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Die Erfindung bezieht sich auf eine mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage.
Es sind bereits verschiedene mit Sonnenenergie betriebene Anlagen zu Gewinnung von Warmwasser bekannt, die einen Wasserkreislauf aufweisen, in den ein Sonnenkollektor und ein mit einem Wärmetauscher ausgestatteter und mit Brauchwasser gespeister Boiler oder Warmwasserspeicher eingeschaltet sind. Das im Sonnenkollektor infolge Sonneneinstrahlung erwärmte Wasser, dem Frostschutzmittel beigemengt ist, wird dem Wärmetauscher mittels einer Umwälzpumpe oder durch Schwerkraftumwälzung zugeführt.
Anlagen mit Umwälzpumpe weisen in der Regel ein Ausdehnungsgefäss, Rückschlagventile, Temperaturmess- und Steuereinrichtungen sowie einen Anschluss für Fremdenergie auf und haben vor allem den Nachteil, dass die Steuereinrichtung eine gewisse Ansprechzeit hat und erst schaltet, wenn infolge einer vorbestimmten Temperaturdifferenz zwischen dem im Sonnenkollektor erhitzten Wasser und dem Brauchwasser ein Steuerimpuls abgegeben wird ; aus diesem Grund kann die Sonnenenergie im unteren Temperaturbereich der noch wirksamen Sonneneinstrahlung für die Wärmegewinnung nicht mehr genutzt werden. Schliesslich ergibt sich das Problem, dass es bei einem Strom-oder Pumpenausfall zu einer Überhitzung der Anlage kommen kann.
Der Betrieb einer Warmwasserbereitungsanlage mit Umwälzpumpe erfordert somit umfangreiche Vorkehrungen in mechanischer und steuertechnischer Hinsicht, welche die Anlage teuer und eine ständige Wartung bzw. Überwachung notwendig machen. Beispielsweise ist aus der AT-PS Nr. 321518 eine Vorrichtung zum Beheizen und Kühlen von Räumen unter Ausnutzung solarer Strahlung bekannt, bei der zumindest ein Hohlkörper im Freien angeordnet ist und mit einem Hohlkörper in Verbindung steht, der zur Raumbeheizung oder Kühlung dient. Als Wärmetransportmedium ist der Sattdampf einer Flüssigkeit, vorzugsweise ein azeotropes Gemisch mit Methanol vorgesehen.
Im Strömungskreis des Wärmetransportmediums sind eine Kondensatpumpe zur Förderung des gesammelten Kondensats in den im Freien befindlichen Hohlkörper und ein thermostatgesteuertes Ventil eingeschaltet, das geöffnet wird, wenn ein Wärmeentzug aus dem Raum gewünscht wird. Durch die Sonnenwärme verdampft das Kondensat und der Dampf strömt in den im Raum befindlichen Hohlkörper, wo die Kondensation unter Wärmefreisetzung erfolgt. Auch diese Anlage hat die schon erwähnten Nachteile, dass sie nämlich störanfällig ist und es insbesondere bei einem Strom-oder Pumpenausfall zu einer Überhitzung der Anlage kommen kann, wodurch das Wärmetransportmedium verdampft und der Dampf über ein Sicherheitsventil austritt, so dass bei Wiederinbetriebnahme der Anlage zu wenig Medium zur Verfügung steht.
Bei Anlagen, die mit Wasser als Wärmeträger nach dem Prinzip der Schwerkraftumwälzung arbeiten und den Vorteil geringer Anlage- und Wartungskosten haben, wird die Gefahr einer Über- hitzung, beispielsweise durch einen Strom-und Pumpenausfall, vorteilhaft vermieden. Anderseits ist aber der Wirkungsgrad dieser Anlagen in der Regel kleiner als bei Anlagen mit Umwälzpumpe.
Die Umwälzbewegung des Wärmeträgermediums setzt nämlich bei Wärmeeinstrahlung nur sehr träge ein und dementsprechend ist in der Anlaufphase die Wärmeabgabe im Wärmetauscher gering. Damit der Wasserkreislauf in Bewegung kommt, muss ein relativ grosser Dichteunterschied vorhanden sein, was bedeutet, dass bei niedrigen Einstrahlungstemperaturen die Anlaufzeit stark erhöht ist. Bei Anlagen mit Schwerkraftumwälzung ist es ausserdem erforderlich, dass der Speicher bzw. Boiler in einer bestimmten Höhe über dem Kollektor angeordnet wird.
