DE102010017674B3

DE102010017674B3 - Solarkollektoranlage und Verfahren zu deren Steuerung

Info

Publication number: DE102010017674B3
Application number: DE102010017674A
Authority: DE
Inventors: Thomas Brendel; Marco Zetzsche
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2010-07-01
Filing date: 2010-07-01
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: WO2012041304A2; WO2012041304A3; EP2588817A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarkollektoranlage (1) und ein Verfahren zu deren Steuerung mit einem Wärmekreislauf (3) mit zumindest einem Solarkollektor (2) und einem in einem Wärmespeicher (7) angeordneten Wärmetauscher (6) und mit einer Absorptionskältemaschine, deren in einen Kühlmittelkreislauf (4) integrierter Austreiber (10) mit zumindest einem Solarkollektor (2) gekoppelt ist. Um den Wärmekreislauf (3) und den Kühlmittelkreislauf (4) in synergetische Weise miteinander mittels einer einfachen Beschaltung und Regelung zu verknüpfen, wird der Wärmekreislauf (3) und der Kühlmittelkreislauf (2) zumindest teilweise gemeinsam geführt und eine Temperatur des Kühlmittelkreislaufs (4) mittels eines Flusses eines Fluids durch den Wärmekreislauf (3) gesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarkollektoranlage und ein Verfahren zu deren Steuerung mit einem Wärmekreislauf mit zumindest einem Solarkollektor und einem in einem Wärmespeicher angeordneten Wärmetauscher und mit einer Absorptionskältemaschine, deren in einen Kühlmittelkreislauf integrierter Austreiber mit zumindest einem Solarkollektor gekoppelt ist.
Solarkollektoranlagen mit einem Wärmekreislauf, bei dem mittels zumindest eines Solarkollektors ein Fluid mittels Solarstrahlung erwärmt wird und ein von dem erwärmten Fluid durchströmter Wärmetauscher Brauchwasser und/oder Wasser eines Heizkreislaufs in einem Wärmespeicher erwärmt, sind hinreichend bekannt.
Desweiteren ist aus der DE 197 35 334 A1 eine solarthermisch betriebene Kühlanlage bekannt. Der in einem Sonnenkollektor wie Solarkollektor angeordnete Austreiber trennt hierbei zwei Komponenten unter Wärmezufuhr, die anschließend über einen Mischer unter einer den Kühleffekt bewirkenden Wärmeaufnahme wieder gemischt werden. Dabei ist ein Kondensator wie Verflüssiger in einem Warmwasserspeicher angeordnet, wobei unter Wärmeabgabe eine der zuvor getrennten Komponenten kondensiert wird, so dass das Wasser des Warmwasserspeichers erwärmt wird. Eine Regelung der Kühlanlage ist nicht offenbart.
Die deutsche Offenlegungsschrift Nr. DE 26 00 853 A1 offenbart eine als Sonnkollektor ausgebildete Einrichtung zur Energieaufnahme für eine Adsorptionskältemaschine. Hierbei ist zwischen dem Sonnenkollektor und einem Austreiber in einer Verbindungsleitung ein Drosselorgan angeordnet und der Sonnenkollektor als Teil eines zweiflutigen Wärmetauschers mit dem Austreiber eine Einheit bildend ausgebildet.
Aufgabe der Erfindung ist, eine Solarkollektoranlage vorzuschlagen, die in einfacher Bauweise und unter Zugrundelegung einer einfachen Steuerung sowohl zur Erwärmung eines Wärmespeichers als auch zur Kühlung von Gegenständen oder Räumen geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch eine Solarkollektoranlage mit einem Wärmekreislauf mit zumindest einem Solarkollektor und einem in einem Wärmespeicher angeordneten Wärmetauscher und mit einer Absorptionskältemaschine, deren in einen Kühlmittelkreislauf integrierter Austreiber mit zumindest einem Solarkollektor gekoppelt ist, gelöst, wobei der Wärmekreislauf und der Kühlmittelkreislauf in zumindest einem gemeinsamen Solarkollektor zumindest teilweise gemeinsam geführt sind und eine Temperatur des Kühlkreismittelkreislaufs mittels eines Flusses eines Fluids durch den Wärmekreislauf gesteuert wird.
