DE2914570A1

DE2914570A1 - Verfahren und vorrichtung zur warmwasserbereitung mit solarenergie

Info

Publication number: DE2914570A1
Application number: DE19792914570
Authority: DE
Inventors: Bernard Oquidam
Original assignee: Pechiney Ugine Kuhlmann SA
Current assignee: Pechiney Ugine Kuhlmann SA
Priority date: 1978-04-11
Filing date: 1979-04-10
Publication date: 1979-10-18
Also published as: IT1112220B; US4309982A; ES479489A1; GR69245B; DE7910516U1; FR2432688B1; PT69462A; FR2432688A1; IT7921711A0

Description

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PECHINEY UGINE KUHIWANN Paris, Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Warmwasserberextung mit Solarenergie

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Warmwasserbereitung mit Solarenergie.

Es sind bereits zahlreiche Verfahren zur Erzeugung von Warmwasser mit Solarenergie bekannt; hierzu gehört insbesondere das Verfahren der FR-Patentanmeldung 75 35749 (vgl. die DE-OS ). In dieser Druckschrift ist ein

Verfahren zur Warmwasserbereitung mit Speicherung beschrieben, bei dem zwei Speicherbehälter verwendet werden, von denen einer mit Solarenergie und der andere anderweitig beheizt wird. Die dabei eingesetzte Wärmeträgerflüssigkeit kann aus Wasser bestehen, das mit einem Glycol als Gefrier-

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Schutzmittel versetzt ist.

Ungünstigerweise besteht jedoch aufgrund der hygienischen und Sicherheitsvorschriften die Tendenz, die Verwendung der verschiedenen handelsüblichen Gefrierschutzmittel wie etwa Glycole aufgrund des Risikos des Eintritts derartiger Produkte in das Sanitär- bzw. Brauchwasser beim Leckwerden des Wärmeaustauschers zu unterbinden.

Auch bei der alternativen Verwendung wasserfreier Wärmeträgermedien wie etwa Terphenylen treten gleichartige Probleme beim Leckwerden und Vermischen derartiger Produkte mit dem Sanitär- oder Brauchwasser auf. Hinzu kommt, daß derartige Fluids gegenüber Wasser erheblich ungünstigere Wärmeübertragungseigenschaften sowie höhere Viskosität aufweisen. Aus technischen Gründen ist es trotz getroffener Vorsichtsmaßnahmen unmöglich, die Dichtheit eines Wärmeaustauschersystems über eine Betriebsdauer von zehn Jahren oder mehr unter allen Umständen zu garantieren. Die als Ausweg mögliche Verwendung doppelwandiger Rohre für den Wärmeaustauscher mit einem Zwischenmantel aus reinem Wasser stellt daneben eine nur schwierig realisierbare, kostspielige Lösung dar.

Aus diesen Gründen wurde nach einer Möglichkeit gesucht, in derartigen Solaranlagen auch in Gebieten, in denen die Kollektortemperatur zu verschiedenen Zeiten des Jahres, z. B. während der Nacht, auf unter 0 ⁰C absinken kann, reines Wasser als Kreislaufflüssigkeit verwenden zu können.

Um hierzu normales Wasser einsetzen zu können, war es erforderlich, eine technische Lösung für eine vollständige

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Automatisierung der Entleerung und Wiederauffüllung des Kollektorkreises zu finden, die jedesmal dann erfolgen, wenn die Kollektortemperatur unter O ⁰C abfällt bzw. nach einer mehr oder weniger langen Zeit wieder über diese Temperatur ansteigt.

Zur Lösung dieses Problems wird gemäß einem Aspekt der Erfindung zur Entleerung und anschließenden Wiederauffüllung der Kollektoren eine äußere Fluidquelle unter Druck herangezogen, die dauernd zur Verfügung steht. In der Praxis besteht diese äußere Quelle für unter Druck stehendes Fluid zumeist aus dem Wassernetz, aus dem bereits der Solarboiler mit Kaltwasser versorgt wird.

In bestimmten Fällen können indessen auch andere Fluids wie beispielsweise Druckluft verwendet werden, wenn bereits eine Anlage zur Verfügung steht, mit der die Verfügbarkeit dieses Fluids zu jedem Zeitpunkt mit ausreichendem und relativ gleichbleibendem Druck gewährleistet ist. Diese äußere Fluidquelle erlaubt es erfindungsgemäß, das Kreislaufwasser des Kollektorkreislaufs unter Druck zu setzen. Die Druckübertragung zwischen dem äußeren Fluid und dem Kollektorkreis erfolgt zumeist indirekt über ein bewegliches übertragungsmittel, das das Eindringen des äußeren Fluids in den Kollektor verhindert. Das bewegliche Übertragungsmittel besteht zumeist aus einer deformierbaren oder beweglichen Wand oder einem nicht mit dem Wasser des Kollektorkreises und auch nicht mit dem äußeren Fluid mischbaren Fluid. Erfindungsgemäß kann ferner als bewegliches übertragungsmittel ein drittes Fluid wie beispielsweise Luft verwendet werden, das einerseits vom Wasser des Kollektorkreises und andererseits vom äußeren Fluid durch eine deformierbare oder bewegliche Wand getrennt ist.

