DE102017001810A1

DE102017001810A1 - System und Verfahren zur thermischen Nutzung von Solarenergie

Info

Publication number: DE102017001810A1
Application number: DE102017001810.3A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-02-27
Filing date: 2017-02-27
Publication date: 2018-08-30

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur thermischen Nutzung von Solarenergie, umfassend
- zumindest einen thermischen Kollektor (1), der von einem Wärmeträgermedium in einem Primärkreislauf (3) durchflossen ist,
- einen von dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) abgehenden Vorlauf (301) des Primärkreislaufs (3),
- einen mit dem Vorlauf (301) stromabwärts verbundenen internen Wärmetauscher (5),
- eine mit dem internen Wärmetauscher (5) in Wirkverbindung stehende Energie-Speichereinrichtung (7),
- einen von dem internen Wärmetauscher (5) abgehenden Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3), der stromabwärts mit dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) verbunden ist, und
- eine in dem Rücklauf (303) angeordnete Pumpe (305) des Primärkreislaufs (3), dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet von dem Primärkreislauf (3) ein externer Wärmetauscher (11) in einem Sekundärkreislauf (13) vorgesehen ist, wobei der Sekundärkreislauf (13) einerseits über ein Mischventil (15) mit dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) und andererseits mit dem Vorlauf (301) des internen Wärmetauschers (5) verbunden ist.
Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur thermischen Nutzung von Solarenergie sowie auf ein Mischventil (15) für flüssige Medien.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zur thermischen Nutzung von Solarenergie mit Vermeidung einer Überhitzung.
Die Überhitzung von thermischen Solaranlagen im Sommer stellt, auch in Mitteleuropa, ein Problem dar und bedingt hohe Anforderungen an die eingesetzten Bauteile wie Ventile und Verrohrung. Speziell bei Systemen mit Heizungsunterstützung ist die daraus resultierende Überdimensionierung bei Betrieb im Sommer der Grund für die auftretenden Probleme. Diese Probleme sind vor allem die Verdampfung und Kondensation der Solarflüssigkeit mit den damit verbundenen Temperatur- und Drucksituationen, was die Komponenten der thermischen Solaranlagen stresst und deren Alterung beschleunigt. Diese Problematik wird als „Thermische Stagnation“ bezeichnet (vgl. „Das Verhalten von Solarsystemen im Stagnationsfall“; Robert Hausner, Christian Fink; AEE - Arbeitsgemeinschaft Erneuerbare Energie).
Vor allem in den Sommermonaten kommt es vor, dass im Solarspeicher kein Wärmebedarf vorliegt. Die Regelung erkennt diese Situation und bringt den Solarkreislauf zum Erliegen. Prinzipiell ist die Stagnation ein normaler Bestandteil des Betriebes einer thermischen Solaranlage und nicht zwangsläufig problematisch, solange die Stillstandszeiten nicht überhand nehmen. Es kann jedoch zu Komplikationen kommen, wenn die Solarregelung den Kreislauf stoppt (oder ein Bauteil wie Pumpe, Regler oder Temperaturfühler defekt ist). Dann steht die Wärmeträgerflüssigkeit im Solarkreislauf und in den Kollektoren still. Diese inzwischen sehr gut untersuchte thermische Stagnation verläuft in fünf Phasen.
In der ersten Phase (Ausdehnung, erste Verdampfung) steigt die Wärme in den Kollektoren durch die Sonneneinstrahlung bedingt stark an. Ab einem bestimmten Temperaturniveau, das von der Beschaffenheit der Wärmeträgerflüssigkeit und dem herrschenden Systemdruck mit abhängt, beginnt die Wärmeträgerflüssigkeit, zu verdampfen, und ihr Volumen nimmt damit zu.
In der zweiten Phase der Stagnation (Verdampfen der Wärmeträgerflüssigkeit) erreicht die Wärmeträgerflüssigkeit ihren Siedepunkt und es verdampfen Teile. Der Druck in der Anlage steigt weiter. Dadurch werden die flüssigen Teile der Wärmeträgerflüssigkeit in ein ggf. vorhandenes Ausdehnungsgefäß gedrückt.
In der dritten Phase (Leersieden der Kollektoren) erreicht der Druck seinen Maximalwert und die Temperaturen steigen weiter an. Diese Phase ist die kritischste der Stagnation. Die Reste der verbliebenen Wärmeträgerflüssigkeit in den Kollektoren sieden langsam leer. Nach dem Stand der Technik ist es daher entscheidend, dass die Anlage so gebaut ist, dass möglichst wenig bis keine Wärmeträgerflüssigkeit in den Kollektoren verbleibt.
In der vierten Phase (Überhitzung) erreichen die Temperaturen im Kollektor ihren Höchstwert und der Druck nimmt leicht ab. Diese Phase der Überhitzung dauert so lange an, bis die Einstrahlung so weit zurückgeht, dass die Temperaturen den Stagnationspunkt wieder unterschreiten.
Anschließend füllen sich in der fünften Phase die Kollektoren wieder. Bei einem Rückgang der solaren Einstrahlung sinken der Druck im System ebenso wie die Temperaturen wieder ab. Der Dampf im System kondensiert wieder zur Wärmeträgerflüssigkeit und diese gelangt zurück in die Kollektoren.
