DE102010027601A1 - Kopplung von Solarkollektoren und Wärmepumpen mit variabler Expansionstemperatur - Google Patents

Kopplung von Solarkollektoren und Wärmepumpen mit variabler Expansionstemperatur Download PDF

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Abstract

Kurzfassung Technisches Problem der Erfindung = technische Aufgabe und Zielsetzung Zielsetzung der Erfindung ist die optimale Nutzung der Sonnenenergie und die Maximierung des Wirkungsgrades von Solarkollektoren. Dazu sollen die Solarkollektoren als Energiereservoir von Wärmepumpen betrieben werden. Die Kollektoren sollen der Luft Wärme entziehen können. Die Energie, die zum Betrieb der Wärmepumpe sowie zur eventuell erforderlichen zusätzlichen Erwärmung des Heiz- und Brauchwassers soll minimiert werden. Die Anlage soll bei gleicher Fläche eine erheblich größere Energiemenge bereitstellen als eine Solaranlage. Lösung des Problems bzw. der technischen Aufgabe Die Lösung der Aufgabe erfolgt zum einen, dass zwischen die Kollektoren und den Speicher eine Wärmepumpe mit variabler Leistung und variabler Expansionstemperatur geschaltet wird. Bei direkter Kopplung durchströmt das Kältemittel direkt die Kollektoren (Zeichung 1). Bei indirekter Kopplung durchströmt das Kältemittel einen Wärmetauscher, der dem Wärmeträger der Kollektoren Energie entzieht. Die den Kollektoren entzogene Energie wird über einen Wärmetauscher, in dem die Kondensation des Kältemittels erfolgt, wieder an einen Speicher abgeben. Weiterhin werden die Leistung der Wärmepumpe und der Öffnungsquerschnitt bzw. der Strömungswiderstand des Expansionsventils so optimiert, dass die Kollektoren auf einem optimalen Temperaturniveau betrieben werden und dadurch möglichst viel Wärmeenergie liefern. Werden die Kollektoren als Absorber ohne Isolierung ausgeführt, entziehen sie bei geeigneter Expansionstemperatur der Luft zusätzlich Wärme. Anwendungsgebiet Hauptanwendungsgebiet der Erfindung ist die Bereitstellung von Brauchwasser- und Heizenergie für Ein- und Mehrfamilienhäuser. Die Anlage kann auch zur Kühlung der Wohneinheiten eingesetzt werden.

Description

  • Anwendungsgebiet
  • Die Erfindung betrifft Solaranlagen mit Wärmepumpen, die sowohl zur Bereitstellung von Niedertemperaturwärme zu Heizzwecken als auch von niedrigen Temperaturen zu Klimatisierungszwecken dienen. Zwei Ausführungsformen der Anlage werden beschrieben.
  • Stand der Technik
  • Zur Erwärmung von Brauchwasser, zur Heizung von Wohnräumen und zur Bereitstellung von sonstiger Wärmeenergie sind thermische Solarkollektoren geeignet, die in der Regel unterstützend zu einer weiteren, ständig verfügbaren Energiequelle eingesetzt werden. Wärmepumpen haben sich im Laufe der letzten Jahrzehnte zu einer verbreiteten zuverlässigen Technik zur Erzeugung von Wärmeenergie entwickelt. Die Grundlagen sind in /1/ und /2/, die Praxis in /3/ beschrieben. Wärmepumpen lassen sich auch als Kältemaschinen auffassen und stellen geeignete Temperaturen zu Heizungszwecken bereit /1/. Für einige Ausführungen der hier beschriebenen Erfindung sind Wärmepumpen mit regelbarer Leistung erforderlich. Diese sind inzwischen am Markt verfügbar. So bietet die Firma OptiTemp regelbare Wärmepumpen im Leistungsbereich von 0.6 kW bis 25 kW an /4/. Eine Vielzahl von Reglern zur Regulierung der Umdrehungszahl von Elektromotoren ist am Markt erhältlich /6/. Die Regulierung der Umdrehungszahl der Wärmepumpe ist für die Leistungsregelung erforderlich. Die prinzipielle Funktionsweise von Solarkollektoren sowie Grundlagen der Dimensionierung von Solaranlagen sind z. B. in /5/ beschrieben. In der Erfindung können Solarkollektoren jeder Bauart eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft ist jedoch der Einsatz von Absorber mit hohem Absorptionsvermögen für die Sonnenstrahlung einerseits und geringer Isolierung gegenüber der Außenlufttemperatur andererseits. Es befinden sich zahlreiche Simulationsprogramme zur Berechnung des Energieertrags thermischer Solaranlagen am Markt /7/. Ein Programm, das die Kopplung von Wärmepumpen und Solarkollektoren in der hier beschriebenen Weise berechnet, ist nach bestem Wissen nicht darunter. Die Idee, eine Wärmepumpe zusätzlich zu einem Solarkollektor zur Bereitstellung von Wärmeenergie zu verwenden, wurden bereits häufig beschrieben und umgesetzt (e. g. 9. Verschiedene Formen der Kopplung von Solarkollektoren und Wärmepumpen wurden bereits vorgestellt (e. g. Offenlegungsschrift /8/ sowie Patent (13/). Anlagen, die mit der hier zu patentierenden vergleichbar sind /8/, sind nicht darunter. Die Idee der Benutzung eines Sonnenkollektors als Tieftemperaturreservoir für eine Wärmepumpe wurde schon häufiger geäußert (e. g. /1/, S. 151, /13/). Hierbei wurde auch schon vorgeschlagen, das Kältemittel der Wärmepumpe direkt in den Kollektoren zu verdampfen /13/, /15/ Die für Kontrolle der Anlage erforderliche Steuerung der Anlage, das heißt der Wärmepumpenleistung und des Öffnungsquerschnitts des Expansionsventils, wurde bisher jedoch noch nicht beschrieben.
  • Generell kann man bei bisher beschriebenen Anlagen zwischen direkter Kopplung von Solarkollektor und Wärmepumpe und indirekter Kopplung unterscheiden. Wenn das Kältemittel der Wärmetauscher die Kollektoren direkt durchströmt und dort verdampft, wird die Kopplungsform zwischen Kollektoren und Wärmepumpe als „direkte Zwischenkopplung” und der Anlagentyp als „DKA”, „Direkte Kopplung mit Absorber” bezeichnet. Wenn ein Wärmeträger die Kollektoren durchströmt und dem Wärmeträger Energie durch einen Wärmetauscher entzogen wird, in dem sekundärseitig das Kältemittel einer Wärmepumpe verdampft, wird die Kopplungsform zwischen Kollektoren und Wärmepumpe als „indirekte Zwischenkopplung” und der Anlagentyp als „IKA”, „Indirekte Kopplung mit Absorber” bezeichnet.
  • Nachteile des Standes der Technik
  • Bei Solarkollektoren besteht immer das Problem, dass der Wirkungsgrad des Kollektors proportional zur Differenz von der Kollektorausgangstemperatur und der Außentemperatur abnimmt. Um die gewonnene Sonnenenergie sowie die der Luft entzogene Energie zu maximieren, ist es daher wünschenswert, die Kollektoren so zu betreiben, dass die Kollektorausgangstemperatur einen optimalen Wert annimmt. In den konventionellen Betriebsweisen von Solarkollektoren ist dies um so weniger der Fall, je höher die Rücklauftemperaturen von Warmwasser und Heizung sind und je höher die geforderte Nutztemperatur ist. Die Höhe der Kollektoreingangstemperatur wird bei konventionellen Anlagen durch die Rücklauftemperatur der Heizungsanlage bzw. durch die Einlauftemperatur des Brauchwassers bestimmt /11/. Letztere ist umso höher, je besser die Brauchwasserenergie durch Wärmetauscher zurück gewonnen wird. Mit steigender Rücklauftemperatur bzw. Eingangstemperatur in den Kollektor sinkt der Kollektorwirkungsgrad. Bei hohen Rücklauftemperaturen und niedrigen Außentemperaturen ist die Gewinnung von Sonnenenergie mit Solarkollektoren schließlich nicht mehr möglich. Eine Wärmepumpe kann als separater Kreislauf, in dem z. B. dem Erdreich Wärme entzogen wird, zusätzlich zu Sonnenkollektoren zur Bereichstellung von Wärmeenergie eingesetzt werden /9/. Nachteilig ist hier der höhere Aufwand: Es werden zwei Kreisläufe benötigt. Dies benötigt letztlich einen doppelten Investitionsaufwand bedeutet, ohne