DE3835012A1 - Verfahren zum steuern einer solaranlage und steuerungsanlage - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern einer Solaranla­ ge, bei der die zu erwärmende Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe von einem Tank, einem Wärmetauscher oder dergleichen über eine Vorlaufleitung zu den Kollektoren gepumpt wird und von dort durch eine Rücklaufleitung zu dem Tank, dem Wärmetauscher oder derglei­ chen zurückströmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Steuern einer Solaranlage zu schaffen, bei dem die Solaranlage möglichst gut ausgenutzt wird und nicht unnötig betrieben wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Pumpe nur dann eingeschaltet wird, wenn die Wärmeeinstrahlung auf die Kollektoren ausreichend ist, damit die Solaranlage Wärme abgeben kann. Dies bedeutet, daß bei Dunkelheit, entsprechenden Wetterbedingungen, bedecktem Himmel oder dergleichen, die Pumpe nicht betrieben wird, so daß die Solaranlage nicht von Wasser durchströmt wird.

Um festzustellen, ob die auf die Kollektoren einwirkende Wärme­ einstrahlung ausreichend ist, schlägt die Erfindung nun mehrere Möglichkeiten vor. Die eine Möglichkeit besteht darin, die Pumpe über eine Schaltuhr einzuschalten, deren Ein- und Ausschalten von einem Rechner so gewählt werden, daß sie in Abhängigkeit von den Sonnenaufgangs- und Untergangszeiten verändert werden. Hierzu kann man einen elektronischen Kalender verwenden, in dem die Sonnenaufgangs- und Untergangszeiten gespeichert sind oder errechnet werden. Bei einer derartigen Berücksichtigung von Kalenderdaten ist es insbesondere möglich, beispielsweise im Sommer die Pumpe schon weit vor dem Sonnenuntergang wieder auszuschalten, im Herbst oder Frühling aber die gesamte Sonnen­ scheindauer auszunutzen. Im Sommer ist nämlich der Wärmebedarf eines von der Solaranlage zu heizenden Hauses besonders niedrig.

Eine zweite Möglichkeit, die Pumpe der Solaranlage einzuschalten, besteht darin, daß die Pumpe in Abhängigkeit von den Meßergebnis­ sen eines Strahlungsmessers, eines sogenannten Solarimeters, eingeschaltet wird. Hier wird ein Wert vorbestimmt, bei dessen Überschreitung die Pumpe eingeschaltet wird.

Eine nochmals weitere Möglichkeit, die Pumpe richtig einzuschal­ ten, besteht darin, die Temperatur an den Sonnenkollektoren und an einer Stelle im Tank oder im Vorlauf zwischen dem Tank und der Pumpe zu messen, die Temperaturdifferenz zu berechnen und die Pumpe dann einzuschalten, wenn die Temperaturdifferenz einen bestimmten Wert überschreitet. Bei dieser Art der Einschaltsteue­ rung wird kein zusätzlicher Aufwand erforderlich, da der Tempera­ turfühler im Vorlauf sowieso vorhanden ist.

In Weiterbildung schlägt die Erfindung vor, daß nach dem Ein­ schalten der Pumpe eine bestimmte Zeit gewartet und anschließend die Temperaturdifferenz zwischen dem Vorlauf und dem Rücklauf bestimmt wird. Wenn diese Temperaturdifferenz einen bestimmten Wert unterschreitet, wird die Pumpe anschließend wieder ausge­ schaltet. Dann hat man nämlich festgestellt, daß die durch die Solaranlage abzunehmende Wärme zu gering ist. Die Temperaturdif­ ferenz muß je nach Größe und Art der Anlage eingestellt werden.

