DE4123169C1 - Frost protection for solar collectors - uses water replacing liq. on collector temp. dropping below preset level - Google Patents

Frost protection for solar collectors - uses water replacing liq. on collector temp. dropping below preset level

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Abstract

The solar collectors, using water as heat carrier are protected from freezing such that they are supplied with a water substitute which is heavier than water, is water insoluble, and is proof against frost, if the collector temp. drops below a preset level. Pref. the water feed (1) from a water tank (5) to collector is supplemented by a bottom level feed (2) from the tank, using a temp. responsive valve (4) joined to both feeds. The opening of the water feed in the tank lies above the frost-proof liq. (6) at filled level. ADVANTAGE - No need for a secondary circuit, simple and low-cost design.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Frostschutzsicherung von Solarkollektoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for frost protection of solar collectors according to the preamble of claim 1.

Viele technische Systeme, die mit Wasser als Wärmeträger arbeiten, müssen in den Wintermonaten mit einer Frostschutzsicherung ausgestattet sein. Vielfach werden frostsichere Sekundärkreisläufe verwendet, die z. B. mit Glykol als Wärmeträger betrieben werden, oder, wie in der DE-OS 30 07 981 beschrieben, mit einer mit Wasser verdünnten Mischung aus Glykol und Alkohol. Aus Paulisch, A. und Reichel, B. "Heizen mit Umgebungsenergie, Essen, Deutscher Consulting-Verlag, 1980, Seite 78, Abschnitt 10.3, ist als weiterer Wärmeträger die Verwendung von Wärmeträgerölen bekannt. Der Sekundärkreislauf wird nur aus Gründen des Frostschutzes verwendet. Die Installation dieses Kreislaufes verursacht jedoch folgende Probleme:Many technical systems that use water as a heat carrier must be in the winter months be equipped with a frost protection. In many cases frost-resistant Secondary circuits used z. B. operated with glycol as a heat carrier, or, as described in DE-OS 30 07 981, with a mixture diluted with water Glycol and alcohol. From Paulisch, A. and Reichel, B. "Heating with ambient energy, Essen, Deutscher Consulting-Verlag, 1980, page 78, section 10.3, is another heat carrier the use of heat transfer oils known. The secondary circuit only turns off Used for reasons of frost protection. However, the installation of this circuit causes the following problems:

  • 1. finanzielle Aufwendungen durch den Wärmetauscher und das Frostschutzmittel,1. financial expenses through the heat exchanger and the antifreeze,
  • 2. hoher Druckverlust im Kollektorkreislauf infolge des Wärmetauschers,2. high pressure drop in the collector circuit due to the heat exchanger,
  • 3. Wirkungsgradverluste infolge von Wärmeübertragungswiderständen.3. Efficiency losses due to heat transfer resistances.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, für Solarkollektoren eine Frostschutzsicherung zu finden, die keinen Sekundärkreislauf benötigt und daher wesentlich einfacher und billiger sein kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst sowie eine zugehörige Vorrichtung nach Anspruch 6.The object of the invention is therefore to find a frost protection for solar collectors, which does not require a secondary circuit and therefore be much easier and cheaper can. This object is achieved by the method according to claim 1 and an associated device according to claim 6.

