DE102010017148A1

DE102010017148A1 - Verfahren zum Betreiben einer Wärmegewinnungsanlage

Info

Publication number: DE102010017148A1
Application number: DE102010017148A
Authority: DE
Inventors: Patrick Becker
Original assignee: IFF KOLLMANNSBERGER KG
Current assignee: IFF KOLLMANNSBERGER KG
Priority date: 2010-05-05
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2011-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärme gewinnungsanlage, bei der ein Wärmespeicher in einem Zirkulationskreislauf eines Wärmeträgermittels angeordnet ist und dem Zirkulationskreislauf Wärme von einer Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zuführbar ist. Das Verfahren weist folgende Verfahrens schritte auf: Erzeugen einer Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf zur Gewinnung eines ersten Temperaturwertes des Wärmespeichers, Vergleichen des ersten Temperaturwertes mit einem zweiten Temperaturwert der Wärmequelle, um einen Temperaturvergleichswert zu erhalten, und Entscheiden darüber, ob dem Zirkulationskreislauf Wärme von der Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zugeführt wird oder nicht, beruhend auf dem Temperaturvergleichswert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmegewinnungsanlage, bei der ein Wärmespeicher durch eine Wärmequelle regeneriert werden kann.
Es ist allgemein bekannt, dass Wärmepumpen zur Warmwasserbereitung oder Heizung in Haushalten eingesetzt werden. Hierbei bildet die Primärseite der Wärmepumpe mit einem in der Erde angeordneten Erdkollektor einen Zirkulationskreislauf. In dem Zirkulationskreislauf befindet sich ein Wärmeträgermittel, das durch eine Umwälzpumpe in dem Kreislauf zirkuliert. Die Wärmepumpe entzieht dem aus dem Erdkollektor kommenden Wärmeträgermittel Wärme und stellt diese einem Verbraucher auf höherem Temperaturniveau über ihre Sekundärseite zur Verfügung. Das Wärmeträgermittel wird nach Wärmeentzug wieder in den Erdkollektor zurückgeleitet. Insgesamt wird hierdurch der Erde Wärme entzogen und einem Verbraucher zur Verfügung gestellt.
Nachteilig hierbei ist, dass in der Regel der Erde über den Kollektor mehr Wärme entzögen wird, als durch Konvektion aus dem Erdinneren oder durch Sonneneinstrahlung über die Jahreszeiten hinweg nachgeliefert werden kann. Dies hat zur Folge, dass nach einem bestimmten Zeitraum der Erdbereich, in dem der Erdkollektor angeordnet ist, im Hinblick auf das Energieliefervermögen „erschöpft” ist, so dass der Erdkollektor an anderer Stelle neu verlegt werden muss.
Zur Lösung dieses Problems ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Solarkollektor zur Regeneration des Erdkollektors bzw. des Erdbereiches in den Zirkulationskreislauf einzubinden. Eine solche Einbindung eines Solarkollektors ist beispielsweise im Stand der Technik aus der deutschen Gebrauchsmusterschrift DE 20 2007 013 888 U1 bekannt. Bei der in dieser Druckschrift gezeigten Wärmegewinnungsanlage wird ein Wärmetauscher über zwei Ventile und eine Pumpe in den Zirkulationskreislauf eingebunden. An den Wärmetauscher ist ein Solarkollektor angeschlossen, wodurch über den Wärmetauscher dem Zirkulationskreislauf die von dem Solarkollektor gelieferte Wärme zugeführt und damit der Erdbereich durch Wärmezufuhr regeneriert werden kann.
Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass kein geeignetes und effizientes Verfahren zum Betreiben einer solchen Wärmegewinnungsanlage, insbesondere zum Regenerieren des Erdbereiches, vorgeschlagen wird.
Ein Bedürfnis an einem solchen Verfahren besteht insbesondere deshalb, weil es bei einer solchen Wärmegewinnungsanlage zu Stillstandzeit kommt, in denen weder die Wärmepumpe in Betrieb ist noch dem Zirkulationskreislauf Wärme von dem Solarkollektor zugeführt wird. In diesen Stillstandzeiten zirkuliert das Wärmeträgermittel nicht, weshalb ein zuverlässiger Rückschluss auf die in dem Erdkollektor herrschende Temperatur und ein hierauf basierendes Verfahren zur Regeneration des Erdspeichers nicht möglich sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmegewinnungsanlage, bei der ein Wärmespeicher durch eine Wärmequelle regeneriert werden kann, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Betreiben einer Wärmegewinnungsanlage, bei der ein Wärmespeicher in einem Zirkulationskreislauf eines Wärmeträgermittels angeordnet ist und dem Zirkulationskreislauf Wärme von einer Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zuführbar ist, gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem Zirkulationskreislauf eine Zirkulation des Wärmeträgermittels erzeugt, um einen Temperaturwert der in dem Wärmespeicher herrschenden Temperatur zu gewinnen. Dieser Temperaturwert wird mit einem Temperaturwert der von der Wärmequelle lieferbaren Temperatur verglichen und elf Temperaturvergleichswert gewonnen. Anschließend wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob dem Zirkulationskreislauf Wärme von der Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zugeführt wird oder nicht. Diese Entscheidung beruht auf dem Temperaturvergleichswert.
In diesem Zusammenhang betrifft der „Temperaturwert der in dem Speicher herrschenden Temperatur” einen Wert, der einen Rückschluss auf die Temperatur in dem Wärmespeicher zulässt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen mit einem Temperatursensor erfassten absoluten Temperaturwert handeln. Weiterhin kann es sich hierbei auch um einen Viskositätswert des Wärmeträgermittels, der in Abhängigkeit der Temperatur schwankt, handeln.