dass jedoch die eingesparten Energiekosten im selben Maße steigen, wie mit /12/ gezeigt werden kann. Es wurden Erfindungen genannt, in denen die Solarkollektoren als Niedertemperaturreservoirs von Wärmepumpen verwendet werden. Bei den Anlagen mit indirekter Kopplung /10/ und direkter Kopplung /13/ wird nicht beschrieben, wie die Wärmepumpe gesteuert wird. Dadurch ergibt sich das Problem, dass der Absorber entweder mit zu hoher Temperatur betrieben werden kann, wobei der Wirkungsgrad sinkt, oder mit zu tiefer Temperatur, wobei der Wirkungsgrad sinken und zusätzlich starke Vereisung auftreten kann. Bei Anlagen mit indirekter Kopplung sind neben dem Sekundärkreislauf der Wärmepumpe immer ein Primärkreislauf, der die Kollektoren enthält, sowie eine Umwälzpumpe für den Primärkreislauf, erforderlich /15/, /16/. Bei nicht geregelten Wärmepumpen wird ein Pufferspeicher eingesetzt, die ein Takten der Wärmepumpe verhindern sollen /13/. Diese Speicher können bei einer geregelten Pumpe entfallen. Kälteanlagen mit einem regelbaren Drosselquerschnitt des Expansionsventils werden in /17/ beschrieben. Diese Kälteanlage ist speziell auf Kraftfahrzeuge zugeschnitten. Insbesondere wird der Regelbereich des Drosselquerschnitts auf maximal 1 mm2 begrenzt, so dass sie in der beschriebenen Form im Allgemeinen nicht in den hier beschriebenen Anlagen eingesetzt werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, neuartige Solaranlagen zur Bereitstellung von Wärmeenergie zu beschreiben, mit bei gleicher Kollektorfläche erheblich mehr Sonnenenergie sowie gegebenenfalls zusätzlich der Luft entzogene Wärmeenergie bereitgestellt werden kann. Die Anlagen können auch zu Kühlungszwecken eingesetzt werden. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, den Betrieb der Kollektoren am theoretischen Maximum des Wirkungsgrades zu ermöglichen.
  • Lösung der Aufgabe
  • Die Lösung der Aufgabe erfolgt zum einen, dass zwischen die Kollektoren und den Speicher eine Wärmepumpe mit variabler Leistung und variabler Expansionstemperatur (Zeichnung 2.1 bzw. 2.2) geschaltet wird. Die variable Expansionstemperatur wird dabei durch ein Expansionsventil ermöglicht, dessen Querschnitt variierbar ist. Dabei kann das Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufes direkt die Kollektoren durchströmen (Direkte Kopplung, Zeichnung 1). Alternativ durchströmt das Kältemittel einen Wärmetauscher und entzieht so einem Primärkreislauf, der die Kollektoren enthält, Energie (Indirekte Kopplung, Zeichnung 2). Die den Kollektoren entzogene Energie wird über einen Wärmetauscher, in dem die Kondensation des Kältemittels erfolgt, wieder an einen Speicher abgeben. Weiterhin werden die Leistung der Wärmepumpe, der Öffnungsquerschnitt bzw. der Strömungswiderstand des Expansionsventils (Zeichnung 2.2) und bei indirekter Kopplung die Leistung der Umwälzpumpe gemäß den in /12/ beschriebenen Verfahren so optimiert, dass die Kollektoren auf einem optimalen Temperaturniveau betrieben werden und dadurch möglichst viel Wärmeenergie liefern. Durch die Anlage wird der Verbrauch an über die gewonnene Sonnenenergie und der Umgebungsluft entzogenen Energie hinaus erforderlicher Wärmeenergie minimiert. Gleichzeitig kann bei entsprechender Erweiterung zur Vertauschung von Nieder- und Hochtemperaturreservoir die Notwendigkeit einer separaten Kühlungsanlage eingespart werden. Die Ausführungsform einer Anlage mit direkter Kopplung ist in Zeichnung 1 (Anlagentyp „DKA”, direkte Kopplung mit Absorber) dargestellt. Die Ausführungsform einer Anlage mit indirekter Kopplung ist in Zeichnung 2 (Anlagentyp „IKA”, indirekte Kopplung mit Absorber) dargestellt.
