DE19515580A1 - Anlage zur Gewinnung von Sonnenenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zur Gewinnung von Sonnenenergie mittels von Wasser durchströmten Kollektoren, wobei eine Umwälzpumpe das Wasser durch die Kollektoren und wenigstens einen Pufferspeicher pumpt.

Ständig steigende Energiepreise und der Gedanke des Umweltschutzes, durch weniger Verbrennung nicht erneuerbarer Energieträger und damit verbundener Reduzierung der Luftschadstoffe die Umwelt zu entlasten, bringen die Verwendung der Sonnenenergie als Energieträger in eine beachtenswerte Position.

Herkömmliche Anlagen zur Nutzung der Sonnenenergie zum Zwecke der Brauchwassererwärmung oder zur Heizungsunterstützung verwenden in Gebieten mit Frostvorkommen ein frostsicheres Wärmeträger-Medium in den Kollektoren und Rohrleitungen und einen Wärmetauscher zwischen Brauchwasser- und Kollektorkreislauf.

Es ist bekannt, daß die Verwendung von Frostschutz einerseits und die Verwendung von Wärmetauschern andererseits, den Gesamtwirkungsgrad der herkömmlichen Anlagen so sehr verschlechtert, daß gerade in Zeiten mit hohem Energiebedarf und relativ geringem Energieangebot keine Energiegewinnung mehr möglich ist.

Die Verwendung von Wärmetauschern erfordert noch dazu ein möglichst hohes Temperaturgefälle zwischen Wärmeträger und Wärmespeicher. Um diese hohen Temperaturen rasch erreichen zu können, werden kleinste Flüssigkeitsmengen in den Kollektoren vorgesehen und die Einstrahlungsfläche speziell selektiv beschichtet, um die mit den hohen Betriebstemperaturen verbundene hohe Wärmeabstrahlung in erträglichen Grenzen halten zu können.

Letzlich ist bei der bestmöglichen Wärmetauscherart, den Plattentauschern, nur ein sehr enger Bereich mit gutem Wirkungsgrad zu erzielen und genau dieser Bereich kann nur an wenigen Tagen im Jahr gefahren werden.

Hohe System- Temperaturen stellen aber auch die Funktion des Steuerungsteiles auf eine harte Probe, denn bei Temperaturen über 120 bis 130°C sind Schäden an Dichtungen, Isolierungen und Magnetventilen unver­ meidlich. Die Langlebigkeit einer derartigen Anlage ist dann nicht mehr gegeben.

Die Erfindung hat es sich daher zum Ziel gesetzt, eine Anlage zu schaffen, bei der die großen Wärmeübertragungsverluste, bedingt durch Wärmetauscher und frostgeschütztes Wärmeträgermedium, weitgehend redu­ ziert werden können, sowie die hohen Wärmeabstrahlverluste am Kollektor und an den Rohrleitungen geringer gehalten werden können. Ferner sollen temperaturbedingte Schäden an den Steuer- und Regelungsorganen vermieden werden.

Erreicht wird dieses Ziel bei einer Anlage der eingangs genannten Art durch einen gegenüber der Außenluft offenen Aufnahmebehälter mit einem Aufnahmevermögen, das mindestens dem Volumen der Kollektoren und der frostgefährdeten Leitungen entspricht, und der parallel zu dem wenigstens einen Pufferspeicher angeschlossen ist, wobei einerseits die Verbindungs­ leitungen zum Pufferspeicher und andererseits die Verbindungsleitungen zum Aufnahmebehälter getrennt absperrbar sind.

Bei einer erfindungsgemäßen Anlage kann auf einen Frostschutz und auf Wärmetauscher im Primärbereich gänzlich verzichtet werden und die Anlage kann im Niedertemperaturbereich gefahren werden. Die Kollektoren können direkt an das Verbrauchernetz angeschlossen werden und im Falle eines Frostes können sie vom Netz wieder getrennt und das darin befindliche Wasser abgelassen werden.

Dieses Ablassen erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung durch eine auf die Außentemperatur und/oder einen Stromausfall ansprechende Steuereinrichtung zum automatischen Ablassen des in den Kollektoren und den frostgefährdeten Leitungen enthaltenen Wassers in den Aufnahmebehälter.

Um das einfache Auffüllen der Kollektoren zu ermöglichen, ist zweckmäßig eine in die Verbindungsleitung zwischen Aufnahmebehälter und Kollektoren eingeschaltete Pumpe zum Befüllen der Kollektoren vorgesehen.

Im Rahmen der Erfindung können die Kollektoren unter Zwischen­ schaltung von Absperrorganen direkt an das Verbrauchernetz angeschlossen sein.

