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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz einer solarthermischen Anlage vor Überhitzungen durch eine automatische Überwachung des Aggregatzustandes der Wärmeträgerflüssigkeit in den Solarkollektoren durch eine Regeleinheit. Dadurch werden in der solarthermischen Anlage schädigende Druckschläge verhindert, die beim ungewollten Verdampfen der Wärmeträgerflüssigkeit entstehen würden.
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Eine solarthermische Anlage besteht aus einem Solarkollektor, einer Regel- bzw. Steuerungseinheit und einem Wärmespeicher. In dem geschlossenen Kreislaufsystem sorgt eine Pumpe dafür, dass der flüssige Wärmeträger die Wärmeenergie in den Speicher transportiert. Die so gewonnene Wärmeenergie wird vorzugsweise zur Erwärmung von Räumen in Gebäuden und/oder zur Aufbereitung von warmem Trinkwasser genutzt.
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Die
DE 202 19 548 U1 beschreibt eine Regelvorrichtung für die Primärpumpe thermischer Solaranlagen.
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Bevorzugt ist am Vorlauf ein Druckfühler angeordnet, der mit einer elektronischen Regelung verbunden ist. Weiterhin existieren an Vorlauf und Rücklauf Temperatursensoren. Kern des Schutzrechtes ist ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Anlage, das vorsieht, den Einschaltzeitpunkt der Pumpe anhand der thermisch bedingten Ausdehnung des Wärmeträgermediums zu bestimmen und erst im weiteren Betriebsverlauf die Steuerung an die Temperaturfühler zu übergeben.
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Die
DE 30 21 422 A1 beschreibt eine Überwachungsvorrichtung für thermische Solaranlagen. Der Schutzbereich ist auf Solaranlagen zur direkten Brauchwassererwärmung gerichtet. In der Beschreibung wird jedoch auch auf Solaranlagen mit gesondertem Wärmeträgerkreis eingegangen. Die Solaranlage weist Temperatursensoren sowie Über- und Unterdruckventile auf. Die Sensoren melden ihre Daten an eine Regeleinrichtung. Vorgesehen ist das automatische Befüllen des Wärmeträgerkreises bei normalen Temperaturen und die Inbetriebnahme der Pumpe. Bei Überdruckgefahr durch Einfrieren oder Dampfbildung soll die Entleerung des oberen Teils der Solaranlage sowie die Abschaltung der Pumpe initiiert werden.
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Die
DE 10 2008 061 130 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der Pumpenleistung thermischer Solaranlagen, die die Stagnationszeit dieser Anlagen verringern soll. Dabei wird zwischen zwei Pumpenregelregimes umgeschaltet. Im ersten Regime wird eine festgelegte erste Temperaturdifferenz zwischen Speichertemperatur und Kollektortemperatur durch Regelung der Pumpenleistung angestrebt. Wenn das Speichervermögen der Wärmespeichervorrichtung erreicht ist, wird in ein zweites Regelregime geschaltet, bei dem die Temperaturdifferenz geändert wurde, indem die zulässige Kollektortemperatur erhöht wird. In Abhängigkeit von der Temperatur des Wasserspeichers wird zwischen den Regelregimes umgeschaltet.