  • Steuerung bzw. Regelung der Anlage
  • Die Steuerung der Wärmepumpe wird in Abhängigkeit von den Anlageparametern (Kältemittel, Wirkungsgrad der Wärmepumpe, Kennlinie der Kollektoren), Verbrauchsdaten (Energiebedarf für Heizung und Warmwasser sowie erforderliche Temperaturniveaus), Umgebungsdaten (Intensität und Dauer der Sonneneinstrahlung, Temperatur der Außenluft, Windgeschwindigkeit) und Optimierungszielen (Preis, Energieverbrauch) durch das Programm „EcoSol” berechnet (Zeichnung 3). Das Programm liefert alle zur Steuerung der Leistung der Wärmepumpe sowie der Öffnung des Expansionsventils erforderlichen Informationen in Abhängigkeit von den Messgrößen Außentemperatur TA, Einstrahlungsintensität IS, der bekannten Mittelwerte Energieverbrauch EWV, Temperatur TWV des Hochtemperaturreservoirs der Wärmepumpe und der Rücklauftemperatur TRWV, sowie der technischen Daten der Anlage und den Optimierungszielen Energiepreis oder Energieverbrauch. Diese Größen werden auch als Steuergrößen bezeichnet. Die Berechnungsmethoden sind in /12/ beschrieben. Durch die Steuerung wird die Leistung der Wärmepumpe sowie die Öffnung des Expansionsventils als Funktion der Steuergrößen so geregelt wird, dass die im Absorber pro Zeitintervall absorbierte Sonnen- und Luftenergie genau zur Verdampfung des Kältemittels im Absorber (DKA) oder im Wärmetauscher (IKA), das diese pro Zeitintervall durchströmt, ausreicht und eine vordefinierte Expansionstemperatur eingehalten wird. Diese Expansionstemperatur wird so gewählt, dass die zur Bereitstellung der vom Verbraucher benötigten Wärmeenergie erforderliche Energie zum Betrieb der Wärmepumpe oder einer zusätzlichen Heizung minimiert wird. Dies kann je nach Bedarf dazu führen, dass der Absorber unter- oder oberhalb der Außentemperatur betrieben wird.
  • Durch die Beschreibung der Steuerung /12/ sind ebenso die Grundlagen einer möglichen Regelung beschrieben. Die Steuerung schreibt vor, welche Soll-Werte bestimmte physikalische Größen und die korrespondierenden technische Parameter (Leistungen, Durchflussgeschwindigkeiten etc.) im optimalen Betrieb haben müssen. Wird die Anlage mit einer Regelung ausgestattet, wird z. B. die Temperatur TF hinter den Kollektoren gemessen und die Leistung der Wärmepumpe so verändert, dass TF den berechneten Soll-Wert erreicht.
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, dass (1) die durch die Kollektoren gesammelte Sonnenenergie gegenüber herkömmlichen Anlagen bei gleicher Kollektorfläche erheblich erhöht wird, (2) bei niedrigen Einstrahlungsintensitäten und Außentemperaturen die Gewinnung von Sonnenenergie bei vielen Kollektortypen, insbesondere den Absorber-Kollektoren, überhaupt erstermöglicht wird, (3) die Absorbertemperatur auf optimale Werte eingestellt werden kann, (4) auch die Gewinnung von Wärmeenergie aus der Umgebungsluft möglich ist und (5) die Anlage nur durch Änderung der Strömungsrichtung auch zu Kühlungszwecken eingesetzt werden kann (Zeichnung 3.3). Für die Ausführungsform DKA ergibt sich als weiterer Vorteil, dass nur ein einziger Kältemittelkreislauf erforderlich ist. Bei gleicher Speichergröße und Kollektorenfläche sind gegenüber der üblichen Endreservoirkopplung Mehrerträge gesammelter Sonnenenergie von 50% und mehr möglich, wie durch das zu /12/ gehörige Simulationsprogramm gezeigt wird.