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Über eine Temperaturmeßeinrichtung, die auf dem Kollektor oder an einer Stelle mit vergleichbaren thermischen Verhältnissen vorgesehen ist, und eine Steuereinrichtung wird automatisch, wenn die KoIlektortemperatur in die Nähe von O ⁰C absinkt, ein automatisches Ventil betätigt, durch das das im Kollektor enthaltene Wasser zumeist in einen Vorratsbehälter hinein entleert wird. Wenn die Verbindung mit dem äußeren Fluid zur Druckaufgabe noch nicht unterbrochen ist, erfolgt diese Unterbrechung gleichzeitig durch das gleiche oder ein zweites Ventil.

Wenn die Kollektortemperatur wieder auf über O ⁰C ansteigt, wird über die Temperaturmeß- und Steuereinrichtung ein Schließen der Kollektor-Entleerungseinrichtung und ein Wiederöffnen der Verbindung zum äußeren, zur Druckaufgabe dienenden Fluid bewirkt. Auf diese Weise wird eine Wiederfüllung der Kollektoren gewährleistet, wobei zumeist das gleiche, vorher aus ihnen abgelassene Wasser verwendet wird, das aufgrund des vom äußeren Fluid ausgeübten Drucks aus dem Speicherbehälter wieder in die Kollektoren eingespeist wird.

Wenn eine direkte Druckaufgabe bevorzugt wird, erfolgt die Wiederfüllung mit Wasser aus der äußeren Quelle. In Fällen, in denen der Druck des äußeren Fluids den gewünschten Druck im Kollektorkreis zu weit übersteigt, kann im Kollektorkreis ein Druckfühler vorgesehen werden, über den das Schließen der Verbindung zur äußeren Fluidquelle gesteuert wird, wenn der Druck einen bestimmten Sollwert erreicht.

Wenn der Kollektorkreis eine Umwälzpumpe aufweist, wird diese vorzugsweise über die Temperaturmeß- und Steuereinrichtung beim Entleeren abgeschaltet und beim Wiederauffüllen oder

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bevorzugt nach vollendetem Wiederauffüllen wieder eingeschaltet. Das Abschalten und Wiedereinschalten der Umwälzpumpe kann gegebenenfalls auch über einen am Kollektorkreis vorgesehenen Druckfühler erfolgen.

Darüber hinaus wurde erfindungsgemäß versucht, die Eigenschaften und Funktionsweise entsprechender Solaranlagen zu verbessern. Nach der FR-Patentanmeldung 75 35749 (vgl. die DE-OS ) wird, wie oben angegeben, eine

Vorrichtung verwendet, die zwei beheizbare Speicherbehälter aufweist, von denen der eine solarbeheizt ist und der andere anderweitig beheizt werden kann. Trotz sorgfältiger Wärmedämmung dieser Speicherbehälter sind die auftretenden thermischen sowie durch die Verbindungsleitungen bedingten Verluste aufgrund der großen Austauschflächen gegenüber der Außenluft keineswegs vernachlässigbar, da bei dieser Anordnung zugleich Wärmeverluste und eine beträchtliche Verringerung der gespeicherten Energie eintreten. Diese Verluste beruhen wesentlich auf dem erforderlichen Mehrverbrauch an zusätzlicher, nichtsolarer Energie, die oft aufgrund der Notwendigkeit des Bezugs zum vollen Tarif sehr teuer ist.

Der Erfindung liegt diesbezüglich das Konzept zugrunde, daß die thermischen Verluste dadurch beträchtlich verringert werden können, daß der nichtsolar beheizte Behälter zumindest teilweise im Inneren des solarbeheizten Behälters angeordnet wird. Auf diese Weise sind die thermischen Verluste des nichtsolar beheizten Behälters durch den Temperaturgradienten zwischen beiden Behältern begrenzt und kommen in hohem Maße dem Energieinhalt des Solarboilers zugute.

Hinzu kommt, daß, wie aus den Beispielen im einzelnen hervorgeht, die Länge der Verbindungsleitungen zwischen den

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beiden Behältern durch dieses Konzept erheblich verkürzt wird und die Verbindungsleitungen größtenteils im Inneren dieser Behälter vorgesehen werden können.