Die thermische Stagnation tritt gewöhnlich genau dann auf, wenn die Wärme aus der thermischen Solaranlage gar nicht benötigt wird, so dass keine Wärme dem Kreislauf entnommen wird. Solange die Anlage eigensicher ausgeführt ist, stellt die thermische Stagnation zunächst kein Problem dar. Problematisch ist jedoch ein häufigeres Auftreten der thermischen Stagnation, wobei die thermische Solaranlage und deren Wärmeträgerflüssigkeit Schaden nehmen. So können nach längerer Stillstandszeit eventuell zu hohe Temperaturen auftreten, und der hohe Druck verursacht Schäden. Ferner kann die Wärmeträgerflüssigkeit thermisch zersetzt („gecrackt“) werden, wobei die entstehenden Bestandteile den Betrieb behindern oder direkt schädlich auf diesen einwirken. So kann eine Klumpenbildung die Funktion der Pumpe gefährden und die Änderung des pH-Werts zusätzliche Korrosion verursachen.
Die Hersteller von thermischen Solaranlagen haben eine Reihe von Lösungen erarbeitet, um die vorstehend genannten Probleme zu vermeiden.
Bei der sog. Rückkühlung wird nachts die Pumpe der Anlage nicht abgeschaltet, da die Verluste im Solarkreislauf durch ungenügende Isolation helfen sollen, Wärme abzugeben. Nachteilig daran ist die entsprechend längere Laufzeit der Pumpe und der damit verbundene erhöhte Verschleiß und Energieverbrauch. Zudem ist diese Lösung nicht besonders effektiv, da für die Übergangszeit der Jahreszeiten die Isolation natürlich auf hohem Niveau sein kann.
Die sog. Drain-Back-/Steam-Back-Systeme sind technisch nicht trivial, da die thermische Solaranlage faktisch geleert wird und dann wieder gefüllt werden muss, was eine hohe Pumpenleistung benötigt (entgegen der Schwerkraft, wenn der Speicher nicht auf Höhe des Kollektors untergebracht werden kann). Diese Lösung ist daher mäßig effektiv, aber kostenintensiv.
Mit Beschattungssystemen werden zusätzliche Investitionen in und bewegliche Komponenten für die thermische Solaranlage notwendig, was ferner die Service-Kosten erhöht. Ein weiteres Problem stellt bei dieser Lösung die Anfälligkeit gegenüber starken Winden (Beschädigung) und der Beitrag zu Windlast für die Befestigung der thermischen Solaranlage, bspw. auf einem Dach, dar.
Schließlich wurde vorgeschlagen, mit einer Isolationsentfernung an der thermischen Solaranlage für künstliche Energieverluste zu sorgen. Diese Lösung ist wenig praktikabel, da die Isolation an heißen Tagen manuell entfernt werden muss, da sonst die vorstehend beschriebene Überhitzung droht. Andererseits muss nach heißen Tagen die Isolation wieder angebracht werden, um ein zu frühes Nachheizen mit fossilen Brennstoffen zu vermeiden.
Die vorstehend genannten Lösungsansätze für die thermische Stagnation behandeln jedoch nur die Symptome und gehen nicht die Ursachen des Problems an.
Ein gattungsgemäßes System und Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt. WO 2006/032 083 A1 beschreibt einen Schutz vor Übertemperaturen in einem solarthermischen System zum Erhitzen von Wasser in einem Wasserkreislauf mittels eines Wärmeträgerkreislaufs mit Solarpaneelen. Das System sieht vor, in dem Wärmeträgerkreislauf zum Vermeiden von Übertemperaturen einen Bypass vorzusehen, der mit einem Bypass-Ventil abgesperrt ist, um den Wärmeträger an dem Wasserkreislauf vorbeizuführen, wenn die Temperatur des Wärmeträgers einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Damit soll verhindert werden, dass das Wasser im Wasserkreislauf zu sieden beginnt. Der Bypass im Wärmeträgerkreislauf kann eine Kühlanordnung umfassen, um den Wärmeträger zusätzlich zu kühlen. Bei der Ausführung der WO 2006/032 083 A1 muss der Wasserbehälter, der entweder von dem Wärmeträger zum Erwärmen des Wasserkreislaufs umflossen wird oder an einen Wärmetauscher zwischen Wärmeträgerkreislauf und Wasserkreislauf angeschlossen ist, aus hydrostatischen Gründen oberhalb der Solarpaneele angeordnet sein.
Die in WO 2006/032 083 A1 offenbarte Lösung wird zwar in sich als vorteilhaft beschrieben, sie weist allerdings ebenfalls Nachteile beispielsweise darin auf, dass umfangreichere konstruktive Maßnahmen notwendig sind, um dieses System z.B. auf einem Dach zu installieren. Ferner wird für die Steuerung des Bypass-Ventils die Vorlauf-Temperatur als Führungsgröße verwendet, was zu einem langsamen Ansprechen des Schutzes vor Übertemperaturen führt. Darüber hinaus wird bei Energieentnahme aus dem Speicher nach dem Aktivieren des Bypasses nicht sofort wieder nachgeheizt, da sich die Vorlauftemperatur durch die Energieentnahme aus dem Speicher nicht verringert („Memory-Effekt“). Dadurch wird die Kapazität des Speichers nicht optimal genutzt.
Ausgehend von den vorstehend genannten Nachteilen des Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges System zur thermischen Nutzung von Solarenergie bereitzustellen, mit dem eine Überhitzung sowohl des Wärmeträgermediums als auch eines angeschlossenen Verbraucherkreislaufs schnell und wirkungsvoll vermieden werden kann, sowie ein entsprechendes Verfahren anzugeben. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, dieses System für bestehende thermische Solaranlagen nachrüstbar bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird in einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein System zur thermischen Nutzung von Solarenergie gelöst, umfassend