Die Erfindung hat daher wesentliche Vorteile, die vor allem in der Ersparnis des Wärmetauschers und dem höheren Wirkungsgrad gesehen werden können. Im Mittel wird die Temperatur im Speicher um ca. 5° höher liegen als beim Vorhandensein eines Wärmetauschers. Als frostsichere Flüssigkeit, die zusätzlich schwerer als Wasser und wasserunlöslich ist und diese Eigenschaften hat, kann z. B. 1-Brompentan verwendet werden oder Marlotherm S der Firma Chemische Werke Hüls AG. Natürlich sollte darauf geachtet werden, daß die frostsichere Flüssigkeit nicht giftig ist oder umweltschädlich. Da in den meisten Fällen das erwärmte Brauchwasser nicht als Trinkwasser verwendet wird, ist auch eine gelegentliche Durchmischung durch Tröpfchenbildung unschädlich.The invention therefore has significant advantages, especially in the savings of the heat exchanger and the higher efficiency can be seen. On average, the Temperature in the storage by about 5 ° higher than in the presence of a heat exchanger.  As a frost-proof liquid, which in addition is heavier than water and water-insoluble is and has these properties, z. For example, 1-bromopentane can be used or Marlotherm S of the company Chemische Werke Hüls AG. Of course, care should be taken that the frost-proof liquid is not toxic or harmful to the environment. Because in most If the heated service water is not used as drinking water, is also one occasional mixing by droplet formation harmless.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Nach Anspruch 2 ist die Lösung auch für Schwerkraftsolarkollektoren verwendbar, vor allem wenn die Differenz in der Dichte von Wasser und der frostsicheren Flüssigkeit nicht zu groß ist.Advantageous embodiments of the method and the device are in the dependent claims characterized. According to claim 2, the solution is also for gravity solar collectors usable, especially if the difference in the density of water and the frost-proof liquid is not too large.

Im Normalfall wird jedoch das Wasser in dem Wärmeträgerkreislauf gepumpt, so daß die Pumpe auch für den Zulauf der frostsicheren Flüssigkeit in den Kollektor verwendet werden kann. Falls z. B. aus gesundheitlichen Gründen eine strikte Trennung der Kreisläufe nötig ist, kann es vorgesehen sein, daß die frostsichere Flüssigkeit in einem separaten Reservoir gelagert werden kann, wobei dann dieses Reservoir etwas größer sein sollte als das Volumen der gesamten frostsicheren Flüssigkeit, damit bei Nachspülung mit Wasser aus dem Wasserspeicher noch Reste der frostsicheren Flüssigkeit aus dem Solarkollektor herausgespült werden können. Bei der späteren natürlichen Trennung der beiden Flüssigkeiten in dem Reservoir für die frostsichere Flüssigkeit kann dann das überschüssige Wasser entfernt werden.Normally, however, the water is pumped in the heat transfer circuit, so that the Pump also be used for the inlet of the frost-proof liquid in the collector can. If z. B. for health reasons a strict separation of the circuits is necessary It may be provided that the frost-proof liquid in a separate reservoir can be stored, in which case this reservoir should be slightly larger than that Volume of the entire frost-proof liquid, so when rinsing with water the reservoir still remains of frost-proof liquid from the solar collector can be flushed out. In the later natural separation of the two Liquids in the reservoir for the frost-proof liquid can then be the excess Water are removed.

Die Vorrichtung zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus, wobei auch normale Wasserspeicher verwendbar sind, da sie meistens mit irgendeinem oder mehreren Ventilen versehen sind. Die Maßnahme nach Anspruch 7 bewirkt vorteilhaft, daß im Normalfall nur Wasser in den Wärmeträgerkreislauf gelangen kann.The device is characterized by a particularly simple structure, and also normal water tanks are usable, as they are usually with one or more Valves are provided. The measure according to claim 7 causes advantageous that in the normal case only water can get into the heat transfer circuit.

Analog gewährleistet die Maßnahme nach Anspruch 8 eine Verhinderung der Durchmischung der beiden Flüssigkeiten, sobald sich die gesamte frostsichere Flüssigkeit wieder im Wasserspeicher befindet. Der weitere Zufluß des warmen Wassers aus dem Kollektor bewirkt durch die oberhalb des Niveaus der frostsicheren Flüssigkeit gelegenen Ausflußöffnungen, daß eine Durchmischung vermieden wird. Weiterhin bewirkt diese Maßnahme, daß in dem Wasserspeicher eine Temperaturschichtung erfolgen kann, ohne daß es zu einer wesentlichen Durchmischung der einzelnen Temperaturschichten des Wassers kommt.Similarly, the measure according to claim 8 ensures a prevention of mixing of the two liquids as soon as the entire frost-proof liquid returns to the Water storage is located. The further inflow of warm water from the collector causes through the outflow openings located above the level of the frost-proof liquid, that mixing is avoided. Furthermore, this measure causes that in the water storage can be carried out a temperature stratification, without causing a substantial Mixing of the individual temperature layers of the water comes.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Abb. 1-3 kurz erläutert:In the following the invention will be briefly explained with reference to FIGS. 1-3:

Abb. 1 zeigt den Wasserspeicher im Normalbetrieb, Abb. 2 bei Auslauf der frostsicheren Flüssigkeit in den Solarkollektor und Abb. 3 den Rückfluß der frostsicheren Flüssigkeit in den Speicher. Fig. 1 shows the water tank in normal operation, Fig. 2 at the outlet of the frost-proof liquid in the solar collector and Fig. 3 shows the reflux of the frost-proof liquid in the memory.

Der Frostschutz wird nach der Erfindung dadurch gewährleistet, daß eine frostsichere Flüssigkeit als Ersatz für das Wasser in den Wärmeträgerkreislauf des Solarkollektors gepumpt wird, die erst bei wesentlich tieferen Temperaturen dickflüssig bzw. fest wird, weiterhin wasserunlöslich und schwerer als Wasser ist. Abb. 1 zeigt den Wärmeträgerkreislauf im Betriebszustand. Durch den etwas höher versetzten Wasserzulauf 1 wird dem Solarkollektor kaltes Wasser zugeführt, welches im Solarkollektor erwärmt und anschließend über den Rücklauf 3 und das Einlaßrohr 7 dem Wasserspeicher 5 wieder zugeführt wird.The frost protection is ensured according to the invention in that a frost-proof liquid is pumped as a replacement for the water in the heat transfer circuit of the solar collector, which is thick or solid only at much lower temperatures, still water insoluble and heavier than water. Fig. 1 shows the heat transfer circuit in the operating state. Due to the slightly higher water inlet 1 , the solar collector cold water is supplied, which is heated in the solar collector and then fed via the return 3 and the inlet pipe 7 to the water tank 5 again.

Fällt die Temperatur des frostgefährdeten Bauteils, z. B. im Solarkollektor, unter einen zuvor festgelegten Grenzwert, so wird die temporäre Frostschutzsicherung aktiviert. Das temperaturgesteuerte Ventil 4 (Mehrwegeventil, z. B. ein Magnetventil), wird betätigt und gem. Abb. 2 kann über einen weiteren am Boden des Wasserspeichers 5 befindlichen Zulauf 2 die frostsichere Flüssigkeit 6 in Umlauf gebracht werden. Das Ventil 4 ist dabei mit beiden Zuläufen 1 und 2 verbunden und steuert den Zufluß zum Solarkollektor. Solange Frostgefahr besteht, verbleibt diese frostsichere Flüssigkeit 6 in den jeweiligen Bauteilen. Bei Schwerkraftkollektoren wird das System auch funktionieren, da die Frostgefahr nur bei niedrigen Temperaturen und ohne Sonneneinstrahlung besteht.If the temperature of the frost-prone component, z. B. in the solar collector, below a predetermined limit, the temporary frost protection is activated. The temperature-controlled valve 4 (multi-way valve, eg a solenoid valve) is actuated and acc. Fig. 2, the frost-proof liquid 6 are circulated via a further located at the bottom of the water tank 5 inlet 2 . The valve 4 is connected to both inlets 1 and 2 and controls the inflow to the solar collector. As long as the risk of frost exists, this frost-proof liquid 6 remains in the respective components. For gravity collectors, the system will also work because the risk of freezing is limited to low temperatures and no sunlight.