Durch das Erzeugen der Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf wird das Wärmeträgermittel derart umgewälzt, dass ein zuverlässiger Rückschluss auf die in dem Wärmespeicher herrschende Temperatur gezogen werden kann. Insoweit kann anschließend auf Basis des Temperaturvergleichswertes entschieden werden, ob der Wärmespeicher regeneriert werden soll oder nicht.
Bevorzugt wird entschieden, die Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf zu beenden, wenn die von der Wärmequelle lieferbare Temperatur niedriger ist als die in dem Wärmespeicher herrschende Temperatur. Nach Ablauf eines bestimmten Zeitintervals wird anschließend die Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf zur Gewinnung des Temperaturwertes der in dem Wärmespeicher herrschenden Temperatur wiederholt.
Hierdurch wird wiederholt bestimmt, ob ein Regenerationsbetrieb bzw. eine Zuführung von Wärme durch die Wärmequelle sinnvoll ist.
Kann nach einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen der Erzeugung der Zirkulation des Wärmeträgermittels nicht festgestellt werden, dass die Wärmequelle eine zur Regeneration des Wärmespeichers notwendige Temperatur liefert, wird bevorzugt das Wiederholen der Zirkulationserzeugung für eine bestimmte Unterbrechungszeitspanne unterbrochen. Hierdurch geht die gesamte Anlage beispielsweise selbstständig in einen Nachtbetrieb über.
Bevorzugt wird der Temperaturwert der von der Wärmequelle lieferbaren Temperatur kontinuierlich mit dem zuletzt gewonnenen Temperaturwert des Wärmespeichers verglichen. Hierauf basierend kann dem Zirkulationskreislauf unmittelbar, nachdem der Temperaturwert der Wärmequelle den des Wärmespeichers übersteigt, der Wärmespeicher durch Zuführung von Wärme durch die Wärmequelle regeneriert werden.
Allgemein kann erfindungsgemäß dem Wärmespeicher immer Wärme durch die Wärmequelle zugeführt werden, wenn die Temperatur der Wärmequelle höher ist als die in dem Wärmespeicher herrschende und der Wärmeinhalt des Wärmespeichers unterhalb eines gewünschten Wärmeinhaltes liegt.
Bevorzugt wird die Zuführung von Wärme durch die Wärmequelle durch eine Hysteresesteuerung gesteuert. Hierbei wird dem Wärmespeicher bevorzugt dann Wärme zugeführt, wenn der Temperaturwert der von der Wärmequelle lieferbaren Temperatur einen bestimmten ersten Hysteresetemperaturwert übersteigt. Fällt die von der Wärmequelle lieferbare Temperatur unter die zuletzt gemessene Temperatur oder die gegenwärtig gemessene Temperatur des Wärmespeichers oder unter einen bestimmten zweiten Hysteresetemperaturwert, wird die Zuführung von Wärme dem Zirkulationskreislauf durch die Wärmequelle unterbrochen.
Der erste Hysteresetemperaturwert kann beispielsweise der zuletzt gemessene Temperaturwert der in dem Wärmespeicher herrschenden Temperatur oder ein fest eingestellter Wert sein.
Weiterhin bevorzugt kann nach Gewinnung des Temperaturwertes der in dem Wärmespeicher herrschenden Temperatur die durch Wärmezufuhr erzeugte Temperaturerhöhung in dem Zirkulationskreislauf überwacht und das Zuführen der Wärme dann unterbrochen werden, wenn eine zulässige Maximaltemperatur überschritten wird.
Hierdurch können vorteilhafter Weise Elemente der Anlage vor Überhitzung geschützt werden.
In Abhängigkeit von der Art des Wärmespeichers kann festgelegt werden, dass der Temperaturwert der in dem Wärmespeicher herrschenden Temperatur bei einem bestimmten Wert optimal ist. Wird dieser optimale Temperaturwert bei der Gewinnung des Temperaturwertes der in dem Wärmespeicher herrschenden Temperatur festgestellt, wird bevorzugt entschieden, dass die Zirkulation in dem Zirkulationskreislauf beendet wird und dem Zirkulationskreislauf keine zusätzliche Wärme durch die Wärmequelle zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird bevorzugt bei einer Wärmegewinnungsanlage, bei der eine Wärmepumpe mit einem Wärmespeicher in Form eines Erdspeichers den Zirkulationskreislauf ausbildet und dem Zirkulationskreislauf Wärme von einer Wärmequelle in Form eines Solarkollektors zur Regeneration des Erdspeichers zugeführt werden kann, durchgeführt.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die beigefügte Figur erläutert.
In der Figur ist eine Wärmegewinnungsanlage gezeigt, bei der ein Solarkollektor über eine Anschlussvorrichtung an einen Zirkulationskreislauf zur Regeneration eines Erdbereiches angeschlossen ist.
Wie in der Figur gezeigt ist, umfasst die Wärmegewinnungsanlage 1 eine Wärmepumpe 3, die mit ihrer Primärseite an einen Erdkollektor 4 angeschlossen ist. Der Erdkollektor kann beispielsweise als Sonde oder als Horizontalkollektor ausgebildet sein. Die Primärseite der Wärmepumpe 3 und der Erdkollektor 4 bilden zusammen einen Zirkulationskreislauf 5, in dem ein Wärmeträgermittel durch Betrieb einer Umwälzpumpe (nicht gezeigt) zirkulieren kann. Bei dem Wärmeträgermittel handelt es sich bevorzugt um ein mit einem Frostschutzmittel versetztes Fluid. Die Umwälzpumpe kann als eine in der Wärmepumpe verbaute Pumpe, aber auch als eine eigenständige Einheit ausgebildet und an anderer Stelle in dem Zirkulationskreislauf angeordnet sein. Bei Betrieb der Umwälzpumpe fließt das Wärmeträgermittel, im folgenden Sole genannt, über eine Leitung 51 aus dem Erdkollektor 4 kommend zu der Primärseite 30 der Wärmepumpe 3, an der der Sole Wärme entzogen wird, und anschließend über eine Leitung 52 wieder in den Erdkollektor zurück. Die der Sole entzogene Wärme wird über die Sekundärseite 32 der Wärmepumpe 3 einem Verbraucher auf höherem Temperaturniveau zur Verfügung gestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine Unterstützung einer Heizung oder um die Bereitung von Warmwasser handeln.