- zumindest einen thermischen Kollektor (1), der von einem Wärmeträgermedium in einem Primärkreislauf (3) durchflossen ist,
- einen von dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) abgehenden Vorlauf (301) des Primärkreislaufs (3),
- einen mit dem Vorlauf (301) stromabwärts verbundenen internen Wärmetauscher (5),
- eine mit dem internen Wärmetauscher (5) in Wirkverbindung stehende Energie-Speichereinrichtung (7),
- einen von dem internen Wärmetauscher (5) abgehenden Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3), der stromabwärts mit dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) verbunden ist, und
- eine in dem Rücklauf (303) angeordnete Pumpe (305) des Primärkreislaufs (3), dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet von dem Primärkreislauf (3) ein externer Wärmetauscher (11) in einem Sekundärkreislauf (13) vorgesehen ist, wobei der Sekundärkreislauf (13) einerseits über ein Mischventil (15) mit dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) und andererseits mit dem Vorlauf (301) des internen Wärmetauschers (5) verbunden ist.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird in einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur thermischen Nutzung von Solarenergie gelöst, umfassend die Schritte

a) Erwärmen eines Wärmeträgermediums in einem thermischen Kollektor (1),
b) Fördern des erwärmten Wärmeträgermediums durch einen von dem thermischen Kollektor (1) abgehenden Vorlauf (301) eines Primärkreislaufs (3),
c) Zuführen des erwärmten Wärmeträgermediums aus dem Vorlauf (301) in einen internen Wärmetauscher (5), der in Wirkverbindung mit einer Energie-Speichereinrichtung (7) steht,
d) Übertragen von Wärmeenergie von dem erwärmten Wärmeträgermedium in dem internen Wärmetauscher (5) auf die Energie-Speichereinrichtung (7),
e) Fördern des abgekühlten Wärmeträgermediums durch einen von dem internen Wärmetauscher (5) abgehenden Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zu dem stromabwärts angeordneten thermischen Kollektor (1), wobei das Fördern in den Schritten b) und e) mittels einer in dem Rücklauf (303) angeordneten Pumpe (305) des Primärkreislaufs (3) ausgeführt wird,

i) zumindest ein Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums mittels der im Rücklauf (303) angeordneten Pumpe (305) in einen Sekundärkreislauf (13) gefördert wird,
ii) dieser Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums einem beabstandet von dem Primärkreislauf (3) angeordneten externen Wärmetauscher (11) zugeführt wird,
iii) Wärmeenergie von dem Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums in dem externen Wärmetauscher (11) abgegeben wird,
iv) das abgekühlte Wärmeträgermedium aus dem externen Wärmetauscher (11) gefördert wird und
v) das abgekühlte Wärmeträgermedium über ein Mischventil (15) aus dem Sekundärkreislauf (13) dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zugemischt wird.

