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Die Erfindung betrifft eine Solaranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit wenigstens einem Kollektor, welcher mit einer Zuleitung und einer Ableitung verbunden ist, mittels welchen dem Kollektor ein Wärmeträger zuführbar beziehungsweise entnehmbar ist, wobei ein Temperaturfühler vorhanden ist, mittels dem die Temperatur im Kollektor feststellbar ist, und in der Zuleitung und/oder in der Ableitung wenigstens eine Pumpe angeordnet ist, sowie einen Kollektor zur Verwendung in einer Solaranlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Solaranlage ist im Stand der Technik hinlänglich bekannt. So ist beispielsweise aus der
DE 29 16 650 A1 eine Einkreis-Solar-Brauchwasser-Anlage bekannt, welche aus mindestens einem Sonnenkollektor, der über Leitungen mit mindestens einem Brauchwasserspeicher mit Frischwasserzufuhr- und Entnahmeleitungen in Verbindung steht, besteht, wobei in der Zuströmleitung zum Kollektor eine Umwälzpumpe angeordnet ist. Bei positiver Temperaturdifferenz vom Kollektor zum Speicher schaltet sich die Pumpe ein und das umlaufende Wasser erwärmt den Speicher.
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Problematisch bei der bekannten Solaranlage ist es, wenn die Außentemperatur unter den Gefrierpunkt von Wasser fällt. Denn dann würde das sich im Kollektor beziehungsweise im Kollektorkreislauf befindliche Wasser gefrieren und durch die hierbei entstehende Volumenvergrößerung den Kollektor und/oder die Zu- beziehungsweise die Ableitung erheblich beschädigen oder sogar zerstören. Gemäß der
DE 29 16 650 A1 werden daher die Kollektorleitungen entleert, wenn die Außentemperatur dem Gefrierpunkt zustrebt.
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Dies ist sehr nachteilig, da nach einer Entleerung der Kollektorleitungen die Solaranlage nicht mehr betrieben werden kann. Dies wiederum hat zur Folge, daß insbesondere zu Beginn beziehungsweise zum Ende des Winters vorhandene an sich nutzbare Sonnenenergie nicht genutzt werden kann. Denn aus Gründen der Sicherheit ist es erforderlich, die Kollektorleitungen bereits dann zu entleeren, wenn mit Frost gerechnet werden kann, ohne daß es tatsächlich friert.
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Aus der
US 4,133,338 ist eine Solaranlage gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, bei der, nachdem die Kollektortemperatur einen vorbestimmten Wert unterschritten hat, der Kollektor entleert wird. Für den Fall, daß dies aufgrund einer Störung nicht möglich ist, wird die Pumpe nach Unterschreitung der vorbestimmten Temperatur im Dauerbetrieb betrieben. Hierzu ist im Kollektorkreislauf ein Drucksensor angeordnet, mittels welchem ein bei Unterschreitung der vorbestimmten Temperatur im Kollektorkreislauf entstehender Überdruck feststellbar ist, und mittels dem der Dauerbetrieb initiierbar ist.
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Aus der
DE 199 31 069 A1 ist eine Sonnenkollektor-Anlage bekannt, bei der die Rohrverbindung von Kollektor und Speicher so ausgeführt ist, daß im Inneren der Rohrleitung ein Kunststoffschlauch liegt, der durch das Volumen von in Frostperioden auftretenden Eis eingedrückt wird und das Platzen eines Rohres dadurch verhindert, daß warme Luft im Restquerschnitt des Schlauchs aufsteigt und somit das Eis durch Kollektorwärme auftaut.