Mit anderen Worten wird bei Betrieb der Wärmepumpe 3 dem Erdbereich (Wärmespeicher bzw. Erdwärmespeicher), in dem der Erdkollektor verlegt/angeordnet ist, Wärme entzogen und einem Verbraucher über die Sekundärseite 32 der Wärmepumpe 3 zur Verfügung gestellt.
In dem Zirkulationskreislauf 5 ist eine Anschlussvorrichtung 2 angeordnet, über die eine später erläuterte Wärmequelle 7 in den Zirkulationskreislauf 5 wärmetechnisch eingebunden wird. Die Elemente der Anschlussvorrichtung sind ebenfalls Hydraulikelemente und werden von dem Fluid bzw. der Sole durchströmt.
Genauer umfasst die Anschlussvorrichtung 2 einen ersten Anschluss 21 und einen zweiten Anschluss 22, über die die Anschlussvorrichtung 2 bestimmungsgemäß in den Zirkulationskreislauf 5 eingebunden wird.
Zwischen dem ersten Anschluss 21 und dem zweiten Anschluss 22 ist eine Verschlussvorrichtung 23, die den Solefluss nur in einer Richtung zulässt und zu der eine Reihenschaltung aus einem Wärmetauscher 24 und einer Fördereinrichtung 25 parallel angeordnet ist, vorgesehen. Die Verschlussvorrichtung 23 ist vorzugsweise als Rückschlagventil und die Fördereinrichtung 25 als Umwälzpumpe, im Folgenden Solepumpe genannt, ausgebildet. Das Rückschlagventil 23 liegt derart in der Anschlussvorrichtung 2, dass es bei einer Flussrichtung der Sole von dem zweiten Anschuss 22 zu dem ersten Anschluss 21 öffnet. In entgegengesetzter Förderrichtung der Sole schließt das Rückschlagventil 23. Das Rückschlagventil ist bevorzugt als ein Spezialventil ausgestaltet, das in Schließstellung eine sehr hohe Dichtigkeit aufweist und in Offenstellung annähernd keinen Strömungswiderstand darstellt.
Die Solepumpe 25 ist dem Wärmetauscher 24 vorgeschaltet, kann diesem aber auch nachgeschaltet sein und weist eine Förderrichtung von dem zweiten Anschluss 22 zu dem ersten Anschluss 21 auf. Das Rückschlagventil 23 und die Solepumpe 25 liegen folglich derart in der Anschlussvorrichtung 2, dass, die Anschlussvorrichtung 2 isoliert betrachtet, die Solepumpe 25 keine Zirkulation in der Anschlussvorrichtung 2 aufgrund der Anordnung des Rückschlagventils 23 erzeugen kann.
In der Wärmegewinnungsanlage liegt das Rückschlagventil 23 nach Einbindung der Anschlussvorrichtung 2 derart, dass weder die Umwälzpumpe noch die Solepumpe 25 hydraulisch kurzgeschlossen werden. Dies auch unabhängig davon, ob nur eine der beiden Pumpen oder beide in Betrieb sind.
Bevorzugte Ausführungen des Wärmetauschers sind z. B. Plattenwärmetauscher, Rohrbündelwärmetauscher, Luft-Wasser-Wärmetauscher oder eine in einer Wasserleitung (Abwasserleitung) an zuordnende Absorbermatte. An den Wärmetauscher 24 kann bevorzugt eine oder mehrere weitere Wärmequelle(n) angeschlossen werden.
Durch den Wärmetauscher 24 kann dem Zirkulationskreislauf 5 Wärme zugeführt werden. Bevorzugt wird an den Wärmetauscher 24, wie gezeigt, ein Solarkollektor zur Lieferung von Wärme angeschlossen.
Von dem Solarkollektor 7 läuft eine Leitung 61 zu dem Wärmetauscher 24 und von diesem eine Leitung 62 zurück zu dem Solarkollektor 7, wodurch ein Solarkollektorkreislauf 6 gebildet wird. In dem Solarkollektorkreislauf 6 befindet sich eine Umwälzpumpe 63, im Folgenden Solarpumpe genannt, die zur Erzeugung einer Zirkulation eines Wärmeträgermittels in dem Solarkollektorkreislauf 6 vorgesehen ist. Bei Betrieb der Solarpumpe 63 läuft das Wärmeträgermittel über die Leitung 62 zu dem Solarkollektor 7, wird in Abhängigkeit der Sonneinstrahlung auf den Solarkollektor durch diesen erwärmt und läuft anschließend über die Leitung 61 in Richtung des Wärmetauschers 24.
Die von dem Solarkollektor lieferbare Temperatur wird an diesem durch einen Sensor S1 erfasst.
Der Solarkollektor ist bevorzugt als Vakuum-Flachkollektor ausgebildet und hat dadurch einen sehr geringen hydraulischen Druckverlust. Sind mehrere Solarkollektoren vorgesehen, werden diese bevorzugt nach dem Tichelmann-Prinzip zusammengeschaltet.
