DE29601542U1 - Transfer station for the storage and use of solar heat and / or other low-temperature heat - Google Patents
Transfer station for the storage and use of solar heat and / or other low-temperature heatInfo
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Description
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BeschreibungDescription
Die vorliegende Erfindung betrifft wärmetechnische Anlagen, bei denen typischerweise in Temperatur und Leistung veränderliche Wärmelieferungen aus „fluktuierenden" Wärmequellen nach einer kurz-, mittel- oder langfristigen Wärmespeicherung einer Nutzanwendung mit bedarfsgerecht geregelter Temperatur und Wärmeleistung zugeführt werden. Typisch fluktuierende Wärmequellen stellen die Wärmelieferung von Sonnenkollektoren, aber auch die Abwärmelieferung von Maschinen und Anlagen, u.a. auch Anlagen der Kraft-Wärme-Kopplung, dar. Beispielhafte Nutzanwendungen dieser Wärmelieferungen sind die Erwärmung von Brauchwasser und die Beheizung von Gebäuden. Sollte die Temperatur und/oder Leistung der fluktuierenden Wärmequellen nicht ausreichen, den Nutzwärmebedarf zu decken, so wird üblicherweise zur Nachheizung die Wärme eines brennstoSbefeuerten Wärmeerzeugers oder eine Elektroheizung herangezogen. Ziel der beschriebenen wärmetechnischen Anlagen ist die möglichst weitgehende Substitution fossiler Brennstoffe bzw. die damit verbundene Einsparung an Energiekosten bei gleichzeitiger Verminderung der Umweltbelastung.The present invention relates to thermal systems in which heat supplies from "fluctuating" heat sources, which typically vary in temperature and power, are fed to a useful application with a temperature and heat output regulated as required after short, medium or long-term heat storage. Typical fluctuating heat sources are the heat supply from solar collectors, but also the waste heat supply from machines and systems, including combined heat and power systems. Examples of useful applications for these heat supplies are the heating of domestic water and the heating of buildings. If the temperature and/or power of the fluctuating heat sources are not sufficient to cover the useful heat requirement, the heat from a fuel-fired heat generator or an electric heater is usually used for additional heating. The aim of the thermal systems described is to replace fossil fuels as far as possible and to save energy costs associated with this. while simultaneously reducing environmental impact.
Anlagen der beschriebenen Art und Zielsetzung werden seit Jahren für einzelne Anwendungen individuell geplant, gebaut und mit wechselhaftem Erfolg betrieben. Die häufig auftretenden Schwierigkeiten betreffen sowohl die technische Funktion als auch das wirtschaftliche Ergebnis; die Gründe dafür werden nachfolgend beschrieben.Systems of the type and purpose described have been individually planned, built and operated for specific applications for years with varying degrees of success. The difficulties that frequently arise affect both the technical function and the economic result; the reasons for this are described below.
Der Stand der Technik ist dadurch gekennzeichnet, daß - üblicherweise durch ein Planungsbüro - die Anlagenkonfiguration entwickelt und die erforderlichen technischen Komponenten, wie z.B. Wärmeübertrager, Ventile und Armaturen, Pumpen, Steuerung/Regelung usw. individuell ausgewählt, ausgeschrieben und beschafft werden müssen. In der Regel müssen verschiedene Gewerke wie Installateur Heizungsbau, Elektrik/Elektronik geplant werden. Der Bau dieser Anlagen erfolgtThe state of the art is characterized by the fact that - usually by a planning office - the system configuration is developed and the necessary technical components, such as heat exchangers, valves and fittings, pumps, control/regulation, etc. must be individually selected, tendered and procured. As a rule, various trades such as plumbing, heating construction, electrics/electronics must be planned. The construction of these systems takes place
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nach Ausfuhrungsplanungen für die einzelnen Gewerke und wird handwerklich auf der Baustelle, meist über einen längeren Zeitraum hin ausgeführt. Dabei erfolgt der Aufbau der technischen Komponenten an Wänden oder Hilfsgerüsten.according to implementation plans for the individual trades and is carried out by hand on the construction site, usually over a longer period of time. The technical components are installed on walls or auxiliary scaffolding.
