DE19927027C1 - Heat production arrangement from environmental energies, having solar collector, heat swapper, heat pump, and fluid storages which are connected selectively to assure energetically most favorable arrangement - Google Patents
Heat production arrangement from environmental energies, having solar collector, heat swapper, heat pump, and fluid storages which are connected selectively to assure energetically most favorable arrangementInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Geräten zur Erzeugung von Wärme aus Umweltener gien gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 auf einem Temperaturniveau, welches technisch sinnvoll mit einer Wärmepumpe erreicht werden kann. Das Niveau liegt beispielsweise bei ca. 60°C. Bei der Anwendung ist insbesondere an Gebäudeheizung und Brauchwassererwärmung gedacht, die Wärme kann aber auch für industrielle Prozesse Verwendung finden.The invention relates to an arrangement of devices for generating heat from environmental earth gien according to the preamble of claim 1 at a temperature level which is technical can be sensibly achieved with a heat pump. The level is, for example, approx. 60 ° C. The application is particularly on building heating and domestic water heating thought, but the heat can also be used for industrial processes.
Die für die Anordnung eingesetzten Geräte sind Solarkollektor, Wärmepumpe, Warm-/Kalt wasserspeicher, Wärmetauscher und Temperaturdifferenzregler. Die einzelnen Komponenten sind allesamt bekannt und als Massenware am Markt erhältlich. Neu ist die Art der Anordnung. Darüberhinaus eröffnen Mikroprozessortechnik und neue Methoden der Gebäudeisolierung Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung, die bislang unrealistisch waren. Angestrebt wird ein sinnvoller Kompromiß aus apparativem Aufwand und guter Energieausbeute.The devices used for the arrangement are solar collector, heat pump, hot / cold water storage, heat exchanger and temperature difference controller. The individual components are all known and available in bulk on the market. The type of arrangement is new. In addition, microprocessor technology and new methods of building insulation open up Applications of the invention that were previously unrealistic. The aim is one sensible compromise between equipment expenditure and good energy yield.
Üblicher Einsatz von Solarkollektoren ist die Anordnung mit optimaler Position zur Strahlungs richtung der Sonne, der Durchströmung mit einem Wärmeträgermedium bei Messung einer nutz baren Einstrahlung und Speicherung der Wärme in einem Wassertank. Bei bekannten Einrichtun gen dieser Art hat sich als nachteilig herausgestellt, daß die Strahlungsenergie der Sonne tages zeitlichen, jahreszeitlichen und klimatisch bedingten Schwankungen unterworfen ist, und daß die Kollektorleistung nicht nur von der Einstrahlung, sondern auch von der Differenz zwischen Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur abhängt. Dies hat auch bei exzellent isolierten Kollektoren zur Folge, daß sich bei mitteleuropäischem Klima mit geringer Einstrahlung und ge mäßigter Temperatur überwiegend ein sehr schlechter Kollektorwirkungsgrad ergibt. Solche An ordnungen werden daher üblicherweise nur zur Unterstützung einer sonnenunabhängigen Warm wasserbereitung, seltener auch der Raumheizung, eingesetzt.The usual use of solar collectors is the arrangement with the optimal position for radiation direction of the sun, the flow through a heat transfer medium when measuring a useful radiation and storage of heat in a water tank. With known furnishings This type has been found to be disadvantageous in that the radiation energy of the sun is day is subject to temporal, seasonal and climatic fluctuations, and that the Collector output not only from the radiation, but also from the difference between Collector temperature and ambient temperature depends. This also has excellent isolation Collectors as a result that in Central European climate with low radiation and ge moderate temperature mostly results in a very poor collector efficiency. Such an Orders are therefore usually only used to support a sun-independent warmth water preparation, more rarely also space heating.
Üblicher Einsatz von Wärmepumpen ist die verdampferseitige Wärmezufuhr durch Beaufschla gung mit Umgebungsluft, Wasser aus Seen, Flüssen oder Grundwasser, oder mit Erdwärme. Die Verwendung von Wasser und insbesondere Erdwärme mit relativ gleichmäßigen Temperaturen von über 0°C bieten günstige Voraussetzungen für den Einsatz von Wärmepumpen, da die Lei stungszahl der Wärmepumpe von der Temperaturdifferenz von Verdampfer zu Kondensator ab hängig ist. Aber nur die Umgebungsluft, deren Temperatur großen Schwankungen unterworfen ist, ist überall und ohne großen apparativen Aufwand nutzbar. Seen und Flüsse sind meist nicht in unmittelbarer Nähe vorhanden und auch wenn, nicht ohne Genehmigung zu nutzen; Grundwasser ist nur über Brunnen erreichbar - ebenfalls nur mit Genehmigung; die Wärme des Erdreiches ist nur nach aufwendigen Erdarbeiten mittels eingegrabener Wärmetauscherflächen nutzbar.The usual use of heat pumps is the supply of heat on the evaporator side by Beaufschla with ambient air, water from lakes, rivers or groundwater, or with geothermal energy. The Use of water and in particular geothermal energy with relatively uniform temperatures of over 0 ° C offer favorable conditions for the use of heat pumps because the Lei heat pump from the temperature difference from evaporator to condenser is pending. But only the ambient air, whose temperature is subject to large fluctuations is usable everywhere and without great expenditure on equipment. Lakes and rivers are usually not in in the immediate vicinity and even if not used without permission; Groundwater can only be reached via a fountain - also only with permission; is the warmth of the earth can only be used after extensive earthwork using buried heat exchanger surfaces.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einsatzmöglichkeiten von Wärmepumpe und Solarkollektor durch Kopplung derselben miteinander insofern erheblich zu verbessern, daß jeweils das eine Gerät dem anderen Gerät und umgekehrt ermöglicht, in Betriebsbereichen mit besserem Wirkungsrad bzw. besserer Leistungszahl zu arbeiten.The invention has for its object the uses of heat pumps and To significantly improve solar collector by coupling the same to each other in that one device enables the other device and vice versa, in operating areas with to work better efficiency or better coefficient of performance.
