DE4313276A1 - Solar installation and method for regulating the same - Google Patents
Solar installation and method for regulating the sameInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Solaranlage, welche über ein Solarmodul einen Wärmespeicher, gekoppelt über einen Wärmetauscher, aufheizt und ein Verfahren zur optimierten Regelung dieses Systems.The invention relates to a solar system, which has a Solar module a heat storage, coupled via a Heat exchanger, heated up and a process for optimized Regulation of this system.
Solaranlagen ähnlicher Bauart sind hinlänglich bekannt und werden kommerziell vertrieben. Nachteilig bei den derzeit bekannten Solaranlagen ist, daß sie in den Übergangsjahreszeiten bei der derzeit verwendeten Steuerung bzw. Regelung nicht genügend hohe Temperaturen zur Verfügung stellen, um einen angeschlossenen Speicher oder eine Niedertemperaturheizung effektiv aufzuheizen.Solar systems of a similar design are well known and are sold commercially. Disadvantageous at the moment known solar systems is that they are in the Transitional seasons in the control currently used or control not sufficiently high temperatures Make available to a connected memory or to effectively heat a low-temperature heater.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Solaranlage und ein Verfahren darzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik behebt.The object of the invention is a solar system and a To represent procedures that have the disadvantages of the prior art Technology fixes.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Vorrichtungsanspruches bzw. durch die Merkmale des ersten Verfahrensanspruches gelöst.The task is characterized by the characteristic features of the first device claim or by the features of first procedural claim solved.
Bekannte Solaranlagen sind in der Regel zweistufig ausgebildet. Sie bestehen bezüglich der wärmeerzeugenden Seite aus einem Solarmodul, in dem die Energie aus der Umwelt insbesondere die von der Sonneneinstrahlung gewonnene Energie auf ein flüssiges Medium übertragen wird, das durch eine Umwälzpumpe von dem Solarmodul einer nächsten Einheit, nämlich einem Wärmetauscher, zugeführt wird. Der Wärmetauscher steht auf der zweiten Seite in Verbindung mit einem Wärmespeicher oder einem Kreislauf einer Niedertemperaturheizung. Im Falle der Niedertemperaturheizung wird die übertragene Wärme direkt dem zu heizenden Gebäude zugeführt, im Falle des Wärmespeichers wird die Wärme in einem großen Vorratsspeicher, welcher gut isoliert aufgestellt ist, gespeichert und kann auf Anforderung abgezogen werden. Anlagen dieser Art sind bekannterweise darauf ausgerichtet, einen möglichst hohen Wirkungsgrad am Solarmodul zu erreichen. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß die Temperatur des darin umlaufenden Wärmeträgers möglichst niedrig im Verhältnis zur im Solarmodul erzeugten Temperatur ist. Hierzu ist in dem Wärmekreislauf des Solarmoduls eine Pumpe eingebaut, die mit einer vorgegebenen und reichlichen Leistung den Durchfluß durch das Solarmodul erzeugt.Known solar systems are usually in two stages educated. They exist regarding the heat generating Side from a solar module, in which the energy from the Environment especially that of sun exposure energy obtained is transferred to a liquid medium, by a circulation pump from the solar module next unit, namely a heat exchanger supplied becomes. The heat exchanger is on the second page in Connection with a heat store or a circuit a low temperature heater. In case of Low temperature heating will transfer the heat directly the building to be heated, in the case of Heat stores the heat in a big way Storage, which is well insulated, saved and can be deducted on request. Systems of this type are known to be designed the highest possible efficiency on the solar module to reach. This is accomplished in that the Temperature of the circulating heat transfer medium if possible low in relation to that generated in the solar module Temperature is. For this purpose, the heat cycle of the Solar module installed a pump with a predetermined and ample performance through the flow the solar module generates.