Stattdessen ist es mit Vorteil möglich, aus der Temperaturdiffe­ renz und der Förderleistung der Pumpe einen Leistungswert zu bestimmen und die Pumpe dann wieder auszuschalten, wenn dieser Leistungswert einen bestimmten Wert unterschreitet. Hierzu ist es möglich, beispielsweise die Förderleistung der Pumpe als konstanten Wert einzugeben. Ebenfalls möglich ist es, die Förder­ leistung der Pumpe zu messen, wobei die Messung in regelmäßigen Abständen wiederholt werden kann.

Ist auf diese Weise die Pumpe abgeschaltet worden, schlägt die Erfindung weiterhin vor, die Außentemperatur zu messen und bei Frostgefahr die Vorlaufleitung zwischen Pumpe und Kollektor zu entleeren. Hierzu kann ein Außentemperaturfühler verwendet werden, wobei die Frostgefahr dann angenommen wird, wenn bei­ spielsweise ein Temperaturwert von 3-5°C gemessen wird. Die Rücklaufleitung zwischen den Kollektoren und dem Wärmetauscher ist in der Regel so ausgebildet, daß sie sich bei Abschalten der Pumpe selbsttätig entleert. Sollte dies nicht der Fall sein, kann in dem genannten Fall der Frostgefahr auch die Rücklaufleitung entleert werden.

Die Erfindung schlägt vor, daß die Berechnungen in regelmäßigen Abständen wiederholt werden, die so ausgewählt werden, daß kein unnötiges ständiges Hin- und Herschalten erfolgt.

Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, daß die Temperaturfühler in Vorlauf und Rücklauf automatisch abgeglichen werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß die Anschlüsse der beiden Temperaturfühler vertauscht werden und festgestellt wird, ob die Temperaturdifferenz gleich bleibt. Falls sie nicht gleich bleibt, muß einer der beiden Temperaturfühlerwerte so korrigiert werden, daß bei einem nochmaligen Vertauschen die Temperaturdifferenz dann gleich bleibt. Es kommt hier also nicht auf die absoluten Temperaturwerte an, da für die Steuerung der Anlage nur Tempera­ turdifferenzen verwendet werden.

Die Erfindung schlägt ebenfalls eine Steuerungsanlage für eine derartige Solaranlage vor. Diese Steuerungsanlage enthält insbe­ sondere eine Steuereinrichtung zum Einschalten der Pumpe, wobei die Steuereinrichtung von verschiedenen Meßwertaufnehmern, nämlich Temperaturfühlern, ansteuerbar ist. Insbesondere kann die Steuerungsanlage einen elektronischen Kalender mit gespeicherten oder berechenbaren Sonnenaufgangs- und Sonnenuntergangszeiten aufweisen.

Die Erfindung kann ebenfalls Eingabeeinrichtungen aufweisen, mit denen die verschiedenen konstanten Werte bei der Installation der Anlage in Speicher eingegeben werden können, von wo aus sie von der Steuereinrichtung mit den tatsächlichen Werten verglichen werden können. Die Steuerungsanlage enthält erfindungsgemäß einen von der Steuereinrichtung ansteuerbaren Ausgang zum Schalten eines Magnetventils, das zum Entleeren des Vorlaufs bestimmt ist.

Insbesondere kann die Steuerungsanlage einen Strömungsmesser aufweisen, mit dessen Hilfe die Förderleistung der Pumpe gemessen wird, wobei die Förderleistung dann von der Steuereinrichtung verarbeitet wird.

Erfindungsgemäß enthält die Steuerungsanlage einen Anzeigeein­ richtung für die augenblicklichen Temperaturen aller Temperatur­ fühler sowie in Weiterbildung für die augenblickliche Leistung, die seit Tagesbeginn gelieferte Energie und die Gesamtenergie.

Diese Werte sind zwar für den Benutzer einer Solaranlage nicht wichtig, da die Steuerungsanlage ja automatisch arbeitet. Sie sind jedoch für den Anlagenersteller von Interesse, da er an ihnen das korrekte Arbeiten der Anlage überprüfen kann und, falls erforderlich, die vorgegebenen Werte ändern kann.