Der Solarkollektorkreislauf 6 kann bevorzugt derart ausgestaltet sein, dass bestimmte Abnehmer direkt durch den Solarkollektor 7 mit Wärme versorgt werden können. Bei solchen Abnehmern kann es sich z. B. um die Bereitung von Warmwasser, eine Heizung oder ein Schwimmbecken oder dergleichen handeln. In der Figur ist in diesem Zusammenhang ein bivalenter Speicher 8 gezeigt, dem über einen Wärmetauscher 81 Wärmeenergie direkt vom Solarkollektor zugeführt werden kann. In dem bivalenten Speicher 8 ist darüber hinaus ein zweiter Wärmetauscher 82 vorgesehen, an den eine weitere Wärmequelle angeschlossen werden kann. An dem bivalenten Speicher 8 ist, vorzugsweise in einem unteren Bereich, ein zweiter Sensor S2 vorgesehen, über den die in dem Speicher 8 herrschende Temperatur erfasst werden kann. Zur Einbindung solcher direkt zu versorgenden Abnehmer sind in dem Solarkollektorkreislauf 6 ein oder mehrere Anschlüsse 64 und eine oder mehrere Umschalteinheiten 65 vorgesehen. Die Umschalteinheit 65 ist bevorzugt ein Drei-Wege-Ventil. Wenn der erste und der zweite Anschluss der Umschalteinheit 65 miteinander verbunden sind, fördert die Solarpumpe 63 das Wärmeträgermittel an dem Anschluss 64 in Richtung eines Abnehmers und von dem Abnehmer kommend über die Umschalteinheit 65 und die Leitung 62 in Richtung des Solarkollektors 7. Bei Verwendung des Drei-Wege-Ventils fließt in diesem Betriebszustand das Wärmeträgermittel nicht über den Wärmetauscher 24.
Wenn die Umschalteinheit 65 derart geschaltet ist, dass ihr erster und dritter Anschluss verbunden sind, fördert die Solarpumpe 63 das Wärmeträgermittel durch die Leitungen 62 und 61 zu dem Solarkollektor bzw. dem Wärmetauscher 24.
In diesem Betriebszustand kann die von dem Solarkollektor gelieferte Wärme über den Wärmetauscher 24 dem Zirkulationskreislauf 5 zugeführt werden. In der Grundstellung des Drei-Wege-Ventils 65, d. h. ohne Ansteuerung der Anschlüsse, sind bevorzugt der erste und der zweite Anschluss des Ventils miteinander verbunden. Das bedeutet, dass, wie oben erwähnt, das Wärmeträgermittel nicht über den Wärmetauscher 24 fließen kann. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei Ausfall der Ansteuerung des Ventils 65, keine Elemente des Zirkulationskreislaufes 5 überhitzt werden können.
Der Wärmetauscher kann allgemein über die bereits genannten bevorzugten Ausgestaltungen hinaus ein Element sein, das den Zirkulationskreislauf 5 mit dem Solarkollektorkreislauf 6 entweder physisch (Fluidaustausch) oder nur wärmetechnisch (Wärmeübertrag ohne Fluidaustausch) verbindet.
Der Solarkollektorkreislauf weist bevorzugt noch weiterhin jeweils einen Temperatursensor in der Leitung 62 bzw. 61 zum Messen der Temperaturen innerhalb dieser Leitungen, ein in der Leitung 62 liegendes Ausdehnungsgefäß 66, das bei Temperaturerhöhung innerhalb des Solarkollektorkreislaufes 6 sich ausdehnendes Wärmeträgermittel auffängt, und ein Sicherheitsventil 67, das bei Übersteigen eines in dem Solarkollektorkreislauf 6 maximal zulässigen Druckes öffnet, auf. In dem Solarkollektorkreislauf liegen außerdem noch bevorzugt ein Durchflussbegrenzer 68 und zwei Kugelventile 69, die eine Zirkulation entgegen der Förderrichtung der Solarpumpe 63 nicht zulassen. Diese Kugelventile verhindern, dass sich der Speicher 8 bei Stillstand der Solarpumpe 63 durch Aufsteigen von Wärme in den Solarkollektor entlädt.
Im Folgenden werden die verschiedenen Betriebszustände und die Steuerung der Wärmegewinnungsanlage erläutert.
Ausschließlicher Wärmepumpenbetrieb
Wenn der Solarkollektor auf Grund zu schwacher Einstrahlung nicht in der Lage ist, einen nutzbaren Wärmeertrag zu liefern, wird ein Verbraucher über die Sekundärseite 32 der Wärmepumpe 3 mit Wärme versorgt.
In diesem Betriebszustand ist die Umwälzpumpe die einzige sich in Betrieb befindende Pumpe, wobei die Sole über die Leitung 51 aus dem Erdkollektor 4 kommend durch das geöffnete Rückschlagventil 23 zu der Primärseite 30 der Wärmepumpe 3 gefördert wird. Nachdem die Wärmepumpe 3 dieser Wärme entzogen hat, wird die Sole anschließend durch die Leitung 52 zurück in den Erdkollektor geleitet.
Das Rückschlagventil 23 wirkt in diesem Fall wie ein hydraulischer Kurzschluss, d. h. bildet annähernd keinen hydraulischen Widerstand aus, weshalb sich der Betrieb des Zirkulationskreislaufes von jenem ohne Einbindung der Anschlussvorrichtung nicht unterscheidet. Hieraus wird auch ersichtlich, dass der Wärmepumpenbetrieb durch Einbindung der Anschlussvorrichtung 2 nicht beeinträchtigt wird.
