DE20000759U1 - Solar thermal control - Google Patents
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- F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
- F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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Description
Anlage zur SolarthermisteuerungSolar thermal control system
2. Stand der Technik:2. State of the art:
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.Control units for solar thermal systems of the usual design have a three-point temperature control and a display of this and the switching states of the pumps. The switching thresholds are also usually editable.
3. Angabe der Wirkungen, die mit der Erfindung erzielt werden sollen:3. Statement of the effects to be achieved with the invention:
a) Erhöhung der allgemeinen Effektivität in Anlagen mit mehr als einem Kollektora) Increasing the overall effectiveness in systems with more than one collector
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.1. A solar system consists of one or more collectors. If there is more than one collector, it makes sense to divide the collectors into groups and to adjust the orientation of the individual groups to the path of the sun (Figure 1). This results in better use of solar radiation over the course of the day, as one group of collectors is always aligned with the sun and collector losses are thus minimized. In a standard system with only one heat transfer medium circuit, the different irradiation of the collectors over the course of the day results in a cooling function for the collector surfaces that are not exposed to the light.
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:2. Furthermore, the arrangement of the collectors to each other (series or parallel connection) should be able to be changed according to the irradiation intensity in order to better utilize the advantages of the individual circuit variants and mitigate the disadvantages:
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.The parallel connection (Figure 2) has the advantage that when there is high heat radiation, the heat can be dissipated with a low mass flow. The disadvantage is that the system cools down more quickly when there is low radiation.
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.The advantage of the series connection (Figure 3) is that the heat transfer medium runs through all absorbers. This creates a uniform flow and less rapid cooling of the system when there is little solar radiation. However, it must be ensured that the heat produced can be dissipated by an increased mass flow when there is strong radiation.
b) Optimierung der je individuellen Anlage entsprechend ihren Standortfaktorenb) Optimisation of each individual plant according to its location factors
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.Although today's devices make it possible to change the limit values or switching thresholds, determining these is usually left to the operator. Determining the values is made more difficult by the fact that the operator does not have any location-based and system-specific data available either at the start or after a longer period of operation of the system. As a result, he often falls back on regional standards, which leads to losses in the economic efficiency of the system.
4. Lösung:4. Solution:
a) Erhöhung der allgemeinen Effektivität in Anlagen mit mehr als einem Kollektora) Increasing the overall effectiveness in systems with more than one collector
1. Punkt Eins lässt sich verwirklichen, indem der Gesamtkreislauf aufgetrennt wird und die einzelnen1. Point one can be achieved by separating the entire cycle and the individual
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:Collector groups form autonomously running systems, so that the individual circuit paths are firstly shorter
and secondly, they must be switched separately. This solution also solves the cooling function problem
of the non-illuminated collector surfaces, since these can be switched off if necessary.
In order to switch the pumps on and off effectively, the following points must be observed when determining the switching difference between the collector temperature and the storage tank temperature measured at the return:
- 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. - On the way from the collector to the storage tank, the heat medium cools down by approx. 0.5-3 Kelvin, due to heat conduction and convection on the pipe walls.
- Die Toleranz der Temperaturfühler muss mit ca. 1-2 Kelvin angesetzt werden.- The tolerance of the temperature sensors must be set at approx. 1-2 Kelvin.
• ··
• ··
- Um effektiv arbeiten zu können, muss zwischen dem Wärmeübertrager im Brauchwasserspeicher und dem Brauchwasser eine Differenz von mindestens 2-3 Kelvin vorliegen. - In order to work effectively, there must be a difference of at least 2-3 Kelvin between the heat exchanger in the domestic hot water tank and the domestic water.
- 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.- When the pump is switched on, the system initially cools down briefly due to circulation, which is caused by the flow of the even colder heat transfer medium.
Aus diesen vier Punkten berechnet sich die minimale „Worst-Case" Differenztemperatur wie folgt:From these four points, the minimum "worst-case" differential temperature is calculated as follows:
Verluste im Leitungssystem:Losses in the piping system:
Toleranz der Temperaturfühler: +Temperature sensor tolerance: +
Mindestemperaturdifferenz zum Speicher: +Minimum temperature difference to storage: +
Abkühlung durch die Zirkulation +Cooling through circulation +
2. Für die regelungstechnische Umsetzung von Punkt Zwei wird eine zweistufigen Pumpe benötigt. Die2. For the control implementation of point two, a two-stage pump is required. The
Kriterien für Stufe Eins und Zwei bzw. für das Umschalten von der einen zu der anderen Stufe werden im Folgenden erläutert:Criteria for levels one and two or for switching from one level to the other are explained below:
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.If the radiation on the collectors is low and the system has cooled down, the collectors are connected in series and the pump runs at speed level 1 (1200 rpm), as this gives the heat transfer medium more time to heat up in one cycle.