System und Verfahren der vorliegenden Erfindung weisen allgemein die Vorteile auf, dass in technisch einfacher Art und Weise ein sicherer und schnell ansprechender Schutz vor Überhitzung sowohl des Wärmeträgermediums als auch eines angeschlossenen Verbraucherkreislaufs geschaffen wird, während gleichzeitig eine optimale Nutzung der aufgenommenen Wärmeenergie gewährleistet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung im Detail beschrieben. Wenn in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Systems Verfahrensmerkmale genannt werden, so beziehen sich diese insbesondere auf das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso beziehen sich gegenständliche Merkmale, die in der Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeführt werden, auf das erfindungsgemäße System.
In einem ersten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System zur thermischen Nutzung von Solarenergie, das zumindest einen thermischen Kollektor (1) umfasst, der von einem Wärmeträgermedium in einem Primärkreislauf (3) durchflossen ist. Von diesem zumindest einen thermischen Kollektor (1) geht ein Vorlauf (301) des Primärkreislaufs (3) ab, mit dem stromabwärts ein interner Wärmetauscher (5) verbunden ist.
Der interne Wärmetauscher (5) steht in Wirkverbindung mit einer Energie-Speichereinrichtung (7), so dass die Wärmeenergie aus dem Wärmeträgermedium auf diese Energie-Speichereinrichtung (7) übertragen werden kann. Die Wärmeenergie kann in der Energie-Speichereinrichtung (7) gespeichert und aus dieser über abgenommen werden.
Von dem internen Wärmetauscher (5) geht ein Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) ab, der stromabwärts mit dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) verbunden ist und somit den Primärkreislaufs (3) schließt. In dem Rücklauf (303) ist eine Pumpe (305) des Primärkreislaufs (3) angeordnet.
Das erfindungsgemäße System zeichnet sich dadurch aus, dass beabstandet von dem Primärkreislauf (3) ein externer Wärmetauscher (11) in einem Sekundärkreislauf (13) vorgesehen ist, wobei der Sekundärkreislauf (13) einerseits über ein Mischventil (15) mit dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) und andererseits mit dem Vorlauf (301) des internen Wärmetauschers (5) verbunden ist.
Das erfindungsgemäße System bietet durch den Sekundärkreislauf (13) mit dem externen Wärmetauscher (11) die Möglichkeit, im Vergleich mit einer herkömmlichen der thermischen Solaranlage auftretende Übertemperaturen effizient und schnell aus dem System zu entziehen, um so sowohl ein Überhitzen des Wärmeträgermediums als auch ein Überhitzen eines angeschlossenen Verbraucherkreislaufs zu vermeiden. In anderen Worten wird mit dem Sekundärkreislauf (13) kaltes Wärmeträgermedium zur Mischung in den Primärkreislauf (3) erzeugt. Dabei wird entgegen den bekannten Lösungen nicht bei den Symptomen angesetzt, sondern bei der Ursache, d.h. bei der ggf. zu hohen Temperatur des Wärmeträgermediums im Primärkreislauf (3). Ferner wird entgegen dem Stand der Technik die Temperatur des Rücklaufs (303) des Primärkreislaufs (3) als Führungsgröße eingesetzt, was durch das erfindungsgemäße Mischventil (15) eine schnellere Regelung ermöglicht.
Durch die Anordnung des erfindungsgemäßen Mischventils (15) im Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) wird darüber hinaus sichergestellt, dass einerseits die Sonneneinstrahlung auf die thermischen Kollektoren (1) maximal ausgenutzt wird, und andererseits die Energie-Speichereinrichtung (7) über den internen Wärmetauscher (5) immer mit der optimalen Energie versorgt wird. In anderen Worten wird die maximale Betriebstemperatur der Energie-Speichereinrichtung (7) berücksichtigt, bevor Wärmeenergie über den Sekundärkreislauf (13) und den externen Wärmetauscher (11) entzogen wird.
Bestehende thermische Solaranlagen, insbesondere in Mitteleuropa, sind so aufgebaut, dass die thermischen Kollektoren (1) auf dem Dach oder an den Außenwänden eines Gebäudes angebracht sind, während der interne Wärmetauscher (5) und die Energie-Speichereinrichtung (7) in der Regel im Inneren des Gebäudes und hier häufig im Keller untergebracht sind. Das erfindungsgemäße System zeichnet sich daher gegenüber dem bekannten Stand der Technik, wie er in WO 2006/032 083 A1 offenbart ist, auch dadurch aus, dass nur sehr geringe konstruktive Maßnahmen vorgenommen werden müssen, um eine herkömmliche thermische Solaranlage in ein erfindungsgemäßes System umzubauen oder damit nachzurüsten. Demgegenüber scheint die in WO 2006/032 083 A1 beschrieben Technik, zumindest für Mitteleuropa, wenig praktikabel zu sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Mischventil (15) auf eine Betriebstemperatur im Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) von mindestens 85 °C ausgelegt. Herkömmliche Mischventile, wie die beispielsweise aus Mischbatterien von Duscharmaturen bekannt sind, weisen maximale Einsatztemperaturen von 45 °C auf, ferner sind Brauchwassermischventile mit einem Einstellbereich von 50 °C bis 65 °C bekannt. Das erfindungsgemäße Mischventil (15) ist folglich darin vorteilhaft, dass es bei den im Primärkreislaufs (3) des erfindungsgemäßen Systems auftretenden Betriebstemperaturen sicher funktioniert.
Es hat sich für den Beitrieb des erfindungsgemäßen Systems als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Mischventil (15) ein automatisches Mischventil mit einstellbarer Rücklauftemperatur zu dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) ist. Durch diese konstruktive Maßnahme kann auf Änderungen im System reagiert werden, beispielsweise, weil sich die Betriebstemperatur der Energie-Speichereinrichtung (7) ändert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in dem Rücklauf (303) zumindest ein Temperaturfühler (307) angeordnet, der mit dem Mischventil (15) in Wirkverbindung steht. Mittels dieses Temperaturfühlers (307) kann die exakte Temperatur des Wärmeträgermediums im Rücklauf (303) bestimmt und damit das Mischventil (15) gesteuert werden. In einer bevorzugten Weiterbildung bilden Temperaturfühler (307) und automatisches Mischventil (15) eine bauliche und/oder funktionelle Einheit.
