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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verfahren zur Steuerung einer solarthermischen Anlage, insbesondere Heizungsanlage oder Warmwasseranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Solarthermische Heizungsanlagen werden vorwiegend im privaten Bereich und dort vorrangig im Rahmen der Gebäudeheizung und Gebäudeklimatisierung eingesetzt. In Verbindung mit einer guten Wärmedämmung und der Nutzung der solaren Einstrahlung verringert sich der Bedarf an zusätzlicher Heizenergie erheblich. Solarthermische Heizungsanlagen sind üblicherweise witterungsgeführt. Zur Einhaltung einer vorgegebenen Innentemperatur in einem Wohnhaus wird ständig eine entsprechende Vorlauftemperatur bereitgestellt. Wenn eine ausreichende Temperatur im Solarspeicher vorliegt, wird ausschließlich diese thermische Energie zur Heizung verwendet. Dies ist allerdings in Mitteleuropa für die Aufrechterhaltung einer angenehmen Innentemperatur oft nicht immer ausreichend. Man setzt demzufolge üblicherweise noch eine zusätzliche Heizung unter Verwendung fossiler Brennstoffe (z. B. Öl, Gas, Pellets oder Holz) zur Erzeugung zusätzlicher thermischer Energie ein, sofern keine ausreichende Temperatur im Solarspeicher vorliegen sollte. Üblicherweise geschieht dies durch Schaltvorgänge über Zeitvorgaben. Dementsprechend werden mit einer Schaltuhr über den Tagesverlauf hinweg typischerweise mehrere Solltemperaturen vorgegeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein neues Verfahren zur Steuerung einer solarthermischen Heizungsanlage zur Verfügung zu stellen, welches einfach umzusetzen ist sowie eine erhöhte Einsparung an fossilem Brennstoff erlaubt. Zudem das Verfahren die Möglichkeit bieten, bereits bestehende Heizungsanlagen in einfacher Weise nachzurüsten.
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Lösung der Aufgabe
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Die vorgenannte Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen beansprucht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Korrektur der zeitlichen Schaltvorgaben für die Zusatzheizung in Abhängigkeit des zukünftig zu erwartenden Wärmebedarfs sowie unter Einbeziehung von gebäudespezifischen Parametern. Hierdurch kann das Schaltverhalten der Zusatzheizung variiert werden und damit die Nutzung der fossilen Energie sowie Solarenergie besser aufeinander abgestimmt werden. Daraus resultierte eine erheblich verbesserte Nutzung der Solarenergie und daraus folgend ein erheblich reduzierter Gebrauch an fossilen Brennstoffen. Das Verfahren führt insgesamt zu einer deutlich besseren Nutzung der Sonnenenergie. Zudem ist es in einfacher Weise in bereits bestehende Anlagen zu integrieren, da lediglich die zeitlichen Schaltvorgaben verschoben werden müssen. Beispielsweise kann bei einer vereinfachten Ausgestaltung des Verfahrens letzteres über ein einfaches Steuermodul, beispielsweise in Form eines Tablet-Computers oder dergleichen, realisiert werden. Der Algorithmus kann sogar mittels einer sogenannten App bereitgestellt werden.
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Zweckmäßigerweise wird im Rahmen des Korrekturalgorithmus eine auf das individuelle Gebäude, in dem sich die solarthermische Anlage befindet, abgestimmte gebäudespezifische Zeitkonstante vorgegeben, die abhängig ist von der Wärmedämmung und/oder der Wärmekapazität des individuellen Gebäudes. Hierbei wird somit die Fähigkeit des individuellen Gebäudes, in dem sich die solarthermische Anlage befindet, bei der Festlegung des Bedarfs an Zusatzenergie durch fossilen Brennstoff miteinbezogen.
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Um diese individuelle, gebäudespezifische Zeitkonstante zu ermitteln, wird mittels mindestens eines Sensors das Temperaturverhalten der Innentemperatur in mindestens einem, vorzugsweise einer Mehrzahl von Betriebsmodi erfasst. Diese konkrete und individuelle gebäudespezifische Zeitkonstante ist somit ein Maß für die sich im Gehäuse einstellende Temperaturänderung bei Erhöhung und/oder Erniedrigung der Vorlauftemperatur.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Korrekturalgorithmus eine heizungsspezifische Zeitkonstante, die abhängig ist von der Art und/oder den Aufbau der Heizung. Die heizungsspezifische Zeitkonstante spiegelt beispielsweise die Trägheit einer Fußbodenheizung wieder. Aber auch andere heizungsspezifische Eigenarten können hierüber erfasst werden. Auch diesbezügliche Zeitfaktoren gehen somit bei der Steuerung der Bereitstellung von thermischer Energie aus fossilen Brennstoffen mit ein.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist mindestens eine Variable vorgegeben, die die zukünftige Wahrscheinlichkeit des Anfalls von Solarenergie festlegt. Zur Festlegung dieser Variablen wird die Tageszeit und/oder der Kalendertag und/oder die Wetterprognose mit einbezogen. Vorzugsweise werden alle drei Teilvariablen bei der Festlegung der Variablen mit berücksichtigt.
