CH708152B1

CH708152B1 - Steuerverfahren zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe.

Info

Publication number: CH708152B1
Application number: CH01100/13A
Authority: CH
Inventors: Ernst Wilhelm Grüning Horst
Original assignee: Horst Grüning
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2017-09-15
Also published as: CH708152A1

Abstract

Ein Steuerverfahren zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe stellt der Wärmepumpe ein Schaltsignal zum Wechsel zwischen Betrieb und Anhalten, dessen Tastverhältnis durch ein erstes Ansteuersignal (211) bestimmt wird, sowie ein Analogsignal (511) zur Steuerung der Kompressorleistung so zur Verfügung, dass die Heizleistung in einem weiten Bereich einem Leistungsanforderungssignal (111) folgen kann. Die Wärmepumpe wird in einem ersten Teilbereich des Leistungsanforderungssignals (111) mit einem Tastverhältnis grösser 0% und kleiner 100% getaktet, während die Kompressorleistung der Wärmepumpe so gesteuert wird, dass die Wärmepumpe den maximalen COP-Wert liefert. In einem zweiten Teilbereich des Leistungsanforderungssignals (111) wird die Wärmepumpe dauerhaft in den eingeschalteten Zustand versetzt, während die Kompressorleistung der Wärmepumpe entsprechend der angeforderten Heizleistung erhöht wird. Das Steuerverfahren betreibt die Wärmepumpe somit so, dass unter jeder Betriebsbedingung der höchstmögliche COP-Wert erreicht wird und taktet sie unabhängig von äusseren Einflüssen mit vorgegebenem Taktmuster.

Description

Beschreibung Stand der Technik [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Steuerverfahren zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe, insbesondere einer Luft-Wasser-Inverter-Wärmepumpe.

[0002] Im Gegensatz zu herkömmlichen ungesteuerten Wärmepumpen zeichnen sich Inverter-Wärmepumpen durch eine Vorrichtung zur Reduktion der Kompressordrehzahl und folglich der Kompressorleistung aus. Mit der Reduktion der Kompressorleistung verringert sich die Ausgangsleistung der Wärmepumpe, so dass grundsätzlich eine Anpassung an den Heizbedarf des zu versorgenden Gebäudes möglich wird.

[0003] Bedingt durch die Wärmeverluste an die Umgebung steigt der Heizbedarf von Gebäuden mit sinkender Aussen-temperatur. Eine das Gebäude versorgende Wärmepumpe muss dann entsprechend eine höhere Heizleistung erbringen. Gleichzeitig steigt die Vorlauftemperatur im Heizsystem mit sinkender Aussentemperatur, so dass die Wärmepumpe einen grösseren Temperaturhub bewältigen muss. Luft-Wasser-Wärmepumpen beziehen die Quellenergie zudem aus der Umgebungsluft. Solche Wärmepumpen müssen deshalb einen beidseitig erhöhten Temperaturhub bewältigen.

[0004] Das Zusammentreffen von zu erbringender Heizleistung und Temperaturhub fordert die Dynamik des Kompressors in erheblichem Masse. Denn für eine unter allen jahreszeitlichen Bedingungen stabile Regelung muss die abgegebene Heizleistung etwa zwischen 10% und 100% der Nennleistung eingestellt werden können, während sich der Temperaturhub einer typischen Luft-Wasser-Wärmepumpe von beispielsweise 10K bei einer Aussentemperatur von 15 °C und 25 °C Vorlauftemperatur auf 50K bei einer Aussentemperatur von -15 °C und 35 °C Vorlauftemperatur erhöht. Zur vollständigen Anpassung müsste vom Kompressor also ein Dynamikbereich von ca. 1:50 erwartet werden. Die Mechanik der heute bekannten Kompressoren lässt jedoch einen solch grossen Dynamikbereich bei weitem nicht zu. Inverter-Wärmepumpen reduzieren deshalb die Kompressorleistung bei Bedarf typischerweise bis auf etwa 20% der Nennleistung, so dass der Grossteil der Dynamik durch Takten des Heizungsreglers realisiert werden muss.

[0005] Bedingt durch den geringen Komplexitätsgrad und die hohen Quelltemperaturen von Feuerungssystemen wurden zur Regelung während vieler Jahre Thermostaten eingesetzt. So erhielt das typische Heizsystem eine Zweipunktregler-Charakteristik, welche technologiebedingt inzwischen oftmals durch entsprechende elektronische Schaltungen realisiert wird.

[0006] Solche auf der Änderung der Temperatur basierende Zweipunktregler benötigen Wärmespeicher. Dann kann der Wärmeerzeuger Wärme liefern, und die Speichertemperatur erhöht sich langsam. Nach angemessener Laufzeit wird der Abschaltwert erreicht, der Erzeuger hält an, und der Speicher liefert fortan gespeicherte Wärme an das Heizsystem, bis der tiefer liegende Einschaltwert erreicht wird und der Erzeuger den Betrieb erneut aufnimmt.

