DE19608405A1 - Solaranlage mit Warmwasserspeicher - Google Patents

Solaranlage mit Warmwasserspeicher

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Description

Stand der Technik
Beim Betrieb einer Solaranlage stellt die Sicherung des Solarkollektors gegen Frostschäden eines der Probleme dar. Der Wärmeträger besteht üblich­ erweise aus Wasser.
Um eine Brauchwassererwärmung mit Solarenergie zu betreiben sind hinsicht­ lich des Frostschutzes bislang im wesentlichen drei Verfahren bekannt:
1. Wärmeträger mit Frostschutzmittelzusatz
Dem Wärmeträger Wasser wird ein Frostschutzmittel zugesetzt
Vorteil
Problem des Frostschutzes ist zuverlässig gelöst.
Nachteile
  • - Der Wärmeträger muß über einen Wärmetauscher geführt werden. Es entsteht ein eigenständiger Kreislauf mit Überdruckventil und Ausdehnungsgefäß woraus folgt:
  • - Mehrkosten durch zusätzlichen Wärmetauscher, Frostschutz­ mittel sowie zusätzliches Ausdehnungsgefäß.
  • - Schlechterer Wirkungsgrad wegen zusätzlichem Wärmetau­ scher sowie Verschlechterung der Wärmetransportfähigkeit durch Frostschutzmittelzusatz.
2. Wärmeträger ist Brauchwasser - Frostschutz durch Entleerung
Der Wärmeträger Brauchwasser wird bei Frostgefahr über ein spezielles 5-Wege-Ventil aus dem Solarkollektor abgelassen.
Vorteile
  • - Guter Wirkungsgrad
Nachteile
  • - Teures und kompliziertes Frostschutzsicherungssystem mit­ tels ausfallgefährdetem (z. B. Stromausfall) 5-Wege-Ventil
  • - Nur teure Vakuumkollektoren sind hierfür geeignet
  • - Anwendung nur für Brauchwasser als Speichermedium
  • - Erhöhte Korrosionsgefahr des Solarkollektors durch aggres­ sives Brauchwasser
3. Wärmeträger ist Brauchwasser - Frostschutz durch Beheizung
Der Wärmeträger Brauchwasser wird bei Frostgefahr mit Hilfe der Umwälzpumpe auf ca. + 5°C temperiert. Diese Frostschutzart wird bei einem Vakuumkollektor mit trockener Anflanschung an die Brauchwasser­ sammelleitung angewendet (Fa. Siemens).
Bei eventuellem Frostschaden muß ein Stück Kupferleitung ausgetauscht werden.
Vorteile
  • - Prinzipiell guter Wirkungsgrad
  • - Einfaches System
Nachteile
  • - Nur für teure Vakuumkollektoren verwendbar
  • - Verschlechterung des Wirkungsgrades infolge trockener Anflanschung der Vakuumröhren an die Sammelleitung
  • - Bei Frost und Stromausfall entsteht Schaden an der Anlage sowie Anlagenausfall.
Bezüglich des Wärmespeichers und dessen Schichtungsverhalten sind ver­ schiedene Anlagen bekannt.
So sind Anlagen bekannt, die zur Erreichung eines guten Schichtungsverhal­ tens einen über die gesamte Speicherhöhe angeordneten Schichtungskanal aufweisen, in welchem senkrechte Austrittslöcher angebracht sind. Anzahl und Querschnitt dieser Austrittslöcher sind jedoch begrenzt, da hier neben dem gewollten höhenbezogenen Austritt des einzulagernden Wassers auch ungewollte Durchmischungen an allen anderen Löchern statt­ finden.
Daher ist ein höhenbezogener Austritt des einzulagernden Wassers über eine größere Höhenzone verteilt und damit nicht präzise ausführbar.
Bezüglich der Erwärmung von Brauchwasser und dessen Temperatureinstellung sind Anlagen bekannt, bei denen das Brauchwasser mittels eines über die gesamte Speicherhöhe eines Pufferspeichers angeordneten Wärmetauschers erwärmt wird.
Im klassischen Fall erfolgt die Gewinnung warmen Brauchwassers jedoch direkt aus einem mit Brauchwasser gefüllten Speicher.
Die gewünschte Brauchwassertemperatur wird dabei durch Zumischen von kaltem Wasser mit Hilfe eines geregelten Dreiwegeventils erreicht.
Da bei einer Solaranlage der Speicher häufig höher als 60°C aufgeheizt wird, kann es zu Verkalkungen der Anlagenteile kommen. Anlagenausfälle und Reparaturen sind die Folge.
Vorteile der Erfindung
Die hier beschriebene Anlage hat sich zur Aufgabe gestellt, unter Beibehaltung einfacher und damit preisgünstiger Flachkollektoren den Wirkungsgrad bei der Solarenergiegewinnung zu erhöhen bei gleichzeitiger Reduzierung von Anlagekomponenten.
Dies wird dadurch erreicht, daß ein sicherer und schadfreier Betrieb der Anlage hinsichtlich Frostschäden gewährleistet wird, obwohl dem Wärme­ träger Wasser kein Frostschutzmittel beigemischt ist. Als Frostschutz dient die Entleerung des Wärmeträgers Wasser aus allen gefährdeten Anlage­ teilen (Solarkollektor sowie Zu- und Rückleitung).
Durch diese Anordnung kann der sonst übliche eigenständige Solarkreislauf entfallen.