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Auch kann in einer vereinfachten Ausgestaltung die zukünftige Wahrscheinlichkeit des Anfalls von Solarenergie anhand von unmittelbar an dem Solarkollektor erfassten Temperaturveränderungsdaten, die vorzugsweise elektronisch festgelegt werden können, bestimmt werden. Über die Erfassung von Temperaturveränderungen am Solarkollektor kann somit durch Extrapolation auf eine zukünftige Wahrscheinlichkeit des Anfalls von Solarenergie geschlossen werden. Hierdurch kann wiederum das Zuschaltverhalten der Zusatzheizung angepasst werden.
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Was die Wetterprognosen anbelangt, können diese vorzugsweise im elektronischen Datenformat, vorzugsweise automatisch, von öffentlichen Datenbanken abgerufen werden. Somit stellt sich das erfindungsgemäße Verfahren unter Einbeziehung vorzugsweise individueller gebäudespezifischer Parameter unter Einbeziehung vorzugsweise individueller gebäudespezifischer Parameter selbsttätig auch auf die Wetterprognosen ein. Sind beispielsweise steigende Temperaturen und zudem sonniges Wetter vorhergesagt, kann dies im Zuge des Korrekturalgorithmus dazu führen, dass die Zuschaltung von Wärme aus der Zusatzheizung bereits im Vorfeld erheblich reduziert wird.
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In zweckmäßiger Anwendung kann zudem zur Pufferung der Solarenergie der Wärmeinhalt des Solarspeichers in Abhängigkeit des zukünftig zu erwartenden Wärmebedarfs, zumindest auch kurzzeitig angehoben werden. Auch dies ermöglicht eine Reduzierung des Verbrauchs an fossilem Brennstoff in der Zusatzheizung im Rahmen der Erfindung.
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Alternativ oder zusätzlich kann zur Pufferung der Solarenergie auch das Speichervolumen des Solarspeichers in Abhängigkeit des zukünftig zu erwartenden Wärmebedarfs, zumindest kurzfristig vergrößert werden. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass mittels eines Schaltventils zusätzliches Vorratsspeichervolumen zum Solarspeicher hinzugeschaltet wird.
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Beschreibung der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung einer solarthermischen Anlage mit zusätzlicher, mit fossilem Brennstoff betriebener Zusatzheizung;
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2 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise wesentlicher Komponenten der Steuerung einer solarthermischen Anlage;
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3 eine stark vereinfachte schematische Darstellungsweise der wesentlichen Komponenten einer alternativen Ausgestaltung der Steuerung einer solarthermischen Anlage,
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4 ein Vergleichsdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Effekts bei einer bestimmten Wettersituation,
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5 ein Vergleichsdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Effekts bei einer veränderten Wettersituation, sowie
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6 ein Vergleichsdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Effekts bei einer weiter veränderten Wettersituation.
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Bezugsziffer 1 in 1 bezeichnet eine solarthermische Anlage in ihrer Gesamtheit. Sie umfasst einen Solarspeicher 3, welcher üblicherweise Wasser enthält, das mittels mindestens eines Sonnenkollektors 2 erhitzt wird. Hierzu umfasst der Sonnenkollektor 2 ein Wärmeträgermedium, z. B. ein Wasser-Propylenglycol-Gemisch, welches im Sonnenkollektor 2 durch die Sonneneinstrahlung erhitzt wird und über eine Verbindungsleitung zunächst zu einem im Solarspeicher 3 befindlichen Wärmetauscher 4 gepumpt und anschließend wieder rückgeführt wird. Im Bereich des Wärmetauschers 4 wird die Wärme von dem Wärmeträgermedium auf das im Solarspeicher 3 befindliche Wasser abgegeben und der Inhalt des Solarspeichers 3 hiermit erhitzt.