[0007] In einem Zweipunkt geregelten System bestimmen somit Speichergrösse und Temperaturhub, also die Differenz zwischen Abschalttemperatur und Einschalttemperatur, die Lauf- und Pausenzeiten des Erzeugers. Während dadurch bei Öl- und Gasfeuerungen keine nennenswerten Nachteile entstehen, führt es bei Wärmepumpen entweder zu unnötig hohen Vorlauftemperaturen mit entsprechenden Verlusten in der Effizienz, zu ungewöhnlich grossem Speichervolumen oder zu recht empfindlichem Verhalten des Zweipunktreglers. Optimales Verhalten mit bestmöglichem Wirkungsgrad kann deshalb im praktischen Einsatz nur mit entsprechendem zeitlichem und finanziellem Aufwand erreicht werden.

[0008] Während Zweipunktregler auf das ständige Auf und Ab der Regelgrösse Temperatur angewiesen sind, vermögen die aufwändigeren Proportionalregler die Regelgrösse zeitlich konstant zu halten. Dazu aber erzeugt der Proportionalregler, ob nun in reiner Form oder mit den zusätzlichen Zweigen des PID-Reglers, im Gegensatz zum Zweipunktregler eine kontinuierlich verstellbare Stellgrösse, die mindestens den gesamten Regelbereich des Gesamtsystems umfassen muss. Der Wärmeerzeuger einer proportional geregelten Heizanlage muss somit in der Lage sein, eine solche Stellgrösse zu akzeptieren und entsprechend Wärme zu liefern. Wie oben ausgeführt bedingt das mindestens einen Stellbereich von 10% bis 100% der Nenn-Abgabeleistung, was insbesondere bei Luft-Wasser-Wärmepumpen wie beschrieben einen unrealistisch grossen Kompressor-Stellbereich von etwa 1:50 erfordert.

[0009] Ziel der Wärmepumpe ist es darüber hinaus, die benötigte Heizenergie unter möglichst geringem Einsatz von elektrischer Energie bereitzustellen. Im stationären Betrieb beschreibt der COP (coefficient of Performance) die Effizienz der Wärmepumpe. Da sich die Randbedingungen etwa periodisch im Jahresrhythmus ändern, dient die Jahresarbeitszahl JAZ, die durch Mittelung über den Zeitraum eines Jahres gebildet wird, als Qualitätsmerkmal für das gesamte Wärmepumpensystem.

[0010] Unter Teillastbetrieb ermöglichen Inverter-Wärmepumpen die Beeinflussung der Heizleistung sowohl durch Verstellung der Kompressorleistung als auch durch Veränderung der Ein- und Ausschaltdauern, also der Taktung. Unterschiedliche Wertepaare führen somit unter gegebenen Randbedingungen zwar zu gleicher Heizleistung - die Effizienz, also die Arbeitszahl solcher Wertepaare, kann sich jedoch erheblich unterscheiden. Die höchstmögliche Jahresarbeitszahl wird aber vom System nur erreicht, wenn in jedem Zeitbereich die bestmögliche Arbeitszahl eingestellt wird.

Zusammenfassung der Erfindung [0011] Aufgabe der Erfindung ist deshalb, ein Steuerverfahren zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe offen zu legen, durch das das Wertepaar aus Taktung und Kompressorleistung so eingestellt wird, dass in jedem Zeitbereich die unter den gegebenen Randbedingungen bestmögliche Arbeitszahl erreicht wird. Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen 2-7. Ein Steuerverfahren gemäss der vorliegenden Erfindung ermöglicht den Einsatz einer stabilen, in Inbetriebsetzung und Betrieb unkomplizierten Proportionalregelung, die die jahreszeitlichen Schwankungen gut meistert, und betreibt das Wärmepumpensystem im unter den jeweiligen Randbedingungen optimalen Arbeitspunkt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0012] Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, welche in den Zeichnungen dargestellt sind, näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1: das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung mit angeschlossener

Inverter-Wärmepumpe 9,

Fig. 2: das erste Ansteuersignal 211, das zweite Ansteuersignal 212 und das Analogansteuersignal 511 als

Funktion des Leistungsanforderungssignals 111,

Fig. 3a: die Ausgangsleistung und den COP einer Luft-Wasser-Wärmepumpe in Abhängigkeit vom Kompressor- ansteuersignal 902 bei einer Aussentemperatur von 10 °C,

Fig. 3b: die Ausgangsleistung und den COP einer Luft-Wasser-Wärmepumpe in Abhängigkeit vom Kompresso- ransteuersignal 902 bei einer Aussentemperatur von 0 °C,

Fig. 3c: die Ausgangsleistung und den COP einer Luft-Wasser-Wärmepumpe in Abhängigkeit vom Kompresso- ransteuersignal 902 bei einer Aussentemperatur von -10 °C,

Fig. 4a: das zur Erreichung des maximalen COP einzustellende Kompressoransteuersignal 902 einer Luft-Was ser-Wärmepumpe als Funktion der Aussentemperatur 401,

Fig. 4b: die Ausgangsleistung einer im COP-Maximum betriebenen Luft-Wasser-Wärmepumpe als Funktion der

