DE 198 34 742 A1 lässt sich zwar die Förderleistung so regeln, dass die pro Zeiteinheit übertragene Wärmemenge ein Maximum bildet, jedoch sind dafür zwei Temperatur-Sensoren und ein Volumenstromgeber erforderlich.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches, aber effizientes Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zum Steuern der Beladevorgänge eines Wärmespeichers mit Wärme einer unsteten Wärmequelle, insbesondere mit solarer Wärme, anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren bzw. die Einrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben, deren Merkmale auch, soweit sinnvoll, miteinander kombiniert werden können.
  • Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
    Nach dem Stand der Technik (z. B. DE 26 25 405 C2 , DE 43 13 276 C2 ) gehen bestehende Solarregelungen von einem vorgegebenen Temperatur-Sollwert für die Beladeregelung aus. Dieser Sollwert wird meist im Zusammenhang mit einer DT-Regelung (= Regelung nach einer Temperaturdifferenz dT) gebildet (z. B. Temperatur-Überhöhung gegenüber der Temperatur eines bestehenden Speichers o. ä.) oder über eine Eingabe als konstanter Sollwert zur Verfügung gestellt.
  • Nachteile dieser Regelung:
  • Der Sollwert der Solaranlage führt sehr selten zu einer tatsächlich vom System, dem die gespeicherte Wärme des Wärmespeichers zugeführt wird, geforderten Temperaturbereitstellung. Bei zu geringem solarem Temperaturniveau muss zur Nutzung noch zusätzlich Energie durch eine Nachheizung zugeführt werden. Bei zu hohem solarem Temperaturniveau wird die Beladung mit einem schlechteren Wirkungsgrad der solarthermischen Anlage durchgeführt. Beide Fälle führen zu einer uneffizienten Betriebsweise.
  • Abhilfe entsprechend der Erfindung:
  • Die dynamische Soll-Temperatur des solaren Wärmeerzeugers wird entsprechend einer dynamischen (Temperatur-)Anforderung des Systems (Heizsystems, Kühlsystems etc.) gebildet, und entsprechend der unterschiedlichen Beladevarianten (z. B. Beladung über externen Wärmetauscher, Beladung über internen Wärmetauscher im Speicher etc.) der Solarregelung zur Verfügung gestellt.
  • Vorteile dieser Regelung:
    • – Aufgrund der möglichst gering gehaltenen Soll-Temperatur wird die Solaranlage stets in einem der Wärmenutzung entsprechenden optimalen Betriebspunkt betrieben.
    • – Durch die Berücksichtigung der System-Temperaturanforderung (des Temperatur-Bedarfes) steht selbst bei geringer solarer Einstrahlung sofort ein nutzbares Temperaturniveau zur Verfügung, wodurch eine zusätzliche Nachheizung aufgrund zu geringer Temperatur entfällt.
    • – Die Bereitstellung einer dynamischen Soll-Temperatur ermöglicht die Berücksichtigung anlagenspezifischer Besonderheiten, und ist somit für verschiedenste Solarregelungen geeignet.
  • Zur Bildung der Soll-Temperatur werden Informationen über die verschiedenen Komponenten des Systems benötigt. Dazu werden alle relevanten Komponenten, denen die gespeicherte Wärme des Wärmespeichers zugeführt wird, nach deren augenblicklicher Temperaturanforderung (Temperatur-Bedarf) abgefragt. Aus diesen einzelnen Anforderungen (Temperatur-Bedarfswerten) wird die (System-)Soll-Temperatur gebildet. Im einfachsten Fall erfolgt dies bei einer Heizanforderung mittels Maximalwertbildung. Es können jedoch noch weitere Informationen in die Bildung der Soll-Temperatur einfließen. Die Bildung der Soll-Temperatur ist ein dynamischer Vorgang. Eine Anpassung an die momentanen Anforderungen erfolgt je nach Komponente sofort oder zeitverzögert, kontinuierlich oder in angemessenen Zeitabständen.
  • Alternativ oder in Kombination kann die aktuelle Soll-Temperatur aus dem spezifischen Leistungs- und/oder Temperaturbedarf der Komponenten gebildet werden (z. B. können für einen Heizkreis Kurven analog zum bekannten Heizkennlinienverfahren verwendet werden).
  • Anhand zweier Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nun näher erläutert. Dabei deuten gleiche Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren auf einander entsprechende Teile und/oder Funktionen hin.
  • Es zeigen schematisch:
  • 1: ein hydraulisches Schaltbild einer Solaranlage mit der Möglichkeit der Beladung eines Wärmespeichers über einen internen Wärmetauscher,
  • 2: ein hydraulisches Schaltbild einer Solaranlage mit der Möglichkeit der Beladung eines Wärmespeichers über einen externen Wärmetauscher,
  • 3: ein schematisches regelungstechnisches Schaltbild für die Solaranlage nach 1,
  • 4: ein schematisches regelungstechnisches Schaltbild für die Solaranlage nach 2.