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Das im Solarspeicher 3 befindliche Wasser wird einer Heizung 10, beispielsweise einer Fußbodenheizung, zugeführt. Im Bereich des Zulaufs der Heizung 10 befindet sich ein mit der Steuerung 12 einer Zusatzheizung 7 in Verbindung stehender Temperaturwächter 11 zur Feststellung der Vorlauftemperatur des Wassers für die Heizung 10. Zwischen der Heizung 10 und dem Solarspeicher 3 befindet sich auch eine (gestrichelt dargestellte) Rücklaufleitung.
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Von der solarthermischen Heizungsanlage umfasst ist auch die Zusatzheizung 7 für die Erzeugung zusätzlicher Wärmeenergie für den Fall, dass die von den Solarkollektoren 2 erzeugte Wärme nicht ausreichen sollte, eine erforderliche Vorlauftemperatur bereitzustellen.
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Die Zusatzheizung 7 besitzt eine Steuerung 12 und einen Heizkessel 8. Sie steht über eine Zuflussleitung mit einem ebenfalls in dem Solarspeicher 3 befindlichen Wärmetauscher 6 in Verbindung. Eine Zirkulation des Wärmeträgermediums wird durch eine Pumpe 9, die durch die Steuerung 12 gesteuert wird, ermöglicht. Eine entsprechende Pumpe 5 ist auch im Bereich des Zirkulationskreislaufs des Wärmeträgermediums bei den Sonnenkollektoren 2 vorhanden. Auch diese wird z. B. über die Steuerung 12 angesteuert. Darüber hinaus ist eine vorzugsweise elektronische Sensorik 20 vorgesehen, mittels der Temperaturänderungen des Wärmeträgermediums bedingt durch Sonneneinstrahlung unmittelbar erfasst werden können.
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Die Ausgestaltung nach 2 zeigt in stark schematischer Darstellungsweise die Einflusskomponenten der Steuerung 12 der Zusatzheizung 7 aus 1. Die Steuerung umfasst zum einen ein Display 14 sowie ein Eingabepanel 15, welches dazu dient, steuerungsrelevante Daten einzugeben bzw. ein Einlesen entsprechender Daten vornehmen zu können. Die Steuerung 12 steht mit dem Temperatursensor bzw. Temperaturwächter 11 zur Erfassung der Vorlauftemperatur in der Vorlaufleitung der Heizung 10 in Verbindung. Des Weiteren steht die Steuerung 12 mit einem Zeitschaltmodul 13 in Verbindung, welche die Schaltzeiten der Zusatzheizung 7 festlegt. Zusätzlich kann die Steuerung 12 auch noch mit der Pumpe 5 im Solarkollektorkreislauf oder der Pumpe 9 im Zusatzheizungskreislauf verbunden sein.
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Erfindungsgemäß umfasst die Steuerung eine Logik mit einem Korrekturalgorithmus für die Anpassung der zeitlichen Schaltvorgaben für die Zu- bzw. Abschaltung des Solarkollektors 2 und/oder der Zusatzheizung 7 zur Festlegung des Wärmeinhalts des Solarspeichers 3 in Abhängigkeit eines zukünftig zu erwartenden Wärmebedarfs unter Einbeziehung von gebäudespezifischen Parametern bzw. Konstanten sowie weiteren Variablen. Alternativ kann der Korrekturalgorithmus auch in einem externen Gerät (Tablet-Computer), z. B. als App, vorgesehen sein. Hierbei wird die Anpassung der zeitlichen Schaltvorgaben somit über eine Kommunikation des externen Geräts mit der Steuerung 12 vorgenommen.
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Bei den gebäudespezifischen Parametern handelt es sich beispielsweise um eine konkrete Gebäudezeitkonstante K1, die abhängig ist von der Wärmekapazität und/oder der Wärmedämmung des individuellen Gebäudes, in dem sich die solarthermische Anlage befindet.
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Die konkrete Gebäudezeitkonstant K1 kann z. B. in mindestens einem Betriebsmodus, vorzugsweise in mehreren Betriebsmodi, ermittelt werden, indem über mindestens einen repräsentativen (nicht dargestellten) Sensor hierbei der Verlauf der Innentemperatur erfasst wird. Beispielsweise wird die Heizung ausgeschaltet und der Temperaturverlauf im Raum über z. B. 24 Stunden gemessen. Anschließend wird die Heizung eingeschaltet und der Temperaturverlauf im Raum ebenfalls über 24 Stunden gemessen. Daraus können die gebäudetechnischen Parameter erfasst und eine oder mehrere Gebäudezeitkonstante bzw. Gebäudezeitkonstanten ermittelt werden. Damit wird dem Korrekturalgorithmus das thermische Verhalten des konkreten Gebäudes für die Anpassung der zeitlichen Schaltvorgänge der Zusatzheizung bzw. des Solarkollektors zugeführt.