Wärmepumpenbetrieb + Wärmezufuhr über den Wärmetauscher (Kombinationsbetrieb)
Liefert der Solarkollektor 7 einen nutzbaren Wärmeertrag, der dem Zirkulationskreislaufes zugeführt werden soll, wird zusätzlich zu der Umwälzpumpe die Solepumpe 25 in Betrieb genommen. Ein gewisser Teil der Sole läuft an dem Anschluss 22 in Richtung des Wärmetauschers 24 und von diesem über den Anschluss 21 in Richtung der Primärseite der Wärmepumpe 3.
Nach Durchlaufen der Primärseite 30 und Wärmeentzug durch die Wärmepumpe 3 läuft die Sole wiederum über die Leitung 52 zurück in den Erdkollektor. In Abhängigkeit von der Förderleistung der Solepumpe 25 fließt ein gewisser Anteil der Sole über den Wärmetauscher 24 und der andere Anteil durch das Rückschlagventil 23. Anders ausgedrückt, werden durch die Steuerung der Solepumpe 25 und/oder der Umwälzpumpe die Volumenströme durch das Rückschlagventil 23 bzw. die parallele Reihenschaltung gesteuert.
Die Förderleistungen der Pumpen können so gesteuert werden, dass der Volumenstrom ausschließlich über den Wärmetauscher 24 fließt.
Insgesamt ward in diesem Betriebszustand (Kombinationsbetrieb) der Wärmepumpe 3 zusätzliche durch den Solarkollektor 7 gewonnene Wärme zur Verfügung gestellt, so dass dem Wärmespeicher (Erdbereich) weniger Wärme über den Erdkollektor 4 entzogen werden muss bzw. der Erdbereich weniger belastet wird.
Ausschließlicher Regenerationsbetrieb
Ist die Wärmepumpe 3 nicht in Betrieb, kann der Wärmespeicher (Erdbereich) durch Zufuhr von Wärme, die dem Zirkulationskreislauf 5 über den Wärmetauscher 24 zugeführt wird, regeneriert werden. In diesem Betriebszustand braucht lediglich die Solepumpe 25 in Betrieb zu sein. Die Sole fließt über die Leitung 51 aus dem Erdkollektor kommend und den zweiten Anschluss 22 in Richtung des Wärmetauschers 24 bzw. der Primärseite der Wärmepumpe 3 und anschließend über die Leitung 52 zurück in den Erdkollektor 4. An der Primärseite 30 der Wärmepumpe 3 wird bei ausschließlichem Regenerationsbetrieb der Sole keine Wärme entzogen, wodurch die durch den Solarkollektor 7 gewonnene Wärme vollständig dem Wärmespeicher (Erdbereich) zugeführt wird.
Das Rückschlagventil 23 verhindert, dass die Wärmepumpe 3 und der Erdkollektor 4 hydraulisch kurzgeschlossen werden. Mit anderen Worten sorgt das Rückschlagventil 23 dafür, dass die Zirkulation durch den Erdkollektor hindurch erfolgt. In Abhängigkeit von der durch den Solarkollektor 7 gelieferten Wärme wird der Erdkollektor bzw. der Wärmespeicher (Erdbereich) regeneriert.
In dem Regenerationsbetrieb kann auch zusätzlich zu der Solepumpe 25 die Umwälzpumpe in Betrieb sein. Allerdings ist die Förderleistung der Solepumpe dann so groß, dass zumindest ein gewisser Teil der Sole über den Wärmetauscher 24 fließen kann.
Steuerung der Wärmegewinnungsanlage
Im Folgenden wird noch die Steuerung der Wärmegewinnungsanlage beschrieben werden.
Allgemein kann bei der in der Figur dargestellten Wärmegewinnungsanlage der Solarkollektor 7 bzw. die Wärmepumpe 3 über übliche Regelungen und Steuerungen zur Optimierung des Wärmeertrages gesteuert werden. Hierbei kommen übliche Regelalgorithmen zur Regelung der Förderleistung der Pumpen in Betracht.
Zur Steuerung der gesamten Wärmegewinnungsanlage sind die entsprechenden Elemente miteinander verschaltet und werden über eine in der Figur nicht gezeigte Steuerungseinheit angesteuert.
Bevorzugt wird der Speicher 8 vorrangig mit Wärme von dem Solarkollektor 7 versorgt. Die in dem Speicher 8 bevorzugt gewünschte Solltemperatur liegt zwischen 50°C und 90°C und wird bevorzugt standardmäßig auf 60°C eingestellt. Handelt es sich bei dem Speicher um einen Brauchwasserspeicher, sind die 60°C aus Verbrühschutzgründen eingestellt. Die bevorzugte in dem Speicher 8 herrschende Maximaltemperatur sollte bevorzugt zwischen 60°C und 95°C liegen und wird bevorzugt standardmäßig auf 80°C eingestellt. Die in dem Speicher 8 vorliegende Temperatur wird, wie oben erwähnt, durch den Sensor S2 erfasst und zur Steuerung der Anlage herangezogen.
Die von dem Solarkollektor 7 lieferbare Temperatur wird, wie ebenfalls oben erwähnt, durch den Sensor S1 erfasst und zur Steuerung der Anlage herangezogen. Die von dem Solarkollektor 7 gelieferte Maximaltemperatur sollte bevorzugt zwischen 95°C und 150°C liegen und wird bevorzugt auf 110°C eingestellt. Diese Maximaltemperaturen werden bevorzugt aus Sicherheitsgründen eingestellt.