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Des weiteren ist aus der
DE 100 39 111 A1 ein Solarabsorber zur Nutzung von Solarenergie bekannt, welcher Absorberstreifen mit absorbierender Oberfläche sowie Wärmeträgerkanäle aufweist, mittels welcher die mit den Absorberstreifen aufgenommene Solarenergie abgeführt wird, sowie äußere Anschlüsse und Verbindungsleitungen zum übrigen Solarsystem aufweist, welche umfangsseitig geschlossen sind und in ihrer Konfiguration, Wanddicke, Querschnittsabmessungen, Materialeigenschaften und Materialkombination in einem frostsicheren und thermisch beständigen Verhältnis zueinander bestehen.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 36 42 887 A1 eine Hydrodynamische Heizvorrichtung bekannt, welche mit einer Überdrucksicherung versehen sein kann. Die Überdrucksicherung kann beispielsweise eine mit einer Berstscheibe ausgerüstete Schraube sein.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine eingangs genannte Solaranlage derart auszubilden, dass sie mit Wasser als Wärmeträger auch bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser betrieben werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 oder 9. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der Erfindung ist eine Solaranlage mit wenigstens einem Kollektor, welcher mit einer Zuleitung und einer Ableitung verbunden ist, mittels welchen dem Kollektor ein Wärmeträger zuführbar beziehungsweise entnehmbar ist, wobei ein Temperaturfühler vorhanden ist, mittels dem die Temperatur des Kollektors feststellbar ist, und in der Zuleitung und/oder in der Ableitung wenigstens eine Pumpe angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorhanden ist, mittels welcher die Pumpe nach einem Frostschutzalgorithmus betrieben wird, wenn die Kollektortemperatur einen vorbestimmten Wert unterschreitet, wobei der Frostschutzalgorithmus beinhaltet, dass der Volumenstrom des Wärmeträgers durch den Kollektor so ausgebildet ist, dass die Kollektortemperatur eine Schutztemperatur nicht unterschreitet.
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Des Weiteren ist gemäß der Erfindung eine Solaranlage, nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kollektor einen Berstschutz aufweist, von welchem eine Volumenvergrößerung des Wärmeträgers im Kollektor aufnehmbar ist.
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Darüber hinaus ist gemäß der Erfindung ein Kollektor, zur Verwendung in einer Solaranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor eine Berstscheibe aufweist, welche eine Austrittsöffnung verschließt, welche sich bei Überdruck durch Zerstörung der Berstscheibe öffnet.
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Dadurch, daß eine Steuerung vorhanden ist, mittels welcher die Pumpe nach einem Frostschutzalgorithmus betrieben wird, wenn die Kollektortemperatur einen vorbestimmten Wert unterschreitet, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß der normale Betrieb der Solaranlage, bei dem bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ein Gefrieren des Wassers im Kollektor beziehungsweise in den Kollektorleitungen möglich ist, bei Annäherung der Außentemperatur an den Gefrierpunkt von Wasser verlassen wird. Sinkt die Außentemperatur soweit ab, daß die Kollektortemperatur beispielsweise einen Wert von 7 Grad Celsius unterschreitet, wird die Pumpe nach dem Frostschutzalgorithmus betrieben. Zunächst wird die Pumpe solange eingeschaltet, bis der Flüssigkeitsinhalt von Kollektor und Rohrleitung einmal umgewälzt ist. Der Volumenstrom im Kollektorkreis wird dann so geregelt, daß im Kollektor eine Schutztemperatur nicht unterschritten wird. Die Schutztemperatur kann beispielsweise 5 Grad Celsius betragen. Sie kann aber auch nur geringfügig über dem Gefrierpunkt von Wasser liegen, das heißt beispielsweise 2 Grad Celsius betragen. Der Volumenstrom des Wärmeträgers durch den Kollektor hängt von der Temperatur des Wärmeträgers außerhalb des Kollektors beziehungsweise außerhalb der sich im Freien befindlichen Kollektorleitungen wie beispielsweise die Temperatur des sich in einem Brauchwasserspeicher befindlichen Wassers ab. Ist das Wasser im Brauchwasserspeicher sehr warm, genügt bereits ein geringer Volumenstrom, um die Temperatur des Wassers im Kollektor beziehungsweise in den Kollektorleitungen oberhalb der Schutztemperatur zu halten.
