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Die Erfindung betrifft eine thermische Solaranlage, die mindestens ein Kollektorfeld mit einer Solarvorlaufleitung und einer Solarrücklaufleitung aufweist. Weiterhin sind mindestens eine Solarpumpe zum Fördern eines Wärmeträgers in einer Fließrichtung in einem Solarkreislauf, in dem das mindestens eine Kollektorfeld, die mindestens eine Solarpumpe und ein Wärmeverbraucher angeordnet. Die Solaranlage weist weiterhin ein erstes Sicherheitsventil, das in der Solarvorlaufleitung angeordnet ist und beim Überschreiten eines Ansprechdrucks öffnet, mindestens einen Sensor zum Erfassen der Temperatur-, der Druck-, der Einstrahlung- und/oder der Volumenstromdaten des Wärmeträgers und eine Steuereinrichtung zum Auswerten und Verarbeiten der von dem mindestens einen Sensor erfassten Temperatur-, Druck-, der Einstrahlung- und/oder Volumenstromdaten und zum Ansteuern der mindestens einen Solarpumpe auf.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der thermischen Solaranlage.
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In solarthermischen Anlagen wird eine Wärmeträgerflüssigkeit von mindestens einer Solarpumpe durch ein Kollektorfeld, das aus beliebig vielen Kollektoren besteht, gefördert, wobei diese sich durch die Sonneneinstrahlung erwärmt. Die Wärmeträgerflüssigkeit zirkuliert in einem Solarkreislauf der Solaranlage und gelangt so zu einem Wärmeverbraucher, der die Wärme abnimmt. Die Solarpumpe erhält die Zirkulation im Solarkreislauf aufrecht. Dieser Solarkreislauf muss mit mindestens einem gesetzlich vorgeschriebenen Sicherheitsventil abgesichert werden, das beim Auftreten zu hoher Drücke anspricht und den Solarkreislauf durch Ablassen der Wärmeträgerflüssigkeit entlastet.
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Nach dem Stand der Technik kann dieses Sicherheitsventil in dem Solarrücklauf vor dem Kollektorfeld angeordnet werden oder auch in dem Solarvorlauf, also nach dem Kollektorfeld. Wenn die Solarpumpe in Betrieb ist, herrscht nach der Solarpumpe auf deren Druckseite in Fließrichtung vor dem Kollektorfeld ein höherer Druck als vor der Solarpumpe auf deren Saugseite in Fließrichtung nach dem Kollektorfeld, weil das Kollektorfeld einen großen hydraulischen Widerstand bietet.
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Ist das Sicherheitsventil vor dem Kollektorfeld im Solarrücklauf angeordnet, dann muss es für einen höheren Druck ausgelegt werden, was zu höheren Siedetemperaturen im Stagnationsbetrieb führt, weil zum Betriebsdruck auch noch der dynamische Druck der Solarpumpe hinzukommt.
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Aus
DE 27 22 451 A1 ist eine Solaranlage bekannt, bei der das Sicherheitsventil im Solarrücklauf angeordnet ist. Beim Sieden des Wärmeträgers im Kollektor wird flüssiger Wärmeträger aus dem Kollektor über den Solarrücklauf zu einem Ausdehnungsgefäß hin verdrängt. Da das Sicherheitsventil für einen höheren Druck ausgelegt werden muss, hat sich gezeigt, dass diese Solaranlage gerade hinsichtlich des Überhitzungsschutzes unbefriedigend funktioniert. Wenn der Wärmeträger im Kollektor siedet, nimmt der Dampf nicht nur den kürzesten Weg über den Solarrücklauf zum Ausdehnungsgefäß, sondern zu einem kleineren Anteil auch über den Solarvorlauf. Das kann zu Überhitzung und Zerstörung von Bauteilen führen wie z. B. der Rohre, insbesondere wenn diese mit synthetischen Dämmstoffen ummantelt sind. Aber auch für die Wärmeträgerflüssigkeit können hohe Temperaturen schädlich sein, insbesondere, wenn der Wärmeträger Glykol als Frostschutzmittel enthält. Diese Gefahr wird umso gravierender, je leistungsstärker die verwendeten Kollektoren sind.