  • In 1 bedeuten:
    • 1.1 Solarkollektor
    • 1.4 Zusätzliche Wärmequelle
    • 2.2 Wärmespeicher
    • 2.3 Kältespeicher
    • 2.4 Brauchwasser-Speicher
    • 2.5 Heiz-/Kühlflächen
    • 2.7 Heizkreis
    • 3.1.1 Kältemaschine
    • 3.3.1 Rückkühler
    • A Auslauf des Solarkollektors
    • E Einlauf des Wärmespeichers
    • AS Auslauf des Wärmespeichers
    • P Umlaufpumpe des Solarkreises
    • R Rücklauf des Sonnenkollektors
    • V Vorlauf des Sonnenkollektors
    • IW Interner Wärmetauscher im Wärmespeicher
  • Im vorliegenden Zusammenhang interessiert hauptsächlich der als Wärmequelle dienende Sonnenkollektor 1.1, der über einen Solarkreis (mit Vorlauf V, Rücklauf R und Umlaufpumpe P) mit dem internen Wärmetauscher IW eines Wärmespeichers 2.2 hydraulisch verbunden ist und der hier den Haupt-Wärmelieferanten bildet. Die Wärme wird im Wärmespeicher 2.2 gespeichert und kann von dort je nach Bedarf an die Wärmeverbraucher 2.4, 2.5, 2.7 und 3.11 abgegeben werden.
  • Die Beladung des Wärmespeichers 2.2 erfolgt von unten über den Einlauf E. Vorteilhaft bei dieser Variante ist die Verwendung eines Schichtladespeichers, da die „Überhöhung aufgrund der Vermischung im Wärmespeicher” kleiner gewählt werden kann. Mit „Überhöhung aufgrund der Vermischung im Wärmespeicher” ist hier der Temperaturzuschlag gemeint, den man am Einlauf E aufschlagen muss, damit trotz der Vermischung im Wärmespeicher an seinem sekundärseitigen Auslauf AS noch die gewünscht hohe Temperatur zur Verfügung steht.
  • Varianten von 1 sind:
    • – handelsübliche Schichtladespeicher (auch Schichtenspeicher genannt) mit internem oder externem Schichtladesystem,
    • – Wärmespeicher mit zwei oder mehr internen Wärmetauschern (vgl. den Brauchwasser-Speicher 2.4), welche alternativ oder gleichzeitig verwendet werden können.
  • In 2 bedeuten (soweit von 1 abweichend):
    • WT Wärmetauscher
    • E' Einlauf des Wärmetauschers
    • P1 Umlaufpumpe des Primärkreises des Wärmetauschers
    • P2 Umlaufpumpe des Sekundärkreises des Wärmetauschers
    • R' Rücklauf des Sekundärkreises des Wärmetauschers
    • V' Vorlauf des Sekundärkreises des Wärmetauschers
  • 2 unterscheidet sich von 1 dadurch, dass der Interne Wärmetauscher IW von 1 nun in 2 ersetzt ist durch einen externen Wärmetauscher WT, der sozusagen den Solarkreis von 1 (mit Vorlauf V und Rücklauf R) unterteilt in zwei Teilkreisläufe, nämlich in einen primären Kreislauf des Wärmetauschers WT und einen sekundären Kreislauf. Der primäre Kreislauf mit Vorlauf V und Rücklauf R weist eine Umlaufpumpe P1 auf, und der sekundäre Kreislauf mit Vorlauf V' und Rücklauf E' enthält eine Umlaufpumpe P2.
  • Ansonsten erfolgt die Beladung des Wärmespeichers 2.2 von oben ohne internen Wärmetauscher.
  • 3 zeigt als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein regelungstechnisches Schaltbild, das zu 1 passt. Aus dem hydraulischen Schaltbild (1) ist in 3 nur andeutungsweise der Sonnenkollektor 1.1 und der Vorlauf V des Solarkreises bis zum Einlauf E übernommen.
  • Im Solarkreis befindet sich eine „Regeleinheit des Volumenstromes” RV, die durch eine Stellgröße SG steuerbar ist und die in der Praxis sowohl im Vorlauf als auch im Rücklauf angeordnet sein kann. Dabei kann es sich um eine steuerbare Drosselstelle oder einen steuerbaren Bypass handeln, aber auch um eine Umlaufpumpe P mit steuerbarer Förderleistung wie in 1, wobei diese steuerbare Umlaufpumpe abweichend von 3 bevorzugt im Rücklauf angeordnet sein kann.
