EP1950499A2 - Verfahren zum Betrieb einer solarthermischen Anlage - Google Patents

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EP1950499A2 EP08000802A EP08000802A EP1950499A2 EP 1950499 A2 EP1950499 A2 EP 1950499A2 EP 08000802 A EP08000802 A EP 08000802A EP 08000802 A EP08000802 A EP 08000802A EP 1950499 A2 EP1950499 A2 EP 1950499A2
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    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1042—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating the system uses solar energy

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a solar thermal system, in particular in a starting phase.
  • a solar thermal system basically consists of solar panels, which capture solar energy and deliver it to a heat transfer medium (water-glycol, water-ethanol), a reservoir and a closed circuit, which transports the heat absorbed in the collector to the storage tank, a regulation that controls the circulation the heat transfer medium, also called brine, controls at corresponding temperature differences from the collector to the memory.
  • the brine is heated by the solar radiation in the collector and then fed through the brine circuit to the memory. Subsequently, the solar heat can be used, for example, for hot water preparation, heating support or swimming pool heating.
  • the collector type which is relatively widespread in addition to flat-plate collectors, is the vacuum tube collector, in which the absorber surfaces are enclosed in evacuated glass tubes instead of in a housing.
  • the advantage here is that the proportion of heat loss through convection is smaller and the tube is optimally adapted to the position of the sun can. The heat is transferred to the coolant, inter alia, by the direct flow of the liquid through the absorber.
  • a simple temperature differential controller is sufficient for controlling a small solar system for hot water production.
  • the controller uses two temperature sensors to determine when the temperature at the collector outlet is higher than the temperature in the storage tank measured at the height of the solar circuit heat exchanger and then starts the solar circuit circulation pump.
  • the solar controllers are set so that a temperature difference of about 5 - 8 K is ensured between the collector and the pump for starting the pump. If this drops to 2 to 3 K, the circulation pump will be shut down by the solar controller.
  • this setting of the solar controller problems can occur when starting the system in which the system does not start or shut down too early.
  • the pump starts cold liquid enters the collector, which flows through it and leaves it heated again. As a result, the temperature drops rapidly again.
  • the invention has for its object to provide a method for a solar thermal system available, with a reliable pump start and operation of the system is made possible in the startup phase.
  • FIG. 1 simplified illustrated solar system pumps a pump (3) a heat transfer medium (eg water-glycol, water-ethanol) in a closed circuit between a collector (1) and a memory (2).
  • a control (6) controls the circulation of the heat transfer medium at corresponding temperature differences from the collector (1) to the memory (2).
  • FIG. 2 shows by way of example a measured temperature profile (b) at the collector sensor (4) after a pump start, in which two measured temperature maxima T max1 and T max2 are shown after mixing a heat transfer medium from the collector T K and the return T R. With (a) the pump speed characteristic is designated.
  • a temperature measurement is first carried out by means of a temperature sensor (4) attached to the collector (1) and in the memory (2) by means of a temperature sensor (5) located on the storage bottom.
  • the measured values are used to calculate the temperature gradient at the collector sensor (4) and the temperature difference ( ⁇ T) between the collector (1) and storage tank temperature (2).
  • the value d actual should only assume positive values.
  • the collector temperature (T 1 ) In order for the system to be able to start when the measured collector temperature (T 1 ) is lower than the tank temperature (T 2 ), the collector temperature (T 1 ) must be adjusted. With this approximation, the temperature in the lower temperature range is further given a higher weight.
  • the calculated auxiliary variable value d actual is compared with a previously defined setpoint value d setpoint , which is preset in the factory during commissioning as start value d start .
  • the later determined target value d set takes into account plant-specific settings during commissioning.
  • the pump is put into operation and the calculated auxiliary variable value d actual stored at the time of pump start t 0 .
  • the pump runs at least until two temperature maximum values (T max1 , T max2 ) are detected at the collector sensor (4). After the second temperature maximum, the calculation of the temperature difference ( ⁇ T) of the temperatures measured at the collector (1) and in the store (2) takes place.
