DE2711624A1

DE2711624A1 - Heizungsanlage mit einem sonnenkollektor

Info

Publication number: DE2711624A1
Application number: DE19772711624
Authority: DE
Inventors: Albin Dipl Phys Dr Kehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1977-03-17
Filing date: 1977-03-17
Publication date: 1978-09-21
Also published as: GB1576586A; FR2384217A1

Description

9.3.1977 Ki/Kö 271 1 62A

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO Stuttgart 1

Heizungsanlage mit einem Sonnenkollektor

Zusammenfassung

Es wird eine Heizungsanlage mit einem Sonnenkollektor vorgeschlagen, der seine Wärme über einen umlaufenden Wärmeträger an mindestens zwei Wärmeverbraucher mit unterschiedlich hohem Temperaturniveau abgibt. Die Wärmeverbraucher mit dem höheren Temperaturniveau können vorteilhaft die Heizkörper einer Warmwasser-Zentralheizungsanlage sein, während der Wärmeverbraucher mit dem niedrigeren Temperaturniveau der Verdampfer einer Wärmepumpe ist, deren Verflüssiger Wärme an das Umlaufwasser im Heizungsnetz abgibt. Bei der erfindungsgemäßen Heizungsanlage ist zusätzlich zum Kollektor ein nicht vom Wärmeträger im Kollektorkreis durchströmtes Kollektor-Leerlaufelement in mindestens annähernd gleicher Ausrichtung wie der Kollektor vorgesehen. Die in diesem Leerlaufelement sich einstellende Temperatur, welche der Leerlauftemperatur des Kollektors entspricht, beeinflußt über einen Meßwertgeber eine Steuereinrichtung, welche eine Wärmeabgabe des Kollektors an den' Wärmeverbraucher mit dem niedrigeren Temperaturniveau verhindert bzw. unterdrückt und dem Kollektor die Direktbeheizung des Wärmeverbrauchers mit dem höheren Temperaturniveau ermöglicht, wenn bei dessen Wärmebedarf die Kollektor-Leerlauftemperatur das höhere Temperaturniveau um einen vorgegebenen Wert überschreitet.

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Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Heizungsanlage nach der Gattung des Hauptanspruchs. Bei Solarheizungen ist es bekannt, mit einfachen Temperaturdifferenzreglern die Umwälzpumpe im Kollektorkreislauf auszuschalten, wenn die Kollektor-Auslauftemperatur unter die Temperatur eines Speichers für die vom Kollektor aufgefangene Solarenergie sinkt. Ferner ist bereits eine Heizungsanlage vorgeschlagen worden (DT-OS 2 619 7M), bei welcher der Kollektor mit dem Verdampfer einer ein Heizungsnetz speisenden Wärmepumpe oder bei genügender Aufladung direkt mit dem Heizungsnetz verbindbar ist. Wenn bei dieser Anlage die einfallende Sonnenenergie zu gering ist, um im direkten Heizbetrieb des Kollektors den Wärmebedarf zu decken, so muß die Wärmepumpe heizen, wobei der Kollektor gleichzeitig auf ein relativ niedriges Temperaturniveau abgekühlt wird. Wird die eingestrahlte Solarleistung nach einiger Zeit größer, so wirkt sich das auf die Kollektor-Auslauftemperatur nur geringfügig aus. Trotzdem könnte jetzt die Wärmeleistung des Kollektors für eine Direktheizung ausreichen. Das Kriterium für diese Betriebsart, nämlich daß die Kollektor-Auslauftemperatur größer als die Heizungsrücklauftemperatur ist, ist jedoch infolge des vorausgegangenen Wärmepumpenbetriebes nicht erfüllt, so daß eine entsprechende Regelung nicht reagieren kann.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß ein wesentlich größerer Teil der vom Kollektor insgesamt gelieferten Wärmemenge bei einem höheren Temperaturniveau abgegeben werden kann. Bei Verwendung des Kollektors in einer Heizungsanlage mit Wärmepumpe bedeutet das, daß der Kollektor

