DE102009024355A1

DE102009024355A1 - Solar-Heizungssystem

Info

Publication number: DE102009024355A1
Application number: DE102009024355A
Authority: DE
Inventors: Helmut Roppelt
Original assignee: HPF GmbH
Current assignee: HPF GmbH
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2010-12-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solar-Heizungssystem (1) zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie, mit einer Heizeinrichtung (4), insbesondere einer Kesselheizung, einem eine Heizungspumpe (11) und einen Heizkörper (8) enthaltenden Heiz-Kreislauf (2), welcher mit der Heizeinrichtung (4) über eine Vorlaufleitung (6) und eine Rücklaufleitung (7) verbindbar ist, einem Boiler-Speicher-Kreislauf (3), der einen Brauchwasserspeicher (14) und eine Boilerladepumpe (13) zum Fördern eines im Boiler-Speicher-Kreislauf (3) geführten Wärmetransportmediums umfasst, sowie mit einer zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20), welche die Heizungspumpe (11), die Boilerladepumpe (13) und die Heizeinrichtung (4) steuert, sich dadurch auszeichnend, dass das Solar-Heizungssystem wenigstens einen Solarkollektor (9) umfasst, der mit der Vor- und Rücklaufleitung (6, 7) des Heizkreislaufes (2) über ein durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung betätigbares Anschlussventil (23) verbindbar ist, und dass der Boiler-Speicher-Kreislauf (3) mit der Rücklaufleitung (7) über ein 3-Wege-Umschaltventil (12) verbindbar ist, um ein in der Rücklaufleitung (7) geführtes Wärmetransportmedium über den Boiler-Speicher-Kreislauf (3) zur Heizeinrichtung (4) umzuleiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solar-Heizungssystem zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei bekannten Heizungssystemen mit einer Kesselheizung und einem daran angeschlossenen Heizkreislauf zum Beheizen der Räume in einem Gebäude sowie einem integrierten Boiler-Kreislauf zum Erwärmen von Brauchwasser, ist es aus ökologischer und ökonomischer Sicht erwünscht, den Betrieb des Brenners in der Kesselheizung auf ein Minimum zu reduzieren.
Daher werden bestehende und neue Heizungssysteme in zunehmendem Maße mit Anlagen zur Wärmeerzeugung aus regenerativen Energien erweitert, wobei sich insbesondere Anlagen mit Solarkollektoren anbieten. Die Solarkollektoren werden üblicherweise unter Verwendung eines eigens für den oder die Kollektoren installierten Kreislaufs mit einem zusätzlich verwendeten Wärmetauscher in das bestehende Heizungssystem integriert.
Hierbei ergibt sich das Problem, dass die Einbindung des Wärmetauschers in den bestehenden Heizkreislauf nur an wenigen, gut zugänglichen Stellen möglich ist, da zusätzliche Leitungen zum Anschließen der Solarkollektoren verlegt werden müssen. Dies ist jedoch meist nur schwer durchzuführen und aus baulichen Gründen nicht immer möglich.
Ein weiteres Problem, das sich bei den bekannten Solar-Heizungssystemen ergibt, besteht darin, dass bei einer Verwendung eines Wärmetauschers stets auch Wärmeübergangsverluste auftreten und die Erwärmung des Mediums stromabwärts eines Wärmetauschers dadurch erst mit einer zeitlichen Verzögerung erfolgt, wodurch das System thermisch träge wird und nur schlecht auf kurzzeitige schnelle Änderungen reagiert.
Demgemäß ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solar-Heizungssystem zu schaffen, welches kostengünstig und ohne große bauliche Maßnahmen in bestehende Heizungssysteme integriert und jederzeit nach Bedarf erweitert werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz eines solchen Solar-Heizungssystems weiter zu steigern und die Ansprechzeit des Systems zu verkürzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Solar-Heizungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Gemäß der Erfindung umfasst ein Solar-Heizungssystem zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie eine Heizeinrichtung, die insbesondere als Kesselheizung ausgestaltet ist, und die z. B. einen Ölbrenner oder einen mit dem öffentlichen Fernwärmeleitungsnetz verbundenen Wärmetauscher aufweist, welcher einen Heizkessel mit Wärmeenergie beaufschlagt. An die Heizeinrichtung ist ein Heizkreislauf angeschlossen, der eine Heizungspumpe, z. B. eine bekannte Förderpumpe und einen Heizkörper enthält, welcher mit der Heizeinrichtung über eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung verbindbar ist.
Das erfindungsgemäße Heizungssystem umfasst weiterhin einen Boiler-Speicher-Kreislauf, der einen Brauchwasserspeicher und eine Boilerladepumpe enthält, die ein im Boiler-Speicher-Kreislauf geführtes Wärmetransportmedium, z. B. Wasser, welches mit einem Frostschutzmittel versetzt sein kann, durch den Boiler-Speicher-Kreislauf fördert.
Das Heizungssystem weist weiterhin eine zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung auf, welche mit wenigstens einer Temperaturmesseinrichtung sowie der Heizungspumpe, der Boilerladepumpe und/oder der Heizeinrichtung verbunden ist. Die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung erfasst hierbei Temperaturmesswerte der Temperaturmesseinrichtung, wertet diese aus und steuert die Heizungspumpe, die Boilerladepumpe und/oder die Heizeinrichtung in Abhängigkeit von den Temperaturmesswerten sowie einem oder mehreren Temperaturvorgabewerten gemäß einem vorgegebenen Steuerungsmodell, welches bevorzugt veränderbar ist.
Weiterhin umfasst das Solar-Heizungssystem wenigstens einen Solarkollektor, der mit der Vor- und Rücklaufleitung des Heizkreislaufes über ein durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung betätigbares Anschlussventil verbunden ist, so dass bei geöffnetem Ventil in vorteilhafter Weise das im Heizkreislauf geführte Wärmetransportmedium zur Aufnahme von Wärmeenergie von der Vorlaufleitung über den Solarkollektor in die Rücklaufleitung fließen kann. Der Boiler-Speicher-Kreislauf ist dabei mit der Rücklaufleitung des Heizkreislaufes über ein 3-Wege-Umschaltventil verbindbar, um ein in der Rücklaufleitung geführtes Wärmetransportmedium über den Boiler-Speicher-Kreislauf zur Heizeinrichtung umzuleiten. Des Weiteren ist ein zusätzlicher Pufferspeicher vorgesehen, der an den Boiler-Speicher-Kreislauf über ein weiteres, bevorzugt elektrisch betätigtes 3-Wege-Umschaltventil anschließbar ist, und die überschüssige, vom Solarkollektor bereitgestellte und durch das Wärmetransportmedium über die Rücklaufleitung transportierte Wärmeenergie aufnimmt und bei Bedarf wieder abgibt.
Das erfindungsgemäße Solar-Heizungssystem besitzt den Vorteil, dass durch Öffnen oder Schließen des Anschlussventils die im Solarkollektor gewonnene zusätzliche Wärmeenergie über eine bereits bestehende Rücklaufleitung in einem Gebäude in den Boiler-Speicher-Kreislauf eingebracht werden kann. Hier steht sie entweder zur Erwärmung von Brauchwasser in einem Brauchwasserspeicher für den momentanen Warmwasserbedarf zur Verfügung oder – sofern der Brauchwasserspeicher bereits mit dem Maximum an Wärmeenergie beladen ist – zur Speicherung in einem oder mehreren günstigen Pufferspeichern, aus denen sie zu einem späteren Zeitpunkt bei Bedarf mit geringem Aufwand wieder entnommen werden kann, ohne dass hierfür eine aufwändige Steuerung benötigt wird.
Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise im Winter den Betrieb des Heizungssystems mit zwei vollständig getrennten Wasserkreisläufen, so dass je nach Bedarf der Heizkreislauf und der Boiler-Speicher-Kreislauf unabhängig voneinander betrieben werden können. Im Sommer besteht hingegen die Möglichkeit, den Solarkollektor mit dem Brauchwasserspeicher sowie dem Pufferspeicher zu einem geschlossenen Kreislauf strömungsmäßig zu verbinden.
Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems lasst sich die durch den Solarkollektor gewonnene zusätzliche Wärmeenergie in vorteilhafter Weise zum Beheizen des Gebäudes oder zur Erzeugung von heißem Brauchwasser nutzen und der Einsatz von fossilen Brennstoffen weitestgehend reduzieren.
Dem Solarkollektor ist bevorzugt ein Wärmemengenzähler zugeordnet, der mit einer von der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung räumlich getrennten elektronischen Schaltung zur Übertragung von Mess- und/oder Steuersignalen verbunden ist.
Dies ermöglicht es, die Temperaturparameter des Wärmetransportmediums unmittelbar am Solarkollektor zu messen und nach deren Auswertung durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung das Anschlussventil des Solarkollektors zeitnah zu steuern, wodurch sich die Reaktionszeiten des Systems in vorteilhafter Weise verkürzen.
Dabei stellt es einen besonderen Vorteil dar, wenn die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung und die elektronische Schaltung über ein drahtloses Netzwerk, insbesondere ein Funk-Netzwerk oder über ein drahtgebundenes Netzwerk, wie beispielsweise ein Ethernet- oder ein Powerline-Netzwerk zum Datenaustausch miteinander verbunden sind, da in diesem Falle eine aufwändige Verlegung von zusätzlichen elektrischen Leitungen zu den jeweiligen elektronischen Komponenten entfallen kann. Die führt insbesondere bei der Nachrüstung des erfindungsgemäßen Solar-Heizsystems in einem mehrstöckigen Gebäude zu einer deutlichen Kostenreduzierung, da der oder die Solarkollektoren in der Regel auf dem Dach des Gebäudes montiert werden, die Heizeinrichtung hingegen üblicher Weise im Keller des Gebäudes untergebracht ist.
Sofern für den Datenaustausch zwischen der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung und der elektronischen Schaltung ein kabelgebundenes Netzwerk zum Einsatz gelangt, eröffnet sich insbesondere durch den erfindungsgemäßen Einsatz eines Powerline-Netzwerks die Möglichkeit, zum Datenaustausch auf bereits im Gebäude verlegte Stromleitungen zurück greifen zu können, wodurch sich die Kosten abermals senken lassen.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass wenigstens die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung zum Datenaustausch über ein angeschlossenes IP-Netzwerk mit dem Internet verbunden ist. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen, dass die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung beispielsweise die aktuellen Wetterdaten der kommenden Tage bevorzugt automatisch über einen Online-Wetterdienst beziehen kann, auf deren Basis dann das Aufladen eines oder mehrerer Pufferspeicher, bzw. das Ein- und Ausschalten der Heizeinrichtung sowie das Beladen des Brauchwasserspeichers erfolgt. Hierbei kann durch den Einsatz einer geeigneten Steuerungssoftware in der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung ein dem jeweiligen Bedarf an Wärmeenergie angepasstes Betriebsmodell für ein Gebäude erstellt werden, nach dessen Vorgaben ein optimaler Betrieb des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems ermöglicht wird.
Durch den Einsatz einer entsprechenden Steuerungssoftware, die bevorzugt eine durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung bereitgestellte Web-basierte Benutzeroberfläche besitzt, eröffnet sich ferner die Möglichkeit, dass beim Beladen des Brauchwasserspeichers oder der Pufferspeicher z. B. eine längere Abwesenheit eines Bewohners des Gebäudes mit berücksichtigt werden kann.
Weiterhin besteht beim Einsatz der zuvor erwähnten Web-basierten Oberfläche die Möglichkeit, dass über die Oberfläche Statistiken und Systemparameter des Systems von außen her abgefragt und gegebenenfalls verändert werden können, um insbesondere eine Fernwartung des Systems durchzuführen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Messung der Temperatur des Wärmetransportmediums im Boiler-Speicher-Kreislauf bevorzugt ein Temperaturfühler eingesetzt, der sich in der Rücklaufleitung des Boiler-Speicher-Kreislaufs befindet, und der strömungsmäßig dem Pufferspeicher nachgeordnet ist. Als Temperaturfühler wird hierbei bevorzugt ein Anlagefühler eingesetzt, der beispielsweise unmittelbar an der Außenwand der bevorzugt aus Kupfer bestehenden Rücklaufleitung vom Pufferspeicher angeordnet ist.
Durch den Einsatz eines Anlagefühlers ergibt sich eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, die Temperatur des zur Heizeinrichtung zurück fließenden Wärmetransportmediums zu messen und dieser der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die in diesem Falle allein auf Basis des vom Anlagefühler ermittelten momentanen Temperaturwertes das 3-Wege-Umschaltventil und die Heizeinrichtung sowie bevorzugt auch ein dem Pufferspeicher zugeordnetes Ventil steuert, über welches der Durchfluss des Wärmetransportmediums durch den Pufferspeicher frei gegeben oder unterbrochen wird.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Pufferspeicher einen Behälter oder Tank, der aus einem temperaturbeständigen Kunststoff, insbesondere aus Polyurethan, gefertigt und der auf der Außenseite mit einem thermischen Isolationsmaterial wie z. B. Styropor oder einem ähnlichen Hartschaumaterial ummantelt ist. Im Behälter oder Tank ist vorzugsweise Wasser oder eine andere zur Wärmespeicherung geeignete Flüssigkeit oder auch ein Wärmeträgermateriale wie z. B. Wachs mit Latentwärmespeichereigenschaften enthalten. Durch die Verwendung von vergleichsweise stabilem aber dennoch leichtem Kunststoff für die Behälter oder Tanks der Wärmespeicher ergibt sich hierbei der Vorteil, dass die Behälter der Pufferspeicher kostengünstig in Form von am Markt erhältlichen Tanks bezogen werden können, die sich im entleertem Zustand leicht transportieren und gewünschten Falls zu mehreren kompakt und platzsparend übereinander, nebeneinadner und/oder aneinander stapeln bzw. aufstellen lassen.
Nach einem weiteren der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken ist im Inneren des Pufferspeichers, bzw. im Inneren des mit Flüssigkeit gefüllten Behälters ein Wärmetauscher angeordnet, der bevorzugt eine Kupferrohrspirale umfasst, die über ein entsprechendes, durch die elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung betätigbares Auf-Zu-Ventil an die Zulauf- oder Rücklaufleitung der Pufferspeicher anschließbar ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das Wärmetransportmedium, in einem geschlossenen Kreislauf von der Heizeinrichtung aus durch die Vorlaufleitung, den Solarkollektor, die Rücklaufleitung, das 3-Wege-Umschaltventil den Brauchwasserspeicher und das weitere 3-Wege-Umschaltventil in den Wärmetauscher des Pufferspeichers und von diesem zurück zur Heizeinrichtung zirkulieren kann.