Es kann vorgesehen sein, daß die Steuerungsanlage einen Speicher für die jeweils am Vortag gelieferte Energie aufweist, wobei der Speicher durchaus auch für mehrere zurückliegende Tage gelten kann. Es werden jeweils bei Tagesbeginn die Energiewerte insge­ samt um einen Speicherplatz verschoben. Der Benutzer kann dann durch Betätigen einer Taste den Energiewert des vorigen und ggf. weiter zurückliegender Tage abrufen.

Alle angezeigten und gespeicherten Werte können ggf. über einen vorzugsweise seriellen Ausgang abgefragt werden.

Die Steuerungsanlage enthält mit Vorteil eine Einrichtung zum automatischen Abgleich der Temperaturfühler in Vorlauf und Rücklauf.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 stark vereinfacht eine Solaranlage;

Fig. 2 ein Ablaufdiagramm eines möglichen Steuerungsvorgangs.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Solaranlage dient zum Erwärmen des Wassers in einem Tank 11. Aus dem Tank 11 kann dann warmes Wasser direkt oder über einen Wärmetauscher für eine Heizungsanlage, eine Brauchwasseranlage oder dergleichen entnom­ men werden. Die Abgabe der Wärme von der Solaranlage an den Tank 11 kann entweder direkt geschehen, wie im dargestellten Beispiel, oder über einen kleineren kurzschließbaren Behälter.

Die Solaranlage enthält eine Reihe von Solarkollektoren 12, beispielsweise Vakuumkollektoren. Von dem Tank 11 führt ein Vorlauf 13 über eine Pumpe 14 zu den Kollektoren 12. Die Pumpe 14 pumpt das Wasser in Richtung des Pfeiles 15. Der Leitungsab­ schnitt 16 im Bereich der Kollektoren 12 verläuft leicht anstei­ gend. In Strömungsrichtung gesehen hinter den Kollektoren 12 ist eine nach oben offene Abzweigung 17, von wo aus ein Rücklauf 18 zu dem Tank 11 zurückführt.

Die Anlage enthält mehrere Temperaturfühler, nämlich einen Temperaturfühler 19 für die Vorlauftemperatur, einen Temperatur­ fühler 20 für die Rücklauftemperatur, einen Temperaturfühler 21 für die Temperatur der Kollektoren 12 und einen Temperaturfühler 22 für die Außentemperatur. Alle Temperaturfühler 19-22 sind über Leitungen mit einer nicht dargestellten Steuerungsanlage verbunden.

Der Vorlauf 13 enthält in Strömungsrichtung gesehen unmittelbar hinter der Pumpe 14 eine Meßeinrichtung 23 zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit und Ermittlung der Förderleistung der Pumpe 14. Die Ergebnisse der Meßeinrichtung können über eine Leitung abgefragt werden. Unmittelbar hinter der Meßeinrichtung enthält der Vorlauf 13 eine Abzweigung mit einem Magnetventil 24, das normalerweise geschlossen ist, aber von der Steuerungsanlage geöffnet werden kann. Die Abzweigung 25 führt weiter in den Tank 11. Durch Öffnen des Magnetventils 24 kann die Vorlaufleitung zwischen der Pumpe 14 und der Abzweigung 17 des Rücklaufs 18 entleert werden. Die Solaranlage arbeitet so, daß sie das in der Vorlauf- und Rücklaufleitung zirkulierende Wasser kontinuierlich erwärmt.

Eine der Möglichkeiten, wie die Solaranlage der Fig. 1 gesteuert werden kann, wird im folgenden anhand des Diagramms der Fig. 2 erläutert.

Die Anlage wird zunächst eingeschaltet, so daß sie betriebsbereit ist.