Bei Sonnenenergieanlagen ist nun aber allgemein eine rasche Anpassung an geänderte Wetterbedingungen erwünscht. In dieser Hinsicht sind die bekannten, nach dem Prinzip der Schwerkraftumwälzung arbeitenden Anlagen gegenüber den mit Umwälzpumpen ausgerüsteten Anlagen im Nachteil und können die verfügbare Sonneneinstrahlung nicht in dem Masse nutzen wie die letzteren. Beide Arten von Anlagen sind schliesslich mit dem Mangel behaftet, dass ihre Lebensdauer durch die Korrosionsgefahr begrenzt ist.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage zu schaffen, welche die geschilderten Nachteile der bekannten Anlagen insbesondere hinsichtlich der Trägheit des Wärmeträgermediums vermeidet und befähigt ist, auch bei geringer Sonneneinstrahlung rasch anzusprechen und die verfügbare Strahlungswärme im grösstmöglichen Masse zu nutzen.
Gegenstand der Erfindung ist eine mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage mit einem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschlossenen, armaturenfreien Strömungskreis für ein Wärmertransportmedium, wobei im Strömungskreis ein Sonnenenergiekollektor und ein mit
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Brauchwasser beaufschlagter Wärmetauscher eingeschaltet sind ;
diese Anlage hat die Merkmale, dass der Strömungskreis mit einem Kältemittel als Wärmetransportmedium gefüllt ist, dessen Siedepunkt bei Normaldruck unter der vorbestimmten niedrigsten Temperatur des abzugebenden Brauchwassers liegt, und dass im Strömungskreis der Ausgang des Wärmetauschers höher als zumindest das obere Ende der untersten Windung des den Sonnenenergiekollektor mäanderförmig durchsetzenden Strömungskreisabschnittes ist, wobei der Strömungskreis in einem solchen Ausmass mit dem Kältemittel gefüllt ist und unter einem derartigen Druck steht, dass die flüssige Phase des Kältemittels mindestens bei zum Ende der untersten Windung reicht.
Vorzugsweise ist der Strömungskreis mit Halogenkohlenwasserstoffverbindungen, deren Siedepunkt im Minustemperaturbereich liegt, insbesondere Difluordichlormethan, gefüllt.
Es sei noch bemerkt, dass unter der Angabe "Normaldruck" ein Druck von 760 mm Hg bei : 0 C zu verstehen ist.
Bei der erfindungsgemässen Anlage wird somit die niedrige Verdampfungstemperatur des Wärmetransportmediums ausgenutzt. In der Praxis wird eine untere Grenztemperatur für das Brauchwasser festgelegt, z. B. 15 C, und es wird dementsprechend die Anlage mit dem Wärmetransportmedium so gefüllt, dass die Verdampfungstemperatur des Wärmetransportmediums unterhalb der unteren Grenztemperatur des Brauchwassers liegt und ein Teil des Wärmetransportmediums im Strömungskreis verflüssigt ist. Der im Strömungskreis oberhalb des Flüssigkeitssumpfes verfügbare Raum ist mit dem Wärmeträgergas gefüllt.
Die vorstehend erläuterte Massnahme hat zur Folge, dass das Wärmetransportmedium bereits beim kleinsten Temperaturanstieg infolge Sonneneinstrahlung auf den Sonnenkollektor verdampft.
Der Dampf durchströmt den Wärmetauscher, wobei die Wärmeabgabe an das umgebende Brauchwasser erfolgt und das Wärmetransportmedium kondensiert. Es ergibt sich somit ein stufenlos ablaufender Kreisprozess. Sobald die Wassertemperatur im Wärmetauscher eine Höhe erreicht hat, die der Kondensationstemperatur des Wärmetransportmediums entspricht, kommt der Kreisprozess zum Stillstand.
Wird aber durch Brauchwasserentnahme bzw. Zufluss von kaltem Wasser die Temperatur im Wärmetauscher gesenkt bzw. unterschreitet sie den Kondensationspunkt des gasförmigen Wärmetransportmediums, so setzt die Kondensation wieder ein und der Kreisprozess bleibt so lange in Gang, bis die Brauchwassertemperatur den Kondensationspunkt des gasförmigen Wärmeträgermediums erreicht bzw. überschritten hat.