Durch den Einsatz eines zuvor erwähnten geschlossenen Kreislaufs können für das Wärmetransportmedium und das Wärmespeichermedium unterschiedliche Flüssigkeiten eingesetzt werden, wodurch sich die Effizienz der Wärmeübertragung innerhalb des Systems steigern und die Kosten für die Herstellung und den Betrieb senken lassen. So besteht z. B. die Möglichkeit, als Wärmetransportmedium Wasser einzusetzen, das z. B. mit einem Anteil von bis zu 20 Gew.-% mit Frostschutzmittel, z. B. mit Kühlerfrostschutzmittel, wie es bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz gelangt, versetzt sein kann, um zum einen ein Gefrieren des Wassers im Solarkollektor bei Frost zu verhindern und gleichzeitig den Siedepunkt desselben – und dadurch die Effizienz des Wärmetransports – zu erhöhen. Demgegenüber kann im Behälter des Pufferspeichers lediglich normales kostengünstiges Leitungswasser eingesetzt werden, welches z. B. zur Vermeidung einer Überhitzung des Systems und einer Beschädigung des Solarkollektors bei sehr starker und langer Sonneneinstrahlung ggf. über ein entsprechendes Kaltwasser-Zulaufventil mit kühlem Leitungswasser vermischt und über ein optionales Sicherheitsventil in das öffentliche Kanalnetz abgeleitet werden kann, wenn die Temperatur im Behälter des Pufferspeichers einem vorgegebenen Wert von z. B. 90°C übersteigt.
Durch den Einsatz eines Wärmetransportmediums, welches eine gewisse Menge an Frostschutzmittel enthält, ergibt sich gegenüber bestehenden Systemen der Vorteil, dass der Solarkollektor direkt an die Vor- und Rücklaufleitung angeschlossen werden kann, an die auch der oder die Heizkörper, die im Winter zum Beheizen des Gebäudes eingesetzt werden, angeschlossen sind, so dass zusätzliche Leitungen zum Solarkollektor, die bei bestehenden Gebäuden in der Regel vom Keller aus zum Dach verlaufen, entfallen können. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass sich das gesamte erfindungsgemäße Solar-Heizungssystem gegenüber einem System, bei dem der Solarkollektor seine Wärmeenergie über einen Wärmetauscher einkoppelt, aufgrund des geschlossenen Kreislaufs und der dadurch verringerten thermischen Trägheit einfacher steuern lasst.
Hierbei stellt es einen besonderen Vorteil dar, wenn am oberen Ende des mit Wasser gefüllten Tanks oder Behälters des Pufferspeichers eine Öffnung vorgesehen ist, durch welche hindurch die beim Erwärmen und Abkühlen des Wassers im Pufferspeicher entstehenden Druckänderungen abgeleitet werden, so dass der Pufferspeicher in einem drucklosen Zustand betrieben wird und ein Druckausgleichsbehälter entfallen kann. Durch den drucklosen Betrieb können zudem die am Behälter des Pufferspeichers eingesetzten Dichtungen und Ventile kostengünstiger ausgestaltet sein, da sie nicht mit Überdruck betrieben werden. Die Tanks oder Behälter werden nur soweit in der Höhe befüllt, dass die Volumenänderung des Wassers durch das Aufheizen bzw. Abkühlen im Tank stattfinden kann. So wird der Tank beispielsweise lediglich zu 90% mit kaltem Wasser gefüllt, so dass der Tank bei einer Ausdehnung des auf maximale Temperatur erhitzten Wassers um 8% dann zu 98% gefüllt ist. Es tritt hierdurch in vorteilhafter Weise kein Wasser aus, und der Druckausgleich erfolgt in einfacher Weise über die simple Öffnung an der Oberseite des Behälters.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystem, welches einen sehr hohen Gesamtwirkungsgrad aufweist, enthält der Pufferspeicher einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher, wobei der erste Wärmetauscher einlaufseitig an die Zulaufleitung des Pufferspeichers und auslassseitig an eine vom Pufferspeicher zur Heizeinrichtung führende Rücklaufleitung angeschlossen ist. Der zweite Wärmetauscher ist demgegenüber einlaufseitig an einen Kaltwasseranschluss des öffentlichen Leitungsnetzes angeschlossen, über welchen in bekannter Weise Trinkwasser mit einer Temperatur von z. B. 12°C bereitgestellt wird, und auslassseitig über eine entsprechende Zuleitung mit dem Zulauf des Brauchwasserspeichers verbunden.
Dabei ist die Fördermenge der Heizungspumpe in vorteilhafter Weise durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung regelbar, z. B. durch Verändern der Pumpendrehzahl, und die Temperatur des Wärmetransportmediums in der Rücklaufleitung wird in Abhängigkeit von den Signalen des Temperatursensors des Wärmemengenzählers oder einem anderen Temperatursensor am Ausgang des Solarkollektors oder auch in der Rücklaufleitung vom Solarkollektor auf einen vorgegebenen Temperatursollwert von z. B. 80°C geregelt. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass das dem Brauchwasserspeicher zugeführte kühle Frischwasser im Pufferspeicher mit einem minimalen Vorrichtungs- und Regelungsaufwand stets durch das vom Solarkollektor erwärmte Wärmetransportmedium vorgewärmt wird, so dass die bereitgestellte zusätzliche Wärmeenergie auch bei einer geringen Sonneneinstrahlung sinnvoll genutzt werden kann.
Zur weiteren Steigerung der Effizienz des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems kann es weiterhin vorgesehen sein, dass ein oder mehrere weitere Pufferspeicher mit jeweils einem weiteren ersten Wärmetauscher und einem zweiten Wärmetauscher vorgesehen sind, wobei die ersten Wärmetauscher untereinander strömungsmäßig in Reihe geschaltet sind und nacheinander von dem vom Solarkollektor erwärmten Wärmetransportmedium durchflossen werden, dessen Temperatur beim Verlassen des Solarkollektors in der zuvor beschriebenen Weise bevorzugt auf einen vorgegebenen Sollwert von z. B. 80°C geregelt wird. Die zweiten Wärmetauscher sind dabei ebenfalls strömungsmäßig derart in Reihe geschaltet und zu den ersten Wärmetauschern angeordnet, dass das anfänglich beispielsweise lediglich ca. 14C° kühle Frischwasser die zweiten Wärmetauscher entgegengesetzt zum Wärmetransportmedium durchströmt, um dieses sukzessive auf eine Temperatur von z. B. 60°C oder mehr vorzuwärmen. Anders ausgedrückt wird durch die Speicherung der Wärme in drucklosen Behältern, die jeweils mit zwei Wärmetauschern ausgestattet sind, die nach dem Gegenstromprinzip betrieben werden, die gespeicherte Energie auch bei niedrigen Temperaturen der Speichermedien durch die Vorwärmung des z. B. ca. 12°C bis 14°C kalten Kaltwassers vor der Zufuhr zum Brauchwasserspeicher ausgenutzt. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad des Systems in vorteilhafter Weise ganz erheblich.
