DE202006016098U1

DE202006016098U1 - Sonnenkollektorsystem

Info

Publication number: DE202006016098U1
Application number: DE202006016098U
Authority: DE
Original assignee: Wagner and Co Solartechnik GmbH
Current assignee: Wagner and Co Solartechnik GmbH
Priority date: 2006-10-18
Filing date: 2006-10-18
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2016-10-19

Abstract

Sonnenkollektorsystem (10) mit einem Kollektor (13), der einen Absorber (14) mit einem Kanalsystem (15) sowie mit Vorlauf (16) und Rücklauf (18) für die Zirkulation eines Wärmetauscher-Strömungsmediums aufweist, und mit einem oberhalb des Kollektors (13) angeordneten Speicher (12), dadurch gekennzeichnet, daß ein Überhitzungsschutz (20) mit einem im Vorlaufbereich angebrachten thermostatbetriebenen Ventil (24) vorhanden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sonnenkollektorsystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Zur Nutzung von Sonnenenergie wird die aus der Strahlung in einem Kollektor aufgenommene Wärmeenergie entweder direkt oder über Wärmeübertrager an einen Verbraucher herangeführt oder in einem Zwischenspeicher aufgefangen, so daß sie nach Bedarf innerhalb einer Anlage bzw. eines Gebäudes zur Verfügung steht. In Wärmetauschern läßt man ein Medium zirkulieren, z.B. Wasser, Sole, Isobutan u.dgl. Dieser Wärmeträger muß in einem geschlossenen System unter Pumpwirkung oder frei strömen können, wobei Dichtheit und Korrosionsfreiheit bei ganz unterschiedlichen Temperaturen und klimatischen Einflüssen dauerhaft gewährleistet sein müssen.
Solarheizungen haben typisch einen Sonnenkollektor, in den – vorzugsweise unten – kühle Flüssigkeit einströmt, während durch Sonnenstrahlung erwärmte und daher spezifisch leichtere Flüssigkeit aufsteigt, die unter Wärmeisolation einem Speichertank für Brauchwasser zugeführt wird. Der Kollektor kann ein Rohrregister aufweisen, aus dem der Wärmeträger unter Schwerkraft-Einwirkung in den Speicher gelangt. Solche Register werden aus dünnen Aluminium- und/oder Kupferblechen hergestellt, mit denen eine Anzahl von Kupferrohren größerer Durchmesser und von Absorberkanälen ohne Wärmeleitungs-Widerstände und dicht zu verbinden sind. Eine Misch-Installation von Kupfer- und Aluminium-Bauteilen bedingt erhöhte Kosten, vor allem wenn Laser- oder Ultraschallschweißung eingesetzt wird. Rollbondabsorber bestehen allgemein aus Paaren von profilierten Aluminiumblechen, die an sich berührenden Teilen miteinander flächig verbunden sind. Dazwischen ist eine Kanalstruktur definiert, deren Geometrie weitgehend frei konzipiert werden kann. Nachteilig sind jedoch hohe Anforderungen an Korrosionsschutz durch allgemein erst bauseitig auszuführende Maßnahmen, deren gesicherte Einhaltung schwer zu kontrollieren ist.
Solaranlagen nach dem Thermosifon- oder Schwerkraft-Prinzip haben einen Sonnenkollektor und darüber einen Speicher. Wenn der Kollektor wärmer als der angeschlossene Speicher ist, zirkuliert ein Strömungsmedium – meist eine Frostschutzflüssigkeit – vom Kollektor in einen Wärmetauscher des Speichers und heizt diesen auf. Die Leistungsfähigkeit derartiger relativ kostengünstiger Anlagen war anfangs recht gering; auch bei fehlender Wasserzapfung trat im Speicher kaum Überhitzung auf. Weiterentwicklungen ermöglichen inzwischen höhere Temperaturen, so daß im Kollektor und auch im Speicher über 100 °C erreicht werden und aus dem Sicherheitsventil heißes Wasser austritt. Geschieht das öfter, so verkalken die Dichtflächen und das Ventil wird dauerhaft undicht; dann tropft ständig Leitungswasser heraus.