Als Ausdehnungselement für das Speicher- und Solarwasser dient eine Luft- oder Gasblase (25) im oberen Teil des Pufferspeichers (1).
Bei Frostgefahr und der damit verbundenen Entleerung der frostgefährdeten Solarkomponenten tauscht ein Teil dieses Gases seinen Platz mit dem Wasser in den Solarkomponenten. Die Entleerung der Solarkomponenten kann in einem geschlossenen System stattfinden.
Da es aus hygienischen Gründen vorteilhaft ist, das Brauchwasser über einen Wärmetauscher zu erwärmen, kann als Pufferspeicher sowohl ein klassischer unter Druck stehender als auch ein offener Speicher (z. B. druckloser Kunststoffspeicher) verwendet werden.
Daraus ergeben sich folgende Besonderheiten:
  • - Besserer Wirkungsgrad der Solaranlage durch Wegfall eines Wärmetau­ schers sowie des Frostschutzmittels im Wärmeträger.
  • - Sicherer Frostschutz der Solaranlage. Die Entleerung des Solar­ kollektors samt seiner Zu- und Ableitung erfolgt ohne aktives Zutun elektrischer Anlageteile.
  • - Einsparung des Frostschutzmittels und eines Überdruckventiles.
  • - Einsparung von ein bis zwei Ausdehnungsgefäßen (Solarkreis sowie gegfls. Pufferspeicher) → Weniger Einzelkomponenten sowie einfache und kostengünstige Montage der Anlage.
  • - Einsparung einer teuren Beschichtung des Wärmespeichers in Form von V2A oder Emaille (kein Brauchwasserspeicher).
  • - Zusätzlicher Frostschutz bei Systemausfall durch Überwachung der ord­ nungsgemäßen Entleerung der Solarkomponenten durch das Steuergerät und Beheizen des Solarkollektors mittels Solarpumpe auf + 5°C.
  • - Verwendung normaler Flachkollektoren, welche sich komplett entleeren lassen (kostengünstige Kollektoren).
  • - Solarspeicher kann als universeller Pufferspeicher z. B. für Heizungs­ einbindung mitgenutzt werden (ohne zusätzliches Ausdehnungsgefäß).
  • - Der Einsatz eines offenen drucklosen Speichers kann bis zu einer Anla­ genhöhe von ca. 7m erfolgen, da sich im Solarkollektor Unterdruck befindet.
    Ab 10 m Wassersäule entsteht dabei ein Vakuum.
    Diese theoretische nutzbare Höhe kann jedoch wegen des damit verbunde­ nen früheren Siedepunktes des im Solarkollektor befindlichen Wassers nicht ausgenutzt werden.
    Für größere Anlagenhöhen sollte daher ein Druckspeicher verwendet wer­ den.
Des weiteren wird durch eine besondere Ausführung des Brauchwasserwärme­ tauschers die Brauchwassertemperaturregelung bereits im Speicher vorge­ nommen. Dies wird erreicht, indem der Brauchwasserwärmetauscher im Puffer­ speicher über die gesamte Speicherhöhe höhenverstellbar angeordnet ist.
Die Höhenverstellung des Wärmetauschers orientiert sich an der Temperatur des Brauchwassers am Ausgang des Wärmetauschers (Oberkante des Wärme­ tauschers).
Damit kann eine verkalkungsarme Brauchwassererwärmung im Wärmetauscher bei gleichzeitig hoher möglicher Speichertemperatur sowie eine gute Schichtung des Speichers erreicht werden.
Für die Einbindung einer Heizungsanlage kann ein weiterer Wärmetauscher angebracht werden.
Bei direkter Einspeisung des Speicherwassers in die Heizung genügt es, den Ansaugpunkt der Vorlaufleitung am höhenverstellbaren Brauchwasserwärmetau­ scher zu befestigen.
Daraus ergeben sich folgende Besonderheiten:
  • - Verbrauchsunabhängige (geregelte) Brauchwassertemperatur am Ausgang des Wärmetauschers.
  • - Optimale Ausnutzung der Wärmespeicherkapazität des Pufferspeichers durch höhenverstellbaren Brauchwasserwärmetauscher in Flachbauweise sowie hohe mögliche Speichertemperatur - bei Druckspeicher bis 110°C.
  • - Minimale Verkalkung des Brauchwasserwärmetauschers und der Warmwasser­ leitungen. Brauchwassersolltemperatur = max. im Wärmetauscher vorkom­ mende Temperatur.
  • - Gute Schichtungseigenschaften des Pufferspeichers.
  • - Verwendung von drucklosen Kunststoffpufferspeichern möglich.
  • - Die Ausgangstemperatur für Brauchwasser und Heizungsvorlauftemperatur kann bei gemeinsamem Sollwert mit demselben Stellmotor geregelt werden.
  • - Der Brauchwasserwärmetauscher kann bivilar gewickelt werden um Dreh­ momente im Wärmetauscher bei Brauchwassermengenänderung zu vermeiden.
Die Zuleitung zum Solarkollektor ist bezüglich seines Ansaugortes im Pufferspeicher umschaltbar. Die Umschaltung der jeweils gültigen Ansaug­ höhe wird durch den höhenverstellbaren Wärmetauscher ausgelöst.
Daraus ergeben sich folgende Besonderheiten:
  • - Um im Falle schlechter Solareinstrahlung wenigstens eine Mindestmenge des Speicherwassers auf die volle Brauchwassersolltemperatur zu brin­ gen, wird der Ansaugpunkt hochgelegt.
