DD285524A7 - Regelschaltung einer waermepumpenanlage zur beheizung und bzw. oder warmwasserbereitung - Google Patents

Abstract

Die erfindungsgemaesze Regelschaltung ist in allen Waermepumpenanlagen, die zur Beheizung und bzw. oder Warmwasserbereitung dienen, zur Regelung eines kontinuierlichen Betriebsablaufes mit hoher energetischer Effektivitaet innerhalb der Grenzparameter der Waermepumpe einsetzbar. Vorausgesetzt wird fuer den Einsatz der Erfindung eine serienmaeszige Ausstattung der Waermepumpe mit einer Steuerungsanlage, welche diese zum Schutz gegen UEber- und Unterdruck des Kaeltemittels abschaltet und nur manuell entsperrt werden kann. Auf der Grundlage des Temperatur-Zeit-Verhaltens der gesamten Anlage, unter hinzuziehen der dem Heizkreis der Waermepumpe nachgeschalteten Abnehmer, der Abhaengigkeit der Vor- und Ruecklauftemperaturen, vom Druck des Kaeltemittels und bzw. oder Rangfolge der einzelnen Heizkreise, werden mittels Temperaturregler und el. betaetigbarer Schaltglieder ein Erreichen der Extremwerte "UEber- bzw. Unterdruck" und ein Systemleerlauf mit negativem energetischem Effekt ausgeschlossen und die Heizleistung der Waermepumpe auf die Heizkreise verteilt. Zur Festlegung der Rangfolge der Heizleistung und zur Erlangung einer hohen energetischen Effektivitaet sind eine Tolerierung des Waermebedarfs je Heizkreis und eine erprobungsgemaesze Abstufung der Schaltpunkte unter Beruecksichtigung des Waermeuebergangs erforderlich. Die Anforderung und Verknuepfung der Meszwertgeber und Schaltglieder sind in den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt.

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Regelschaltung für eine Wärmepumpenanlage zur Beheizung und bzw. oder Warmwasserbereitung. Sie kann in allen Heizungsanlagen mit Wärmepumpen eingesetzt worden, in denen ein Betrieb innerhalb der serienmäßig, durch Schutzeinrichtungen gesicherten, eingestellten Grenzparameter und bzw. oder eine hohe energetische Effektivität des Systems, Wärmepumpe mit dem des Heizkreises nachgeschalteten Abnehmer, erreicht werden sollen. Weiterhin ist ein Einsatz in Anlagen möglich, in denen die Heizlast höher ist als die Heizleistung. In diesem Fall ist jedoch eine Tolerierung des Wärmebedarfs bei Eintreten extrem kalter Außentemperaturen erforderlich.

Charakteristik des bekannten Standet der Technik

Die schaltungstechnische Ausstattung serienmäßig gefertigter Wärmepumpen umfaßt einen Schutz dieser Pumpe hinsichtlich des Über- und bzw. oder Unterdruckes. Beim Ansprechen einer dieser Schutzeinrichtungen schaltet sich die Pumpe selbständig ab. Eine Wiederinbetriebsetzung hat von Hand zu erfolgen. Zur automatischen Steuerung ist der Anschluß eines Thermostaten vorgesehen, welcher in Abhängigkeit der Vor- oder Rücklauftemperatur der Heizungsanlage die Wärmepumpe ein- bzw. ausschaltet. Die sich aus der schaltungstechnischen Ausstattung ergebenden Betriebsvarianten haben bezüglich eines kontinuierlichen Betriebsablaufes und der Erreichung einer hohen energ. Effektivität erhebliche Mängel. Bei einem Betrieb ohne Thermostat schaltet sich die Wärmepumpe ab, wenn der eingestellte Überdruck, hervorgerufen durch zu geringe Heizlast, oder der Unterdruck, hervorgerufen durch zu hohe Heizlast erreicht werden. In beiden Fällen muß die Anlage manuell wiader eingeschalten werden.

Wird der Anschluß eines Thermostaten vorgesehen, welcher in Abhängigkeit der Vorlauftemperatur schaltet, wird die Wärmepumpe vor dem Erreichen des Schaltpunktes für den Überdruck abgeschaltet. Diese Steuerungsvariante gewährleistet einer unterbrechungsfreien Betrieb nur, solange sich das Temperaturgefälle zwischen Heizkreis und dem diesen nachgeschalteten Abnehmer solche Dimensionen annimmt, daß die durch dasTemperaturgefälle beeinflußte Heizlast maximal der Heizleistung der Wärmepumpe entspricht. Die Änderung der Heizlast ist proportional abhängig vom Temperaturgefälle. Die energetische Effektivität einer Wärr.iepumpenanlage ist nur solange gngeben, solange der Wärmeaustausch zwischen Heizkreis der Wärmopumpe und dem diesen nachgeschalteten Abnehmer leistungsmäßig größer ist, als die Summe aller elektr. Aggregate des Systems. Die Temperatur-Zeit-Verläufe des Heizkreises und der diesem nachgeschalteten Abnehmer sind nicht identisch. Eine derartige Schaltung für den Fall des Erreichens des Schaltpunktes für den Unterdruck ist damit jedoch nicht gegeben. Des weiteren führt das rasche A bsinken der Vorlauftemperatur zu einer Schalthäufigkeit, welche auf einen geringen Wärmeaustausch schlinßen läßt.