Durch die Koppelung des Wärmekreislaufs und des Kühlmittelkreislaufs in dem zumindest einen Solarkollektor können deren Temperaturen miteinander gekoppelt werden, so dass je nach herrschender Temperatur in dem Sonnenkollektor eine Auswahl getroffen werden kann, welcher Prozess – der Kühlprozess oder der Erwärmungsprozess des Wärmespeichers – ausschließlich ausgeführt oder bevorzugt werden soll. Gemäß dem erfinderischen Gedanken können dabei die implizit in dem Solarkollektorsystem enthaltenen Systemeigenschaften genutzt werden. Es hat sich während Untersuchungen an derartigen Systemen gezeigt, dass bei einem Betrieb des Wärmekreislaufs während einer Bestrahlung durch Solarstrahlung die Temperatur des Wärmekreislaufs und des Kühlmittelkreislaufs soweit abnimmt, dass der Kühlprozess der Absorptionskühlmaschine nahezu zum Erliegen kommt. Wird der Fluss des Fluids in dem Wärmekreislauf gestoppt, erhitzt sich mit diesem und solarer Strahlung auch das Kühlmittel und der Kühlprozess an der Absorptionskühlmaschine kommt in Gang. Es hat sich gezeigt, dass der Kühlprozess bei Temperaturen im Kühlmittel von ca. 80°C in Gang kommt und ab ca. 100°C optimal verläuft. Die Temperatur wird durch die Qualität des Solarkollektors begrenzt. Es hat sich gezeigt, dass eine Auslegung der Solarkollektoren auf Betriebstemperaturen bis 130°C vorteilhaft ist.
Eine Steuerung der Absorptionskühlmaschine benötigt dabei neben einem in der Regel vorhandenen Ventil zur Steuerung des Flusses des Fluids in dem Wärmekreislauf keine weiteren Steuermittel und kann daher im einfachsten Fall ohne elektrischen Strom auskommen und in einfachster Weise aufgebaut werden, indem beispielsweise ein Thermostatventil, das den Fluss des Wärmekreislaufs beispielsweise bei 80°C bis 100°C unterbricht, verwendet wird.
Bei Verwendung einer einfachen Absorptionskältemaschine mit einem Ammoniak-Wasser-Gemisch erfolgt die Austreibung wie Desorption des Ammoniaks aus der wässrigen Lösung an dem Solarkollektormodul bei hohen Temperaturen und eine Absorption nach einer den kühlenden Effekt bewirkenden Kondensation bei geringeren Temperaturen. Dabei wird der Kühlmittelfluss nach dem erfinderischen Gedanken während der exothermen Schritte der Absorption im Absorber und der Kondensation des Ammoniaks im Kondensator an Umgebungsluft rückgekühlt. Dabei wird in vorteilhafter Weise der gesamte Kreisprozess der Absorptionskältemaschine an der Umgebungsluft durchgeführt. Der sich am Verdampfer abkühlende Kühlmittelstrom wird dabei in vorteilhafter Weise über einen Wärmetauscher geführt, so dass das auf eine niedrige Temperatur abgekühlte Kühlmedium das toxisch unbedenkliche Fluid wie Wasser eines Sekundärkreislaufs abkühlt, der in die abzukühlenden wie zu klimatisierenden Räume geführt wird. Bei einer hydrostatischen Anordnung der Sonnenkollektoranlage über dem oder den zu kühlenden Räumen kann ein Zwangsumlauf über die Schwerkraft erzielt werden. Bei längerer Leitungsführung des Sekundärkreislaufs kann zusätzlich eine Umwälzpumpe in diesen integriert werden.
Anstatt der Absorptionskühlmaschine kann in ähnlicher Weise eine Diffusionsabsorptionskältemaschine verwendet werden, bei der zusätzlich zu dem Kühlmittelstrom ein Hilfsgasstrom zum Einsatz kommt, der die Druckdifferenz zwischen kondensiertem und gasförmigem Ammoniak ausgleicht.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel wird zumindest ein gemeinsamer Sonnenkollektor vorgesehen, der zumindest eine Wärmeaustauschfläche zwischen dem Wärmekreislauf und dem Kühlmittelkreislauf aufweist. Dabei können entsprechende das Fluid des Wärmekreislaufs und das Kühlmittel führende Rohre zumindest partiell parallel aneinander anliegen, doppelwandig ineinander geführt oder an einer gemeinsamen wärmeleitenden Oberfläche, beispielsweise der vorzugsweise aus Kupfer gebildeten Absorptionsschicht für solare Strahlung aufgenommen sein. Je nach Wärmebedarf des Wärmespeichers und des Kühlbedarfs der Kühleinheit mit der Absorptionskältemaschine können mehrere Solarkollektoren parallel oder bevorzugt seriell aneinander gekoppelt werden. Dabei können alle Solarkollektoren gemeinsame Solarkollektoren mit jeweils einer Wärmeaustauschfläche sein. Weiterhin können beispielsweise bei einem großen Wärmespeicher und einem geringen zu kühlenden Raumvolumen zumindest ein gemeinsamer Solarkollektor und seriell hierzu angeordnete, einfach ausgebildete Solarkollektoren lediglich mit Röhren für den Wärmekreislauf vorgesehen sein.