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Bei solarthermischen Anlagen stehen Kollektortemperatur und Anlagenvordruck in direktem Zusammenhang. Die Anlage wird so eingestellt, dass der flüssige Wärmeträger im Kollektor noch vor dem Verdampfen zum Pufferspeicher transportiert wird. Je höher dabei der Anlagenvordruck eingestellt wird, desto höher ist die Siedetemperatur des flüssigen Wärmeträgers. Ist der Anlagenvordruck zu gering eingestellt, kann die Wärmeträgerflüssigkeit schon bei Temperaturen um +120°C ihren Siedepunkt erreichen und beginnt zu verdampfen. Wurde der Vordruck zu gering gewählt und die maximal zulässige Kollektortemperatur im Solarregler durch den Bediener zudem irrtümlich auf +140°C festgelegt, ist die Umwälzpumpe folglich bis zu dieser Temperatur in Betrieb. Es kommt im Kollektor durch das Nachströmen der kälteren Wärmeträgerflüssigkeit zum sofortigen explosionsartigen Verdampfen. Man bezeichnet diese Erscheinung als Dampfschlag, was sich in kurzen Druckschlägen widerspiegelt, welche zur Beschädigung der Anlage führen können. Diese Situation ist in der Zeichnung nach 1 dargestellt. Sie zeigt den Solarkollektor 1 mit der Rücklaufleitung 3b und der Vorlaufleitung 3a sowie der Rücklaufpumpe (In der Zeichnung nur als Pumpe bezeichnet.). Die Rücklaufpumpe ist so eingestellt, dass sie bis zu einer Temperatur von 140°C arbeitet. Der Anlagenvordruck wurde jedoch so gering gewählt, dass die Wärmeträgerflüssigkeit bereits bei 120°C verdampft. Dadurch wird durch die Rücklaufpumpe immer wieder Wärmeträgerflüssigkeit mit einer niedrigeren Temperatur in den Solarkollektor 1 gepumpt, die dann sofort verdampft, was in der Zeichnung durch mehrere Pfeile dargestellt ist.
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Kontrollen haben ergeben, dass mehr als die Hälfte aller solarthermischen Anlagen in Deutschland fehlerhaft eingestellt bzw. die Solarregler mit falschen Werten programmiert sind.
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Dadurch erreicht ein Großteil der solarthermischen Anlagen nicht den projektierten Wirkungsgrad oder sie werden durch Übertemperaturen oder Druckschläge beschädigt.
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Um die Pumpenbaugruppe und das Ausdehnungsgefäß einer solarthermischen Anlage vor unzulässig hohen Temperaturen zu schützen, ist es aus der Druckschrift
DE 10 2006 047 048 A1 bekannt, das Vorschaltgefäß in der Rücklaufleitung zwischen der Pumpenbaugruppe und den Kollektoren anzuordnen. Dadurch wird erreicht, dass auch bei längeren Stagnationszeiten unzulässige Erwärmungen der solartechnischen Anlage vermieden werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren für eine automatisch wirkende Regeleinheit für eine solarthermische Anlage zu schaffen, mit der zuverlässig Überhitzungen der Wärmeträgerflüssigkeit verhindert und somit Druckschläge verhindert werden können. Weiterhin sollen falsche Parametrierungen von Druck und Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit korrigiert werden. Die solarthermische Anlage, bestehend hauptsächlich aus Solarkollektoren, einem Pufferspeicher, einem Rohrsystem, einer Solarpumpengruppe mit Ventilen und einem Ausdehnungsgefäß mit einer Messeinrichtung zum Erfassen der Temperatur und des Drucks der Wärmeträgerflüssigkeit sowie des Füllungsstandes der geschlossenen Anlage mit Wärmeträgerflüssigkeit sowie einer elektronischen Auswerte- und Signalgebeeinheit zum Vergleichen der Messgrößen wird mit einem Grenzwert und Signalgebern zur Betätigung der Solarpumpengruppe ausgerüstet.
