DE69608914T2 - Sonnenwärmeanlage - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Sonnenwärmeanlage zum Aufheizen von Brauchwasser mit einem Solarkollektor zum Auffangen der einfallenden, abgestrahlten Sonnenenergie, einem Speicher zum Speichern der aufgenommenen Energie, einem ersten Flüssigkeitszyklus zum Zirkulieren einer wärmeführenden Flüssigkeit zwischen dem Solarkollektor, in dem die Flüssigkeit die Sonnenenergie in Form von Wärme absorbiert, und dem Speicher, in dem die Flüssigkeit Wärme abgibt, und einem zweiten Flüssigkeitszyklus zum Zuführen des Brauchwassers zum Aufheizen an den Speicher und des heißen Brauchwassers von dort zum Ort des Gebrauchs, wobei der Speicher aus einem Behälter besteht, der mit einer wärmeführenden Flüssigkeit gefüllt und in den ersten Flüssigkeitszyklus integriert ist, und wobei die Anlage ferner einen Wärmetauscher und einen dritten Flüssigkeitszyklus zum Zirkulieren der wärmeführenden Flüssigkeit zwischen dem Speicher und einer der Seiten des Wärmetauschers umfaßt, wobei die andere Seite in den zweiten Flüssigkeitszyklus integriert ist.
• Mittels derartiger Solaranlagen kann die einfallende Sonnenstrahlung genutzt werden, wobei eine solche Anlage eine Investition darstellt, die sich durch diese dauerhafte und freie Energiequelle in wenigen Jahren auszahlen kann. Da diese Anlagen darüber hinaus arbeiten, ohne die Umwelt zu verschmutzen, ist die Verwendung von Sonnenenergie zum Aufheizen von Wasser, das beispielsweise in einer Zentralheizung zirkuliert oder das z. B. in einem Badezimmer verwendet oder konsumiert wird, sehr beliebt geworden. In jedem Fall wird das aufzuheizende Wasser im Folgenden Brauchwasser genannt.
• Die Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung ist stark veränderlich. Daher ist in die Anlagen normalerweise ein Wärmespeicher zum Egalisieren der Wärmeerzeugung integriert, welche proportional zur Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung variiert. Bei herkömmlichen Anlagen wird als Speicher normaler weise ein Wasserbehälter geeigneter Größe verwendet. Dieser Behälter kann derselbe Behälter sein, der z. B. zur Aufbewahrung eines Warmwasservorrats in Hausanlagen verwendet wird.
• Diese Lösung ist in jeder Hinsicht eine hervorragende Lösung, sie hat jedoch den Nachteil, daß sich in dem im Behälter befindlichen Warmwasser nach und nach ein Bakterienwachstum entwickeln kann. Das ist unhygienisch und kann insbesondere gesundheitsschädlich sein, wenn das Wasser zur persönlichen Hygiene verwendet oder konsumiert wird.
• Aus der Patentveröffentlichung JP-A-60096862 ist eine Sonnenwärme nutzende Klima- und Wasserversorgungsanlage bekannt. Die Anlage weist eine gering beheizte Wasser-Kühl-/Heizeinheit und einen Druckausgleichsbehälter auf, der durch eine Trennwand in zwei Abschnitte unterteilt ist. Wasser wird in dem Behälter und einem Solarkollektor und gleichzeitig ebenso in dem Behälter und der Kühl-/Heizeinheit zirkuliert. Die Anordnung verhindert, daß Wasser aus den zwei Kreisläufen im Behälter gemischt wird, so daß die Anlage eine hohe thermische Effizienz und eine hochrangige Kontrollierbarkeit hinsichtlich Schwankungen in der Ausgangsleistung erhält, welche durch die Veränderungen der Sonnenstrahlung verursacht werden. Das Patent lehrt nicht, daß das durch die gering beheizte Wasser-Kühl-/Heizeinheit zu zirkulierende Brauchwasser und das aufgeheizte, die Einheit verlassende Wasser notwendigerweise eine Temperatur hat, die von dem Verbrauch des aufgeheizten Wassers und der Intensität der Sonnenstrahlung abhängig ist. Daher könnte die Temperatur dieses aufgeheizten Wassers manchmal relativ niedrig und manchmal relativ hoch sein. Normalerweise ist es jedoch erwünscht, daß das heiße Brauchwasser den Ort des Verbrauchs mit einer vorgegebenen Temperatur erreicht.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Sonnenwärmeanlage der im einführenden Absatz genannten Art auf solche Weise bereitzustellen, daß das Bakterienwachstum im Brauchwasser vermieden und das aufgeheizte Brauchwasser von der Anlage mit einer vorgegebenen Temperatur geliefert werden kann.
• Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der zweiten Leitung des dritten Zyklus ein Führungsventil integriert und im zweiten Zyklus ein Sensor angeordnet ist, um die Temperatur des Brauchwassers nach dem Wärmetauscher zu ermitteln, wobei das Führungsventil dafür ausgelegt ist, den Flüssigkeitsstrom im dritten Zyklus in Abhängigkeit von den Signalen des Sensors zu regeln. Das bedeutet, daß das heiße Brauchwasser den Ort des Verbrauchs mit einer vorgegebenen Temperatur erreicht.
• Da das Brauchwasser nicht mit der im Behälter befindlichen Flüssigkeit in Kontakt gerät, ist es demzufolge nicht mehr dem Risiko ausgesetzt, mit Bakterienkulturen infiziert zu werden, die sich im Behälter bilden. Bei geeigneter Wahl einer wärmeführenden Flüssigkeit besteht die Möglichkeit einer vollständigen Beseitigung eines Bakterienwachstums im Speicher. Als Flüssigkeit kann beispielsweise Glyzerin verwendet werden.