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.If the radiation is strong when the system is cooled down, the collectors run in parallel and the pump runs at speed level 2 (1850 rpm), as this is the fastest way to make the heat generated available to the consumer.
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.If the radiation changes from low to high when the system is heated, the system switches from series to parallel operation in order to dissipate the increased heat more quickly.
Wechselt die Einstrahlung hingegen von stark auf gering, so wird von Parallel- auf Serienbetrieb gewechselt, um so ein schnelleres Abkühlen der Anlage zu verhindern.However, if the irradiation changes from strong to low, the system switches from parallel to series operation to prevent the system from cooling down more quickly.
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:In order to avoid excessive cooling of the system at night due to natural circulation in the collectors, series operation is selected for the night.
The following table shows a summary overview of the switching states:
Gering auf starkChange from
Low to high
Serie auf ParallelChange from
Series on Parallel
Stark auf geringChange from
Strong to low
Parallel auf SerieChange from
Parallel to series
Schaltungstechnisch werden, wie in Abbildung 4 dargestellt, zwei Ventile pro Kollektorpaar benötigt, um zwischen Serie und Parallel wechseln zu können.In terms of circuitry, as shown in Figure 4 , two valves are required per collector pair to switch between series and parallel.
Die zu den Schaltungsvarianten gehörigen Ventilwege sind in der unten dargestellten Tabelle abgebildet. Die schwarz markierten Pfade sind durchgeschaltet und der weiße gesperrt.The valve paths associated with the circuit variants are shown in the table below. The paths marked in black are switched on and the white one is blocked.
b) Optimierung der je individuellen Anlage entsprechend ihren Standortfaktorenb) Optimisation of each individual plant according to its location factors
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: In order to obtain precise data from the system, these are stored in the control system for a maximum period of one week. Two data blocks are defined for this purpose. The status of the individual pumps and collectors, the temperatures and the associated time are stored in the first data block (measured value block):
• · i · i
Der zweite Datenblock (Grenzwertblock) beinhaltet die aktuellen Schaltschwellen bzw. Temperaturdifferenzen sowie die Zeit der Änderung:The second data block (limit block) contains the current switching thresholds or temperature differences as well as the time of the change:
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.The measured value block is saved at intervals of 10 minutes and the limit value block only when the limit value data changes. In order to be able to carry out a meaningful evaluation of the data, the values are sent to the operator at least once a week via a remote data transmission using an analogue modem or the operator reads them using a direct PC connection. The data can now be evaluated on the PC using the software provided and the switching thresholds can be changed according to the requirements of the system. Season-dependent settings can now also be easily determined and adjusted if necessary.
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.The previously described change in the connection of collectors makes it possible to increase the effectiveness of small and medium-sized systems with little additional effort and cost, as the relatively expensive stepless pump speed control can be dispensed with.
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.By storing the system data and transmitting it to the operator, it is possible to set location-specific limit values and create system-specific statistics in a cost-effective manner, which in turn leads to increased economic efficiency.
Claims (1)
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DE20000759U DE20000759U1 (en) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | Solar thermal control |
Applications Claiming Priority (1)
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| DE20000759U DE20000759U1 (en) | 2000-01-18 | 2000-01-18 | Solar thermal control |
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Family
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Family Applications (1)
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE20000759U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102008006507A1 (en) | 2008-01-29 | 2009-07-30 | Pizaul Ag | Regulation device for solar power collector system, has valve controlled such that temperatures determining sensors remain approximately same, and flow rate of pump is controlled such that temperatures remain high to heat storage |
| WO2013000776A1 (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Solar array, arrangement with a plurality of solar arrays and use of the solar array or the arrangement |
-
2000
- 2000-01-18 DE DE20000759U patent/DE20000759U1/en not_active Expired - Lifetime
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| WO2013000776A1 (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | Siemens Aktiengesellschaft | Solar array, arrangement with a plurality of solar arrays and use of the solar array or the arrangement |
| CN103797312A (en) * | 2011-06-30 | 2014-05-14 | Ksb股份公司 | Solar field, device having a plurality of solar fields and application of solar field or the device |
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Effective date: 20030801 |