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Um den notwendigen Betriebsdruck im Kollektorfeld und die Temperaturen beim Entleeren so niedrig wie möglich zu halten, wird nach Stand der Technik das Sicherheitsventil meistens nach dem Kollektorfeld im Solarvorlauf angeordnet und niedriger ausgelegt. Damit kann der zusätzliche dynamische Druck der Solarpumpe vermieden werden. Die Offenlegungsschrift
DE 44 12 024 A1 offenbart beispielsweise eine solche Anordnung.
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Ein Nachteil bei der Anordnung des Sicherheitsventils nach dem Kollektorfeld im Solarvorlauf ist, dass sich das Kollektorfeld beim Sieden unruhig und langsam entleert, weil das Kollektorfeld nach dem Abschalten der Solarpumpe am Solarvorlauf wärmer ist als am Solarrücklauf und deshalb bei weiterer Sonnenstrahlung am Solarvorlauf früher siedet als am Solarrücklauf. Wenn sich das Kollektorfeld über den Solarvorlauf entleert, muss das gesamte Wasser in allen Kollektoren erst verdampfen, bevor es zum Sicherheitsventil austreten kann. Das dauert wesentlich länger und führt zu höheren Dampftemperaturen, die schädlich für die Anlagenkomponenten sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Solaranlage bereitzustellen, bei der Überhitzungsschäden sowie mechanische und thermische Belastungen der Anlagenkomponenten, insbesondere des Kollektorfeldes, und die oben genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen thermischen Solaranlage bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch die Merkmale des Verfahrens nach Anspruch 8 gelöst.
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Staqnations-Zustand
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Mit Stagnations-Zustand ist der Betriebszustand der thermischen Solaranlage gemeint, bei dem der Wärmeträger im Kollektor verdampft, verdampft ist oder die Möglichkeit eines Verdampfens des Wärmeträgers besteht, da der Wärmeträger nicht mehr durch den Solarkreislauf gefördert wird.
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Sicherheitsventil
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Das Sicherheitsventil ist eine Druckentlastungseinrichtung, die für thermische Solaranlagen gesetzlich vorgeschrieben ist. Wenn der Druck in der Anlage den maximal zulässigen Betriebsdruck übersteigt, beginnt das Sicherheitsventil anzusprechen und führt Gase, Dämpfe oder den flüssigen Wärmeträger zuverlässig in die Atmosphäre oder in einen Wärmeträgervorratsbehälter ab. Nach dem Abbau des Überdrucks durch Abblasen in die Umgebung oder Ablassen des Wärmeträgers in den Behälter schließt das Ventil wieder. Das Ansprechen des Sicherheitsventils ist in der Regel ein Störfall. Bei einwandfreiem Betrieb geschieht die Entleerung des Kollektorfeldes auf anderem Wege in dafür vorgesehenen Auffangvorrichtungen, insbesondere dann, wenn die Solarwärme nicht abgenommen wird.
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Dass gemäß Anspruch 1 ein erstes Sicherheitsventil im Solarvorlauf der Solaranlage angeordnet ist, hat den Vorteil, dass der Ansprechdruck des Sicherheitsventils niedriger ausgelegt werden kann als bei einer Anordnung des Sicherheitsventils im Solarrücklauf, da der dynamische Druck der Solarpumpe nicht berücksichtigt werden muss. Durch diese Anordnung ist die thermische und mechanische Belastung der Anlagekomponenten geringer, da die Siedetemperatur des Wärmeträgers im Kollektorfeld niedriger ist. Dadurch, dass ein Detektor zum Erfassen einer Offen- oder Schließstellung des ersten Sicherheitsventils vorgesehen ist, besteht der Vorteil, dass der Stagnationsbetrieb der thermischen Solaranlage indirekt erfasst werden kann. Wenn das Sicherheitsventil beim Erreichen bzw. beim Überschreiten seines Ansprechdrucks öffnet, erkennt der Detektor diese Offenstellung.