• Die Kapazität der Anlage erhöht sich umgekehrt proportional zur Temperatur der wärmeführenden Flüssigkeit am Einlaß des Solarkollektors. Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn diese Temperatur so niedrig wie möglich ist. Die Temperatur bleibt am niedrigsten, wenn die den Solarkollektor erreichende Flüssigkeit aus einem unteren Bereich des Behälters entnommen wird, da sich die Flüssigkeit im Speicherbehälter naturgemäß in zwei Schichten teilt, wobei die höchste Temperatur oben und die niedrigsten Temperatur unten ist. Die vom Solarkollektor kommende Flüssigkeit wird dann dem oberen Bereich des Behälters zugeführt, wo die Temperatur bereits am höchsten ist.
• Der oben beschriebene Effekt wird noch weiter verbessert, wenn die wärmeführende Flüssigkeit im dritten Zyklus den Wärmetauscher aus dem oberen Bereich des Speicherbehälters erreicht und die Flüssigkeit, die während des Durchtritts durch den Wärmetauscher abgekühlt wurde, den Behälter im unteren Bereich erreicht.
• In diesem Zusammenhang ist es ferner bevorzugt, einen Plattenwärmetauscher zu verwenden, der trotz geringer Platzanforderungen eine große Kapazität hat, und der daher die wärmeführende Flüssigkeit beinahe auf dieselbe Temperatur abkühlen kann, die das kalte Brauchwasser vor dem Wärmetauscher hat.
• Wie vorstehend erwähnt, ist die Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung stark veränderlich, wodurch auch die Temperatur der wärmeführenden Flüssigkeit im Speicherbehälter zu einem gewissen Grad variiert. In Zeiten mit starker Sonnenstrahlung steigt sie an und in Zeiten mit wenig oder gar keiner Sonnenstrahlung nimmt sie ab. Wenn die Temperatur steigt, dehnt sich die Flüssigkeit aus, weswegen, um zu vermeiden, daß sie während dieses Vorgangs den Behälter oder andere Teile des ersten Zyklus sprengt, dieser Zyklus mit einem Expansionsbehälter verbunden werden kann. Dieser kann ferner gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in den oberen Bereich des Behälters integriert werden, wobei dieser Bereich groß genug sein muß, daß er nie vollständig mit Flüssigkeit gefüllt ist, auch dann nicht, wenn er sich in dem heißesten Zustand befindet, der vorstellbar ist.
• Die Erfindung wird in der folgenden Beschreibung genauer erläutert, in der weitere bevorzugte Eigenschaften und Effekte ausgeführt sind, und wobei das Ausführungsbeispiel nur als Beispiel dient, welches auf die einzige Figur der Zeichnung bezogen ist, in der schematisch eine erfindungsgemäße Sonnenwärmeanlage dargestellt ist.
• In der Figur ist ein Solarkollektor, der z. B. auf dem Dach eines Hauses (nicht gezeigt) installiert werden kann, mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Die Solarenergie kann beispielsweise dazu verwendet werden, das Haus vollständig oder teilweise zu beheizen oder das Brauchwasser aufzuheizen, das zur persönlichen Hygiene oder für andere Haushaltszwecke verwendet wird. Im Folgenden wird davon ausgegangen, daß es sich bei dem aufzuheizenden Wasser um Brauchwasser dieser Art handelt.
• Der Solarkollektor selbst ist nicht Bestandteil der Erfindung und wird daher nicht genauer beschrieben. Es ist jedoch von Bedeutung, daß es sich dabei um einen Solarkollektor handelt, der die einfallende Sonnenstrahlung in Form von Wärme an eine wärmeführenden Flüssigkeit überträgt, die durch den Solarkollektor fließt, wenn die Anlage in Betrieb ist.
• Das Bezugszeichen 2 bezeichnet einen Speicherbehälter, der von einer Wärmeisolierung 3 umgeben ist. Der Behälter ist teilweise mit wärmeführender Flüssigkeit 4 gefüllt, wobei oberhalb dieser Flüssigkeit ein Bereich 5 freigelassen wird. Dieser Bereich wirkt als Expansionsbehälter 5 zum Absorbieren des zusätzlichen Volumens, das die Flüssigkeit 4 einnimmt, wenn sie sich bei steigender Temperatur ausdehnt.
• Die Flüssigkeit wird mittels einer Pumpe 6 zirkuliert, die sich im ersten Zyklus befindet, der insgesamt mit dem Bezugszeichen 7 bezeichnet ist. Dieser Zyklus umfaßt genauer den Solarkollektor 1 und den Behälter 2 sowie außerdem eine erste Flüssigkeitsleitung 8, die die aufgeheizte Flüssigkeit vom Solarkollektor zum Behälter befördert, und eine zweite Flüssigkeitsleitung 9, die die abgekühlte Flüssigkeit vom Behälter zum Solarkollektor befördert.
• Die Pumpe 6 ist in der ersten Leitung 8 angeordnet, wobei auf beiden Seiten der Pumpe ein Absperrventil 10 angeordnet ist, um den Zyklus abzusperren, wenn die Pumpe zur Inspektion oder zum Austausch demontiert werden soll. In der Leitung 8 ist ferner ein Zählventil 11 und ein Sicherheitsventil 12 vorhanden. In der zweiten Leitung 9 ist darüber hinaus ein weiteres Absperrventil 10 vorhanden, das dem Zweck dient, zusammen mit dem einen oder beiden Absperrventilen, den Zyklus unterhalb des Solarkollektors abzusperren, wenn dieser inspiziert oder möglicherweise ausgetauscht werden soll.
• Die Sonnenwärmeanlage umfaßt außerdem einen Wärmetauscher 13, der beispielsweise ein Plattenwärmetauscher 13 sein kann. Der Wärmetauscher umfaßt eine erste Seite 14 und eine zweite Seite 15.
• Das Brauchwasser fließt in einen weiteren Zyklus 16, der in der Figur nur bruchstückhaft sichtbar ist. Dieser Zyklus 16 umfaßt eine erste Wasserleitung 17 und eine zweite Wasserleitung 18, welche beide mit der zweiten Seite 15 des Wärmetauschers 13 verbunden sind. In der ersten Wasserleitung 17 sind ein Zählventil 11 und ein Sicherheitsventil 12 angeordnet.