Aussentemperatur 401,

Fig. 5: das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung mit angeschlossener

Inverter-Wärmepumpe 9 entsprechend einem dritten bevorzugten Steuerverfahren,

Fig. 6a: das zur Erreichung des maximalen COP einzustellende Kompressoransteuersignal 902 einer Luft-Was ser-Wärmepumpe als Funktion der Aussentemperatur für zwei verschiedene Vorlauftemperaturen,

Fig. 6b: die Ausgangsleistung einer im COP-Maximum betriebenen Luft-Wasser-Wärmepumpe als Funktion der

Aussentemperatur für zwei verschiedene Vorlauftemperaturen,

Fig. 7: das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung mit angeschlossener

Inverter-Wärmepumpe 9 entsprechend einem vierten bevorzugten Steuerverfahren,

Fig. 8: das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung mit angeschlossener

Inverter-Wärmepumpe 9 entsprechend einem fünften bevorzugten Steuererfahren,

Fig. 9a: das Blockdiagramm eines digitalen Tastverhältnisgenerators,

Fig. 9b: einen zeitlichen Verlauf des Leistungsanforderungssignals 111a,

Fig. 9c: einen zeitlichen Verlauf des Schaltsignals 331a,

Fig. 10a: einen zeitlichen Verlauf des Leistungsanforderungssignals 111b,

Fig. 10b: einen zeitlichen Verlauf des Schaltsignals 331b,

Fig. 11: das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung mit angeschlossener

Inverter-Wärmepumpe 9 entsprechend einem sechsten bevorzugten Steuerverfahren,

Fig. 12a: den zeitlichen Verlauf des Leistungsanforderungssignals 111b,

Fig. 12b: zeitliche Verläufe der Eingangssignale des Komparators 342,

Fig. 12c: einen zeitlichen Verlauf des Schaltsignals 351b,

Fig. 13a: einen zeitlichen Verlauf des Leistungsanforderungssignals 111c,

Fig. 13b: zeitliche Verläufe der Eingangssignale des Komparators 342,

Fig. 13c: einen zeitlichen Verlauf des Schaltsignals 351c,

Fig. 14: das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung mit angeschlossener

Inverter-Wärmepumpe 9 entsprechend einem siebten bevorzugten Steuerverfahren,

Fig. 15a: den zeitlichen Verlauf des Leistungsanforderungssignals 111c, Fig. 15b: zeitliche Verläufe der Eingangssignale des Komparators 362, Fig. 15c: einen zeitlichen Verlauf des Schaltsignals 371c.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung [0013] Erste bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens

Fig. 1 zeigt das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer ersten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens. Die Vorrichtung umfasst ein Modul zur Entgegennahme eines Leistungsanforderungssignales 1, einen Leistungsbereichsplitter 2, einen Tastverhältnisgenerator 3, einen Ansteuersignalgenerator 4 sowie einen Ansteuersignaladdierer 5. Zur Kenntlichmachung der Signal-Interfaces wurde zudem eine Wärmepumpe 9 mit in das Blockdiagramm aufgenommen.

[0014] Das Modul zur Entgegennahme eines Leistungsanforderungssignales 1 empfängt ein Analogsignal z.B. im Bereich von OV-10V von der Gebäudetemperaturregelung (nicht dargestellt). Ein solches Signal kann je nach Anwendung in unterschiedlicher Weise gebildet werden.

[0015] Eine herkömmliche Art Heizsystem bestimmt die Vorlauftemperatur im Heizkreis eines Gebäudes alleine aus der Temperatur der Gebäudeumgebung: Wird es draussen kälter, so wird eine höhere Vorlauftemperatur angefordert, wird es wärmer, so wird die Vorlauftemperatur reduziert.

[0016] Ist an einen solchen Heizkreis eine ungeregelte Flächenheizung wie z.B. eine Fussbodenheizung angeschlossen, so gibt diese auf Grund ihres Wärmeübergangswiderstandes eine Leistung ab, die der Vorlauftemperatur direkt proportional ist: p = (Tv - Tr) / Rth. Darin bezeichnet P die abgegebene Leistung, Tv die Vorlauftemperatur, Tr die Raumtemperatur und Rth den Wärmeübergangswiderstand der Flächenheizung. Ist jedoch eine Reihe von Radiatoren angeschlossen, so wird in der Regel die Vorlauftemperatur deutlich höher als für Flächenheizungen eingestellt, weil die Wärmeübergangswiderstände der Radiatoren wesentlich grösser sind. In dem Falle wird in den meisten Fällen jedem Radiator ein Thermostatventil vorgeschaltet, so dass der Wert der Raumtemperatur darüber direkt geregelt werden kann. Die Aufgabe des Heizsystems ist in dem Falle, genügend Leistung bereitzustellen, um die Vorlauftemperatur auf dem gewünschten Niveau zu halten.