Nach einer erfindungsgemäß besonders vorteilhaften Weiterbildung kann das bewegliche übertragungsmittel zur Übertragung des Drucks des äußeren Fluids auf den Kollektorkreis in unmittelbarer Nachbarschaft des dichten Behältermantels und innerhalb seiner wärmedämmenden Umhüllung vorgesehen werden. Die Wandung, die die Behälter voneinander trennt, wird ferner zumeist eine wärmedämmende Schicht aufweisen. Auf diese Weise wird der Verlust an gespeicherter Energie beträchtlich verringert, wodurch wiederum die Zufuhr an zusätzlicher Energie auf ein notwendiges Minimum beschränkt werden kann.

Der Raumbedarf einer derartigen, extrem kompakten Anordnung ist ferner gegenüber getrennten Speicherbehältern geringer, wobei der zur Aufstellung erforderliche Raum damit letzten Endes deutlich verringert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1: ein Schema eines erfindungsgemäßen

Systems zur automatischen Entleerung und Wiederauffüllung eines Kollektorkreises, bei dem die Druckaufgabe indirekt über das Leitungswasser erfolgt;

Fig. 2: ein Schema eines analogen Systems, bei

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dem ein drittes Fluid als bewegliches Übertragungsmittel verwendet ist;

Fig. 3: ein Schema eines analogen Systems, bei dem die Druckaufgabe direkt mit Leitungswasser erfolgt;

Fig. 4: eine schematische Teilansicht einer Boileranlage mit zwei Behältern, bei der der nichtsolar beheizte Behälter im Inneren des solarbeheizten Behälters vorgesehen ist;

Fig. 5: eine Detailansicht zu Fig. 3, aus der der Aufbau der Wandung zwischen den beiden Behältern hervorgeht,

und

Fig. 6: ■ eine Vorrichtung zur automatischen Entleerung, die am unteren Teil eines Solarboilers angebaut ist.

Beispiel 1

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur automatischen Entleerung von Solarkollektoren zur Verhinderung des Einfrierens dargestellt.

Der Kollektor 1 ist über Verbxndungsleitungen 2 und mit einem im Inneren eines Behälters 5 vorgesehenen Wärmeaustauscher 4 verbunden, wobei lediglich der untere Teil des

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Behälters 5 dargestellt ist. Eine Umwälzpumpe 6 wälzt das Wasser in diesem Kreis in Pfeilrichtung um und ermöglicht so den Wärmetransport.

Ferner ist ein Speicherbehälter 7 vorgesehen, der eine elastische Membran aufweist, durch die der Behälter in zwei Teilräume 9 und 10 aufgeteilt wird. Der Teilraum 9 ist über ein Dreiwegeventil 12 mit der zur Versorgung dienenden Wasserleitung 11 verbunden. Das Dreiwegeventil 12 ist ferner mit einer Ablaßleitung 13 verbunden. Der Teilraum 10 des Speicherbehälters 7 steht mit der Leitung 3 in Verbindung. Im oberen Bereich des Kollektorkreises ist ein Ausdehnungsgefäß 14 vorgesehen, das ebenfalls mit einer elastischen Membran 15 in zwei Teilräume 16 und 17. unterteilt ist. Der obere Teilraum 16 steht mit der Außenluft in Verbindung, während der untere Teilraum 17 an die Verbindungsleitung 2 angeschlossen ist und eine bestimmte Menge eines trockenen Gases wie Luft oder Stickstoff enthält. Das Volumen des Speicherbehälters 7 sowie die Eigenschaften der Membran 8 sind so, daß der Teilraum 10, wenn der Teilraum 9 über die Ablaßleitung 13 entleert wurde, das gesamte im Kollektorkreis befindliche Wasser oder mindestens die in den einfriergefährdeten Bereichen der Anlage vorliegende Wassermenge aufzunehmen vermag. Am Kollektor 1 ist schließlich ein Temperaturfühler 18 vorgesehen, der in an sich bekannter Weise ein Relais R ansteuert, wenn die Temperatur in die Nähe von 0 ⁰C absinkt. Das Relais R wirkt seinerseits auf das Dreiwegeventil 12 zur Unterbrechung der Wasserzufuhr über die Wasserleitung 11 sowie zur Verbindung des Teilraums 9 des Speicherbehälters 7 mit der Ablaßleitung 13. In diesem Zeitpunkt senkt sich die Membran ab, und der Teilraum 10 des Behälters nimmt das Wasser aus dem Kollektorkreis auf. Gleichzeitig wird die Umwälzpumpe 6 vom Relais R abgeschaltet.

