DE2621300C2

DE2621300C2 - Anlage zur Warmwasseraufbereitung mit Ausnutzung der Sonnenenergie

Info

Publication number: DE2621300C2
Application number: DE19762621300
Authority: DE
Inventors: Kurt Oberembrach Oeggerli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-05-16
Filing date: 1976-05-13
Publication date: 1982-12-02
Also published as: CH578718A5; DE2621300A1

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Anlage zur Warmwasseraufbereitung mit Ausnutzung der Sonnenenergie mittels Sonnenkollektor und Wärmetauschern, bei der das Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf umwälzt und zwei Wärmetauscher hintereinander in dem geschlossenen Kreislauf angeordnet sind, wobei der erstere durch eine Umgehungsleitung überbrückbar ist und der Flüssigkeitsstrom durch ein temperaturgesteuertes Ventil entweder durch den ersten Wärmetauscher oder die Umgehungsleitung steuerbar ist.

ίο Eine eingangs genannte Anlage zur Warmwasseraufbereitung ist beispielsweise mit der US-PS 31 78 113 bekanntgeworden. Bei dieser bekannten Anlage wird unter anderem auch die in einem Sonnenkollektor gewonnene Energie über ein flüssiges Wärmeträgerme-

It dium einem Heizkörper zugeführt. Die beiden Wärmetauscher sind jedoch hinsichtlich der Entnahme des Brauchwassers nicht in Reihe geschaltet. Bei hohen Austrittstemperaturen des Mediums an den Sonnenkollektoren bewirkt ein Wärmespeicher eine zusätzliche Erwärmung des Wassers im geschlossenen Kreislauf durch einen Wärmetauscher und bei niedrigeren Temperaturen wird dieser Wärmespeicher durch eine Leitung überbrückt.

Mit dieser bekannten Anordnung ist es jedoch nicht möglich, eine relativ große Menge von Brauchwasser bei relativ gleichbleibender Temperatur zu entnehmen, unabhängig davcr,, ob eine Sonneneinstrahlung an den Sonnenkollektoren erfolgt oder nicht.

Mit der US-PS 32 36 294 ist eine weitere Anlage bekanntgeworden, bei der an Tagen ohne Sonneneinstrahlung auf die Sonnenkollektoren die gesamte Wasservorratsmenge mit zusätzlicher Fremdenergie aufgeheizt werden muß.

Der dort gezeigte Warmwasserspeicher ist für ein Mehrfaches eines Tagesbedarfs ausgebildet, so daß der Vorrat an Brauchwasser zwar länger vorhalt, hierdurch jedoch eine um so langer wirkende Sonneneinstrahlung zur Aufwärmung des Brauchwassers benötigt wird. Bei längerem Ausbleiben der Sonnenenergie wird demzufolge eine große Menge Fremdettergie zur Erwärmung des Warmwasserspeichers benötigt. Eine kurzzeitige Sonneneinstrahlung bringt nur eine geringe Temperaturerhöhung im Vorratsspeicher und die Erreichung der erwünschten Temperatur muß durch Aufheizung mittels Fremdenergie erfolgen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Anlage zur Warmwasseraufbereitung unter Ausnutzung der Sonnenenergie derart auszubilden, daß Brauchwasser relativ großer Menge (d. h. Brauchwasser für

so mehrere Tage) in fast gleicher Temperatur der Anlage entnommen werden kann, unabhängig von der Art und Dauer der Sonneneinstrahlung, und daß schon nach relativ kurzer Sonneneinstrahlung aus der Anlage Wasser mit einerTemperatur entnommen werden kann, welches nicht nachgeheizt werden muli. Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausbildung der Anlage zur Warmwasseraufbereitung von Brauchwasser für Haushalte der erste Wärmetauscher als Tagesspeicher mit einem Volumeninhalt von etwa einem mittleren Tagesbedarf ausgebildet ist, an dem der Auslauf für das Brauchwasser ansetzt, daß beide Warmwasserspeicher auch brauchwasserseitig miteinander verbunden sind und daß die Temperaturmeßstelle für das lemperaturge-