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Durch die einmalige Umwälzung des Flüssigkeitsinhalts von Kollektor und Rohrleitung, welche auch Spülfunktion genannt wird, wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß sich der gesamte Flüssigkeitsinhalt in frostgefährdeten Bereichen auf nahezu gleichem und durch Messung der Kollektortemperatur bekanntem Temperaturniveau befindet. So werden durch die Spülfunktion auch besonders kritische Stellen wie beispielsweise unisolierte Teilstücke der Rohrleitung sicher vor Frost geschützt.
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In vorteilhafter Weise wird die Pumpe in Intervallen mit nahezu maximalem Volumenstrom betrieben, wie dies bei einer besonderen Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist. Hierdurch wird eine sehr gute Durchmischung des Wärmeträgers im Kollektorkreislauf erreicht. Insbesondere ist eine sehr gute Gleichverteilung der Wärme in parallelen Strängen im Kollektor gewährleistet. Darüber hinaus läßt sich durch den Betrieb der Pumpe in Intervallen ein sehr geringer Volumenstrom erreichen, wodurch die Kollektortemperatur auf einem sehr niedrigen Wert gehalten werden kann. Dies spart Energie, da bei einem kontinuierlichen Betrieb der Pumpe bei bestimmten Bedingungen die Kollektortemperatur einen Wert annehmen würde, der deutlich oberhalb der Schutztemperatur liegt.
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Erst wenn die Kollektortemperatur die Schutztemperatur unterschreitet, was der Fall sein könnte, wenn beispielsweise das Wasser im Brauchwasserspeicher zu stark abgekühlt ist, wird die Pumpe im Dauerbetrieb betrieben. Hierbei gibt die Pumpe soviel Wärme ab, daß die Temperatur des Wärmeträgers die Schutztemperatur wieder überschreitet. Ungeachtet dessen würde durch den kontinuierlichen Fluß des Wärmeträgers durch den Kollektorkreislauf ein Einfrieren des Wärmeträgers vermieden. Erreicht die Temperatur des Wärmeträgers wieder die Schutztemperatur, wird die Pumpe wieder in Intervallen betrieben.
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Bei einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß, nachdem die Kollektortemperatur den vorbestimmten Wert überschreitet, die Pumpe noch während einer vorbestimmten Zeit nach dem Frostschutzalgorithmus weiter betrieben wird. Diese sogenannte Nachlaufzeit kann etwa 24 Stunden betragen. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, daß beispielsweise bei geringer Solarstrahlung und sehr kalter Außentemperatur, bei der sich der Kollektor zwar ein wenig erwärmt, die Kollektorleitungen dennoch einfrieren. Wird in der Nachlaufzeit die vorbestimmte Temperatur nicht wieder unterschritten, wird der Betrieb der Pumpe nach dem Frostschutzalgorithmus beendet und die Pumpe wieder im Normalbetrieb betrieben.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Kollektor einen Berstschutz, der ein druckbeständiges durchflossenes Bauelement ist, aufweist, mittels welchem eine Volumenvergrößerung des Wärmeträgers im Kollektor aufnehmbar ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise vermieden, daß der Kollektor durch Gefrieren des sich im Kollektor befindlichen Wärmeträgers beschädigt oder zerstört wird, wenn die Solaranlage bei einer Außentemperatur unterhalb des Gefrierpunkts beispielsweise durch einen Fehler nicht nach dem Frostschutzalgorithmus betrieben wird. Fällt die Außentemperatur unter den Gefrierpunkt des sich im Kollektor befindlichen Wärmeträgers, dehnt sich das Volumen des Wärmeträgers zwar aus, jedoch kann die Volumenvergrößerung vom Berstschutz aufgefangen werden. So wird kein zusätzlicher Druck auf die flüssigkeitsführenden Elemente des Kollektors ausgeübt, wodurch der Kollektor unversehrt bleibt.
