DE102012004700B4

DE102012004700B4 - Thermische Solaranlage

Info

Publication number: DE102012004700B4
Application number: DE102012004700.2A
Authority: DE
Inventors: Mario Adam; Sebastian Schramm
Original assignee: Fachhochschule Duesseldorf
Current assignee: Fachhochschule Duesseldorf
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2020-01-16
Anticipated expiration: 2032-03-13
Also published as: DE102012004700A1

Abstract

Thermische Solaranlage mit einem Solarspeicher (1), mit einem ersten, die Speicherflüssigkeit, insbesondere Wasser, führenden, der Wärmezufuhr dienenden Kreislauf (I), dessen Vorlauf (V1) an dem unteren Ende des Solarspeichers und dessen Rücklauf (R1) am oberen Ende des Solarspeichers angeschlossen ist, und der von einem von Sonnenstrahlung erwärmbaren Sonnenkollektor (6) direkt oder über einen Wärmetauscher (5) erwärmt wird, und mit einem zweiten, die Wärme zur Nutzung abführenden Kreislauf (III), dessen Vorlauf (V2) am oberen Ende des Solarspeichers und dessen Rücklauf (R2) am unteren Ende des Solarspeichers angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet,- dass am Vorlauf (V1) des ersten Kreislaufs (I) mindestens eine Leitung (8) abzweigt, die an den oberen Bereich des Solarspeichers (1) angeschlossen ist, wobei die Abzweigstelle von einem Ventil (9) gebildet ist, durch das steuerbar ist, welche Flüssigkeitsmengen aus dem oberen und unteren Bereich des Solarspeichers entnommen werden, um durch den Sonnenkollektor (6) erwärmt zu werden,- dass am Rücklauf (R2) des zweiten Kreislaufs (III) mindestens eine Leitung (11) abzweigt, die an den oberen Bereich des Solarspeichers (1) angeschlossen ist, wobei die Abzweigstelle von einem Ventil (12) gebildet ist, durch das steuerbar ist, welche vom Wärmeverbraucher (10) zurückkehrenden abgekühlten Flüssigkeitsmengen dem unteren und oberen Bereich des Solarspeichers zugeführt werden,- dass das Ventil (9) im Vorlauf (V1) des ersten Kreislaufs (I) ein Dreiwegeventil ist, das entsprechend der Temperatur (T1) in der Leitung (V1) hinter dem Ventil (9) geregelt wird, und- dass das Ventil (12) im Rücklauf (R2) des zweiten Kreislaufs (III) ein Dreiwegeventil ist, das in Abhängigkeit des Betriebs insbesondere der Drehzahl oder der Fördermenge der Speicherladepumpe (4) geregelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine thermische Solaranlage mit einem Solarspeicher, mit einem ersten, die Speicherflüssigkeit insbesondere Wasser führenden, der Wärmezufuhr dienenden Kreislauf, dessen Vorlauf an dem unteren Ende des Solarspeichers und dessen Rücklauf am oberen Ende des Solarspeichers angeschlossen ist, und der von einem von Sonnenstrahlung erwärmbaren Sonnenkollektor direkt oder über einen Wärmetauscher erwärmt wird, und mit einem zweiten, die Wärme zur Nutzung abführenden Kreislauf, dessen Vorlauf am oberen Ende des Solarspeichers und dessen Rücklauf am unteren Ende des Solarspeichers angeschlossen ist.
Die Erfindung bezieht sich auf die hydraulische Einbindung einer Solaranlage mit Solarspeicher in ein geschlossenes Prozesswärmesystem, bei dem die Solaranlage der Rücklaufanhebung der vorhandenen Heizanlage dient oder direkt im Prozess Wärme bereitstellt. Die charakteristischen Merkmale eines geschlossenen Prozesswärmesystems sind hohe Temperaturen sowohl im Vorals auch im Rücklauf des Wärmeverbrauchers. Im Gegensatz dazu stehen Systeme, bei denen frisches, kühles Prozesswasser vorgewärmt wird.
Der heutige Stand der Technik bei thermischen Solaranlagen ist, dass der Solarvorlauf (Solarwärmetauscheraustritt) geschichtet in einen Solarspeicher eingespeist wird. Über ein Ventil, mehrere Ventile oder eine Schichtladelanze wird bei hohen Temperaturen der Solarvorlauf weiter oben und bei niedrigen Temperaturen weiter unten in den Speicher eingebunden, möglichst in die Schicht des Speichers mit gleicher Temperatur. Der Rücklauf zum Kollektorfeld (Solarwärmetauschereintritt) ist unten an der kältesten Stelle im Speicher angeschlossen. Auf diese Weise wird der Kollektorertrag maximiert, da der Kollektor immer mit kühlem Rücklaufwasser versorgt wird und schon auf niedrigem Temperaturniveau Solarwärme gewonnen werden kann. Der Wärmeverbraucher entnimmt oben an der wärmsten Stelle aus dem Speicher und der Rücklauf ist unten am Speicher angeschlossen oder über Ventile, geregelt nach der Rücklauftemperatur, in verschiedenen Speicherhöhen.
Lautet die Prozessanforderung, Wärme auf hohem Temperaturniveau bereit zu stellen, hat diese Speichereinbindung den Nachteil, dass Solarenergie, welche unterhalb des erforderlichen Temperaturniveaus in den Speicher eingespeist wird, nicht nutzbar ist. Da der Rücklauf aus dem Speicher zur Solaranlage immer aus dem unteren kühlen Teil des Speichers entnommen wird, ist das ganze Speichervolumen am Ladevorgang beteiligt, wodurch der Speicher sich im Speicherkopf nur langsam auf Nutztemperaturniveau aufheizt, so dass teils wenig oder keine Solarenergie zur Prozesswärmenutzung bereitgestellt werden kann.
Aus der DE 36 18 551 A1 ist es an sich bekannt, einen Wärmespeicher für eine durch Solarenergie oder Abfallwärme angewärmte Flüssigkeit zu schaffen, in dem unterschiedlich hohe Temperaturen aufrechterhalten und daraus entnommen werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, im Solarsystem schneller die Prozesstemperatur zu erreichen und konstant zur Verfügung zu stellen. Dies wird durch folgende Maßnahmen erreicht:

• Am Vorlauf des ersten Kreislaufs wird mindestens eine Leitung abgezweigt, die an den oberen Bereich des Solarspeichers angeschlossen ist, wobei die Abzweigstelle von einem Ventil gebildet ist, durch das steuerbar ist, welche Flüssigkeitsmengen aus dem oberen und unteren Bereich des Solarspeichers entnommen werden, um durch den Sonnenkollektor erwärmt zu werden,
• am Rücklauf des zweiten Kreislaufs wird mindestens eine Leitung abzweigt, die an den oberen Bereich des Solarspeichers angeschlossen ist, wobei die Abzweigstelle von einem Ventil gebildet ist, durch das steuerbar ist, welche vom Wärmeverbraucher zurückkehrenden abgekühlten Flüssigkeitsmengen dem unteren und oberen Bereich des Solarspeichers zugeführt werden,
• das Ventil im Vorlauf des ersten Kreislaufs ist ein Dreiwegeventil, das entsprechend der Temperatur in der Leitung hinter dem Ventil geregelt wird, und
• das Ventil im Rücklauf des zweiten Kreislaufs ist ein Dreiwegeventil, das in Abhängigkeit des Betriebs insbesondere der Drehzahl oder der Fördermenge der Speicherladepumpe geregelt wird.

Durch ein Speichermanagement wird die Bereitstellung solarer Prozesswärme erreicht, indem zu Beginn des Ladevorgangs nur ein Teilvolumen des Speichers in den Solarkreis eingebunden wird und nach Erreichen der Prozesstemperatur das zu erwärmende Speichervolumen kontinuierlich vergrößert wird.
Hierdurch ist es möglich, ein wesentlich höheres Temperaturniveau zu bedienen als es bei der Erwärmung von Brauchwasser gefordert wird. So können bei einfachem technischem Aufbau, einfachem Regelsystem und mit üblichen Solarspeichern Temperaturen von 70 Grad und höher erreicht werden, wie sie in der Industrie erforderlich sind. Bei einfachem Speichermanagement kann für solare Prozesswärmeanlagen ein hohes Temperaturniveau bedient werden.
Eine Leistungsverbesserung ist erreichbar, wenn zwei oder mehr Solarspeicher in Reihe hintereinandergeschaltet sind. Hierbei wird vorgeschlagen, dass bei zwei Speichern am ersten Solarspeicher die Leitungen des ersten Kreislaufs und Leitungen des zweiten Kreislaufs am letzten Speicher die Leitungen und des zweiten Kreislaufs angeschlossen sind. Alternativ wird hierzu vorgeschlagen, dass bei mehr als zwei Speichern die abzweigenden Leitungen an einem der dem ersten Speicher folgenden Speichern angeschlossen sind.
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung schematisch mit nur einem Solarspeicher dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
In der Regel wird die Solarenergie genutzt, um frisches Prozesswasser vorzuwärmen oder bei einem geschlossenen Wärmeverteilsystem den Rücklauf zum Prozesskessel anzuheben. Ist Bedarf an frischem Prozesswasser vorhanden, sollte aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus immer die Frischwasservorwärmung bevorzugt werden. Die Solaranlage arbeitet dabei auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau und die Spanne bis zur maximal zulässigen Temperatur ist sehr groß. Daher können relativ hohe spezifische Kollektorerträge erreicht werden. In vielen Industriebranchen