Ein weiterer Vorteil, der sich bei dieser Ausführungsform der Erfindung ergibt, ist darin zu sehen, dass sich durch den direkten Anschluss der Pufferspeicher an den Boiler-Speicher-Kreislauf und den damit einhergehenden Entfall eines weiteren 3-Wege-Umschaltventils sowie der Ventile in den Pufferspeichern gegenüber der eingangs beschriebenen Ausführungsform der Erfindung der Vorrichtungs- und Regelungsaufwand abermals reduzieren lässt. Zudem lässt sich die Temperatur am Ausgang des Solarkollektors aufgrund der vergleichsweise geringen Wassermenge von lediglich 0,5 l bis 1 l in der Zulaufleitung von der Heizungspumpe zum Solarkollektor sowie im Solarkollektor selbst, sehr schnell und präzise regeln.
Durch den bevorzugten Einsatz von Wärmetauscherspiralen mit einem großen Durchmesser von z. B. 50 mm im Brauchwasserspeicher und Wärmetauscherspiralen mit einem demgegenüber verringerten Durchmesser von z. B. lediglich 15 mm in den Pufferspeichern wird im Brauchwasserspeicher in vorteilhafter Weise eine höhere Wärmeenergieabgabe als in den Pufferspeichern sichergestellt. Hieraus ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise eine hohe Energieausbeute beim Übergang von Wärmeenergie vom Wärmetransportmedium auf das Brauchwasser während des gesamten Aufwärmvorgangs des Brauchwassers, sowohl im Brauchwasserspeicher als auch in den Pufferspeichern.
Nach einem weiteren der Erfindung zu Grunde liegenden Gedanken besteht der Behälter des Pufferspeichers aus einem mit einer Armierung versehenen geschäumten Kunststoff. Dies eröffnet in vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die benötigten Behälter der Pufferspeicher kostengünstig im Sprüh- oder Gießverfahren in der gewünschten Form und mit den gewünschten Abmessungen nach Maß zu fertigen. Hierbei wird, durch das Einbringen einer Armierung, z. B. einem Metallgeflecht, und dem Aufsprühen des Kunststoffmaterials, die nötige Stabilität und Festigkeit des Behälters sowie auch die thermische Isolationswirkung in einem einzigen Arbeitsgang erhalten, wobei in den Innenraum des Behälters ggf. vor dem Aufsprühen des Kunststoff-Schaummaterials noch eine wasserundurchlässige Folie eingelegt werden kann. Durch das Aufsprühen von Kunststoff-Schaummaterial, z. B. PU-Schaum, wird bei verringerten Herstellungskosten die Isolationswirkung gegenüber nachträglich isolierten Wandungen aus Vollmaterial erhöht und eine besonders hohe adiabatische Wirkungsweise der Pufferspeicher erreicht. Vorzugsweise kann der Tank auch ohne Armierung hergestellt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnungen anhand von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems,
2 eine schematische Darstellung des Betriebszustandes des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems im Normalbetrieb im Winter,
3 eine schematische Darstellung des Betriebszustandes des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems im Normalbetrieb im Sommer,
4 eine schematische Darstellung des Betriebszustandes des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems im Pufferspeicher-Ladebetrieb im Sommer,
5 eine schematische Darstellung des Betriebszustandes des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems im Pufferspeicher-Entladebetrieb im Sommer, und
6 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems.
Wie in den 1 bis 5 gezeigt ist, umfasst ein erfindungsgemäßes Solar-Heizungssystem 1 zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie eine Heizeinrichtung 4 die bevorzugt als Kesselheizung mit einem Kessel 5 ausgestaltet ist, welcher durch einen Brenner 5a mit Wärmeenergie beaufschlagt wird.
An die Heizeinrichtung 4 ist ein Heizkreislauf 2 angeschlossen, der eine Vorlaufleitung 6 mit einer darin enthaltenen Heizungspumpe 11 sowie eine Rücklaufleitung 7 umfasst, an welche in bekannter Weise zumindest ein Heizkörper 8 angeschlossen ist, um die Räume eines nicht näher gezeigten Gebäudes in bekannter Weise beheizen zu können.
Wie der Darstellung von 1 weiterhin entnommen werden kann, ist an die Vorlaufleitung 6 und die Rücklaufleitung 7 ein thermischer Solarkollektor 9 angeschlossen, der über ein Anschlussventil 23 in der Vorlaufleitung 6 in nachfolgend noch näher beschriebener Weise mit dem Heizkreislauf 2 verbunden werden kann.
In der Rücklaufleitung 7 ist weiterhin ein 3-Wege-Umschaltventil 12 angeordnet, über das der Rücklauf des im Heizkreislauf 2 geführten Wärmetransportmediums zum Kessel 5 der Heizeinrichtung 4 optional über einen Boiler-Speicher-Kreislauf 3 erfolgen kann. Das 3-Wege-Umschaltventil 12 ist dabei bevorzugt von Hand betätigbar, um das erfindungsgemäße Solar-Heizungssystem 1 von Sommerbetrieb auf Winterbetrieb umzustellen.
Im Boiler-Speicher-Kreislauf 3 sind gemäß der Darstellung von 1 bevorzugt zwei oder mehr thermisch in Reihe geschaltete Brauchwasserspeicher 14 angeordnet, die schematisch angedeutete Wärmetauscher enthalten, welche vom Wärmetransportmedium durchströmt werden und das in den Brauchwasserspeichern 14 enthaltene Brauchwasser erwärmen, welches den Brauchwasserspeichern 14 über einen Kaltwasserzulauf 16 zugeführt und in Form von Heißwasser über einen Heißwasserablauf 15 entnommen wird.
Der Boiler-Speicher-Kreislauf 3 enthält weiterhin eine vom Kessel 5 zum Zulauf der Brauchwasserspeicher 14 führende Zulaufleitung 28, die eine Boilerladepumpe 13 enthält, welche das Wärmetransportmedium bei geschlossenem 3-Wege-Umschaltventil 12 durch die Brauchwasserspeicher 14 hindurch über ein weiteres 3-Wege-Umschaltventil 17 und eine weitere Rücklaufleitung 29 zurück zum Kessel 5 fördert. An der Rücklaufleitung 29 ist gemäß der Darstellung von 1 ein Temperatursensor in Form eines Anlagefühlers T₁ angeordnet, der die Temperatur des Wärmetransportmediums in der weiteren, zum Kessel 5 führenden Rücklaufleitung 29 erfasst.
Wie der Darstellung der 1 bis 5 weiterhin entnommen werden kann, umfasst das erfindungsgemäße Solar-Heizungssystem 1 weiterhin wenigstens einen, bevorzugt jedoch mehrere Pufferspeicher 18, die beispielsweise im Keller eines Gebäudes aufgestellt sind und die jeweils einen Behälter 18a aufweisen, der mit einem Wärmespeichermedium 19, bevorzugt Wasser, gefüllt ist und nach oben hin über eine nicht näher bezeichnete Öffnung mit der Umgebung zum Druckausgleich in Strömungsverbindung steht.
Im Behälter 18a der Pufferspeicher 18 ist jeweils ein Wärmetauscher 24 angeordnet, der insbesondere eine bekannte Rohleitungsspirale aus Kupfer oder einem anderen gut wärmeleitenden Material umfasst, die in das Wärmespeichermedium 19 im Behälter 18a eintaucht.
Der Wärmetauscher 24 eines jeden Pufferspeichers 18 ist zulaufseitig über ein elektrisch betätigbares Anschlussventil 25 mit einer gemeinsamen Zulaufleitung 26 verbindbar, die über das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 mit dem Ablauf der Brauchwasserspeicher 14 verbunden werden kann, um das aus den Brauchwasserspeichern 14 austretende Wärmetransportmedium in die Wärmetauscher 24 der Pufferspeicher 18 umzuleiten.