[0017] Eine andere Art Heizsystem wird einzig durch einen Innenraumthermostaten gesteuert. In solch einem System bestimmt die Abweichung vom Sollwert der Temperatur am Ort des Thermostaten, ob die Heizung ein- oder ausgeschaltet wird. Es entsteht eine Taktung - unterschreitet die Temperatur am Ort des Thermostaten den Sollwert, so schaltet die Heizung ein. Dann steigt die Temperatur. Sobald der obere Sollwert überschritten wird, wird die Heizung abgeschaltet, so dass die Temperatur wieder sinkt. Sobald der untere Sollwert unterschritten wird, wird sodann die Heizung wieder eingeschaltet. Im Mittel erreicht die Heizleistung somit den Wert, der zur Kompensation der Gebäudeverluste erforderlich ist.

[0018] Ein Leistungsanforderungssignal kann also bei Vorliegen einer Flächenheizung z.B. aus Vorlaufsolltemperatur Tv, der Raumtemperatur Tr und dem Wärmeübergangswiderstand Rth der Flächenheizung gemäss P = (Tv - Tr) / Rth gebildet werden. Bei Vorliegen einer Thermostatregelung hingegen reicht es aus, das entsprechende Leistungsanforderungssignal proportional zum Wert der Abweichung der Innenraumtemperatur von der Solltemperatur zu bilden, gemäss P = k x (Ti - Ts), worin die Proportionalitätskonstante k die Verstärkung im Regelkreis, Ti die Innenraumtemperatur und Ts die Solltemperatur bezeichnet. Eine Thermostatregelung bildet einen geschlossenen Regelkreis und erfordert deshalb keine Kenntnis des Wertes der Ausgangsleistung der Wärmepumpe.

[0019] Gemäss der ersten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens wird ein in einer solchen oder ähnlichen Art gebildetes Leistungsanforderungssignal vom Modul zur Entgegennahme eines Leistungsanforderungssignales 1 an den Leistungsbereichssplitter 2 übergeben. Der Leistungsbereichssplitter 2 erzeugt ein erstes Ansteuersignal 211, das dem Tastverhältnisgenerator 3 zugeführt wird. Dieser erzeugt daraufhin ein Schaltsignal 311 mit einem entsprechenden Tastverhältnis, welches er dem Schalteingang 901 der Wärmepumpe zuführt. Der Leistungsbereichssplitter 2 erzeugt zudem ein zweites Ansteuersignal 212, das dem Ansteuersignaladdierer 5 zugeführt wird. In dem dargestellten Beispiel einer ersten bevorzugten Ausführung wird das erste Ansteuersignal 211 gebildet durch Multiplikation des Leistungsanforderungssignals 111 mit dem Faktor 2 und Begrenzung des Resultates auf 100%. Das zweite Ansteuersignal 212 wird gebildet durch Abzug von 50% vom Leistungsanforderungssignal 111, Begrenzung des Resultates auf positive Werte sowie nachfolgende Multiplikation mit dem Faktor 2. Auf diese Weise ergeben sich die in Fig. 2a, 2b gezeigten Signalverläufe.

[0020] Gemäss Fig. 1 erhält der Ansteuersignaladdierer 5 ein drittes Ansteuersignal 411 vom Ansteuersignalgenerator 4. Dieses Signal ist unabhängig vom Leistungsanforderungssignal 111. Im Bereich 1111 des Leistungsanforderungssi-gnales 111 von 0%-50%, in dem das zweite Ansteuersignal 212 bei 0 verharrt, wird es unverändert auf den Ausgang (Analogansteuersignal 511) übertragen, von wo aus es den Analogeingang 902 der Wärmepumpe 9 zur Steuerung der Kompressorleistung erreicht.

[0021] Das Leistungsanforderungssignal wirkt somit in folgender Weise auf die Wärmepumpe: Im Bereich 1111 von 0%-50% wird die Wärmepumpe über den Schalteingang 901 getaktet, wobei das Tastverhältnis den Bereich von 0%-100% überstreicht. Der Analogeingang 902 der Wärmepumpe erhält währenddessen das Signal 411 des Ansteuersignalgenerators 4. Im Bereich 1112 von 50%-100% des Leistungsanforderungssignals 111 verharrt das Tastverhältnis am Schalteingang 901 der Wärmepumpe bei 100% - die Wärmepumpe wird somit im Dauerbetrieb betrieben. Mit steigendem Leistungsanforderungssignal 111 liefert hingegen der Ansteuersignaladdierer 5 steigende Werte, so dass die Kompressorleistung dem Analogansteuersignal 511 bis auf 100% folgt.

[0022] Im Bereich 1112 oberhalb von 50% des Leistungsanforderungssignals läuft die Wärmepumpe somit kompressorleistungsgesteuert. In diesem Bereich gleicht der Betrieb deshalb dem bisher bekannten.

[0023] Im Bereich 1111 unterhalb von 50% des Leistungsanforderungssignals wird die Wärmepumpe getaktet. Dabei ist das Taktmuster fest vorgegeben, es kann weder von den Eigenschaften des Gebäudes noch von der Witterung beeinflusst werden. Der Ansteuersignalgenerator 4 liefert währenddessen ein Signal zur Steuerung der Kompressorleistung, das die Wärmepumpe im COP-Maximum betreibt. Programmierung und Wirkungsweise des Ansteuersignalgenerators 4 werden im Folgenden erläutert.