Der optimale Einsatz einer erfindungsgemäßen Anlage wird erreicht, wenn die Kollektoren als Aluminium- oder Kupfer-Hohlprofile ausgebildet sind.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn das Wasservolumen der vorzugsweise unter einfachem Glas liegenden Kollektoren mindestens 2 Liter pro m² Kollektorfläche beträgt.

Nachstehend ist die Erfindung an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben, ohne auf dieses Beispiel beschränkt zu sein. Dabei ist in Fig. 1 das Funktionsschema einer Anlage nach der Erfindung dargestellt, die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Kollektor und die Fig. 3 gibt einen Schnitt nach der Linie A-B in Fig. 2 wieder.

Gemäß Fig. 1 ist ein der Sonne ausgesetzter Kollektor 1 mit einer Zuleitung R1 und einer Ableitung R2 versehen und über Leitungen R3 und R4 an einen Aufnahmebehälter 2 angeschlossen. In den Leitungen R3 und R4 sind Absperrorgane A1 und A2 angeordnet und in die Leitung R4 ist eine Pumpe PL eingeschaltet.

Die Leitungen R1 und R2 führen zu einem Pufferspeicher P2 und über eine Leitung R5 zu einem Pufferspeicher P1, wobei an der Anschlußstelle der Leitung R5 an die Leitung R1 ein Umschaltventil U1 angeordnet ist. Der Pufferspeicher P2 ist über eine Leitung R6 mit einem Pufferspeicher P0 verbunden, von dem der Verbraucher Warmwasser über die Leitung R7 entnehmen kann.

Über eine Leitung R8 und eventuell einen Druckminderer D ist der Pufferspeicher P2 und damit die ganze Anlage an das Verbrauchernetz angeschlossen.

In den Speichern P1 und P2 sind in zwei verschiedenen Höhenlagen Temperaturfühler T2, T3, T4 und T5 angeordnet. An den Kollektoren 1 überwachen Temperaturfühler T1 und T7 die Anlage.

Bei Frostgefahr kann das Wasser aus den Kollektoren 1 und gefährdeten Rohrleitungsbereichen in den Aufnahmebehälter 2 abgelassen werden. Dazu werden die Ventile A1 und A2 geöffnet und die beiden Ventile A3 geschlossen. Die eingeschlossene Luft entweicht über den nach außen hin drucklosen und ständig offenen Aufnahmebehälter 2 und über einen an der höchsten Stelle der Kollektoren 1 angeordneten Entlüfter wird etwa nötige Luft angesaugt.

Dieser Ablaßvorgang geschieht bei Stromausfall oder bei Überhitzungsmeldung durch eine Steuerung automatisch.

Das Befüllen der Kollektoren 1 erfolgt abhängig von der Temperatur­ differenz zwischen den Kollektoren 1 (Temperaturfühler T1 und T7) und der Umgebungsluft sowie abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen den Kollektoren 1 und der niedrigsten Speichertemperatur automatisch über die Kollektor-Ladepumpe PL. Das zur Befüllung nötige Wasservolumen wird dabei dem Aufnahmebehälter 2 entnommen und über die Rohrleitungen R4 und R1 in die Kollektoren 1 gepumpt. Über die Leitungen R2 und R3 kann das Wasser eine volumenabhängige Zeit lang zirkulieren. Dabei kann Luft aus den Kollektoren 1 und Rohrleitungen entweichen. Durch Schließen der Ventile A1 und A2 sowie Öffnen der beiden Ventile A3 ist der Befüllvorgang abgeschlossen und die Anlage an das Verbrauchernetz angekoppelt. Mögliche Luftreste werden spätestens nach Einsetzen einer Zirkulationspumpe PZ bzw. bei Wasserentnahme aus dem Verbrauchernetz entweichen.

Ein gewünschter Nebeneffekt durch das Ablassen des Kollektorwassers ist der, daß die in den Kollektoren 1 befindliche Restenergie nicht an die Umgebung abgegeben wird - das gilt besonders für die kalte Jahreszeit - weil im gut isolierten Aufnahmebehälter 2 kaum Wärme verlorengeht, so daß die Erwärmung des Kollektorwassers am nächsten möglichen Tag von einem viel höheren Energieniveau aus erfolgen kann.

Die Erwärmung der verschiedenen Speicher P1, P2 und P0 erfolgt in aufsteigender Reihenfolge, wobei der Speicher P0 die oberste Stufe einnimmt. Jeder Speicher erhält seinen Zulauf aus der jeweils obersten Temperaturschicht des ihm vorgeschaltenen Speichers mit niedrigerem Energieniveau. Diese Anordnung bewirkt, daß der Speicher (oder Boiler) P0 bei Entnahme von Wasser im Anlagenbetrieb mit einer jeweils höheren Zulauftemperatur als der normalen Kaltwassertemperatur versorgt wird.