Bei Aussetzen der Sonneneinstrahlung hört die Verdampfung des Wärmetransportmediums auf, so dass der Kreisprozess ebenfalls zum Stillstand kommt. Die im Kreisprozess stattfindenden Vorgänge hängen somit lediglich von der Sonneneinstrahlung und der Wärmeabgabe bzw. Wärmeentnahme im Boiler ab, d. h. die Anlage arbeitet selbsttätig und erfordert keine Steuereinrichtung oder Armaturen. Die Anlage kann deshalb unabhängig vom Vorhandensein von Fremdenergie installiert und betrieben werden. Nur durch Sonneneinstrahlung gesteuert wird ein Medienumwälzeffekt erzielt, der jenen der Schwerkraftumwälzung weit übersteigt und an den der Pumpenumwälzung heranreicht.
Da der Verdampfungspunkt des Mediums mit der Einstrahlungstemperatur steigt bzw. sinkt, kann die latente Wärme genutzt werden. Besonders im Niedertemperaturbereich ist die Nutzung der Latentwärme für die Warmwassergewinnung als Vorteil gegenüber allen andern bekannten Anlagen anzusehen.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht somit darin, dass die Anlage auf kleinste Temperaturänderungen anspricht und sowohl in herstellungstechnischer als auch in betriebstechnischer Hinsicht äusserst kostengünstig ist. Sobald die Anlage mit dem Wärmetransportmedium gefüllt ist, ist sie praktisch wartungsfrei. Die Lebensdauer der Anlage ist wegen des Fehlens von Armaturen und andern bewegten Teilen sowie wegen ihrer Korrosionsfestigkeit praktisch unbegrenzt.
Spezielle Vorteile ergeben sich aus der Verwendung von Freon als Wärmeträgermedium ; dieses Gas hat nämlich den Vorteil, dass es ungiftig, unbrennbar und nicht korrodierend ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Anlage gemäss der Erfindung dargestellt ist.
Die Anlage umfasst einen in sich geschlossenen, einen Strömungskreis-l-bildenden Rohrstrang, der einen Sonnenenergiekollektor --2-- und einen Wärmetauscher --3-- durchsetzt, welcher einen Teil eines mit Brauchwasser über eine Leitung --4-- gefüllten Boilers --5-- bildet. Der
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wobei der Siedepunkt bei Normaldruck unter der niedrigsten vorgegebenen Brauchwassertemperatur, z. B. 15OC, liegt.
Wie die Zeichnung zeigt, liegt der Ausgang --6-- des Wärmetauschers --3-- im Strömungskreis höher als der Eingang --7-- des Sonnenenergiekollektors --2-- bzw. höher als die unterste Windung des Rohrstranges-l-im Sonnenenergiekollektor, so dass der zwischen dem Ausgang des Wärmetauschers --3-- und dem Eingang --7-- des Sonnenenergiekollektors --2-- gelegene Rohrstrangabschnitt-8-einen Sumpf für das flüssige Wärmetransportmedium bildet.
Sobald die Temperatur im Sonnenenergiekollektor -- 2--, der vom Rohrstrang-l-des Strö-
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transportmediums erreicht bzw. überschreitet, verdampft dieses und der Dampf strömt zum Wärme- tauscher-3--, in welchem er durch Wärmeabgabe an das Brauchwasser wieder kondensiert.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Mit Sonnenenergie betriebene Warmwasserbereitungsanlage mit einem gegenüber der umgebenden Atmosphäre abgeschlossenen, armaturenfreien Strömungskreis für ein Wärmetransportmedium, wobei im Strömungskreis ein Sonnenenergiekollektor und ein mit Brauchwasser beaufschlagter Wärmetauscher eingeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskreis (1) mit einem Kältemittel als Wärmetransportmedium gefüllt ist, dessen Siedepunkt bei Normaldruck unter der vorbestimmten niedrigsten Temperatur des abzugebenden Brauchwassers liegt, und dass im Strömungskreis (1) der Ausgang (6) des Wärmetauschers (3) höher als zumindest das obere Ende der untersten Windung des den Sonnenenergiekollektor (2) mäanderförmig durchsetzenden Strömungskreisabschnittes ist,
wobei der Strömungskreis in einem solchen Ausmass mit dem Kältemittel gefüllt ist und unter einem derartigen Druck steht, dass die flüssige Phase des Kältemittels mindestens bis zum Ende der untersten Windung reicht.