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Wenn die Kollektortemperatur wieder auf über 0 C ansteigt, betätigt der Temperaturfühler 18 über das Relais R das Dreiwegeventil 12, das wieder in seine ursprüngliche Stellung zurückkehrt.

Durch das über die Wasserleitung 11 einfließende, eingespeiste Wasser wird die Wiederfüllung des unteren Teilraums 9 des Speicherbehälters 7 gewährleistet, wobei die Membran 8 nach oben gedrückt wird, die ihrerseits das im Teilraum 10 befindliche Wasser wieder in den Kollektorkreis hineindrückt, überschüssiges Wasser wird in Richtung auf das Ausdehnungsgefäß 14 gedrückt, bis der Druck des eingespeisten Wassers ausgeglichen ist.

Diese relativ einfache Vorrichtung hat den Vorteil, daß jedes Vermischen zwischen dem eingespeisten Wasser und dem Kreislaufwasser vermieden wird, wobei zugleich keine Gefahr einer Kesselsteinablagerung oder Korrosion des Kollektorkreises besteht. Der Speicherbehälter 7 muß dabei gegen Einfrieren isoliert sein.

Die Umwälzpumpe 6 wird in an sich bekannter Weise über ein nicht näher erläutertes Steuer- bzw. Regelsystem gesteuert, das die Pumpe nur dann einschaltet, wenn die auf den Kollektor eingestrahlte Solarenergie zu einer Aufheizung des Solarboilers ausreicht.

Zur Vereinfachung kann die Membran 15 des Ausdehnungsgefäßes 14 auch weggelassen werden, wobei dann der Kollektorkreis im oberen Teil unmittelbar mit der Außenluft in Verbindung steht.

Aus der obigen Erläuterung geht hervor, daß eine der-

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artige Vorrichtung zur Verhinderung des Einfrierens nicht nur auf ein Heizsystem für Heißwasserboiler, sondern darüber hinaus auf sämtliche direkt oder indirekt arbeitenden solaren Heizsysteme mit Wasser anwendbar ist.

Das erfindungsgemäße Konzept läßt sich ferner auch auf Anlagen zur Heizung von Wohngebäuden, Schwimmbädern u. dgl. anwenden.

Beispiel 2

In Fig. 2 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur automatischen Entleerung dargestellt, bei der zugleich Undichtigkeiten festgestellt werden können, die an der deformierbaren oder beweglichen Wand, die die Druckübertragung zwischen dem äußeren Fluid und dem Wasser des Kollektorkreises gewährleistet, zufällig auftreten können.

Bei dieser Ausführungsform ist der Kollektor 1 in gleicher Weise wie in Fig. 1 über Verbindüngsleitungen 2 und 3 mit einem Wärmeaustauscher 4 verbunden, der sich im Inneren eines Behälters 5 befindet. Eine Umwälzpumpe 6 fördert das im Kollektorkreis enthaltene Wasser in Pfeilrichtung.

Ein unterhalb des tiefsten Punkts des Kollektorkreises angeordneter Speicherbehälter 19 weist eine elastische Membran 20 auf, die ihn in zwei Teilräume 21 und 22 aufteilt. Der Teilraum 21 steht über eine Leitung 23 mit der Leitung 3 in Verbindung.

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Eine Leitung 24 mit einem Ventil 25 erlaubt erforderlichenfalls die Entleerung des Kollektorkreises. Ferner ist ein Speicherbehälter 31 vorgesehen, der ebenfalls mit einer elastischen Membran 32 in zwei Teilräume 33 und 34 aufgeteilt ist.

Der Teilraum 33 ist mit der Leitung 30 verbunden, während der Teilraum 34 über eine Leitung 35 mit einem automatischen Dreiwegeventil 36 in Verbindung steht, das ebenfalls mit der zur Versorgung dienenden Wasserleitung 3 7 und der Ablaßleitung 38 verbunden ist. Die Teilräume 22 und 33 der Speicherbehälter 19 und 31 sind mit Luft gefüllt und stehen miteinander über eine Leitung 26, 28, 30 in Verbindung, in der zwei Schwimmer-Sperrventile 27 und 29 eingebaut sind.

Die Luft übernimmt in diesem Fall die Rolle eines dritten Fluids, das über die Membranen 20 und 32 als bewegliches Mittel zur übertragung des Drucks der zur Versorgung dienenden Wasserleitung auf das Wasser des Kollektorkreises wirkt. Das Volumen des Speicherbehälters 19, die Eigenschaften der Membran 20 sowie das Volumen des Speicherbehälters 31 und die Eigenschaften der Membran 32 sind derart festgelegt, daß der Teilraum 21 des Speicherbehälters 19, wenn der Teilraum 34 des Speicherbehälters 31 über die Leitung 35 des Dreiwegeventils 36 und die Ablaßleitung 38 vom darin enthaltenen Wasser entleert sind, aufgrund des Abfalls des Luftdrucks im Teilraum 22 deö gleichen Speicherbehälters das gesamte im Kollektorkreis enthaltene Wasser aufnimmt.