Die Lösung wird mit einer Einbindung der bekannten Komponenten in ein Steuerungs- und
Regelungskonzept gemäß dem Anspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Weiterbildungen der Anordnung
sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Anordnung nach der Erfindung hat folgende
Vorteile:
The solution is achieved by integrating the known components in a control and regulation concept according to claim 1. Advantageous developments of the arrangement are specified in the subclaims. The arrangement according to the invention has the following advantages:
- - Durch Absenkung des Temperaturniveaus im Kollektor über die Wärmepumpe wird die Nutzung von nur geringer Sonneneinstrahlung ermöglicht, da Wärmeverluste reduziert wer den. Damit wird das Verhältnis von "für die Herstellung des Kollektors erforderlicher Energie" zu "Gewinnung von Solarenergie im Kollektor" gegenüber konventionellem Ein satz von Kollektoren stark verbessert. Der Kollektor ist damit ganzjährig einsetzbar und nicht nur, wenn die Außentemperatur hoch genug ist.- By lowering the temperature level in the collector via the heat pump, the Use of only little solar radiation is possible because heat losses are reduced the. This makes the ratio of "more necessary for the manufacture of the collector Energy "to" gain solar energy in the collector "compared to conventional one set of collectors greatly improved. The collector can therefore be used all year round not only when the outside temperature is high enough.
- - Bei entsprechender Abkühlung des Wärmeträgerfluids durch die Wärmepumpe wird durch Anhebung der Fluidtemperatur auf Umgebungstemperatur mittels eines dem Kollektor vorgeschalteten Wärmetauschers und durch weitere solare Erwärmung im Kollektor das höchstmögliche Temperaturniveau am Verdampfer der Wärmepumpe erreicht. Damit werden die Betriebsbedingungen für die Wärmepumpe in energetisch günstigere Bereiche gelegt. - When the heat transfer fluid is cooled appropriately by the heat pump, Raising the fluid temperature to ambient temperature using a collector upstream heat exchanger and through further solar heating in the collector reached the highest possible temperature level at the evaporator of the heat pump. In order to the operating conditions for the heat pump in more energetically favorable areas placed.
- - Der vorgeschaltete Wärmetauscher wird bei zu starker solarer Bestrahlung zur Kühlung eingesetzt, so daß die schädlich hohen Stillstandstemperaturen der Kollektoren vermieden werden. Bei wärmeleitendem Einbau des Wärmetauschers mit einem Medium mit großem Wärmespeichervermögen, z. B. dem Erdreich, kann die bei zu starker Bestrahlung gespeicherte Wärme bei Betriebszuständen mit höherem Wärmebedarf über die Wärmepumpe zurückgewonnen werden.- The upstream heat exchanger is used for cooling if the solar radiation is too strong used so that the harmful high downtime temperatures of the collectors avoided become. When the heat exchanger is installed with a medium with a high thermal conductivity Heat storage capacity, e.g. B. the earth, can with excessive radiation stored heat in operating states with higher heat demand via the Heat pump can be recovered.
- - Die Erfindung ermöglicht die Schonung der Energieresourcen und die Minimierung von CO2- und Schadstoffemissionen bei der Wärmeerzeugung.- The invention enables the conservation of energy resources and the minimization of CO 2 and pollutant emissions during heat generation.
- - Durch die beschriebene Steuerung ist die Wärmegewinnung voll automatisiert, so daß die bewährten Wärmeerzeuger (Feuerungen oder Strom) substituiert werden können.- The control described heat generation is fully automated, so that proven heat generators (furnaces or electricity) can be substituted.
- - Es können handelsübliche Komponenten aus kostengünstiger Massenproduktion eingesetzt werden.- Commercial components from inexpensive mass production can be used become.
- - Der im Wärmepumpenbetrieb als Speicher für kaltes Fluid vorgesehene Behälter läßt sich ohne zusätzlichen apparativen Aufwand auch als Wärmespeicher einsetzen, wenn über schüssige Wärmeenergie vorliegt, wodurch die Gesamtspeicherkapazität erhöht wird.- The container provided in heat pump operation as a storage for cold fluid can can also be used as a heat store without additional equipment, if over there is excess heat energy, which increases the total storage capacity.