Der Ausgang der Wärmetauscher 24 eines jeden Pufferspeichers 18 ist mit einer gemeinsamen Rücklaufleitung 27 verbunden, die bevorzugt direkt an die weitere Rücklaufleitung 29 des Boiler-Speicher-Kreislaufs 3 angeschlossen ist, sodass das aus den Wärmetauschern 24 austretende Wärmetransportmedium bei einer entsprechenden Stellung des weiteren 3-Wege-Umschaltventils 17 über die weitere Rücklaufleitung 29 zum Kessel 5 der Heizeinrichtung 4 zurück gefördert wird.
Wie der Darstellung von 1 weiterhin entnommen werden kann, sind neben dem Temperatursensor T₁ an der weiteren Rücklaufleitung 29 zusätzlich noch Temperatursensoren T₂ und T₃ am Heißwasserablauf 15 und Kaltwasserzulauf 16 der Brauchwasserspeicher 14 sowie Temperatursensoren T₄ und T₅ zum Messen der Temperatur des Wärmespeichermediums 19 in den Behältern 18a der Pufferspeicher 18 angeordnet, die jeweils die entsprechende Temperatur in den zuvor genannten Komponenten des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystem 1 erfassen und entsprechende Temperaturmesswerte an eine zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 übersenden, die über weitere in den Figuren aus darstellungstechnischen Gründen nicht näher gezeigte Leitungen oder aber über Funk mit der Heizungspumpe 11, der Boilerladepumpe 13, dem weiteren Umschaltventil 17 sowie auch den Anschlussventilen 25a, 25b im gemeinsamen Zulauf 26 der Wärmetauscher 24 der Pufferspeicher 18 und dem elektrischen Anschlussventil 23 zum Verbinden des Solarkollektors 9 mit dem Heizkreislauf 2 in Verbindung steht, um die Ventile in Abhängigkeit von den erfassten Temperaturmesswerten entsprechend zu öffnen oder zu schließen. Dazu weist die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 die erforderlichen Anschlüsse (T_i, V_i, P_i), sowie weiterhin einen Anschluss (LAN) für ein nicht näher gezeigten IP-basierten Netzwerk auf, wie dies schematisch in der Darstellung von 1 angedeutet ist.
Das erfindungsgemäße Solar-Heizungssystems 1 umfasst weiterhin eine elektronische Schaltung 21, die mit einem Wärmemengenzähler 22, einem Temperatursensor T₆ in der Rücklaufleitung 7 und dem elektrischen Anschlussventil 23 in der Vorlaufleitung 6 verbunden ist. Die elektronische Schaltung 21 erfasst zum einen die Messwerte des Temperatursensors T₆ und des Wärmemengenzählers 22 und übersendet diese an die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 und empfängt zum anderen die von der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung errechneten Stelle Signale für das elektrische Anschlussventil 23, um dieses zu öffnen und hierdurch den Solarkollektor 9 mit dem Heizkreislauf 2 zu verbinden, bzw. dieses zu schließen und den Solarkollektor 9 vom Heizkreislauf 2 zu trennen. Die Datenübertragung von der elektronischen Schaltung 21 zu der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 findet bei der in 1 gezeigten bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems 1 per Funk statt; sie kann jedoch auch über ein nicht näher gezeigtes sonstiges IP-basiertes leitungsgebundenes Netzwerk erfolgen. Bei einfachen baulichen Gegebenheiten, z. B. kurzen Entfernungen, kann die Verkabelung auch konventionell erfolgen. Dadurch wird dann zusätzlich eine Elektronikkomponente eingespart.
In 2 ist das erfindungsgemäße Solar-Heizungssystem 1 im Winterbetrieb mit zwei vollständig getrennten Wasserkreisläufen gezeigt, bei welchem der Heizkreislauf 2 und der Boiler-Speicher-Kreislauf 3 je nach Bedarf an thermischer Energie unabhängig voneinander betrieben werden können. Hierzu befindet sich das 3-Wege-Umschaltventil 12 in der in 2 gezeigten Stellung, in der die direkte Verbindungsleitung des Heizkreislaufs 2 vom 3-Wege-Umschaltventil 12 zum Kessel 5 nicht vom Wärmetransportmedium durchflossen wird, sondern der Fluss des Wärmetransportmediums über den Boiler-Speicher-Kreislauf 3 umgeleitet wird.
Weiterhin ist der Darstellung von 2 zu entnehmen, dass die elektronische Schaltung 21 das Anschlussventil 23 des Solarkollektors 9 im Winterbetrieb schließt und dadurch den Durchfluss des Wärmetransportmediums durch den Solarkollektor 9 verhindert, um zu vermeiden, dass dieser bei einer zu geringen Sonneneinstrahlung und tiefen Umgebungstemperaturen in nachteiliger Weise Wärmeenergie aus dem Wärmetransportmedium aufnimmt, welches zuvor durch die Heizeinrichtung 4 in das Wärmetransportmedium eingebracht wurde.
Bei dieser als ”Winterbetrieb” bezeichneten Betriebsrat des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems 1 steuert die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 gleichzeitig das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 in der Weise an, dass dieses geschlossen ist und auch der Pufferspeicher 18 nicht vom Wärmetransportmedium durchströmt wird. Dadurch wird das im Kessel 5 durch den Brenner 5a aufgeheizte Wärmetransportmedium je nach Bedarf, entweder zum Beheizen der Räume des Gebäudes mit der Heizungspumpe 11 durch den Heizkreislauf 2 gepumpt, um so die Wärmeenergie über die Heizkörper 8 an die Raumluft abzugeben, oder aber von der Boilerladepumpe 13 zur Erwärmung des Brauchwassers den Brauchwasserspeichern 14 durch den Boiler-Speicher-Kreislauf 3 gefördert, um dort die Wärmeenergie an das Brauchwasser abzugeben.
Bei den in denen 3 bis 5 gezeigten Betriebsarten des erfindungsgemäßen Solar-Heizungssystems 1 für den Sommerbetrieb wird der Solarkollektor 9 durch bevorzugt manuelles Umlegen des 3-Wege-Umschaltventils 12 in die entsprechende Position mit dem Brauchwasserspeicher 14 sowie je nach Stellung des weiteren 3-Wege-Umschaltventils 17 über die gemeinsame Zulaufleitung 26 mit dem Pufferspeicher 18 verbunden. Hierbei wird der an die Vorlaufleitung 6 und die Rücklaufleitung 7 des Heizkreislaufes 2 angeschlossene Heizkörper 8 bei höheren Außentemperaturen über ein nicht näher gezeigtes bekanntes Heizkörper-Thermostatventile vom Heizkreislauf 2 getrennt und demgemäß nicht von dem im Solarkollektor erwärmten Wärmetransportmedium durchflossen.
Wie der Darstellung von 3, die den Normalbetrieb des erfindungsgemäßen erfindungsgemäße Solar-Heizungssystems 1 im Sommer zeigt, hierbei im Detail zu entnehmen ist, wird bei aufgeladenem Pufferspeicher 18 oder bei einem Bedarf an zusätzlicher Wärmeenergie im Brauchwasserspeicher 14 das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 durch die elektronische Steuerung- und Regelungseinrichtung 20 umgestellt und der Durchfluss des Wärmetransportmedium durch den Pufferspeicher 18 unterbrochen. In dem so geschalteten Kreislauf wird das Wärmetransportmedium demgemäß durch die Heizungspumpe 11 vom Kessel 5 der Heizeinrichtung 4 über die Vorlaufleitung 6 zum Solarkollektor 9 gefördert, von wo aus es über die Rücklaufleitung 7, das 3-Wege-Umschaltventil 12, den Brauchwasserspeicher 14 und das nachgeordnete weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 sowie die weitere Rücklaufleitung 29 zurück zum Kessel 5 der Heizeinrichtung 4 strömt und dabei seine im Solarkollektor 9 aufgenommene Wärmeenergie im Brauchwasserspeicher 14 abgibt.