Wenn im Gegensatz dazu der Teilraum 34 des Speicherbehälters 31 über das Dreiwegeventil 36 mit der zur Versorgung dienenden Wasserleitung 37 verbunden ist, drückt der entsprechende Wasserdruck die Luft des Teilraums 33 des Speicherbe-

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hälters 31 in den Teilraum 22 des Speicherbehälters 19 und bewirkt so eine Verdrängung des im Teilraum 21 des Speicherbehälters 19 enthaltenen Wassers in Richtung auf den Kollektorkreis, der sich dadurch wieder von neuem füllt.

Das System wird in gleicher Weise wie bei Fig. 1 betätigt. Auch in diesem Fall ist demgemäß ein Temperaturfühler 39 am Kollektor vorgesehen, über den die Entleerung des im Teilraum 34 des Speicherbehälters 31 enthaltenen Wassers über ein Relais R und das Dreiwegeventil 36 gesteuert wird, wenn die Temperatur in die Nähe von 0 ⁰C absinkt.

Durch die Entleerung gelangt, wie oben erläutert, das Wasser des Kollektorkreises in den Teilraum 21 des Speicherbehälters 19.

Wenn die Temperatur danach wieder auf über 0 ⁰C ansteigt, wird der Teilraum 34, gesteuert über den Temperaturfühler mit der Versorgungs-Wasserleitung 37 verbunden, wobei durch die Füllung des Teilraums 34 die Luft in den Teilraum 22 hineingedrückt und das im Teilraum 21 enthaltene Wasser wiederum in den Kollektorkreis gedrückt wird.

Im oberen Teil des Kollektorkreises ist ein Ausdehnungsgefäß 40 vorgesehen, das ebenfalls mit einer elastischen Membran 41 in zwei Teilräume 42 und 43 unterteilt ist, wobei der Teilraum 42 mit dem oberen Teil des Kollektorkreises über ein Schwimmerventil in Verbindung steht.

Der Teilraum 42 ist über die Leitung 45 mit der Außenluft verbunden.

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Die drei Schwimmer-Sperrventile 27, 29, 44 weisen Ventilglieder 46, 47, 48 auf, die leichter als Wasser sind und daher ohne Anwesenheit von Wasser im unteren Teil des senkrechten Rohrs verbleiben, in dem sie angeordnet sind. Das Spiel zwischen den Ventilgliedern und den Rohrwänden ist dabei ausreichend groß, um eine freie Luftzirkulation zu ermöglichen.

Wenn Wasser in den unteren Teil eines der beiden Ventile eindringt, wird das entsprechende Ventilglied angehoben und im zugehörigen Rohr nach oben bewegt, bis es an einem oben im Rohr vorgesehenen Ventilsitz anliegt und so die Ausgangsöffnung verschließt, deren Durchmesser kleiner als der Durchmesser des Ventilglieds ist. Wenn daher eine der beiden Membranen 20 oder 32 unvorhergesehenerweise undicht werden sollte, gelangt kein Wasser oberhalb des entsprechenden Schwimmer-Sperrventils 27 oder In gleicher Weise kann das Wasser, wenn die Auffüllung des Kollektorkreises beendet ist, nicht über das Schwimmer-Sperrventil 44 hinausfließen. Auf jedem Schwimmer-Sperrventil 27 und 29 kann ferner ein Niveaufühler für das Ventiglied des entsprechenden Ventils vorgesehen werden, der die Verschiebung des Ventilglieds nach oben aufnimmt und ein entsprechendes Signal abgibt. Daneben kann auch ein Niveaufühler auf dem Schwimmer-Sperrventil 44 vorgesehen sein, der eine Betätigung des Dreiwegeventils 36 und sein Schließen zur Unterbrechung des Füllvorgangs erlaubt. Durch diese Ausführungsform wird eine hohe Betriebssicherheit gewährleistet.

Anstelle von Luft können erfindungsgemäß als drittes Fluid auch andere Gase wie beispielsweise Stickstoff verwendet werden.

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Die Schwimmer-Sperrventile können schließlich auch durch andere, äquivalente Vorrichtungen ersetzt werden, die ein Durchströmen von Gasen erlauben, beim Durchtritt von Wasser jedoch absperren..

