DE102005034296B3 - Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers mit einer Solaranlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung und/oder zur Gebäudebeheizung, wobei die Solaranlage mindestens einen Solarkollektor aufweist, der an einen Solarkreis mit Pumpe angeschlossen ist, in dem eine Solarflüssigkeit als Wärme übertragendes Medium zirkuliert, wobei mittels der Solarflüssigkeit die aus der Solarenergie gewonnene Wärme auf das Wasser eines Warmwasserspeichers zur Warmwasserbereitung und/oder auf das Heizmedium eines Heizungskreises zur Gebäudebeheizung übertragen wird, wobei die Temperatur des Wassers im Warmwasserspeicher und/oder die Temperatur des Heizmediums im Heizungskreis jeweils auf einen Solltemperaturwert geregelt wird und wobei ein Kollektortemperaturfühler und ein Speichertemperaturfühler im unteren Bereich des Warmwasserspeichers vorgesehen sind. DOLLAR A Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Heizungsanlage mit einer Solaranlage zu optimieren. DOLLAR A Gekennzeichnet ist das Verfahren dadurch, dass der Solarertrag aus mindestens einem vorangegangenen Zeitraum erfasst wird, dass damit eine Vorausbestimmung des aktuell zu erwartenden Solarertrages erfolgt und dass der Solltemperaturwert des Warmwasserspeichers, der Solltemperaturwert im Heizungskreis und/oder der Solltemperaturwert des Wärmeerzeugers auf Basis des zu erwartenden Solarertrages variiert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung und/oder zur Gebäudebeheizung nach dem Oberbegriff Solaranlagen zur Warmwasserbereitung und/oder zur Gebäudebeheizung weisen Sonnenkollektoren auf, die an einen Solarkreis mit einer Solarflüssigkeit als Wärmeträgermedium angeschlossen sind, mit dem die Solarwärme auf einen Warmwasserspeicher und/oder auf einen Heizungskreislauf der Gebäudebeheizung übertragen wird.
• Die Warmwasserspeicher besitzen einen Wärmetauscher im unteren Bereich zur Übertragung der Wärme aus dem Solarkreislauf an das Wasservolumen. Da die solare Wärme nicht unbegrenzt zur Verfügung steht, weisen derartige Warmwasserspeicher in der Regel einen weiteren Wärmetauscher auf, mit dem nur der obere Bereich durch eine so genannte Nachladung über den Wärmeerzeuger erwärmt werden kann, wenn ein Temperaturfühler in dieser Zone eine zu geringe Wassertemperatur ermittelt. Der Sollwert der Warmwassertemperatur wird am Regler des Wärmeerzeugers eingegeben. Er entspricht einer Ausschalttemperatur, die über eine Schalthysterese mit einer Einschalttemperatur, d. h. dem Beginn der Nachladung, in Zusammenhang steht.
• Für einen günstigen Wirkungsgrad der Solaranlage ist es natürlich wichtig, dass vorrangig das solare Wärmeangebot zum Aufheizen des Warmwasserspeichers und/oder zur Heizungsunterstützung dient, und dass eine Nachladung durch den Wärmeerzeuger nach Möglichkeit nur in wenigen Fällen erfolgt, um eine gute Energiebilanz zu bekommen. Ein zu hoch eingestellter Sollwert für die Temperatur des Wassers im Warmwasserspeicher würde daher zu einer geringeren Speicherfähigkeit für solare Energie führen. Andererseits wurde vorgeschlagen, den Sollwert der Warmwassertemperatur möglichst niedrig einzu stellen. Dabei sind allerdings recht schnell die Grenzen im Hinblick auf mangelhaften Warmwasserkomfort erreicht, beispielsweise bei plötzlich auftretenden hohen Zapfraten und gleichzeitig geringer Sonneneinstrahlung.
• Zur Optimierung des Ertrags von Solaranlagen ist beispielsweise aus der DE 43 33 506 C1 bekannt, aus der Temperatursteigerung anhand des aktuellen Solarertrages am Vortag auf die Situation des aktuellen Tages zu schließen. Je nach dem zu erwartenden Aufheizbeginn durch die Solaranlage wägt ein Regler ab, ob ein Nachheizen des Warmwasserspeichers durch einen Wärmeerzeuger notwendig ist.
• Eine Aufladeregelung für einen Warmwasserspeichers ist aus der DE 195 24 352 A1 bekannt, bei der ein Hinzuschalten des Wärmeerzeugers nur dann erfolgt, wenn die vorgegebene Solltemperatur bis zum Beginn der Hauptentnahme nicht ausreicht. Zu diesem Zweck wird die Temperatursteigerung im Warmwasserspeicher ermittelt und anhand des Temperaturgradienten die bis zu diesem Zeitpunkt erreichte Temperatur unter Anwendung einer Fuzzy-Logik als Kriterium für das Nachladen mittels des Wärmeerzeugers herangezogen.