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In besonders vorteilhafter Weise besteht der Berstschutz aus einem Element, welches einen Hohlraum aufweist, dessen Volumen unter Druckeinwirkung vergrößerbar ist. Wenngleich ein derartiges Element auch beliebig ausgebildet sein kann, beispielsweise könnte es ein Element aus einem elastischen Material sein, so hat sich doch eine Ausführungsform als besonders vorteilhaft herausgestellt, bei der der Berstschutz aus einem gewellten Rohr besteht, dessen Wellung ausdehnbar ist. Ein derart ausgebildeter Berstschutz weist einerseits die erforderliche Robustheit auf, ist jedoch andererseits so nachgiebig, daß sich die erforderliche Volumenvergrößerung ergibt.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn der Berstschutz im Strömungskreislauf des Wärmeträgers angeordnet ist. Hierdurch ist gewährleistet, daß sich die im Kollektor ergebende Volumenvergrößerung des Wärmeträgers in den Berstschutz erstreckt. Der Berstschutz kann jeweils auf der Ein- oder Austrittsseite des Kollektors fest oder abnehmbar angebracht sein. Die beiden Elemente nehmen dann durch Dehnung das beim Einfrieren des sich im Kollektor befindlichen Wärmeträgers entstehende zusätzliche Volumen auf, wodurch das Entstehen eines Überdrucks und damit das Bersten der flüssigkeitsgefüllten Bauteile des Kollektors verhindert wird.
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Als sehr vorteilhaft hat sich aber auch ein Kollektor herausgestellt, welcher eine Berstscheibe aufweist, welche eine Austrittsöffnung verschließt, welche sich bei Überdruck durch Zerstörung der Berstscheibe öffnet. Hierbei hat sich eine Berstscheibe als sehr vorteilhaft herausgestellt, bei welcher eine korrosions- und temperaturbeständige Metallfolie die Austrittsöffnung einer T-förmigen Verschraubung verschließt.
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Durch den Berstschutz beziehungsweise die Berstscheibe wird gewährleistet, daß sich auch bei Stromausfall oder defekter Pumpe eine Leckage an dem Kollektor oder der Rohrleitung durch Frostschaden vermieden wird.
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Die Berstscheibe erfüllt darüber hinaus die Funktion einer Absicherung gegen Überdruck im Kollektor für den Fall, daß die Zu- und Ableitung des Kollektors zugefroren wären und damit die Verbindung zu einem sich regelmäßig in der Nähe des Speichers angeordneten Sicherheitsventil abgesperrt würde.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines besonderen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
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Es zeigt
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1a eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Solaranlage,
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1b den in 1a dargestellten Kollektor in Draufsicht,
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2 einen Kollektor mit Berstschutz in nicht benutztem Zustand,
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3 den in 2 dargestellten Kollektor nach Aktivierung des Berstschutzes und
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4 einen Kollektor mit Berstscheibe.
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Wie den 1a und 1b entnommen werden kann, ist ein als CPC(Compound Parabolic Concentrator)-Vakuum-Röhrenkollektor ausgebildeter Kollektor 1 über eine Zuleitung 2 und eine Ableitung 3 mit einem Brauchwasserspeicher 9 verbunden. Im Brauchwasserspeicher 9 ist ein Solarwärmetauscher 9a angeordnet, an welchem die Zuleitung 2 und die Ableitung 3 angeschlossen ist, sowie ein Nachheizwärmetauscher 9b angeordnet, welcher mit einem konventionellen Heißwasserbereiter verbunden sein kann. Am Kollektor ist ein Temperaturfühler 4 angeordnet, mittels welchem die Temperatur des sich im Kollektor 1 befindlichen Wassers erfaßt werden kann. In der Zuleitung 2 ist eine Pumpe 5 angeordnet, welche von einer Steuerung 6 betrieben wird. Die Steuerung 6 ist ebenfalls mit dem Temperaturfühler 4 verbunden.
