DE19643530A1

DE19643530A1 - Steuerung zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades thermischer Solaranlagen mit Bypass-Schaltung im Kollektorkreis und diskontinuierlichem Pumpenbetrieb

Info

Publication number: DE19643530A1
Application number: DE19643530A
Authority: DE
Inventors: Volker Ulrich Boehringer
Original assignee: ESAA BOEHRINGER GmbH
Current assignee: ESAA BOEHRINGER GmbH
Priority date: 1996-10-23
Filing date: 1996-10-23
Publication date: 1998-10-29

Description

Die Erfindung stellt eine Steuerung zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades thermischer Solaranlagen dar, unter Berücksichtigung der in den die Anlage kennzeichnenden Volumen gebundenen Wärmemengen.

Thermische Solaranlagen wandeln die auf die Absorberfläche wirkende Globalstrahlung in thermische Energie um, welche über einen Wärmetauscher im Kollektor an ein Übertragungsmedium (Wärmeträgerfluid: z. B. 40% Tyfocor L, 60% Wasser) abgegeben wird. Mit Hilfe dieses Übertragungsmediums wird die gewonnene thermische Energie durch Pumpen über einen weiteren Wärmetauscher im Speicher dem Speicher/Verbraucher zugeführt.

Die Steuerung der Pumpe erfolgt nach dem Stand der Technik entweder über

a) einen 2-Punktdifferenztemperaturschalter zwischen mittlerer Kollektortemperatur T_Koll und Temperatur am Wärmetauscherausgang des Speichers T_Spu mit einstellbarer, fester Hysterese (2-Punktdifferenztemperaturregler)
oder
b) eine Steuerung mit modulierender Temperaturdifferenz und dynamischer Anpassung und weiteren Randbedingungen
oder
c) Bypass-Schaltung mit vorgewärmter Leitung.

Die Steuerung nach a) vernachlässigt die Wärmemengen in der Leitung, wodurch in der Anlaufphase, bei wechselnder Einstrahlung sowie bei abnehmender Strahlung dann Wärmeverluste aus dem Speicher auftreten, wenn während des Pumpvorgangs die mittlere Leitungstemperatur der Kollektor- Speicher-Leitung T_Ltg unter der mittleren Austrittstemperatur T_Spu des Wärmeträgers aus dem Speicher liegt.

Die Steuerung nach b) berücksichtigt diese Wärmemengen in der Leitung, indem sie die als wesentliches Einschaltkriterium die Erfüllung der Null-Bilanz-Be dingung

V_Koll (T_Koll - T_Spu) < V_Ltg (T_Spu - T_Ltg) (1)

bzw.:

T_Koll < (V_Ltg/V_Koll)(T_Spu - T_Ltg) + T_Spu + T₁ (2)

fordert.

Die Erfüllung dieser Null-Bilanz-Bedingung muß jedoch aufgrund der Wirkungsgradkennlinie des Kollektors (Wirkungsgrad = f(T_Koll - T_amb) durch weitere Randbedingungen eingeschränkt werden.

Weiterer Nachteil dieser Schaltung ist die in der Anlaufphase, bei wechselnder Globalstrahlungsdichte sowie bei abnehmender Strahlung erforderliche, höhere mittlere Kollektortemperatur, die den Wirkungsgrad des Kollektors und damit der gesamten Anlage negativ beeinflußt.

Die Steuerung von Anlagen mit geringer Gesamtleistung wird durch diese Schaltung trotzdem ausreichend optimiert. Der Ertrag wird unter dem Einsatz eines (oder zweier) zusätzlicher Fühler gegenüber dem herkömmlichen 2-Punkt differenztemperaturregler wesentlich verbessert.

