PL216949B1

PL216949B1 - Method for controlling and protecting a solar collector inside an integrated water heating system of a residential building, particularly single-family against overheating

Info

Publication number: PL216949B1
Application number: PL392427A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof Wąchała
Original assignee: Makroterm Agata I Krzysztof Wąchała Spółka Jawna
Priority date: 2010-09-16
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2014-05-30
Also published as: PL392427A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób sterowania zabezpieczający przed przegrzaniem kolektor słoneczny w zintegrowanej instalacji wodnego ogrzewania budynku mieszkalnego, zwłaszcza jednorodzinnego.The subject of the invention is a control method that protects a solar collector against overheating in an integrated water heating system for a residential building, especially a single-family building.

Występujące w ostatnich latach globalne zmiany klimatyczne - z ekstremalnie różniącymi się a w okresie lata często długotrwałymi warunkami słonecznej pogody - wskazują jako istotny problem przegrzewania się kolektorów słonecznych, coraz powszechniej stosowanych w instalacjach grzewczych budynków, zwłaszcza jednorodzinnych. Problem ten nie występuje w dużych kolektorach, posadowionych na obrotowo-wychylnej konstrukcji umożliwiającej nastawę na minimalny pobór energii słonecznej - natomiast jest ważnym do rozwiązania przy nieruchomych kolektorach, zwłaszcza zabudowanych w połaciach dachowych budynku i w sytuacji urlopowej nieobecności mieszkańców. Znane rozwiązania mechaniczne z przechylnymi żaluzjami, pozwalającymi regulować dopływ do kolektora energii słonecznej - przykładowo według polskiego opisu zgłoszenia wynalazku P-386038 - niekorzystnie ograniczają napromieniowanie w dni o małym nasłonecznieniu, wymagają konserwacji, są kłopotliwe w okresie zimowym w sytuacji opadu śnieżnego i zalodzenia.The global climate changes occurring in recent years - with extremely different and often long-lasting sunny weather conditions in summer - indicate a significant problem of overheating of solar collectors, more and more commonly used in heating systems of buildings, especially single-family houses. This problem does not occur in large collectors, mounted on a rotating-tilting structure that allows you to set the minimum solar energy consumption - but it is important to solve with fixed collectors, especially built in the roof slopes of the building and in the absence of residents on holiday. Known mechanical solutions with tilting louvers that allow to regulate the inflow to the solar energy collector - for example, according to the Polish patent application P-386038 - unfavorably limit the irradiation on days with low insolation, require maintenance, are troublesome in winter in the event of snowfall and icing.