f,5 steuerte Ventil in der Umgehungsleitung im Kollektor-Kreislauf liegt, und daß der zweite Wärmetauscher als Woehenspeicher mit einem Volumeninhalt von einem Mehrfachen des Volumens des Tagesspeichers ausgebil-

det ist, an dem der Einlief für das Brauchwasser ansetzt und daß bei einer Temperatur des Wärmeirägermediums in der Umgehungsleitung von ca. 50⁰C und darüber das in einer Leitung zum Tagesspeicher befindliche Ventil geöffnet ist, während bei einer Temperatur des Mediums von ca. 50⁰C und darunter das Ventil geschlossen ist.

Wesentlich bei der vorliegenden Erfindung ist also, daß eine Anlage vorgeschlagen wird, bei welcher ein in einem geschlossenen Kreislauf zirkulierendes Wärmeträgermedium Wurme von den Sonnenkollektoren aufnimmt rinen Teil dieser Wärme durch einen ersten Wärmetauscher an das Wasser in einem ersten kleineren Tagesspeicher abgibt und dann durch einen mit dem ersten Wärmeaustauscher in Serie geschalteten, zweiten Wärmeaustauscher weiter Wärme an das Wasser in einen zweiten mit dem ersten in Serie geschalteten, größeren Wochenspeicher abgibt, falls die Austrittstemperatur des Wärmeträgermediums aus den Sonnenkollektoren 50⁰C überschreitet, und andernfalls der erste Wärmeaustauscher über eine Verbindungsleitung überbrückt wird und das Wärmet.rägermedium direkt durch einen zweiten Wärmeaustauscher und dann zurück über eine Rückleitung zu den Sonnenkolleictoren strömt. In Tagen mit geringer wirksamer Sonneneinstrahlung kann die fehlende Energie aus einem zusätzlichen Heizorgan bezogen werden, welches mit elektrischer Energie oder Verbrennungsenergie aus Öl oder Gas gespeist wird.

Wenn im Tagesspeicher Wasser beispielsweise von 60⁰C lagert, und die Sonnenkollektoren nur 50⁰C warmes Wasser abgeben, dann wird eine Umgehungsleitung wirksam, und der Wochenspeicher wird aufgeheizt. Der Tagesspeicher ist dann durch ein temperaturgesleuertes Ventil gesperrt. Wesentlich hierbei ist, daß eine natürliche Zirkulation stattfindet, ohne daß weder Strom zur Steuerung noch eine Pumpe verwendet werden muß. Die gesamte Anlage hat den Vorteil, daß eine komplizierte Steuerung entfällt und ein Zwangsumlauf von Warmwasser stattfindet. Durch die Serienschaltung eines Tagesspeichers mit einem Wochenspeicher und der entsprechend zugeordneten Steuerung wird ein großer Wirkungsgrad erzielt, auch wenn die Energie zur Aufheizung des Tagesspeichers nicht ausreicht oder nicht benötigt wird.

Wenn die Sonnenkollektoren beispielsweise nur 35°C Warmwasser abgeben und der Tagesspeicher 40⁰C warmes Wasser enthält und der Wochenspeicher 30°C warmes Wasser, dann ist das temperaturgesteuerte Ventil geschlossen. Wegen dieses geschlossenen Venuls strömt das Kollektorwasser nicht durch den Wärmetauscher im Tagesspeicher, sondern über die Umgehungsleitung durch den Wärmetauscher im Wochenspeicher und heizt das in diesen Wochenspeicher einströmende Kaltwasser auf, ohne den wärmeren Tagesspeicher in den kälteren Wochenspeicher zu entladen. Bei geöffnetem Ventil gestattet die Umgehungsleitung — aufgrund ihres geringeren Querschnittes — dem Tagesspeicher mp.hr Energie zuzuführen als dem Wochenspeicher. Dadurch wird ermöglicht, dem Tagesspeicher Wasser zu entnehmen, welches nicht mehr nachgeheizt werden muß, Zudem verhindert die Umgehungsleitung eine unerwünschte, große Erwärmung des Wochenspeichers unter Umgehung des Tagesspeichers.