  • Die Stellgröße SG ist in einem Addierer Ad1 gebildet aus der Differenz zwischen einem Istwert Is und einem Sollwert So. Der Istwert besteht aus der Temperatur Tin (Ladetemperatur) des Wärmeträgers am Einlauf E des Wärmespeichers 2.2; die Ladetemperatur kann aber auch an einer anderen Stelle des Vorlaufs V oder am Auslauf A des Sonnenkollektors 1.1 erfasst werden.
  • Der Sollwert So ist eine Soll-Temperatur (= System-Soll-Temperatur), die nicht wie bisher konstant ist, sondern laufend oder in geeignet kleinen Zeitabständen aus den einzelnen Temperatur-Anforderungen, also aus den einzelnen Temperatur-Bedarfswerten relevanter Komponenten der Solaranlage ermittelt wird. Relevant sind diejenigen System-Komponenten, denen (unter Umständen auch unbeabsichtigt) vom Wärmespeicher 2.2 nicht vernachlässigbare Wärmemengen zugeführt werden, also insbesondere (vgl. 1) der Heizkreis 2.7, Heizflächen 2.5, der Brauchwasser-Speicher 2.4, die thermisch betriebene Kältemaschine 3.1.1 und sonstige erhebliche Wärmeverbraucher.
  • Zur Ermittlung des Sollwertes So wird dynamisch eine Bedarfserhebung durchgeführt, indem die Temperatur-Bedarfswerte T1 bis T5 der Komponenten am rechten Rand von 3 ermittelt und einem Modul M1 zugeführt werden, welches unter den Werten T1 bis T5 den größten Temperaturwert Tmax auswählt und als Maximalanforderung des Systems einem weiteren Modul M2 zuführt. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, in diese automatische Auswahl des Maximalwertes noch andere Einflussgrößen einzubeziehen.
  • Das Modul M2 leitet den größeren der Temperaturwerte Tmax und TSp (= Speichertemperatur) an einen Addierer Ad2 weiter. Dort wird eine so genannte Überhöhung addiert, woraus dann die Soll-Temperatur So entsteht. Die Überhöhung besteht aus der Summe der erforderlichen (Temperatur-)Überhöhungen zur Vermeidung der Nachheizung durch den Wärmeerzeuger 1.4 (1) und der erforderlichen (Temperatur-)Überhöhung aufgrund thermischer Vermischung im Speicher 2.2).
  • Ist die Soll-Temperatur So größer als der Istwert Is, so ergibt sich eine negative Stellgröße SG, welche die Regeleinheit des Volumenstroms RV dazu veranlasst, den Volumenstrom zu reduzieren. Dadurch erhöht sich die Temperatur am Auslauf des Sonnenkollektors 1.1 solange, bis die Ist-Temperatur Is die Soll-Temperatur erreicht hat. Auf diese Weise erfolgt die Beladung des Wärmespeichers 2.2 von unten immer mit der Zieltemperatur (entspricht der ermittelten Maximalanforderung des Systems (Tmax) plus Überhöhung zur Vermeidung der Nachheizung durch den Wärmeerzeuger 1.4 plus Überhöhung aufgrund thermischer Vermischung im Wärmespeicher).
  • 4 gehört zu 2 und unterscheidet sich von 3 durch die Einfügung des externen Wärmetauschers WT zwischen dem Sonnenkollektor 1.1 und dem Wärmespeicher 2.2 (unter Wegfall des internen Wärmetauschers IW aus 3). Die Ermittlung der Soll-Temperatur für die Beladung des Wärmespeichers (2.2) von oben erfolgt prinzipiell wie bei 3. Die Soll-Temperatur entspricht hier der ermittelten Maximalanforderung des Systems plus der Überhöhung zur Vermeidung der Nachheizung durch den Wärmeerzeuger 1.4.