- - Die Möglichkeit der direkten Nutzung der Strahlungsenergie bei ausreichender solarer Einstrahlung ohne Zwischenschaltung der Wärmepumpe bleibt voll erhalten.- The possibility of direct use of radiation energy with sufficient solar Irradiation without interposing the heat pump is fully retained.
Die beschriebene Anordnung erfaßt die Verfügbarkeit der Umweltenergien unter Berücksichti gung klimatischer, jahreszeitlicher und tageszeitlicher Änderungen. Dazu wird der Solarkollektor wahlweise mit einem Speicher mit hohem Temperaturniveau, nämlich mit dem Niveau der Soll- bzw. Prozeßtemperatur (dieser Speicher stellt auch die Kondensatorseite der Wärmepumpe dar, und hier sind die Wärmeverbraucher angeschlossen) oder mit einem Speicher mit niedrigerem Temperaturniveau (dieser Speicher stellt auch die Verdampferseite der Wärmepumpe dar) verbunden. Die Speicher sind außerdem über Wärmetauscher thermisch miteinander verbunden, so daß die Temperaturniveaus angeglichen werden können. Den Speichern kommt dabei die Aufgabe zu, durch ausreichende Dimensionierung tageszeitliche Schwankungen der Strahlungsintensität überbrücken zu können. Diesen Ansatz verfolgt auch Patentanmeldung EP 00 54 729 A1. Bei der dort beschriebene Einrichtung ist jedoch nachteilig, daß bei Einschaltung des "zweiten Wärmeträgerfluidkanals", der letztlich nur die Funktion eines Wärme tauschers hat, Strahlungsenergie, die vom "ersten Wärmeträgerfluidkanal" gesammelt wird, auf Umgebungstemperaturniveau heruntergezogen wird und damit ungenutzt bleibt. Die Wärmeausbeute ist daher längst nicht optimal. Außerdem handelt es sich bei diesem Wärme trägerfluidkanal um eine Sonderkonstruktion und ist daher in der Herstellung teuer. Daher hat sich die im genannten Anmeldung beschriebene Einrichtung nicht durchgesetzt.The arrangement described captures the availability of environmental energies, taking into account changes in climatic, seasonal and time of day. For this, the solar collector optionally with a storage tank with a high temperature level, namely with the level of the target or process temperature (this memory also represents the condenser side of the heat pump, and here the heat consumers are connected) or with a storage tank with a lower one Temperature level (this storage also represents the evaporator side of the heat pump) connected. The storage tanks are also thermally connected to each other via heat exchangers, so that the temperature levels can be adjusted. The memory comes the Task to, by sufficient dimensioning fluctuations in the time of day To be able to bridge radiation intensity. This is also the approach taken by the patent application EP 00 54 729 A1. In the device described there, however, is disadvantageous in that Activation of the "second heat transfer fluid channel", which ultimately only functions as a heat exchanger has radiation energy that is collected by the "first heat transfer fluid channel" Ambient temperature level is pulled down and thus remains unused. The Heat yield is therefore far from optimal. It is also heat carrier fluid channel around a special construction and is therefore expensive to manufacture. Therefore the facility described in the aforementioned application has not become established.
Der genannte Nachteil nicht optimaler Nutzung der Sonnenstrahlung und Einsatz von Sonder konstruktionen wird in dieser Patentanmeldung dadurch vermieden, daß für den Fall, daß die Temperatur im Speicher mit niedrigem Temperaturniveau unter der Umgebungstemperatur liegt und die Austrittstemperatur des Solarkollektors unter dar gewünschten Prozeßtemperatur liegt, dem Solarkollektor wahlweise ein Wärmetauscher vorgeschaltet wird, mit dem das aus dem kälte ren Speicher umgewälzte Fluid auf Umgebungstemperatur angehoben werden kann. Dadurch werden Wärmeverluste im Kollektor auf ein Minimum reduziert und die Sonnenstrahlung optimal genutzt. Alle Komponenten sind als Handelsware verfügbar. Dies gilt grundsätzlich auch für die erforderlichen Temperaturdifferenzregler, welche jedoch sinnvollerweise in einem speziellen Steuergerät zusammengefaßt werden sollten, um die Anzahl der erforderlichen, teuren Tempera turfühler zu minimieren. Um die Sonneneinstrahlung optimal nutzen zu können, sind ein Schalt schema und ein Steuerungskonzept notwendig, welche im folgenden beschrieben sind. Dazu werden mittels Temperatursensoren die Temperaturen von Umgebungsluft, kaltem Speicher und warmem Speicher laufend gemessen und verglichen und mittels Temperaturdifferenzreglern Ventile und Pumpen gesteuert. Durch eine Auswahlsteuerung wird die jeweils günstigste Anord nung aktiviert.The disadvantage mentioned is not optimal use of solar radiation and the use of special constructions is avoided in this patent application in that in the event that the Temperature in the storage tank with a low temperature level is below the ambient temperature and the outlet temperature of the solar collector is below the desired process temperature, The solar collector is optionally preceded by a heat exchanger, which is used to cool the cold ren storage fluid circulated can be raised to ambient temperature. Thereby heat losses in the collector are reduced to a minimum and solar radiation is optimal used. All components are available as merchandise. This basically also applies to the required temperature difference controller, which, however, makes sense in a special Control unit should be summarized to the number of required, expensive tempera to minimize door sensors. In order to be able to make optimal use of solar radiation, there is a switch scheme and a control concept necessary, which are described below. To the temperature of ambient air, cold storage and hot storage continuously measured and compared and by means of temperature difference controllers Valves and pumps controlled. A selection control system selects the cheapest arrangement activated.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung.Further advantages of the invention result from the following description and the drawing.