Soll der vorhandene Anschluß eines Termostaten für die Schaltung in Abhängigkeit der Rücklauftcmperatur erfolgen, ist eine Abschaltung bei Erreichen des Schaltpunktes für den Überdruck nicht ausgeschlossen, und es ist eine manuelle Wiedereinschaltung erforderlich.

Da in Heizungs- und bzw. oder Warmwasserbereitungsanlagen, welche mittels Wärmepumpe betriehen werden, durch den Abnehmer im Laufe eines Jahres beide Grenzparameter erreicht worden können, der Wärmeübergang in diesem Bereich selten Idealbedingungen annimmt, ist ein Betreiben der Wärmepumpe mit vorgenannten Möglichkeiten ohne Schutzabschaltung und Minderung der energ. Effektivität nicht möglich.

-2- 28B524

Ziel der Erfindung

Die Erfindung bezweckt eine starke Minlmlorung der Kontroll-, Überwachungs- ¹Jnd Bedientätigkeit sowie die Erlangung einer hohen energetischen Effektivität des Systems Wärmepumpe mit deren nachgeschaltetem Abnehmer. Durch dia Anwendung der Erfindung sollen speziell folgende Mängel abgebaut werden:

- Abschaltung der Wärmepumpe durch die Schutzeinrichtungen, ohne daß ein Defekt vorliegt

- Betrieb der Wärmepumpe mit uneffektiver Energieausnutzung im Gesamtsystem.

Darlegung des Wesens der Erfindung Die technischen Ursachen für einen diskontinuierlichen Betriebsablauf und eine geringe energetische Effektivität liegen in der

unzureichenden Durchdringung des Gesamtsystems bei der Erarbeitung der Steuerungs- und Regelungsanlage. Sie beruhthauptsächlich auf dem Abschalten der Anlage bei Erreichen der Vorlauftemperatur des Heizkroises bzw. bei Erreichen eines

Ansprechpunktes der Schutzeinrichtungen und dem damit verbundenen uneffektiven Betrieb und des manuellen Aufwandes zur Bedienung der Anlage. Eine geringe energ. Effektivität wird erreicht, wenn die Heizlast kleiner ist als die Heizleistung der Wärmepumpe. Dies trifft am

häufigsten bei der Warmwasserbereitung zu. Technische Ursache hierfür ist die Verschlechterung des Wärmeübergangs beikleiner werdender Temperaturdifferenz zwischen Vorlauftemperatur des Heizkreises und der Ladetemperatur des Boilers sowiedes dadurch bedingten schnellen Wechselns der Vorlauftemperatur mit verbundener Schalthäufigkeit.

Zu einem Stillstand der Anlage kommt es ebenfalls, wenn durch erhöhtes Temperaturgefälle zwischen Heizkreislauf und der

diesem nachgeschalteten Abnehmer die Heizlast größer wird als die Heizleistung und in denn Folge die Rücklauftemperatur biszum Ansprechpunkt der Schutzeinrichtung absinkt.

Erfindungsgemäß werden zur Sicherung des Zieles der Erfindung die Überwachung der Vor- und Rücklauftemperaturen, sowie

der dem Heizkreis der Wärmepumpe nachgeordneten Abnehmertamperaturer. zur Regelung der Anlage genutzt. Hierzu sindnachfolgende Betriebsvarianten durch die zwingende Verkettung der benannten Regelgrößen möglich.

Bei einer Wärmepumpenanlage, bei der die Heizlast max. die Heizleistung der Wärmepumpe erreichen kann, sind die Vorlauftemperatur und die Temperatur des dem Heizkreis nachgeschalteten Heizkreises für die Regelung ausreichend. Kann die Heizleistung in einer Wärmepumpenanlage überschritten werden, ist die Anlage in Heizkreise aufzuteilen, und die

zusätzliche Einbeziehung der Rücklauftemperatur für die Regelung ist erforderlich. Die Absperrglieder der Heizkreisa müssendurch die Regelschaltung betätigbar sein.

Die Einstellung der Regelgrößen der Temperaturregler ist bei beiden Betriebsvarianten wie folgt vorzunehmen: Der Schaltpunkt des Vorlauftemperaturreglers ist so zu wählen, daß die Wärmepumpe vor Erreichen der Sicherheitseinrichtung, Überdruck, abschaltet. Zur Vermeidung des Ansprechens der Sicherheitseinrichtung, Unterdruck, ist der Schaltpunkt des Rücklauftemperaturreglers entsprechend zu wählen. Die Regeleinrichtung, der dem Heizkreis der Wärmepumpe nachgeordneten Abnehmer, sind bei Raumbeheizung auf

gewünschte Raumtemperatur und bei Warmwasserbereitung auf effektive Brauchwasserbereitung einzustellen. Eine effektive

Brauchwasserbereitung ist gegeben, wenn das eingestellte Temperaturgefälle (eingestellter Schaltpunkt der Vorlauftemperatur

- eingestellte Brauchwassortemperatur) über die im Wärmeaustauscher installierte Heizfläche einen Energieübergang gewährleistet, welcher größer ist als die aufgewandte elektrische Energie des Heizungssystems.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden (siehe Fig.1 und 2).

