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Dokumentenidentifikation DE102007022021A1 15.11.2007
Titel Autoadaptive Regelung für thermische Solaranlagen
Anmelder Böhringer, Volker, 75417 Mühlacker, DE
Erfinder Böhringer, Volker, 75417 Mühlacker, DE
DE-Anmeldedatum 08.05.2007
DE-Aktenzeichen 102007022021
Offenlegungstag 15.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.11.2007
IPC-Hauptklasse F24J 2/40(2006.01)A, F, I, 20070508, B, H, DE
Zusammenfassung In thermischen Solaranlagen erfolgt die Zuführung von Wärme aus einem Solarkollektor in einen Speicher über Ein- und Ausschaltkriterien für eine Fördereinrichtung. Diese basieren auf der Erfassung der Temperatur des Wärmeträgers im Solarkollektor und im Wärmespeicher. Die Temperaturerfassung im Solarkollektor unterliegt hierbei wesentlichen Mängeln, wodurch die Ein-Ausschaltkriterien verfälscht werden und der Anlagenwirkungsgrad (Wärmegewinn) vermindert wird. Die adaptive Solarregelung gleicht die im Solarkollektor gemessene Temperatur mit der Fluidtemperatur in der Verbindungsrohrleitung ab und kann dadurch den Wärmeertrag wesentlich verbessern.

Beschreibung[de]

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des Hauptanspruchs. Üblicherweise wird die Pumpe einer thermischen Solaranlage über einer Zweipunktregler mit Hystere oder eine modulierende Regelung gemäß EP 0880659 geregelt.

Sobald die Temperatur des Solarkollektors um einen betimmten Betrag über der Temperatur des Wärmespeichers liegt, wird eine Pumpe eingeschaltet, die einen Wärmeträger von einem Solarkollektor in einen Wärmespeicher pumpt. Dort gibt der Wärmeträger einen Teil seiner Wärme ab und fließt in der Rücklaufleitung wieder dem Solarkollektor zu. Verringert sich die Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher unter einen fest vorgegebenen Wert wird die Pumpe ausgeschaltet.

Nachteilig an diesen Regelungsverfahren ist, daß bauartbedingte Fehler in der Temperaturerfassung, insbesondere im Bereich des Kollektors, nicht berücksichtigt werden und es dadurch zu wesentlichen Energieverlusten durch Rückkühlung und verlängerte Pumpenlaufzeiten kommt. Weiterhin ist bekannt, den Volumenstrom im Betrieb in Abhängigkeit vom absoluten Wert und dem Gradienten der Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und Speicher zu regeln, sowie nach einem Verfahren mit Leistungsanpassung (DE-U-9207743) bei dem versucht wird, den Energieeintrag des Solarkollektors in den Wärmespeicher dadurch zu optimieren, daß der zeitliche Gradient der Kollektortemperatur und der zeitliche Gradient der Temperaturdifferenz des Wärmeträgers beim Eintritt in den Wärmespeicher und beim Austritt aus dem Wärmespeicher berücksichtigt wird. Diesen Verfahren ist gemeinsam, daß sie im wesentlichen auf der Grundlagen der gemessenen Temperatur des Kollektors und des Speichers den Durchfluß des Wärmeträgers durch Kollektor und Speicher regeln.

Die Erfindung mit den kennzeichnenden Merkmalen der Anspüche hat demgegenüber die Vorteile, daß die Fördereinrichtung nur dann eingeschaltet wird, wenn die tatsächlichen Temperaturen des Mediums insbesondere im Kollektor und Speicher den für das jeweilige Ein-/Ausschaltkriterium zugrunde gelegten Werten entsprechen. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird deshalb nach einer vorgegebenen Betriebsdauer der Fördereinrichtung die Differnz der gemessenen Temperatur des Fühlers im Kollektors mit der gemessenen Temperatur des Solarvorlaufs verglichen und dieser Messwert als Korrekturfaktor gespeichert. Dieser Korrekturfaktor wird additiv dem Ein- und Ausschaltkriterium sowie dem jeweilgen Kriterium zur Regelung zur Regelung der Fördereinrichtung hinzugefügt.

Nach einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird ein gleitender Korrekturfaktor gebildet und an Stelle der einmaligen Korrektur vor jedem Einschalten dieser gleitende Korrekturfaktor addiert.

Nach einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahren wird die solare Leistung gemessen, insbesondere durch Bildung der Temperaturdifferenz zwischen dem solaren Vor- und Rücklauf gewichtet mit dem Volumenstrom und der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeträgers und die Fördereinrichtung abgeschaltet, wenn die solare Leistung nach einer bestimmten Zeit einen vorgegebenen Wert unterschreitet.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen sind der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

1: eine Darstellung des geregelten Systems.

In 1 ist ein Solarkollektor 1 dargestellt, der über Verbindungsleitungen 4 und 5 mit einem Wärmespeicher 2 verbunden ist. Der im Solarkollektor 1 auf die Temperatur T1 erwärmte Wärmeträger wird von einer Pumpe 6 durch die Verbindungsleitung 4 (Vorlauf) mit der Temperatur T3 in den im Wärmespeicher 2 befindlichen Wärmetauscher 3 gefördert. Dort gibt er seine Wärme ab und verläßt mit der Temperatur T4 den Wärmetauscher 3 und den Speicher 2. In der Verbindungsleitung 5 (Rücklauf) strömt er zurück in den Solarkollektor, um, ausreichende Einstrahlung vorausgesetzt, wieder erwärmt zu werden.