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Bei einer Außentemperatur, welche die Temperatur des Wassers im Kollektor 1 auf einen Wert erhitzt, der oberhalb der Temperatur im Brauchwasserspeicher 9 liegt, schaltet die Steuerung 6 die Pumpe 5 ein, so daß im Kollektor 1 erhitztes Wasser durch den Wärmetauscher 9a des Brauchwasserspeichers 9 gepumpt wird und dadurch das Brauchwasser erwärmt. Fällt die Temperatur des sich im Kollektor 1 befindlichen Wassers unter einen vorbestimmten Wert von beispielsweise 7 Grad Celsius, so schaltet die Steuerung 6 in einen Frostschutzalgorithmus. Die Pumpe 5 wird dann zunächst solange betrieben, bis der Flüssigkeitsinhalt von Kollektor und Rohrleitung einmal umgewälzt ist. Die Pumpe 5 wird dann auch betrieben, wenn die Temperatur des Wassers im Kollektor 1 unterhalb der Temperatur des Wassers im Brauchwasserspeicher 9 liegt. Hierdurch wird wärmeres Wasser aus dem Brauchwasserspeicher 9 durch die Kollektorleitungen 2, 3 und den Kollektor 1 gepumpt. Der Volumenstrom wird hierbei so groß gewählt, daß die Temperatur des Wassers im Kollektor 1 der vorbestimmten Temperatur von beispielsweise 5 Grad Celsius entspricht. Die Pumpe 5 wird in Intervallen, in denen die Pumpe 5 mit nahezu maximaler Leistung arbeitet, betrieben.
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Sinkt die Temperatur des Wassers im Kollektor 1 unter eine Schutztemperatur von beispielsweise 2 Grad Celsius, beispielsweise weil das Wasser im Brauchwasserspeicher 9 nicht mehr warm genug ist, wird die Pumpe 5 im Dauerbetrieb betrieben. Durch die hierdurch entstehende Abwärme beziehungsweise durch den kontinuierlichen Volumenstrom wird dann ein Gefrieren des Wassers im Kollektor 1 beziehungsweise in den Kollektorleitungen 2, 3 vermieden. Steigt die Temperatur des Wassers im Kollektor 1 wieder über die Schutztemperatur, wird die Pumpe 5 wieder in Intervallen betrieben.
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Überschreitet die Temperatur des Wassers im Kollektor 1 den vorbestimmten Wert, beginnt eine Nachlaufzeit von beispielsweise vierundzwanzig Stunden. Wird in der Nachlaufzeit der vorbestimmte Wert nicht wieder unterschritten, wird der Frostschutzalgorithmus verlassen und die Solaranlage wieder im Normalbetrieb betrieben.
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Wie insbesondere den 2 und 3 entnommen werden kann, weist der Kollektor 1 an seinen beiden Anschlüssen 10, welche als Verschraubungen ausgebildet sind, jeweils einen als Edelstahlwellrohr ausgebildeten Berstschutz 7 auf. Das Edelstahlwellrohr 7 ist so ausgebildet, daß sich bei einem bestimmten Druck im Inneren des Edelstahlwellrohrs 7 die Wellung ausdehnt, wodurch sich das Volumen des Edelstahlwellrohrs 7 vergrößert, wie dies in 3 dargestellt ist. Hierdurch kann das Edelstahlwellrohr 7 eine beispielsweise durch Frost entstehende Volumenvergrößerung des sich im Kollektor 1 befindlichen Wassers aufnehmen. Das Edelstahlwellrohr mit ausgedehnter Wellung ist mit Bezugszeichen 7' versehen.
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Wie 4 entnommen werden kann, kann ein Kollektor 1 auch an seinen beiden Anschlüssen 10 eine Berstscheibe 8 aufweisen. Die Berstscheibe 8 verschließt eine Öffnung, welche sich bei Überdruck durch Zerstörung der Berstscheibe öffnet. Gefriert sich im Kollektor 1 befindliches Wasser, entsteht durch die Volumenvergrößerung im Kollektor 1 ein Überdruck, wodurch die Berstscheibe 8 aufreißt, die Öffnung freigibt und überschüssiges. Wasser ins Freie tritt. In gleicher Weise öffnet sich die Öffnung wenn beispielsweise in einem Störfall durch sehr hohe Temperaturen im Kollektor ein Überdruck entsteht, wodurch dann in entsprechender Weise Dampf ins Freie tritt.