Die Erfindung wird weiterhin durch ein Verfahren zur Steuerung einer Solarkollektoranlage mit einem Wärmekreislauf mit zumindest einem Solarkollektor und einem in einem Wärmespeicher angeordneten Wärmetauscher und mit einer Absorptionskältemaschine, deren Austreiber mit einem Kühlmittelkreislauf mit zumindest einem Solarkollektor gekoppelt ist, gelost, wobei der Wärmekreislauf und der Kühlmittelkreislauf in zumindest einem gemeinsamen Solarkollektor zumindest teilweise gemeinsam geführt sind und eine Temperatur des Kühlmittelkreislaufs mittels eines Flusses eines Fluids durch den Wärmekreislauf gesteuert wird.
Gemäß dem erfinderischen Gedanken wird dabei bei erwünschter Kühlung mittels der Absorptionskältemaschine der Fluss durch den Wärmekreislauf bei durch solare Strahlung auf zumindest 80° erhitztem Fluid verringert. Beispielsweise kann ein Thermostatventil oder ein Flussregelventil vorgesehen sein, das bei erwünschter Kühlung den Fluss des Fluids in dem Wärmekreislauf stoppt oder so begrenzt, dass die Arbeitstemperatur der Absorptionskältemaschine von beispielsweise größer 80°C, bevorzugt 100°C erreicht wird. Dabei kann bei ausbleibender oder nicht ausreichender Solarstrahlung ein vorgegebener Fluss des Fluids eingestellt werden. Hierbei wird dafür gesorgt, dass die Temperatur des Fluids über der Betriebstemperatur der Absorptionskältemaschine liegt. Auf diese Weise kann zumindest behelfsmäßig die Absorptionskältemaschine in Gang gehalten werden. Dabei kann entsprechend heißes, in dem Wärmespeicher vorhandenes Wasser zur Erwärmung des Fluids genutzt oder das Fluid des Wärmekreislaufs beispielsweise elektrisch oder mittels fossiler Brennstoffe erhitzt werden. Hierbei kann der Wärmespeicher des Wärmekreislaufs über eine entsprechende Bypassleitung abgetrennt sein.
Die Erfindung wird anhand des in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein Prozessschema einer Solarkollektoranlage und
2 den Solarkollektor der 1 in schematischer Darstellung.
1 zeigt das Prozessschema der Solarkollektoranlage 1 mit dem Solarkollektor 2, auf dem der Wärmekreislauf 3 und der Kühlmittelkreislauf 4 miteinander gekoppelt sind. Der Wärmekreislauf 3 verbindet die Kollektorschleifen 5 des Solarkollektors 2 mit dem Wärmetauscher 6 des Wärmespeichers 7. In den Kollektorschleifen 5 erwärmtes Fluid erwärmt dabei mittels des Wärmetauschers 6 in dem Wärmespeicher 7 vorhandenes Brauchwasser und/oder einer Heizung von Räumen dienendes Heizwasser. Die entsprechenden Anschlüsse hierzu sind nicht dargestellt.