• Für die Zirkulation zwischen dem Behälter 2 und dem Wärmetauscher 13 ist ein dritter Zyklus 19 vorgesehen. Dieser Zyklus 19 umfaßt eine erste Wasserleitung 20 und eine zweite Wasserleitung 21, welche beide mit der ersten Seite 14 des Wärmetauschers 13 verbunden sind. In der ersten Leitung 20 ist eine Pumpe 22 angeordnet, um die Flüssigkeit zwischen dem Behälter und dem Wärmetauscher zu zirkulieren. Darüber hinaus sind in dieser Leitung ein Absperrventil 10 und ein Zählventil 11 angeordnet. In der zweiten Leitung 21 des dritten Zyklus 19 ist ein Führungsventil 23 angeordnet, das über eine Führungsleitung 24 mit einem Sensor 25 in Verbindung steht, der in der zweiten Leitung 18 des zweiten Zyklus 16 angeordnet ist. Der Zweck dieser Anordnung wird nachfolgend detailliert erläutert.
• Die Anlage wird mit der wärmeführenden Flüssigkeit durch ein Füllventil 26 aufgefüllt, das mit der zweiten Leitung 21 des dritten Zyklus 19 verbunden ist. Die Anlage wird mittels eines automatischen Entlüftungsventils 27 belüftet, das im oberen Bereich der Anlage oberhalb des Solarkollektors 1 angeordnet ist.
• Wenn der Solarkollektor in Betrieb ist, müssen die Absperrventile 10 im ersten Zyklus 7 offen und die Pumpe 6 aktiviert sein. Die wärmeführende Flüssigkeit 4 fließt dann in Richtung des Pfeils durch den Solarkollektor 1, wo die wärmeführende Flüssigkeit durch die einfallende Sonnenstrahlung aufgeheizt wird. Die aufgeheizte Flüssigkeit fließt dann über die erste Leitung 8 in den oberen Bereich des Behälters 2, der dann einen Vorrat heißer Flüssigkeit speichert. Die Flüssigkeit teilt sich im Behälter naturgemäß in Schichten, wobei sich die heißeste Flüssigkeit oben und die kälteste Flüssigkeit unten befindet. Die zweite Leitung 9 des ersten Zyklus 7 ist mit dem unteren Bereich des Behälter 2 verbunden, wobei sich daher der kälteste Teil der Flüssigkeit unten im Behälter 2 befindet, der über die zweite Leitung 9 zum Solarkollektor 1 zurückgeführt wird, um wieder aufgeheizt zu werden. Der Solarkollektor erreicht vorteilhafterweise eine maximale Kapazität, wenn die Flüssigkeit von ihrem kältestmöglichen Zustand erhitzt wird, da die Temperaturunterschiede, welche die Kapazität bestimmen, dadurch am größten sind.
• Der Flüssigkeitsvorrat im Behälter 2, der beispielsweise einige hundert Liter betragen kann, hat eine hohe Wärmekapazität und kann daher viel Wärme speichern. Dies ist eine nützliche Eigenschaft, da die Intensität der einfallenden Sonnenstrahlung und dadurch die Wärmeerzeugung des Solarkollektors stark variieren. Bei starker Sonnenstrahlung speichert die Flüssigkeit 4 die überschüssige Wärme im Behälter 2, die danach in Zeiten mit geringer oder gar keiner Sonnenstrahlung zur Verfügung steht.
• Die Warmwasserbehälter, die in herkömmlichen Sonnenwärmeanlagen verwendet werden, haben dieselbe Funktion. Dabei wird das im Warmwasserbehälter befindliche Wasser jedoch direkt als Brauchwasser verwendet. Dies ist unhygienisch und kann gesundheitsschädlich sein, da das Innere des Warmwasserbehälters bekanntermaßen ein Treibbeet für Bakterienkulturen sein kann, die daher im Brauchwasser vorhanden sind und Personen, die das Wasser z. B. zur persönlichen Hygiene nutzen oder konsumieren, Schaden zufügen können. Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Sonnenwärmeanlage vollständig beseitigt, in der das Brauchwasser von der im Behälter 2 befindlichen wärmespeichernden Flüssigkeit getrennt ist. Als Flüssigkeit kann beispielsweise Glyzerin verwendet werden, das nicht einmal bei extremen Minusgraden gefriert.
• Das Brauchwasser wird nun im zweiten Zyklus 16 aufgeheizt, indem es durch die zweite Seite 15 des Wärmetauschers 13 in Richtung des Pfeiles fließt, da vom Behälter 2 über den dritten Zyklus 19 heiße Flüssigkeit 4 in Gegenstromrichtung durch die erste Seite 14 des Wärmetauschers 13 in Richtung des Pfeiles strömt. Im Wärmetauscher 13 wird die Wärme dann von der Flüssigkeit an das Wasser abgegeben, das dann durch die zweite Leitung 18 als heißes Brauchwasser zum Ort des Verbrauchs (nicht gezeigt) befördert wird. Das kalte Wasser wird dem Wärmetauscher über die erste Leitung 17 beispielsweise von einer öffentlichen Wasserversorgungsanlage (nicht gezeigt) zugeführt.
• Wie gezeigt ist die erste Leitung 20 des dritten Zyklus 19 im oberen Bereich und die zweite Leitung 21 im unteren Bereich mit dem Behälter 2 verbunden. Dies hat den Vorteil, daß die heißeste Flüssigkeit in den Wärmetauscher gelangt, dessen Kapazität dadurch maximal genutzt wird, da der Temperaturunterschied zwischen der Flüssigkeit und dem heißen Wasser, das im Gegenstrom durch den Wärmetauscher fließt, dadurch so groß wie möglich ist. Ein zweiter Vorteil besteht darin, daß die kälteste Flüssigkeit 4 vom Wärmetauscher in den unteren Bereich des Behälters 2 geleitet wird, wo sich bereits die kälteste Flüssigkeit im Behälter 2 befindet. Dadurch wird der bevorzugte Effekt dahingehend verbessert, daß der Solarkollektor 1 über die zweite Leitung 9 des ersten Zyklus 7 im kältestmöglichen Zustand mit der Flüssigkeit 4 versorgt wird, wodurch die Kapazität des Solarkollektors optimal genutzt werden kann.