Liefert der Temperatursensor S1 einen Temperaturwert, der angibt, dass der Speicher 8 direkt mit Wärme versorgt werden kann, wird das Drei-Wege-Ventil 65 durch die Steuerungseinheit derart angesteuert, dass der erste und zweite Anschluss des Ventils miteinander verbunden werden und der Solarkollektor 7 dem Speicher 8 über den Wärmetauscher 81 direkt Wärme zuführen kann.
Die Steuerung des Solarkollektors 7 wird bevorzugt über eine Hysteresesteuerung durchgeführt. Das bedeutet, dass bei Übersteigen der durch den Temperatursensor S1 erfassten Temperatur über einen vorbestimmten Wert (erster Hysteresetemperaturwert), wird das Drei-Wege-Ventil 65 zur direkten Versorgung des Speichers 8 durch den Solarkollektor entsprechend angesteuert. Fällt der von dem Temperatursensor S1 gelieferte Temperaturwert unter einen bestimmten weiteren Wert (zweiter Hysteresetemperaturwert), wird die Direktversorgung des Speichers 8 durch den Solarkollektor 7 wieder unterbrochen. Bevorzugte Hysteresesteuerungen liegen in folgenden Bereichen:

– erster Hysteresetemperaturwert Temperaturwert in dem Speicher oder Solltemperaturwert +15°C
– zweiter Hysteresetemperaturwert Temperaturwert in dem Speicher oder Solltemperaturwert +0°C

– erster Hysteresetemperaturwert = Temperaturwert in dem Speicher oder Solltemperaturwert +7°C
– zweiter Hysteresetemperaturwert = Temperaturwert in dem. Speicher oder Solltemperaturwert +4°C

Das bedeutet, wenn der von dem Temperatursensor S1 erfasste Temperaturwert in dem Speicher 8 oder die in dem Speicher 8 gewünschte Solltemperatur um 15°C bzw. 7°C übersteigt, wird das Drei-Wege-Ventil 65 von der Steuerungseinheit zur direkten Versorgung des Speichers 8 durch den Solarkollektor angesteuert und folglich der Speicher 8 direkt mit Wärmeenergie durch den Solarkollektor 7 versorgt.
Fällt der von dem Temperatursensor S1 gelieferte Temperaturwert unter den zweiten Hysteresetemperaturwert, wird die Direktversorgung des Speichers 8 durch den Solarkollektor 7 wieder unterbrochen.
Die von dem Solarkollektor 7 lieferbare Temperatur bzw. die Temperaturrückmeldung des Temperatursensors S1 hängt auch von dem Fluiddurchsatz durch den Solarkollektor 7 ab. Um hierbei einen optimalen Wärmeertrag zu erreichen, wird die Drehzahl der Solarpumpe 63, bevorzugt zwischen 30%–100% der Maximaldrehzahl, und damit der Durchsatz durch den Solarkollektor 7 gesteuert. Bevorzugt wird zu einem gewünschten Zeitpunkt die Förderung durch die Solarpumpe 63 unterbrochen bzw. heruntergeregelt und anschließend der Temperaturanstieg bzw. die Temperaturänderung an dem Solarkollektor 7 durch den Temperatursensor S1 gemessen. Wird hierbei festgestellt, dass der Temperaturanstieg sehr stark ist, kann daraus geschlossen werden, dass ein höheres Temperaturniveau durch den Solarkollektor 7 lieferbar ist. Diese Bestimmung des Temperaturanstieges an dem Solarkollektor 7 kann zu jedem Betriebszeitpunkt der Wärmegewinnungsanlage, bevorzugt während des Kombinationsbetriebes, durchgeführt werden.
Liefert der Solarkollektor eine Temperatur, die unterhalb der zur direkten Nutzung notwendigen Temperatur liegt, wird bestimmt, ob die von dem Solarkollektor 7 lieferbare Wärmeenergie dem Zirkulationskreislauf 5 zugeführt wird oder nicht.
Im Folgenden wir das Verfahren zum Betreiben der Wärmegewinnungsanlage in dem Regenerationsbetrieb beschrieben.
Zur Steuerung und Regelung des Volumenstromes über den Wärmetauscher 24 ist bevorzugt in/an dem ersten Anschluss 21 ein Temperatursensor S3 zur Erfassung der Soletemperatur vorgesehen.
Der die Soletemperatur messende Temperatursensor S3 liefert einen Referenzwert, der mit dem von dem Temperatursensor S1 in dem Solarkreislauf 6 gemessenen Wert verglichen wird. Liefert dieser Vergleich einen Temperaturvergleichswert, der angibt, dass eine nutzbare Temperaturdifferenz zwischen dem Solarkollektor 7 und dem Zirkulationskreislauf 5 vorliegt, nimmt die Wärmegewinnungsanlage den Regenerationsbetrieb auf.
Der Temperatursensor in dem Zirkulationskreislauf 5 ist vorzugsweise in/an dem ersten Anschluss 21 vorgesehen, wodurch gut die Temperatur der von dem Wärmetauscher kommenden Sole gemessen werden kann.
Der Temperatursensor S3 wird bevorzugt innerhalb eines Gebäudes installiert und nimmt aus diesem Grund nach einer gewissen Nichtnutzungszeit des Zirkulationskreislaufes 5 bzw. der Wärmepumpe 3 Raumtemperatur an. Damit dieser Temperatursensor S3 zuverlässig die Temperatur der Sole messen kann, wird die Solepumpe 25 in variablen oder gleichmäßigen, einstellbaren Zeitabschnitten angesteuert und hierdurch die Temperatur der Sole durch den Temperatursensor S3 erfasst. Zar Erfassung des Temperaturwertes wird die Solepumpe 25 bevorzugt für eine Minute angesteuert, d. h. für eine Minute eine Zirkulation des Wärmeträgermittels im Zirkulationskreislauf 5 in dem Regenerationsbetrieb erzeugt.