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Zusätzlich oder alternativ kann auch eine Heizungszeitkonstante K2 vorgesehen sein, die abhängig ist von der Art und dem Aufbau der Heizung. Beispielsweise wird über diese Heizungszeitkonstante der Einfluss der Trägheit einer Fußbodenheizung im Rahmen des Korrekturalgorithmus erfasst. Zusätzlich oder alternativ können Parameter K3 der Solaranlage, wie z. B. Himmelsrichtung, Größe, Neigung, in die Berechnung eingeführt werden.
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Zweckmäßigerweise sind auch Variablen vorgesehen, die im Rahmen des Korrekturalgorithmus für die Anpassung der zeitlichen Schaltvorgaben Eingang finden. Beispielsweise handelt es sich hierbei um Wetterprognosen V1, d. h. zu erwartende Sonnenstunden und/oder Außentemperaturen. Entsprechende Werte können entweder per Hand am Eingabepanel 15 oder vorzugsweise automatisch für den Standort aus öffentlich zugänglichen Quellen, z. B. von einem Internetserver 19 (3), verwendet werden.
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Alternativ oder zusätzlich können auch Temperaturveränderungen V2 an den Sonnenkollektoren 2 über die Sensorik 20, vorzugsweise elektronisch, analysiert werden, woraus sich eine Wahrscheinlichkeit des demnächst zu erwartenden Anfalls an Solarenergie ergibt und worauf dann der Betrieb der Zusatzheizung, zumindest für einige Stunden, z. B. ausgeschaltet bleiben kann oder aber eingeschaltet werden muss.
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Wie aus 3 ersichtlich kann die Steuerung 12 auch ein Empfangsteil 16 aufweisen, mittels dem Daten von einem mobilen Rechner, z. B. einem Tablet-Computer 17, auf dem sich ein entsprechendes Programm, z. B. eine sogenannte App befindet, übertragen werden. Vorzugsweise kann eine fortlaufende Abfrage von Wetterprognosedaten über das Internet 19 erfolgen.
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Mit all diesen Daten wird im Rahmen eines Korrekturalgorithmus eine Anpassung der zeitlichen Schaltvorgaben für die Zu- bzw. Abschaltung des Solarkollektors 2 und/oder der Zusatzheizung 7 für die Festlegung des Wärmeinhalts des Solarspeichers 3 in Abhängigkeit des zukünftig zu erwartenden Wärmebedarfs unter Einbeziehung von gebäudespezifischen Parametern durchgeführt. Dieser Korrekturalgorithmus kann entweder in einer von der Steuerung 12 umfassten Logik oder in einer am mobilen PC installierten App bereitgestellt werden.
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Die Darstellung nach 4 zeigt die Wirkung der vorliegenden Erfindung (Fall A) im Vergleich zu einer herkömmlich witterungsbedingten Heizung (Fall B) an einem ersten Beispiel. Es handelt sich hierbei um einen Tag mit wechselhaftem Wetter, d. h. mit Regen am Vormittag und Sonne am Nachmittag. Die Soll-Vorlauftemperatur (Soll-Tvorl) ist so vorgegeben, dass am frühen Morgen eine Anhebung und am späten Abend eine Absenkung erfolgen soll, um Energie während der Schlafphase zu sparen. Um die entsprechende Vorlauftemperatur bereitzuhalten, wird im Fall B, da am frühen Morgen noch keine Solarenergie zu erwarten ist, die Zusatzheizung Hz in Betrieb genommen und etwa mit Beendigung der Regenphase wieder abgeschaltet. Der Solarspeicher ist hierdurch bereits mit Wärme gefüllt, sodass die dann anfallende Solarenergie (Hs) lediglich nur eine zeitlich geringe Nutzungsdauer aufweist, bis sie abgeschaltet wird, um eine Überhitzung zu vermeiden. Zu einem späteren Zeitpunkt, wenn keine Solarenergie mehr zur Verfügung steht, muss die Heizung Hz nochmals zugeschalten werden.
