DE102013001533B4

DE102013001533B4 - Solar flow wrapping for stagnation heat dissipation

Info

Publication number: DE102013001533B4
Application number: DE102013001533.2A
Authority: DE
Inventors: Stefan Albrecht; Dr. Meißner Rolf
Original assignee: Ritter XL Solar GmbH
Current assignee: Ritter Energie und Umwelttechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: DE102013001533A1

Abstract

Verfahren zur Anwendung einer Vorrichtung zur Umschaltung des Solarvorlaufes (4) einer Solaranlage, mindestens bestehend aus solarthermischen Kollektoren (1) und einer Solarpumpe (2), zur Ladung eines Wärmespeichers (5) in einem Wärmeträgerflüssigkeitskreis, wobei der Wärmespeicher (5) einen oberen und einen unteren Anschluss für den Solarvorlauf aufweist und es sich bei der Wärmeträgerflüssigkeit in der Solaranlage um Wasser handelt, das direkt durch den Wärmespeicher (5) fließt, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Umschaltung des Solarvorlaufes (4) zur Stagnationswärmedissipation nach Erreichen einer bestimmten oberen Speichertemperatur den Solarvorlauf nach unten in den Wärmespeicher (5) umlenkt, wodurch sich die Wärme fortan dissipativ konvektiv von unten nach oben im Wärmespeicher (5) verteilt und dieser unter Auflösung aller darüber liegenden Temperaturschichtungen vollständig auf seine zulässige Höchsttemperatur erwärmt wird, wobei auch Kondensationswärme von Dampf, der beim Verdampfen der Flüssigkeit in den Kollektoren (1) nach Abschalten der Solarpumpe (2) in der thermischen Stagnation entsteht, sich dann wegen des Rückflussverhinderers (3) nach der Pumpe entlang des Solarvorlaufs bewegt und bei Eintritt in den mit Flüssigkeit gefüllten Wärmespeicher wieder kondensiert, dissipativ konvektiv von unten in den Wärmespeicher gelangt.Method for using a device for switching the solar flow (4) of a solar system, at least consisting of solar thermal collectors (1) and a solar pump (2), for charging a heat accumulator (5) in a heat transfer fluid circuit, wherein the heat storage (5) has an upper and has a lower connection for the solar flow and it is the heat transfer fluid in the solar system to water that flows directly through the heat storage (5), characterized in that the device for switching the solar flow (4) for Stagnationswärmissipation after reaching a certain upper Storage temperature deflects the solar flow down into the heat storage (5), which dissipates the heat from now dissipative convective from bottom to top in the heat accumulator (5) and this is completely dissolved at dissolution of all overlying temperature stratification to its maximum temperature, including condensa Heat of vapor which arises during evaporation of the liquid in the collectors (1) after switching off the solar pump (2) in the thermal stagnation, then moves because of the backflow preventer (3) after the pump along the solar flow and on entering the liquid condensed heat storage again condensed, dissipatively convective passes from below into the heat storage.