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öfter im kostengünstigeren Direktbetrieb arbeitet, bei dem nur Strom für die Umwälzpumpe im Kollektorkreislauf, nicht aber für das Antriebsaggregat der Wärmepumpe verbraucht wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptpatent angegebenen Heizungsanlage möglich. Besonders vorteilhaft ist, wenn die Steuereinrichtung den Durchfluß des Wärmeträgers durch den Kollektor vorübergehend stoppt, wenn die Kollektor-Leerlauftemperatur die Temperatur des Wärmeverbrauchers mit dem höheren Temperaturniveau überschreitet. Während der vorübergehenden Stillstandszeit erhält der Kollektor die Gelegenheit, sich ohne Abgabe von Heizwärme selbst auf die erforderliche Temperatur aufzuheizen, bis das Kriterium erfüllt ist, daß die Kollektor-Auslauftemperatur größer ist als die Temperatur des Wärmeverbrauchers mit dem höheren Temperaturniveau.

In manchen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn die Steuereinrichtung bei vorrangigem Wärmebedarf des Wärmeverbrauchers mit dem höheren Temperatiyniveau diesen zunächst mit einer Zusatzheizung verbindet und gleichzeitig den Wärmeverbraucher mit dem niedrigeren Temperaturniveau bei intensiver Sonneneinstrahlung vom Kollektor trennt. Bei Heizungsanlagen, welche den normalerweise auftretenden Wärmebedarf in sehr kurzer Zeit befriedigen, kann es aber auch sinnvoll sein, ohne Zwischenschaltung einer Kollektor-Leerlaufphase unmittelbar auf den Direktheizbetrieb des Kollektors umzuschalten. Dadurch Kann verhindert werden, daß während der Kollektor-Aufheizphase eine andere, teurere Wärmequelle hoher Leistung (Wärmepumpe oder Zusatzheizung) bereits einen großen Teil des Wärmebedarfs gedeckt hat, ehe der Kollektor einsatzfähig ist. Wird unter diesen Voraussetzungen auf die Kollektor-Aufheizphase verzichtet und sofort auf Direktheizbetrieb umgeschaltet, so wirkt der Kollektor zunächst als Wärmeverbraucher, der jedoch nach kurzer Premdaufheizung schnell wieder Nutzwärme zu liefern vermag.

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R. 3f : A

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Figur 1 ein Schema der Heizungsanlage und Figur 2 ein Flußdiagramm des Reglers der Anlage nach Figur 1.

Beschreibung der Erfindung

Die Heizungsanlage hat ein geschlossenes Heizungsnetz 10, in welchem Wasser als Wärmeträger umläuft, dem ein Frostschutzmittel zugesetzt ist. Im Heizungsnetz 10 sind parallel zueinander ein Sonnenkollektor 12, der Verdampfer 13 und der Kondensator 14 einer Wärmepumpe 16, Raumheizkörper 18 angeordnet. Der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 16 führt zwischen dem Kondensator I¹I und dem Verdampfer 13 über ein Expansionsventil 21 und zwischen dem Verdampfer 13 und dem Kondensator Hl über den Kompressor 22 der Wärmepumpe. Der Verdampfer 13 ist über ein 3-Wege-Ventil 2¹I und der Kondensator Hl über ein 3-Wege-Ventil 25 an den Vorlaufstrang 26 des Heizungsnetzes 10 angeschlossen. Zwischen Kollektor 12 und Ventil 24 ist eine Pumpe 28 und zwischen Ventil 25 und Heizkörper 18 eine Pumpe 29 und eine Zusatzheizung 30 in den Vorlaufstrang 26 eingeschaltet.