Der Erfinder hat erkannt, daß diese Art der Durchflußeinstellung zwar sicherlich zu einem guten Wirkungsgrad des Solarmoduls führt, jedoch bei kälteren Umgebungsbedingungen eine zu geringe Wassertemperatur am Eingang des Wärmetauschers im Bereich des primären Kreislaufes (Solarmodulkreislauf) führt. Für die in dem Wärmespeicher gespeicherte Wärme ist aber nicht nur der Wirkungsgrad des Solarmoduls, sondern in mindestens genauso wichtiger Weise der Wirkungsgrad des Wärmetauschers, wesentlich. Wird die dem Wärmetauscher zugeführte Temperatur zu niedrig gehalten, so läßt sich logischerweise auch die Speichertemperatur dann nicht erhöhen.The inventor has recognized that this type of Flow adjustment certainly a good one Efficiency of the solar module leads, but in colder Ambient conditions too low a water temperature at Entry of the heat exchanger in the area of the primary Circuit (solar module circuit) leads. For those in the Heat stored in heat is not just that Efficiency of the solar module, but in at least the same importantly the efficiency of the heat exchanger, essential. Is the supplied to the heat exchanger Logically kept temperature too low then do not increase the storage tank temperature either.
Für die am Wärmetauscher zur Verfügung stehende
Eingangsleistung gilt P₁ = F × (T₁-T₂) × Q₁, d. h. die
Eingangsleistung ist der Durchflußmenge und der
Temperaturdifferenz direkt proportional. Weiterhin gelten
für den sekundären Kreislauf (Speicherkreislauf) dieselben
Überlegungen, und es gilt: P₂ = F × (T₄-T₃) × Q₂. Unter
Vernachlässigung der Übertragungsverluste im Wärmetauscher
gilt somit P₁ = P₂, mit folgender Bedeutung der Variablen:
F = konstanter Faktor
T₁ = Eingangstemperatur des Primärkreislaufes in den
Wärmetauscher
T₂ = Ausgangstemperatur des Primärkreislaufes aus dem
Wärmetauscher
Q₁ = Durchflußmenge im primären Kreislauf
T₃ = Eingangstemperatur des sekundären Kreislaufes in den
Wärmetauscher
T₄ = Ausgangstemperatur des sekundären Kreislaufes aus dem
Wärmetauscher
P₁ = Eingangsleistung des primären Wärmekreislaufes
P₂ = Ausgangsleistung des sekundären Wärmekreislaufes.For the input power available at the heat exchanger, P₁ = F × (T₁-T₂) × Q₁ applies, ie the input power is directly proportional to the flow rate and the temperature difference. Furthermore, the same considerations apply to the secondary circuit (storage circuit), and the following applies: P₂ = F × (T₄-T₃) × Q₂. Neglecting the transmission losses in the heat exchanger, P₁ = P₂ applies, with the following meaning of the variables:
F = constant factor
T₁ = inlet temperature of the primary circuit in the heat exchanger
T₂ = initial temperature of the primary circuit from the heat exchanger
Q₁ = flow rate in the primary circuit
T₃ = inlet temperature of the secondary circuit in the heat exchanger
T₄ = outlet temperature of the secondary circuit from the heat exchanger
P₁ = input power of the primary heat cycle
P₂ = output of the secondary heat circuit.
Die Eingangsleistung P₁ ist im Tagesverlauf stark schwankend. Eine Regelung der Durchflußmenge Q₂ im sekundären Kreislauf 2 ermöglicht es nun, die Leistung P₂ in weiten Bereichen zu ändern und die für Speicher bzw. Heizungen wichtige Temperatur T₄ auf einem beliebig vorgebbaren Wert zu halten. Im Falle eines Wärmespeichers beinhaltet dieses auch den Vorteil, daß z. B. die für den sinnvollen Betrieb eines Wärmespeichers notwendige Temperaturschichtung erhalten bleibt. Durch diese Regelung der Leistung P₂ ist es ermöglicht, Sonnenenergie schon bei geringen Einstrahlungsleistungen zu nutzen und somit den Gesamtwirkungsgrad der Anlage zu erhöhen.The input power P 1 fluctuates greatly during the day. A regulation of the flow rate Q₂ in the secondary circuit 2 now makes it possible to change the power P₂ over a wide range and to keep the temperature T₄ important for storage or heating at an arbitrarily predetermined value. In the case of a heat store, this also includes the advantage that, for. B. the temperature stratification necessary for the sensible operation of a heat storage device is retained. This regulation of the power P₂ makes it possible to use solar energy even at low insolation powers and thus to increase the overall efficiency of the system.