  • - Die genaue Ansaughöhe ist hierbei voreinstellbar (69), um die Mindest­ wärmemenge dem individuellen Verbraucherbedarf anzupassen. Bei nicht ausreichender Solareinspeisung wird die noch fehlende Wärme­ menge durch einen externen Heizkessel (34) oder durch einen eingebauten elektrischen Heizstab (42) aufgeheizt. In diesem Fall gilt der gleiche adaptive Ansaugpunkt wie bei der Solareinspeisung.
  • - Wenn der Mindesttageswärmebedarf gedeckt ist, wird der Ansaugpunkt nach ganz unten umgeschaltet.
  • - Ist der Wärmetauscher am Boden des Pufferspeichers angelangt, so wird zum Schutz des Brauchwassers vor Übertemperatur (und damit auch Verkal­ kung des Wärmetauschers und der Leitungen) der Ansaugpunkt für den Solarkollektor oberhalb des Wärmetauschers verlegt.
Um die Schichtungseigenschaften des Speichers weiter zu verbessern, wird das vom Solarkollektor sowie gegfls. aus dem Heizungskreislauf in den Wär­ mespeicher zurückfließende Wasser über eine Art senkrechten Schichtungs­ kanal eingeleitet.
Dieser Schichtungskanal besteht aus schräg übereinander angeordneten sich höhenbezogen überlappenden Lamellen. Damit kann das Schichtungsverhalten des Speicherwassers benutzt werden, um die vielen über der gesamten Höhe angeordneten großquerschnittigen Austrittsöffnungen im Schichtungskanal zu verschließen.
Daraus ergeben sich folgende Besonderheiten:
  • - Im Gegensatz zu bisher bekannten senkrecht im Schichtungskanal ange­ brachten Austrittslöchern welche kein solches Verschlußverhalten aufwei­ sen und somit im Austrittsquerschnitt begrenzt sind, wird hierbei ein präziser höhenbezogener Austrittspunkt des vom Solarkollektor bzw. Heizungsrücklauf einströmenden Wassers erreicht.
  • - Der Einspeisepunkt dieses Rückwassers in den aus Lamellen bestehenden Schichtungskanal kann von oben, der Mitte oder von unten erfolgen.
  • - Der Schichtungskanal ist flexibel sowie in der Länge zusammenschiebbar und kann damit durch einen seitlichen Flansch in einen Metallspeicher eingebracht werden.
Weitere Vorteile sowie nähere Beschreibungen ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung der Ausführungsbeispiele sowie aus den abhängigen Ansprüchen.
Zeichnungen
Fig. 1 zeigt das Gesamtbild einer Solaranlage, dessen Pufferspeicher mit einem höhenverstellbaren Brauchwasserwärmetauscher ausgestattet ist.
Fig. 2a zeigt als Schnittbild einen Pufferspeicher wobei Fig. 2b in Draufsicht eine Wickellage des Wärmetauschers darstellt.
Fig. 3a zeigt verschiedene mögliche Temperaturschichtungsverläufe dieses Speichers über der Speicherhöhe.
Fig. 3b veranschaulicht in einer Detailzeichnung den Bahnverlauf des Wärmetauscherrohres.
Fig. 4a stellt in einer Detailzeichnung eine weitere Variante eines Schichtungskanals mit Lamellen (wie in Fig. 5 gezeigt) dar.
Fig. 4b zeigt eine Detailzeichnung der Funktion des Schiebermechanismus der Wärmetauscherabhängigen Ansaughöhe für den Solarkollektor.
Fig. 5 schließlich zeigt eine Solaranlage mit einer eigenen Hilfspumpe zur Wiederbefüllung höhergelegener Solarkollektoren nach einer Frostent­ leerung. Desweiteren ist hier ein Pufferspeicher mit externem Wärme­ tauscher sowie die Einbindung einer Heizungsanlage dargestellt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Fig. 1 wird die prinzipielle Funktionsweise der Solaranlage dargestellt.
Die Umwälzpumpe des Solarkreises (16) besitzt in Fig. 1 eine große Leistungsbandbreite. Beim Neustart nach einer Frostphase muß die Förder­ höhe so bemessen sein, daß sie bis zum obersten Anlagenteil (hier Rück­ flußverhinderer 11) reicht.
Außerdem muß die Fördermenge ausreichend sein um aufsteigende Luftblasen in der Rückleitung (7) während der Befüllphase zu unterbinden.
Nach Abschluß der Befüllphase kann die Pumpenförderleistung auf ein norma­ les Umwälzniveau reduziert werden. Moderne elektronisch geregelte Umwälz­ pumpen sind in der Lage solche Anforderungen zu erfüllen.
Das Wasser des Wärmespeichers (1) (geschlossener oder offener Speicher) fließt direkt durch den Solarkollektor (10), angetrieben von einer Pumpe (16).
Die Zuleitung zum Solarkollektor wird durch die Leitung (8), die Rück­ leitung durch die Leitung (7) dargestellt. Die Funktion des Ausdehnungs­ gefäßes für den Solarkollektor sowie den Wärmespeicher übernimmt eine Luftblase (25) bzw. Stickstoff (besserer Korrosionsschutz) der sich im Oberteil des Pufferspeichers (1) sammelt. Ein Syfon (13) verhindert, daß die Luftblase (25) über die Leitung (7) sowie den Rückflußverhinderer (11) in den Solarkollektor (10) aufsteigen kann.