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Vorteilhafterweise steht der Detektor mit einer Absperreinrichtung, die in der Solarrücklaufleitung angeordnet ist, in Steuerverbindung. Somit kann die Absperreinrichtung in Durchlassstellung geschaltet werden, wenn das erste Sicherheitsventil in der Solarvorlaufleitung geöffnet ist. Da die Absperreinrichtung in der Solarrücklaufleitung angeordnet ist, wird der Wärmeträger zur Druckentlastung der Anlage auch über den Solarrücklauf abgelassen, sobald diese in Durchlassstellung geschaltet ist und die Überhitzung der Anlage wird vermieden. Vorteilhafterweise geschieht die Entleerung über den Solarrücklauf schneller und ruhiger, da der Wärmeträger am Solarrücklauf nicht so warm ist, wie am Solarvorlauf, wodurch sich bei der Entleerung viel weniger Dampf bildet als beim Abblasen über das Sicherheitsventil in der Solarvorlaufleitung.
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Zum Ablassen des Wärmeträgers kann der Absperreinrichtung in Fließrichtung des Wärmeträgers ein zweites Sicherheitsventil oder ein druckreduzierendes Auslassventil nachgeordnet sein. Da das zweite Sicherheitsventil durch die Absperreinrichtung, die sich in Sperrstellung befindet, von dem Solarkreislauf abgesperrt ist, müssen bei der Wahl seines Ansprechdrucks weder der dynamische Druck der Solarpumpe noch der Betriebsdruck der Solaranlage berücksichtigt werden. Zweckmäßigerweise weist das zweite Sicherheitsventil oder das druckreduzierende Auslassventil einen Ansprechdruck auf, der niedriger, insbesondere 0,5 bar niedriger, oder gleich dem Ansprechdruck des ersten Sicherheitsventils ist. Somit entleert sich der Wärmeträger aus dem Kollektorfeld noch stärker über die Solarrücklaufleitungen, sobald die Absperreinrichtung in Durchlassstellung geschaltet ist.
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Dadurch, dass die Absperreinrichtung und der Detektor in direkter Steuerverbindung miteinander und/oder in Steuerverbindung mit der Steuereinrichtung und/oder mit einer dezentralen Steuerung stehen, kann die Ansteuerung der Absperreinrichtung unter Berücksichtigung verschiedener Parameter erfolgen.
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Zweckmäßigerweise kann die Absperreinrichtung nicht nur nach Maßgabe einer von dem Detektor erfassten Offenstellung des ersten Sicherheitsventils, sondern ebenfalls nach Maßgabe eines vorbestimmten Temperatur- und/oder Druck-Referenzwerts des Wärmeträgers in Durchlassstellung geschaltet werden.
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Ist der Druck-Referenzwert vorteilhafterweise kleiner oder gleich dem Ansprechdruck des ersten Sicherheitsventils, erfolgt die Entleerung des Wärmeträgers aus dem Kollektorfeld überwiegend über die Solarrücklaufleitung und damit schnell und ruhig. Dies ist in mechanischer aber auch in thermischer Hinsicht besonders schonend für die Anlagenkomponenten.
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Ein weiterer Vorteil ergibt sich, wenn die Absperreinrichtung nach Maßgabe einer von dem Detektor erfassten Schließstellung des ersten Sicherheitsventils in Sperrstellung geschaltet wird oder nach Entleerung des Kollektorfeldes. Vorzugsweise kann die Entleerung eine vollständige Entleerung des Kollektorfeldes sein.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Betreiben einer thermischen Solaranlage gelöst. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Offen- oder Schließstellung des ersten Sicherheitsventils erfasst wird, eine Absperreinrichtung zum Entleeren des Wärmeträgers über die Solarrücklaufleitung mindestens während der gesamten Öffnungsdauer des ersten Sicherheitsventils geöffnet wird und die Absperreinrichtung geschlossen wird.