Zur Heizungsunterstützung wird der Heizungsrücklauf über ein Umschaltventil U2 auf einen Wärmetauscher 3 geschaltet und eine Pumpe PT aktiviert. Dieser Wärmetauscher 3 kann aufgrund der nahezu konstanten Puffertemperatur auf einen sehr hohen Wirkungsgrad ausgelegt werden.

Bei zu geringer Temperaturdifferenz zwischen Heizungsrücklauf und Pufferspeicher P1 wird die Umschaltung wieder in den Ausgangszustand zurückversetzt.

In Fig. 1 sind der Vollständigkeit wegen noch ein Kessel 4, eine Umwälzpumpe 5 und ein Mischventil 6 eingezeichnet.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung sind die für den Niedertemperaturbereich geeigneten Kollektoren, durch deren Verwendung die Vorteile der vorhin beschriebene Anlage erst voll zur Geltung kommen.

Bei bekannten Kollektoren, welche unter Einfachglas liegen, ist zum schnellen Hochfahren in den gewünschten, hohen Temperaturbereich eine sehr kleine Wassermenge vorgesehen. Diese Wassermenge liegt üblicherweise unter 1 Liter pro m² Kollektorfläche. Kollektoren, die für den Einsatz in einer erfin­ dungsgemäßen Anlage in Frage kommen, arbeiten mit mindestens dem doppelten Wasservolumen.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten erfindungsgemäßen Kollektoren 1 sind als flaches Aluminium- oder Kupfer-Hohlprofil ausgebildet, wobei jeweils auf beiden Seiten eine Sammelleitung 10 angeordnet ist. Die Kollektor- Oberfläche ist matt schwarz beschichtet oder eloxiert. Das Wasserfüllvolumen beträgt mindestens 2 l/m² Kollektorfläche.

Bei Verwendung der Kollektoren im Niedertemperaturbereich erfolgt die Wassererwärmung verhältnismäßig schneller als im höheren Temperaturbereich. Die Zusammenhänge sind Stand der Technik.

Der Vorteil eines erfindungsgemäß ausgeführten Kollektors besteht auch darin, daß die ganze Kollektorfläche als direkte Einstrahlungsfläche auf das Wärmeträger-Medium ausgenützt werden kann und somit der Kollektorwirkungsgrad besser ist als bei üblichen Kollektoren mit auf der Unterseite aufgebrachten Rohrschlangen, die im Verhältnis zur gesamten Kollektorfläche nur eine sehr kleine Fläche für die Wärmeübertragung bieten.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Kollektors ist der, daß dieser aufgrund der Verwendung von Hohlprofilen in jeder Länge und Breite sowie in jeder beliebigen Form gefertigt werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit, das Kollektorfeld architektonisch sauber in ein Hausdach zu integrieren, indem dieses z. B. als schmaler, langer Streifen, der sich über die gesamte Dachbreite zieht, ausgebildet wird.

Durch eine derartige Vielfalt der Formgebung erscheint auch eine Anlageninstallation im Altstadtbereich oder im geschützten Baubereich möglich, so daß ein bisher nicht möglich gewesenes Einsatzgebiet erschlossen werden kann.

Claims (6)

1. Anlage zur Gewinnung von Sonnenenergie mittels von Wasser durchströmten Kollektoren, wobei eine Umwälzpumpe das Wasser durch die Kollektoren und wenigstens einen Pufferspeicher pumpt, gekennzeichnet durch einen gegenüber der Außenluft offenen Aufnahmebehälter (2) mit einem Aufnahmevermögen, das mindestens dem Volumen der Kollektoren (1) und der frostgefährdeten Leitungen (Rx) entspricht, und der parallel zu dem wenigstens einen Pufferspeicher (P) angeschlossen ist, wobei einerseits die Verbindungs­ leitungen zum Pufferspeicher (P) und andererseits die Verbindungsleitungen zum Aufnahmebehälter (2) getrennt absperrbar sind.

2. Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine auf die Außen­ temperatur und/oder einen Stromausfall ansprechende Steuereinrichtung zum automatischen Ablassen des in den Kollektoren (1) und den frostgefährdeten Leitungen (Rx) enthaltenen Wassers in den Aufnahmebehälter (2).

3. Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Verbindungsleitung (R4) zwischen Aufnahmebehälter (2) und Kollektoren (1) eine Pumpe (PL) zum Befüllen der Kollektoren eingeschaltet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (1) unter Zwischenschaltung von Absperrorganen (A3) direkt an das Verbrauchernetz angeschlossen sind.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektoren (1) als Aluminium- oder Kupfer-Hohlprofil ausgebildet sind.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasservolumen der vorzugsweise unter einfachem Glas liegenden Kollektoren (1) mindestens 2 Liter pro m² Kollektorfläche beträgt.