- 1. Dem/den Solarkollektor/en 1 wird über Pumpe 9 und Kanal 16 ein Wärmeträgerfluid zuge führt, welches im Solarkollektor erwärmt wird. Über Kanal 18 gelangt das Fluid zu einem Um schaltventil 8, von wo aus das Fluid wahlweise entweder über Kanal 20 zum Fluidspeicher 4, der mindestens auf Prozeßtemperatur gehalten wird, oder über Kanal 19 zum Fluidspeicher 3 fließt. Die Pumpe 9 wird mittels Temperaturdifferenzregler 21 eingeschaltet, wenn am Kollektoraustritt mittels Fühler 12 eine höhere Temperatur als mittels Fühler 14 am Fluidspeicher 3 gemessen wird. Immer dann ist eine Nutzung von Sonnen- oder Umweltenergie möglich.1. The / the solar collector (s ) 1 is supplied via pump 9 and channel 16, a heat transfer fluid, which is heated in the solar collector. Via channel 18 , the fluid arrives at a switching valve 8 , from where the fluid either flows via channel 20 to the fluid reservoir 4 , which is kept at least at process temperature, or via channel 19 to the fluid reservoir 3 . The pump 9 is switched on by means of the temperature difference controller 21 when a higher temperature is measured at the collector outlet by means of the sensor 12 than at the fluid reservoir 3 by means of the sensor 14 . It is then always possible to use solar or environmental energy.
- 2. Wenn die Sonnenstrahlung nicht ausreicht, um Fluidspeicher 4 direkt auf Prozeßtemperatur zu halten, wird die Wärmepumpe 2 eingeschaltet. Dabei wird Wärmeenergie von Fluidspeicher 3 (Verdampferseite der Wärmepumpe) auf das Temperaturniveau von Fluidspeicher 4 (Kondensa torseite der Wärmepumpe) angehoben. Dadurch wird Fluidspeicher 3 Wärmeenergie entzogen. Bei Betrieb der Wärmepumpe wird immer das vom Kollektor 1 kommende Wärmeträgerfluid am Umschaltventil 8 über Fluidkanal 19 durch Fluidspeicher 3 geleitet. Die Temperatur in Fluid speicher 3 fällt in dieser Betriebsart gegebenenfalls solange ab, bis ein Gleichgewicht zwischen als Sonnenstrahlung bzw. Umweltenergie zugeführter Wärme und an die Wärmepumpe abgeführter Wärme erreicht ist. Mit Reduzierung der Differenz zwischen Fluidtemperatur und Außentempera tur steigt der Wirkungsgrad des Kollektors kontinuierlich an.2. If the solar radiation is not sufficient to keep the fluid reservoir 4 directly at the process temperature, the heat pump 2 is switched on. In this case, thermal energy from fluid reservoir 3 (evaporator side of the heat pump) is raised to the temperature level of fluid reservoir 4 (condenser side of the heat pump). As a result, fluid storage 3 is extracted from thermal energy. When the heat pump is in operation, the heat transfer fluid coming from the collector 1 is always conducted at the changeover valve 8 via the fluid channel 19 through the fluid reservoir 3 . In this operating mode, the temperature in the fluid reservoir 3 may drop until an equilibrium between heat supplied as solar radiation or environmental energy and heat dissipated to the heat pump is reached. As the difference between fluid temperature and outside temperature is reduced, the efficiency of the collector increases continuously.
- 3. Das Fluid wird auch dann am von Temperaturdifferenzregler 22 angesteuerten Umschalt ventil 8 über Kanal 19 durch den Fluidspeicher 3 geleitet, wenn es im Kollektor 1 nur auf eine Temperatur unter der im Fluidspeicher 4 mittels Fühler 15 gemessenen Temperatur erwärmt wird oder im Fluidspeicher 4 mittels Fühler 15 eine Temperatur über der zulässigen Maximaltempe ratur gemessen wird, siehe auch 6. Im Fluidspeicher 3 gibt das Fluid Wärme ab und fließt zurück zur Pumpe 9 und von dort über Fluidkanal 16 je nach Stellung der Ventile 7 und 25 entweder direkt in den Kollektor oder über Wärmetauscher 5 in den Kollektor oder nur durch den Wärmetauscher.3. The fluid is then passed to the temperature difference controller 22 controlled switching valve 8 via channel 19 through the fluid reservoir 3 when it is heated in the collector 1 only to a temperature below the temperature measured in the fluid reservoir 4 by means of the sensor 15 or in the fluid reservoir 4 by means of Sensor 15 a temperature is measured above the permissible maximum temperature, see also 6. In the fluid reservoir 3 , the fluid emits heat and flows back to the pump 9 and from there via the fluid channel 16, depending on the position of the valves 7 and 25, either directly into the collector or via heat exchanger 5 in the collector or only through the heat exchanger.