Die beschriebene Planungsweise und Herstellung birgt gravierende, grundsätzliche Nachteile. Die zumeist in gleicher Weise gestellte Aufgabe wird individuell völlig unterschiedlich bearbeitet, was zu technisch und funktionell sehr unterschiedlichen Anlagenkonzepten und Konfigurationen führt. Die technische Funktion hängt somit ausschließlich vom Kenntnisstand, Erfahrung und Geschick des Planers ab. Der zu erwartende Anlagennutzen ist für den Auftraggeber unsicher. Da Abnahmeversuche für eine garantierte Wärmeliefemng sehr aufwendig über einen längeren Zeitraum durchgeführt werden müssen, wird der energetische und ökonomische Nutzen selten evaluiert. Entsprechend gering ist das Vertrauen potentieller Auftraggeber. Eine weitere Schwierigkeit besteht in der technischen Abstimmung, Zuständigkeit und Verantwortlichkeit für die verschiedenen Gewerke. Bei Schwierigkeiten mit der Anlage kommt es häufig zu Auseinandersetzungen. Die Inbetriebnahme der Anlagen erfordert wegen ihres individuellen Aufbaus einen längeren Beobachtungs- und Einregulierungs-zeitraum für alle zu erwartenden Betriebszustände. .Der gravierendste Mangel dieses Stands der Technik sind die damit verbundenen hohen Kosten, durch die praktisch alle Anlagen dieser Art unwirtschaftlich sind.The planning and manufacturing method described has serious, fundamental disadvantages. The task, which is usually set in the same way, is handled completely differently by each individual, which leads to very different technical and functional system concepts and configurations. The technical function therefore depends exclusively on the level of knowledge, experience and skill of the planner. The expected system benefit is uncertain for the client. Since acceptance tests for a guaranteed heat supply have to be carried out over a long period of time, which is very complex, the energy and economic benefit is rarely evaluated. The trust of potential clients is correspondingly low. Another difficulty is the technical coordination, authority and responsibility for the various trades. If there are difficulties with the system, disputes often arise. Due to their individual structure, commissioning the systems requires a longer observation and adjustment period for all expected operating conditions. .The most serious shortcoming of this state of the art is the associated high costs, which make practically all systems of this type uneconomical.
Mit der vorliegenden Erfindung werden durch die Standardisierung einer alle Funktionen beinhaltenden Anlagen-Konfiguration, die als kompakte Übergabestation anschlußfertig auf die Baustelle geliefert wird, die beschriebenen Mängel beseitigt. Ansätze zu einer derartig kompakten, vorgefertigten Station sind bei kleinen, thermischen Solaranlagen zur Brauchwassererwärmung auf dem Markt erhältlich, wobei einerseits ein Sonnenkollektor und andererseits ein üblicher Brauchwasserspeicher mit innerem Wärmeübertrager zur Aufheizung des Brauchwassers anzuschließen sind. Diese Konfiguration ist auf Anlagen größerer Leistung mitWith the present invention, the described deficiencies are eliminated by standardizing a system configuration that includes all functions and is delivered to the construction site as a compact transfer station ready for connection. Approaches to such a compact, prefabricated station are available on the market for small, thermal solar systems for domestic water heating, where on the one hand a solar collector and on the other hand a conventional domestic water storage tank with an internal heat exchanger for heating the domestic water are to be connected. This configuration is suitable for systems with a higher output with
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entsprechend großem bzw. sehr großem Wärmespeicher nicht sinnvoll übertragbar.correspondingly large or very large heat storage cannot be meaningfully transferred.
Besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß an die kompakte Wärmeübergabe-Station neben Anschluß der Wärmequelle, des Wärmenutzungssystems und der Nachheizung mit verbindenden Rohrleitungen lediglich der Wärmespeicher als Behälter ohne Einbauten zur Wärmeübertragung oder temperaturgerechten Wärmeeinschichtung anzuschließen ist, um eine betriebsbereite Anlage zu erhalten. Dieser Speicherbehälter kann mit beliebigem statischen Druck, also mit atmosphärischen Druck, Unter- oder Überdruck, betrieben werden. Das Speichervolumen kann je nach Bedarf in Einbehälter- oder Mehrbehälterbauweise, als Beckenspeicher oder als natürlicher bzw. künstlicher Aquifer-Speicher ausgeführt werden. Wärmespeicher dieser Art werden erfindungsgemäß mit der Speicherflüssigkeit, deren Temperatur von der Wärmeübergabestation auf eine wählbare Zieltemperatur konstant geregelt wird, von oben her beladen. Bei dieser Vorgehensweise ergeben sich gleichzeitig mehrere Vorteile: bei jedem Beladevorgang, wird die Temperaturschichtung im Speicher erneuert, wobei zum frühestmöglichen Zeitpunkt Speicherflüssigkeit mit für die Wärmenutzung gewünschter Zieltemperatur zur Verfügung steht und die Kapazität des Wärmespeichers bei Vollbeladung maximal ausgenützt wird. Es wird damit ein Anlagenbetrieb mit einem Minimum an Nachheizung und einem Maximum an Speicherkapazität erzielt.A special feature of the present invention is that, in addition to connecting the heat source, the heat utilization system and the after-heating with connecting pipes, only the heat storage unit as a container without any fittings for heat transfer or temperature-appropriate heat stratification needs to be connected to the compact heat transfer station in order to obtain an operational system. This storage container can be operated with any static pressure, i.e. with atmospheric pressure, negative or positive pressure. The storage volume can be designed as a single-container or multi-container design, as a basin storage unit or as a natural or artificial aquifer storage unit, depending on requirements. Heat storage units of this type are, according to the invention, loaded from above with the storage fluid, the temperature of which is constantly regulated to a selectable target temperature by the heat transfer station. This approach offers several advantages at the same time: with each loading process, the temperature stratification in the storage tank is renewed, whereby storage fluid with the desired target temperature for heat use is available at the earliest possible time and the capacity of the heat storage tank is used to the maximum when fully loaded. This means that the system can be operated with a minimum of reheating and a maximum of storage capacity.
Erfindungsgemäß enthält die Kompakt-Wärmeübergabestation alle für die Wärmeübertragung zwischen den Flüssigkeitskreisläufen, für die Steuerung und Regelung der Wärmeübertragung, sowie für den Anlagenbetrieb und die Anlagensicherheit erforderlichen mechanischen und elektrischen/elektronischen Bauteile samt Ablaufprogramm in einer von einem Gehäuse umschlossenen Baugruppe. Nach Aufstellung der Wärmeübergabestation beschränkt sich die Montage lediglich auf die verbindenden Rohrleitungen. Nur einige Meßfühler sind außerhalb der Wärmeübergabestation zu installieren und anzuschließen.According to the invention, the compact heat transfer station contains all the mechanical and electrical/electronic components required for heat transfer between the fluid circuits, for controlling and regulating heat transfer, as well as for system operation and system safety, including the sequence program in an assembly enclosed in a housing. After the heat transfer station has been set up, assembly is limited to the connecting pipes. Only a few sensors need to be installed and connected outside the heat transfer station.
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Die Erfindung wird anhand Fig. 1 beispielhaft gezeigt und näher beschrieben.The invention is shown by way of example and described in more detail with reference to Fig. 1.