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Eine Weiterbildung der Erfindung offenbart, dass die Absperreinrichtung nach Maßgabe der erfassten Schließstellung des ersten Sicherheitsventils geschlossen wird oder nachdem die Entleerung des Kollektorfeldes erfolgt ist oder nachdem die Betriebsbereitschaft des Kollektorfeldes nach dessen Wiederbefüllung wiederhergestellt ist.
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Vorteilhafterweise kann die Absperreinrichtung über die Öffnungsdauer des ersten Sicherheitsventils hinaus geöffnet bleiben, wenn z. B. die Steuereinrichtung feststellt, dass die Fortsetzung der Entleerung über den Solarrücklauf sinnvoll ist, weil sonst ein erneutes Öffnen des ersten Sicherheitsventils bald danach erwartet wird. Das ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Störung, die zum ersten Öffnen des ersten Sicherheitsventils geführt hat, inzwischen nicht beseitigt wurde und eine anlagenschonende Entleerung bei niedrigerem Druck über den Solarrücklauf statt eines Abblasens bei höherem Druck über den Solarvorlauf bevorzugt wird.
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Die Vorteile des Verfahrens entsprechen den oben, mit Bezug auf die erfindungsgemäße thermische Solaranlage, genannten Vorteilen.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung besonderer Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung der thermischen Solaranlage,
- 2 ein Ausführungsbeispiel der Solaranlage,
- 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Solaranlage und
- 4 die Solaranlage mit einem zweiten Sicherheitsventil.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen thermischen Solaranlage. Eine in 1 im Ganzen mit 100 bezeichnete Solaranlage weist ein thermisches Kollektorfeld 1 mit einer Solarrücklaufleitung 4 und einer Solarvorlaufleitung 5 für einen flüssigen Wärmeträger, wie z.B. Wasser oder ein Glykol-Wasser-Gemisch, auf. Im Solarkreislauf ist ein nur schematisch dargestellter Wärmeabnehmer oder Wärmeverbraucher 6 angeordnet. Zum Umwälzen des Wärmeträgers in einer Fließrichtung F in dem Solarkreislauf ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Solarpumpe 2 in der Solarrücklaufleitung 4 angeordnet. Das Sicherheitsventil 3 befindet sich an einem Leitungsabschnitt der Solarvorlaufleitung 5. In einem Abschnitt der Solarrücklaufleitung 4, der sich in Fließrichtung F vor dem Kollektoreinlass erstreckt, ist ein Abzweig 4a vorgesehen, in dem eine Absperreinrichtung 7 mit einem nachgeordneten Auslass angeordnet ist. Über diesen kann der Wärmeträger einem Wärmeträgervorratsbehälter 11 zugeführt werden. Zur Steuerung der thermischen Solaranlage 100 ist eine zentrale Steuereinrichtung 8 vorgesehen, die über Signalleitungen mit den Komponenten der Anlage, insbesondere den Sensoren 9 und der Solarpumpe 2 in Steuerverbindung steht. Die schematisch dargestellten Sensoren 9 erfassen die Temperatur T, den Druck p, die Einstrahlung E der Sonne und/oder den Volumenstrom V'. Beispielhaft ist eine Auswahl an Sensoren 9a, 9b und 9c in 1 gezeigt. Ein Detektor 10 erfasst die Öffnungs- oder Schließstellung des ersten Sicherheitsventils 3. Dieser Detektor 10 erfasst die Stellung des ersten Sicherheitsventils 3 direkt, z. B. als Schaltkontakt, und/oder indirekt über die vor, am oder im Sicherheitsventil 3 gemessenen Parameter Temperatur, Druck und/oder Volumenstrom. Das erfasste Signal kann von einer dezentralen Steuerung 12 oder von der Steuereinrichtung 8, die zentral mit weiteren Anlagekomponenten in Steuerverbindung steht, siehe 3, weiterverarbeitet werden und aktiviert die Absperreinrichtung 7. Die Absperreinrichtung 7 kann beispielsweise als Motorventil ausgestaltet sein.