Zusätzlich zum Kollektor 12 und annähernd gleich zu diesem ausgerichtet ist ein Kollektor-Leerlaufelement 32, das nicht an das Heizungsnetz 10 angeschlossen ist. In diesem Leerlaufelement 32 stellt sich eine sogenannte Leerlauftemperatur T_x, ein, die ein Maß für die Intensität der Sonneneinstrahlung ist. Diese Temperatur T^ stellt sich auch im Kollektor 12 ein, wenn der Durchfluß des Wärmeübertragungsmitteis durch den Kollektor 12 gestoppt und aus dem Kollektor keine Wärme abgeführt wird, d.h. wenn der Kollektor im Leerlauf betrieben wird. Die Kollektor-Leerlauftemperatur T_VT wird von einem Wärmefühler 3¹I er-

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faßt; die Temperatur T„_A an der Absorberfläche des Kollektors 12 im Bereich seines Auslaufs, die bei dessen Wärmeabgabe niedriger als die Leerlauf temperatur T,,,· ist, wird von einem Wärmefühler 35 gemessen. Beide Wärmefühler 34 und 35, ein Fühler 36 der Rücklauftemperatur T_UD und ein Fühler 37 der Vor-

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lauftemperatur T^y geben ihre Meßwerte einem Regler 38 ein, welcher einen Wärmebedarf des Verbrauchers z.B. durch Vergleich der Heizungsvorlauftemperatur T^ mit einer außentemperaturabhängigen Solltemperatur ermittelt. Der Sollwert von T„y ist durch einen Witterungsfühler 39 abhängig von der Außentemperatur T. geführt.

Der Regler 38 steuert die Wärmeabgabe an das Heizungsnetz 10 nach Maßgabe der Sollwertabweichung der Vorlauf temperatur T^. Zu diesem Zweck ist der Regler mit nicht dargestellten Stellgliedern zur Betätigung des Kompressors 22 der Wärmepumpe l6, der Ventile 24 und 25, der Pumpen 28 und 29 und der Zusatzheizung 30 versehen. Der Regler hat ferner ein Rechenwerk, welches den wirtschaftlichsten Einsatz des Sonnenkollektors 12, der Wärmepumpe l6 und der Zusatzheizung 30 ermittelt. In Figur 2 ist die Funktion des Reglers anhand eines Abfrage- und Entscheidungsflußdiagrammes dargestellt. Der Regler wird von einem Impulsgeber 42 angesteuert, dessen Impulsfrequenz auf die thermische Trägheit der Heizunganlage abgestimmt ist. Die Impulse gehen zunächst an einen Vergleicher 43, der feststellt, ob die Vorlauftemperatur T,™ unter dem Sollwert liegt oder nicht. Bei positiver Beantwortung dieser Abfrage geht der Impuls weiter zur Station 44, in der festgestellt wird, ob die Kollektor-Aus lauf temperatur T^ um einen bestimmten Schwellwert A 1 über der Heizungsrücklauftemperatur T,™ liegt. Wenn auch das zutrifft, ergeht der Stellbefehl Zl, welcher den Kollektor 12 direkt mit den Heizkörpern l8 verbindet, mindestens eine der Pumpen 28 und 29 einschaltet und die Wärmepumpe l6 außer Betrieb hält bzw. setzt. Wenn die Abfrage in Station 44 negativ ausfällt, geht der Impuls erfindungsgemäß an Station 45, welche prüft, ob die Sonnenein-

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strahlung so intensiv ist, daß sie den Kollektor 12 in die Lage versetzen kann, das Umlaufwasser im Netz 10 ohne Zwischenschaltung der Wärmepumpe direkt zu beheizen. Diese Prüfung wird anhand eines Vergleichs der Kollektor-Leerlauftemperatur Τβτ mit der Heizungsrücklauftemperatur T^ vorgenommen. Wenn T^ um einen vorgegebenen Schwellwert Δ 2, beispielsweise um 2OK, höher als T^ ist, wird Stellbefehl Z2 ausgelöst, der die Pumpen 28 und 29 eine zeitlang stillsetzt und erst danach die Ventile und Pumpen wie Stellbefehl Zl schaltet, so daß der Kollektor 12 seine Wärme direkt an das Heizungsnetz 10 abgeben kann. Wenn bei zu geringer Sonneneinstrahlung Station 45 negativ entscheidet, ergeht Stellbefehl Z3, der den Kollektor 12 über das Ventil 2k auf den Verdampfer 13 der Wärmepumpe 16 schaltet, diese in Betrieb setzt und über das Ventil 25 den Kondensator 1*1 der Wärmepumpe mit den Heizkörpern 18 verbindet. Bei erhöhtem Wärmebedarf schaltet der Regler 38 die Zusatzheizung 30 ein. Die hierfür notwendigen Abfrage- und Schaltmittel des Reglers sind in Figur 2 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Liegt bei fehlendem Wärmebedarf eine negative Entscheidung in Station Ί3 vor, so löst der Impuls den Stellbefehl Zk aus, nach welchem die Heizung ausgeschaltet ist und der Kollektor 12 sich im Leerlauf selbst auflädt.