Liefert der Temperatursensor S3 nach Ablauf des Ansteuerzeitraums der Solepumpe 25 einen Temperaturwert, der in einem einstellbaren optimalen Temperaturbereich, bevorzugt zwischen 10°C und 25°C, liegt oder der bevorzugt einem optimalen Temperaturwert (Solltemperatur), bevorzugt 17°C, entspricht, wird unabhängig von der durch den Solarkollektor 7 lieferbaren Wärmeenergie die Solepumpe 25 abgeschaltet und dem Zirkulationskreislauf 5 keine Wärmeenergie zugeführt.
Die vorgenannten Temperaturen werden in Abhängigkeit der Wärmepumpe gewählt. Wärmepumpen arbeiten in der Regel bei primärseitigen Temperaturen in dem vorgenannten Bereich optimal. Liegt folglich der von dem Temperatursensor S3 gelieferte Temperaturwert in dem vorgenannten Bereich oder entspricht dem optimalen standardmäßig eingestellten Temperaturwert, wird bestimmt, dass der Wärmespeicher (Erdbereich) optimal regeneriert ist und dem Zirkulationskreislauf 5 zur Regeneration des Erdbereiches keine Wärme zugeführt werden muss.
Wird bei der Temperaturmessung festgestellt, dass eine nutzbare Temperaturdifferenz zwischen dem Solarkollektorkreislauf 6 und Zirkulationskreislauf 5 vorliegt und der Wärmespeicher (Erdbereich) regeneriert werden sollte, geht die Solepumpe 25 in Betrieb. Nachdem die Solepumpe 25 zur Regeneration des Erdbereiches in Betrieb gegangen ist, wird die Temperatur der von dem Wärmetauscher 24 kommenden Sole kontinuierlich über den Temperatursensor S3 überwacht. Ist der Solarertrag zu groß, d. h. die Temperatur der von dem Wärmetauscher kommenden Sole zu hoch, werden die Solepumpe 25 und/oder die weitere Umwälzpumpe derart gesteuert, dass ein größerer Anteil der Sole durch das Rückschlagventil läuft.
Hierdurch kann vorteilhafter Weise verhindert werden, dass Temperaturhöchstgrenzen in dem Zirkulationskreislauf 5 überschritten werden.
Bevorzugte an der Steuerungseinheit einstellbare Maximaltemperaturen, die in dem Zirkulationskreislauf nicht überschritten werden sollten, betragen 45°C oder 35°C.
Als weitere Schutzfunktion kann vorgesehen werden, dass das Drei-Wege-Ventil 65 so angesteuert wird, dass keine Wärmeübertragung über den Wärmetauscher möglich ist, und/oder dass die Solepumpe 25 abgeschaltet wird.
Wird keine nutzbare Temperaturdifferenz festgestellt, wird die Solepumpe 25 wieder gestoppt und der Vorgang zu einem späteren Zeitpunkt wiederholt. Die Zeitabstände, in denen die Solepumpe wiederholt angesteuert wird, betragen bevorzugt 30 Minuten und können bevorzugt variabel eingestellt werden. D. h., dass in der vorliegenden Ausführungsform die Solepumpe 25 alle 30 Minuten für eine Minute angesteuert bzw. eingeschaltet wird. Hierdurch wird regelmäßig in den bestimmten Zeitabständen eine zuverlässige Temperaturrückmeldung der in dem Wärmespeicher herrschenden Temperatur erhalten.
Sollte nach einer gewissen Anzahl von Wiederholungen bzw. Ansteuerungen der Solepumpe 25 wiederholt keine nutzbare Temperaturdifferenz festgestellt werden, kann bevorzugt für einen einstellbaren Unterbrechungszeitraum auf die Ansteuerung der Solepumpe 25 verzichtet werden. Diese findet bevorzugt nach vier aufeinanderfolgenden Ansteuerungen statt. Hierdurch geht vorteilhafter Weise die Wärmegewinnungsanlage beispielsweise in einen Nachtbetrieb über.
Erst wenn die Temperatur am Solarkollektor eine Nutzung wieder sinnvoll erscheinen lässt oder der eingestellte Unterbrechungszeitraum abgelaufen ist, wird die Solepumpe 25 erneut angesteuert. Übersteigt beispielsweise der von dem Temperatursensor S1 gelieferte Wert den von dem Temperatursensor S2 gelieferten Wert (mit oder ohne Hysteresesteuerung) oder übersteigt der von dem Temperatursensor S1 gelieferte Wert den von dem Temperatursensor S3 zuletzt erfassten Wert (mit oder ohne die im Folgenden noch erläuterte Hysteresesteuerung) kann bevorzugt der Unterbrechungszeitraum beendet werden. Aufgrund dieser Betriebsweise kann auf eine Schaltuhr verzichtet werden, die unter Umständen durch Ungenauigkeit zu Fehlfunktionen der Anlage führen kann.
Die Steuerung des Regenerationsbetriebes wird ebenfalls bevorzugt mit einer Hysteresesteuerung durchgeführt. Für die Hysteresesteuerung sind die folgenden Bereiche bevorzugt:

– erster Hysteresetemperaturwert = Temperaturwert der Sole oder Solltemperatur der Sole +15°C
– zweiter Hysteresetemperaturwert = Temperaturwert der Sole oder Solltemperatur der Sole +0°C

– erster Hysteresetemperaturwert = Temperaturwert der Sole oder Solltemperatur der Sole +5°C
– zweiter Hysteresetemperaturwert = Temperaturwert der Sole oder Solltemperatur der Sole +2°C

Das bedeutet, wenn der durch den Temperatursensor S1 erfasste Wert den ersten Hysterestemperaturwert übersteigt, wird das Ventil 65 derart angesteuert, dass der erste und dritte Anschluss des Ventils 65 miteinander verbunden sind und die Solarpumpe 63 das Wärmeträgermittel über den Wärmetauscher zur Zuführung von Wärmeenergie dem Zirkulationskreislauf 5 fordert.