  • the pump continues to run under the condition that the temperature difference .DELTA.T is greater than a predetermined limit .DELTA.T stop , preferably 3 K.
  • a control system for a solar system includes a control device for switching on a pump, wherein the control device of temperature sensors, can be controlled.
  • the temperature difference between the temperature sensor on the solar collectors and the temperature sensor for the flow temperature is determined. If this temperature difference is greater than a previously entered system-dependent value, the pump is turned on. After a certain period of time, after which a steady flow has settled, the temperature difference between the water flowing back from the collectors and the water leading to the collectors in the supply is determined. Then this temperature difference can either with a fixed temperature value or after Multiplication with the flow rate of the pump can be compared with a previously set power value. If this comparison is negative, the pump is switched off again.
  • the starting conditions are regulated by a temperature difference but with the interposition of a waiting time.

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Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Solaranlage, bei der die zur erwärmenden Flüssigkeit mittels einer Pumpe in einem Kreislauf zwischen einer Speichervorrichtung und mindestens einem Kollektor befördert wird, mit dem über eine Messung der Temperaturdifferenz und eine Anpassung eines vordefinierten anlagenspezifischen Startwertes ein zuverlässiger Pumpenstart und Betrieb der Solaranlage in der Anfangsphase sichergestellt wird.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer solarthermischen Anlage, insbesondere in einer Startphase.
  • Eine solarthermische Anlage besteht grundsätzlich aus Sonnenkollektoren, welche die Sonnenenergie einfangen und an ein Wärmeträgermedium (Wasser-Glykol, Wasser-Ethanol) abgeben, einem Speicher und einem geschlossenen Kreislauf, der die im Kollektor aufgenommene Wärme zum Speicher transportiert, einer Regelung, die die Umwälzung des Wärmeträgermediums, auch Sole genannt, bei entsprechenden Temperaturdifferenzen von dem Kollektor zum Speicher steuert. Die Sole wird durch die Sonnenstrahlung im Kollektor erwärmt und dann über den Solekreislauf dem Speicher zugeführt. Anschließend kann die Sonnenwärme zum Beispiel zur Warmwasserbereitung, Heizungsunterstützung oder Schwimmbaderwärmung genutzt werden.
  • Der neben Flachkollektoren relativ weit verbreitete Kollektortyp ist der Vakuum-Röhrenkollektor, bei dem die Absorberflächen statt in einem Gehäuse in evakuierten Glasröhren eingeschlossen sind. Der Vorteil ist hierbei, dass der Anteil des Wärmeverlustes durch Konvektion kleiner ist und die Röhre dem Sonnenstand optimal angepasst werden können. Die Wärmeabgabe an die Kühlflüssigkeit erfolgt u.a. durch die direkte Durchströmung der Flüssigkeit durch den Absorber.
  • Meistens ist ein einfacher Temperaturdifferenzregler für die Regelung einer kleinen Solaranlage zur Warmwasserbereitung ausreichend. Der Regler stellt über zwei Temperaturfühler fest, wann die Temperatur am Kollektoraustritt höher ist als die auf der Höhe des Solarkreis-Wärmetauschers gemessene Temperatur im Speicher und setzt daraufhin die Solarkreis-Umwälzpumpe in Betrieb. Üblicherweise werden die Solarregler so eingestellt, dass eine Temperaturdifferenz von etwa 5 - 8 K zwischen dem Kollektor und dem Speicher für den Pumpenstart gewährleistet ist. Sinkt diese auf 2 bis 3 K ab, wird die Umwälzpumpe durch den Solarregler wieder außer Betrieb genommen. Trotz dieser Einstellung des Solarreglers können Probleme beim Start der Anlage auftreten, in dem die Anlage gar nicht startet oder zu früh abschaltet. So gelangt nach dem Pumpenstart kalte Flüssigkeit in den Kollektor, die diesen durchströmt und erhitzt wieder verlässt. Demzufolge fällt die Temperatur wieder rapide ab. Aufgrund der nun vorliegenden Temperaturdifferenz kann es gemäß dem Stand der Technik zum Abschalten der Pumpe kommen. Läuft die Pumpe weiter, so steigt die Temperatur wieder an, da die heiße Flüssigkeit, welche beim Pumpenstart im Kollektor verweilte, nach dem Durchströmen des Speichers wieder in den Kollektor einströmt. Erst nach einigen Umwälzungen stellt sich ein quasi-stationärer Zustand ein.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für eine solarthermische Anlage zur Verfügung zu stellen, mit dem ein zuverlässiger Pumpenstart und Betrieb der Anlage in der Startphase ermöglicht wird.