• Bei einem aus DE 198 56 344 C1 bekannten Verfahren zum Regeln der Nachladung eines Warmwasserspeichers wird der Sollwert der Warmwassertemperatur nach dem aktuellen Solarertrag und/oder nach der eingespeisten Energie im Warmwasserspeicher eingestellt. Dabei wird der Solarertrag mit zwei Temperaturfühlern im unteren und oberen Bereich des Warmwasserspeichers bestimmt, indem jeweils die Änderung der Temperaturen pro Zeiteinheit erfasst und addiert werden. Ist die Änderung positiv, wird der Sollwert der Warmwassertemperatur um einen bestimmten Betrag abgesenkt.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Heizungsanlage mit einer Solaranlage zu optimieren.
• Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
• Das Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung und/oder zur Gebäudebeheizung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Solltemperaturwert des Warmwasserspeichers, der Solltemperaturwert im Heizungskreis und/oder der Solltemperaturwert des Wärmeerzeugers auf Basis des zu erwartenden Solarertrages variiert wird und dass der Solarertrag über die mittlere Kollektortemperatur im betrachteten Zeitraum, die mittlere Speichertemperatur im unteren Bereich des Warmwasserspeichers im betrachteten Zeitraum sowie die Laufzeit der Pumpe im Solarkreis im betrachteten Zeitraum ermittelt wird.
• Dazu wird die Laufzeit der Pumpe im Solarkreis mit der Temperaturdifferenz aus der mittleren Kollektortemperatur und der mittleren Speichertemperatur im unteren Bereich des Warmwasserspeichers multipliziert. Zusätzlich wird der ermittelte Solarertrag im betrachteten Zeitraum an die Anlagenverhältnisse mit einem Faktor angepasst. Dieser wird unter Berücksichtigung von Eingabewerten zum Solarkollektortyp, zur Größe des Kollektorfeldes und zum Standort der Solaranlage aus im Regelgerät hinterlegten Werten ermittelt. Hierzu kann vorzugsweise vom Bediener aus Vorgabewerten ausgewählt werden.
• Ergänzend dazu kann ein maximal möglicher Solarertrag für den betrachteten Zeitraum unter Berücksichtigung der spezifischen maximalen Kollektorleistung ermittelt und mit einem abgeschätzten Wert für einen maximal möglichen Solarertrag verglichen werden. Es wird damit eine Korrektur des Faktors für die Anlagenverhältnisse vorgenommen, nämlich indem der Quotient aus dem maximal möglichen Solarertrag und dem dafür abgeschätzten Wert mit dem Faktor für die Anlagenverhältnisse multipliziert wird.
• Vorzugsweise erfolgt die Adaption des Faktors für die Anlagenverhältnisse in regelmäßigen Abständen. Es kann dabei ein Anzeigesignal ausgegeben werden, wenn der abgeschätzte Wert für einen maximal möglichen Solarertrag vom tatsächlichen stark abweicht. Dies kann beispielsweise vorkommen, wenn der Massenstrom im Solarkreis zu hoch oder zu niedrig ist.
• Mit der Erfindung steht ein einfaches Verfahren zur Steuerung bzw. Regelung für einen Wärmeerzeuger zur Verfügung, welches den aktuellen mit dem zu erwartenden Solarertrag verknüpft und dementsprechend den Solltemperaturwert des Warmwasserspeichers, den Solltemperaturwert im Heizungskreis und/oder des Wärmeerzeugers im Verhältnis zum Energieeintrag aus der Solaranlage variiert. Dazu sind nur wenige, klar für den Bediener verständliche und nachprüfbare Parameter einzustellen. Dies sind im Wesentlichen Angaben zum Solarkollektortyp, zur Größe des Kollektorfeldes und zum Standort der Solaranlage.
• Die Anwendung des Verfahrens zur Warmwasserbereitung sieht vor, dass das Nachladen des Warmwasserspeichers durch Hinzuschalten des Wärmeerzeugers soweit unterbunden wird, wie der zu erwartende Solarertrag die notwendige Erwärmung des Wassers im Warmwasserspeicher vornimmt. Dadurch wird bei der Warmwasserbereitung ein besserer Wirkungsgrad erzielt, indem zum Aufheizen des Warmwasserspeichers vorrangig die Solarenergie genutzt wird. Unnötige Nachladevorgänge vermieden und gleichzeitig der gewünschte Warmwasserkomfort bereitgestellt. Die Nachladung eines Warmwasserspeichers durch den Wärmeerzeuger ist somit unabhängig von Anlagen- und Umgebungsverhältnissen, wie zum Beispiel der Wetterlage, und passt sich den Betriebsbedingungen selbständig an.