Zur Kühlung eines oder mehrerer Räume 8 ist der Kühlmittelkreislauf 4 mit der Diffusionsabsorptionskältemaschine 9 vorgesehen, deren Austreiber 10 auf dem Solarkollektor 2 integriert ist. Der Kühlmittelkreislauf 4 der Diffusionsabsorptionskältemaschine 9 ist mit einer wässrigen Ammoniaklösung befüllt und beinhaltet gasführende Leitungsteile 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17 und flüssigkeitsführende Leitungsteile 19, 20, 21, 22. Im Austreiber 10 wird dabei das mit gelöstem Ammoniak angereicherte Kühlmedium des Leitungsteils 20 einer hohen Temperatur ausgesetzt, wodurch aufgrund der in den Solarkollektor 2 eingestrahlten Solarstrahlung 24 Ammoniak und Wasserdampf ausgetrieben werden, die mittels des Leitungsteils 11 zum Dephlegmator 23 transportiert werden. Die an Ammoniak arme, heiße Lösung wird mittels des Leitungsteils 21 in den Wärmetauscher 32 geleitet. Das in dem Dephlegmator 23 abgeschiedene Kondensat, vorzugsweise Wasser, wird mittels des Leitungsteils 18 dem Leitungsteil 21 zugeführt. Das gasförmige Ammoniak gelangt von dem Dephlegmator 23 über das Leitungsteil 15 in den Kondensator 25. In diesem wird es unter Energieabgabe zu flüssigem Ammoniak kondensiert und über das Leitungsteil 22 in den Verdampfer 26 eingeleitet an dem es unter Wärmeentzug verdampft und dabei den Wärmetauscher 27 des Sekundärkreislaufs 28 abkühlt. Der mit einem Fluid, bevorzugt Wasser, befüllte Sekundärkreislauf 28 ist mit dem Wärmetauscher 29 verbunden, so dass das Fluid über den Wärmetauscher 29 den Raum 8 kühlt.
Das durch die Erwärmung im Verdampfer wieder gasförmige, kalte Ammoniak wird im Leitungsteil 12 an den Wärmetauscher 30 geleitet, von dem das gasförmige Ammoniak über das Leitungsteil 16 in den Absorber 31 geleitet wird. Im Absorber 31 wird das gasförmige Ammoniak unter Energieabgabe wieder gelöst. Über das Leitungsteil 19 wird die angereicherte Ammoniaklösung über den Druckausgleicher 32 wieder über das Leitungsteil 20 dem Austreiber 10 zugeführt, so dass der Kreisprozess des Ammoniaks geschlossen ist. Durch den Wechsel der Aggregatszustände des Ammoniaks treten in der Diffusionsabsorptionskältemaschine 9 Druckdifferenzen auf, die mittels eines Hilfsgases, beispielsweise Helium, Wasserstoff oder dergleichen ausgeglichen werden, indem die Leitungsteile 13, 14, 17 als Ausgleichsstrecken dienen.
Der Prozess der Diffusionsabsorptionskältemaschine 9 setzt erst ab Temperaturen höher ca. 80°C bis 100°C am Austreiber 10 ein. Es ist daher vorgesehen, die Diffusionsabsorptionskältemaschine 9 mittels dieser Temperatur zu steuern. Hierbei dient durch die thermische Kopplung 33 des Austreibers 10 mit den Kollektorschleifen 5 des Wärmekreislaufs 3 der Fluss des in dem Wärmekreislauf 3 enthaltenen Fluids als Steuerung für eine Kühlung des Raums 8 durch den Kühlkreislauf. Wird nämlich der Wärmekreislauf 3 aufrechterhalten, erfolgt eine Abkühlung des Solarkollektors 2 auf unter oder maximal 80°C, wodurch infolge der thermischen Kopplung 33 auch der Austreiber 10 abgekühlt wird. Soll eine Kühlung des Raums 8 erfolgen, wird mittels des Ventils 34, beispielsweise ein von außen regelbares Durchflussventil oder ein Thermostatventil, der Fluss des Fluids des Wärmekreislaufs 3 gestoppt oder so begrenzt, dass die einfallende Solarstrahlung den Solarkollektor 2 so erwärmt, dass dessen Temperatur und damit die Temperatur des Austreibers auf über 80°C ansteigt und gehalten wird. Durch entsprechende Auslegung der Kapazität des Solarkollektors 2 beziehungsweise Verschaltung mehrerer dieser kann eine Auslegung dahingehend erfolgen, dass der Wärmespeicher 7 abhängig von dessen Größe, der eingestrahlten Wärmemenge und dergleichen in einem vorteilhaften Temperaturbereich betrieben werden kann, ohne Temperaturen über dem Arbeitspunkt der Diffusionsabsorptionskältemaschine 9 zu erzielen. Weiterhin kann dafür gesorgt werden, dass die Kühlung in dem unwahrscheinlichen Fall einer gewünschten Abschaltung bei dauernder solarer Strahlung und geschlossenem Ventil 34 abschaltbar ist, indem beispielsweise der Sekundärkreislauf 28 unterbrochen wird.