Zur Abhilfe hat man die Kollektoren im Sommer abgedeckt, was zu großem Wartungsaufwand zwingt. Alternativ baut man besondere Kühlkörper ein, die bei hoher Speichertemperatur mit Thermostat-Regelung betrieben werden. Diese Kühlkörper erfordern viel Konstruktionsaufwand und sind entsprechend kostenintensiv. Ein anderer Weg war daher, für solche Anlagen thermische Ablaufsicherungen vorzusehen, damit ab einer Grenztemperatur von z.B. 95 °C Warmwasser abgeleitet wird. Das bedingt jedoch hohen Wasserverlust, und wegen der thermischen Belastung ist eine Ventilsonderkonstruktion unerläßlich.
Es ist ein wichtiges Anliegen der Erfindung, unter Überwindung der Nachteile des Standes der Technik ein verbessertes Sonnenkollektorsystem zu schalten, das in der Warmwasser- und Heizungstechnik korrosionssicher verwendbar sein soll. Ein Ziel der Erfindung besteht darin, den herkömmlich nötigen Aufwand für ein solches System zu verringern und dessen Komponenten und Gestaltung derart zu konzipieren, daß es hohe Betriebssicherheit gewährleistet und sich außerdem sich für unterschiedliche Bedürfnisse und Anwendungsfälle eignet.
Hauptmerkmale der Erfindung sind in Anspruch 1 angegeben. Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.
Bei einem Sonnenkollektorsystem mit einem Kollektor, der einen Absorber mit einem Kanalsystem sowie mit Vorlauf und Rücklauf für die Zirkulation eines Wärmetauscher-Strömungsmediums aufweist, und mit einem oberhalb des Kollektors angeordneten Speicher, sieht die Erfindung laut Anspruch 1 vor, daß ein Überhitzungsschutz mit einem im Bereich des Vorlaufs angebrachten thermostatbetriebenen Ventil vorhanden ist.
In einem solchen System spricht das Solarspeicher-Sicherheitsventil selbst bei ständiger Energiezufuhr in den Kollektor nicht erst an; es gelangt keine weitere Wärme in den Speicher und man muß auch keine Wartungsarbeiten (wie das Abdecken des Kollektors) durchführen. Die Erfindung gewährleistet zugleich eine optimale Energieersparnis der Thermosifonanlage, die nicht nur ohne Überhitzungsprobleme arbeitet, sondern dank ihrer Effizienz mit deutlich reduziertem Strombedarf auskommt. Das wiederum ist beim Einsatz z.B. in südlichen oder östlichen Ländern wichtig, deren Stromnetz-Kapazitäten vielfach nicht für den hohen Leistungsbedarf elektrischer Heiz- und Kühlsysteme ausgelegt sind und bei Lastspitzen versagen.
Bei einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung weist das Thermostatventil zur Messung der Speichertemperatur einen mit dem Speicher wirkungsverbundenen Fühler auf, der bevorzugt im Ventil selbst sitzt und in einem Schraubkörper oder einer Fühlerhülse angeordnet sein kann, der bzw. die in eine Schrauböffnung des Speichers einschraubbar ist. So ist eine Anpassung an unterschiedliche Verhältnissen vor Ort auf überaus einfache Weise möglich; durch geeignete Auswahl der Gestaltung sind auch die Montagebedingungen vorab optimierbar. Man kann auch einen mit dem Speicher wirkungsverbundenen Fernfühler einsetzen.