    • 1.1
    Solarkollektor
    1.4
    Wärmequelle
    2.2
    Wärmespeicher
    2.3
    Kältespeicher
    2.4
    Brauchwasser-Speicher
    2.5
    Heiz-/Kühlflächen
    2.7
    Heizkreis
    3.1.1
    Kältemaschine
    3.3.1
    Rückkühler
    A
    Auslauf des Solarkollektors
    E
    Einlauf des Wärmespeichers
    AS
    Auslauf des Wärmespeichers
    E'
    Einlauf des Wärmetauschers
    P
    Umlaufpumpe des Solarkreises
    P1
    Umlaufpumpe des Primärkreises des Wärmetauschers
    P2
    Umlaufpumpe des Sekundärkreises des Wärmetauschers
    R
    Rücklauf des Sonnenkollektors
    R'
    Rücklauf des Sekundärkreises des Wärmetauschers
    V
    Vorlauf des Sonnenkollektors
    V'
    Vorlauf des Sekundärkreises des Wärmetauschers
    WT
    Wärmetauscher
    Ad1, Ad2
    Addierer
    RV
    Regeleinheit des Volumenstroms
    SG
    Stellgröße
    Is
    Istwert (Ist-Temperatur Tin = Ladetemperatur)
    So
    Sollwert (Soll-Temperatur)
    Tin
    Ladetemperatur
    TSp
    Speicher-Auslauftemperatur
    T1 bis T5
    individuelle Temperatur-Bedarfswerte einzelner Komponenten des Wärme verbrauchenden Systems
    Tmax
    Temperaturanforderung (Temperatur-Bedarfswert) des Systems
    M1, M2
    Module zur Maximalwert-Ermittlung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4313276 C2 [0001, 0008]
    • - DE 2825405 C2 [0002]
    • - DE 19834742 A1 [0004]
    • - DE 2625405 C2 [0008]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Steuern der Beladevorgänge eines Wärmespeichers mit Wärme einer unsteten Wärmequelle, insbesondere mit solarer Wärme, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) wenigstens eine Umlaufpumpe (P, P1, P2) lässt einen Wärmeträger über einen Vorlauf (V, V') und einen Rücklauf (R, R') zwischen der Wärmequelle (1.1) und dem Wärmespeicher (2.2) oder einem zwischengeschalteten Wärmetauscher (WT) zirkulieren; b) es erfolgt eine Steuerung des Volumenstroms (Massendurchsatzes) des Wärmeträgers derart, dass sich am Auslauf (A) der Wärmequelle (1.1) oder an einer vorbestimmten Stelle des Vorlaufs (V, V') oder am Einlauf (E, E') des Wärmespeichers (2.2) bzw. des Wärmetauschers (WT) eine Ist-Temperatur (Is) einstellt, die einer automatisch vorgegebenen, veränderlichen Soll-Temperatur (So) folgt; c) die veränderliche Soll-Temperatur (So) wird entsprechend einem dynamischen Temperatur-Bedarfswert desjenigen Systems (2.4, 2.5, 2.7, 3.1.1, ...) gebildet, dem die gespeicherte Wärme des Wärmespeichers (2.2) zugeführt wird; d) der dynamische Temperatur-Bedarfswert dieses Systems wird dynamisch aus individuellen Bedarfswerten für relevante Komponenten des Systems ermittelt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatur-Bedarfswert des Systems dynamisch der individuelle Temperatur-Bedarfswert derjenigen Komponente verwendet wird, von welcher der höchste Temperatur-Bedarfswert ermittelt ist.
  3. Einrichtung zum Steuern der Beladevorgänge eines Wärmespeichers mit Wärme einer unsteten Wärmequelle, insbesondere mit solarer Wärme, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: a) es ist wenigstens eine Umlaufpumpe (P, P1, P2) vorgesehen zum Transport eines Wärmeträgers in einem Kreislauf von einer Wärmequelle (1.1) über – einen Vorlauf (V, V'), – einen Wärmespeicher (2.2) oder einen zwischengeschalteten Wärmetauscher (WT) – und letztlich einen Rücklauf (R, R'), b) in dem Kreislauf ist eine Regeleinheit des Volumenstroms (RV) vorgesehen, die durch eine Stellgröße (SG) steuerbar ist, welche durch einen ersten Addierer (Ad1) erzeugbar ist, welcher zur Differenzbildung zwischen einem Istwert (Is) und einem Sollwert (So) vorgesehen ist, c) an den Endpunkten (A, E, E') des Vorlaufs (V, V') oder in dessen Verlauf ist ein Temperaturfühler zur Ermittlung der Ladetemperatur (Tin) als Istwert (Is) vorgesehen, d) es sind Komponenten (2.4, 2.5, 2.7, 3.1.1, ...) eines Systems vorgesehen, denen Wärme vom Wärmespeicher (2.2) zuführbar ist, e) an den Komponenten sind Einrichtungen vorgesehen zur Bereitstellung individueller Temperatur-Bedarfswerte (T1 bis T5), f) es ist ein erstes Modul (M1) vorgesehen zur Auswahl des höchsten individuellen Temperatur-Bedarfswertes als Temperatur-Bedarfswert (Tmax) des Systems, g) es ist ein Temperaturfühler für die Speichertemperatur (TSp) am hydraulischen Speicherausgang vorgesehen, h) es ist ein zweites Modul (M2) vorgesehen zur Auswahl des höheren Wertes zwischen der Speichertemperatur (TSp) und dem Temperatur-Bedarfswert (Tmax) des Systems, i) es ist ein zweiter Addierer (Ad2) vorgesehen zur Bildung einer als Sollwert (So) dienenden Summe aus dem ermittelten höheren Wert und erforderlichen Temperatur-Überhöhungen.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Module (M1, M2) in einem Modul zusammengefasst sind.
  5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Addierer (Ad1, Ad2) in einem gemeinsamen Glied zusammengefasst sind.
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