  • Wenn die Wärmepumpe auch zu Kühlungszwecken verwendet wird, wozu nur Tief- und Hochtemperaturreservoir vertauscht werden müssen, ergibt sich ein geringerer apparativer Aufwand gegenüber Anlagen, in denen Heizung und Kühlung separat installiert werden. Ein prinzipieller Vorteil der Erfindung in der Ausführungsform DKA besteht darin, dass die Kollektoren bei Bedarf einen maximal möglichen Wirkungsgrad von 100% für die Sonnenenergienutzung erreichen. Wenn Absorber verwendet werden, die physikalische schwarze Körper mit einem Absorptionsvermögen von 100% darstellen, ist eine weitere Steigerung des Sonnenenergieeintrages nichtmöglich.
  • Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele
  • Definition
  • Durch die Art, wie die Sonnenenergie an den Speicher transportiert wird, wird generell eine Kopplungsform definiert. Wenn das Kältemittel der Wärmepumpe die Kollektoren direkt durchströmt, heißt die Kopplungsform „direkte Zwischenkopplung (DKA)” (Zeichnung 1). Letztere wird erfindungsgemäß in der Anlage eingesetzt Wenn das Kältemittel dem Wärmeträger der Kollektoren die Energie über einen Wärmetauscher entzieht, heißt die Kopplungsform „indirekte Zwischenkopplung (IKA)” (Zeichnung 2).
  • Steuerung der Anlagen
  • Die Steuerung der Anlagen wird in /12/ beschrieben und ergibt sich aus der Programmierung des Programms EcoSol. Die Expansionstemperatur wird durch den Durchmesser des Expansionsventils so geregelt, dass die aufzuwendende elektrische Energie zum Betrieb der Wärmepumpe und die zusätzlich erforderliche Energie zum Heizen des Brauch- und Heizungswassers minimal werden. Daten zur Steuerung von Anlagen können mit dem Programm EcoSol erzeugt werden, in dem die erforderlichen Steuergrößen in Abhängigkeit von Messgrößen und Verbrauchswerten berechnet werden.
  • Beschreibung der Anlage „DKA” (Zeichnung 1)
  • Als Anlage „DKA” (Direkte Kopplung mit Absorber) wird die Anlage gemäß Zeichnung 1 verstanden. Es ist eine Anlage mit kollektorseitiger direkter Zwischenkopplung. Die Anlage stellt Wärmeenergie am Wärmetauschern WT1 im Hauptspeicher zur Verfügung. Der Hauptspeicher kann durch Sonnenenergie und die der Luft entzogene Energie, sowie durch eine zusätzliche Energiequelle (WT2) beheizt werden. Das Kältemittel hat nach der Expansion die Temperatur TE. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Kollektoren sowohl als Solarkollektoren als auch als Luftenergie-Absorber betrieben werden können und eine Doppelfunktion als Solarkollektor und Absorber von Umgebungswärme ausführen. Im Gegensatz zu üblichen Solarkollektoren verfügen diese Absorber im Idealfall über eine möglichst geringe Isolation gegenüber der Außentemperatur.
  • Das von den Absorber erwärmte Kältemittel zirkuliert in einem Primärkreislauf (Zeichnung 1, Anlagetyp „DKA”). Die Leistung der Wärmepumpe sowie die Öffnung des Expansionsventils werden so gesteuert, dass das das Kältemittel im Absorber vollständig verdampft und gleichzeitig eine vordefinierte Expansionstemperatur eingehalten wird. Die Absorber-Kollektoren stellen somit den Verdampfer der Wärmepumpe dar. Die Expansionstemperatur wird so optimiert, dass der Energieverbrauch der Wärmepumpe und einer eventuell erforderlichen Zusatzheizung minimal wird /12/. Falls die Anlage als Lieferant von Wärmeenergie betrieben wird, stellen die Kollektoren und die Außenluft das Tieftemperaturreservoir und die Speicher das Hochtemperaturreservoir der Wärmepumpe dar. Das Hochtemperaturreservoir der Wärmepumpe sind ein oder mehrere Speicher, in der die gewonnene und gegebenenfalls transformierte Energie mit einer speicherspezifischen Temperatur gespeichert wird. Die Speicher werden über Wärmetauscher erwärmt. Dese Wärmetauscher sind so dimensioniert, dass sie bei gleicher Temperaturdifferenz von Umgebungstemperatur und Kältemittel erheblich mehr Wärmeenergie aufnehmen als die Absorber-Kollektoren. Dadurch wird gewährleistet, dass die Temperatur des Kältemittels im Kondensator der Umgebungstemperatur entspricht und der Druck des Kältemittels im Kondensator den entsprechenden Wert annimmt. Eine Änderung des Querschnitts des Expansionsventils führt dann im Wesentlichen zu einer Änderung der Temperatur im Absorber und nicht im Kondensator.