Sehr günstig ist ferner, daß am Thermostatventil wenigstens ein Temperatur-Grenzwert einstellbar ist. Im Betrieb schließt das Ventil bei Überschreitung von z.B. 90 °C. Daher steigt die Temperatur im Absorber und es entsteht Dampf, der die Solarflüssigkeit über den Rücklauf in einen Wärmetauscher drückt, z.B. in ein Ausdehnungsgefäß. Am Kollektorrücklauf verbleibt infolgedessen nur ein kleiner Rest Flüssigkeit, so daß sich im Absorber ein Druck-/Temperatur-Gleichgewicht mit überhitztem Dampf einstellt und die Absorbertemperatur deutlich höher liegt, als es an sich dem Flüssigkeits-Sattdampfdruck entspricht.
Ist das Wasser am Einsatzort stark kalkhaltig, kann man die Grenztemperatur am Thermostatventil auf ca. 60 °C einstellen, so daß eine Kalkausfällung zuverlässig vermieden wird.
Wenn die Vor- und Rücklaufanschlüsse am Kollektor auf gleicher Höhe und/oder unmittelbar nebeneinander angeordnet sind, ist das für Thermosiphon-Solaranlagen von großem Vorteil, zumal ein herkömmlich zusätzlich benötigtes, gewöhnlich frei verlegtes Rücklaufrohr entfallen kann.
Das sogenannte Heatpipe-Prinzip wurde bereits bei Vakuum-Röhrenkollektoren angewandt, doch war bislang eine Einzelbefüllung notwendig. Ein erfindungsgemäßer Heatpipe-Kollektor, der einen Rollbondabsorber mit einer Absorberplatte aufweist, die Kanäle für die Zirkulation eines Wärmetauscher-Strömungsmediums enthält, ermöglicht hingegen nicht nur eine Schnellbefüllung, sondern zusätzlich eine einfache thermische Anbindung des Sekundärkreislaufs mit günstigem Wärmeübergang. Ein solcher Rollbondabsorber kann außer Absorberkanälen einen separaten Rohrkanal und ein Hauptrohr aufweisen, dessen Querschnitt größer als derjenige der übrigen Kollektor-Rohrleitungen bzw. Kanäle ist. Ein direkt am Absorber eingearbeitetes Rücklaufrohr kann als kurze, vorzugsweise flexible Leitung gefertigt und verdeckt unter einem Speicher verlegt sein. Infolgedessen ist das Volumen an Strömungsmedium insgesamt gering, weshalb auch das Ausdehnungsvolumen bei Wärmeentwicklung klein ist und keine eigenen Ausdehnungsgefäße notwendig sind.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
1 eine Schrägansicht einer Solaranlage mit einem Kollektor im Hochformat,
2 eine Schrägansicht auf eine Solaranlage mit zwei Kollektoren,
3 eine schematisierte Draufsicht auf einen Kollektor,
4 eine schematisierte Seitenansicht eines Fühler-Einsatzes und
5 eine Schrägansicht eines Heatpipe-Kollektors mit Thermosifonspeicher.
Im Ausführungsbeispiel der 1 ist ein Kollektorsystem 10 mit einem aufgesetzten Speicher 12 dargestellt, wobei einzelne Bauelemente, eine Folienabdeckung u.dgl. der Übersicht halber weggelassen sind. Das System 10 enthält einen Kollektor 13, der an einem Absorber 14 eine Anzahl ausgeformter Kanäle 15 aufweist, die z.B. im Rollbondverfahren hergestellt sein können. Sie sind vorzugsweise an ihren oberen und unteren Enden quer strömungsverbunden, also parallelgeschaltet. Die Kanäle 15 können linear gestaltet sein und zueinander parallel verlaufen (vergl. 3); verschachtelte und/oder mäanderförmige Anordnungen sind aber ebenfalls möglich und erfindungsgemäß vorgesehen. Eine transparente Abdeckung kann den Kollektor 13 überdecken.