Mit dieser Erfindung konnten Tages-Anlagewirkungsgrade bis 45% erreicht werden, wobei die Wirkungsgrade durch entsprechende Maßnahmen noch verbessert werden können.

Die Erfindung wird nun anhand mehrerer rungsbeispieie naher erläutert. Es zeigx

Fig. 1 eine Anlage n'.i- '.ielhstuniiatfi in einer ·.rsten Ausführung;

Fig.2 eine Anlage mit Zwangsumlauf in eine* zwciien Ausführung.

)r·: tier Zeichnung sind mit 1 Sonnenkollektoren bezeichnet, die sich in beliebiger Anzahl in Serie schalten lassen. Das auf die Sonnenkollektoren aufti cf· fende Sonnenlicht erwärmt die aus gut wärmeleitendem Material hergestellten Hohlkörper und diese geben die aufgenommene Wärme an ein Wärmeträgermedium ab. Ein solches Wärmeträgermedium wäre beispielsweise einWasserglykolgemisch.

Über ein DurchflußreguHerventil 12 kann das Wärmeträgermedium durch eine Austrittsleitung 11 zum Zweigpunkt 13 gelangen. Eine Leitung 14 führt von hier über ein Ventil 15 zum Wärmetauscher 20 in einen Tagesspeicher 2. Der Volumeninhalt des Tagesspeichers 2 entspricht ungefähr dem mittleren Tagesbedarf an Warmwasser.

Die Leitung 14' mündet bei Pun'■·; 16 in eine Umgehungsleitung 17, die vom Zweigpunkt 13 kommt. Die Umgehungsleitung 17 weist einen geringeren Durchmesser als die übrigen Leitungsrohre auf. Vom Punkt 16 führt eine Rohrleitung 18 zu einem Wärmetauscher 30 in einen Wasserspeicher, der dem Tagesspeicher 2 in Serie vorgeschaltet ist Dieser Warmwasserspeicher besitzt ein Fassungsvermögen, welches dem Mehrfachen des Tagesspeichers 2 entspricht, im folgenden wird dieser Speicher als Wochenspeicher 3 bezeichnet Eine Eintrittsleitung 19 vom Wärmelauscher 30 führt zurück zu den Sonnenkollektoren 1 und schließt den Kreislauf. Kurz hinter dem Austritt aus den Sonnenkollektoren 1 zweigt eine Leitung 41 ab, welche über ein temperaturgesteuertes Ventil 42 in die Eintrittsleitung 19 mündet.

Sobald die Sonne auf die Sonnenkollektoren 1 einstrahlt, wird sich das darin enthaltene Wärmeträgermedium erwärmen und, sobald es die Temperatur des Wassers im Wochenspeicher 3 überschreitet, zu zirkulieren beginnen. Es tritt aus den Sonnenkollektoren 1 in dit obere Austrittsleitung 11 aus und strömt durch das Durchflußregulierventil 12 via Zweigpunkt 13 zum Ventil 15. Dieses wird durch die Temperatur des in der Umgehungsleitung 17 fließenden Mediums gesteuert, wie dies durch einen punktierten Pfeil angedeutet ist. Anfänglich ist dieses Ventil geschlossen und somit strömt das ganze Wärmeträgermedium durch die Leitung 17, 18 und den Wärmetauscher 30 über die Eintrittsleitung 19 in die Sonnenkollektoren 1 zurück, wo es sich von neuem erwärmt und der Kreislauf von neuem beginnt.

