DE20000759U1 - Solarthermisteuerung - Google Patents

Description

II. Beschreibung

Anlage zur Solarthermisteuerung

2. Stand der Technik:

Steuerungseinheiten für Solarthermianlagen üblicher Bauart weisen eine Dreipunktregelung der Temperatur sowie eine Anzeige dieser und der Schaltzustände der Pumpen auf. Üblicherweise sind außerdem die Schaltschwellen editierbar.

3. Angabe der Wirkungen, die mit der Erfindung erzielt werden sollen:

a) Erhöhung der allgemeinen Effektivität in Anlagen mit mehr als einem Kollektor

1. Eine Solaranlage besteht unter anderem aus einem oder mehreren Kollektoren. Im Falle von mehr als einem Kollektor macht es Sinn, die Kollektoren in Gruppen aufzuteilen und die einzelnen Gruppen wiederum in ihrer Ausrichtung an den Sonnengang anzupassen (Abbildung 1). Hieraus ergibt sich eine bessere Ausnutzung der Sonneneinstrahlung im Tagesverlauf, da immer eine Kollektorgruppe auf die Sonne ausgerichtet ist und die Verluste am Kollektor somit minimiert werden. Hierbei kommt es in einer Standardanlage mit nur einem Wärmeträgermedium-Kreislauf, durch die unterschiedliche Bestrahlung der Kollektoren über den Tag gesehen, zu einer Kühlerfunktion der jeweils nicht angestrahlten Kollektorflächen.

2. Weiterhin sollte die Anordnung der Kollektoren zueinander (Reihen- bzw. Parallelschaltung) der Einstrahlungstärke entsprechend verändert werden können, um somit die Vorteile der einzelnen Schaltungsvarianten besser zu nutzen und die Nachteile abzuschwächen:

Die Parallelschaltung (Abbildung 2) hat den Vorteil, dass bei einer hohen Wärmeeinstrahlung mit einem geringen Massestrom die Wärme abgeführt werden kann. Der Nachteil, der sich ergibt, ist die bei geringer Einstrahlung schnellere Auskühlung der Anlage.

Der Vorteil der Reihenschaltung (Abbildung 3) ergibt sich aus dem durch alle Absorber führenden Weg des Wärmeträgermediums. Hierdurch entsteht eine gleichmäßige Durchströmung und weniger schnelle Auskühlung der Anlage bei geringer Sonneneinstrahlung. Doch muss hier sichergestellt werden, dass bei starker Bestrahlung die produzierte Wärme durch einen erhöhten Massestrom abgeführt werden kann.

b) Optimierung der je individuellen Anlage entsprechend ihren Standortfaktoren

Die heutigen Geräte ermöglichen es zwar, die Grenzwerte bzw. Schaltschwellen zu verändern, doch diese zu ermitteln, wird in der Regel dem Betreiber überlassen. Das Ermitteln der Werte wird durch die Tatsache erschwert, dass dem Betreiber keine ortsgebundenen und anlagenspezifischen Daten sowohl zu Beginn als auch nach längerem Betrieb der Anlage zur Verfügung stehen. Hierdurch greift er dann häufig auf regionale Standards zurück, was zu Einbußen in der Wirtschaftlichkeit der Anlage führt.

4. Lösung:

a) Erhöhung der allgemeinen Effektivität in Anlagen mit mehr als einem Kollektor

1. Punkt Eins lässt sich verwirklichen, indem der Gesamtkreislauf aufgetrennt wird und die einzelnen

Kollektorgruppen autonom laufende Systeme bilden, sodass die Einzelkreislaufwege erstens kürzer
werden und zweitens auch getrennt zu schalten sind. Durch diese Lösung wird auch das KUhlerfunktions-Problem
der nicht angestrahlter Kollektorflächen gelöst, da diese ggf. weggeschaltet werden können.
Um die Pumpen sinnvoll zu- und wegzuschalten, sind bei der Schaltdifferenz-Ermittlung zwischen der Kollektor- und der am Rücklauf gemessenen Speichertemperatur folgende Punkte zu beachten:

- Auf dem Weg vom Kollektor zum Speicher kühlt das Wärmemittel um ca. 0,5-3 Kelvin ab, bedingt durch Wärmeleitung und Konvektion an den Rohrleitungswänden.

- Die Toleranz der Temperaturfühler muss mit ca. 1-2 Kelvin angesetzt werden.

• ·

• ·

max.	3	Kelvin
max.	2	Kelvin
min.	3	Kelvin
max.	2	Kelvin
ca.	10	Kelvin

- Um effektiv arbeiten zu können, muss zwischen dem Wärmeübertrager im Brauchwasserspeicher und dem Brauchwasser eine Differenz von mindestens 2-3 Kelvin vorliegen.

- Durch das Einschalten der Pumpe kommt es am Anfang zu einer - durch die Zirkulation bedingten -kurzfristigen Abkühlung der Anlage, die durch das Nachströmen des noch kälteren Wärmeträgers hervorgerufen wird.

Aus diesen vier Punkten berechnet sich die minimale „Worst-Case" Differenztemperatur wie folgt:

Verluste im Leitungssystem:

Toleranz der Temperaturfühler: +

Mindestemperaturdifferenz zum Speicher: +

Abkühlung durch die Zirkulation +

2. Für die regelungstechnische Umsetzung von Punkt Zwei wird eine zweistufigen Pumpe benötigt. Die

Kriterien für Stufe Eins und Zwei bzw. für das Umschalten von der einen zu der anderen Stufe werden im Folgenden erläutert:

Ist die Einstrahlung auf die Kollektoren gering und die Anlage ausgekühlt, so werden die Kollektoren in Serie verschaltet und die Pumpe läuft in Geschwindigkeitsstufe 1 (1200 n/min), da das Wärmeträgermedium dadurch mehr Zeit hat, sich in einem Umlauf zu erwärmen.