- 4. Das Fluid wird dann am von Temperaturdifferenzregler 23 angesteuerten Umschaltventil 7 über Fluidkanal 17 durch den Wärmetauscher 5 zum Kollektor geleitet, wenn das Fluid in Fluidspeicher 3 auf eine Temperatur unter der mittels Fühler 13 gemessenen Umgebungstempe ratur abgekühlt ist und Umschaltventil 8 auf Fluidkanal 19 geschaltet ist, oder wenn in Fluidspei cher 3 die zulässige Maximaltemperatur überschritten ist. In diesem Fall wird mit Wärme tauscher 5 nicht eine Erwärmung, sondern eine Kühlung erreicht. Damit werden die sehr hohen und der Lebensdauer des Kollektors abträglichen, im Stillstand des Kollektors auftretenden Tem peraturen vermieden. Das Fluid wird dann unter Umgehung des Wärmetauschers 5 direkt zum Kollektor geleitet, wenn die Temperatur in Fluidspeicher 3 über der Umgebungstemperatur liegt und die zulässige Maximaltemperatur in Fluidspeicher 3 nicht überschritten ist. Der Kollektor 1 wird mittels Ventil 25 umgangen, wenn am Kollektor ein Wärmeverlust infolge Strahlung in die Umgebung auftreten würde.4. The fluid is then passed to the collector by the temperature difference controller 23 controlled switching valve 7 via the fluid channel 17 through the heat exchanger 5 when the fluid in the fluid reservoir 3 has cooled to a temperature below the ambient temperature measured by the sensor 13 and the switching valve 8 is switched to the fluid channel 19 or if the permissible maximum temperature is exceeded in fluid memory 3 . In this case, heat is not achieved with heat exchanger 5 , but rather cooling. This avoids the very high temperatures which are detrimental to the service life of the collector and occur when the collector is at a standstill. The fluid is then passed directly to the collector bypassing the heat exchanger 5 when the temperature in the fluid reservoir 3 is above the ambient temperature and the permissible maximum temperature in the fluid reservoir 3 is not exceeded. The collector 1 is bypassed by means of valve 25 if heat loss due to radiation into the environment would occur at the collector.
- 5. Das Fluid wird dann am Umschaltventil 8 über Kanal 20 durch den Fluidspeicher 4 geleitet, wenn es im Kollektor 1 auf eine Temperatur über der mittels Fühler 15 im Fluidspeicher 4 gemes senen Temperatur, aber unter einer einstellbaren Maximaltemperatur, erwärmt wird und die Wärmepumpe nicht eingeschaltet ist. Im Fluidspeicher 4 gibt das Fluid Wärme ab und fließt zu rück zur Pumpe 9 und von dort über Fluidkanal 16 direkt wieder in den Kollektor. Dies entspricht der üblichen Verwendung von Solarkollektoren.5. The fluid is then passed to the changeover valve 8 via channel 20 through the fluid reservoir 4 when it is heated in the collector 1 to a temperature above the temperature measured by means of the sensor 15 in the fluid reservoir 4 , but below an adjustable maximum temperature, and the heat pump is not is switched on. The fluid emits heat in the fluid reservoir 4 and flows back to the pump 9 and from there via the fluid channel 16 directly back into the collector. This corresponds to the usual use of solar collectors.
- 6. Das Fluid wird auch dann am von Temperaturdifferenzregler 22 angesteuerten Umschalt ventil 8 über Kanal 19 durch den Fluidspeicher 3 geleitet, wenn im Fluidspeicher 4 mittels Fühler 15 eine Temperatur über der zulässigen Maximaltemperatur gemessen wird. Fluid speicher 4 ist dann voll geladen und Fluidspeicher 3 kann als zusätzlicher Speicher für direkt solar erzeugte Wärme eingesetzt werden, die ohne Wärmepumpe nutzbar ist, solange die Prozeßtempe ratur nicht unterschritten wird.6. The fluid is then directed to the temperature difference controller 22 controlled switching valve 8 via channel 19 through the fluid reservoir 3 when a temperature above the permissible maximum temperature is measured in the fluid reservoir 4 by means of a sensor 15 . Fluid storage 4 is then fully charged and fluid storage 3 can be used as an additional storage for directly solar generated heat that can be used without a heat pump as long as the process temperature is not fallen below.