wird allerdings kein Frischwasser benötigt oder der Wärmebedarf fällt diskontinuierlich an. Beispiele für Prozesswärme, die über ein geschlossenes Verteilsystem bereitgestellt wird, sind die Beheizung von Bädern oder Trocknungsprozesse in der Chemie-, Metall- oder Lebensmittelindustrie. Eine solare Kesselunterstützung kann hier erst beim Erreichen der System-Rücklauftemperatur erfolgen und die Spanne bis zum sicherheitsbedingten Abschalten der Solaranlage beträgt prozess- oder kesselabhängig wenige zehn Grad Celsius (häufig 20 bis 30 K). Die Anforderungen an das Solarsystem bei Kesselunterstützung sind also ein vorgegebenes hohes Temperaturniveau schnell zu erreichen und dieses möglichst konstant zur Verfügung zu stellen.
Das gezeichnete Ausführungsbeispiel weist einen vorzugsweise mit Wasser gefüllten Solarspeicher 1 größerer Höhe als Breite auf mit einem Speicherkopf 2 und einem Speicherboden 3. In dem Solarspeicher bauen sich Schichten unterschiedlicher Temperatur auf, mit der höchsten Temperatur im Speicherkopf und der niedrigsten Temperatur am Speicherboden.
An dem Solarspeicher ist ein Wärmezufuhr-Kreislauf I angeschlossen mit einem nahe des Speicherbodens 3 angeschlossenem Vorlauf V1, in dem sich eine Speicherladepumpe 4 befindet und der mit seinem anderen Ende an einen Solarwärmetauscher 5 angeschlossen ist. Die Pumpe 4 fördert das im Kreislauf I befindliche Wasser durch den Wärmetauscher 5 hindurch über einen Rücklauf R1 zurück zum Solarspeicher, wobei der Rücklauf R1 am Speicherkopf 2 angeschlossen ist.
Der Solarwärmetauscher 5 ist im Gegenstrom von einem Solarkreislauf II durchflossen, in dem mindestens ein Sonnenkollektor 6 angeschlossen ist. Die im Kreislauf II befindliche Flüssigkeit (insbesondere Wasser-Glykol-Gemisch) wird von einer Pumpe 7 umgepumpt.
Vom Vorlauf V1 des Wärmezufuhr-Kreislaufs I zweigt zwischen der Pumpe 4 und dem Anschluss am Speicherboden 3 eine Leitung 8 ab, deren anderes Ende am Speicherkopf 2 oder nahe des Speicherkopfs, zumindest aber in der oberen Hälfte des Solarspeichers am Solarspeicher 1 angeschlossen ist. Die Abzweigstelle ist von einem Dreiwegeventil 9 gebildet, das als Temperaturmischer in der Weise arbeitet, dass durch die Leitung 8 wärmeres Wasser dem Solarspeicher entnommen wird, als im unteren Bereich des Solarspeichers zur Verfügung steht. Hierdurch wird verhindert, dass zu kühles Wasser durch den Kreislauf I gepumpt wird und das Wasser im oberen Bereich des Solarspeichers eine zu geringe Temperatur einnimmt. Hinter dem Ventil 9 weist der Vorlauf V1 einen Temperatursensor T1 auf, nach dessen gemessener Temperatur das Ventil 9 geregelt wird.
Am Solarspeicher ist ein zweiter Kreislauf in Form eines Wärmeabfuhr-Kreislaufes III angeschlossen, dessen Vorlauf V2 mit einem Ende am Speicherkopf 2 und dessen anderes Ende am Wärmeverbraucher 10 direkt oder über einen nicht dargestellten Wärmetauscher angeschlossen ist. Über einen Rücklauf R2 gelangt das kühlere Wasser vom Wärmeverbraucher (oder Wärmetauscher) zu einer Anschlussstelle des Solarspeichers nahe dem Speicherboden 3.