Dabei wird die frostsichere Flüssigkeit 6 durch Schwerkraft in den Wärmeträgerkreislauf des Solarkollektors über das Ventil 4 eingebracht, und erst bei höherer Außentemperatur durch nachfließendes Kaltwasser aus dem Wasserspeicher, das von dem Ventil 4 freigegeben wird, aus dem Wärmeträgerkreislauf des Solarkollektors verdrängt.In this case, the frost-proof liquid 6 is introduced by gravity into the heat transfer circuit of the solar collector via the valve 4 , and displaced from the heat transfer circuit of the solar collector only at higher outside temperature by inflowing cold water from the water storage, which is released by the valve 4 .

Wenn bei erhöhter Außentemperatur der Sensor das temperaturgesteuerte Ventil 4 betätigt, wird gem. Abb. 3 über den Wasserzulauf 1 wieder Wasser zugeführt. Die frostsichere Flüssigkeit gelangt wieder in den Wasserspeicher 5 zurück und sinkt infolge ihrer höheren Dichte, sowie der Unlöslichkeit mit dem Wasser, auf den Boden des Speichers. So wird die frostsichere Flüssigkeit immer wieder im untersten Teil des Wasserspeichers zur Verfügung stehen. Am Ende dieses Vorgangs ist die Ausgangslage nach Abb. 1 wieder vollständig hergestellt. If at elevated outside temperature, the sensor operates the temperature-controlled valve 4 , acc. Fig. 3 fed via the water inlet 1 again water. The frost-proof liquid returns to the water reservoir 5 back and sinks due to their higher density, and the insolubility with the water to the bottom of the memory. Thus, the frost-proof liquid will always be available in the lowest part of the water reservoir. At the end of this process, the initial position according to Fig. 1 is completely restored.

Selbstverständlich ist es möglich, auch statt des in den Abb. 1-3 dargestellten Systems ein eigenes Reservoir für die frostsichere Flüssigkeit vorzusehen.Of course, it is also possible to provide a separate reservoir for the frost-proof liquid instead of the system shown in Figs. 1-3.

Es ist ganz deutlich einzusehen, daß für ein Solarkollektorsystem durch diesen Lösungsvorschlag der Bau vereinfacht wird und billiger, aus dem Vergleich zwischen dem Stand der Technik und der Erfindung. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die Verringerung des Druckverlustes im Gesamtsystem Hilfsenergie z. B. für die Pumpen eingespart werden kann.It is quite clear that for a solar collector system by this proposed solution The construction is simplified and cheaper, from the comparison between the State of the art and the invention. Another advantage of the invention is that by reducing the pressure loss in the overall system auxiliary power z. B. for the pumps can be saved.

Mögliche FrostschutzmittelPossible antifreeze

Es sei nur beispielhaft auf zwei mögliche Frostschutzmittel, verwiesen, die die geforderten Eigenschaften erfüllen:It is only an example of two possible antifreeze, referenced, the required Features meet:

1-Brompentan1-bromopentane Hersteller:Manufacturer: Fa. Merck, DarmstadtFa. Merck, Darmstadt Dichte (20°C):Density (20 ° C): 1,215 kg/l1.215 kg / l Gefrierpunkt:Freezing point: -95°C-95 ° C Siedepunktboiling point 130°C130 ° C

MARLOTHERM SMARLOTHERM S Hersteller:Manufacturer: Chemische Werke HÜLS AG, D-4370 MarlChemical plants HÜLS AG, D-4370 Marl Dichte (20°C):Density (20 ° C): 1,029 kg/l1.029 kg / l Stockpunkt:Pour point: -35°C-35 ° C Pumpfähigkeit bis:Pumpability until: -14°C-14 ° C

Claims (8)