Beispiel 3

Die in den beiden obigen Beispielen beschriebenen Systeme können dadurch ganz erheblich vereinfacht werden, daß gegenüber dem Schema von Fig. 1 der Speicherbehälter 7 weggelassen und die Wasserleitung 11 über das Dreiwegeventil 12 mit der Verbindungsleitung 3 des Kollektors verbunden wird, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

In diesem Fall bleibt die Funktionsweise der Vorrichtung unverändert, jedoch ist der Wasserkreislauf des Kollektorkreises nicht mehr vom Versorgungskreislauf für Wasser getrennt. Wenn die Kollektortemperatur auf eine Temperatur in der Nähe von O ⁰C abfällt, sperrt das Dreiwegeventil 12 den Zufluß von Wasser aus der Wasserleitung 11 wie in Beispiel 1, verbindet jedoch den Kollektorkreis direkt mit der Ablaßleitung 13, wobei entsprechend das im Kreislauf enthaltene Wasser nicht zurückgewonnen wird.

Wenn die Kollektortemperatur wieder auf über O ⁰C ansteigt, gewährleistet die Rückkehr des Dreiwegeventils 12 in seine Ausgangsstellung die Wiederfüllung des Kollektorkreises mit einer neuen Menge an Speisewasser. Wenn dieses Speisewasser kalkhaltig ist und sich diese Operation häufig wiederholt, besteht das Risiko der Kesselsteinablagerung in den Verbindungsleitungen.

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Zur Vermeidung dieses Problems besteht die Möglichkeit, das Speisewasser zur Entfernung darin enthaltener störender Ionen in an sich bekannter Weise zu behandeln.

Beispiel 4

In Fig. 4 ist eine zusätzliche erfindungsgemäße Verbesserung dargestellt, die in vorteilhafter Weise auf Solaranlagen mit zwei Behältern angewandt werden kann.

Wie oben erläutert, besteht die Verbesserung darin, daß die beiden Behälter ineinander integriert sind und eine bestimmte gemeinsame Wandfläche besitzen.

Die Vorrichtung weist einen Innenbehälter 49 mit elektrischer Widerstandsheizung 50 auf, der vollständig von einem Außenbehälter 51 umgeben ist, der seinerseits über einen Wärmeaustauscher solarbeheizt ist, der aus einer Rohrschlange 52 besteht, durch die das Wasser zirkuliert. Die Rohrschlange ist durch Verbindungsleitungen 53 und 54 mit einem nicht dargestellten, üblichen Solarkollektor verbunden. Eine derartige Vorrichtung wird in bekannter Weise in Betrieb gesetzt; hierzu wird, wie in der FR-Patentanmeldung 75 35749 beschrieben ist, kaltes Speisewasser über die Leitung 55 am Boden des Behälters 51, eingeführt, in dem es durch den Solarwärmeaustauscher 52 vorerhitzt wird. Im oberen Teil des Behälters 51 wird Wasser über die Leitung 56 abgeführt und über die Verbindungsleitung 57 am Boden des Behälters 49 eingeleitet. Die Leitung 56 taucht mit praktisch ihrer gesamten Länge in den Behälter 51 ein, wodurch thermische Verluste verhindert werden.

Diese Anordnung der beiden beheizten Behälter führt zu

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einer erheblichen Verringerung der thermischen Verluste. So zeigt beispielsweise die Berechnung für zwei jeweils zylindrische Behälter gleichen Fassungsvermögens mit einem Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von 2, daß die Außenoberfläche im Fall der Vorrichtung der Fig. 3 lediglich das 1,5-fache der Oberfläche jedes Behälters im Fall zweier getrennter Behälter beträgt.

Die thermischen Verluste durch die Behälterwandungen werden in höherem Maße verringert, als dies aufgrund der Verringerung der Außenoberfläche zu erwarten war, da der mittlere Temperaturgradient durch die Wandungen des Behälters 51 relativ klein ist. Die Wand des Behälters 49, die mit dem Behälter 51 gemeinsam ist, besitzt eine Wärmeisolierung, wie aus Fig. 4 im einzelnen ersichtlich wird.

Die Wand besitzt Sandwich-Struktur und besteht aus einer wärmedämmenden Schicht 65 aus Kunststoffschaum, die sich zwischen zwei Mänteln 64 und 66 aus Stahlblech befindet. Die Dicke der verschiedenen Bestandteile der Sandwich-Struktur wird in bekannter Weise in Abhängigkeit von der Belastung und der erwünschten Wärmeübergangszahl berechnet.