Die Steuerung nach c) wärmt die Leitung auf, indem das in Bild 1 eingezeichnete 3-Wege-Ventil den Kollektorkreis vom Wärmetauscher im Speicher abkoppelt. Erst nach erreichen der Bedingung

T_Ltg - T₂ < T_Spu (3)

wird der Kollektorkreis an den Wärmetauscher im Speicher gekoppelt und die im Kollektorkreislauf enthaltene Wärmemenge an den Speicher abgegeben. Nachteil dieser Regelung ist, daß die Leitung bereits bei relativ geringer Einstrahlung eine hohe Temperatur erreicht, und deshalb der Wärmeverluststrom durch die Wand der Leitung steigt.

Weiterer Nachteil ist der notwendige Einsatz einer drehzahlgeregelten Pumpe sowie einer entsprechenden Regelung.

Die Erfindung stellt eine Steuerung dar, die die Pumpe nach zwei unterschiedlichen Kriterien steuert um den Wärmeverluststrom durch die Wand der Leitung zu minimieren, andererseits den Kollektorwirkungsgrad zu maximieren.

Diese Optimierung des Wärmeertrags wird dadurch erreicht, daß sowohl der Kollektor, als auch die Leitungen auf dem niedrigsten, möglichen Temperaturniveau gefahren werden.

Diese Minimierung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß wie in Bild 1 (Flowsheet einer thermischen Solaranlage mit Bypass-Schaltung im Solarkreislauf für diskontinuierlichen Pumpenbetrieb) folgende Abläufe durch Ein-/Ausschaltbedingungen gesteuert werden:
Der 3-Wegehahn ist so angeordnet, daß der aus der Kollektor-Speicher-Leitung kommende Wärmestrom entweder durch den Wärmetauscher im Speicher oder, im Bypass, an ihm vorbeiströmen kann.

Die Stellung der Strömung über den Bypass sei die im folgenden mit Grundstellung "Stellung 0" bezeichnete Stellung des 3-Wegehahns.

Die "Stellung 1" führt das Wärmeträgermedium des Solarkreislaufs durch den Wärmetauscher im Speicher.

Gegebenenfalls können die Schaltfunktionen "Pumpe EIN" und "Pumpe AUS" durch ein Magnetventil im Kollektorkreislauf unterstützt werden um eine steile Flanke (ohne "auslaufende" Strömung) zu erhalten.

Gleichermaßen kann der 3-Wegehahn durch eine entsprechende hydraulische Anordnung mit Rückschlag- und Magnetventilen dargestellt werden.

Phase 0

Leitungsführung:

Stellung 0 (4a).

Für die Kollektortemperatur gilt die Bedingung:

T_Koll - T₃ ≦ T^Spu (4b)

Schaltfunktion:

Pumpe "AUS" (4c)

Phase 1

Durch Einstrahlung steigt die mittlere Kollektortemperatur T_Koll:
Leitungsführung:

Stellung 0 (5a)

Die Einschaltbedingung

T_Koll - T₃ < T_Spu (5c)

ist erfüllt.
Schaltfunktion:

Pumpe "EIN" (5d).

Direkt vor dem Speichereingang, d. h. wenn die Zuleitung zum Wärmetauscher im Speicher ein Minimum hat, wird gemäß Bild 1 der 3-Wegehahn eingebaut und die Temperatur T_Byp erfaßt.

Phase 2

Die Bedingungen

T_Byp - T₄ < T_Spu (6a)

T₄ « T₃ (6b)

sind erfüllt. Schaltfunktion:

Pumpe "AUS" (6c).

In diesem "AUS"-Zustand der Pumpe schaltet der 3-Wegehahn von "Stellung 0" auf "Stellung 1". Diese Totzeit wird entweder programmiert oder es wird im optimalen Falle ein 3-Wegehahn mit Signalgebern in den Endlagen eingesetzt.

Dieses Signal wird jeweils vom Programm erfaßt und ausgewertet.

Während bislang das kalte Wärmeübertragungsmedium aus der Leitung am Speicher vorbeigeleitet wurde, wird nun das gesamte, erwärmte Medium aus dem Kollektor durch den Wärmtauscher gepumpt. Es empfiehlt sich, das Volumen des Wärmetauschers im Speicher etwas größer als das Kollektorvolumen zu wählen, weil dadurch sichergestellt wird, daß die gesamte Warme im Wärmetauscher abgegeben wird. Gegebenenfalls ist ein niedrigerer Volumenstrom in Stellung 1 zu wählen.