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Im Fall A wird demgegenüber über den Korrekturalgorithmus aufgrund der einfließenden Wetterprognose sowie der thermischen Trägheit des Gebäudes die Zusatzheizung Hz lediglich kurzfristig in Betrieb genommen, sodass sich aufgrund der Sonnenerwartung ein etwas reduzierter Grad an Erwärmung des Solarspeichers 3 einstellt bis die Sonnenenergie Hs voll zum Tragen kommt. Die Sonnenenergie kann somit auch bei einem wechselhaften Tag in vollem Umfang genutzt und gleichzeitig die Verbrennung fossiler Brennstoffe in der Zusatzheizung 7 reduziert werden.
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Die Verhältnisse bei einem Sonnentag zeigt die Darstellung in 5. Hierbei wird unter herkömmlichen Umständen (Fall B) die Zusatzheizung am frühen Morgen eingeschaltet bis der Solarspeicher 3 ausreichend aufgeheizt ist. Schon am Vormittag fällt Sonnenenergie an, die allerdings erst zeitverzögert und nur über einen kürzeren Bereich der Heizungsanlage zugeführt werden kann. Am späten Nachmittag, wenn Sonnenenergie nur noch geringfügig zur Verfügung steht, muss erneut die Zusatzheizung 7 in Betrieb genommen werden.
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Demgegenüber kann im Fall A, bei dem gebäudespezifischen Parameter sowie die Wetterprognose bei der Anpassung der zeitlichen Schaltvorgaben durch den Korrekturalgorithmus mit einbezogen werden, in den frühen Morgenstunden lediglich eine kurzzeitige Aufheizung des Solarspeichers mittels der Zusatzheizung H) erfolgen. Anschließend kann aufgrund der Trägheit der Heizung 10 sowie der Wärmespeicherfähigkeit des Gebäudes sogleich Sonnenenergie (Hs) für Erwärmung des Solarspeichers genutzt werden. Der Anfall an fossilem Brennstoff wird ersichtlich reduziert.
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Bei einem Regentag, wie er in 6 dargestellt ist, unterscheiden sich die Betriebsbedingungen in Fall A sowie in Fall B nicht. In beiden Fällen wird die Zusatzheizung sowohl über den Vormittag als auch über einen Teil des Abends zur Einhaltung der Soll-Vorlauftemperatur eingeschaltet.
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Eine zweckmäßige, in den Zeichnungsfiguren nicht dargestellte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei aktuell reichlich verfügbarer Solarenergie die Temperatur im Solarspeicher 7 bzw. im Gebäude etwas erhöht wird, um eine für den nächsten Tag zu erwartende reduzierte Außentemperatur oder einen bewölkten Himmel auszugleichen. Auch diese Erhöhung der im Gebäude vorherrschenden Temperatur erfolgt somit in Abhängigkeit des zukünftig zu erwartenden Wärmebedarfs unter Einbeziehung von gebäudespezifischen Parametern.
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Alternativ kann bei Bedarf auch das Speichervolumen für Solarenergie erhöht werden, um eine frühe, am nächsten Tag zu erwartende reduzierte Außentemperatur oder einen bewölkten Himmel auszugleichen. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass ein (nicht dargestelltes) zusätzliches Volumen für den Solarspeicher 3 über ein (ebenfalls nicht dargestelltes) Schaltventil hinzugeschaltet wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Lage den Verbrauch an fossilem Brennstoff im Rahmen einer solarthermischen Anlage erheblich zu reduzieren. Zudem kann der hierfür nötige Korrekturalgorithmus in einfacher Weise über eine sogenannte App in einem tragbaren PC bereitgestellt werden. Das Verfahren bietet zudem die Möglichkeit, bereits bestehende Heizungsanlagen nachzurüsten und damit die Energiekosten deutlich zu reduzieren.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizungsanlage
- 2
- Sonnenkollektor
- 3
- Solarspeicher
- 4
- Wärmetauscher
- 5
- Pumpe
- 6
- Wärmetauscher
- 7
- Zusatzheizung
- 8
- Heizkessel
- 9
- Pumpe
- 10
- Heizung
- 11
- Temperaturwächter
- 12
- Steuerung
- 13
- Zeitschaltmodul
- 14
- Display
- 15
- Eingabepanel
- 16
- Empfangsteil
- 17
- Tablet-Computer
- 18
- Vorlaufleitung
- 19
- Internetserver
- 20
- Sensorik
