DE4313276C2

DE4313276C2 - Solaranlage und Verfahren zur Regelung derselben

Info

Publication number: DE4313276C2
Application number: DE19934313276
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Koenig
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-04-23
Filing date: 1993-04-23
Publication date: 2002-07-11
Anticipated expiration: 2013-04-24
Also published as: DE4313276A1

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.

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.

DE 27 29 082 A1 beschreibt eine Steuerschaltung für einen Sonnenkollektor. Dieser weist die Merkmale des Oberbegriffes von Anspruch 1 auf. Die genannte Druckschrift enthält keine Angaben über die Massendurchsätze der beiden Kreisläufe des Wärmespeichers.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Solaranlage und ein Verfahren darzustellen, das die Nachteile des Standes der Technik behebt.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Vorrichtungsanspruches bzw. durch die Merkmale des ersten Verfahrensanspruches gelöst.

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.

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.

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

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.

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 - T_a), desto höher ist der Wirkungsgrad von Solarmodulen, wobei T_a die Außentemperatur darstellt.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Darin ist im übrigen folgendes dargestellt:

Fig. 1 erfindungsgemäße Solaranlage.

Fig. 2 erfindungsgemäße Solaranlage mit Bypass und Mischventil

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.

Das Regelverhalten wird wie folgt geregelt:
Zur Regelung der Solaranlage werden als Eingangsgrößen die Temperaturen T₁, T₄ und ein beliebig wählbarer Temperatursollwert T_soll benötigt. Mit diesen Größen werden die Pumpen ggf. die Drosseln über die Regelfunktion gesteuert.

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.

Wenn die Temperatur T₁ < T_soll ist, schaltet die Pumpe P2 ein und fördert den Wärmeträger mit niedriger Durchflußgeschwindigkeit vom Wärmetauscher zum Wärmeverbraucher. Steigt die Temperatur auf Werte T₄ < T_soll, 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 = T_soll gilt.

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 < T_soll + K. K ist hier ein von der Anlage abhängiger konstanter Wert im Bereich von 1-10°C.

Ausgeschaltet wird die Anlage, wenn T₄ < T_soll ist und Q₁ + Q₂ = Q_Min., wobei Q₁ den Durchfluß im Kreilauf I, Q₂ den Durchfluß im Kreilauf II und Q_Min. einen von der Anlage abhängigen vorgegebenen Minimalen Gesamtdurchfluß darstellt, bei dem die in die Anlage hineingesteckte Betriebsenergie größer als die gewonnene Energie wird.

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 Spreicher 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.

Claims

1. Solaranlage zur Erwärmung eines Wärmespeichers oder eines Kreislaufes einer Niedertemperaturheizung mit folgenden Merkmalen:

1. 1.1 es sind ein primärer und ein sekundärer Wärmekreislauf vorgesehen;
2. 1.2 es ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der den primären mit dem sekundären Kreislauf verbindet;
3. 1.3 es ist im primären Kreislauf mindestens ein Solarmodul vorgesehen;
4. 1.4 es sind Mittel zur Steuerung des Massendurchsatzes des primären Kreislaufes vorgesehen;
5. 1.5 es ist ein Temperaturfühler im Primärkreislauf zwischen Solarmodul und Wärmetauscher vorgesehen;
6. 1.6 es ist ein weiterer Temperaturfühler im Sekundärkreislauf hinter dem Wärmetauscher vorgesehen;
7. 1.7 es sind Mittel zur Steuerung des Massendurchsatzes des sekundären Kreislaufes durch den Wärmespeicher vorgesehen;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1. 1.8 es ist eine Regelvorrichtung zur Regelung der Massendurchsätze der beiden Kreisläufe in Abhängigkeit der beiden, durch die Temperaturfühler gemessenen Temperaturen vorgesehen.

2. Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Temperaturfühler im primären Wärmekreislauf zwischen Wärmetauscher und Solarmodul vorgesehen ist, dessen Informationen in der Regelung mitverarbeitet werden.

3. Solaranlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Temperaturfühler im sekundären Kreislauf vor dem Wärmetauscher vorgesehen ist und dessen Informationen in der Regelung mitverarbeitet werden.

4. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Außentemperaturfühler vorgesehen ist, dessen Information in der Regelung der Anlage genutzt wird.

5. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß im sekundären Kreislauf ein Wärmespeicher vorgesehen ist.

6. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmengenregelung mindestens eines Wärmekreislaufes durch eine Drehzahl einstellbare Pumpe erfolgt.

7. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchflußmengenregelung mindestens eines Kreislaufes durch Einstellung eines Drosselventiles erfolgt.

8. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß im sekundären Kreislauf die Durchflußmengenregelung mit Hilfe eines Bypasses um den Speicher und eines Mischventiles erfolgt.

9. Solaranlage nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß als Regeleinrichtung ein frei programmierbarer Computer vorgesehen ist.

10. Verfahren zur Regelung einer Solaranlage nach einem der Ansprüche 1-9, mit folgenden Merkmalen:

1. 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:

1. 10.2 es wird ein Temperatursollwert für den Ausgang des sekundären Wärmekreislaufes vorgegeben (T₄)
2. 10.3 wenn die Eingangstemperatur in den Wärmetauscher des primären Kreislaufes größer als die Solltemperatur ist, wird der sekundäre Kreislauf mit niedrigem Durchsatz eingeschaltet;
3. 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:

1. 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:

1. 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.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die aktuelle Sollwerttemperatur auf den Maximalwert von Sollwerttemperaturvorgabe und Einlauftemperatur des sekundären Kreislaufes in den Wärmetauscher plus einem anlagenabhängigen konstanten Wert (3-10°C) eingestellt wird.