  • Falls die Anlage eingesetzt wird, um einen Speicher abzukühlen, stellen der Speicher das Tieftemperaturreservoir und die Kollektoren und die Außenluft das Hochtemperaturreservoir dar. Es ist evident, dass die Kühlung eines Speichers dann zweckmäßigerweise nachts erfolgt.
  • Beschreibung der Anlage „IKA” (Zeichnung 2)
  • Als Anlage „IKA” (Indirekte Kopplung mit Absorber) wird die Anlage gemäß Zeichnung 2 verstanden. Es ist eine Anlage mit indirekter Zwischenkopplung, wobei der Kollektorkreislauf und der Wärmepumpenkreislauf durch einen Gegenstromwärmetauscher getrennt sind. Der Kollektorkreislauf verfügt über eine steuerbare Umwälzpumpe. Die Umlaufgeschwindigkeit im Kollektorkreislauf wird so optimiert, dass der Energieeintrag maximal wird. Die Leistung der Wärmepumpe sowie die Öffnung des Expansionsventils werden so gesteuert, dass das das Kältemittel im Wärmetauscher vollständig verdampft und gleichzeitig eine vordefinierte Expansionstemperatur eingehalten wird. Der Wärmetauscher stellt somit den Verdampfer der Wärmepumpe dar. Die Expansionstemperatur wird so optimiert, dass der Energieverbrauch der Wärmepumpe und einer eventuell erforderlichen Zusatzheizung minimal wird /12/. Die Anlage stellt Wärmeenergie am Wärmetauschern WT1 im Hauptspeicher zur Verfügung. Der Hauptspeicher kann durch Sonnenenergie und die der Luft entzogene Energie, sowie durch eine zusätzliche Energiequelle (WT2) beheizt werden. Das Kältemittel der Wärmepumpe hat nach der Expansion eine wählbare Temperatur TE, die durch den steuerbaren Durchmesser des Expansionsventils der Wärmepumpe gegeben ist. Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Kollektoren sowohl als Solarkollektoren als auch als Luftenergie-Absorber betrieben werden können und eine Doppelfunktion als Solarkollektor und Absorber von Umgebungswärme ausführen. Im Gegensatz zu üblichen Solarkollektoren können diese Absorber über eine möglichst geringe Isolation gegenüber der Außentemperatur verfügen. Der Vorteil der Anlage IKA gegenüber der Anlage DKA besteht darin, dass der Dampfdruck in den Rohren der Kollektoren erheblich geringer ist und nur unwesentlich über dem Außendruck liegt. Der Nachteil besteht darin, dass eine zusätzliche Pumpe für den Kollektorkreislauf erforderlich ist. Bezugszeichenliste
    Physikalisch-technische Parameter Anlagenbestandteile
    Messgrößen A Absorber-Kollektor
    IS Gemessene Strahlungsintensität Expansionsventil mit
    TA Gemessene Außentemperatur steuerbarem Durchmesser
    TH Gemessene Temperatur im oberen Teil GWT Gegenstromwärmetauscher
    des Hauptspeichers H Zusätzliche Heizung
    HK Heizkörper
    Vorgaben K Kompressor
    EWV Erwerteter Energieverbrauch in Intervall i Sp Speicher
    TWV Gewunschte Temperatur des U Umwälzpumpe
    Hauptspeichers in Intervall i W Wärmepumpe
    TE Expansionstemperatur der Wärmepumpe WT Wärmetauscher
    Gesteuerte Größen
    d Durchmesser der Öffnung des Expansionsventils
    lnh Leistung der Wärmepumpe W
    lok Leiste g der Zusatzheizung H
    lp Leistung der Umwälzpumpe U
    Kontrollmessgrößen
    TE Gemessene Temperatur des Wärmeträgers nach Expansion
    TF Gemessene Temperatur der Kollektorflüssigkeit hinter Kollektor
    dE Dicke der Reiff/Eisschicht auf Kollektor
  • Literatur