- 7. Das Fluid wird dann mittels Pumpe 10 zwischen Fluidspeicher 3 und Fluidspeicher 4 zwecks Temperaturangleichung umgewälzt, wenn mittels Temperaturdifferenzregler 24 mittels Tempera turfühler 15 in Fluidspeicher 4 eine niedrigere Temperatur als mittels Temperaturfühler 14 in Fluidspeicher 3 gemessen wird. Dies ist der Fall, wenn Fluidspeicher 4 mehr Wärmeenergie entnommen als über Kollektor 1 zugeführt wird. Das Fluid nimmt dann in Fluidspeicher 3 Wärme auf und gibt sie in Fluidspeicher 4 wieder ab. Von Fluidspeicher 3 läßt sich also das Speichervermögen im Bereich der Differenz von Maximaltemperatur (z. B. 70°C) und Prozeßtemperatur (z. B. 40°C) direkt nutzen, und von Fluidspeicher 4 läßt sich das Speicher vermögen im Bereich der Differenz von Maximaltemperatur (z. B. 100°C) und Prozeßtemperatur direkt und im Bereich von Prozeßtemperatur und Minimaltemperatur am Kondensator der Wärmepumpe (z. B. -15°C) indirekt über die Wärmepumpe nutzen. Damit ist das Speicher vermögen gegenüber üblicher Verwendung von Solarkollektoren mehr als verdoppelt und damit der Nachteil eines zweiten Speichers relativiert.7. The fluid is then circulated by means of pump 10 between the fluid reservoir 3 and fluid storage 4 for temperature equalization when in fluid storage 4, a lower temperature is as measured by temperature sensor 14 in fluid reservoir 3 by means of differential temperature controller 24 by means of Tempera turfühler 15th This is the case when fluid storage 4 takes more thermal energy than is supplied via collector 1 . The fluid then absorbs heat in the fluid reservoir 3 and releases it again in the fluid reservoir 4 . Of fluid reservoir 3, therefore, the memory capacity in the range of the difference of the maximum temperature can be (z. B. 70 ° C) and process temperature (eg., 40 ° C) for direct use, and fluid reservoir 4 can be the storage capacity in the range of the difference of maximum temperature (e.g. 100 ° C) and process temperature directly and indirectly in the range of process temperature and minimum temperature at the heat pump condenser (e.g. -15 ° C) via the heat pump. This means that the storage capacity is more than doubled compared to the usual use of solar collectors, thus relativizing the disadvantage of a second storage device.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 3 angegeben und betrifft die Wahl des günstigsten Umschaltpunktes des Fluidstromes vom Kollektor auf Speicher 3 oder Speicher 4. Die mittels Fühler 12 gemessene Temperatur am Kollektoraustritt hängt u. a. von der Kollektoreintrittstemperatur und der Einstrahlleistung ab. Es ist bei konstanter Einstrahlleistung daher ein Unterschied, ob der Kollektor mit Wärmeträgerfluid aus dem kälteren Speicher 3 oder aus dem wärmeren Speicher 4 beaufschlagt wird. Es können dabei Betriebszustände bei mäßiger Einstrahlung auftreten, bei denen kontinuierlich die Temperatur von Fluidspeicher 3 bis kurz vor Erreichen der Prozeßtemperatur angehoben wird, obwohl schon vorher auf Speicher 4 geschaltet werden könnte, wenn der Kollektor mit dem höheren Temperaturniveau aus Speicher 4 beauf schlagt werden würde. Es ist jedoch nach Möglichkeit immer das vorrangige Beladen durch den Solarkollektor von Fluidspeicher 4 gewünscht, da dieses Temperaturniveau direkt genutzt werden kann. Dies kann dadurch erreicht werden, daß laufend die Temperaturmeßstellen 12, 14 und 15 verglichen werden und laufend berechnet wird, wann das Umschalten von Ventil 8 auf Fluid kanal 20 zur Beladung von Fluidspeicher 4 frühest möglich ist. Die Abhängigkeit des Kollektor wirkungsgrades von Kollektortemperatur und Umgebungstemperatur kann in einem Rechner hin terlegt und zur Berechnung des Umschaltpunktes berücksichtigt werden.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 3 and relates to the selection of the cheapest switching point of the fluid flow from the collector to storage 3 or storage 4th The temperature at the collector outlet measured by sensor 12 depends, among other things, on the collector inlet temperature and the radiation power. With constant irradiation power, it is therefore a difference whether the collector is charged with heat transfer fluid from the colder storage 3 or from the warmer storage 4 . It can occur operating conditions with moderate irradiation, in which the temperature of fluid storage 3 is raised until shortly before reaching the process temperature, although it could be switched to storage 4 beforehand if the collector with the higher temperature level from storage 4 would be hit . However, priority loading by the solar collector of fluid reservoir 4 is always desired, since this temperature level can be used directly. This can be achieved by continuously comparing the temperature measuring points 12 , 14 and 15 and continuously calculating when the switch from valve 8 to fluid channel 20 for loading fluid reservoir 4 is possible at the earliest. The dependency of the collector efficiency on the collector temperature and ambient temperature can be stored in a computer and taken into account when calculating the switchover point.