Bei starker Einstrahlung überschreitet die Temperatur am Meßpunkt in der Umgehungsleitung 17 die Grenztemperatur von 50⁰C, wodurch sich das Ventil 15 öffnet und der Wärmetauscher 20 im Tagesspeicher 2 auch in Betrieb genommen wird. Die Umgehungsleitung 17 wirkt nun als Blende, was zur Folge hat, daß der größere Teil des Wärmeträgermediums jetzt die beiden Wärmetauscher 20, 3C in Serie durchströmt; wobei sich der Tagesspeicher 2 relativ rasch erwärmt. Sobald die Temperatur des Wärmeträgermediums weniger als 50⁰C beträgt, schließt das Ventil 15, und der Wochenspeicher 3 wird noch so lange aufgeheizt, wie die Temperatur am Ausgang der Sonnenkollektoren 1 mehr als die Vvu^erteinpfratur im Wochenspei«:!.cr J beträgt. Wird nun Warmwasser benötig·:. /. B. in Duscht

oder Bad etc.. so wird es dem wärmeren Tagesspeicher 2 entnommen, welcher bei schönem Wetter anderntags wieder erwärmt wird. Wird weniger Warmwasser entnommen, als von den Sonnenkollektoren I aufgeheizt wird, so könnten theoretisch bei entsprechend großer Kollcktorfläehe beide Speicher bis /um Siedepunkt erwärmt werden. Um dies zu verhindern, wird das von einem MeBpunkt in der Eintrittslcitung 19 angesteuerte Ventil 42 öffnen und den Wärmetauscher 40 in Betrieb nehmen, sobald die Austrittstemperatur des Wärmetauschers 30 im Wochenspeicher 3 70°C beträgt. Der Wärmetauscher 40 kann die ihm zugeführte Warme. /.. B. an ein Schwimmbad, eine Zentralheizung (nicht dargestellt) oder der Umgebungsluft abgeben.

Bei Schlechtwetterperioden wird mehr Warmwasser aus den Speichern 2, 3 entnommen, als durch die Kollektoren aufgeheizt wird. Deshalb ist im Tagesspeicher 2 ein zweiter Wärmetauscher 50. der mit elektrischem Strom, Ol oder Gas während der Nacht betrieben wird, eingebaut. Er hat die Aufgabe, die Temperatur des aus dem Wochenspeicher 3 nachgeströmten Wassers im Tagesspeicher 2 auf die gewünschte Endtemperatur von 50"C zu erhöhen. Wird die Sonne nur einige Minuten scheinen, so wird wenig Energie eingestrahlt. Doch wird diese Energie immerhin den Wochenspeicher 3 vorwärmen. Es gelangt also in jedem Fall wärmeres Wasser in den Tagesspeicher 2 als vom Kaltwassernetz in den Wochenspeicher 3.

Für das Funktionieren der Anlage nach dem Selbstumlauf-Prinzip ist es erforderlich, daß der Sonnenkollcktoren-Eintritt tiefer liegt, als der tiefste Austritt der Wärmetauscher 20,30,40.

In F-" i g. 2 ist die zweite Ausführung einer Anlage nach dem Zwangsumlauf-Prinzip dargestellt. Sie weist sämtliche konstruktiven Merkmale der anhand von Fig. 1 erläuterten Anlage nach dem SelbstUinlauf-Prinzip auf. Sie hat jedoch den Vorteil einer beliebigen niveaumäßigen Anordnung der Sonnenkollcktorcn I und der Wärmetauscher 20,30 in Bezug aufeinander. Sie erfordert jetloch eine zusätzliche Pumpe 43 in der Eintriltslcitung 19 und mindestens cm zusätzliches Ventil 4 in der Austrittsleitung 11.

Ein Schaltmechanismus öffnet das zusätzliche Ventil 4, falls die Temperatur an einem Fühler ;/ im in F i g. 2 linken Kollektor I höher als die Temperatur an einem Fühler b im Wochenspeicher 3 ist. Gleichzeitig kann auch die Pumpe 4.1 angesteuert und eingeschaltet werden.

Sinngemäß wird, wenn die Temperatur am Fühler :i geringer als am Fühler i> ist. das Ventil 4 geschlossen und die Pumpe 4.1 abgeschaltet. Die Wirkungsweise bleibt ansonsten gleich wie bei der Anlage nach dem Selbstumlauf-Prinzip(F ig. I).