    • /1/ Bukau, Fritz, Wärmepumpentechnik, R. Oldenbourg, Wien, 1983
    • /2/ von Cube Hans Ludwig; Steimle, Fritz, Wärmepumpen, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf, 1978
    • /3/ Kruse, Horst; Heidelck, Rudolf, Heizen mit Wärmepumpen, TÜV Verlag GmbH, Köln 2002
    • /4/ Produktprospekt, OptiTemp Inc. P. O. Box 5246, Traverse City, MI 49696, USA
    • /5/ Fernandez, Enrico, Energia Solar, Barcelona, Spanien, 1980
    • /6/ Sonne, Wind und Wärme, 1/2004, S. 30 ff
    • /7/ Sonne, Wind und Wärme, 19/2003, S. 32 ff
    • /8/ DE 197 14 679 A1
    • /9/ DE 2843813 A1
    • /10/ DE 24 11 308 C2
    • /11/ DE 26 25 405 C2
    • /12/ Peschke, Christoph; Programm „EcoSol", Sankt Augustin, 2010, 08.06.2010
    • /13/ DE 103 00 427 B4
    • /14/ DT 2638495 A1
    • /15/ QUICKSTEP SOLARTHERMIE, RHEINZINK, 2009
    • /16/ Solardachpfannen-GmbH, http://www.sdp-solardachpfannen.de/
    • /17/ WO 2007/006632

Claims (6)

  1. Solaranlage mit Wärmepumpe, in der Sonnenkollektoren das Tieftemperaturreservoir und ein Speicher das Hochtemperaturreservoir einer Wärmepupe darstellen, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionstemperatur des Kältemittels der Wärmepumpe und damit die Eingangstemperatur eines Wärmeträgers in den Kollektor durch Änderung des Querschnitts bzw. des Strömungswiderstandes des Expansionsventils der Wärmepumpe als Funktion von Steuergrößen auf einen optimalen Wert eingestellt werden kann und insbesondere ist Einstellung auf einen Wert TF < TA möglich ist, so dass der Kollektor der Luft Wärmeenergie entziehen kann;.
  2. Solaranlage nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Kollektoren von Leitungen für das verdampfende Kältemittel durchzogen sind, die dem Dampfdruck des Kältemittels bei der Verdampfungstemperatur standhalten (Anlagentyp „DKA”);
  3. Solaranlage nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Umwälzpumpe eines Kollektor-Primärkreislaufes steuerbar ist und die Umwälzgeschwindigkeit so eingestellt wird, dass die in den Kollektoren absorbierte Energie maximiert wird (Anlagentyp „IKA”):
  4. Solaranlage nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass Messfühler zur Messung der Steuergrößen IS (Intensität der Sonnenstrahlung) und TA (Temperatur der Außenluft) existieren und diese Größen als Einganggrößen einer Steuerung für den Querschnitt bzw. Strömungswiderstand des Expansionsventils verwendet werden;
  5. Solaranlage nach Anspruch (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Wärmepumpe und der Durchmesser des Expansionsventils als Funktion der Steuergrößen so geregelt wird, dass die in den Kollektoren pro Zeitintervall absorbierte Sonnen- und Luftenergie genau zur Verdampfung des Kältemittels im Verdampfer, das diesen pro Zeitintervall durchströmt, bei einer einstellbaren Expansionstemperatur TE ausreichen;
  6. Solaranlage nach Anspruch (1), (2), (4) oder (5), dadurch gekennzeichnet, dass über vier Umschaltventile der Eingang des Wärmetauschers des Speichers mit der Niederdruckseite der Wärmepumpe und der Eingang der Kollektorseite mit der Hochdruckseite der Wärmepumpe verbunden werden kann, wodurch der Umlaufsinn des Kältemittelkreises umgeschaltet und der Wärmespeicher abgekühlt wird.
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