[0024] Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsleistung und des COP einer Luft-Wasser-Wärmepumpe vom Kompres-soransteuersignal 902 der Wärmepumpe bei einer Aussentemperatur von a) 10 °C, b) 0 °C und c) -10 °C, wie sie z.B. in einem Laborversuch bestimmt werden können. Zwar nimmt die Ausgangsleistung bei jeder Aussentemperatur monoton mit dem Kompressoransteuersignal 902 zu, der COP aber durchläuft jeweils ein ausgeprägtes Maximum (markiert durch die Arbeitspunkte 931, 932, 933). Bei den verschiedenen Aussentemperaturen liegen diese Arbeitspunkte zur Erreichung des maximalen COP bei unterschiedlicher Kompressorleistung, und entsprechend variiert die zugehörige Ausgangsleistung am jeweiligen Arbeitspunkt mit maximalen COP (markiert durch die Punkte 941, 942, 943).

[0025] Die Abhängigkeit des COP dieser beispielhaften Luft-Wasser-Wärmepumpe vom Kompressoransteuersignal 902 verläuft in weitem Bereich nicht sehr steil.

[0026] Infolgedessen kann ein Kompromisswert für das Kompressoransteuersignal so gefunden werden, dass die Wärmepumpe darunter hohe COP-Werte im gesamten Arbeitsbereich der Aussentemperaturen erzielt. Der Wert liegt für diese Wärmepumpe bei ca. 60%. Der Ansteuersignalgenerator 4 wird für diese beispielhafte Wärmepumpe deshalb auf ein Ausgangssignal von 60% eingestellt.

[0027] Eine Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend der ersten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung realisiert einen weiten Leistungsstellbereich von 0%-100% der nominalen Heizleistung. Sie betreibt die Wärmepumpe so, dass in weitem Bereich ein hoher COP erreicht wird und taktet unabhängig von äusseren Einflüssen mit vorgegebenem Taktmuster.

[0028] Zweite bevorzugte Ausführung des Steuerverfahrens

Fig. 4 fasst die Ergebnisse von Fig. 3a-e graphisch zusammen: Fig. 4a zeigt das Kompressoransteuersignal 902 am Arbeitspunkt mit maximalen COP als Funktion der Aussentemperatur 401; Fig. 4b zeigt die Ausgangsleistung am Arbeitspunkt mit maximalen COP bei der jeweiligen Aussentemperatur 401. Fig. 4a bildet die Grundlage für Programmierung eines Ansteuersignalgenerators 4, der der Aussentemperatur folgen kann: Er wird in an sich bekannter Art so ausgelegt, dass er die gezeigte Abhängigkeit nachbildet.

[0029] Eine Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend der zweiten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung betreibt die Wärmepumpe so, dass bei jeder Aussentemperatur der maximale COP erreicht wird.

[0030] Dritte bevorzugte Ausführung

Fig. 5 zeigt das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe nach einer dritten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung umfasst ein Modul zur Entgegennahme eines Leistungsanforderungssignales 1, einen Leistungsbereichssplitter 2, einen Tastverhältnisgenerator 3, einen Ansteuersignaladdierer 5 sowie einen Ansteuersignalgenerator 42 mit einem Signaleingang für die Aussentemperatur 421 und einem Signaleingang für die Vorlauftemperatur 422 des Heizsystems.

[0031] Insbesondere bei grösseren Änderungen der Vorlauftemperatur, wie sie z.B. in Heizsystemen mit angeschlossener Brauchwassererwärmung beim Umschalten von Heizbetrieb auf Wassererwärmung zu beobachten sind, kann es zu einer signifikanten Verschiebung der Lage des Arbeitspunktes mit maximalem COP kommen. Unter solchen Bedingungen ist es deshalb zum durchgehenden Betrieb an diesem Arbeitspunkt notwendig, auch die Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur mitzuberücksichtigen.

[0032] Fig. 6 zeigt das Ergebnis einer entsprechenden Messreihe für zwei unterschiedliche Vorlauftemperaturen. Diese Abhängigkeiten werden im Ansteuersignalgenerator 42 hinterlegt. Der Ansteuersignalgenerator 42 stellt danach das Signal 431 entsprechend den Parametern Aussentemperatur und Vorlauftemperatur ein.

[0033] Eine Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer dritten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung betreibt die Wärmepumpe mit maximalem COP auch dann, wenn sehr unterschiedliche Vorlauftemperaturen eingestellt werden müssen.

[0034] Vierte bevorzugte Ausführung

Fig. 7 zeigt das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe nach einer vierten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung. Das Leistungsanforderungssignal wird dem positiven Eingang 601 des Differenzverstärkers 6 übergeben. Aus den Werten Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur und Durchfluss am Ausgang der Wärmepumpe wird die Heizleistung bestimmt und dem negativen Eingang 602 des Differenzverstärkers zugeführt, dessen Resultat 611 in bekannter Weise durch den Leistungsbereichssplitter 2 und die weiteren Blöcke 3 und 5 verarbeitet wird. In dieser Weise wird ein Leistungs-Regelkreis geschlossen, durch den die Heizleistung 602 direkt proportional zum Leistungsanforderungssignal 111 eingestellt wird.