Rozwój techniki grzewczej spowodował, że w nowoczesnych instalacjach ogrzewania wodnego i ciepłej wody użytkowej wykorzystywana jest energia z kilku źródeł ciepła. Znane są rozwiązania zintegrowanego ogrzewania przedstawione w materiałach ofertowych polskiej firmy „Makroterm. Nadrzędnym źródłem ciepła jest kolektor słoneczny, pozyskujący naturalną energię słoneczną do przygotowania ciepłej wody użytkowej, z możliwością dogrzewania budynku. Kolektor słoneczny włączony jest do instalacji poprzez podgrzewacz pojemnościowy. Drugim źródłem jest kominek z płaszczem wodnym, opalany drewnem, pelletami, z emisją gazów spalinowych o prawie zerowej zawartości CO2. Trzecim, uzupełniającym źródłem ciepła jest kocioł gazowy, olejowy lub elektryczny względnie pompa ciepła. Odbiornikami w zintegrowanej instalacji są grzejniki centralnego ogrzewania pomieszczeń budynku, z ogrzewaniem podłogowym albo ściennym oraz punkty odbioru ciepłej wody użytkowej. Nieruchomy kolektor słoneczny włączony jest do instalacji przez dolny wymiennik ciepła w pionowym zbiorniku podgrzewacza pojemnościowego ciepłej wody użytkowej. Kominek z płaszczem wodnym i kocioł połączone są z odbiornikami i podgrzewaczem pojemnościowym poprzez centralny rozdzielacz, sterowany sygnałami od górnego czujnika temperatury podgrzewacza i czujników temperatury płaszczy wodnych kominka i kotła. Centralny rozdzielacz stanowi zespół kolektorów z wieloma gniazdami przyłączeniowymi, które łączone są hydraulicznie przez zawory sterowane elektrycznie. Rozdzielacz połączony jest hydraulicznie z górnym wymiennikiem ciepła w podgrzewaczu pojemnościowym, obwodami wodnymi kominka, kotła oraz odbiornikami ciepła. W okresie grzewczym połączenia i sterowanie instalacji z centralnego rozdzielacza, zapewnia współpracę przez precyzyjne skierowanie uzupełniającej energii do odbiornika w którym w danym momencie - zwłaszcza przy dużym obciążeniu - jest ona potrzebna, według ustalonego priorytetu ciepłej wody użytkowej lub centralnego ogrzewania. W sytuacji awarii, przestoju serwisowego jednego źródła ciepła lub przerwy w dostawie gazu - funkcje grzewcze przejmuje drugie źródło.Due to the development of heating technology, energy from several heat sources is used in modern water heating and domestic hot water installations. Integrated heating solutions presented in the offer materials of the Polish company "Makroterm. The main source of heat is a solar collector, which acquires natural solar energy for the preparation of domestic hot water, with the possibility of heating the building. The solar collector is connected to the installation via a storage heater. The second source is a fireplace with a water jacket, fired with wood, pellets, with the emission of exhaust gases with almost zero CO2 content. The third, supplementary heat source is a gas, oil or electric boiler or a heat pump. The receivers in the integrated installation are radiators for central heating of the building's rooms, with floor or wall heating, and hot water collection points. The fixed solar collector is connected to the installation through the lower heat exchanger in the vertical tank of the DHW cylinder. A fireplace with a water jacket and a boiler are connected with receivers and a capacitive heater through a central distributor, controlled by signals from the upper heater temperature sensor and temperature sensors of the fireplace and boiler water jackets. The central distributor is a set of collectors with many connection sockets, which are connected hydraulically by electrically controlled valves. The manifold is connected hydraulically with the upper heat exchanger in the capacitive heater, water circuits of the fireplace, boiler and heat receivers. During the heating season, the connection and control of the installation from the central distributor ensures cooperation by precisely directing the supplementary energy to the receiver in which it is needed at a given moment - especially at high load - according to the established priority of domestic hot water or central heating. In the event of a failure, service downtime of one heat source or gas supply interruption - the heating function is taken over by the other source.

Problemem technicznym rozwiązywanym przez niniejszy wynalazek jest zabezpieczenie przed przegrzaniem kolektora słonecznego współpracującego z układem powyżej opisanego rozwiązania zintegrowanej instalacji wodnego ogrzewania budynku mieszkalnego.The technical problem solved by the present invention is the protection against overheating of a solar collector cooperating with the system of the above-described solution of an integrated water heating system for a residential building.

Istota sposobu sterowania według wynalazku polega na odprowadzaniu nadmiaru energii cieplnej z obwodu kolektora słonecznego przez górny wymiennik ciepła podgrzewacza pojemnościowego do obwodów wodnych aktualnie nie używanych źródeł ciepła i odbiorników. Wybór kolejności włączania kolejnych obwodów dokonywany jest przez mikroprocesorowy sterownik centralnego rozdzielacza, który przy oprogramowaniu opcją „lato/urlop” i po przekroczeniu wartości wyznaczonej jako graniczna dla górnego czujnika temperatury podgrzewacza kolejno włącza obwody wodne: kotła, ogrzewania pomieszczeń pomocniczych piwnic i garażu, łazienki, kominka i na końcu ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych.The essence of the control method according to the invention consists in removing excess heat energy from the solar collector circuit through the upper heat exchanger of the storage heater to the water circuits of currently unused heat sources and receivers. The selection of the sequence of switching on subsequent circuits is made by the microprocessor controller of the central distributor, which with the software with the "summer / vacation" option and after exceeding the limit value for the upper temperature sensor of the heater, turns on the water circuits: boiler, heating auxiliary rooms, basements and garage, bathrooms, fireplace and at the end of heating the living quarters.