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Das Verfahren besteht darin, die Temperatur und den Druck der Wärmeträgerflüssigkeit im Solarkollektor zyklisch zu messen. Die Messergebnisse werden ständig mit einem oberen und unteren Grenzwert oder einem Temperaturdifferenzwert zur maximal zulässigen Kollektortemperatur verglichen. Beim Über- bzw. Unterschreiten eines solchen Grenzwertes oder einem Temperaturdifferenzwert zur maximal zulässigen Kollektortemperatur wird ein Signal zur Betätigung bzw. zum Ausschalten der Solarpumpe und damit ein Aktivieren bzw. Verlangsamen des Kreislaufes der Wärmeübertragungsflüssigkeit ausgelöst. Das erfolgt in folgenden Schritten:
- 1. Einstellen eines oberen Grenzwertes zur Erfassung der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit vor dem Erreichen des Siedepunkts im Kollektor oder einem Temperaturdifferenzwert zur maximal zulässigen Kollektortemperatur,
- 2. Einstellen eines unteren Grenzwertes zur Erfassung der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit oder einem Temperaturdifferenzwert zur maximal zulässigen Kollektortemperatur,
- 3. zyklisches Messen der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit im Kollektor,
- 4. Auslösen eines Signals beim Überschreiten des eingestellten oberen Grenzwertes oder des Temperaturdifferenzwertes zur maximal zulässigen Kollektortemperatur zum Ausschalten der Umlaufpumpe,
- 5. Auslösen eines Signals beim Unterschreiten des eingestellten unteren Grenzwertes oder des Temperaturdifferenzwertes zur maximal zulässigen Kollektortemperatur zum Einschalten der Umlaufpumpe.
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Bei einer Druckänderung im Kreislauf der Wärmeträgerflüssigkeit ändert sich auch die Siedetemperatur der Wärmeträgerflüssigkeit. Das Verfahren zum Schutz einer solarthermischen Anlage passt sich von selbst an eine solche Druckänderung an. Bei einer ermittelten Druckänderung wird gleichzeitig eine Veränderung des oberen Grenzwertes oder der maximal zulässigen Kollektortemperatur vorgenommen.
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Beim Erreichen eines Grenzwertes oder der maximal zulässigen Kollektortemperatur wird ein für den Betreiber hörbares Signal erzeugt oder es erfolgt eine sichtbare Anzeige des Betriebszustandes.
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So werden Druckschläge, die durch unbeabsichtigtes Einströmen von Wärmeträgerflüssigkeit in den Kollektor entstehen, zuverlässig verhindert. Eine selbsttätig bzw. in Rückkopplung mit einem Regler erfolgende automatische Temperaturadaption bzw. Temperaturanpassung verhindert bei weiterem Betrieb Schäden an der Solaranlage sowie aufwendige Reparaturen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Kollektorsensor als Wassermangelsicherung genutzt werden kann. Bei abgekühltem Kollektor, was vorzugsweise in der Nacht eintritt, wird der Füllstand kontrolliert und gegebenenfalls eine automatische Nachspeisung aktiviert.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der dazugehörenden Zeichnung nach 2, in der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Die Zeichnung zeigt eine solarthermische Anlage in einer schematischen Darstellung. Sie besteht aus den Solarkollektoren 1 und dem Pufferspeicher 6. Beide Baueinheiten sind durch ein Rohrsystem 3, bestehend aus einer Rücklaufleitung 3a und der Vorlaufleitung 3b miteinander verbunden. In das Rohrsystem 3 ist die Solarpumpengruppe 4 mit der Umwälzpumpe und dem Zubehör sowie dem Ausdehnungsgefäß 5 integriert. Weiterhin gehören zur solartechnische Anlage noch ein Solarregler 7 sowie ein Handentlüfter 2. Für die außerdem in die Anlage integrierten einzelnen Schalt- und Verteilerelemente werden in der Zeichnung die in der Heizungstechnik dafür bekannten Symbole verwendet. Die Anlage ist mit einem Wasser-/Glykolgemisch als Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt. Die im Folgenden angenommenen Temperaturen für die Wärmeübertragungsflüssigkeit sind nur Beispiele, die bei Bedarf verändert werden können. Was jedoch erfindungsrelevant ist, sind die Druck-/Temperaturverhältnisse in den einzelnen Bereichen der solarthermischen Anlage.