Claims (9)

1. Sonnenwärmeanlage zum Aufheizen von Brauchwasser mit einem Solarkollektor (1) zum Auffangen der abgestrahlten Sonnenenergie, einem Speicher (2) zum Speichern der aufgenommenen Energie, einem ersten Flüssigkeitszyklus (7) zum Zirkulieren einer wärmeführenden Flüssigkeit (4) zwischen dem Solarkollektor (1), in dem die Flüssigkeit die Sonnenenergie in Form von Wärme absorbiert, und dem Speicher (2), in dem die Flüssigkeit Wärme abgibt, und einem zweiten Flüssigkeitszyklus (16) zum Übertragen des Brauchwassers zum Aufheizen an den Speicher (2) und des heißen Brauchwassers von dort zum Ort des Gebrauchs, wobei der Speicher (2) aus einem Behälter (2) besteht, der mit einer wärmeführenden Flüssigkeit (4) gefüllt und in den ersten Flüssigkeitszyklus (7) integriert ist, und wobei die Anlage ferner einen Wärmetauscher (13) und einen dritten Flüssigkeitszyklus (19) zum Zirkulieren der wärmeführenden Flüssigkeit zwischen dem Speicher (2) und einer der Seiten (14) des Wärmetauschers (13) umfaßt, wobei die andere Seite (15) in den zweiten Flüssigkeitszyklus (16) integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß in eine zweiten Leitung (21) des dritten Zyklus (19) ein Führungsventil (23) integriert und im zweiten Zyklus (16) ein Sensor (25) angeordnet ist, um die Temperatur des Brauchwassers nach dem Wärmetauscher (13) zu ermitteln, wobei das Führungsventil (23) dafür ausgelegt ist, den Flüssigkeitsstrom im dritten Zyklus (19) in Abhängigkeit von den Signalen des Sensors (25) zu regeln.

2. Sonnenwärmeanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zyklus (7) eine erste Flüssigkeitsleitung (20), um die Flüssigkeit vom Solarkollektor (1) zum Speicher (2) zu leiten, und eine zweite Flüssigkeitsleitung (21) umfaßt, um die Flüssigkeit vom Speicher (2) zum Solarkollektor (1) zu leiten, wobei die erste Leitung mit dem oberen Teil des Behälters und die zweite Leitung mit dem unteren Teil des Behälters verbunden ist.

3. Sonnenwärmeanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Zyklus (19) eine erste Flüssigkeitsleitung (20), um die Flüssigkeit vom Speicher (2) zum Wärmetauscher (13) zu leiten, und eine zweite Flüssigkeitsleitung (21) umfaßt, um die Flüssigkeit vom Wärmetauscher (13) zum Speicher (2) zu leiten, wobei die erste Leitung (20) mit dem oberen Teil des Behälters und die zweite Leitung mit dem unteren Teil des Behälters verbunden ist.

4. Sonnenwärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlage einen Expansionsbehälter (2) für die wärmeführende Flüssigkeit aufweist, und daß dieser Expansionsbehälter mit dem ersten Zyklus verbunden ist.

5. Sonnenwärmeanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsbehälter (2) aus einem oberen Abschnitt des Speichers besteht.

6. Sonnenwärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in den ersten Zyklus eine Pumpe (22) zum Zirkulieren der wärmeführenden Flüssigkeit integriert ist.

7. Sonnenwärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (13) ein Plattenwärmetauscher ist.

8. Sonnenwärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeführende Flüssigkeit Glyzerin ist.

9. Sonnenwärmeanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter (2) wärmeisoliert ist.