[0035] Eine Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer vierten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung stellt die Heizleistung direkt proportional zum Leistungsanforderungssignal ein. Sie ist damit insbesondere geeignet für gesteuerte Heizsysteme, die eine präzise Vorgabe der Heizleistung benötigen.

[0036] Fünfte bevorzugte Ausführung

Fig. 8 zeigt das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe nach einer fünften bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung. Das Modul zur Entgegennahme eines Temperaturanforderungssignals 12 übergibt das Temperaturanforderungssignal 131 an den positiven Eingang 621 des Differenzverstärkers 62. Aus dem Wert der Vorlauftemperatur am Ausgang der Wärmepumpe wird der zeitliche Mittelwert der Vorlauftemperatur bestimmt und dem negativen Eingang 622 des Differenzverstärkers 62 zugeführt, dessen Resultat 631 in bekannter Weise durch den Leistungsbereichssplitter 2 und die weiteren Blöcke 3 und 5 verarbeitet wird. In dieser Weise wird ein Leistungs-Regelkreis geschlossen, durch den der zeitliche Mittelwert der Vorlauftemperatur 622 direkt proportional zum Temperaturanforderungssignal 131 eingestellt wird.

[0037] Eine Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer fünften bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung stellt den zeitlichen Mittelwert der Vorlauftemperatur direkt proportional zu einem Temperaturanforderungssignal ein. Sie ist damit insbesondere geeignet für gesteuerte Heizsysteme, die eine präzise Vorgabe der Vorlauftemperatur benötigen.

[0038] Sechste bevorzugte Ausführung

Fig. 9a zeigt das Blockdiagramm eines digitalen Tastverhältnisgenerators 32. Im digitalen Tastverhältnisgenerator 32 wird das Schaltsignal 331a durch die Blöcke 321, 322 und 323 wie folgt gebildet: Speicher 321 hält den Wert des ersten Ansteuersignals 211 in dem Zeitpunkt fest, in dem er ein Triggersignal an seinem Eingang 3212 erhält. Sodann übergibt er den Wert 3213 an den Tastverhältnisrechner 322, welcher danach eine Einschaltdauer tein und eine Ausschaltdauer taus so berechnet, dass tein / taus = Wert (3213) ist. Der Tastverhältnisrechner 322 übergibt die Werte für tein und taus sodann an den Pulsgenerator 323, der einen entsprechenden Einzelpuls erzeugt, welchen er an den Ausgang 3231 zur Bildung des Schaltsignals 331a übergibt. Nach dem Ende des Einzelpulses sendet der Pulsgenerator 323 zudem einen Triggerpuls auf den Ausgang 3232 zur erneuten Triggerung des Speichers 321.

[0039] Fig. 9b zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Leistungsanforderungssignals 111 a in einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe nach der ersten bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung über einen Zeitraum von ca. 5 Stunden: Bis zum Zeitpunkt t = tc = 2h liegt das Leistungsanforderungssignal konstant bei 10%; danach steigt es stetig an und erreicht bei t = t3 einen Wert von 40%.

[0040] Entsprechend diesem Wertebereich liefert der Leistungsbereichssplitter 2 das Doppelte dieser Werte als erstes Ansteuersignal 211 an den digitalen Tastverhältnisgenerator 32.

[0041] Aufgrund des beispielhaften Verlaufs eines Leistungsansteuerungssignals 111a gemäss Fig. 9b wird somit der beispielhafte Verlauf des Schaltsignals 331a gebildet: Zum Zeitpunkt t = tO ist der Wert (111a) = 10%. Das Tastverhältnis wird somit auf 20% eingestellt, und ein Puls mit taus = 80% und tein = 20% wird gebildet. Zum Zeitpunkt t - t1 ist der Wert (111a) = 10%. Folglich wird ein ebensolcher Puls gebildet. Zum Zeitpunkt t = t2 ist der Wert (111a) = 17,5%. Der nächste Puls erhält somit taus = 65% und tein = 35%. Zum Zeitpunkt t = t3 ist der Wert (111 a) = 40%. Der folgende Puls erhält somit taus = 20% und tein = 80%.

[0042] Fig. 10a zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf eines Leistungsanforderungssignals 111b. Dieses Signal ist bis zum Zeitpunkt t = tcb ebenfalls konstant bei 10%, steigt sodann aber steiler an als das Leistungsansteuerungssignal 111a und erreicht zum Zeitpunkt t = t21 den Wert von 50%. Im digitalen Tastverhältnisgenerator 32 wird nach dem beschriebenen Verfahren das Schaltsignal 331b gebildet. Es ist in Fig. 10b dargestellt.