Description

Um Wärmespeicher von einer Solaranlage über einen Wärmeträgerflüssigkeitskreis möglichst effektiv laden und als Speicher nutzen zu können, lädt man sie am besten möglichst heiß von oben, weil man dann die Wärme am schnellsten wieder nutzen kann. Da Solaranlagen aber mit zunehmender Temperatur einen abnehmenden Wirkungsgrad aufweisen und deshalb oft nur viel niedrigere Temperaturen erzeugen können, als es für den Wärmespeicher und für den zu unterstützenden Prozess das Beste wäre, ist es Stand der Technik, dass Solaranlagen Wärmespeicher so lange nicht von oben laden, bis sie eine ausreichend hohe Temperatur für eine Ladung von oben, z. B. die Solltemperatur der Wärmeverbraucher, erreichen. Erreichen sie diese nicht mehr, laden sie wieder nicht mehr von oben. Kleine Solaranlagen wie für Einfamilienhäuser laden überwiegend ihre Wärmespeicher nur von unten. Nachteilig bei einer Wärmespeicherladung von unten mit Temperaturen unterhalb der Verbrauchersolltemperaturen ist vor allem, dass die Solarwärme ohne eine nichtsolare Nachheizung nicht verwendet werden kann. Nachteilig bei einer Wärmespeicherladung von oben mit Temperaturen oberhalb der Wärmespeicher-Solltemperatur ist vor allem, dass der Wärmespeicher nicht vollständig geladen werden kann, weil die Ladung beendet werden muss, wenn der Wärmespeicher oben seine zulässige Maximaltemperatur erreicht hat, während er darunter auch noch kälter sein kann. Wenn nach Beendigung der Ladung von oben die Solaranlage abgeschaltet wird und fortan sogar Wärmeträgerflüssigkeitsdampf von oben in den Wärmespeicher gelangt, dann drohen bei überhitztem Wärmespeicher sogar Betriebsstörungen. In order to load heat storage as effectively as possible from a solar system via a heat transfer fluid circuit and to use it as a storage, it is best to charge it as hot as possible from above, because then you can use the heat most quickly again. Since solar systems but with increasing temperature have a decreasing efficiency and therefore often can only produce much lower temperatures than would be best for the heat storage and for the process to be supported, it is state of the art that solar thermal storage so long do not load from above until a sufficiently high temperature for a charge from above, z. B. reach the desired temperature of the heat consumer. If they do not reach this, they do not load from above again. Small solar systems as for single-family homes mainly load their heat storage only from below. A disadvantage of a heat storage charge from below with temperatures below the consumer target temperatures is especially that the solar heat can not be used without a non-solar afterheating. A disadvantage of a heat storage charge from above with temperatures above the heat storage target temperature is above all that the heat storage can not be fully charged, because the charge must be terminated when the heat storage has reached its maximum permissible temperature, while he also be colder can. If after completion of the charge from above the solar system is switched off and henceforth even heat transfer fluid vapor passes from above into the heat storage, then threaten with overheated heat storage even malfunctions.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden. The object of the invention is to avoid these disadvantages.

DE 196 49 779 A1 beschreibt einen Warmwasserspeicher mit mehreren Wärmetauschern. welche in Abhängigkeit vom Ladezustand des Speichers und den Temperaturen im Solarkreislauf einzeln, in Reihen- oder in Parallelschaltung durchströmt werden. Wenn die Solltemperatur erreicht ist, wird auf den unteren Wärmetauscher umgeschaltet und somit der gesamte Speicherinhalt von unten aufgeheizt. DE 196 49 779 A1 describes a hot water tank with several heat exchangers. which are flowed through individually depending on the state of charge of the memory and the temperatures in the solar circuit, in series or in parallel. When the setpoint temperature is reached, it switches over to the lower heat exchanger and thus heats the entire contents of the tank from below.

US 4027821 beschreibt eine Umlenkung des Solarvorlaufes mittels eines Bereichsventils zwischen zwei Speicherbereichen mit der Lehre, dass das heißeste verfügbare Wasser in den richtigen (geometrisch höchstmöglichen) Speicherbereich gelangt. Nur wenn die Solartemperatur vor dem Bereichsventil kleiner ist als die Temperatur im oberen Bereich, erfolgt die Einspeisung in einen darunter liegenden Bereich (Temperaturdifferenzsteuerung). Der Zweck dieser Umlenkung besteht darin, dem Verbraucher das heißest verfügbare Wasser zur Verfügung zu stellen. Wenn der Solarvorlauf vor der Bereichsumschaltung immer heißer wird, wird auch der obere Bereich, aus dem das Wasser für die Verbraucher zur Nutzung entnommen wird, immer heißer. US 4,027,821 describes a deflection of the solar flow by means of a range valve between two storage areas with the teaching that the hottest water available reaches the right (geometrically highest possible) storage area. Only if the solar temperature upstream of the range valve is lower than the temperature in the upper range, the feed takes place in an area below (temperature difference control). The purpose of this diversion is to provide the consumer with the hottest available water. As the solar flow gets hotter and hotter before the range is changed, the upper range from which the water is taken for use by consumers becomes hotter and hotter.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Anwendung einer Vorrichtung zur Umschaltung des Solarvorlaufes einer Solaranlage gemäß Anspruch 1. The invention relates to a method for using a device for switching the solar flow of a solar system according to claim 1.