Eine Regelung der Durchflußmenge Q₁ im primären Kreislauf hat folgende Auswirkung: Ist die Sonneneinstrahlung konstant, wird bei Vergrößerung der Durchflußmenge Q₁ die Temperaturdifferenz (T₂-T₁) kleiner. Wird nun T₁ mit Q₁ so eingeregelt, daß die Temperaturdifferenz (T₁-T₄) möglichst klein wird, steigt der Wirkungsgrad der Solarmodule und damit P₁, denn je geringer die Differenz (T₁-Ta), desto höher ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen, wobei Ta die Außentemperatur darstellt.Controlling the flow rate Q 1 in the primary circuit has the following effect: If the solar radiation is constant, the temperature difference (T 2-T 1) becomes smaller when the flow rate Q 1 is increased. If T₁ is now adjusted with Q₁ so that the temperature difference (T₁-T₄) is as small as possible, the efficiency of the solar modules increases and thus P₁, because the smaller the difference (T₁-T a ), the higher the efficiency of solar modules, whereby T a represents the outside temperature.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin ist im übrigen folgendes dargestellt:The invention is described in more detail with reference to the drawings. It also shows the following:
Fig. 1 erfindungsgemäße Solaranlage. Fig. 1 solar system according to the invention.
Fig. 2 erfindungsgemäße Solaranlage mit Bypass und Mischventil. Fig. 2 solar system according to the invention with bypass and mixing valve.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Solaranlage mit einem ersten Wärmekreislauf I, der ein Solarmodul SM über einen geschlossenen Kreislauf mit dem Wärmetauscher WT verbindet. Im Kreislauf I ist eine Pumpe P1 und gegebenenfalls eine Drossel D1 eingebaut, wobei entweder die Drossel oder die Pumpe oder beides regulierbar ausgeführt sind. Am Einlaufpunkt des primären Kreislaufes I in den Wärmetauscher WT ist ein Temperaturfühler T1 installiert und am Auslauf des Wärmetauschers am primären Kreislauf ein Temperaturfühler T2. Der Wärmetauscher ist sekundärseitig mit dem sekundären Wärmekreislauf II verbunden mit dem Wärmespeicher SP, wobei wiederum im Kreislauf eine ggf. regelbare Pumpe P2 und eine ggf. regelbare Drossel D2 vorgesehen ist. Am Ein- und Ausgang des Sekundärkreislaufes in den Wärmetauscher WT sind wiederum Temperaturfühler T3 und T4 angebracht. Weiterhin ist eine Regeleinrichtung R vorgesehen, die Informationen aus den vier benannten Temperaturfühlern bezieht, wobei alternativ auch zusätzlich die Temperaturinformation eines ggf. angebrachten Außentemperatursensors mit einbezogen werden kann. Aufgrund der erhaltenen Informationen wird eine Steuerung der Durchflußgeschwindigkeiten bzw. Durchflußmengen über die primär- und sekundärseitigen Pumpen und Drosseln vorgenommen. Fig. 1 shows a solar energy system according to the invention with a first heat cycle I, connects a solar module SM via a closed circuit with said heat exchanger WT. A circuit P1 and possibly a throttle D1 are installed in the circuit I, with either the throttle or the pump or both being adjustable. A temperature sensor T1 is installed at the entry point of the primary circuit I into the heat exchanger WT and a temperature sensor T2 is installed at the outlet of the heat exchanger on the primary circuit. The heat exchanger is connected on the secondary side to the secondary heat circuit II with the heat accumulator SP, a pump P2 which can be regulated and a throttle D2 which can be regulated being provided in turn in the circuit. Temperature sensors T3 and T4 are in turn attached to the input and output of the secondary circuit in the heat exchanger WT. Furthermore, a control device R is provided, which obtains information from the four named temperature sensors, wherein the temperature information of an outside temperature sensor which may be attached can also be included as an alternative. On the basis of the information obtained, the flow velocities or flow quantities are controlled via the primary and secondary pumps and throttles.