Nach dem Abschalten der Förderpumpe (16) kommt der Wasserkreislauf zum Stillstand.
Langsam entleert sich das Wasser in der Steigleitung (7) unterhalb des Syfons (13) bis zur Höhe des Wasserspiegels im Speicher (20) wobei über die Leitung (9) die dazu notwendige Luft einströmt. Die Steigleitung (7) kann sich jedoch nicht entleeren, da wegen des Syfons (13) keine Luft in diesen Leitungsabschnitt eindringen kann.
Dieses kurze entleerte Leitungsstück (ca. 20 cm Höhe) genügt jedoch, um ein Ungleichgewicht im Wasserkreislauf von Solarkollektor (10) und dessen Zuleitungen (7 und 8) herzustellen.
Da der Rückflußverhinderer (11) sowie bei Temperaturen größer + 5°C das Ventil (12) ebenfalls geschlossen ist, kann sich dieses Ungleichgewicht nicht entladen.
Da im Sommer keine Frostgefahr herrscht, besteht auch keine Notwendigkeit eine Wasserentleerung im Solarkollektor vorzunehmen.
Der Solarkollektor und seine Zuleitungen bleiben befüllt. Bei Wiederein­ schalten der Förderpumpe (16) füllt sich das letzte Teilstück unterhalb des Syfons (13) rasch und die Anlage ist sofort wieder betriebsbereit.
Sinkt nach abgeschalteter Anlage die Außentemperatur jedoch weiter als ca. + 5°C ab (z. B. über Nacht), so öffnet sich das Thermostatventil (12) (Bauart wie z. B. an jedem Heizkörper in Froststellung). Nun beginnt sich der Wasserkreislauf des Solarkollektors rückwärts in Bewegung zu setzen, angetrieben vom bereits bestehenden und oben beschriebenen Ungleich­ gewicht.
Dieses Wasser fließt nun durch den Kollektor (10) über die Steigleitung (8) und die abgeschaltete Förderpumpe (16) zurück in den Pufferspeicher (1). Somit sind der Solarkollektor (10) samt seiner Zuleitungen (7 und 8) frei von Wasser und somit frostgeschützt.
Auf das Thermostatventil kann gegfls. auch verzichtet werden. Damit wird jedoch nach jedem Abschalten der Förderpumpe der Solarkollektor entleert. Der Rückflußverhinderer (11) kann in diesem Fall auch in der Nähe der Pumpe bzw. des Speichers plaziert werden.
Zur Sicherheit kann ein Differenzdrucksensor (15) welcher die Steigleitung (8) auf Wasserfreiheit prüft, zusammen mit einem Außentemperaturfühler diese Entleerfunktion überwachen.
Sollte aus irgendeinem Grund diese Entleerung nicht stattfinden, so wird die Förderpumpe eingeschaltet und mit Hilfe eines Temperatursensors im Solarkollektor die Wassertemperatur der Solaranlage auf ca. + 5°C gere­ gelt.
Der Differenzdrucksensor mißt den Differenzdruck zwischen der Leitung (14) und (17). Bei beidseitig mit Wasser gefüllten Leitungen und abge­ schalteter Förderpumpe ist der Differenzdruck gleich null. Ist jedoch Leitung (8) entleert, so sieht der Differenzdrucksensor auf der Leitung (14) eine höhere Wassersäule und damit einen relativ größeren Druck als auf der Leitung (17).
Die Höhe des Differenzdrucks ist proportional zum Pegelstand (24) des Pufferspeichers. Der Differenzdrucksensor (15) ermöglicht somit gleichzeitig die Messung der momentanen Größe der Luftblase (25) und liefert damit auch einen Hinweis auf einen möglichen Wasserverlust der Anlage.
Beim Erstbefüllen der Anlage kann dieser Differenzdrucksensor (15) dem Installateur behilflich sein bei der richtigen Befüllungsmenge des Speichers.
Des weiteren eignet sich dieser Differenzdrucksensor durch seine hohe Emp­ findlichkeit auch zur Messung der Wasserdurchflußgeschwindigkeit und damit zur Messung der Wassermenge, indem er den durch den Strömungswiderstand entstandenen Druckdifferenz innerhalb eines definierten Rohrabschnittes mißt.
In Zusammenhang mit der Temperaturmessung des in Leitung (8) abgehenden und in Leitung (7) zurückkehrenden Solarwassers kann die durch den Kollek­ tor gewonnene Wärmemenge erfaßt werden.
Teure Wärmemengenmesser können damit eingespart werden.
Fig. 2a zeigt als Schnittbild einen Pufferspeicher, wobei Fig. 2b in Draufsicht eine Wickellage des Wärmetauschers darstellt.
Dieser Pufferspeicher besitzt einen Brauchwasserwärmetauscher der über die gesamte Speicherhöhe höhenverstellbar angeordnet ist.
Die Höhenverstellung des Wärmetauschers wird mit Hilfe eines Temperatur­ sensors (22), der am Warmwasserausgang des Wärmetauschers (2) angebracht ist, ermittelt.
Die Zuleitungen zum Wärmetauscher (41) bestehen aus flexiblen Rohren, wobei die Warmwasserausgangsseite eine Wärmeisolierung besitzt.