Wenn in der zuvor beschriebenen Betriebsart die vom Solarkollektor 9 gewonnene Wärmemenge die aus dem Brauchwasserspeicher 14 entnommene Wärmemenge übersteigt und der Brauchwasserspeicher 14 seine maximale Temperatur erreicht hat, was von der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 durch den Temperatursensor T₁ erfasst wird, schaltet diese das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 in die in 4 gezeigte Stellung, wodurch in die in 4 gezeigte Betriebsart „Pufferspeicher-Ladebetrieb” gewechselt wird. In dieser Betriebsart wird der Pufferspeicher 18 strömungsmäßig in den Boiler-Speicher-Kreislauf 3 eingebunden und das Wärmetransportmedium nach dem Durchströmen des Brauchwasserspeichers 14 über die gemeinsame Zulaufleitung 26 und das in diesem Falle von der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 geöffnete elektrische Anschlussventil 25a in den Wärmetauscher 24 des ersten Pufferspeichers 18 eingeleitet, in welchem die im Wärmespeichermedium enthaltene Wärmeenergie an das im Pufferspeicher 18 enthaltene Wärmespeichermedium 19 abgegeben wird. Hierbei ist das elektrische Anschlussventil 25b des zweiten Pufferspeichers geschlossen und wird erst geöffnet, wenn die vom Temperatursensor T₄ erfasste Temperatur des Wärmespeichermediums 19 im ersten Pufferspeicher einen vorgegeben maximalen Temperaturwert von z. B. 80°C überschreitet.
Sobald dieser maximale Temperaturwert erreicht wird, wird das elektrische Anschlussventil 25a des ersten Pufferspeichers 18 geschlossen und das elektrische Anschlussventil 25b des zweiten, thermisch parallel zum ersten Pufferspeicher an die Leitungen 26 und 27 angeschlossenen Pufferspeichers 18 geöffnet, um diesen in der zuvor beschriebenen Weise mit ebenfalls Wärmeenergie aus dem Solarkollektor 9 zu beladen.
Wenn auch der zweite und ggf. weitere, in den Zeichnungen nicht dargestellte Pufferspeicher durch sukzessives Öffnen und Schließen der zugeordneten elektronischen Anschlussventile 25 jeweils sukzessive vollständig mit Energie beladen sind, kann es vorgesehen sein, dass die elektronische Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 ein dem Heizkörper 8 zugeordnetes, nicht näher gezeigtes Thermostatventil öffnet, um vom Solarkollektor 9 weiterhin eingebrachte Wärmeenergie zur Vermeidung einer Überhitzung der Pufferspeicher 18 und des Solarkollektors 8 über den Heizkörper 8 abzustrahlen.
Für den Fall, dass beim Beladen der Pufferspeicher aufgrund eines Nachlassens der Sonneneinstrahlung und einer erhöhten Entnahme von heißem Brauchwasser aus den Brauchwasserspeichern 14 die vom Solarkollektor 9 gelieferte Wärmeenergie geringer als die benötigte Wärmeenergie ist, was von der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 durch einen Abfall der vom Temperatursensor T₆ ermittelten Temperaturwerte erfasst wird, schaltet diese das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 in die in 3 gezeigte Stellung zurück, wodurch die Pufferspeicher 18 vom Heizkreislauf 2 abgekoppelt werden und die Wärmeenergie solange wie möglich in diesen gespeichert wird.
Erst wenn die Temperatur in den Brauchwasserspeichern 14 eine vorgegebene Mindesttemperatur unterschreitet, was von der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 über den Temperatursensor T₂ erfasst wird, schaltet diese das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 in die in 5 gezeigte Stellung, schließt das Anschlussventil 23 des Solarkollektors 9 und öffnet ausgehend vom Pufferspeicher 18 mit der geringsten Temperatur sukzessive die Anschlussventile 25b und 25a, um das erfindungsgemäße Solar-Heizungssystem 1 in den Betriebszustand „Pufferspeicher-Endladebetrieb” zu versetzten, wie dies in 5 gezeigt ist. In diesem Betriebszustand werden der Brenner 5a und die Heizungspumpe 11 von der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 abgeschaltet und demgemäß kein Wärmetransportmedium mehr durch die Vorlaufleitung 6 und die Rücklaufleitung 7 des Heizkreislaufes 2 gefördert. Dabei erfolgt bei dieser Betriebsart der Transport des Wärmetransportmediums ausschließlich durch die Boilerladepumpe 13 innerhalb des Boiler-Speicher-Kreislaufs 3 mit den über das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 hinzu geschalteten Pufferspeichern 18.
Hierzu pumpt die Boilerladepumpe 13 das Wärmetransportmedium aus einem der Pufferspeicher 18 über die gemeinsame Ablaufleitung 27 und die weitere Rücklaufleitung 29 zum Kessel 5 der Heizeinrichtung 4 und von dort aus über die weitere Zulaufleitung 28 zum Brauchwasserspeicher 14. Von dort aus strömt das Wärmetransportmedium über das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 zur erneuten Aufnahme von Wärmeenergie aus dem Wärmespeichermedium 19 des Pufferspeichers 18 durch die gemeinsame Zulaufleitung 26 in die Wärmetauscher 24 der Pufferspeicher.
Dieser als „Pufferspeicher-Entladebetrieb” bezeichnete Betriebszustand wird von der elektronischen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 solange aufrecht erhalten, bis das Wärmespeichermedium 19 in den Pufferspeichern 18 über den Wärmetauscher 24 keine Wärmeenergie mehr an das Wärmetransportmedium abgibt. Dies wird von der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 durch einen Vergleich der vom Temperatursensor T₁ bestimmten Temperatur des Wärmetransportmediums in der weiteren Rücklaufleitung 29 mit einem vorgegebenen Temperatursollwert von z. B. 60°C erfasst, die beim Unterschreiten des Sollwertes das weitere 3-Wege-Umschaltventil 17 in die in 3 gezeigte Stellung umschaltet. Sofern in diesem Falle ein weiterer Bedarf an Wärmeenergie zur Erwärmung des Brauchwassers in den Brauchwasserspeichern 14 besteht, wird der Brenner 5 von der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 oder einer Brennersteuerung in bekannter Weise automatisch solange eingeschaltet, bis das Brauchwasser in den Brauchwasserspeichern 14 die gewünschte Brauchwassertemperatur erreicht hat.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die in 6 dargestellt ist, weist das erfindungsgemäße Solar-Heizungssystem mehrere Pufferspeicher 118a–c mit jeweils zwei spiralförmige Wärmetauscher 124a–c und 125a–c auf, von denen die Wärmetauscher des Boiler-Speicher-Kreislaufs 124a–c und die Wärmetauscher der Brauchwasserleitung 125a–c jeweils untereinander strömungsmäßig in Reihe geschaltet sind. Dabei ist der Wärmetauscher des Boiler-Speicher-Kreislaufs 124a im Pufferspeicher 118a einlaufseitig mit der Zulaufleitung 126 der Pufferspeicher, der Wärmetauscher 124c des Boiler-Speicher-Kreislaufs 3 im Pufferspeicher 118c ablaufseitig mit der weiteren Rücklaufleitung 29, und der Wärmetauscher 125c der Brauchwasserleitung im Pufferspeicher 118c einlaufseitig mit dem Kaltwasseranschluss 116 verbunden. Der Wärmetauscher 125a der Brauchwasserleitung im Pufferspeicher 118a ist weiterhin ablaufseitig über die Brauchwasserleitung 127 mit dem Brauchwasserzulauf 16 des Brauchwasserspeichers 14 verbunden.