Das Regelverhalten wird wie folgt geregelt:
Zur Regelung der Solaranlage werden als Eingangsgrößen die
Temperaturen T₁, T₄ und ein beliebig wählbarer
Temperatursollwert Tsoll benötigt. Mit diesen Größen werden
die Pumpen ggf. die Drosseln über die Regelfunktion
gesteuert.The control behavior is regulated as follows:
For controlling the solar energy system is to be required as input variables the temperatures T₁, T₄, and an arbitrarily selectable temperature setpoint T. The pumps are used to control the throttles with the help of the control function.
Beim Anlauf der Anlage fördert die Pumpe im primären Kreis mit niedriger Durchflußgeschwindigkeit den Wärmeträger von dem Solarmodul zum Wärmetauscher. Die Pumpe P2 ist aus. When the system starts up, the pump delivers in the primary circuit with low flow rate the heat transfer medium from the solar module to the heat exchanger. Pump P2 is off.
Wenn die Temperatur T₁ < Tsoll ist, schaltet die Pumpe P2 ein und fördert den Wärmeträger mit niedriger Durchflußgeschwindigkeit vom Wärmetauscher zum Wärmeverbraucher. Steigt die Temperatur auf Werte T₄ < Tsoll, wird die Durchflußgeschwindigkeit in dem sekundären Kreis II durch Verändern der Drehzahl der Pumpe P1 und/oder Verändern der Drossel D2 soweit erhöht, daß wieder T₄ = Tsoll gilt.When the temperature T₁ <T set, the pump P2 is switched on and promotes the heat transfer medium with low-flow from the heat exchanger to the heat consumer. If the temperature rises to values T₄ <T soll , the flow rate in the secondary circuit II is increased by changing the speed of the pump P1 and / or changing the throttle D2 until T₄ = T soll applies again.
Im primären Kreislauf I wird T₁ durch Verändern der Drehzahl von der Pumpe P1 und/oder Verändern der Drossel D1 auf Werten gehalten, für die gilt T₁ < Tsoll + K. K ist hier ein von der Anlage abhängiger konstanter Wert im Bereich von 1-10°C.In the primary circuit I, T 1 is kept at values by changing the speed of the pump P1 and / or changing the throttle D 1, for which T 1 <T target + K applies. K here is a constant value depending on the system in the range of 1- 10 ° C.
Ausgeschaltet wird die Anlage, wenn T₄ < Tsoll ist und Q₁ + Q₂ = QMin., wobei Q₁ den Durchfluß im Kreislauf I, Q₂ den Durchfluß im Kreislauf II und QMin. einen von der Anlage abhängigen vorgegebenen Minimalen Gesamtdurchfluß darstellt, bei dem die in die Anlage hineingesteckte Betriebsenergie größer als die gewonnene Energie wird.The system is switched off when T₄ <T should and Q₁ + Q₂ = Q Min. , Where Q₁ represents the flow in circuit I, Q₂ represents the flow in circuit II and Q Min. A predetermined minimum total flow dependent on the system, in which the operating energy plugged into the system becomes larger than the energy obtained.
Fig. 2 zeigt eine Solaranlage ähnlich der Fig. 1, mit dem Unterschied, daß anstelle des Drosselventils D2 ein Mischventil M2 im Sekundärkreislauf angebracht ist, wobei das Mischventil einen Bypass des sekundären Kreislaufes um den Speicher regelt. Vorteilhaft hierbei ist, daß durch den Bypass am Wärmespeicher SP zunächst eine Aufwärmung des Kreislaufes 2 stattfindet, so daß in der Startphase der Anlage kein kaltes Wasser aus den Leitungen in den Wärmespeicher eingeleitet wird. Fig. 2 shows a solar system similar to Fig. 1, with the difference that instead of the throttle valve D2, a mixing valve M2 is attached to the secondary circuit, the mixing valve regulating a bypass of the secondary circuit around the memory. It is advantageous here that the bypass on the heat accumulator SP first heats up the circuit 2 , so that no cold water is introduced from the lines into the heat accumulator in the start-up phase of the system.