Da diese Zuleitungen an der Unterseite des Wärmetauschers angebracht sind, entstehen keine thermischen Probleme für das Rohrmaterial.
Bei direkter Einspeisung des Speicherwassers in die Heizung wird eine dritte Leitung zum Wärmetauscher verlegt und der Ansaugpunkt des Heizungsvorlaufs an der Oberkante des höhenverstellbaren Brauchwasser­ wärmetauscher angebracht.
Um gute Schichtungseigenschaften des Speichers zu erreichen, wird jegliche Warmwassereinspeisung in den Speicher über eine Art senkrechten Schich­ tungskanal (46) eingeleitet, der aus schräg übereinander angeordneten, sich höhenbezogen überlappenden Lamellen (47) besteht.
In Fig. 1 und 2a ist jeweils ein solcher Schichtungskanal (46) für das zurückkehrende Solarwasser (7) zu sehen. In Fig. 2b ist ein weiterer solcher Schichtungskanal (53) für den Heizungsrücklauf (30) eingezeichnet.
In Fig. 2b ist der Verlauf einer Wickellage dargestellt. Vom Wassereintritt (58) ist eine Spiralförmige Wicklung zur Mitte hin dargestellt. Dort dreht sich die Wickelrichtung (59) und endet schließlich wieder außen (61) um von dort in die darunter beginnende Wickellage (unterhalb 58) abzutauchen. Durch diese bivilare Wickelart werden Dreh­ momente auf den Wärmetauscher bei Brauchwassermengenänderungen vermieden.
Mittels eines Temperatursensors (22) kann die Höheneinstellung des Wärme­ tauschers so geregelt werden, daß die Brauchwassertemperatur am Ausgang des Brauchwasserwärmetauschers (2) immer einen vorgegebenen Temperaturwert z. B. 45°C hat. Dieser Sollwert ist adaptiv und wird vom Steuergerät vorgegeben.
Sollte bei großer Brauchwasserabnahmemenge die Ausgangstemperatur des Wärmetauschers absinken, so kann dies durch entsprechende Anhebung des Brauchwasserwärmetauschers in heißeres Speicherwasser ausgeregelt werden. Am Ausgang des Wärmetauschers steht somit eine konstante mengenunabhängige Brauchwassertemperatur zur Verfügung.
Mittels geeigneter Sensoren z. B. einem Dauermagnet an der rotierenden Gewindestange (40) und einem Reedkontakt kann die Höhenlage des Wärme­ tauschers sowie der untere und obere Anschlag überwacht werden. Die Anschlagerkennung erfolgt dabei durch Anhebung des rotierenden Dauermagneten durch die Gewindestange (40) bei unterem Anschlag bzw. durch Anheben mittels des Gewindeteils für den Wärmetauscherträger (62). Dadurch erfolgt jeweils eine Unterbrechung des Drehzahlsignals am Reed­ kontakt.
Mit dem Drehzahlsignal kann immer die exakte Höhenposition des Wärme­ tauschers erkannt werden. Dies kann im Zusammenhang mit der Temperatur­ erfassung am Wärmetauscher (22) sowie an der Speicheroberseite (Temp.-Sensor 21) zur ungefähren Ermittlung der Speichermenge verwendet werden.
Die Aufhängung und Höhenverstellung des Wärmetauschers ist auch mittels eines Seilzuges denkbar, an welchem der Wärmetauscher auf gehängt ist (z. B. an drei Seilen).
Die in Fig. 3a gezeigten Kennlinien zeigen verschiedene theoretisch mögliche Schichttemperaturen über der Speicherhöhe des Pufferspeichers.
Mit Kennlinie 71 wird die minimale Speichertemperatur gezeigt, bei der der Wärmetauscher gerade noch in der Lage ist, die nötige Brauchwasser­ solltemperatur zu liefern.
Kennlinie 72 zeigt den geladenen Mindesttageswärmebedarf an. Bei weiterer Aufladung des Speichers wird der Ansaugpunkt des Solarkollektors von Öffnung (45) auf Öffnung (43) umgeschaltet.
Kennlinie (73) zeigt den Wärmetauscher in mittlerer Höhenposition (wie in Fig. 1 und 2a dargestellt) wobei hier die obere Speicherhälfte mit maximaler Wärmeenergie dargestellt ist.
Kennlinie (74) zeigt die maximal mögliche Ladung des Speichers. Deutlich ist hierbei zu sehen, daß der Wärmetauscher im untersten Bereich des Speichers vor Übertemperatur geschützt ist und wie üblich die nötige Brauchwassersolltemperatur liefert. Spätestens zu diesem Zeitpunkt wird die Solaranlage abgeschaltet.
Um ein Verdampfen des nun stehenden Wassers im Solarkollektor zu verhin­ dern, kann bei Bedarf mit Hilfe eines temperaturabhängigen Ventils (Siehe Fig. 5/71) in Abhängigkeit der Solarkollektortemperatur eine Entleerung des Solarkollektors vorgenommen werden.
In Fig. 3b wird in einer vergrößerten Schnittzeichnung eine mögliche Wickelanordnung des Wärmetauschers (2) dargestellt. Die Reihenfolge der Ziffern in den dargestellten Rohren entspricht der Reihenfolge der ge­ wickelten Rohre vom Ausgang des Wärmetauschers aus gesehen. Deutlich wird hierbei, daß es sich damit um eine Art verzahnte Wickelreihenfolge handelt.