1. Verfahren zur Frostschutzsicherung von Solarkollektoren, bei denen als Wärmeträger Wasser verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Unterschreitung einer vorgegebenen Temperatur im Solarkollektor eine Flüssigkeit als Ersatz für das Wasser in den Wärmeträgerkreislauf des Solarkollektors gebracht wird, wobei die Flüssigkeit schwerer als Wasser, wasserunlöslich und frostsicher ist.1. A method for frost protection of solar collectors, in which water is used as a heat carrier, characterized in that, when falling below a predetermined temperature in the solar collector, a liquid is accommodated as a replacement for the water in the heat carrier circuit of the solar panel, wherein the liquid is heavier than water, water-insoluble and is frost-proof. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frostsichere Flüssigkeit bei Frostgefahr in den Wärmeträgerkreislauf des Solarkollektors durch Schwerkraft über ein temperaturgesteuertes Ventil eingebracht wird und bei höherer Außentemperatur durch nachfließendes Kaltwasser, das von einem temperaturgesteuerten Ventil freigegeben wird, aus dem Wärmeträgerkreislauf des Solarkollektors verdrängt wird.2. The method according to claim 1, characterized, that the frost-proof liquid at risk of frost in the Heat transfer circuit of the solar collector by gravity is introduced via a temperature-controlled valve and at higher outside temperature due to inflowing cold water, that released by a temperature controlled valve is displaced from the heat transfer circuit of the solar collector becomes. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die frostsichere Flüssigkeit zusammen mit dem Wärmeträger gespeichert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized, that the frost-proof liquid together with the heat transfer medium is stored. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die frostsichere Flüssigkeit in dem Wärmeträgerkreislauf hinein und aus ihm herausgepumpt wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized, that the frost-proof liquid in the heat transfer circuit pumped in and out of it.   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die frostsichere Flüssigkeit in einem eigenen Reservoir gespeichert wird.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized, that the frost-proof liquid in a separate reservoir is stored. 6. Vorrichtung zur Frostschutzsicherung von Solarkollektoren, bei denen als Wärmeträger Wasser verwendet wird und ein Wasserspeicher vorgesehen ist, nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Wasserzulauf (1) aus dem Wasserspeicher (5) in den Solarkollektor ein weiterer, am Boden des Wasserspeichers (5) befindlicher Zulauf (2) vorgesehen ist, sowie ein mit beiden Zuläufen (1, 2) verbundenes temperaturgesteuertes Ventil (4).6. A device for frost protection of solar panels, which is used as a heat transfer water and a water storage is provided, according to one of claims 1 to 5, characterized in that in addition to the water inlet ( 1 ) from the water reservoir ( 5 ) in the solar collector further, at the bottom of the water reservoir ( 5 ) befindlicher inlet ( 2 ) is provided, as well as with two inlets ( 1 , 2 ) connected temperature-controlled valve ( 4 ). 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Wasserzulaufes (1) im Wasserspeicher (5) oberhalb des Niveaus der frostsicheren Flüssigkeit (6) angeordnet ist, das sich einstellt, wenn sich die gesamte frostsichere Flüssigkeit (6) im Wasserspeicher (5) befindet.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that the opening of the water inlet ( 1 ) in the water reservoir ( 5 ) above the level of the frost-proof liquid ( 6 ) is arranged, which adjusts when the entire frost-proof liquid ( 6 ) in the water reservoir ( 5 ). 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Wasserspeicher (5) der Rücklauf (3) vom Solarkollektor in einem gelochten Einlaßrohr (7) mündet, dessen unterste Öffnung etwa oberhalb des Niveaus der frostsicheren Flüssigkeit (6) liegt, das sich einstellt, wenn sich die gesamte frostsichere Flüssigkeit (6) im Wasserspeicher (5) befindet.8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that in the water tank ( 5 ) of the return ( 3 ) from the solar collector in a perforated inlet pipe ( 7 ) opens, the lowermost opening is located approximately above the level of the frost-proof liquid ( 6 ) occurs when the entire frost-proof liquid ( 6 ) is in the water reservoir ( 5 ).
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