Die Pufferspeicher 118a–c werden von dem zur Heizeinrichtung 4 zurückfließenden Wärmetransportmedium und dem zum Brauchwasserspeicher 14 hinfließenden Brauchwasser bevorzugt gegenläufig durchströmt, wie dies durch die Pfeile in 6 angedeutet ist.
Hierzu pumpt bei ausreichender Sonneneinstrahlung die Heizungspumpe 11 das Wärmetransportmedium vom Kessel 5 der Heizeinrichtung 4 über die Vorlaufleitung 6 zum Solarkollektor 9, indem es durch die Sonnenenergie auf eine voreingestellte Soll-Temperatur von z. B. 80°C aufgeheizt wird. Die Temperatur wird dabei durch den Temperatursensor T₆ gemessen. Von dort aus fließt das aufgeheizte Wärmetransportmedium durch die Rücklaufleitung 7 über das 3-Wege-Umschaltventil 12 zum Brauchwasserspeicher 14, in welchem das Wärmetransportmedium über die Wärmetauscherspirale in dem Brauchwasserspeicher Wärmeenergie an das Brauchwasser abgibt, um dieses auf eine Temperatur von beispielsweise 70°C aufzuheizen. Das dadurch geringfügig abgekühlte Wärmetransportmedium fließt im Anschluss daran durch die Zulaufleitung 126 der Pufferspeicher sowie durch den Wärmetauscher 124a des Boiler-Speicher-Kreislaufs im Pufferspeicher 118a, in welchem das Wärmetransportmedium einen weiteren Teil der enthaltenen Wärmeenergie an das Wärmespeichermedium 19 im Pufferspeicher 118a abgibt und dieses auf beispielsweise 60°C erwärmt. Anschließend fließt das Wärmetransportmedium nacheinander durch die Wärmetauscher 124b und 124c in denen dem Wärmetransportmedium abermals stufenweise Wärmeenergie entzogen wird, wodurch sich das Wärmespeichermedium 19 im Pufferspeicher 118b auf beispielsweise 40 °C, und das Wärmespeichermedium 19 im Pufferspeicher 118c auf beispielsweise 20°C aufwärmt. Das in der zuvor beschriebenen Weise abgekühlte Wärmetransportmedium gelangt anschließend über die weitere Rücklaufleitung 29 zurück zum Kessel 5 der Heizeinrichtung 4.
Hierbei wird die Förderleistung der Heizungspumpe 11 in der Vorlaufleitung 6 des Heizkreislaufes 2 von der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 erfindungsgemäß in der Weise gesteuert, dass die durch den Temperatursensor T₆ erfasste Ist-Temperatur des Wärmetransportmediums beim Verlassen des Solarkollektors 9 im Wesentlichen einer vorgegebenen Soll-Temperatur von z. B. 80°C entspricht, um sicher zu stellen, dass das Wärmetransportmedium genügend Wärmeenergie aufgenommen hat, um das Brauchwasser im Brauchwasserspeicher 14 auf die erforderliche Temperatur von beispielsweise 70°C aufzuheizen.
Weiterhin fließt das z. B. lediglich 14°C kalte Frischwasser vom Kaltwasseranschluss 116 durch den Wärmetauscher 125c der Brauchwasserleitung, in dem sich das Frischwasser durch die Aufnahme von Wärmeenergie im Wesentlichen auf die Temperatur des Wärmespeichermediums 19 im Pufferspeicher 118c aufwärmt. Im Anschluss daran fließt das vorgewärmte Frischwasser durch den Wärmetauscher 125b der Brauchwasserleitung, um dort abermals Wärmeenergie aufzunehmen. Danach fließt das nunmehr auf beispielsweise 40°C aufgewärmte Brauchwasser durch den Wärmetauscher 125a der Brauchwasserleitung im Pufferspeicher 118a, in dem es auf eine Temperatur von z. B. 60°C erwärmt wird. Von dort aus wird das nun auf ca. 60°C aufgeheizte Brauchwasser weiter über die Leitung 127 zum Brauchwasserzulauf 16 des Brauchwasserspeichers 14 geleitet. Im Brauchwasserspeicher 14 wird das in der zuvor beschriebenen Weise vorgewärmte Frischwasser weiterhin bis auf die Solltemperatur im Brauchwasserspeicher erwärmt, die beispielsweise 70°C betragen kann, wonach das Frischwasser anschließend zur Entnahme als Brauchwasser bereit.
Für den Fall, dass nicht genügend Sonnenenergie zur Erwärmung des Wärmetransportmediums im Solar-Kollektor 9 zur Verfügung steht, schaltet die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung 20 die Heizungspumpe 11 ab. In diesem Falle erfolgt die Erwärmung des Wärmetransportmediums im Kessel 5 allein durch den Brenner 5a der Heizeinrichtung 4, wozu das erwärmte Wärmetransportmedium durch die Boilerladepumpe 13 vom Kessel 5 über die weitere Zulaufleitung 28 zum Brauchwasserspeicher 14 gefördert wird. Hierbei kann es vorgesehen sein, dass die Temperatur des Wärmetransportmediums in der weiteren Zulaufleitung 28 durch einen weiteren Temperatur-Anlagefühler T₇ gemessen wird, um die Brennleistung des Brenners 5a und/oder der Förderleistung der Boilerladepumpe 13 in entsprechender Weise zu regeln.
Um die Gefahr eines Zurückströmens des von der Boilerladepumpe 13 geförderten Wärmetransportmediums in die Rücklaufleitung 7 zu unterbinden, kann es gemäß der Darstellung von 6 ebenfalls vorgehen sein, stromabwärts des 3-Wege-Umschaltventils 12 in der von diesem zum Brauchwasserspeicher 14 führenden, nicht näher bezeichneten Zuleitung ein Rückschlagventil 30 anzuordnen, welches z. B. als ein federbelastetes Rückschlagventil oder auch als eine einfache Rückschlagklappe ausgestaltet sein kann.