2 zeigt den Solarkollektor 2 in schematischer Darstellung. Dieser weist mehrere hintereinander geschaltete Rohre 35 des Wärmekreislaufs 3 auf, die thermisch mit der Absorptionsfläche 36 des Solarkollektors 2, beispielsweise aus Kupfer, gekoppelt sind. In den Rohren 35 sind hier parallel verbundene Innenrohre 37 des Austreibers 10 geführt. Dem Austreiber 10 wird mittels des Leitungsteils 20 angereicherte wässrige Ammoniaklösung zugeführt. In den Innenrohren 37 wird thermisch unter Einwirkung von Solarstrahlung 24 Ammoniak und Wasserdampf ausgetrieben und in dem Leitungsteil 11 abgeführt. Abgeschiedenes Kondensat, bevorzugt Wasser mit geringen Spuren Ammoniak wird über das Leitungsteil 18 rückgeführt. Die ammoniakarme Lösung wird über das Leitungsteil 21 abgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Solarkollektoranlage
2: Solarkollektor
3: Wärmekreislauf
4: Kühlmittelkreislauf
5: Kollektorschleife
6: Wärmetauscher
7: Wärmespeicher
8: Raum
9: Diffusionsabsorptionskältemaschine
10: Austreiber
11: Leitungsteil
12: Leitungsteil
13: Leitungsteil
14: Leitungsteil
15: Leitungsteil
16: Leitungsteil
17: Leitungsteil
18: Leitungsteil
19: Leitungsteil
20: Leitungsteil
21: Leitungsteil
22: Leitungsteil
23: Dephlegmator
24: Solarstrahlung
25: Kondensator
26: Verdampfer
27: Wärmetauscher
28: Sekundärkreislauf
29: Wärmetauscher
30: Wärmetauscher
31: Absorber
32: Wärmetauscher
33: thermische Kopplung
34: Ventil
35: Rohr
36: Absorptionsfläche
37: Innenrohr

Claims

Solarkollektoranlage (1) mit einem Wärmekreislauf (3) mit zumindest einem Solarkollektor (2) und einem in einem Wärmespeicher (7) angeordneten Wärmetauscher (6) und mit einer Absorptionskältemaschine, deren in einen Kühlmittelkreislauf (4) integrierter Austreiber (10) mit zumindest einem Solarkollektor (2) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekreislauf (3) und der Kühlmittelkreislauf (4) in zumindest einem gemeinsamen Solarkollektor (2) zumindest teilweise gemeinsam geführt sind und eine Temperatur des Kühlmittelkreislaufs (4) mittels eines Flusses eines Fluids durch den Wärmekreislauf (3) gesteuert wird.
Solarkollektoranlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskältemaschine eine Diffusionsabsorptionskältemaschine (9) ist.
Solarkollektoranlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Solarkollektor (2) zumindest eine Wärmeaustauschfläche zwischen dem Wärmekreislauf (3) und dem Kühlmittelkreislauf (4) aufweist.
Solarkollektoranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Solarkollektoren miteinander verbunden sind.
Solarkollektoranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein in dem Kühlmittelkreislauf (4) geführtes Kühlmittel ein Wasser-Ammoniak-Gemisch ist.
Solarkollektoranlage (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zirkulation eines mit dem Kühlmittelkreislauf mittels eines Wärmetauschers (27) in Wärmeaustausch stehenden Fluids eines Sekundärkreislaufs (28) mittels Schwerkraft erfolgt.
Solarkollektoranlage (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluid zusätzlich mittels einer Umwälzpumpe umwälzbar ist.
Verfahren zur Steuerung einer Solarkollektoranlage (1) mit einem Wärmekreislauf (3) mit zumindest einem Solarkollektor (2) und einem in einem Wärmespeicher (7) angeordneten Wärmetauscher (6) und mit einer Absorptionskältemaschine, deren Austreiber (10) mit einem Kühlmittelkreislauf (4) mit zumindest einem Solarkollektor (2) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekreislauf (3) und der Kühlmittelkreislauf (4) in zumindest einem gemeinsamen Solarkollektor (2) zumindest teilweise gemeinsam geführt sind und eine Temperatur des Kühlmittelkreislaufs (4) mittels eines Flusses eines Fluids durch den Wärmekreislauf (3) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei erwünschter Kühlung mittels der Absorptionskältemaschine der Fluss durch den Wärmekreislauf (3) bei durch solare Strahlung auf zumindest 80° erhitztem Fluid verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei unzureichender solarer Strahlung Fluid mit zumindest 80°C in dem Wärmekreislauf (3) umgewälzt wird.