Der Kollektor hat eine nur geringe Wärmekapazität, damit der Aufheizprozeß des Kollektors nicht zu lange dauert. Wie eingangs schon erwähnt, kann es in manchen Fällen zweckmäßig sein, den Kollektor sofort auf Direktbetrieb umzuschalten, sobald die Sonneneinstrahlung dies zuläßt. In diesem Fall wirkt der Kollektor zwar zunächst als Wärmeverbraucher, der jedoch nach kurzer Fremdheizung schnell wieder Nutzwärme zu liefern vermag. Auf diese Weise wird verhindert, daß andere, teurere Wärmequellen überhaupt ins Spiel kommen.

Eine Umschaltung von Wärmepumpenheizung auf Direktheizung mit dem Kollektor kann unter Umständen nur dann sinnvoll sein, wenn gewährleistet ist, daß der Kollektor eine bestimm-

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te minimale Heizleistung im Direktbetrieb abgeben kann. Im anderen Fall könnte die Temperatur im Heizkreis abfallen, so daß die Zusatzheizung eingeschaltet werden müßte. Die Heizleistung, die der Kollektor in das Heizungsnetz abgeben kann, ist schon vor der tatsächlichen Umschaltung auf Direktheizbetrieb näherungsweise bestimmbar. Hierzu muß die Temperaturdifferenz Tjr, - T„_R bestimmt werden. Dann gilt in guter Näherung für die Nutzleistung des Kollektors:

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wobei P die Kollektorfläche und k die effektive Kollektorverlustzahl ist.

Die vom Kollektor zu erwartende Heizleistung ist also proportional zur Temperaturdifferenz zwischen Leerlauftemperatur und Entnahmetemperatur. Beide Temperaturen lassen sich messen, Soll auf Direktheizbetrieb mit dem Kollektor erst dann umgeschaltet werden, wenn eine bestimmte minimale Kollektorheizleistung Qmin erwartet werden kann, so ergibt sich als Kriterium zum Einleitung dieser Umschaltung:

ij* - rp **■**»- ητη-i ^ t nee

KL ^THR S/ ψψ j pe

Erst wenn diese Bedingung erfüllt ist, ist es sinnvoll, die Umwälzpumpe 28 im Kollektorkreis abzuschalten, damit sich der Kollektor im Leerlauf aufheizt, um dann später das Kriterium Tg. größer als T^ zu erreichen, worauf dann endgültig auf Direktheizbetrieb mit dem Kollektor umgeschaltet wird.

Die Erfindung ist nicht auf die Kombination von Kollektor, Wärmepumpe und Heizkreis beschränkt, sondern gilt allgemein für solche Systeme, in denen der Kollektor seine Wärme wahl-

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weise an mindestens zwei Verbraucher abgeben kann, welche den Kollektor auf unterschiedliche Temperaturniveaus ziehen.

Weitere Beispiele sind:

Kollektor/Wärmespeicher/Heizkreis/Schwimmbecken

Kollektor/Wärmespeicher/Brauchwasser/Brauchwarmwasserspeicher/Schwimmbecken

Kollektor/Wärmepumpe/Brauchwarmwasserspeicher Kollektor/Absorberkühlaggregat/Brauchwarmwasserspeicher Kollektor/Absorberkühlaggregat/Wärmespeicher usw.

Die Erfindung macht den Anschluß mehrerer sich auf verschiedene Temperaturniveaus befindenden Wärmeverbraucher an den Kollektor möglich, ohne daß im Betrieb der Kollektor durch den Niedertemperaturverbraucher immer auf entsprechend tiefer Temperatur gehalten wird und damit kaum Gelegenheit erhält, seine Wärme auch bei höheren Temperaturen an den oder die Verbraucher höherer Temperatur abzugeben. Dadurch werden Heizkosten gespart.