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Wird der Wärmeträger trotz anhaltender Sonneneinstrahlung nicht gefördert, befindet sich die Solaranlage 100 im Stagnations-Zustand. Die Temperatur des Wärmeträgers erhöht sich, die Flüssigkeit beginnt zu sieden und der Betriebsdruck der Anlage steigt. Hohe Temperaturen können nicht nur für das Kollektorfeld 1, sondern auch für die Rohre schädlich sein, insbesondere wenn diese mit synthetischen Dämmstoffen ummantelt sind. Auch für den Wärmeträger haben hohe Temperaturen negative Auswirkungen, insbesondere wenn dieser als Frostschutzmittel Glykol enthält. Das erste Sicherheitsventil 3 führt bei einem festeingestellten Sollwert in einem bestimmten Druckentlastungsverlauf den Wärmeträger sicher ab. Da das erste Sicherheitsventil 3 im Solarvorlauf angeordnet ist, treten niedrigere Siedetemperaturen auf als bei einer Anordnung im Solarrücklauf. Beim Überschreiten diesen Ansprechdrucks pA des ersten Sicherheitsventils 3 werden Gase, Dämpfe oder Flüssigkeiten in die Atmosphäre oder in den Wärmeträgervorratsbehälter 11 abgeleitet. Das erste Sicherheitsventil 3 spricht an und öffnet, wenn die Anlage 100 zu überhitzen droht, weil trotz Sonnenstrahlung die Solarwärme nicht abgenommen wird. Im Kollektorfeld 1 herrscht während der Entleerung über das Sicherheitsventil 3 mindestens die Siedetemperatur beim Öffnungsdruck des Sicherheitsventils 3. Die Absperreinrichtung 7 wird durch Schalten in Durchlassstellung geöffnet, sobald die Öffnungsstellung des Sicherheitsventils 3 von dem Detektor 10 erfasst wird oder mit einer Verzögerung. In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die Verarbeitung des erfassten Signals durch eine dezentrale Steuerung 12. Somit kann sich das Kollektorfeld 1 auch über die Solarrücklaufleitung 4 entleeren. Bevor der noch flüssige Wärmeträger in dem Kollektorfeld 1 zum Sieden kommt, wird er von dem bereits verdampften Wärmeträger, der sich im Kollektorfeld 1 oder dem Solarvorlauf, also in der Solarvorlaufleitung 5, befindet, in Richtung Solarrücklauf mit Solarrücklaufleitung 4 gedrückt. Eine Entleerung über die Solarrücklaufleitung 4 erfolgt rascher und wesentlich ruhiger als über die Solarvorlaufleitung 5, in dem der Wärmeträger früher verdampft. Solange die Absperreinrichtung 7 in Durchlassstellung geschaltet ist, entleert sich das Kollektorfeld 1 auch über die Solarrücklaufleitung 4 und die Verbindungsleitung 4a über ein druckreduzierendes Auslassventil 13 in den Wärmeträgervorratsbehälter 11.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel ist in Fließrichtung F hinter der Absperreinrichtung 7 ein zweites Sicherheitsventil 3a angeordnet, das für einen vorbestimmten Druck ausgelegt ist, siehe 2.