Das automatische Mischventil (15) wird bei der Einstellung von 85 °C durch das Beimischen von durch den externen Wärmetauscher (11) abgekühlter Wärmeträgerflüssigkeit zur nicht abgekühlten Wärmeträgerflüssigkeit im Rücklauf (303) sicherstellen, dass die Rücklauftemperatur auf einen Wert von 85 °C nicht überschreitet. Hat die Wärmeträgerflüssigkeit nach Verlassen des internen Wärmetauschers (5) eine niedrigere Temperatur als 85 °C, so wird keine abgekühlte Wärmeträgerflüssigkeit beigemischt. Dann strömt auch keine Wärmeträgerflüssigkeit durch den externen Wärmetauscher (11).
Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der externe Wärmetauscher (11) mit einem externen Energiespeicher oder einem externen Energieabnehmer in Wirkverbindung steht. Damit wird überschüssige Wärmeenergie aus dem System abgeführt, bevor eine Überhitzung droht.
In der einfachsten Ausführungsform kann der externe Energieabnehmer in einem handelsüblichen Heizkörper bestehen, der außerhalb des Gebäudes angeordnet ist (beispielsweise an der Außenwand nach Norden) und der so die überschüssige Wärmeenergie ins Freie abgibt.
Die überschüssige Wärmeenergie kann jedoch auch von einem externen Energiespeicher aufgenommen werden, um für eine weitere sinnvolle Nutzung zur Verfügung zu stehen, beispielsweise zur Erzeugung von elektrischem Strom.
Um zu verhindern, dass in dem Primärkreislauf (3) das Wärmeträgermedium in die entgegengesetzte Richtung fließt, ist vorteilhafterweise in dem Vorlauf (301) ein Rückschlagventil (309) angeordnet. Damit wird in erster Linie verhindert, dass in der Nacht, wenn das Wärmeträgermedium im thermischen Kollektor (1) kälter und leichter als am internen Wärmetauscher (5) ist, der Anlage Energie durch den sogenannten Schwerkraftbetrieb (bei abgeschalteter Pumpe) entzogen wird. Dies tritt jedoch nicht in Verbindung mit dem externen Wärmetauscher (11) auf, da das Mischventil (15) nur bei Temperaturen über 85 °C die Verbindung zum externen Wärmetauscher (11) herstellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sekundärkreislauf (13) mit dem externen Wärmetauscher (11) und dem Mischventil (15) als Nachrüstsatz für bestehende thermische Solaranlagen ausgelegt sein. Diese Ausführungsform bietet die erfindungsgemäße Möglichkeit, bestehende thermische Solaranlagen ohne großen technischen Aufwand nachzurüsten und den Vorteilen der Erfindung zugänglich zu machen.
Wird ein automatisches Mischventil (15) mit einer Ausgangstemperatur von beispielsweise 85 °C eingesetzt (d.h. Temperaturfühler (307) und Mischventil (15) bilden eine Einheit), kann im Gegensatz zu den heute üblichen Verfahren nicht nur auf zusätzliche Pumpen, sondern auch auf zusätzliche Sensoren und zusätzliche elektrische Steuerungen verzichtet werden, welche nach einem heute üblichen Verfahren bei der Kühlung von Speichereinrichtungen benötigt werden.
Die vorstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf das erfindungsgemäße System gelten für das nachstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren entsprechend. Ebenso gelten die nachstehenden Ausführungen und Bevorzugungen im Hinblick auf die erfindungsgemäße Verfahren für das vorstehend beschriebene erfindungsgemäße System entsprechend.
In einem zweiten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur thermischen Nutzung von Solarenergie, insbesondere unter Verwendung des vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Systems. Das Verfahren umfasst zunächst einen Schritt a), Erwärmen eines Wärmeträgermediums in einem thermischen Kollektor (1). Das erwärmte Wärmeträgermedium wird dann in Schritt b) durch einen von dem thermischen Kollektor (1) abgehenden Vorlauf (301) eines Primärkreislaufs (3) gefördert und in Schritt c) aus dem Vorlauf (301) einem internen Wärmetauscher (5) zugeführt, der in Wirkverbindung mit einer Energie-Speichereinrichtung (7) steht.
In der Energie-Speichereinrichtung (7) wird in Schritt d) Wärmeenergie von dem erwärmten Wärmeträgermedium in dem internen Wärmetauscher (5) auf diese Energie-Speichereinrichtung (7) übertragen, bevor in Schritt e) das abgekühlte Wärmeträgermedium durch einen von dem internen Wärmetauscher (5) abgehenden Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zu dem stromabwärts angeordneten thermischen Kollektor (1) gefördert wird. Das Fördern in den Schritten b) und e) wird mittels einer in dem Rücklauf (303) angeordneten Pumpe (305) des Primärkreislaufs (3) ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass abhängig von der Temperatur des Wärmeträgermediums im Rücklauf (303) der Schritt c) ersetzt werden kann, indem zunächst in Schritt i) zumindest ein Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums mittels der im Rücklauf (303) angeordneten Pumpe (305) in einen Sekundärkreislauf (13) gefördert wird, bevor in Schritt ii) dieser Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums einem beabstandet von dem Primärkreislauf (3) angeordneten externen Wärmetauscher (11) zugeführt wird.
In Schritt iii) wird Wärmeenergie von dem Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums in dem externen Wärmetauscher (11) abgegeben und anschließend in Schritt iv) das abgekühlte Wärmeträgermedium aus dem externen Wärmetauscher (11) gefördert.