Damit handelt es sich auf die Schichtung des Speichers bezogen statisch um einen reinen Gegenstromwärmetauscher.
Fig. 4a zeigt eine gegenüber Fig. 1 und 2 abgewandelte Ausführungsform eines senkrechten Schichtungskanals (46).
Während Fig. 1 und 2 einen in der Ecke eines rechteckigen Speichers ange­ brachten Schichtungskanal darstellen, ist hier eine freistehende Variante eines Schichtungskanals dargestellt.
Die einzelnen Lamellen (47) sind hier aus runden konischen Zylindern her­ gestellt. Diese Lamellen können z. B. über dünne Ketten (50) miteinander verbunden sein.
Der so gebildete Schichtungskanal kann zum Zweck des Einbringens durch die Flanschöffnung eines Stahlspeichers teleskopartig zusammengeschoben oder gebogen werden.
Um eine dauerhafte Aufrichtung zu erreichen, ist der Schichtungskanal oben mit einem Schwimmkörper (49) ausgestattet.
Der Einspeisepunkt des Schichtungskanals (51) kann oben, in der Mitte (siehe Fig. 4a) oder wie in Fig. 5/53 dargestellt von unten erfolgen.
Fig. 4b zeigt eine bezüglich seines Ansaugortes umschaltbare Zuleitung zum Solarkollektor.
Die Umschaltung der jeweils gültigen Ansaughöhe erfolgt durch den höhen­ verstellbaren Wärmetauscher der die Mitnehmer (70) zur Betätigung der jeweiligen Umschaltschieber hoch- bzw. runterdrückt.
Bei geringer Solareinstrahlung erfolgt eine Hochgelegung des Ansaugpunktes (45). Diese Umschaltung wird aktiviert durch den hochgefahrenen Wärme­ tauscher.
Eine Feder (66) zieht einen Schieber (63) hoch und schließt die beiden unteren Ansaugsorte (43, 44). Solange der Wärmetauscher nicht hoch genug positioniert ist, wirkt ein Gewicht (67) der Federkraft (66) entgegen und verhindert das Schließen der beiden unteren Ansaugorte (43, 44). Erst wenn der Wärmetauscher (2) ausreichen hochgefahren ist, schiebt er das Gewicht (67) hoch und ermöglicht der Feder (66) den Schieber (63) hochziehen. Erst jetzt wird durch die Schließung der beiden unteren großquerschnitti­ gen Ansaugöffnungen (43,44) die ober Ansaugöffnung (45) aktiviert.
Mit einer arretierbaren Verstellung (69) des Schiebers (63) bezüglich einer Platte, welche die Ansaugöffnung enthält (68), wird eine adaptive Ansaughöheneinstellung ereicht um die Mindestwärmemenge dem individuellen Verbraucherbedarf anzupassen.
Bei nicht ausreichender Solareinspeisung wird durch einen eingebauten elektrischen Heizstab (42) der fehlende Wärmebedarf geliefert. Dieser Heizstab (42) benutzt während seiner Aufladung für seine zirku­ lierende Strömung (19) die gleiche Öffnung (45).
Ist der Mindesttageswärmebedarf gedeckt, so wird durch Absenken des Wärmetauschers (2) der Ansaugpunkt nach ganz unten (43) umgeschaltet.
Ist im weiteren Ladeverlauf der Wärmetauscher am Boden des Pufferspeichers angelangt, so wird der untere Ansaugpunkt (43) für den Solarkollektor mit Hilfe der Absenkung des Schiebers (64) unten geschlossen und oberhalb des Wärmetauschers geöffnet (44).
Die Feder (65) zieht nach Wiederanheben des Wärmetauschers den Schieber (64) in seine hochgezogene Ruhelage zurück.
In Fig. 5 wird schließlich eine Solaranlage mit einer zusätzlichen Hilfs­ pumpe (27) zur Wiederbefüllung höhergelegener Solarkollektoren nach einer Frostentleerung gezeigt.
Ein Rückflußverhinderer (26) verhindert ein Rückfließen des von Pumpe (16) geförderten Wassers im Normalbetrieb.
Ein Dreiwege-Umschaltventil (38) erlaubt eine externe Umschaltung des Ansaugpunktes zur Deckung des Mindesttagesbedarfs durch den Solar­ kollektor.
Desweiteren ist hier ein Pufferspeicher mit zwei bereits in Fig. 4a dar­ gestellten Schichtungskanälen (46 und 53) dargestellt.
Der Brauchwasserwärmetauscher (2) ist extern angebracht, wobei eine eigene Umwälzpumpe (37) auf eine konstante Brauchwassertemperatur regelt. Die Rückleitung (30) wird über einen Schichtungskanal (53) zurückgeführt.
Des weiteren ist eine Heizungsanbindung dargestellt. Mittels eines Dreiwege-Umschaltventil (33) kann wahlweise zwischen einer Speisung aus dem Pufferspeicher (1) oder einem Heizkessel (34) umgeschal­ tet werden.
Mit Hilfe einer Umwälzpumpe (35) kann der Pufferspeicher (I) vom Heiz­ kessel (34) beladen werden.
Eine Umwälzpumpe (28) dient als Heizungsumwälzpumpe während ein Vier-Wege­ regelventil (32) die Vorlauftemperatur regelt.