Im Normalzustand wird der Wärmespeicher effektiv von oben geladen. Wenn der Wärmespeicher aber oben seine zulässige Höchsttemperatur erreicht hat, muss die Solarpumpe der Solaranlage abschalten. Daraus ergeben sich ein Problem und eine Unzulänglichkeit. Das Problem ist, dass die Solaranlage nach ihrem Abschalten noch einige Zeit Wärme erzeugt, indem ihr Inhalt ganz oder teilweise verdampft und diese Wärme wegen des Ventils zur Rückflussverhinderung nach der Solarpumpe über den Solarvorlauf den Wärmespeicher erreicht. Gelangte diese Wärme weiter von oben in den Wärmespeicher, erlitte dieser im oberen Bereich eine Überhitzung. Würde der Wärmespeicher dabei sogar sieden, hätte dies Überhitzung, das Abblasen des Sicherheitsventils und eine Betriebsstörung zur Folge. Eine Unzulänglichkeit ist, dass der Wärmespeicher noch lange nicht vollständig geladen ist, wenn er oben seine zulässige Höchsttemperatur erreicht. Deshalb schaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umschaltung des Solarvorlaufes frühestens beim Erreichen der Speichersolltemperatur oben im Wärmespeicher und spätestens beim Erreichen der zulässigen Höchsttemperatur oben im Wärmespeicher den Solarvorlauf nach unten. Wenn danach noch heißes oder überhitztes Wasser von der Solaranlage kommt oder sogar Dampf, kann diese Wärme konvektiv von unten im Wärmespeicher dissipativ „verstreut" werden. Dabei wird der Wärmespeicher gleichmäßig von unten mit Wärme aufgefüllt, indem die Temperaturschichtung von unten her aufgelöst wird, bis sich oberhalb des unteren
Solarvorlaufanschlusses eine völlig gleichmäßige Temperatur einstellt. Wenn mit Dampf zu rechnen ist, sollte der untere Solarvorlaufanschluss so ausgeführt sein, dass der Dampf dort möglichst leise und gleichmäßig kondensiert und keinesfalls mit fließendem Wasser zusammentrifft, um Dampfschläge zu vermeiden. Solche Ausführungen können geeignete Siebe, Querschnittsaufteilungen, Querschnittserweiterungen, Kondensationsrohre oder Kondensationskammern sein und schließen eine Doppelnutzung dieses Anschlusses aus. Eine vorteilhafte Zusatzfunktion dieser Solarvorlaufumschaltung ist die Vermeidung von Vermischung und die Gewährleistung von Frostschutz. Dazu schaltet die Solaranlage auch dann nach unten, wenn es an der Vorrichtung zur Umschaltung des Solarvorlaufs noch zu kalt ist, z. B. unmittelbar nach dem Einschalten der Solarpumpe, aber nicht, wenn es im Winter im untersten Bereich des Wärmespeichers zu kalt wird. In the normal state, the heat storage is effectively charged from above. However, if the heat storage has reached its maximum allowable temperature, the solar pump of the solar system must switch off. This results in a problem and a shortcoming. The problem is that the solar system generates heat for some time after their shutdown by their content completely or partially evaporated and this heat because of the valve to prevent backflow after the solar pump via the solar flow reaches the heat storage. If this heat continued to reach the heat store from above, it would overheat in the upper area. If the heat storage would even boil, this would result in overheating, the blowing off of the safety valve and a malfunction. An inadequacy is that the heat storage is far from fully charged when it reaches its maximum allowable temperature. Therefore, the device according to the invention for switching the solar flow switches at the earliest when reaching the desired storage temperature at the top of the heat storage and at the latest when reaching the maximum allowable temperature at the top of the heat storage, the solar flow down. If there is still hot or superheated water coming from the solar system or even steam, this heat can be convectively "scattered" from below in the heat accumulator, where the heat accumulator is evenly filled with heat from below by dissolving the temperature stratification from below above the lower one
Solar supply connection sets a completely uniform temperature. If steam is to be expected, the lower solar supply connection should be designed so that the steam condenses there as quietly and evenly as possible and under no circumstances comes into contact with running water in order to avoid steam blows. Such designs may be suitable screens, cross-sectional divisions, cross-sectional extensions, condensation tubes or condensation chambers, and preclude dual use of this connection. An advantageous additional function of this solar flow switchover is the avoidance of mixing and the guarantee of frost protection. For this purpose, the solar system also turns down when it is still too cold on the device for switching the solar flow, z. B. immediately after switching on the solar pump, but not when it is too cold in winter in the lowest part of the heat storage.