Um nun entscheiden zu können, ob es sich lohnt, die Pumpe 14 in Betrieb zu setzen, wird ein Temperaturvergleich durchgeführt. Es wird nämlich die Temperaturdifferenz zwischen dem Temperaturfüh­ ler 21 an den Solarkollektoren 12 und dem Temperaturfühler 19 für die Vorlauftemperatur bestimmt. Ist diese Temperaturdifferenz größer als ein vorher eingegebener anlagenabhängiger Wert a, so wird die Pumpe 14 eingeschaltet, im anderen Fall wird der Tempe­ raturvergleich wiederholt. Dies kann entweder sofort oder nach einer gewissen Wartezeit erfolgen.

Ist der Temperaturvergleich positiv ausgefallen, wird die Pumpe 14 eingeschaltet. Anschließend wird eine gewisse Zeit gewartet, die so ausgewählt ist, daß mindestens das gesamte System voller Wasser ist und sich eine gleichmäßige Strömung eingestellt hat. Anschließend erfolgt nochmals ein Vergleich, und zwar zunächst ein Temperaturvergleich zwischen den Temperaturfühlern 19 und 20. Es wird hier die Temperaturdifferenz zwischen dem von den Kollek­ toren zurückströmenden Wasser und dem zu den Kollektoren führen­ den Wasser im Vorlauf 13 durchgeführt. Dann kann diese Tempera­ turdifferenz entweder mit einem fest eingestellten Temperaturwert oder nach Multiplikation mit der Förderleistung der Pumpe 14 mit einem vorher eingestellten Leistungswert verglichen werden. Fällt dieser Vergleich negativ aus, so ist dies ein Zeichen, daß die Anlage nicht ausreichend Leistung an den Tank 11 abzugeben vermag. In diesem Fall wird die Pumpe wieder ausgeschaltet. Aufgrund der offenen Abzweigung 17 im Rücklauf entleert sich der Rücklauf automatisch. Es wird nun nach Ausschalten der Pumpe überprüft, ob Frostgefahr besteht, was durch den Temperaturfühler 21 festgestellt werden kann. Wenn Frostgefahr besteht, wird das Magnetventil 24 geöffnet und die Vorlaufleitung entleert. Wenn dagegen keine Frostgefahr besteht, bleibt das Ventil 24 geschlos­ sen. Anschließend wird wieder eine bestimmte Zeit lang gewartet und der Steuerungsvorgang von Anfang an wiederholt.

Ergab der Temperatur- bzw. Leistungvergleich jedoch, daß eine bestimmte voreingestellte Leistung überschritten wird, so bleibt die Pumpe eingeschaltet und es erfolgt ein weiterer Vergleich, nämlich ob die abgegebene Leistung größer als ein zweiter Wert c ist. Ist die Leistung kleiner als dieser Wert c, so erfolgt eine Drosselung des Vorlaufs, beispielsweise durch Verringerung der Förderleistung der Pumpe 14 oder durch Verringern des Querschnitts. Auf diese Weise soll die Zirkulationsgeschwindig­ keit des Wassers in dem System verringert werden. Anschließend erfolgt eine Zurückverzweigung zu dem Verfahrensschritt des Wartens nach dem Einschalten der Pumpe. Selbstverständlich erfolgt bei mehrfachem Durchlauf der Schleife nicht ständig eine Drosselung des Vorlaufs, sondern diese Drosselung wird nur einmal vorgenommen und bei Durchlaufen der Schleife über den anderen Zweig wird die Drosselung aufgehoben.

Bei dem in Fig. 2 dargestellten Verfahrensablauf erfolgt zur Bestimmung, ob die Pumpe eingeschaltet werden soll, ein Tempera­ turvergleich. Hier sind selbstverständlich auch andere Möglich­ keiten gegeben, beispielsweise die Abfrage eines Strahlungsinten­ sitätsmessers.