Das Rückschlagventil 7 dient dazu, bei abgeschalteter Pumpe unerwünschte Rückflüsse des Wärmeträgers aus dem Speicher in den Solarkollektor 1 zu unterbinden. Der Wärmeverbraucher 8 ist in diesem Beispiel ein Gebäude, welches alternativ aus dem Wärmespeicher 2 oder mit einem hier nicht dargestellten anderen Wärmeerzeuger (Heizkessel) heizbar ist. Der Wärmeverbraucher 8 kann aber auch eine Dusche, eine Waschmaschine, ein endothermer Produktionsprozess oder dgl. sein.

Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Bewirtschaftung eines Wärmespeichers auch eingesetzt werden, wenn anstelle des Solarkollektors 1 Wärmetauscher, Wärmerohre oder Abwärmequellen als Energiesammler für den Wärmespeicher 2 dienen.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

1
Solarkollektor
2
Wärmespeicher
3
Wärmetauscher
4
Verbindungsrohrleitung zwischen Ausgang des Solarkollektors und Eingang des Wärmtauschers
5
Verbindungsrohrleitung zwischen Ausgang des Wärmetauschers und Eingang des Solarkollektors
6
Pumpe
7
Rückschlagventil
8
Wärmeverbraucher
T1
Mittlere Temperatur des Wärmeträgers im Solarkollektor
T2
Mittlere Temperatur des Wärmeträgers in der Verbindungsrohrleitung zwischen Ausgang des Solarkollektors und Eingang des Wärmetauschers
T3
Temperatur des Wärmeträgers am Eingang des Wärmetauschers
T4
Temperatur des Wärmeträgers am Ausgang des Wärmetauschers
T5
Temperatur des Wärmespeicher (unten), Referenztemperatur Solarwärmetauscher im Speicher


Anspruch[de]
Verfahren zur Bewirtschaftung des thermischen Speichers einer Solaranlage gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

1.1 ermitteln der tatsächlich an einem Sensor gemessenen Temperatur T1 des Wärmeträgers in einem Solarkollektor (1);

1.2 einschalten einer Einrichtung (6) zur Förderung des Wärmeträgers aus dem Energiesammler (1) in den Wärmespeicher (2) bei Zutreffen mindestens eines Einschaltkriteriums, vorzugsweise auf der Basis einer Temperturdifferenz zwischen Solarkollektor (1) und Speicher (2);

1.3 ermitteln der tatsächlich an einem Sensor gemessenen Temperatur T1 des Wärmeträgers im Solarkollektor (1) bei Zutreffen mindestens der folgenden Bedingung:

1.3.1 Es wurde nach einem beliebigen Einschaltkriterium gemäß 1.2 eingeschaltet und mindestens das n-fache des Füllvolumens des Abschnitts der Verbindungsrohrleitung (4) zwischen dem Solarkollektor (1) und der Position des Rohrleitungsfühlers an der Verbindungsrohrleitung (4) zur Ermittlung der Temperatur T2 gefördert;

1.4 ermitteln der tatsächlich an einem Sensor gemessenen Temperatur T2 des Wärmeträgers in der Verbindungsrohrleitung (4) zwischen Ausgang des Solarkollektors und Eingang des Wärmetauschers (3) im Wärmespeicher (2) bei Zutreffen mindestens der folgenden Bedingung:

1.4.1 Es wurde nach einem beliebigen Einschaltkriterium gemäß 1.2 eingeschaltet und mindestens das n-fache des Füllvolumens des Abschnitts der Verbindungsrohrleitung (4) zwischen dem Solarkollektor (1) und der Position des Rohrleitungsfühlers an der Verbindungsrohrleitung (4) zur Ermittlung der Temperatur T2 gefördert;

1.4 ermitteln der Temperaturdifferenz zwischen der an dem Solarkollektor (1) gemäß 1.3 gemessenen Temperatur T1 und der zeitgleich gemäß 1.4 an der Verbindungsrohrleitung (4) gemessenen Temperatur T2;

1.5 Adaptive Korrektur des beliebigen Ein- und Ausschaltkriteriums für die Fördereinrichtung (6) durch die gemäß 1.4 ermittelte Temperaturdifferenz, vorzugsweise durch Abgleich des Wertes der gemessenen Temperatur T1 des Solarkollektors auf den Wert der gemessenen Temperatur T2 der Verbindungsrohrleitung (4);

1.6 Ein- und Ausschalten der Fördereinrichtung (6) gemäß dem korrigierten, beliebigen Ein- und Ausschaltkriterium für die Fördereinrichtung (6).
Verfahren zur Bewirtschaftung des thermischen Speichers einer Solaranlage, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

2.1 einschalten der Fördereinrichtung einer thermischen Solaranlage nach einem beliebigen Verfahren;

2.2 regeln der Leistung der Fördereinrichtung des Volumenstroms auf eine konstante Temperaturdifferenz zwischen Kollektor und dem wärmeren der beiden Temperaturfühler T5 im Speicher unten oder T4 am Ausgang des Wärmetauschers.

2.3 abschalten einer Fördereinrichtung nach einem beliebigen Verfahren, spätestens jedoch dann, wenn nach einer anlagenspezifischen Mindestlaufzeit der Fördereinrichtung die Temperaturdifferenz zwischen dem Fühler T3 am Wärmetauschereingang und dem Fühler T4 einen einstellbaren Wert unterschreitet;

2.4 Verfahren nach 2.3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestlaufzeit T größer ist als die Förderleistung geteilt durch die Summe der Füllvolumen des Wärmetauschers (3), der Verbindungsrohrleitung (4) und des Solarkollektors (1).






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