Korzystnym jest, gdy sterowanie pracą zespołu pompowego obwodu kolektora słonecznego prowadzone jest ze sterownika kolektora słonecznego na podstawie różnicy temperatur między czujnikiem temperatury kolektora słonecznego a zabudowanym na poziomie dolnego wymiennika ciepła dolnym czujnikiem temperatury podgrzewacza.It is advantageous when the control of the pump unit of the solar collector circuit is carried out from the solar collector controller on the basis of the temperature difference between the temperature sensor of the solar collector and the lower temperature sensor of the heater installed at the level of the lower heat exchanger.

Sposób sterowania według wynalazku przybliżony jest opisem sterowania przykładowej, zintegrowanej instalacji wodnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej w jednorodzinnym budynku mieszkalnym, instalacji której schemat pokazany jest na rysunku.The control method according to the invention is an approximate description of the control of an exemplary integrated water heating and domestic hot water system in a single-family residential building, the system of which is shown in the drawing.

PL 216 949 B1PL 216 949 B1

Zintegrowana instalacja ogrzewania i ciepłej wody użytkowej zasilana jest energią z trzech źródeł ciepła: zabudowanego na dachu budynku kolektora słonecznego 1, kominka z płaszczem wodnym 2 i gazowego, kondensacyjnego kotła 3. Obieg cieczy kolektora słonecznego 1 zamknięty jest przez dolny wymiennik ciepła 4 w pionowym zbiorniku podgrzewacza pojemnościowego 5 ciepłej wody użytkowej cwu, o pojemności zbiornika przykładowo 300 litrów. Pracą zespołu pompowego 6 obwodu kolektora słonecznego 1 kieruje sterówek kolektora słonecznego 7 na podstawie różnicy temperatur między czujnikiem temperatury kolektora słonecznego 8 a zabudowanym na poziomie dolnego wymiennika ciepła 4 dolnym czujnikiem temperatury podgrzewacza 9. Kominek z płaszczem wodnym 2 i kocioł 3 połączone są z odbiornikami ciepła poprzez centralny rozdzielacz 10 sterowany ze sterownika rozdzielacza 11 według sygnałów górnego czujnika temperatury podgrzewacza 12 oraz czujnika temperatury płaszcza wodnego kominka 13. Centralny rozdzielacz 10 połączony jest z górnym wymiennikiem ciepła 15 w podgrzewaczu pojemnościowym 5. Sterownik rozdzielacza 11 nadzoruje również pracę zespołu pompowego kominka 14. Odbiornikami ciepła oprócz ciepłej wody użytkowej cwu są wymienniki obwodów ogrzewania pomieszczeń pomocniczych piwnic i garażu 01, łazienki 02 oraz pomieszczeń mieszkalnych 03, przykładowo ogrzewania podłogowego.Integrated heating and domestic hot water installation is supplied with energy from three heat sources: a solar collector 1 built on the roof of the building, a fireplace with a water jacket 2 and a gas condensing boiler 3. The liquid circuit of the solar collector 1 is closed by the lower heat exchanger 4 in the vertical tank DHW cylinder 5 with a tank capacity of, for example, 300 liters. The operation of the pump unit 6 of the solar collector 1 circuit is controlled by the wheelhouses of the solar collector 7 based on the temperature difference between the temperature sensor of the solar collector 8 and the lower heater temperature sensor installed at the level of the lower heat exchanger 4. through the central distributor 10 controlled from the distributor controller 11 according to the signals of the upper heater temperature sensor 12 and the fireplace water jacket temperature sensor 13. The central distributor 10 is connected to the upper heat exchanger 15 in the capacitive heater 5. The distributor controller 11 also supervises the operation of the fireplace pump unit 14. Apart from domestic hot water, heat receivers are heat exchangers for heating circuits in auxiliary rooms, basements and garage 01, bathroom 02 and living rooms 03, e.g. underfloor heating.

Uszkodzenie kolektora słonecznego 1 w wyniku przegrzania może wystąpić w okresie lata przy wyłączonym ogrzewaniu budynku oraz w sytuacji gdy ilość ciepła doprowadzona z kolektora słonecznego 1 do podgrzewacza pojemnościowego 5 jest większa od ilości ciepła odprowadzanego pobieraniem ciepłej wodzie użytkowej na potrzeby higieniczne i kulinarne. Niebezpieczeństwo narasta w warunkach kilkudniowej nieobecności mieszkańców podczas dni o wysokiej temperaturze i dużym nasłonecznieniu bezchmurnego nieba.Damage to the solar collector 1 as a result of overheating may occur during the summer with the heating of the building turned off and in a situation where the amount of heat supplied from the solar collector 1 to the storage heater 5 is greater than the amount of heat dissipated by taking hot utility water for hygienic and culinary purposes. The danger increases when the inhabitants are absent for several days during the days with high temperature and sunshine of the cloudless sky.