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 angegeben und betrifft die Wahl des Wärmetauschers 5. Der geringste Installationsaufwand ergibt sich bei Ver wendung eines in der Umgebungsluft angeordneten Wärmetauschers. Bei Anordnung des Wärme tauschers derart, daß das Wärmeträgerfluid in wärmeleitenden Kontakt mit großen Regenwasser speichern, mit dem Grundwasser indirekt mit dem Erdreich oder direkt mit dem Erdreich (sog. Erdkollektoren), kann im unter 4. beschriebenen Fall der Kollektorkühlung gleichzeitig die Wärmekapazität dezentraler, großer Speicher oder des Erdreichs genutzt und die gespeicherte Wärme zu späteren Zeitpunkten über die Wärmepumpe zurückgewonnen werden.A further advantageous embodiment of the invention is specified in patent claim 4 and relates to the choice of the heat exchanger 5 . The lowest installation effort results when using a heat exchanger arranged in the ambient air. If the heat exchanger is arranged in such a way that the heat transfer fluid stores in heat-conducting contact with large rainwater, with the groundwater indirectly with the ground or directly with the ground (so-called ground collectors), the heat capacity can be decentralized in the case described under 4. large storage tanks or the ground are used and the stored heat can be recovered at a later time via the heat pump.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben und betrifft das regelmäßig erforderliche Abtauen des Wärmetauschers 5, wenn dieser die Umgebungsluft nutzt und die Temperatur des Wärmeträgerfluids den Gefrierpunkt der Luftfeuchtigkeit unterschreitet. Das Abtauen wird dadurch erreicht, daß Ventil 7 für eine kurze Zeit auf Wämetauscherdurchfluß und Ventil 8 auf Kanal 20 geschaltet wird, auch wenn die o. g. Bedingungen für optimale Energiegewinnung nicht vorliegen. Für diese Zeitdauer wird der Wärmetauscher mit in Fluidspeicher 4 erwärmtem Wärmeträgerfluid durchströmt. Es ist also kein zusätzlicher apparativer Aufwand erforderlich. A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 5 and relates to the defrosting of the heat exchanger 5 which is required regularly if the heat exchanger 5 uses the ambient air and the temperature of the heat transfer fluid falls below the freezing point of the air humidity. Defrosting is achieved by switching valve 7 for a short time to the heat exchanger flow and valve 8 to channel 20 , even if the above-mentioned conditions for optimal energy generation are not present. For this period of time, the heat exchanger is flowed through with heat transfer fluid heated in fluid reservoir 4 . No additional equipment is required.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben und betrifft die Ausführung der Temperaturdifferenzregler. Es werden zum Teil dieselben Tempera turmeßstellen für unterschiedliche Temperaturdifferenzregler benötigt. Bei Verwendung einzelner Geräte ist dann für jedes Gerät ein separater Satz Temperaturfühler erforderlich. Es können Tem peraturfühler eingespart werden, wenn anstatt von 4 Einzelgeräten ein zentrales Regel-/Steuer gerät eingesetzt wird, welches die Funktion von 4 Einzelgeräten übernimmt.A further advantageous embodiment of the invention is specified in claim 6 and concerns the execution of the temperature difference controller. Some of the same tempera Tower measuring points required for different temperature difference controllers. When using individual A separate set of temperature sensors is then required for each device. Tem temperature sensors can be saved if, instead of 4 individual devices, a central control device is used, which takes over the function of 4 individual devices.
Claims (6)
- a) dem/den Solarkollektor/en (1) mittels einer ersten Pumpe (9) über einen ersten Kanal (16) ein Wärmeträgerfluid zuführbar ist, welches im Solarkollektor erwärmt wird, von dort über einen zweiten Kanal (18) zu einem ersten Umschaltventil (8) und von hier entweder über einen dritten Kanal (20) zum ersten Fluidspeicher (4) oder über einen vierten Kanal (19) zum zweiten Fluidspeicher (3) fließt, wenn ein erster Temperatur differenzregler (21) am Kollektoraustritt eine höhere Temperatur als im zweiten Fluid speicher (3) erfaßt,
- b) die Wärmepumpe (2), deren Verdampferseite thermisch mit dem zweiten Fluid speicher (3) und deren Kondensatorseite thermisch mit dem ersten Fluidspeicher (4) verbunden ist, eingeschaltet und über das erste Umschaltventil (8) der zweite Kanal (18) mit dem vierten Kanal (19) verbunden wird, wenn im ersten Fluidspeicher (4) eine vor wählbare Temperatur unterschritten ist,
- a) das erste Umschaltventil (8) den zweiten Kanal (18) mit dem vierten Kanal (19) verbindet, wenn ein zweiter Temperaturdifferenzregler (22) am Kollektoraustritt eine niedrigere Temperatur als im ersten Fluidspeicher (4) erfaßt, oder wenn im ersten Fluidspeicher (4) eine Temperatur oberhalb einer vorwählbaren Temperatur gemessen wird,