Von dem Rücklauf R2 zweigt eine Leitung 11 ab, die mit ihrem oberen Ende am Speicherkopf 2 oder nahe dem Speicherkopf, zumindest aber in der oberen Hälfte des Solarspeichers am Solarspeicher angeschlossen ist. Die Abzweigstelle ist von einem Dreiwegeventil 12 gebildet, das in Abhängigkeit der Speicherladepumpe 4 (insbesondere nach deren Drehzahl oder Fördermenge) geregelt wird. Durch die Leitung 11 und das Ventil 12 wird erreicht, dass in dem Fall, in dem Wasser mit einer verhältnismäßig hohen Temperatur vom Wärmeverbraucher 10 zurück kommt, dieses gleich in den oberen Bereich des Solarspeichers gelangt, ohne mit kühlerem Wasser des unteren Bereichs des Solarspeichers vermischt zu werden.
In dem Wärmeabfuhr-Kreislauf III kann sich noch eine nicht dargestellte Pumpe insbesondere im Vorlauf V2 befinden, die vorzugsweise geregelt ist.
Der (Drei-Wege-) Temperaturmischer 9 im Rücklauf zum Kollektorfeld ist somit auf seinen zwei Zulaufseiten zum einen am Speicherkopf 2 und zum anderen am Speicherboden 3 angeschlossen, wobei der Mischeraustritt zum Solarwärmetauscher 5 führt. Die Regelgröße des Mischers 9 ist dessen Austrittstemperatur. So wird bei einem kalten Speicher 1 nur der obere Teil des Speichers erwärmt. Alternativ kann die Kollektoraustrittstemperatur oder die Temperatur der Leitung R1 als Regelgröße verwendet werden. Nach Erreichen der geforderten Regeltemperatur öffnet der Mischeranschluss am Speicherboden 3 und ein Teilvolumenstrom führt durch den gesamten Speicher. So bewirkt der Mischer 9, dass erst nachdem das obere Speichervolumen auf Solltemperatur erwärmt worden ist, das solar erwärmte Speichervolumen kontinuierlich zunimmt. Die Temperaturvorgabe für den Mischer ist beim Einsatz drehzahlgeregelter Pumpen (Kollektor- und Speicherladepumpe) bzw. bei variablen Volumenströmen konstant. Bei konstanten Volumenströmen ist die Regeltemperatur eine Funktion der Globalstrahlung und sinkt bei steigender Strahlung, um ein konstant hohes Temperaturniveau am Kollektoraustritt zu erzielen.
Beide Regelalgorithmen können auch in Kombination zur Anwendung kommen. Der Verbraucherrücklauf ist über ein Dreiwegeventil 12 am Speicher 1 angeschlossen, welches bei solarer Speicherbeladung oben auf die Höhe der Mischerentnahme des Solarkreisrücklaufs schaltet, damit am Speicherboden 3 das kalte Temperaturniveau erhalten bleibt. Wird der Speicher nicht solar beladen, schaltet das Ventil 12 auf den Speicherboden, so dass das gesamte Speichervolumen durchströmt wird und die gesamte Speicherkapazität genutzt wird.
Die beschriebene Solarspeichereinbindung gilt für einzelne Speicher als auch für eine Reihenschaltung mehrerer Speicher. Hierbei sind bei zwei Speichern am ersten Solarspeicher 1 die Leitungen R1 und 8 des ersten Kreislaufs I und Leitungen V2 und 11 des zweiten Kreislaufs III am letzten Speicher 1 die Leitungen V1 (Kreislauf I) und R2 des zweiten Kreislaufs III angeschlossen. Bei mehr als zwei Speichern sind die abzweigenden Leitungen 8, 11 an einem der dem ersten Speicher 1 folgenden Speichern angeschlossen.