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Das bedeutet im Einzelnen: Der Betriebsdruck in den Solarkollektoren 1 wird auf einen Überdruck von 1,8 bar eingestellt, so dass die Wärmeübertragungsflüssigkeit bei einer Temperatur von TVerdampfung tatsächlich > 120°C ihren Siedepunkt erreicht und zu verdampfen beginnt. Die Umwälzpumpe der Solarpumpengruppe 4, die die Wärmeträgerflüssigkeit in die Solarkollektoren 1 fördert, wird werkseitig oder irrtümlich in der Regel so eingestellt, dass sie bis zu einer Temperatur der in den Solarkollektoren 1 befindlichen Wärmeübertragungsflüssigkeit von Tzulässig (Regler) > 140°C arbeitet.
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Kommt es anlagenbedingt (z. B. Speicher vollgeladen) und nach Durchlauf aller Schutzfunktionen zu einer Stagnation im Kollektor 1 (Dampfbildung, das heißt Übergang der Wärmeträgerflüssigkeit von der Flüssig- zur Dampfphase), wird das über einen Kollektorsensor 8 erfasst.
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Der Kollektorsensor befindet sich hierbei am höchsten bzw. an dem Punkt der Anlage, an dem es zuerst zur Dampfbildung kommt. Mit Hilfe des Kollektorsensors 8 wird dieser Zustand erkannt und die dafür festgelegte Information als Signal an den Solarregler 7 übermittelt. Der Solarregler 7 ist so eingestellt, dass er die zum Stagnationszeitpunkt herrschende Temperatur speichert und den bisher programmierten Maximaltemperaturwert um einen Temperaturwert in Kelvin (Festlegung deltaT gewünschte Temperaturreduktion (programmierbar) = 10 K) selbstständig nach unten korrigiert.
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Dadurch wird als Resultat bei wiederholt ansteigender Kollektortemperatur die Solaranlage bzw. die Umwälzpumpe der Solarpumpengruppe bereits vor einer drohenden Stagnation abgeschaltet. Das Einströmen von Wärmeträgerflüssigkeit in den überhitzten Sonnenkollektor 1, was in der Folge zu Dampfschlägen führt, wird somit zuverlässig verhindert.
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Der Anwender einer so ausgerüsteten Solaranlage wird über die durchgeführte Parameteränderung durch den Solarregler 7 optisch oder durch ein anderes geeignetes Meldesignal informiert.
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Dem Ausführungsbeispiel werden folgende Werte zugrunde gelegt:
- 1. T zulässig (Regler): 140°C
- 2. Festlegung deltaT gewünschte Temperaturreduktion (programmierbar): 10 K
- 3. T Verdampfung tatsächlich: 120°C
- 4. Erkennen einer Dampfphase bei: > 120°C
- 5. automatische Adaption T zulässig (Regler): 140°C – 10 K(°C) = 130°C
- 6. T zulässig (Regler) NEU: 130°C
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Eine erfolgte Adaption wird durch ein Meldesignal angezeigt.
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Da es in Solaranlagen auch zu gewollten Abschaltungen kommen kann, besteht die Möglichkeit, im Regler 7 die minimale Temperatur, bis zu der eine automatische Adaption erfolgen soll, vom Betreiber festzulegen. Die Solaranlage wird dann erst nach Abkühlung unter die Minimaltemperatur wieder für den Betrieb freigegeben.
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Weiterhin kann der Kollektorsensor 8 als Wassermangelsicherung genutzt werden. Bei abgekühltem Kollektorsensor 8 (vorzugsweise in der Nacht) wird der Füllstand kontrolliert und gegebenenfalls eine automatische Nachspeisung aktiviert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Solarkollektoren
- 2
- Handentlüfter
- 3
- Rohrsystem, bestehend aus
- 3a
- Vorlaufleitung
- 3b
- Rücklaufleitung
- 4
- Solarpumpengruppe
- 5
- Ausdehnungsgefäß
- 6
- Pufferspeicher
- 7
- Solarregler
- 8
- Kollektorsensor