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3 und 4 zeigen weitere Ausführungsbeispiele, bei denen die zentrale Steuereinrichtung 8 die Funktion der dezentralen Steuereinrichtung 12 übernimmt. Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass in der Steuereinrichtung 8 beispielsweise ein Druck-Referenzwert pR hinterlegt sein kann, der den Wert vorgibt, bei dem die Absperreinrichtung 7 in Durchlassstellung geschaltet werden soll. Beispielsweise liegt der Druck-Referenzwert pR um einen Wert von 0,5 bar unter dem Ansprechdruck pA des Sicherheitsventils 3. Somit lässt die Absperreinrichtung 7 den Wärmeträger aus dem Kollektorfeld 1 in Richtung Vorratsbehälter 11 strömen, bevor der Druck in der Anlage den kritischen Betriebsdruck erreicht, bei dem das erste Sicherheitsventil 3 öffnen würde. Das Kollektorfeld 1 entleert sich über die Solarrücklaufleitung 4 und die Verbindungsleitung 4a in den Vorratsbehälter 11. Dabei wird der Druck in dem Kollektorfeld 1 abgebaut. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die thermischen und mechanischen Belastungen für die Anlage 100 gering, da nur wenige Anteile des Wärmeträgers bereits verdampft sind. Die Absperreinrichtung 7 kann solange in Durchlassstellung geschaltet sein, wie das erste Sicherheitsventil 3 geöffnet ist. Die Absperreinrichtung 7 kann auch länger in Durchlassstellung geschaltet sein, je nach Anwendungsfall, z.B. bis im Kollektorfeld 1 ungefähr atmosphärischer Druck herrscht und/oder festgestellt wird, dass das Kollektorfeld 1 entleert ist.
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4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem in der Verbindungsleitung 4a in Fließrichtung F hinter der Absperreinrichtung 7 ein zweites Sicherheitsventil 3a angeordnet ist, das für einen zweiten Ansprechdruck pA2 ausgelegt ist. Der zweite Ansprechdruck pA2 kann dem Ansprechdruck pA1 des ersten Sicherheitsventils 3 entsprechen oder niedriger ausgelegt sein, beispielsweise 0,5 bar niedriger als der Ansprechdruck pA des ersten Sicherheitsventils 3.
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Wenn die solarthermische Anlage 100 vom Stagnations-Zustand wieder in einen normalen Betriebszustand übergeht und wieder mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllt ist, wird die Solarpumpe 2 erneut angefahren, um den Wärmeträger in Fließrichtung F zu fördern. Die Absperreinrichtung 7 kann zweckmäßig bis zur vollendeten Entleerung des Kollektorfeldes 1, höchstens jedoch bis zu dessen Wiederbefüllung in Durchlassstellung geschaltet sein.
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Falls die Wiederbefüllen auch durch die Absperreinrichtung 7 erfolgt, muss sie nach der Wiederbefüllung von der Steuereinrichtung 8 in Sperrstellung gesetzt werden. In diesem Fall kann sie auch nach der Entleerung des Kollektorfeldes 1 in Sperrstellung gesetzt, zur Befüllung wieder geöffnet und nach der Befüllung des Kollektorfeldes erneut geschlossen werden, was zu einer Unterdruckkondensation führt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Solaranlage
- 1
- Kollektorfeld
- 2
- Solarpumpe
- 3
- erstes Sicherheitsventil
- 3a
- zweites Sicherheitsventil
- 4
- Solarrücklaufleitung
- 4a
- Verbindungsleitung
- 5
- Solarvorlaufleitung
- 6
- Wärmeverbraucher
- 7
- Absperreinrichtung
- 8
- Steuereinrichtung
- 9a, 9b, 9c
- Sensoren
- 10
- Detektor
- 11
- Wärmeträgervorratsbehälter
- 12
- dezentrale Steuerung
- 13
- druckreduzierendes Auslassventil
- F
- Fließrichtung
- T
- Temperatur
- p
- Druck
- E
- Einstrahlung durch die Sonne
- V'
- Volumenstrom
- pA1
- Ansprechdruck des ersten Sicherheitsventils
- pA2
- Ansprechdruck des zweiten Sicherheitsventils
- pR
- Druck-Referenzwert
- TR
- Temperatur-Referenzwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2722451 A1 [0006]
- DE 4412024 A1 [0007]