Phase 3

Die Bedingung

Stellung 1 erreicht (7a)

ist erfüllt.
Schaltfunktion:

Pumpe "EIN" (7b).

Die im Kollektor gesammelte Wärmeenergie wird in den Speicher geladen.

Phase 4

Die Bedingung (4a) T_Byp - T₄ < T_Spu ist nicht mehr erfüllt, d. h.
Die Bedingung

T_Byp - T₄ ≦ T_Spu (8a)

ist erfüllt.
Schaltfunktion:

Pumpe "AUS".

In diesem Schaltzustand schaltet der 3-Wegehahn auf "Stellung 0". Wenn der 3-Wege hahn die "Stellung 0" erreicht hat ist die Programmschleife geschlossen.

Die Vorteile dieser Regelung einschließlich der Hardwarekonfiguration nach Bild 1 liegen darin, daß sowohl Leitung als auch Kollektor auf einem nach allgemeinen Kriterien festzulegenden minimalen Temperaturniveau über der Temperatur T_Spu gefahren werden und diese Betriebsweise die absolut minimal vorstellbaren Verluste gewährleistet. Sie ist allen anderen bekannten Regelungen energetisch überlegen, wobei aufgrund des höheren Aufwands insbesondere Anlagen mit einer höheren solaren Leistung (z. B. Mehrfamilienhäuser) zu optimieren sind.

Gegebenenfalls sind bei größeren Anlagen Totzeiten in Abhängigkeit vom Volumenstrom und Leitungslänge einzuführen, um sicherzustellen, daß "Störflanken", z. B. durch falsch verlegte Heizungsrohre etc. unterdrückt werden.

Pumpen und 3-Wegeventilsteuerung zur Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades thermischer Solaranlagen,
gekennzeichnet dadurch, daß die Anlage funktionsmäßig entsprechend Bild 1 aufgebaut ist, (Anspruch 1),
gekennzeichnet dadurch, daß die Steuerung den in Bild 2 und 3 dargestellten Regelalgorithmen genügt (Anspruch 2),
gekennzeichnet dadurch, daß dieses Prinzip auch für die Ladung von 2- und Mehrspeicheranlagen in den entsprechenden Zwischenkreisläufen eingesetzt werden kann, d. h. daß auch hier nachgeladen werden kann, ohne das Leitungsvolumen wesentlich zu erwärmen. (Anspruch 3),
gekennzeichnet dadurch, daß das Prinzip der dynamischen, modulierenden Steuerung und weitere Randbedingungen überlagert werden kann. (Anspruch 4)

Flowsheet einer thermischen Solaranlage mit Bypass-Schaltung im Solarkreislauf für diskontinuierlichen Pumpbetrieb Legende zu Fig. 1 Bezugszeichenliste