Claims

Thermische Solaranlage mit einem Solarspeicher (1), mit einem ersten, die Speicherflüssigkeit, insbesondere Wasser, führenden, der Wärmezufuhr dienenden Kreislauf (I), dessen Vorlauf (V1) an dem unteren Ende des Solarspeichers und dessen Rücklauf (R1) am oberen Ende des Solarspeichers angeschlossen ist, und der von einem von Sonnenstrahlung erwärmbaren Sonnenkollektor (6) direkt oder über einen Wärmetauscher (5) erwärmt wird, und mit einem zweiten, die Wärme zur Nutzung abführenden Kreislauf (III), dessen Vorlauf (V2) am oberen Ende des Solarspeichers und dessen Rücklauf (R2) am unteren Ende des Solarspeichers angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, - dass am Vorlauf (V1) des ersten Kreislaufs (I) mindestens eine Leitung (8) abzweigt, die an den oberen Bereich des Solarspeichers (1) angeschlossen ist, wobei die Abzweigstelle von einem Ventil (9) gebildet ist, durch das steuerbar ist, welche Flüssigkeitsmengen aus dem oberen und unteren Bereich des Solarspeichers entnommen werden, um durch den Sonnenkollektor (6) erwärmt zu werden, - dass am Rücklauf (R2) des zweiten Kreislaufs (III) mindestens eine Leitung (11) abzweigt, die an den oberen Bereich des Solarspeichers (1) angeschlossen ist, wobei die Abzweigstelle von einem Ventil (12) gebildet ist, durch das steuerbar ist, welche vom Wärmeverbraucher (10) zurückkehrenden abgekühlten Flüssigkeitsmengen dem unteren und oberen Bereich des Solarspeichers zugeführt werden, - dass das Ventil (9) im Vorlauf (V1) des ersten Kreislaufs (I) ein Dreiwegeventil ist, das entsprechend der Temperatur (T1) in der Leitung (V1) hinter dem Ventil (9) geregelt wird, und - dass das Ventil (12) im Rücklauf (R2) des zweiten Kreislaufs (III) ein Dreiwegeventil ist, das in Abhängigkeit des Betriebs insbesondere der Drehzahl oder der Fördermenge der Speicherladepumpe (4) geregelt wird.
Solaranlage nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehr Solarspeicher (1) in Reihe hintereinander geschaltet sind.
Solaranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei Speichern am ersten Solarspeicher (1) die Leitungen (R1 und 8) des ersten Kreislaufs (I) und Leitungen (V2 und 11) des zweiten Kreislaufs (III) am letzten Speicher (1) die Leitungen (V1) (Kreislauf I) und (R2) des zweiten Kreislaufs (III) angeschlossen sind.
Solaranlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehr als zwei Speichern (1) die abzweigenden Leitungen (8, 11) an einem der dem ersten Speicher (1) folgenden Speichern angeschlossen sind.