Abschließend wird in Schritt v) das abgekühlte Wärmeträgermedium über ein Mischventil (15) aus dem Sekundärkreislauf (13) dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zugemischt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bietet grundsätzlich die gleichen Vorteile, wie sie vorstehend für das erfindungsgemäße System genannt wurden. Im Vergleich mit herkömmlichen thermischen Solaranlagen können auftretende Übertemperaturen effizient und schnell aus dem System entzogen werden, um so sowohl ein Überhitzen des Wärmeträgermediums als auch ein Überhitzen eines angeschlossenen Verbraucherkreislaufs zu vermeiden. Dabei wird entgegen dem Stand der Technik die Temperatur des Rücklaufs (303) des Primärkreislaufs (3) als Führungsgröße verwendet, was eine schnellere Regelung ermöglicht. Einerseits wird so die Sonneneinstrahlung auf die thermischen Kollektoren (1) maximal ausgenutzt, während andererseits die Energie-Speichereinrichtung (7) über den internen Wärmetauscher (5) immer mit der optimalen Energie versorgt wird. Die maximale Betriebstemperatur der Energie-Speichereinrichtung (7) wird demnach berücksichtigt und auf dem Maximalwert gehalten, bevor Wärmeenergie über den Sekundärkreislauf (13) und den externen Wärmetauscher (11) entzogen wird.
In einer Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass in Schritt v) durch die Menge des abgekühlten Wärmeträgermediums, das über das Mischventil (15) aus dem Sekundärkreislauf (13) dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zugemischt wird, die Temperatur des dem thermischen Kollektor (1) zugeführten Wärmeträgermediums auf einen festlegbaren Wert geregelt wird.
In anderen Worten legt die Regelung der Temperatur des Wärmeträgermediums, das den thermischen Kollektoren (1) zugeführt wird, beispielsweise auf eine Temperatur von 85 °C, indirekt die maximale Temperatur der Energie-Speichereinrichtung (7) fest. Das heißt, Wärmeträgermedium mit einer Temperatur von beispielsweise 85 °C fließt durch den thermischen Kollektor (1) und wird dort auf die maximale Betriebstemperatur des Wärmeträgermediums aufgeheizt, so dass eine optimale Nutzung der eingestrahlten Sonnenenergie gewährleistet ist.
Die Regelung wird dabei durch das gezielte Zumischen von in dem Sekundärkreislauf (13) abgekühltem Wärmeträgermedium in den Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) bewirkt, wobei diese Zumischung abhängig von der Leistung der Pumpe (305), von der von den thermischen Kollektoren (1) an den internen Wärmetauscher (5) gelieferten maximalen Energie sowie von der (Kühl-)Leistung des externen Wärmetauschers (11) abhängig gemacht werden kann. Die eingangs beschriebene thermische Stagnation kann somit wirkungsvoll verhindert werden.
Durch diese Regelung, d.h. die Einstellung des Mischventils (15), wird ferner sichergestellt, dass die Energie-Speichereinrichtung (7) mit maximal sinnvoller Temperatur betrieben werden kann und dadurch die größte mögliche Energiemenge gespeichert wird. Bei Energie-Entnahme, die sich durch eine im Rücklauf (303) verringerte Temperatur des Wärmeträgermediums bemerkbar macht, kann die Betriebstemperatur des Wärmeträgermediums sofort wieder voll ausgenutzt und damit die entnommene Energie in der Energie-Speichereinrichtung (7) umgehend wieder nachgeführt werden.
Schließlich wird durch die erfindungsgemäße Regelung verhindert, dass die Pumpe (305), das Mischventil (15) und weitere Teile des Systems mit Temperaturen deutlich oberhalb 100 °C belastet werden, d.h. „gestresst“, so dass ein geringerer Verschleiß auftritt.
In einem dritten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Mischventil (15) für flüssige Medien umfassend mindestens zwei Eingänge (1501, 1503) und mindestens einen Ausgang (1505), wobei der erste Eingang (1501) flüssigen Medien mit einer ersten Temperatur dient und der zweite Eingang (1503) flüssigen Medien mit einer zweiten Temperatur dient, die niedriger als die erste Temperatur ist.
Das erfindungsgemäße Mischventil (15) zeichnet sich dadurch aus, dass es auf eine Betriebstemperatur der flüssigen Medien von mindestens 85 °C ausgelegt ist.
Bei herkömmlichen Mischventilen für z.B. 65 °C wird über thermische Ausdehnung und einen Hebelmechanismus das Ventil geöffnet und geschlossen. Für das erfindungsgemäße Mischventil (15) musste diese Technik dahingehend geändert werden, dass bei der bekannten Konstruktion in vier Varianten der Ausführungsform der Erfindung I) entweder die Hebellängen verändert werden, oder II) der Hebelansatzpunkt versetzt wird, oder III) die Anordnung für die thermische Ausdehnung verkürzt wird, oder IV) ein Material mit der Temperatur angepassten Ausdehnungskoeffizienten aber zumindest ähnlichem mechanischen Aufbau eingesetzt wird. Aufgrund der deutlich höheren Temperatur ist diese zunächst einfach erscheinende Änderung insofern nicht trivial, dass potentiell auf andere Materialien und mechanische Auslegungen zurückgegriffen werden muss.
Das erfindungsgemäße Mischventil (15) ermöglicht damit einige wichtige Vorteile der vorliegenden Erfindung. Die Eingänge (1501, 1503) haben jeweils klare Aufgaben bei der Regelung. Bei einer hohen Temperatur des Wärmeträgermediums im Rücklauf (303) wird mehr abgekühltes Wärmeträgermedium aus dem zweiten Eingang (1503) beigemischt. Bei Temperaturen des Wärmeträgermediums im Rücklauf (303) unter 85 °C Grad wird kein abgekühltes Wärmeträgermedium beigemischt, sondern nur Wärmeträgermedium im Rücklauf (303) fließt aus dem erste Eingang (1501) direkt fließt zum Ausgang (1505).
Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer thermischen Solaranlage nach dem Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems zur thermischen Nutzung von Solarenergie gemäß einer bevorzugten Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mischventils (15) gemäß einer bevorzugten Ausführungsform und
4 die schematische Darstellung aus 2 mit Kennzeichnung von Betriebszuständen.