• Die Berücksichtigung des zu erwartenden Solarertrages hinsichtlich der Gebäudebeheizung zielt darauf ab, die Erwärmung der Räume durch den passiven Strahlungsgewinn, der in den Räumen zu einer zusätzlich Erwärmung beiträgt, zu berücksichtigen. Dies geschieht dadurch, dass die Solltemperatur des Heizungskreises auf den korrigierten Solltemperaturwert zumindest annähend um den Betrag reduziert wird, den der passive Strahlungsgewinn zur Aufheizung der Räume beiträgt. Dadurch wird eine Überhitzung der Räume durch die solare Einstrahlung, die durch den zu erwartenden Solarertrag erreicht wird, verhindert.
• Für die Bestimmung des Solarertrags wird keine Messeinrichtung zur Erfassung des Volumenstroms im Solarkreislauf benötigt, denn es werden lediglich Messwerte von vorhandenen Temperaturfühlern ausgewertet. Eine Integration in den Regler eines Wärmeerzeugers ist leicht möglich.
• Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einem Diagramm die Solltemperatur eines Warmwasserspeichers, aufgetragen über dem Solarertrag.
• Auf Basis der beiden Bilanzen wird die Solltemperatur im Bereitschaftsteil des Warmwasserspeichers in Abhängigkeit vom Solarertrag variiert. Dies erfolgt innerhalb eines Einstellbereiches mit einem maximalen Solltemperaturwert (T_SetMAX) und einem minimalen Soll temperaturwert (T_SetMIN). Im Ausführungsbeispiel verläuft die Abhängigkeit vom Solarertrag linear. Je höher der zu erwartende Solarertrag, desto tiefer ist die Absenkung des Solltemperaturwertes.
• Ein maximal möglicher Solarertrag (Q_SolMAX) für einen betrachteten Zeitraum wird unter Berücksichtigung der spezifischen maximalen Kollektorleistung ermittelt. Diesem maximal möglichen Solarertrag (Q_SolMAX) ist der minimale Solltemperaturwert (T_SetMIN) zugeordnet.

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung und/oder zur Gebäudebeheizung, wobei die Solaranlage mindestens einen Solarkollektor aufweist, der an einen Solarkreis mit Pumpe angeschlossen ist, in dem eine Solarflüssigkeit als Wärme übertragendes Medium zirkuliert, wobei mittels der Solarflüssigkeit die aus der Solarenergie gewonnene Wärme auf das Wasser eines Warmwasserspeichers zur Warmwasserbereitung und/oder auf das Heizmedium eines Heizungskreises zur Gebäudebeheizung übertragen wird, wobei die Temperatur des Wassers im Warmwasserspeicher und/oder die Temperatur des Heizmediums im Heizungskreis jeweils auf einen Solltemperaturwert geregelt wird, wobei ein Kollektortemperaturfühler und ein Speichertemperaturfühler im unteren Bereich des Warmwasserspeichers vorgesehen sind, wobei der Solarertrag aus mindestens einem vorangegangenen Zeitraum erfasst wird, und wobei damit eine Vorausbestimmung des aktuell zu erwartenden Solarertrages erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Solltemperaturwert des Warmwasserspeichers, der Solltemperaturwert im Heizungskreis und/oder der Solltemperaturwert des Wärmeerzeugers auf Basis des zu erwartenden Solarertrages variiert wird und dass der Solarertrag über die mittlere Kollektortemperatur im betrachteten Zeitraum, die mittlere Speichertemperatur im unteren Bereich des Warmwasserspeichers im betrachteten Zeitraum sowie die Laufzeit der Pumpe im Solarkreis im betrachteten Zeitraum ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Solarertrag im betrachteten Zeitraum aus der Multiplikation der Laufzeit der Pumpe im Solarkreis mit der Temperaturdifferenz aus der mittleren Kollektortemperatur und der mittleren Speichertemperatur im unteren Bereich des Warmwasserspeichers ergibt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Solarertrag im betrachteten Zeitraum an die Anlagenverhältnisse mit einem Faktor angepasst wird, welcher unter Berücksichtigung von Eingabewerten zum Solarkollektortyp, zur Größe des Kollektorfeldes und zum Standort der Solaranlage aus im Regelgerät hinterlegten Werten ermittelt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximal möglicher Solarertrag (Q_SolMAX) für den betrachteten Zeitraum unter Berücksichtigung der spezifischen maximalen Kollektorleistung ermittelt und mit einem abgeschätzten Wert für einen maximal möglichen Solarertrag (Q_SolMAX) verglichen wird, wobei der Faktor für die Anlagenverhältnisse korrigiert wird, indem der Quotient aus dem maximal möglichen Solarertrag (Q_SolMAX) und dem dafür abgeschätzten Wert mit dem Faktor für die Anlagenverhältnisse multipliziert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Adaption des Faktors für die Anlagenverhältnisse in regelmäßigen Abständen erfolgt, wobei ein Anzeigesignal ausgegeben wird, wenn der abgeschätzte Wert für einen maximal möglichen Solarertrag (Q_SolMAX) vom tatsächlichen stark abweicht, insbesondere weil der Massenstrom im Solarkreis zu hoch oder zu niedrig ist.