Bezugszeichenliste
1 Pufferspeicher (kein Emaille oder Edelstahl) mit Heizungswasser gefüllt
2 Wärmetauscher (WT) für Brauchwassererwärmung
3 Brauchwasserzulauf kalt
4 Brauchwasserabgang warm
5 Wärmetauscherträger
6 Frostgrenze
7 Rückleitung vom Solarkollektor
8 Zuleitung zum Solarkollektor
9 Luftleitung um Solarkollektor zu entleeren
10 Solarkollektor
11 Rückflußverhinderer (federbelastet)
12 Temperaturabhängiges Ventil (Frostwächter der bei Temp. < +5°C öffnet)
13 Syfon verhindert Entleerung der Rückleitung (7)
14 Obere Zuleitung zum Differenzdrucksensor
15 Differenzdrucksensor
16 Umwälzpumpe für Solarkollektor
17 Untere Zuleitung zum Differenzdrucksensor
18 Umschaltung der Ansaughöhe für den Solarkollektor
19 Strömungsverlauf bei Betrieb von elektrischer Zusatzheizung
20 Leitungsabschnitt zwischen Syfon (13) und Höhe Wasseroberfläche (24)
21 Temperatursensor an Oberkante des Speicherwassers
22 Temperatursensor für Brauchwasserabgangstemperatur (Oberkante WT)
23 Schichtungsabhängiger Austrittsort des warmen Solarkollektorwassers
24 Wasserpegel im Pufferspeicher
25 Luft- oder Stickstoffblase als Ersatz für Ausdehnungsgefäß
26 Rückflußverhinderer (federbelastet) für Zusatzpumpe
27 Zusatzförderpumpe für Solarkollektorbefüllung
28 Heizungsumwälzpumpe
29 Spitz zulaufendes T-Stück
30 Heizungsrücklauf
31 Heizungsvorlauf
32 Vier-Wegemischventil für Vorlauftemperaturregelung
33 Drei-Wegeumschaltventil für wahlweise Speisung aus Speicher/Heizkessel
34 Heizkessel
35 Umwälzpumpe für Speicheraufladung durch Heizkessel
36 Rückflußverhinderer bei Heizungseinbindung
37 Umwälzpumpe für externen Brauchwasserwärmetauscher
38 Drei-Wegeumschaltventil für Umschaltung der Ansaughöhe im Wärmespeicher
39 Motorischer Antrieb für Höhenverstellung des Wärmetauschers
40 Gewindestange für höhenverstellbaren Wärmetauscher
41 spiralförmige Zu- und Rückleitung des höhenverstellbaren Wärmetauschers
42 Elektrische Zusatzheizung
43 Ansaugöffnung ganz unten (normaler Ansaugpunkt)
44 Ansaugöffnung oberhalb des Wärmetauschers (WT-Schutz)
45 Ansaugöffnung oben (für Ladung des Mindesttagesbedarfs)
46 Schichtungskanal für richtiges Einlagern des Solarkollektorwassers
47 Lamelle des Schichtungskanals
48 Streuscheibe
49 Schwimmkörper zum hochhalten des Schichtungskanals
50 Halter für Lamellen (z. B. Ketten oder Gitterrohr)
51 Einspeisepunkt des Rücklaufs
52 Lamelle umgekehrt montiert unterhalb des Einspeisepunktes
53 Schichtungskanal für richtiges Einlagern des Heizungsrücklaufs
54 Kalter Brauchwasserzulauf
55 Verbraucher z. B. Duscheinrichtung
56 Warmwasserhauptleitung
57 Kaltwasserhauptleitung
58 Wassereintritt im Wärmetauscherrohr
59 Wendeschleife (Drehrichtungswechsel)
60 Rücklaufendes Wärmetauscherrohr
61 Ende dieser Wickelebene und Übergang zu darunterliegender Wickelebene
62 Gewindeteil für Wärmetauscherträger
63 Schieber 1 für Absperrung des unteren Teils bei Mindestladung
64 Schieber 2 für Absperrung ganz unten bei Übertemperaturschutz des WT
65 Zugfeder zum Hochhalten von Schieber 2 (64)
66 Zugfeder zum Hochhalten von Schieber 1 (63)
67 Gewicht zum Runterdrücken von Schieber 1 (wird von Wärmetauscher angehoben)
68 Gegenüber Schieber 1 verstellbare Ansaugöffnung
69 Verstellbare Arretierung zur adaptiven Mindestaufladung
70 Mitnehmer für Betätigung der Schieber durch den Wärmetauscher
71 Temperaturabhängiges Ventil mit externem Temperaturfühler (Öffnet bei einstellbarer Temperatur größer + 70 bis 110°C)

Claims (24)

1. Solaranlage mit Warmwasserspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß zum Zweck des Frostschutzes des Solarkollektors eine im Pufferspeicher (1) befindliche Luft- oder Gasblase (25) seinen Platz mit dem Wasser im Solar­ kollektor und dessen Zuleitungen tauscht.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Luft oder Gasblase (25) gleichzeitig die Funktion des Ausdehnungsgefäßes für den Solarkollektor wie für den Wärmespeicher übernimmt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Entlüftungsleitung (9) ein Teil der Solarkollektorrückleitung (20) sich sofort nach Abschalten der Umwälzpumpe (16) entleert und damit die Vorbe­ reitung zu einer späteren frostbedingten Entleerung schafft.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Abschaltung der Förderpumpe (15) bei keiner Frostgefahr (Temperatur größer + 5°C) mit Hilfe eines Syfons (13) und eines Rückflußverhinderers (11) eine sofortige Entleerung des Wassers aus der Rückleitung (7) und dem Solarkollektor (10) verhindert werden kann.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befüllung des Solarkollektors mit Luft zum Zwecke des Frostschutzes in Abhängigkeit der Außentemperatur mit Hilfe eines Thermostatventils (12) erfolgen kann, welches durch Öffnen im Frostfall eine Entleerung des Kollektors ermög­ licht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Differenzdrucksensors (15) der Wasserdruck in der Kollektorzuleitung (8) unter- und oberhalb des Speicherpegels (24) kontrolliert und damit auch der Solarkollektor (10) und die Rückleitung (7) auf Wasserfreiheit geprüft werden kann.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Differenzdrucksensor auch den Wasserpegel des Speichers (24) und damit einen möglichen Wasserverlust der Anlage (1) erkennen kann.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Differenzdrucksensor durch seine hohe Empfindlichkeit auch die Wasser­ durchflußgeschwindigkeit und damit die durchfließende Wassermenge messen kann, indem er die durch den Strömungswiderstand entstandene Druck­ differenz innerhalb eines definierten Rohrabschnittes mißt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in Zusammenhang mit der Temperaturmessung des in Leitung (8) abgehenden und in Leitung (7) zurückkehrenden Solarwassers damit die durch den Kollektor gewonnene Wärmemenge erfaßt werden kann.