Eine Leitung 58 verbindet den oberen Teil des Behälters 49 mit der Umwälzpumpe 62 sowie über die Verbindungslextung 63 mit dem Unterteil des Behälters 51, um so bestimmte Betriebsweisen einer Vorrichtung mit zwei Behältern realisieren zu können, wie sie in der FR-Patentanmeldung 75 35749 (vgl. die DE-OS ) beschrieben sind. Aus Fig. 4

geht hervor, daß die Umwälzpumpe 62 durch die Wärmedämmung des Behälters isoliert ist, während sich der Hauptteil der Leitung 58 im Inneren des Behälters 49 befindet.

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Die Entnahme des zB für Brauchwasserzwecke bestimmten Warmwassers erfolgt im oberen Bereich des Behälters 49 ebenfalls über die Leitung 58. Nach einer bereits in der obigen FR-Patentanmeldung 75 35749 beschriebenen Betriebsweise erlaubt ein Thermostat-Mischventil 59, dem vom Behälter 49 kommenden Wasser einen variablen Anteil an Wasser aus dem Behälter 51 je nach der gewünschten Verwendungstemperatur zuzumischen. Ein zweites Thermostat-Mischventil 60 erlaubt ferner erforderlichenfalls den Zusatz von Kaltwasser aus der Speiseleitung zur Absenkung der Temperatur des entnommenen Wassers je nach seiner Verwendung über die Leitung 61 unter die Temperatur des Wassers im kälteren Behälter.

Beispiel 5

In vielen Fällen besteht Interesse daran, den Speicherbehälter der Entleerungsvorrichtung für den Einfrierschutz in unmittelbarer Nähe der Boilerspeicher vorzusehen, um so einen vereinfachten Aufbau zu erreichen und zugleich jedes Risiko eines Einfrierens dieses Speicherbehälters zu vermeiden. In Fig. 6 ist eine solare Heizanlage mit zwei Behältern dargestellt, bei der der nichtsolar beheizte Behälter 67 im Inneren des solarbeheizten Behälters 69 angeordnet ist, wobei die beiden Behälter an ihrem gemeinsamen oberen Ende aneinander befestigt sind. Die Beheizung des Behälters 67 erfolgt über eine elektrische Widerstandsheizung 68, während die Beheizung des Behälters 69 durch einen Wärmeaustauscher 70 erfolgt, der mit einem nicht dargestellten Solarkollektor über die Leitungen 72 und 73 in Verbindung steht. Eine in der Leitung 72 vorgesehene Umwälzpumpe 71 pumpt das Wasser in geschlossenem Kreislauf zwischen Wärmeaustauscher und Kollektor um. Der Speicherbehälter 74 besitzt eine elastische Membran 75, die ihn in zwei Teilräume 76 und 77 unter-

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teilt. Der Teilraum 76 ist mit der Leitung 72 zwischen dem Ausgang des Wärmeaustauschers und der Pumpe verbunden. Der Teilraum 77 steht über ein Dreiwegeventil 78 einerseits mit der Speiseleitung 79 für Kaltwasser und andererseits mit einer Ablaßleitung in Verbindung.

Die Einspeisung von Kaltwasser in den Solarboiler erfolgt über die Leitung 80, die ihrerseits mit der Leitung 79 verbunden ist. Die anderen Einrichtungen sind mit denen von Beispiel 3 vergleichbar. Die Umwälzpumpe 82 saugt über die Leitung 81 Wasser aus dem Behälter 67 und pumpt es über die Leitung 83 in den unteren Teil des Behälters 69, wenn dies zur Durchführung der in der FR-Patentanmeldung 75 35749 beschriebenen Betriebsweise erforderlich ist.

Das Warmwasser wird über die Leitung 84 zum Leitungsnetz hin abgeführt und kann mit einer der in Beispiel 3 beschriebenen Vorrichtung vergleichbaren Vorrichtung mit Wasser aus dem Behälter 69 gemischt werden, um die Temperatur erforderlichenfalls abzusenken.

Aus Fig. 6 geht hervor, daß der Speicherbehälter 74 am unteren Teil des Behälters 69 angebaut ist, von dem er lediglich durch eine Metallwand getrennt ist. Das ganze ist mit einer durchgehenden Wärmedämmschicht überzogen, die auch die Umwälzpumpe 71 des Kollektorkreislaufs mit einschließt. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß das im Kollektorkreis enthaltene Wasser den Teilraum 76 ausfüllt und so während der gesamten Zeit, in der es sich in diesem Raum befindet, vollständig vor dem Einfrieren geschützt ist, wenn die (nicht dargestellte) Meß- und Steuereinrichtung das Dreiwegeventil 78 so schaltet, daß eine Entleerung des Teilraums 77 gewähr-

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leistet ist.

Neben einer großen Betriebssicherheit ermöglicht diese kompakte Anordnung eine erheblich leichtere Aufstellung, wodurch wiederum niedrigere Installationskosten anfallen.

Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind zahlreiche Modifizierungen und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von der Erfindung umfaßt werden. So ist es beispielsweise möglich, die oben beschriebenen Vorrichtungen miteinander zu kombinieren oder sie im Gegensatz dazu auch getrennt zu verwenden. So lassen sich beispielsweise die sichersten und zugleich wirkungsvollsten Betriebsverhältnisse miteinander vereinigen, wenn innerhalb der gleichen Anlage die automatische Kollektorentleerung und die Kompaktanordnung der beiden Behälter zusammen realisiert werden.

Bei anderen Anlagen, unter anderen Klimaverhältnissen oder aus anderen Gründen kann eine dieser Vorrichtungen auch jeweils allein verwendet werden.

Die Erfindung betrifft zusammengefaßt ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Warmwasserbereitung mit Solarenergie.

Das erfindungsgemäße Verfahren verhindert ein Einfrieren der Kollektoren durch automatische Entleerung des darin enthaltenen Wassers; die Entleerung und Wiederfüllung erfolgen durch den Druck des Speisewassers. Bei Verwendung zweier Speicherbehälter, von denen einer eine Zusatzheizung aufweist, kann die thermische Ausbeute dadurch erheblich verbessert werden, daß einer der Behälter im Inneren des ande-

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ren vorgesehen wird.

Die Erfindung ist sowohl auf die Warmwasserbereitung für Sanitär- oder Brauchwasser als auch in allen anderen Fällen anwendbar, in denen Wasser in Solarkollektoren erwärmt werden soll.

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Claims

Ansprüche

1y Verfahren zur Warmwasserbereitung mit Solarenergie unter Verwendung mindestens eines Kollektors und eines Wärmeaustauschers, die in geschlossenem Kreislauf von Wasser durchströmt werden,

dadurch

gekennz eichnet

- daß der geschlossene Kreislauf über eine Meß- und Steuereinrichtung direkt oder indirekt mit einer äußeren Fluidquelle verbunden und durch deren Druck gefüllt wird, wenn die Kollektortemperatur über O ⁰C liegt,

und

- die Verbindung des geschlossenen Kreislaufs mit der äußeren Fluidquelle dann, wenn die Kollektortemperatur in die Nähe von O ⁰C absinkt, falls nicht schon vorher geschehen, unterbrochen und das im Kollektorkreis enthaltene Wasser abgelassen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das unter Druck stehende Fluid der äußeren Fluidquelle über ein bewegliches übertragungsmittel auf das im Kollektorkreis enthaltene Wasser einwirken gelassen wird.

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3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 zur automatischen Entleerung und Wiederfüllung von Solarkollektoren

mit

einem am Kollektor oder an einer der Außenatmosphäre ausgesetzten Stelle vorgesehenen Temperaturfühler (18) und einer Einrichtung zur Steuerung bei einer festgelegten Temperatur ,

gekennzeichnet durch

ein Steuerventil (12; 36) zur Herstellung oder Unterbrechung einer direkten oder indirekten Verbindung zwischen dem Kollektorkreis (2, 3) und einer äußeren Fluidquelle (11) unter Druck.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unter Druck stehende äußere Fluidquelle (11) mit dem Kollektorkreis (2, 3) indirekt über ein bewegliches übertragungsmittel (8) in Verbindung steht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Übertragungsmittel ein drittes Fluid ist, das von dem oder den anderen Fluids durch mindestens teilweise deformierbare oder bewegliche Wände getrennt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Übertragungsmittel eine deformierbare oder bewegliche Wand (8) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens eine deformierbare oder bewegliche Wand (8) aufweist, die im Inneren eines Behälters (7) vorgesehen ist und diesen in zwei Teilräume (9,

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10) variablen Volumens teilt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Speicherbehälter (7) mit dem Kollektorkreis (2, 3) in Verbindung steht, der dessen gesamten Wasserinhalt aufzunehmen vermag.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche übertragungsmittel mit einer wärmedämmenden Schicht überzogen ist, die auch den Solarboiler bedeckt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mit dem Wasser des Kollektorkreises beheizte Wärmeaustauscher in einem Boiler befindet, der einen zweiten, mit einer nichtsolaren Heizung ausgerüsteten Boiler umgibt.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (71) zum Umpumpen des Wassers zwischen Kollektor und Wärmeaustauscher, die Umwälzpumpe (82) zum Umpumpen des Wassers in geschlossenem Kreislauf zwischen den beiden Boilern sowie das bewegliche übertragungsmittel (75) mindestens teilweise von der wärmedämmenden Schicht umgeben sind, die den Solarboiler (69) bedeckt.

12. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 11 zur solaren Brauchwassererwärmung.

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