  • Erfindungsgemäß wird dies gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass ein Verfahren zum Betrieb einer Solaranlage, insbesondere in einer Startphase, bei der das zur erwärmende Wärmeträgermedium mittels einer Pumpe (3) in einem Kreislauf zwischen einer Speichervorrichtung (2) und mindestens einem Kollektor (1) befördert wird, mit einem Temperatursensor (4) angeordnet am Ausgang des Kollektors (1) in Richtung zum Speicher (2) sowie mit einem Temperatursensor (5) im Speicher (2) mit folgenden Verfahrensschritten zur Verfügung gestellt wird:
    • die mittels des Temperatursensors (4) gemessene Temperatur T1 am Kollektor (1) und die mittels des Temperatursensors (5) gemessene Temperatur T2 im Speicher (2) werden erfasst,
    • der Temperaturgradient dT 1 dt
      Figure imgb0001
       am Kollektor (1) wird berechnet,
    • die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der gemessenen Temperatur T1 am Kollektor (1) und der gemessenen Temperatur T2 im Speicher (2) wird berechnet,
    • ein Hilfsgrößenwert dIst für die Pumpe wird in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT, einer Konstanten und dem Temperaturgradienten dT 1 dt
      Figure imgb0002
       berechnet und mit einem vordefinierten Sollwert dSoll verglichen,
    • wenn der berechnete Hilfsgrößenwert dIst größer oder gleich dem vordefinierten Sollwert (dSoll) ist oder die Temperaturdifferenz ΔT einen vorgegebenen Grenzwert ΔTStart überschreitet, wird die Pumpe eingeschaltet und der berechnete Hilfsgrößenwert dIst(t0) zu diesem Zeitpunkt t0 gespeichert,
    • die mittels des Temperatursensors (4) gemessene Temperatur T1 am Kollektor (1) wird weiterhin erfasst, wobei durch die Beobachtung des zeitlichen Verlaufs Maxima erkannt werden,
    • nach dem Erkennen einer definierten Anzahl von Maxima, deren Anzahl 2 nicht unterschreiten darf, wird die Pumpe abgeschaltet, wenn die Temperaturdifferenz ΔT kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ΔTStop ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung. Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen
    • Figur 1 eine schematisch dargestellte Solaranlage,
    • Figur 2 einen Temperaturverlauf am Kollektorfühler nach einem Pumpenstart und
    • Figur 3 ein Ablaufdiagramm eines möglichen Regelungsvorgangs des Pumpenstarts.
  • Bei der in Figur 1 vereinfacht dargestellte Solaranlage pumpt eine Pumpe (3) ein Wärmeträgermedium (z.B. Wasser-Glykol, Wasser-Ethanol) in einem geschlossenen Kreislauf zwischen einem Kollektor (1) und einem Speicher (2). Eine Regelung (6) steuert die Umwälzung des Wärmeträgermediums bei entsprechenden Temperaturdifferenzen von dem Kollektor (1) zum Speicher (2).
  • Figur 2 zeigt beispielhaft einen gemessenen Temperaturverlauf (b) am Kollektorfühler (4) nach einem Pumpenstart, bei dem zwei gemessene Temperaturmaxima Tmax1 und Tmax2 nach dem Vermischen eines Wärmeträgermediums aus dem Kollektor TK und dem Rücklauf TR dargestellt sind. Mit (a) ist die Pumpendrehzahlkennlinie bezeichnet.