In 1 wird eine thermische Solaranlage nach dem Stand der Technik schematisch dargestellt, deren Prinzip relativ einfach zu erklären ist.
Eine Pumpe 305 pumpt kaltes bzw. kühles Wärmeträgermedium gegen die Schwerkraft zum thermischen Kollektor 1, wo das Wärmeträgermedium erwärmt wird und danach über den Vorlauf 301 in den internen Wärmetauscher 5 gelangt. Dieser interne Wärmetauscher 5 ist in Wirkverbindung mit einer Energie-Speichereinrichtung 7 angeordnet, die beispielsweise ein herkömmlicher Heißwasserspeicher sein kann. Damit kann ein Wärmeverbraucher verbunden sein, beispielsweise für die Warmwasserbereitung eines Haushalts.
In dem internen Wärmetauscher 5 wird das Wärmeträgermedium durch Abgabe von Wärmeenergie an die Energie-Speichereinrichtung 7 abgekühlt und dem Rücklauf 303 zugeführt, so dass der Kreislauf des Wärmeträgermediums in dem Primärkreislauf 3 von vorne beginnt.
Ein Ausgleichsgefäß (nicht dargestellt) sorgt dafür, dass bei Ausdehnung des Wärmeträgermediums durch die Erwärmung kein Überdruck entsteht. Das Rückschlagventil 309 legt die Flussrichtung auch bei abgeschalteter Pumpe 305 fest, bzw. verhindert einen Schwerkraftkreislauf. Ebenfalls nicht dargestellt wurden bekannte Komponenten wie die Steuerung, die Temperatur-Sensoren, Manometer, Absperrventile und die Befüllungsvorrichtung. So wird beispielsweise die Pumpe 305 nur eingeschaltet, wenn die Wärmeträgerflüssigkeit im thermischen Kollektor 1 wärmer als die Temperatur unten in der Energie-Speichereinrichtung 7 ist. Bei Stagnation wird die Pumpe 305 ebenfalls abgeschaltet.
2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes System, das bezüglich der Grundkomponenten gleich aufgebaut ist wie die thermische Solaranlage nach dem Stand der Technik aus 1.
Die Energie-Speichereinrichtung 7 kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Warmwasserspeicher sein, der in seinem oberen Bereich eine Abführung 701 für heißes Wasser aufweist, das beispielsweise in einem Haushalt verbraucht wird. Ferner weist der Warmwasserspeicher in seinem unteren Bereich eine Zuführung 703 für kaltes Wasser auf, das durch den internen Wärmetauscher 5 erhitzt wird.
Ferner kann die Energie-Speichereinrichtung 7 eine Nachheizvorrichtung 17 aufweisen, welche zum Nachheizen für die Zeiträume dient, in denen der thermische Kollektor 1 weniger Wärmeenergie liefert, als benötigt wird, und die Temperatur in der Energie-Speichereinrichtung 7 niedriger als eine minimal vorgegebene Temperatur ist. Damit weist das an der Abführung 701 entnommene Wasser immer eine minimal geforderte Temperatur auf.
Um Überhitzungen sowohl des Wärmeträgermediums als auch beispielsweise eines Wasserkreislaufs zu vermeiden, wurde erfindungsgemäß das Mischventil 15 hinzugefügt, das das von der Pumpe 305 nach oben zu fördernde Wärmeträgermedium auf maximal 85 °C bis 90 °C regelt. Damit kühleres Wärmeträgermedium zur Verfügung steht, wurde ein externer Wärmetauscher 11 in einem (zusätzlichen) Sekundärkreislauf 13 ergänzt. Dieser externe Wärmetauscher 11 kann im einfachsten und kostengünstigsten Fall ein herkömmlicher Heizkörper sein. Dessen Montage erfolgt idealerweise an der Nordseite der Gebäudeaußenwand. In dem externer Wärmetauscher 11 wird das von den thermischen Kollektoren 1 zugeführte und an dem internen Wärmetauscher 5 vorbeigeleitete heiße Wärmeträgermedium entsprechend abkühlt. Es ist eine ausreichende Dimensionierung vorzusehen, damit ein eigensicherer Betrieb des erfindungsgemäßen Systems sichergestellt werden kann.
Für die erfindungsgemäßen Ergänzungen einer thermischen Solaranlage nach dem Stand der Technik sind keinerlei Eingriffe in die Steuerung der Anlage bzw. zusätzliche Sensoren oder Pumpen notwendig. Es muss lediglich am Ausgang des internen Wärmetauschers 5 ein Abzweig für den Sekundärkreislauf 13 mit den entsprechenden Leitungen vorgesehen werden, die an den externen Wärmetauscher 11 angeschlossen werden. Von dort müssen ferner entsprechende Leitungen vorgesehen werden, die in das Mischventil 15 führen, welches im Rücklauf 303 eingebaut werden muss. Auf eine Isolierung oder besondere Verlegung der Leitungen des Sekundärkreislaufs 13 kann verzichtet werden, da der Energieverlust gewünscht ist.
Damit darüber hinaus der Wirkungsgrad der thermischen Solaranlage nicht leidet, ist beim Mischer auf minimale Leckströme Wert zu legen.
Der Betrieb der erfindungsgemäßen thermischen Solaranlage kann auch bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen (< 100 °C) durchgeführt werden. wenn über lange Zeit der Energieverbrauch kleiner als die Energiezufuhr ist, wie es z.B. im Sommer bei einer Anlage mit Heizungsunterstützung oft der Fall ist, bzw. in der Urlaubszeit der Bewohner, wenn über Wochen keine Energieentnahme stattfindet.
In 3 wird schematisch das erfindungsgemäße Mischventil 15 dargestellt, welches vorstehend bereits im Detail beschrieben wurde.
4 zeigt die schematische Darstellung aus 2 mit einer Kennzeichnung von Betriebszuständen, wie sie in nachfolgendem Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurden Details weggelassen und keine Bezugszeichen gesetzt, ohne jedoch den Schutzbereich dadurch zu beschränken.
Die Temperatur an Punkt d) wird durch die am Mischventil 15 eingestellte Temperatur festgelegt und stellt den Schutz des erfindungsgemäßen Systems sicher.
Der Ausgang des externen Wärmetauschers 11 wird an den zweiten Eingang 1503 für „kalt“ des Mischventils 15 angeschlossen. Der Ausgang des internen Wärmetauschers 5 wird mit dem ersten Eingang 1501 des Mischventils 15 für die Zufuhr von „heißem“ Wärmeträgermedium verbunden. Der Ausgang 1505 des Mischventils 15 speist den Rücklauf 303 zum thermischen Kollektor 1.
Die Aufteilung des Wärmeträgermediums in den Primärkreislauf 3 oder den Sekundärkreislauf 13 ist variabel und richtet sich nach den Gegebenheiten wie Rücklauftemperatur des Wärmeträgermediums, Temperatur der Energie-Speichereinrichtung 7 und Energiezufuhr aus den thermischen Kollektoren 1.