[0043] Darin sind die Pulse nach t = tO und t = t1 gleich wie im Schaltsignal 331a. Auch der Puls bei t = t2 wird mit gleichen Werten gebildet: taus = 65% und tein = 35%. Während dieser Einzelpuls läuft, erreicht das Leistungsansteuerungssignal 111b bei t = t21 jedoch den Wert von 50%; der Eingang 3211 des Speichers 321 erhält somit den Wert 100%. Dennoch läuft der Einzelpuls unbeeinflusst weiter, bis zum Zeitpunkt t = t3 die nächste Triggerung erfolgt. In der Folge verbleibt das Schaltsignal 331b für eine Zeitspanne nach t = t21 im Zustand «Aus», obwohl das Leistungsansteuerungssignal 111b den Zustand «Ein» erfordern würde.

[0044] Fig. 11 zeigt das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer sechsten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung. Der Tastverhältnisgenerator wird darin gebildet durch einen analogen Sinus-Dreieck-PWM-Generator 34, der einen Sägezahngenerator 341 und einen Komparator 342 umfasst und das Schaltsignal 351 erzeugt.

[0045] Das Leistungsanforderungssignal 111b ist der besseren Übersichtlichkeit halber in Fig. 12a erneut wiedergegeben. Fig. 12b zeigt die Signale 3421b und 3422 an den Komparatoreingängen des analogen Sinus-Dreieck-PWM-Generators 34, und Fig. 12c zeigt das erzeugte Schaltsignal 351b. Die Zeitpunkte tO, t1, t2 und t3 und t21 liegen gleich wie in Fig. 10.

[0046] Am positiven Komparatoreingang 3421 erscheint das Signal 3421b, welches durch Multiplikation mit dem Faktor 2 aus dem Leistungsanforderungssignal 111b erzeugt wurde (gestrichelte Linie in Fig. 12b). Die Frequenz des Sägezahngenerators 341 ist auf den gleichen Wert wie die des digitalen Tastverhältnisgenerators 32 eingestellt. Das Signal des Sägezahngenerators 341 wird dem negativen Komparatoreingang 3422 zugeführt (durchgezogene Linie in Fig. 12b). Der Ausgang des Komparators liefert das Schaltsignal 351b. Es ist in Fig. 12c dargestellt.

[0047] Der Komparator 342 vergleicht kontinuierlich die Signalwerte an seinen Eingängen. In der Folge erzeugt er ein Schaltsignal 351b, das unmittelbar auf die Änderung des Leistungsanforderungssignals 111b reagiert. Im Unterschied zum Schaltsignal 331b wechselt das Schaltsignal 351b deshalb verzögerungsfrei in den «Ein»-Zustand.

[0048] An dieser Stelle wird ausdrücklich vermerkt, dass nicht die Ausführungsform, analog versus digital, Schlüssel zum Erreichen der Verbesserung ist, sondern das kontinuierliche Überprüfen des Tastverhältnisanforderungssignals 3421 am positiven Eingang des Komparators 342. Eine Digitalschaltung, die eine solche Überprüfung vornimmt, kann deshalb vollumfänglich an die Stelle des hier beispielhaft genannten analogen Sinus-Dreieck-PWM-Generators treten. Darüber hinaus ist aus der in Fig. 10 dargestellten Zeitachse und den Abläufen ersichtlich, dass auch eine weniger häufige Überprüfung wie z.B. 5-mal in jeder Periode des hier vom Sägezahngenerator 341 vorgegebenen Basistaktes zu gleichwertigen Resultaten führt. Vorrichtungen mit solchen Merkmalen werden deshalb ausdrücklich mit dem oben dargelegten Beispiel gleichgesetzt.

[0049] Eine Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer sechsten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung versetzt die Wärmepumpe verzögerungsarm in den eingeschalteten Dauerzustand, wenn das Leistungsanforderungssignal Werte über 50% annimmt.

[0050] Siebte bevorzugte Ausführung

Fig. 13a zeigt den zeitlichen Verlauf eines Leistungsansteuerungssignals 111c in einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe, dessen Wert von anfänglich 10% auf 25% zum Zeitpunkt t = t21 wechselt. Die Signale 3422 und 3421c an den Komparatoreingängen sind in Fig. 13b dargestellt. Fig. 13c zeigt das resultierende Schaltsignal 351c.

[0051] In Fig. 13b sind weiterhin beispielhaft die Signalflanken 3421d und 3421e eingetragen. Auch wenn die Flanke des Signals 3421c auf eine dieser beiden Positionen verschoben würde, würde daraus unverändert das Schaltsignal 351c resultieren. Ein durch einen analogen Sinus-Dreieck-PWM-Generator 34 gebildeter Tastverhältnisgenerator besitzt deshalb ein entsprechendes Spiel.

[0052] Fig. 14 zeigt das Blockdiagramm einer Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer siebten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung. Der Tastverhältnisgenerator 36 umfasst einen Sägezahngenerator 361 mit Frequenzumschalteingang 3611, einen Komparator 362, einen Differenzierer 363, einen Absolutwertbildner 364 sowie einen Level ko mparator 365. Er erzeugt das Schaltsignal 371.