1: Solar-Heizungssystem
2: Heizkreislauf
3: Boiler-Speicher-Kreislauf
4: Heizeinrichtung
5: Kessel
5a: Brenner
6: Vorlaufleitung
7: Rücklaufleitung
8: Heizkörper
9: Solarkollektor
10: Dach
11: Heizungspumpe
12: 3-Wege-Umschaltventil
13: Boilerladepumpe
14: Brauchwasserspeicher
15: Heißwasserablauf
16: Brauchwasserzulauf
17: Weiteres 3-Wege-Umschaltventil
18: Pufferspeicher
18a: Behälter des Pufferspeichers
19: Wärmespeichermedium
20: zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung
21: elektronische Schaltung
22: Wärmemengenzähler
23: Anschlussventil des Solarkollektors
24: Wärmeaustauscher
25a: elektrisches Anschlussventil
25b: elektrisches Anschlussventil
26: gemeinsame Zulaufleitung
27: gemeinsame Ablaufleitung
28: weitere Zulaufleitung
29: weitere Rücklaufleitung
30: Rückschlagventil
116: Kaltwasseranschluss
118a: erster Pufferspeicher
118b: zweiter Pufferspeicher
118c: dritter Pufferspeicher
124a: Wärmetauscher des Boiler-Speicher-Kreislaufs
124b: Wärmetauscher des Boiler-Speicher-Kreislaufs
124c: Wärmetauscher des Boiler-Speicher-Kreislaufs
125a: Wärmetauscher der Brauchwasserleitung
125b: Wärmetauscher der Brauchwasserleitung
125c: Wärmetauscher der Brauchwasserleitung
126: Zulaufleitung der Pufferspeicher
127: Brauchwasserleitung
T₁: Temperatur-Anlagefühler
T₂: Temperatursensor
T₃: Temperatursensor
T₄: Temperatursensor
T₅: Temperatursensor
T₆: Temperatursensor des Wärmemengenzählers
T₇: Weiterer Temperatur-Anlagefühler
T_i: Signaleingang für den Anschluss der Temperatursensoren
V_i: Signalausgang für den Anschluss der Ventile
P_i: Signalausgang für den Anschluss der Pumpen
LAN: Netzwerkanschluss

Claims

Solar-Heizungssystem (1) zur Erzeugung, Speicherung und Verteilung von Wärmeenergie, mit einer Heizeinrichtung (4), insbesondere einer Kesselheizung, einem eine Heizungspumpe (11) und einen Heizkörper (8) enthaltenden Heiz-Kreislauf (2), welcher mit der Heizeinrichtung (4) über eine Vorlaufleitung (6) und eine Rücklaufleitung (7) verbindbar ist, einem Boiler-Speicher-Kreislauf (3), der einen Brauchwasserspeicher (14) und eine Boilerladepumpe (13) zum Fördern eines im Boiler-Speicher-Kreislauf (3) geführten Wärmetransportmediums umfasst, sowie mit einer zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20), welche die Heizungspumpe (11), die Boilerladepumpe (13) und/oder die Heizeinrichtung (4) steuert, dadurch gekennzeichnet, dass das Solar-Heizungssystem wenigstens einen Solarkollektor (9) umfasst, der mit der Vor- und Rücklaufleitung (6, 7) des Heizkreislaufes (2) über ein durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung betätigbares Anschlussventil (23) verbindbar ist, und dass der Boiler-Speicher-Kreislauf (3) mit der Rücklaufleitung (7) über ein 3-Wege-Umschaltventil (12) verbindbar ist, um ein in der Rücklaufleitung (7) geführtes Wärmetransportmedium über den Boiler-Speicher-Kreislauf (3) zur Heizeinrichtung (4) umzuleiten.
Solar-Heizungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) und die elektronische Schaltung (21) über ein drahtloses Netzwerk, insbesondere ein Funk-Netzwerk, oder über ein drahtgebundenes Netzwerk, insbesondere ein Ethernet- oder ein Powerline-Netzwerk, miteinander verbunden sind.
Solar-Heizungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) zum Datenaustausch mit dem Internet über ein IP-Netzwerk verbunden ist.
Solar-Heizungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der zur Heizeinrichtung (5) führenden Rücklaufleitung (29) des Boiler-Speicher-Kreislaufs (3), eine Temperaturmesseinrichtung (T₁) vorgesehen ist, bevorzugt ein Anlagefühler, die mit der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) zur Übertragung von Temperaturmesswerten verbunden ist.
Solar-Heizungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Solarkollektor (9) ein Wärmemengenzähler (22) zugeordnet ist, der mit einer von der zentralen Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) räumlich getrennten elektronischen Schaltung (21) zur Übertragung von Mess- und/oder Steuersignalen verbunden ist.
Solar-Heizungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportmedium in dem Heiz-Kreislauf (2) und dem Boiler-Speicher-Kreislauf (3) ein Frostschutzmittel enthält.
Solar-Heizungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzlicher Pufferspeicher (18; 118) vorgesehen ist, der an den Boiler-Speicher-Kreislauf (3) zur Speicherung der vom Solarkollektor (9) über das Wärmetransportmedium bereitgestellten Wärmeenergie anschließbar ist.
Solar-Heizungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Behälter (18a) des Pufferspeichers (18) oder die Behälter der Pufferspeicher (118a, 118b, 118c) aus einem mit einer Armierung versehenen geschäumten Kunststoff bestehen.
Solar-Heizungssystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher (18; 118) einen mit Wasser gefüllten Kunststoffbehälter, insbesondere aus Polyurethan, umfasst, der einen Wärmetauscher (24; 124) enthält, der zur Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie aus dem Wasser des Pufferspeichers strömungsmäßig mit dem Boiler-Speicher-Kreislauf (3) verbindbar ist.
Solar-Heizungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (24; 124) eine Spirale umfasst, die von oben her in das Gefäß des Pufferspeichers (18; 118) eintaucht, wobei der Innenraum des Gefäßes mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist.
Solar-Heizungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß des Pufferspeichers (18; 118) auf der Außenseite mit einem Isolationsmaterial versehen ist.
Solar-Heizungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefäß des Pufferspeichers (18; 118) im Bereich des oberen Endes eine Öffnung aufweist, durch welche ein im Pufferspeicher (18; 118) bei der Aufnahme und Abgabe von Wärmeenergie entstehender Überdruck abgeleitet wird.
Solar-Heizungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher (18) an den Boiler-Speicher-Kreislauf (3) über ein weiteres 3-Wege-Umschaltventil (17) angeschlossen ist.
Solar-Heizungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferspeicher (118a) einen ersten Wärmetauscher (124a) und einen zweiten Wärmetauscher (125a) umfasst, wobei der erste Wärmetauscher (124a) einlaufseitig an die Zulaufleitung (126) des Pufferspeichers (118a) und ablaufseitig an eine vom Pufferspeicher zur Heizeinrichtung (4) führende Rücklaufleitung (29) angeschlossen ist, und wobei der zweite Wärmetauscher (125a) einlaufseitig an einen Kaltwasseranschluss (116) und ablaufseitig über eine Brauchwasserleitung (127) mit dem Brauchwasserzulauf (16) des Brauchwasserspeichers (14) verbunden ist.
Solar-Heizungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge der Heizungspumpe (11) durch die zentrale Steuerungs- und Regelungseinrichtung (20) regelbar ist, derart, dass die Temperatur des Wärmetransportmediums in der Rücklaufleitung (7) einen vorgegebenen Temperatursollwert, insbesondere im Bereich von 80°C, aufweist.
Solar-Heizungssystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Pufferspeicher (118b, 118c) mit jeweils einem weiteren ersten Wärmetauscher (124b, 124c) und einem zweiten Wärmetauscher (125b, 125c) vorgesehen sind, wobei die ersten Wärmetauscher (124a, 124b, 124c) und die zweiten Wärmetauscher (125a, 125b, 125c) strömungsmäßig derart in Reihe geschaltet sind, dass die ersten Wärmetauscher (124) nacheinander von dem zur Heizeinrichtung (4) zurück geförderten Wärmetransportmedium und die zweiten Wärmetauscher (125) von dem dem Brauchwasserspeicher (14) zugeführten Brauchwasser gegenläufig durchströmt werden.