Jeżeli temperatura w podgrzewaczu pojemnościowym 5 przekroczy wartość wyznaczoną jako progowa, wówczas sygnał górnego czujnika temperatury podgrzewacza 12 podany do sterownika rozdzielacza 11 otwiera w centralnym rozdzielaczu 10 przepływ wody z górnego wymiennika ciepła 15 do obwodu płaszcza wodnego kotła 3. Gdy mimo odprowadzania ciepła do obwodu kotła 3, po chwilowym spadku temperatura w podgrzewaczu pojemnościowym 5 dalej wzrasta do wartości progowej wówczas oprogramowanie sterownika rozdzielacza 11 w opcji „lato/urlop” powoduje kolejne otwieranie obwodów wodnych: ogrzewania pomieszczeń pomocniczych piwnic i garażu 01, a w dalszej kolejności łazienki 02, kominka 2 i na końcu ogrzewania pomieszczeń mieszkalnych 03. W krańcowym przypadku, osiągalnym tylko teoretycznie, nadwyżka ciepła odbierana jest z górnego wymiennika 15 do pojemności wodnej całej instalacji zintegrowanego ogrzewania. Zaprogramowana kolejność włączania obwodów wodnych w ostatnim etapie otwiera obwody w pomieszczeniach mieszkalnych, co pozwala w większości przypadków na temperaturowo niedokuczliwe odczucia powracającym mieszkańcom.If the temperature in the capacity heater 5 exceeds the value determined as the threshold value, then the signal of the upper heater temperature sensor 12 supplied to the manifold controller 11 opens in the central manifold 10 the flow of water from the upper heat exchanger 15 to the boiler water jacket circuit 3. In spite of heat dissipation to the boiler circuit 3, after a temporary decrease, the temperature in the capacity heater 5 further increases to the threshold value, then the software of the manifold controller 11 in the "summer / holiday" option causes the next opening of water circuits: heating auxiliary rooms, basements and garage 01, and then bathroom 02, fireplace 2 and at the end of the heating of the living quarters 03. In an extreme case, which is only theoretically achievable, the surplus heat is taken from the upper exchanger 15 to the water capacity of the entire integrated heating system. The programmed sequence of switching on the water circuits in the last stage opens the circuits in the living quarters, which in most cases allows the returning residents to experience temperature-resistant feelings.

Claims

1.Control method that protects the solar collector against overheating in an integrated installation of water heating of a residential building, especially a single-family building, including, in addition to a fixed solar collector (1) - with a closed circuit through the lower heat exchanger (4) in the vertical tank of the hot water heater (5) domestic hot water (DHW) - also: a fireplace with a water jacket (2) and a boiler (3), connected to many heat receivers (01.02.03) through a central distributor (10) connected to the upper heat exchanger (15) in the storage heater ( 5) and which is controlled from the distributor controller (11) according to the signals of the upper heater temperature sensor (12) and the temperature sensor (13) of the water jacket of the fireplace (2), characterized in that it consists in removing excess heat energy from the solar collector circuit (1) ) through the upper heat exchanger (15) of the storage heater (5) to the water circuits of currently unused heat sources a (3,2) and receivers (01,02,03), with subsequent selection of individual circuits by the microprocessor controller of the distributor (11), which with the software option "summer / vacation and after exceeding the limit value for the upper heater temperature sensor ( 12) turns on the water circuits in turn; boiler (3), auxiliary space heating basement and garage (01), bathroom (02), fireplace (2) and finally heating the living quarters (03).

2. The method according to p. The method of claim 1, characterized in that the control of the pump unit (6) of the solar collector circuit (1) is carried out from the solar collector controller (7) based on the temperature difference between the temperature sensor of the solar collector (8) and the heat exchanger (4) installed at the level of the lower heat exchanger. the lower heater temperature sensor (9).