Ist die Einstrahlung stark bei ausgekühlter Anlage, so laufen die Kollektoren parallel und die Pumpe in Geschwindigkeitsstufe 2 (1850 n/min), da so die erzeugte Wärme am schnellsten dem Verbraucher zur Verfügung steht.

Wechselt die Einstrahlung bei erwärmter Anlage von gering auf stark, so wird von Serien- auf Parallelbetrieb umgeschaltet, um die erhöhte Wärme schneller abführen zu können.

Wechselt die Einstrahlung hingegen von stark auf gering, so wird von Parallel- auf Serienbetrieb gewechselt, um so ein schnelleres Abkühlen der Anlage zu verhindern.

Um in der Nacht ein überhöhtes Auskühlen der Anlage durch Eigenzirkulation in den Kollektoren zu vermeiden, wird für die Nacht der Serienbetrieb gewählt.
Einen zusammenfassenden Überblick der Schaltzustände zeigt die folgende Tabelle:

Einstrahlung	Anlagen-Status	Kollektoren-Verschaltung
gering	Ausgekühlt	Serie, Pumpenstufe 1
stark	Ausgekühlt	Parallel, Pumpenstufe 2
Wechsel von Gering auf stark	Betriebstemperatur	Wechsel von Serie auf Parallel
Wechsel von Stark auf gering	Betriebstemperatur	Wechsel von Parallel auf Serie

Schaltungstechnisch werden, wie in Abbildung 4 dargestellt, zwei Ventile pro Kollektorpaar benötigt, um zwischen Serie und Parallel wechseln zu können.

Die zu den Schaltungsvarianten gehörigen Ventilwege sind in der unten dargestellten Tabelle abgebildet. Die schwarz markierten Pfade sind durchgeschaltet und der weiße gesperrt.

Schaltungsart	Vl	V2
Serie	*	*
Parallel

b) Optimierung der je individuellen Anlage entsprechend ihren Standortfaktoren

Um genaue Daten der Anlage zu erhalten werden diese über einen Zeitraum von maximal einer Woche in der Regelung gespeichert. Hierzu werden zwei Datenblöcke definiert. In dem ersten Datenblock (Messwertblock) wird der Status der einzelnen Pumpen und Kollektoren, die Temperaturen sowie die dazugehörige Zeit gespeichert:

• · i

Byte-Nr.	Daten-Inhaltsbeschreibung
l.Byte	Minuten zahl
2. Byte	Stundenzahl
3. Byte	Tageszahl
4. Byte	Monatszahl
5. Byte	Jahreszahl
6. Byte - Bit 1	Status der Ost-Pumpe ( an/aus)
6. Byte - Bit 2	Status der West-Pumpe (an/aus)
6. Byte - Bit 3	Status der Ost-Kollektoren ( reihe/parallel)
6. Byte - Bit 4	Status der West-Kollektoren (reihe/parallel)
7. Byte	Temperatur des Vorlaufs
8. Byte	Temperatur des Rücklaufs
9. Byte	Temperatur der Ost-Kollektoren
10. Byte	Temperatur der West-Kollektoren
11. Byte	Markiert das Ende eines Messwertblocks

Der zweite Datenblock (Grenzwertblock) beinhaltet die aktuellen Schaltschwellen bzw. Temperaturdifferenzen sowie die Zeit der Änderung:

Byte-Nr.	Daten-Inhaltsbeschreibung
l.Byte	Markiert den Beginn eines Grenzwertblocks
2. Byte	Minutenzahl
3. Byte	Stundenzahl
4. Byte	Tageszahl
5. Byte	Monatszahl
6. Byte	Monatszahl
7. Byte	Jahreszahl
8. Byte	&Dgr;&Tgr;- Umschaltung von Parallel auf Reihe
9. Byte	&Dgr;&Tgr;- Umschaltung von Reihe auf Parallel
10. Byte	Einschalttemperatur der Anlage
11. Byte	Ausschalttemperatur der Anlage
12. Byte	Markiert das Ende eines Grenzwertblocks

Der Messwertblock wird in einem Abstand von 10min gespeichert und der Grenzwertblock nur bei Veränderung der Grenzwertdaten. Um nun eine sinnvolle Auswertung der Daten durchfuhren zu können, werden die Werte minimal einmal pro Woche an den Betreiber via einer Datenfernübertragung per Analogmodem übermittelt oder der Betreiber liest sie mit einer direkten PC-Verbindung aus. Auf dem PC können die Daten nun mit einer mitgelieferten Software ausgewertet und die Schaltschwellen entprechend den Anforderungen seiner Anlage verändert werden. Auch jahreszeitenabhängige Einstellungen können nun leicht ermittelt und ggf. eingestellt werden.

Erreichte Vorteile:

Durch die zuvor dargestellten Veränderung in der Verschaltung von Kollektoren wird es möglich, durch einen geringen Mehraufwand sowie geringe Mehrkosten eine Erhöhung der Effektivität von kleinen und mittelgroßen Anlagen zu erreichen, da auf die im Verhältnis sehr teure stufenlose Pumpengeschwindigkeits-Regelung verzichtet werden kann.

Durch die Speicherung der Anlagendaten und das Übermitteln dieser an den Betreiber wird ein kostengünstiges Einstellen von standortbezogenen Grenzwerten sowie das Erstellen von anlagenspezifischer Statistiken ermöglicht, was wiederum zu einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit führt.

Claims (1)

1. Anlage zur Solarthermisteuerung

   - Kollektorfeld-Serien-Parallel-Umschaltung

   - Optimierung der je individuellen Anlage durch Anlagendatenspeicherung