Fig. 1 zeigt schematisch die kompakte Wärmeübergabestation 1, zur besseren Übersicht sowie Montage- und Wartungsfreundlichkeit beispielhaft eingeteilt in die Module Beladung la, Entladung Ib, Nachheizung Ic und Steuerung/Regelung Id. Das Modul Beladung la besitzt Anschlüsse 3, 4 für die Wärmequelle und Anschlüsse 5, 6 für die Speicherbeladung. Das Modul Entladung Ib besitzt Anschlüsse 7, 8 für die Speicherentladung und Anschlüsse 9, 10 für das Wärmenutzungssystem. Das Modul Nachheizung Ic besitzt Anschlüsse 11, 12 für den Nachheizkessel und Anschlüsse 13, 14 für die Nachheizung des oberen Speicher-Bereitschaftsteils 2a. Der Wärmespeicher 2 ist schematisch als Behälter mit den zur Wärmeübergabestation korrespondierenden Anschlüssen 5, 6 für die Speicherbeladung, den Anschlüssen 7, 8 für die Speicherentladung und den Anschlüssen 13, 14 für die Nachheizung des oberen Speicher-Bereitschaftsteils 2a dargestellt. Mit der Fertigstellung der verbindenden Rohrleitungen und dem Füllen der Flüssigkeitskreisläufe steht die Anlage betriebsbereit zur Verfugung, Bedarfsweise kann die Wärmeübergabestation mit weiteren Anschlüssen für Ausdehnungsgefäße sowie FülWEntleerbehälter für die einzelnen Kreisläufe ausgestattet werden. Für den Betrieb dieser beispielhaften Konfiguration Fig.l ist lediglich ein externer Temperaturfühler 15 für die Regelung der Nachheizung des oberen Speicher-Bereitschaftsteils 2a erforderlich.Fig. 1 shows a schematic of the compact heat transfer station 1, divided into the modules loading la, unloading Ib, reheating Ic and control/regulation Id for a better overview and ease of assembly and maintenance. The module loading la has connections 3, 4 for the heat source and connections 5, 6 for the storage tank loading. The unloading Ib module has connections 7, 8 for the storage tank unloading and connections 9, 10 for the heat utilization system. The reheating Ic module has connections 11, 12 for the reheating boiler and connections 13, 14 for the reheating of the upper storage standby section 2a. The heat storage tank 2 is shown schematically as a container with the connections 5, 6 corresponding to the heat transfer station for the storage tank loading, the connections 7, 8 for the storage tank unloading and the connections 13, 14 for the reheating of the upper storage standby section 2a. With the completion of the connecting pipes and the filling of the liquid circuits, the system is ready for operation. If required, the heat transfer station can be equipped with additional connections for expansion vessels and filling/emptying containers for the individual circuits. To operate this exemplary configuration Fig.l, only an external temperature sensor 15 is required to control the reheating of the upper storage standby section 2a.
Fig, 2 zeigt beispielhaft eine erweiterte Variante der kompakten Wärmeübergabestation 1. Diese Erweiterung betrifft lediglich die Module Beladung la und Steuerung/Regelung Id, weshalb in Fig. 2 auf die Bezeichnung der übrigen Anschlüsse verzichtet ist. Die Speicherbeladung erfolgt auch hier vorrangig mit geregelter Zieltemperatur von oben her über den Anschluß 5. Bei fluktuierenden Wärmequellen kommt es jedoch vor, daß die gewünschte Zieltemperatur nicht erreicht wird. In diesem Fall wird die Speicherflüssigkeit mit niedrigerer Temperatur über einen oder mehrere tiefer liegende Speicheranschlüsse 5 a eingeschichtet, wobei die zu regelnde Zieltemperatur jeweils mit einem an diesen Anschlußstellen 5a in der Speicherflüssigkeit angeordnete Temperaturfühler 16 gemessen wird. Die hydraulische UmschaltungFig. 2 shows an example of an extended variant of the compact heat transfer station 1. This extension only affects the loading modules la and control/regulation Id, which is why the other connections are not labeled in Fig. 2. Here too, the storage tank is primarily loaded with a regulated target temperature from above via connection 5. However, with fluctuating heat sources, it can happen that the desired target temperature is not reached. In this case, the storage fluid with a lower temperature is layered via one or more lower storage connections 5a, whereby the target temperature to be regulated is measured in each case with a temperature sensor 16 arranged in the storage fluid at these connection points 5a. The hydraulic switching
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zwischen den Anschlüssen 5 und 5a erfolgt durch ein im Inneren des Moduls Beladung la angeordnetes und vom Modul Steuerung/Regelung Id angesteuertes Umschaltventil.between connections 5 and 5a is carried out by a changeover valve located inside the loading module la and controlled by the control/regulation module Id.