  • In Figur 3 können die Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Regelungsverfahrens einem Ablaufdiagramm entnommen werden. Demnach erfolgt zunächst eine Temperaturmessung mittels eines am Kollektor (1) angebrachten Temperaturfühlers (4) und im Speicher (2) mittels eines am Speicherboden befindlichen Temperaturfühlers (5). Mit den gemessenen Werten erfolgt eine Berechnung des Temperaturgradienten am Kollektorfühler (4) und der Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen der Kollektor- (1) und Speichertemperatur (2).
  • Ein Hilfsgrößenwert dIst für die Pumpe wird mit folgender Formel, bei der C eine Konstante (z.B. 10 K) ist, definiert: d 1 ⁢ st = T 1 - T 2 + C ⋅ dT 1 dt = Δ ⁢ T + C ⋅ dT 1 dt .
    Figure imgb0003
  • Die Addition der frei gewählten Temperaturkonstante C in der Gleichung 1 hat folgende Bedeutung: der Wert dIst soll nur positive Werte annehmen. Damit die Anlage aber auch starten kann, wenn die gemessene Kollektortemperatur (T1) geringer als die Speichertemperatur (T2) ist, muss die Kollektortemperatur (T1) eine Angleichung bekommen. Mit dieser Angleichung wird weiterhin der Temperatur im unteren Temperaturbereich ein höheres Gewicht verliehen.
  • Der berechnete Hilfsgrößenwert dIst wird mit einem vorher definierten Soll-Wert dSoll verglichen, der bei der Erstinbetriebnahme werkseitig als Startwert dStart vorgegeben wird. Der später ermittelte Soll-Wert dSoll berücksichtigt anlagenspezifische Einstellungen bei der Inbetriebnahme.
  • Wenn dIst >= dSoll ist, wird die Pumpe in Betrieb gesetzt und der berechnete Hilfsgrößenwert dIst zum Zeitpunkt des Pumpenanlaufs t0 gespeichert. Die Pumpe läuft mindestens so lange, bis am Kollektorfühler (4) zwei Temperaturmaxima - Werte (Tmax1, Tmax2) ermittelt werden. Nach dem zweiten Temperaturmaximum erfolgt die Berechnung der Temperaturdifferenz (ΔT) der am Kollektor (1) und im Speicher(2) gemessenen Temperaturen. Eine Anpassung des Soll-Wertes dSoll erfolgt in Abhängigkeit von ΔT vorzugsweise gemäß folgender Tabelle:
    ΔT nach zweitem Änderung des d-Wertes
    Temperaturmaximum
    Kleiner als 0 K dSoll = dIst(t0) + 0,2
    Zwischen 0 K und 3 K dSoll = dIst(t0) + 0,1
    Zwischen 3 K und 7 K dSoll = dIst(t0)
    Zwischen 7 K und 10 K dSoll = dIst(t0) - 0, 1
    Größer als 10 K dSoll = dIst(t0) - 0,2
  • Es können auch andere Anpassungsschritte als die in der Tabelle aufgeführten Änderungsschritte Anwendung finden. Eine Änderung des Soll - Wertes findet nicht statt, wenn äußere Einflüsse (z.B. Wasserzapfen oder Strahlungsabfall) auf das System einwirken.
  • Anschließend läuft die Pumpe weiter unter der Bedingung, dass die Temperaturdifferenz ΔT größer als einen vorgegebenen Grenzwert ΔTStop, vorzugsweise 3 K, ist.
  • Sollte der dIst - Wert nicht zu einem Start der Pumpe bzw. der Anlage führen (z.B. wegen Wasserzapfung oder Fehler bei der d-Wert Berechnung) und die Bedingung erfüllt wird, dass ΔT größer als 7 K ist, dann soll die Pumpe auch starten. In diesem Fall findet jedoch keine Adaption des Soll-Wertes dSoll statt.