Selbstverständlich kann die Pumpe 43 auch durch einen Zeitschalter oder mittels eines piezoelektrischen Elementes durch das Tageslicht gesteuert werden.

Bei längeren Schönwetterperioden kommt es vor. daß beide Speicher vom Vortag her noch die Endtemperatur von 70" C aufweisen. Das Ventil 42 ist folglich geöffnet. Wäre aber die Temperatur am Kollcktoraustritt beim Fühler n tiefer als beim Wärmetauscher 40. der z. B. in einem Schwimmbad eingebaut sein kann, so würde Warme aus diesem entzogen und den Kollektoren 1 zugeführt und abgestrahlt. Um dies zu verhindern, ist das zusätzliche Ventil 5 eingebaut, welches in Abhängigkeit von der Temperatur am Fühler a und des zusätzlichen Fühlers c gesteuert wird. Ist die Temperatur am Fühler a höher als am Fühler c. so öffnet sich das Ventil 5. Somit kann, falls das Brauchwasser im Wochenspeicher 3 bereits auf 70 C erwärmt ist, das Wärmeträgermedium auch noch unter dieser Gr ett/mm per.... ur genutzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anlage zur Warmwasseraufbereitung mit Ausnutzung der Sonnenenergie mittels Sonnenkollektoren und Wärmetauschern, bei der das Wärmeträgermedium in einem geschlossenen Kreislauf umwälzt und zwei Wärmetauscher hintereinander in dem geschlossenen Kreislauf angeordnet sind, wobei der erstere durch eine Umgehungsleitung überbrückbar ist und der Flüssigkeitsstrom durch ein temperaturgesteuertes Ventil entweder durch den ersten Wärmetauscher oder die Umgehungsleitung steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ausbildung der Anlage zur Warmwasseraufbereitung von Brauchwasser für Haushalte der erste Wärmetauscher als Tagesspeicher (2) mit einem Volumeninhalt von etwa einem mittleren Tagesbedarf ausgebildet ist, an dem der Auslauf für das Brauchwasser ansetzt, daß beide Warmwasserspeicher (2, 3) auch brauchwasserseitig miteinander verbunden sind und daß die Temperaturmeßstelle für das temperaturgesteuerte Ventil (15) in der Umgehungsleitung (17) im Kollektor-Kreislauf liegt, und daß der zweite Wärmetauscher als Wochenspeicher (3) mit einem Volumeninhalt von einem Mehrfachen des Volumens des Tagesspeichers (2) ausgebildet ist, an dem der Einlauf für das Brauchwasser ansetzt und daß bei einer Temperatur des Wärmeträgermediums in der Umgehungsleitung (17) von ca. 50°C und darüber das in einer Leitung (14) zum Tagesspeicher (2) befindliche Ventil (15) geöffnet a>t, während bei einer Temperatur des Mediums von ca. 50°C und Jarunter das Ventil (15) geschlossen ist.

2. Anlage nach Anspruch 1, -iadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung der Sonnen-Kollektoren (1) unterhalb des Austritts des Wärmeträgermediums aus den Warmwasserspeichern (2, 3) das Wärmeträgermedium im Selbstumlauf zirkuliert.

3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (43) im geschlossenen Kreislauf des Wärmeträgermediums angeordnet ist.

4. Anlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Wärmetauscher (40) im Bypass zwischen den Austritts- (11) und Eintrittsleitungen (19) der Sonnenkollektoren (1) in Serie mit einem temperaturgesteuerten Ventil (42) geschaltet ist.

5. Anlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungsleitung (17).gegenüberden Leitungen (11, 14,14', 18, 19) im Wärmeträgerniedium-Kreislauf einen verminderten Querschnitt aufweist.

6. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Austrittsleitung (U) ein zusätzliches, temperaturgesteuertes Ventil (4) angeordnet ist, das bei einer höheren Temperatur des Wärmeträgermediums in den Sonnenkollektoren (1) als im Wochenspeicher (3) öffnet und bei einer niedrigeren Temperatur des Wärmeträgermediums in den Sönnenköllektoren (1) als im Woehenspeicher (3) schließt.