Die Abbildung zeigt als Ausführungsbeispiel eine Solaranlage, bestehend mindestens aus einem Kollektorfeld (1), einer Solarpumpe (2), einem Rückflussverhinderer (3) und vier Temperaturmessstellen (7), in der dasselbe Wasser fließt wie im Wärmespeicher (5), wobei der Solarvorlauf über die Vorrichtung zur Umschaltung des Solarvorlaufs (4) entweder oben oder unten in den Wärmespeicher gelangt, während der Solarrücklauf den Wärmespeicher immer unten verlässt. Der untere Solarvorlaufanschluss weist Dissipations-Vorrichtungen (6) auf, die so ausgeführt sind, dass der Dampf dort möglichst leise und gleichmäßig kondensiert und keinesfalls mit fließendem Wasser zusammentrifft, um Dampfschläge zu vermeiden. Als Dissipationsvorrichtungen (6) können geeignete Siebe, Querschnittsaufteilungen, Querschnittserweiterungen, Kondensationsrohre oder Kondensationskammern verwendet werden. The figure shows an exemplary embodiment of a solar system, consisting of at least one collector array ( 1 ), a solar pump ( 2 ), a backflow preventer ( 3 ) and four temperature measuring points ( 7 ), in which the same water flows as in the heat storage ( 5 ), wherein the solar flow through the device for switching the solar flow ( 4 ) either at the top or bottom of the heat storage, while the solar return leaves the heat storage down always. The lower solar flow connection has dissipation devices ( 6 ), which are designed so that the steam condenses there as quietly and evenly as possible and under no circumstances with running water in order to avoid steam shocks. As dissipation devices ( 6 ) suitable sieves, cross-sectional divisions, cross-sectional extensions, condensation tubes or condensation chambers can be used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: solarthermische Kollektoren Solar thermal collectors
22: Solarpumpe solar pump
33: Rückflussverhinderer Backflow preventer
44: Vorrichtung zur Umschaltung des Solarvorlaufs (z. B. 3-Wege-Vetil) Device for switching the solar flow (eg 3-way vetil)
55: Wärmespeicher heat storage
66: Dissipationsvorrichtung zur Kondensation Dissipation device for condensation
77: Temperatursensoren temperature sensors

Claims

Method for using a device for switching the solar flow ( 4 ) of a solar system, at least consisting of solar thermal collectors ( 1 ) and a solar pump ( 2 ), for charging a heat accumulator ( 5 ) in a heat transfer fluid circuit, wherein the heat storage ( 5 ) has an upper and a lower connection for the solar flow and it is the heat transfer fluid in the solar system to water, directly through the heat storage ( 5 ) flows, characterized in that the device for switching the solar flow ( 4 ) for stagnation heat dissipation after reaching a certain upper storage temperature the solar flow down into the heat storage ( 5 ), whereby the heat from then dissipative convective from bottom to top in the heat storage ( 5 ) and this is heated with dissolution of all overlying temperature stratifications completely to its maximum allowable temperature, and also condensation heat of steam, the evaporation of the liquid in the collectors ( 1 ) after switching off the solar pump ( 2 ) arises in the thermal stagnation, then because of the backflow preventer ( 3 ) is moved to the pump along the solar flow and condensed again on entering the liquid-filled heat storage, dissipative convective passes from below into the heat storage.

A method according to claim 1, characterized in that the heat storage inlet for the steam with suitable dissipation devices ( 6 ) as appropriate sieves, cross-sectional divisions, cross-sectional extensions, condensation tubes or condensation chambers is equipped to make the condensation take place in the heat storage as quiet as possible.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the device for switching the solar flow ( 4 ) as long as the solar flow down into the heat storage directs to the device for switching the solar flow ( 4 ) a minimum temperature is reached, in order to reach the upper part of the heat accumulator ( 5 ) prevailing minimum temperature does not fall below by admixture of colder liquid.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the device for switching the solar flow ( 4 ) never lower the solar flow into the heat storage tank ( 5 ) deflects when in the lower part of the heat accumulator ( 5 ) does not have a minimum temperature required for the frost protection of the solar system.