Besonders vorteilhaft ist die Erfindung bei solchen Anlagen, bei denen der Niedertemperaturverbraucher ohne Schaden kurzzeitig unbeheizt bleiben kann, was z.B. bei Schwimmbecken wegen der großen Wärmekapazität der Fall ist, oder bei denen - wie beim Ausführungsbeispiel - der Niedertemperaturverbraucher bei Umschaltung des Kollektors auf Direktheizung überhaupt keinen Wärmebedarf mehr hat.

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Claims

4 · 9711624 9.3-1977 Ki/Kö * H ROBERT BOSCH GMBH5 7OOO Stuttgart 1 Ansprüche

1.JHeizungsanlage mit einem Sonnenkollektor, der seine Wärme über einen umlaufenden Wärmeträger an mindestens zwei Wärmeverbraucher mit unterschiedlich hohem Temperaturniveau abgibt, ferner mit einer Einrichtung zur Deckung des die jeweilige Kollektorleistung übersteigenden Wärmebedarfs und mit Mitteln, welche die Wärmeabgabe des Kollektors bei bestimmten Temperaturverhältnissen zwischen Kollektor und Wärmeverbrauch beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Kollektor (12) ein nicht vom Wärmeträger durchströmtes Kollektor-Leerlaufelement (32) in mindestens annähernd gleicher Ausrichtung wie der Kollektor vorgesehen ist, dessen von der jeweiligen Belastung des Kollektors unabhängige Leerlauftemperatur (T„_T) eine Steuereinrichtung (38) beeinflußt, welche eine Wärmeabgabe des Kollektors an den Wärmeverbraucher (13) mit dem niedrigeren Temperaturniveau verhindert bzw. unterbricht und dem Kollektor die Direktheizung des Wärmeverbrauchers (l8) mit dem höheren Temperaturniveau ermöglicht, wenn bei dessen Wärmebedarf die Kollektor-Leerlauftemperatur (T_KL) das höhere Temperaturniveau um einen vorgegebenen Wert (Λ 2) überschreitet.

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2. Heizungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (38) den Durchfluß des Wärmeträgers durch den Kollektor (12) vorübergehend stoppt, wenn die Kollektor-Leerlauftemperatur (T„_T) die Temperatur des

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Wärmeverbrauchers (l8) mit dem höheren Temperaturniveau überschreitet.

3. Heizungsanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (38) den Durchfluß des Wärmeträgers durch den Kollektor (12) so lange stoppt, d.h. den Kollektor so lange in den Leerlauf schaltet, bis die bei Direktbeheizung des Wärmeverbrauchers (l8) mit dem höheren Temperaturniveau zu erwartende Temperatur (T„.) des Wärmeträgers am Ausgang des Kollektors (12) das höhere Temperaturniveau um einen bestimmten Wert überschreitet.

¹I. Heizungsanlage nach enem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverbraucher (I3) mit dem niedrigeren Temperaturniveau der Verdampfer einer Wärmepumpe (l6) ist, deren Verflüssiger (1*0 Wärme an den Wärmeverbraucher (18) mit dem höheren Temperaturniveau abgibt.

5. Heizungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeverbraucher (l8) mit dem höheren Temperaturniveau die Heizkörper einer Warmwasser-Zentralheizungsanlage sind.

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6. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anlagen mit einer leistungsstarken Zusatzheizung (30) die Steuereinrichtung (38) den Kollektor (12)sofort mit dem Wärmeverbraucher (l8) mit dem höheren Temperaturniveau verknüpft, wenn die Kollektor-Leerlauftemperatur (TgT) das höhere Temperaturniveau um den vorgegebenen Wert ( Λ 2) überschreitet.

7. Heizungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeverbraucher mit dem niedrigeren Temperaturniveau ein Wasserbecken ist, während die Wärmeverbraucher mit dem höheren Temperaturniveau die Heizkörper einer Raumheizung bzw. eines Brauchwasserbereiters sind.

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