  • Aus der DE 38 35 012 ist u.a. eine Steuerungsanlage für eine Solaranlage bekannt. Diese Steuerungsanlage enthält eine Steuereinrichtung zum Einschalten einer Pumpe, wobei die Steuereinrichtung von Temperaturfühlern, ansteuerbar ist. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Temperaturfühler an den Solarkollektoren und dem Temperaturfühler für die Vorlauftemperatur wird bestimmt. Ist diese Temperaturdifferenz größer als ein vorher eingegebener anlagenabhängiger Wert, so wird die Pumpe eingeschaltet. Nach einer gewissen Zeit, nach der sich eine gleichmäßige Strömung eingestellt hat, wird die Temperaturdifferenz zwischen dem von den Kollektoren zurückströmenden Wasser und dem zu den Kollektoren führenden Wasser im Vorlauf bestimmt. Dann kann diese Temperaturdifferenz entweder mit einem fest eingestellten Temperaturwert oder nach Multiplikation mit der Förderleistung der Pumpe mit einem vorher eingestellten Leistungswert verglichen werden. Fällt dieser Vergleich negativ aus, wird die Pumpe wieder ausgeschaltet. Bei der hier beschriebenen Regelung werden die Startbedingungen auch über eine Temperaturdifferenz jedoch unter Zwischenschaltung einer Wartezeit geregelt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Gegensatz zur DE 38 35 012 keine Wartezeit vorgesehen. Es werden kontinuierlich Temperaturminima und Temperaturmaxima am Kollektorfühler (4) bzw. die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur gemessen am Kollektor und im Speicher bestimmt. Somit wird ein zuverlässiger Pumpenstart und Betrieb der Anlage in der Anfangsphase sichergestellt.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betrieb einer Solaranlage, insbesondere in einer Startphase, bei der das zur erwärmende Wärmeträgermedium mittels einer Pumpe (3) in einem Kreislauf zwischen einer Speichervorrichtung (2) und mindestens einem Kollektor (1) befördert wird, mit einem Temperatursensor (4) am Ausgang des Kollektors (1) in Richtung zum Speicher (2) sowie einem Temperatursensor (5) im Speicher (2) mit folgenden Verfahrensschritten:
    - die mittels des Temperatursensors (4) gemessene Temperatur T1 am Kollektor (1) und die mittels des Temperatursensors (5) gemessene Temperatur T2 im Speicher (2) werden erfasst,
    - der Temperaturgradient dT 1 dt
    Figure imgb0004
     am Kollektor (1) wird berechnet,
    - die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der gemessenen Temperatur T1 am Kollektor (1) und Temperatur T2 im Speicher (2) wird berechnet,
    - ein Hilfsgrößenwert dIst für die Pumpe (3) wird in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz ΔT, einer Konstanten und dem Temperaturgradienten dT 1 dt
    Figure imgb0005
     berechnet und mit einem vordefinierten Sollwert dSoll verglichen,
    - wenn der berechnete Hilfsgrößenwert dIst größer oder gleich dem vordefinierten Sollwert (dSoll) ist oder die Temperaturdifferenz ΔT einen vorgegebenen Grenzwert ΔTStart überschreitet, wird die Pumpe (3) eingeschaltet und der berechnete Hilfsgrößenwert dIst(t0) zu diesem Zeitpunkt t0 gespeichert,
    - die mittels des Temperatursensors (4) gemessene Temperatur T1 am Kollektor (1) wird weiterhin erfasst, wobei durch die Beobachtung des zeitlichen Verlaufs Maxima erkannt werden,
    - nach dem Erkennen einer definierten Anzahl von Maxima, deren Anzahl 2 nicht unterschreiten darf, wird die Pumpe (3) abgeschaltet, wenn die Temperaturdifferenz ΔT kleiner oder gleich einem vorgegebenen Grenzwert ΔTStop ist.
  2. Verfahren zum Betrieb einer Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Erkennen einer definierten Anzahl von Maxima, deren Anzahl 2 nicht unterschreiten darf, der vordefinierte Sollwert (dSoll) in Abhängigkeit der aktuellen Temperaturdifferenz ΔT und des Hilfsgrößenwerts dIst(t0) zum Zeitpunkt t0 des letzten Pumpenstarts neu berechnet wird.
  3. Verfahren zum Betrieb einer Solaranlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert (dSoll) bei der Erstinbetriebnahme durch einen werksseitig vorgegebenen Wert (dStart) vorgegeben wird.
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