Sinngemäß zu der in Fig. 2 beschriebenen Zonenbeladung eines Speicherbehälters oder mehrerer in Reihe geschalteter Speicherbehälter kann die Wärmeübergabestation 1 als weitere Variante mit einer Zonenentladung über entsprechende Speicheranschlüsse und das Modul Entladung Ib ausgeführt werden.Analogous to the zone loading of a storage tank or several storage tanks connected in series described in Fig. 2, the heat transfer station 1 can be designed as a further variant with a zone discharge via corresponding storage connections and the discharge module Ib.
Diese Variante wird beispielhaft mit Fig. 3 beschrieben, wobei auf die Bezeichnung der nicht relevanten, übrigen Anschlüsse verzichtet ist. Tritt der Betriebszustand ein, daß die Speicherflüssigkeitstemperatur an der Stelle des Temperaturfühlers 17 schon ausreicht, um die geforderte Flüssigkeitstemperatur am Nutzwärmeanschluß 10 zu realisieren, so wird der Wärmespeicher mit Vorrang über einen im Bereich des Temperaturfühlers 17 angeordneten Entnahmeanschluß 8a entladen. Dieser Betriebszustand tritt beispielsweise bei abgesenkter Nutzwärmetemperatur oder bei voll beladenem Wärmespeicher ein. Die hydraulische Umschaltung zwischen den Anschlüssen 8 und 8a erfolgt durch ein im Inneren des Moduls Entladung Ib angeordnetes und vom Modul Steuerung/Regelung Id angesteuertes Umschaltventil.This variant is described as an example in Fig. 3, whereby the names of the other, irrelevant connections are omitted. If the operating state occurs that the storage fluid temperature at the location of the temperature sensor 17 is already sufficient to achieve the required fluid temperature at the useful heat connection 10, the heat storage unit is discharged with priority via a discharge connection 8a arranged in the area of the temperature sensor 17. This operating state occurs, for example, when the useful heat temperature is reduced or when the heat storage unit is fully loaded. The hydraulic switching between the connections 8 and 8a takes place via a switching valve arranged inside the discharge module Ib and controlled by the control/regulation module Id.
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1 kompakte Wärmeübergabestation1 compact heat transfer station
2 Wärmespeicher - Behälter2 heat storage tanks
2a Wärmespeicher - Bereitschaftsteil2a Heat storage - standby part
3,4 hydraulische Anschlüsse für die Wärmequelle3.4 hydraulic connections for the heat source
5,6 hydraulische Anschlüsse für die Speicherbeladung5.6 hydraulic connections for storage charging
5 a hydraulischer Anschluß für die Speicher-Zonenbeladung5 a hydraulic connection for storage zone loading
7,8. hydraulische Anschlüsse für die Speicherentladung7.8. hydraulic connections for storage discharge
8a hydraulischer Anschluß für die Speicher-Zonenentladung8a hydraulic connection for storage zone discharge
9, 10 hydraulische Anschlüsse für das Wärmenutzungssystem9, 10 hydraulic connections for the heat utilization system
11,12 hydraulische Anschlüsse für die Nachheizung11,12 hydraulic connections for the after-heating
13, 14 hydraulische Anschlüsse für die Speichernachheizung13, 14 hydraulic connections for storage tank reheating
15 externer Temperaturfühler für die Regelung der Speichernachheizung15 external temperature sensor for controlling the storage tank reheating
16 externer Temperaturfühler für die Regelung der örtlichen Speicher-Zonenbeladung 16 external temperature sensors for controlling the local storage zone loading
17 externer Temperaturfühler für die Regelung der Speicher-Zonenentladung17 external temperature sensor for controlling the storage zone discharge
Claims (11)
Priority Applications (1)
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| DE29601542U DE29601542U1 (en) | 1996-01-30 | 1996-01-30 | Transfer station for the storage and use of solar heat and / or other low-temperature heat |
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- 1996-01-30 DE DE29601542U patent/DE29601542U1/en not_active Expired - Lifetime
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Effective date: 20020801 |