[0053] Fig. 15b und Fig. 15c zeigen Signale, die auf der Basis des Leistungsansteuerungssignals 111c in Fig. 15a erzeugt werden. Fig. 15b zeigt das Signal 3621c am positiven Eingang des Komparators 362 und das Signal 3622 am negativen Eingang des Komparators 362, Fig. 15c zeigt das Schaltsignal 371c.

[0054] Von t = tO bis t = t21a wird das Leistungsansteuerungssignal 111c nicht verändert. Folglich liefert der Differenzierer 363 ein Ausgangssignal «Null», der Absolutwertbildner 364 folgt dem und der Levelkomparator 365 erkennt auf «Low». In der Folge läuft der Sägezahngenerator 361 mit der gleichen Frequenz wie der Sägezahngenerator 341, und die Signale an den Eingängen 3621 und 3622 sowie das Schaltsignal 371 zeigen den gleichen zeitlichen Verlauf wie in Fig. 13.

[0055] Nach dem Zeitpunkt t = t21 a steigt der Wert des Leistungsansteuerungssignals 111c. Der Differenzierer 363 liefert folglich ein Ausgangssignal grösser Null, der Absolutwertbildner 364 bildet daraus ein positives Ausgangssignal und der Levelkomparator 365 erkennt auf «High». Damit wird der Sägezahngenerator 361 auf eine höhere Frequenz geschaltet,

Claims

so dass die Pulse des Schaltsignales 371c in dichterer Folge erzeugt werden. Das Schaltsignal 371c kann deshalb besser der Änderung des Leistungsansteuerungssignals 111c folgen. [0056] Unterschiedliche Verfahren können angewendet werden, um die Frequenz nach einem solchen Ereignis wieder auf den niedrigeren Ausgangswert zurückzubringen. So kann die Frequenz natürlich nach Ablauf einer gewissen Zeitdauer wie z.B. einer oder zweier Pulsperioden abrupt zurückgeschaltet werden. Soll ein sanfterer Übergang erreicht werden, so kann die Frequenz auch wie beispielhaft in Fig. 15c dargestellt kontinuierlich reduziert werden. Ebenso kann die Frequenzerhöhung im Zeitpunkt t = t21 nicht in Form einer einzigen Stufe, sondern mit mehreren Stufen oder sogar stufenlos vorgenommen und in ihrer Grösse an die Änderungsgeschwindigkeit des Leistungsansteuerungssignals 111c gekoppelt werden. [0057] Eine Vorrichtung zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe entsprechend einer siebten bevorzugten Ausführung des Steuerverfahrens der vorliegenden Erfindung vermag die Heizleistung einer Wärmepumpe zeitlichen Änderungen des Leistungsansteuerungssignals in besonderer Weise nachzuführen. Eine solche Vorrichtung ist deshalb in besonderer Weise für dynamische Heizungsregelungen geeignet. Patentansprüche

1. Verfahren zur stufenlosen Einstellung der Heizleistung einer Inverter-Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass - der Bereich der angeforderten Heizleistung in einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich geteilt wird, - die Wärmepumpe in dem ersten Teilbereich mit einem Tastverhältnis grösser als 0% und kleiner als 100% getaktet wird, währenddessen die Kompressorleistung der Wärmepumpe so eingestellt wird, dass die Wärmepumpe den maximalen COP erreicht und - die Wärmepumpe in dem zweiten Teilbereich dauerhaft eingeschaltet wird, währenddessen die Kompressorleistung so eingestellt wird, dass die Wärmepumpe eine angeforderte Ausgangsleistung erbringt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Kompressorleistung in dem ersten Teilbereich in Abhängigkeit der Aussenlufttemperatur gesteuert wird, dass die Wärmepumpe bei jeder Aussenlufttem-peratur den maximalen COP erbringt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Kompressorleistung in dem ersten Teilbereich in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur gesteuert wird, dass die Wärmepumpe bei jeder Vorlauftemperatur den maximalen COP erbringt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung der Kompressorleistung in dem ersten Teilbereich in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur und der Aussenlufttemperatur gesteuert wird, dass die Wärmepumpe bei jeder Kombination von der Aussenlufttemperatur und der Vorlauftemperatur den maximalen COP erbringt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Wärmepumpe durch zeitliche Mittelung der Ausgangsleistung ermittelt und einem Regelkreis zugeführt wird, der die Heizleistung dem Wert eines Leistungsanforderungssignals nachführt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Wärmepumpe erbrachte zeitliche Mittelwert der Vorlauftemperatur ermittelt und einem Regelkreis zugeführt wird, der den zeitlichen Mittelwert der Vorlauftemperatur dem Wert eines Temperaturanforderungssignals nachführt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert der angeforderten Heizleistung in dem ersten Teilbereich häufiger als 4-mal während eines Einzeltaktes mit einem Tastverhältnis grösser als 0% und kleiner als 100% überprüft wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer der Einzeltakte mit einem Tastverhältnis grösser als 0% und kleiner als 100% in dem ersten Teilbereich verkürzt wird, sobald sich der Wert der angeforderten Heizleistung ändert.