Das Beispiel zeigt ein Szenario mit einer „Mischtemperatur“ von 90 °C

Temperatur / °c
a)	b)	c)	d)
70	60	-	60	Energie-Speichereinrichtung 7 „kalt“; kein Durchfluss durch den externen Wärmetauscher 11
80	70	-	70	Energie-Speichereinrichtung 7 „kalt“; kein Durchfluss durch den externen Wärmetauscher 11
90	80	-	80	Energie-Speichereinrichtung 7 „kalt“; kein Durchfluss durch den externen Wärmetauscher 11
100	90	-	90	Energie-Speichereinrichtung 7 „kalt“; kein Durchfluss durch den externen Wärmetauscher 11
100	95	80	90	Energie-Speichereinrichtung 7 „heiß“; mittlerer Durchfluss durch den externen Wärmetauscher 11
100	95	90	90	Energie-Speichereinrichtung 7 „heiß“; maximale Sonneneinstrahlung, ausschließlicher Durchfluss durch den externen Wärmetauscher 11

Bezugszeichenliste

1: thermischer Kollektor
3: Primärkreislauf
301: Vorlauf
303: Rücklauf
305: Pumpe
307: Temperaturfühler
309: Rückschlagventil
5: interner Wärmetauscher
7: Energie-Speichereinrichtung
701: Abführung für heißes Wasser
703: Zuführung für kaltes Wasser
11: externer Wärmetauscher
13: Sekundärkreislauf
15: Mischventil
1501: erster Eingang
1503: zweiter Eingang
1505: Ausgang
17: Nachheizvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/032083 A1 [0016, 0017, 0029]

Claims

System zur thermischen Nutzung von Solarenergie, umfassend - zumindest einen thermischen Kollektor (1), der von einem Wärmeträgermedium in einem Primärkreislauf (3) durchflossen ist, - einen von dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) abgehenden Vorlauf (301) des Primärkreislaufs (3), - einen mit dem Vorlauf (301) stromabwärts verbundenen internen Wärmetauscher (5), - eine mit dem internen Wärmetauscher (5) in Wirkverbindung stehende Energie-Speichereinrichtung (7), - einen von dem internen Wärmetauscher (5) abgehenden Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3), der stromabwärts mit dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) verbunden ist, und - eine in dem Rücklauf (303) angeordnete Pumpe (305) des Primärkreislaufs (3), dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet von dem Primärkreislauf (3) ein externer Wärmetauscher (11) in einem Sekundärkreislauf (13) vorgesehen ist, wobei der Sekundärkreislauf (13) einerseits über ein Mischventil (15) mit dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) und andererseits mit dem Vorlauf (301) des internen Wärmetauschers (5) verbunden ist.
System nach Anspruch 1, wobei das Mischventil (15) auf eine Betriebstemperatur im Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) von mindestens 85 °C ausgelegt ist.
System nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Mischventil (15) ein automatisches Mischventil mit einstellbarer Rücklauftemperatur zu dem zumindest einen thermischen Kollektor (1) ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei in dem Rücklauf (303) zumindest ein Temperaturfühler (307) angeordnet ist, der mit dem Mischventil (15) in Wirkverbindung steht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der externe Wärmetauscher (11) mit einem externen Energiespeicher oder einem externen Energieabnehmer in Wirkverbindung steht.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Vorlauf (301) ein Rückschlagventil (309) abgeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sekundärkreislauf (13) mit dem externen Wärmetauscher (11) und dem Mischventil (15) als Nachrüstsatz für bestehende thermische Solaranlagen ausgelegt ist.
Verfahren zur thermischen Nutzung von Solarenergie, umfassend die Schritte a) Erwärmen eines Wärmeträgermediums in einem thermischen Kollektor (1), b) Fördern des erwärmten Wärmeträgermediums durch einen von dem thermischen Kollektor (1) abgehenden Vorlauf (301) eines Primärkreislaufs (3), c) Zuführen des erwärmten Wärmeträgermediums aus dem Vorlauf (301) in einen internen Wärmetauscher (5), der in Wirkverbindung mit einer Energie-Speichereinrichtung (7) steht, d) Übertragen von Wärmeenergie von dem erwärmten Wärmeträgermedium in dem internen Wärmetauscher (5) auf die Energie-Speichereinrichtung (7), e) Fördern des abgekühlten Wärmeträgermediums durch einen von dem internen Wärmetauscher (5) abgehenden Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zu dem stromabwärts angeordneten thermischen Kollektor (1), wobei das Fördern in den Schritten b) und e) mittels einer in dem Rücklauf (303) angeordneten Pumpe (305) des Primärkreislaufs (3) ausgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig von der Temperatur des Wärmeträgermediums im Rücklauf (303) anstelle Schritt c) i) zumindest ein Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums mittels der im Rücklauf (303) angeordneten Pumpe (305) in einen Sekundärkreislauf (13) gefördert wird, ii) dieser Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums einem beabstandet von dem Primärkreislauf (3) angeordneten externen Wärmetauscher (11) zugeführt wird, iii) Wärmeenergie von dem Anteil des erwärmten Wärmeträgermediums in dem externen Wärmetauscher (11) abgegeben wird, iv) das abgekühlte Wärmeträgermedium aus dem externen Wärmetauscher (11) gefördert wird und v) das abgekühlte Wärmeträgermedium über ein Mischventil (15) aus dem Sekundärkreislauf (13) dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei in Schritt v) durch die Menge des abgekühlten Wärmeträgermediums, das über das Mischventil (15) aus dem Sekundärkreislauf (13) dem Rücklauf (303) des Primärkreislaufs (3) zugemischt wird, die Temperatur des dem thermischen Kollektor (1) zugeführten Wärmeträgermediums auf einen festlegbaren Wert geregelt wird.
Mischventil (15) für flüssige Medien umfassend mindestens zwei Eingänge (1501, 1503) und mindestens einen Ausgang (1505), wobei der erste Eingang (1501) flüssigen Medien mit einer ersten Temperatur dient und der zweite Eingang (1503) flüssigen Medien mit einer zweiten Temperatur dient, die niedriger als die erste Temperatur ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Mischventil (15) auf eine Betriebstemperatur der flüssigen Medien von mindestens 85 °C ausgelegt ist.