Der Kollektor 13 kann zur Installation im Hochformat (1 und 3) ausgelegt sein; alternativ kann er Querformat haben. Er zeichnet sich dadurch aus, daß Vorlauf 16 und Rücklauf 18 am Absorber 14 parallel zueinander und/oder auf gleicher Höhe angeschlossen sind (3). Statt eines üblicherweise außen verlegten Rücklaufrohrs enthält der Absorber 14 ein integriertes Hauptrohr 19, dessen Querschnitt größer ist als derjenige der übrigen Rohrleitungen bzw. Kanäle 15 und das zweckmäßig mit einer starren oder flexiblen, jedoch insgesamt relativ kurzen Leitung verbunden oder verbindbar ist, die zum Speicher 12 führt. Dank dieses begrenzten Wegs werden so bei gleichzeitiger Kostensenkung herkömmlich häufige Nachteile und Störungen wie nächtlich umgekehrte Zirkulation, Wärmeverluste, erhöhter Isolationsaufwand u.dgl. auf einfache Weise vermieden. Zwar sind Kollektoren bekannt, bei denen das Rücklaufrohr gleichfalls im Kollektor angeordnet ist, aber ohne thermische Anbindung an die Absorberplatte. Derartige Kollektoren konnten jedoch die nächtliche Zirkulation nur unzureichend vermeiden.
Zwischen dem Kollektor 13 und dem Speicher 12, die an Rohrstutzen 22 mit den Vorlauf- und Rücklaufanschlüssen 16; 18 verbunden sind, ist ein Überhitzungsschutz 20 vorgesehen. Er besteht aus einem Ventil 24 mit einem Thermostaten 26, zu dem eine mit dem Speicher 12 verbundene Sensorleitung 28 führt. Durch den (in 1 bis 3 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten) Sensor wird die Speichertemperatur erfaßt. Überschreitet sie einen Grenzwert, so schließt der Thermostat 26 das Ventil 24, wodurch eine weitere Aufheizung des Speichers 12 verhindert wird.
Ein solcher Überhitzungsschutz 20 kann auch bei einem System mit mehreren Kollektoren eingesetzt werden, wie 2 verdeutlicht. Hierbei liegen zwei Kollektoren 13 nebeneinander, die jeweils einen Absorber 14 enthalten und mit dessen Vorlauf- und Rücklaufanschlüssen 16; 18 – bevorzugt mittels (nicht detaillierten) Steckrohranschlüssen – jeweils an Rohrstutzen 22 eines Doppelspeichers 30 anschließen. Letzterer kann in einem Doppelmantel-Wärmetauscher zur Separierung zweier Kreisläufe eine Trennwand 32 aufweisen. Sie optimiert die Wärmeschichtung und verhindert, daß sich aufsteigendes heißes Fluid des einen Absorbers 14 mit dem kühleren Rücklauffluid des anderen Absorbers vermischen könnte.
Aus 4 ist ersichtlich, daß der Speicher 12 einen Schraubstutzen 32 aufweisen kann, der an bzw. nahe seinem Ende mit einem Außengewinde 37 versehen ist und zur Aufnahme eines Hüllkörpers 25 dient. Dieser umschließt einen schematisch angedeuteten Thermofühler 34. Der Hüllkörper 25 kann insbesondere eine zylindrische Fühlerhülse sein, die z.B. etwa in ihrer Längsmitte am Umfang Durchbrüche 40 aufweist, welche den Zutritt und Durchfluß eines Umgebungsmediums gestatten, dessen Temperatur der Fühler 34 erfaßt. Der Hüllkörper 25 kann auch als Gitterkorb gestaltet sein. Er ist an einem Ende mit stirnseitigen Stützteilen versehen oder geschlossen und hat am gegenüberliegenden, axial offenen Ende einen Flansch 36. Eine Schraubverbindung zwischen dem Stutzen 32 und der anschließenden Rohrleitung 16 mit an dem Flansch 36 beiderseits anliegenden Dichtungen 35, die sich an Gegenflächen einerseits des Schraubstutzens 32 und andererseits des Rohrendes 16 abstützen, wird von einer Überwurfmutter 38 bewirkt und gesichert.