10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Differenzdrucksensor durch das Erfassen von Durchflußgeschwindigkeits­ schwankungen auch die Bildung von Vakuum infolge hoher Temperatur und niedrigen Absolutdrucks im Solarkollektor erkennt und durch Steigerung der Pumpenleistung beseitigt.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines temperaturabhängiges Ventils (71) in Abhängigkeit der Solarkollektortempe­ ratur eine Wasserentleerung des Solarkollektors vorgenommen werden kann um ein Sieden des stehenden Wassers im Kollektor zu verhindern.
12. Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschers in einem Pufferspeicher, dadurch gekennzeichnet, daß der Brauchwasserwärmetauscher im Puffer­ speicher höhenverstellbar angeordnet ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhen­ verstellung des Wärmetauschers sich an der Temperatur des Brauchwassers am Ausgang des Wärmetauschers orientiert so daß damit eine verbrauchsunab­ hängige (geregelte) Brauchwassertemperatur entsteht.
14. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei direkter Einspeisung des Speicherwassers in die Heizung der Ansaugpunkt der Vor­ laufleitung (31) am höhenverstellbaren Brauchwasserwärmetauscher befestigt wird, wodurch die Ausgangstemperatur für Brauchwasser und Heizungsein­ bindung bei gemeinsamem Sollwert mit demselben Stellmotor (39) geregelt werden kann.
15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ein­ bindung einer Heizungsanlage mit eigenständigem Heizkreislauf ein weiterer Wärmetauscher am Wärmetauscherträger (5) angebracht werden kann.
16. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Brauch­ wasserwärmetauscher (2) bivilar gewickelt werden kann, um Drehmomente im Wärmetauscher bedingt durch Brauchwassermengenänderungen zu kompensieren.
17. Verfahren zum Betrieb eines geschichteten Wärmespeichers der mit einem senkrechten Schichtungskanal (46) versehen ist, weicher sich in einem Wärmespeicher (1) nach oben erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß zur besseren Schichtung dieses Speichers dieser Schichtungskanal aus schräg übereinander angeordneten sich höhenbezogen überlappenden Lamellen besteht um die über der gesamten Höhe angeordneten großquerschnittigen Austritts­ öffnungen im Schichtungskanal bezüglich ihres Strömungsverhaltens nach dem Gesetz der Schwerkraft zu verschließen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Einspeise­ punkt dieses Schichtungskanals von oben, der Mitte oder von unten erfolgen kann.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Schich­ tungskanal (46, 53) flexibel und in der Länge zusammenschiebbar ist, so daß er durch einen seitlichen Flansch auch in einen Metallspeicher einge­ bracht werden kann.
20. Verfahren zum Betrieb eines Solarspeichers bei welchem das Speicher­ wasser direkt den Solarkollektor speist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung zum Solarkollektor bezüglich seines Ansaugortes umschaltbar ist, um im Falle geringer Solareinstrahlung wenigstens eine Mindestmenge des Speicherwassers auf die volle Brauchwassersolltemperatur zu erwärmen.
21. Verfahren nach Anspruch 1 und 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung der jeweils gültigen Ansaughohe durch den höhenverstellbaren Wärmetauscher (2) erfolgt.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die genaue Ansaughöhe für die tägliche Mindestwärmemenge adaptiv einstellbar ist (69), um diese Mindestwärmemenge dem individuellen Verbraucherbedarf anzu­ passen.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß im Fall einer Nachheizung durch einen eingebauten elektrischen Heizstab (42) der gleiche voreingestellte Ansaugpunkt (69) wie bei der Solareinspeisung verwendet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen des Wärmetauschers am Boden des Pufferspeichers der Ansaugpunkt für den Solarkollektor von ganz unten an einen Punkt oberhalb des Wärmetauschers (44) gelegt wird um den Wärmetauscher und dessen Zuleitungen vor Übertem­ peratur zu schützen und so die gewünschte Brauchwassersolltemperatur halten zu können sowie eine vermehrte Kalkbildung im Brauchwasserwärmetauscher zu verhindern.
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