Claims (22)

1. Verfahren zum Steuern einer Solaranlage, bei der die zu erwärmende Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe (14) von einem Tank (11), Wärmetauscher oder dergleichen über eine Vorlauf­ leitung (13) zu den Kollektoren (12) gepumpt wird und von dort durch eine Rücklaufleitung (18) in den Tank (11) zu­ rückströmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (14) nur dann eingeschaltet wird, wenn die Wärmeeinstrahlung auf die Kollektoren (12) ausreichend ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Einschalten der Pumpe (14) eine Schaltuhr verwendet wird, deren Ein- und Ausschaltzeit in Abhängigkeit von den kalen­ darischen Sonnenaufgangs- und Untergangszeiten berechnet und geändert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (14) in Abhängigkeit von den Meßergebnissen eines Strahlungsmessers eingeschaltet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur an den Kollektoren (12) und im Vorlauf im Bereich zwischen Tank (11) und Pumpe (14) gemessen, die Differenz berechnet und die Pumpe (14) dann eingeschaltet wird, wenn die Temperaturdifferenz einen bestimmten Wert überschreitet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Zeit nach dem Einschalten der Pumpe (14) die Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf (13) und Rücklauf (18) bestimmt und, wenn die Temperaturdifferenz einen bestimmten Wert unterschreitet, die Pumpe (14) wieder ausgeschaltet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Temperaturdifferenz und der Förderleistung der Pumpe (14) ein Leistungswert bestimmt und zum Vergleich herangezo­ gen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Pumpe (14) gemessen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5-7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß nach dem Abschalten der Pumpe (14) die Außen­ temperatur gemessen und bei Frostgefahr die Vorlaufleitung (13) zwischen Pumpe (14) und Kollektoren (12) entleert wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungen in regelmäßigen Abstän­ den wiederholt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Temperaturfühler (19, 18) in Vorlauf (13) und Rücklauf (18) automatisch abgeglichen werden.

11. Steuerungsanlage für eine Solaranlage mit einem Tank (11) oder dergleichen, einem von dem Tank (11) über eine Pumpe (14) zu den Kollektoren (12) führenden Vorlauf (13) und einem von den Kollektoren (12) zu dem Tank (11) zurückfüh­ renden Rücklauf (18), sowie mit einer Steuereinrichtung zum Einschalten der Pumpe (14), dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Kalender mit den Sonnenaufgangs- und Untergangszeiten aufweist, der mit der Steuereinrichtung verbunden ist.

12. Steuerungsanlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Eingabeeinrichtung für die Förderleistung der Pumpe (14) aufweist.

13. Steuerungsanlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sie einen mit der Steuereinrichtung verbunde­ nen Ausgang zum Schalten eines den Vorlauf (13) entleerenden Magnetventils (24) aufweist.

14. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit der Steuereinrichtung verbundenen Strömungsmesser zum Bestimmen der Förderleistung der Pumpe (14) aufweist.

15. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzeigeeinrichtung für die augenblickliche Leistung und/oder die seit Tagesbeginn gelieferte Energie und/oder die Gesamtenergie aufweist.

16. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-15, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Speicher zum Abspeichern des Energiewertes des jeweils letzten und ggf. vorletzten Tags aufweist.

17. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-16, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zum automatischen Abgleich der Temperaturfühler (19, 20, 21) in Vorlauf (13) und Rücklauf (18) aufweist.

18. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Vergleichseinrichtung zum Vergleichen von gemessenen mit vorher abgespeicherten Werten enthält.

19. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-18, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige der gemessenen Temperaturwerte aufweist.

20. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-19, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Funktionsanzeige für die jeweiligen Zustände ihrer Komponenten aufweist.

21. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-20, dadurch gekennzeichnet, daß sie Störungsmeldungen für die einzelnen Komponenten aufweist.

22. Steuerungsanlage nach einem der Ansprüche 11-21, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine insbesondere serielle Schnitt­ stelle für Ausgabe der Meß-, Anzeige-, und Störungsmeldungen aufweist.