Ein separat oben auf den in 5 dargestellten Heatpipe-Kollektor 13 aufgesetzter oder darin integrierter Rohrkanal 42 kann Bestandteil der Zirkulationsanordnung 44 des Strömungsmediums sein, so daß kein zusätzlicher Speicher-Wärmetauscher erforderlich ist, für den man herkömmlich Frostschutz und Sicherheits-Armaturen benötigt. Beim Speicher 12 kann – abweichend von 5 – auch auf einen Doppelmantel verzichtet werden.
Es ist jedoch auch möglich, daß der Rohrkanal 42 ins Innere verlagert ist, nämlich durch Abwinkelung der Absorberplatte 14 in ihrem oberen Teil, wobei zweckmäßig eine Wärmedämmung den Rohrkanal 42 im Gehäuse umschließt. Zugleich gewinnt man auf diese Weise eine etwas geringere Bauhöhe.
Die Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern in vielfältiger Weise abwandelbar. Ein Vorteil des im Rollbondverfahren hergestellten Absorbers 14 besteht darin, daß dank der Verwendung von Aluminium allein oder allenfalls zusammen mit Edelstahlkomponenten ein Zusammentreffen sonstiger ungleicher Metalle entfällt, was die Herstellungs- und Montagekosten erheblich reduziert und zudem sicherstellt, daß ein korrosionssicheres, nämlich kupferfreies Warmwasser- bzw. Heizungssystem zur Verfügung steht.
Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten und räumlicher Anordnungen, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.

10: Kollektorsystem
12: Speicher
13: Kollektor
14: Absorber
15: Kanäle
16: Vorlauf(rohr)
18: Rücklauf(rohr)
19: Hauptrohr
20: Überhitzungsschutz
22: Rohrstutzen
24: Ventil
25: Hüllkörper/Fühlerhülse
26: Thermostat
28: Sensorleitung
30: Doppelspeicher
31: Trennwand
32: Schraubstutzen
34: Fühler
35: Dichtungen
36: Flansch
37: (Außen-)Gewinde
38: Überwurfmutter
40: Durchbruch
42: Rohrkanal
44: Zirkulationssystem

Claims

Sonnenkollektorsystem (10) mit einem Kollektor (13), der einen Absorber (14) mit einem Kanalsystem (15) sowie mit Vorlauf (16) und Rücklauf (18) für die Zirkulation eines Wärmetauscher-Strömungsmediums aufweist, und mit einem oberhalb des Kollektors (13) angeordneten Speicher (12), dadurch gekennzeichnet, daß ein Überhitzungsschutz (20) mit einem im Vorlaufbereich angebrachten thermostatbetriebenen Ventil (24) vorhanden ist.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (24) einen mit dem Speicher (12) wirkungsverbundenen Fühler (34) aufweist.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (34) im Ventil (24) untergebracht ist.
Kollektor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Fühler (34) in einem mit wenigstens einem Durchbruch (40) versehenen Hüllkörper (25) angeordnet und samt diesem in den Speicher (12) einsetzbar ist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicher (12) eine Öffnung (32) aufweist, in die ein den Fühler (34) umschließender Hüllkörper (25) abgedichtet einsetzbar ist.
System nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Fühler (34) ein als Fernfühler ausgebildeter Thermosensor ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß am Thermostatventil (24) wenigstens ein Temperatur-Grenzwert einstellbar ist.
System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diskrete Grenzwerte einstellbar sind, z.B. 90 °C und 60 °C.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Kollektor (13), der einen Rollbondabsorber (14) aufweist, in dem Kanäle (15) für die Zirkulation eines Wärmetauscher-Strömungsmediums ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollbondabsorber (14) in sich geschlossene Absorberkanäle (15) sowie einen separaten Rohrkanal (42) aufweist.
System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rollbondabsorber (14) ein integriertes Hauptrohr (19) aufweist, dessen Querschnitt größer als derjenige der übrigen Rohrleitungen bzw. Kanäle (15) ist (3).
System nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vor- und Rücklaufanschlüsse (16; 18) am Kollektor (13) auf gleicher Höhe angeordnet sind, vorzugsweise parallel zueinander.