Fällt der von dem Temperatursensor S1 erfasste Wert unter den zweiten Hysteresetemperaturwert, wird die Wärmezufuhr entweder durch Ansteuerung des Ventils 65 oder durch Steuerung der Solepumpe 25 unterbrochen. In dem Regenerationsbetrieb kann die Solarpumpe, wie bereits oben erläutert, zur Anpassung des optimalen Wärmeertrages durch den Solarkollektor angesteuert werden.
Im Folgenden wird noch das Verfahren der Wärmegewinnungsanlage in dem Kombinationsbetrieb beschrieben. Befindet sich die Wärmegewinnungsanlage in einem Zustand, in dem die Wärmepumpe 3 in Betrieb ist, wird durch den Temperatursensor S3 die in dem Wärmespeicher (Erdbereich) herrschende Temperatur kontinuierlich erfasst. Liefert der Solarkollektor 7 gleichzeitig einen nutzbaren Wärmeertrag, geht die Anlage in den Kombinationsbetrieb über.
In dem gesamten Steuerungsbetrieb wird immer auf die Einhaltung einstellbarer Temperaturgrenzen geachtet, um verschiedene verbaute Materialien und Bauteile vor Überhitzung zu schützen. Der Schutz erfolgt je nach Betriebsart und Betriebszustand durch Regelung der Solarpumpe 63 und/oder der Pumpen in dem Zirkulationskreislauf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202007013888 U1 [0004]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Wärmegewinnungsanlage, bei der ein Wärmespeicher in einem Zirkulationskreislauf eines Wärmeträgermittels angeordnet ist und dem Zirkulationskreislauf Wärme von einer Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zuführbar ist, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist: Erzeugen einer Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf zur Gewinnung eines ersten Temperaturwertes des Wärmespeichers, Vergleichen des ersten Temperaturwertes mit einem zweiten Temperaturwert der Wärmequelle, um einen Temperaturvergleichswert zu erhalten, und Entscheiden darüber, ob dem Zirkulationskreislauf Wärme von der Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zugeführt wird oder nicht, beruhend auf dem Temperaturvergleichswert.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend folgende Verfahrensschritte: Entscheiden, dass die Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf beendet wird, wenn der Temperaturvergleichswert angibt, dass der zweite Temperaturwert niedriger ist als der erste Temperaturwert, und Wiederholen der Erzeugung der Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf zur Gewinnung des ersten Temperaturwertes des Wärmespeichers nach Ablauf einer bestimmten Zeitspanne.
Verfahren gemäß Anspruch 2, weiterhin aufweisehd folgende Verfahrensschritte: Unterbrechen des Wiederholens der Erzeugen der Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf zur Gewinnung des ersten Temperaturwertes des Wärmespeichers für eine bestimmte Unterbrechungszeitspanne, wenn der Temperaturvergleichswert nach einer bestimmten Anzahl von Wiederholungen angibt, dass der zweite Temperaturwert niedriger ist als der erste Temperaturwert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin aufweisend folgende Verfahrensschritte: Kontinuierliches Vergleichen des zweiten Temperaturwertes der Wärmequelle mit dem letzten gewonnenen ersten Temperaturwert des Wärmespeichers, und Entscheiden, dass Wärme dem Zirkulationskreislauf durch die Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zugeführt wird, wenn der Temperaturvergleichswert angibt, dass der zweite Temperaturwert höher ist als der erste Temperaturwert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin aufweisend folgende Verfahrensschritte: Entscheiden, dass Wärme dem Zirkulationskreislauf durch die Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zugeführt wird, wenn der Temperaturvergleichswert angibt, dass der zweite Temperaturwert höher ist als der erste Temperaturwert.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, weiterhin aufweisend folgende Verfahrensschritte: Entscheiden, dass Wärme dem Zirkulationskreislauf durch die Wärmequelle zur Regeneration des Wärmespeichers zugeführt wird, wenn der Temperaturvergleichswert angibt, dass der zweite Temperaturwert einen bestimmten ersten Hysteresetemperaturwert, der um einen bestimmten Betrag über dem ersten Temperaturwert liegt, übersteigt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, weiterhin aufweisend folgende Verfahrensschritte: Entscheiden, dass das Zuführen der Wärme dem Zirkulationskreislauf durch die Wärmequelle unterbrochen wird, wenn der Temperaturvergleichswert angibt, dass der zweite Temperaturwert unter den ersten Temperaturwert fällt, oder der zweite Temperaturwert unter einen zweiten Hysteresetemperaturwert, der gleich dem ersten Hysteresetemperaturwert ist oder um einen bestimmten Betrag unter dem ersten Hysteresetemperaturwert liegt fällt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 7, weiterhin aufweisend folgende Verfahrensschritte: Entscheiden, dass das Zuführen der Wärme dem Zirkulationskreislauf durch die Wärmequelle unterbrochen wird, wenn in dem Zirkulationskreislauf zumindest in einem Teilabschnitt eine zulässige Maximaltemperatur überschritten wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, weiterhin aufweisend folgende Verfahrensschritte: Entscheiden, dass die Zirkulation des Wärmeträgermittels in dem Zirkulationskreislauf beendet wird, wenn der erste Temperaturwert einem optimalen Temperaturwert entspricht oder in einem optimalen Temperaturwertbereich liegt.