1

Kollektortemperatur T_Koll

2

Sonnenkollektor

3

Wärmespeicher

4

Vorlauftemperatur T_Bypass

5

Solarwärmetauscher im Speicher

6

Solarkreispumpe

7

Umschaltventil

8

"mittlere" Wärmetauscherausgangstemperatur T_Spu

Claims

1. Verfahren zur Bewirtschaftung des thermischen Speichers einer Solaranlage, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1.1 ermitteln der inneren Energie des im Energiesammler (1) befindlichen Wärmeträgers (Fig. 5);
1.2. ermitteln der Energie, die dem Wärmespeicher (4) entzogen wird, wenn ein dem Volumen des Wärmeträgers im Energiesammler (1) entsprechendes Wärmeträger-Volumen dem Wärmespeicher (4) mit der Austrittstemperatur T_WT,aus entnommen wird;
1.3 umschalten des Umschaltventils (7) auf Stellung "Bypass" (Fig. 6);
1.3 einschalten einer Einrichtung (6) zur Förderung des Wärmeträgers aus dem Energiesammler (1) in den Wärmespeicher (4) (diskontinuierlicher Betrieb: Stufe I) bei Zutreffen von Bedingung 1.4.1;
- 1.4.1 die Bedingung 1.3 ist erfüllt, d. h. das Umschaltventil (7) hat Stellung "Bypass" (Fig. 6) erreicht;
  und mindestens einer der folgenden Bedingungen:
  - 1.4.1.1 die gemäß Verfahrenschritt 1.1 ermittelte Energie ist um einen anlagenspezifischen Betrag ΔE größer als die gemäß Verfahrensschritt 1.2 ermittelte innere Energie;
1.5 ermitteln der zur Förderung des Wärmeträgers aus dem Energiesammler (1) in den Leitungsabschnitt 2 (5) benötigten Zeit T_T;
1.6 abschalten einer Fördereinrichtung (6) zur Förderung des Wärmeträger aus dem Energiesammler (1) in den Leitungsabschnitt (5) (diskontinuierlicher Betrieb: Stufe II) bei Zutreffen folgender Bedingungen:
- 1.6.1 die gemäß Verfahrensschritt 1.5 ermittelte Laufzeit T_T der Fördereinrichtung ist erreicht;
- 1.6.2 die Temperatur des Wärmeträgers am Umschaltventil/Wärmetauschereingang T_{Umschalt/WT-Eingang} ist um einen anlagenspezifischen Betrag ΔT größer als die Temperatur T_WT-Ausgang am Wärmetauscherausgang;
1.7 umschalten des Umschaltventils (7) auf Stellung "Wärmespeicher laden" (Fig. 7) bei zutreffen der folgenden Bedingungen:
- 1.7.1 die Bedingungen 1.6.1 und 1.6.2 sind erfüllt;
- 1.7.2 die Fördereinrichtung (6) ist abgeschaltet;
1.8 einschalten einer Fördereinrichtung (6) zur Förderung des Wärmeträgers aus dem Leitungsabschnitt 2 (5) in den Wärmetauscher (8) (diskontinuierlicher Betrieb: Stufe III) unter folgenden Bedingungen:
- 1.8.1 das Umschaltventil (7) hat die Stellung "Wärmespeicher laden" erreicht;
1.9 ausschalten einer Fördereinrichtung (6) zur Förderung des Wärmeträgers aus dem Leitungsabschnitt 2 (5) in Wärmetauscher (8) (diskontinuierlicher Betrieb: Stufe IV) unter folgender Bedingung:
- 1.9.1 die Temperatur T_WT,Ein mit der der Wärmeträger in den Wärmetauscher des Wärmespeichers gepumpt wird ist kleiner als die Temperatur T_WT,Aus mit der der Wärmeträger aus dem Wärmetauscher des Speichers geführt wird;
1.10 umschalten des Umschaltventils (7) auf Stellung "Bypass" bei Zutreffen der folgenden Bedingung:
- 1.10.1 die Fördereinrichtung (6) zur Förderung des Wärmeträgers hat ausgeschaltet;
1.11 Beginn des Verfahrens nach Anspruch 1.1 ff unter folgender Bedingung:
- 1.11.1 das Umschaltventil (6) hat die Stellung "Bypass" erreicht.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fördereinrichtung (6) eine Pumpe ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet,

- daß der Energiesammler (1) ein thermischer Solarkollektor ist
- daß der Wärmespeicher (4) sensible (fühlbare) und/oder latente Wärme speichert
- daß der Wärmeträger ein Fluid (Wasser-Glykol-Gemisch) ist und
- daß der Wärmeverbraucher ein Gebäude ist.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bewirtschaftung eines Wärmespeichers (4), dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Sonnenkollektors (1) Wärmetauscher, Wärmerohre oder Abwärmequellen als Energiesammler für den Wärmespeicher dienen.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bewirtschaftung eines Wärmespeichers, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dargestellten Merkmale einzeln als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein können.