Claims (11)
- 1.1 es sind ein primärer und ein sekundärer Wärmekreislauf vorgesehen;
- 1.2 es ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der den primären mit dem sekundären Kreislauf verbindet;
- 1.3 es ist im primären Kreislauf mindestens ein
Solarmodul vorgesehen;
gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - 1.4 es sind Mittel zur Steuerung des Massendurchsatzes des primären Kreislaufes vorgesehen;
- 1.5 es sind Mittel zur Steuerung des Massendurchsatzes des sekundären Kreislaufes durch den Wärmespeicher vorgesehen;
- 1.6 es ist ein Temperaturfühler im Primärkreislauf zwischen Solarmodul und Wärmetauscher vorgesehen;
- 1.7 es ist ein weiterer Temperaturfühler im Sekundärkreislauf hinter dem Wärmetauscher vorgesehen;
- 1.8 es ist eine Regelvorrichtung zur Regelung der Massendurchsätze der beiden Kreisläufe in Abhängigkeit der beiden, durch die Temperaturfühler gemessenen Temperaturen vorgesehen.
- 1.1 a primary and a secondary heat circuit are provided;
- 1.2 a heat exchanger is provided which connects the primary to the secondary circuit;
- 1.3 at least one solar module is provided in the primary circuit;
characterized by the following features: - 1.4 means are provided for controlling the mass flow rate of the primary circuit;
- 1.5 means are provided for controlling the mass flow rate of the secondary circuit through the heat accumulator;
- 1.6 a temperature sensor is provided in the primary circuit between the solar module and the heat exchanger;
- 1.7 a further temperature sensor is provided in the secondary circuit behind the heat exchanger;
- 1.8 a regulating device is provided for regulating the mass flow rates of the two circuits as a function of the two temperatures measured by the temperature sensors.
- 10.1 auf einen Triggerimpuls (z. B. Sonneneinstrahlung,
Zeitvorgabe, Temperatur im Solarmodul) wird der
Durchsatz im primären Kreislauf mit niedrigem
Wert gestartet;
Regelung Kreis II - 10.2 es wird ein Temperatursollwert für den Ausgang des sekundären Wärmekreislaufes vorgegeben (T₄)
- 10.3 wenn die Eingangstemperatur in den Wärmetauscher des primären Kreislaufes größer als die Solltemperatur ist, wird der sekundäre Kreislauf mit niedrigem Durchsatz eingeschaltet;
- 10.4 wenn die Ausgangstemperatur im sekundären
Kreislauf am Auslauf des Wärmetauschers größer
als der Temperatursollwert wird, wird der
Durchfluß im sekundären Kreislauf mengenmäßig
geregelt, so daß die
Wärmetauscherausgangstemperatur gleich der
Sollwerttemperatur ist;
Regelung Kreis I: - 10.5 wenn die Eingangstemperatur des primären Kreises
in den Wärmetauscher größer als die vorgegebene
Solltemperatur zuzüglich eines anlagenabhängigen,
jedoch konstanten Wertes (1-10°C) ist, so wird
der Durchfluß durch den primären Kreislauf in
Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz erhöht;
Abschaltkriterien: - 10.6 wenn die Durchflußgeschwindigkeiten des primären und sekundären Kreislaufes auf einen unteren Wert angelangt sind und die Ausgangstemperatur aus dem Wärmetauscher im sekundären Kreislauf kleiner als die Vorgabetemperatur ist, wird die Anlage abgeschaltet.
- 10.1 on a trigger pulse (e.g. solar radiation, time specification, temperature in the solar module) the throughput in the primary circuit is started with a low value;
Circuit II regulation - 10.2 a temperature setpoint is specified for the output of the secondary heat circuit (T₄)
- 10.3 if the inlet temperature to the heat exchanger of the primary circuit is higher than the target temperature, the secondary circuit is switched on with a low flow rate;
- 10.4 if the output temperature in the secondary circuit at the outlet of the heat exchanger becomes greater than the temperature setpoint, the flow in the secondary circuit is regulated in terms of quantity so that the heat exchanger output temperature is equal to the setpoint temperature;
Circuit I regulation: - 10.5 if the input temperature of the primary circuit in the heat exchanger is greater than the specified target temperature plus a system-dependent but constant value (1-10 ° C), the flow through the primary circuit is increased depending on the temperature difference;
Switch-off criteria: - 10.6 when the flow rates of the primary and secondary circuit have reached a lower value and the outlet temperature from the heat exchanger in the secondary circuit is lower than the preset temperature, the system is switched off.
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