- b) ein zweites Umschaltventil (7) den ersten Kanal (16) mit einem fünften Kanal (17) verbindet, so daß das Wärmeträgerfluid durch den Wärmetauscher (5) geleitet wird, wenn ein dritter Temperaturdifferenzregler (23) im zweiten Fluidspeicher (3) eine niedrigere Temperatur als in der Umgebung erfaßt, oder wenn im zweiten Fluidspeicher (3) eine Temperatur oberhalb einer vorwählbaren Temperatur gemessen wird, wogegen das zweite Umschaltventil (7) den ersten Kanal (16) direkt mit dem Kollektoreingang verbindet, wenn die genannten Bedingungen nicht zutreffen,
- c) ein drittes Umschaltventil (25) den Wärmetauscher (5) direkt mit dem zweiten Kanal (18) verbindet und somit den Kollektor (1) umgeht, wenn ein Wärmeverlust infolge Strahlung vom Kollektor in die Umgebung auftreten würde,
- d) das erste Umschaltventil (8) den zweiten Kanal (18) mit dem dritten Kanal (20) verbindet, wenn der zweite Temperaturdifferenzregler (22) am Kollektoraustritt eine höhere Temperatur als im ersten Fluidspeicher (4) erfaßt und im ersten Fluidspeicher (4) eine Temperatur unterhalb einer vorwählbaren Maximaltemperatur gemessen wird und die Wärmepumpe (2) nicht eingeschaltet ist,
- e) das erste Umschaltventil (8) den zweiten Kanal (18) mit dem vierten Kanal (19) verbindet, wenn im ersten Fluidspeicher (4) eine Temperatur oberhalb einer vorwählbaren Maximaltemperatur gemessen wird,
- f) eine zweite Pumpe (10) Wärmeträgerfluid zwischen den Fluidspeichern (3 und 4) zwecks Temperaturangleichung umwälzt, wenn ein vierter Temperaturdifferenzregler (24) im zweiten Fluidspeicher (3) eine höhere Temperatur als im ersten Fluidspeicher (4) erfaßt.
- a) to the solar collector (s) ( 1 ) by means of a first pump ( 9 ) via a first channel ( 16 ) a heat transfer fluid which is heated in the solar collector, from there via a second channel ( 18 ) to a first switch valve ( 8 ) and flows from here either via a third channel ( 20 ) to the first fluid reservoir ( 4 ) or via a fourth channel ( 19 ) to the second fluid reservoir ( 3 ) when a first temperature differential controller ( 21 ) at the collector outlet has a higher temperature than in detects second fluid reservoir ( 3 ),
- b) the heat pump ( 2 ), the evaporator side of which is thermally connected to the second fluid reservoir ( 3 ) and the condenser side of which is thermally connected to the first fluid reservoir ( 4 ), switched on and via the first changeover valve ( 8 ) the second channel ( 18 ) to the fourth channel ( 19 ) is connected if the temperature in the first fluid reservoir ( 4 ) falls below a pre-selectable temperature,
- a) the first switch valve ( 8 ) connects the second channel ( 18 ) to the fourth channel ( 19 ) when a second temperature difference controller ( 22 ) at the collector outlet detects a lower temperature than in the first fluid reservoir ( 4 ), or when in the first fluid reservoir ( 4 ) a temperature above a preselectable temperature is measured,
- b) a second switching valve ( 7 ) connects the first channel ( 16 ) to a fifth channel ( 17 ) so that the heat transfer fluid is passed through the heat exchanger ( 5 ) when a third temperature difference controller ( 23 ) in the second fluid reservoir ( 3 ) Lower temperature than detected in the environment, or if a temperature above a preselectable temperature is measured in the second fluid reservoir ( 3 ), whereas the second switch valve ( 7 ) connects the first channel ( 16 ) directly to the collector input if the conditions mentioned do not apply ,
- c) a third changeover valve ( 25 ) connects the heat exchanger ( 5 ) directly to the second channel ( 18 ) and thus bypasses the collector ( 1 ) if heat loss due to radiation from the collector would occur in the environment,
- d) the first changeover valve ( 8 ) connects the second channel ( 18 ) to the third channel ( 20 ) when the second temperature difference controller ( 22 ) detects a higher temperature at the collector outlet than in the first fluid reservoir ( 4 ) and in the first fluid reservoir ( 4 ) a temperature below a preselectable maximum temperature is measured and the heat pump ( 2 ) is not switched on,
- e) the first changeover valve ( 8 ) connects the second channel ( 18 ) to the fourth channel ( 19 ) when a temperature above a preselectable maximum temperature is measured in the first fluid reservoir ( 4 ),
- f) a second pump ( 10 ) circulates heat transfer fluid between the fluid reservoirs ( 3 and 4 ) for the purpose of temperature equalization when a fourth temperature difference controller ( 24 ) in the second fluid reservoir ( 3 ) detects a higher temperature than in the first fluid reservoir ( 4 ).
- 1. a.) mit Außenluft beaufschlagten Luft-/Wasserwärmetauscher,
- 2. b.) um einen in einem unterirdischen Wassertank oder mit Grundwasser beaufschlagten Wasser-/Wasserwärmetauscher
- 3. c.) oder um einen im Erdreich vergrabenen Wärmetauscher (Erdkollektor)
- 1. a.) Air / water heat exchanger charged with outside air,
- 2. b.) Around a water / water heat exchanger charged in an underground water tank or with groundwater
- 3. c.) Or around a heat exchanger buried in the ground (earth collector)
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