Fig. 1: Prinzipdarstellung der Gesamtlösung Fig. 2: Stromlaufplan der Regelschaltung

Vom Charakter der Erfindung her bietet sich eine Anwendung in Wärmepumpenanlagen beim Einsatz in Wochenendhäusern im

monovalenton Betrieb und in Wohn- und Gesellschaftsbauten bei bivalentem Betrieb an. Die Regelschaltung Fig.2 ist als Zusatzzur serienmäßigen Steuerungsausstattung der Wärmepumpe zu betrachten und bildet mit deren Einheit die Basis für das

Funktionsprinzip der Fig. 1. Sie beinhaltet jedoch die für die Erfindung erforderlichen Schaltelemente. Entsprechend Fig. 1 und 2 zeichnet sich dann folgender Betriebsablauf ab: Die Wärmepumpe 1 erhält mittels Wärmequellenpumpe 4 vom Brunnen 2 über das Absperrventil 12g in den Ablauf 3

kaltwasserseitig die Sekundärenergie zugeführt. Nach dem Prinzip des Carnot-Prozesses wird ein Energiepotential auf höherer

Temperaturebene warmwasserseitig hergestellt. Durch den Thermostaten b 8d wird die Vorlauftemperatur des Heizungskreislaufes überwacht. Die Wärmepumpe 1 sowie die Wärmequellenpumpe 4 werden bei Erreichen der eingestellten Temperatur, welche unterhalb des Ansprechpunktes der Schutzeinrichtung für den Überdruck liegt, durch das Relais d 1 im Strompfad 2 mit dessen Schließer im Strompfad 4 abgeschaltet. Die Klemmstellen L15 und L16 dienen dabei zur Kopplung mit

der serienmäßigen Steuorungsanlage.

Die Umwälzpumpe 5 fördert durch das Absperrventil 12d den Warmwasserstrom durch die Heizkreise. Steht am Thermostat

b 8d längere Zeit die eingestellte Abschalttemperatur an, so wird die Umwälzpumpe 5 mit Hilfe des Zeitrelais d 2 des Strompfades3 ond dessen Kontakt im Strompfad 13 durch das Schütz C1 abgeschaltet. Dieser Fall Irin ein, wenn die Heizlast unterhalb der

Heizlsistung liegt. Der Thermostat b 8c überwacht die Ladetumperatur des Boilers und schaltet mit Hilfe de; Relais d6 im Strompfad 10 über dessen Kontakt im Strompfad 17 das AbsperrvarV.I m 6c und unterbricht somit nach Erreichen der eingestellten Temperatur die Warmwasserzirkulation durch den Boiler 10.

Analog arbeiten auch die weiteren Heizkreise, boi denen die Raumthermestaten b 7 a bzw. b 7 b die Raumthermostaten der jeweiligen Räume Oberwachen und bei Erreichen der eingestellten Werte mit Hilfe der Relais d4 bzw. d5 in den Strompfaden 8 bzw. 9 über den jeweiligen Kontakt in den Strompfaden 15 bzw. 1 β die jeweiligen Magnetventile m 6a bzw. m 6b betätigen und somit die Warmwasserzirkulation der jeweiligen Räume, Heizkörper bzw. Gebäudekomplexe unterbrechen. Im Falle der Unterbrechung der Warmwasserzirkulation in allen Heizkörpern werden durch die Anordnung der Kontakte der Relais d4, d5 und d6 im Strompfad 1 die Wärmepumpe 1 und die Wärmequellenpumpe 4 mit Hilfe des Relais d1 und dessen Kontakt im Strompfad 4 abgeschaltet. Gleichzeitig erfolgt eine Abschaltung der"Umwälzpumpe5durch die Kontaktanordnung der Relais d4, d 5 und d β in den Strompfaden 12,13 und 14 durch das Schütz C1. Der Kontakt des Schützes C1 im Strompfad 6 mit den Klemmleistenstellen L17 und L18 dient der Kopplung mit der serienmäßigen Steuerungsanlage.

Die Thermostaten b 8e und ö8f überwachen die Rücklauftemperaturen mit stufenweise eingestellten Ansprechpunkten an unterschiedlichen Sammelpunkten. Dadurch entsteht der Effekt, daß der Thermostat b 8e, welcher die Mischtemperatur aller Rückläufe überwacht, bei Erreichen seiner eingestellten Temperatur mit Hilfe des Relais d 6 das Magnetventil m 6c schließt. Die Warmwasserzirkulation durch den Boiler 10 ist somit unterbrochen. Die noch zugeschalteten Heizkreisläufe erhalten dadurch eine höhere Energiemenge, welche ja nach Umwelteinfluß die Rücklauftemperatur über einen gewissen Zoitraum wieder ansteigen läßt bzw. noch weiter absenkt. Im Falle des Ansteigens der Temperatur wird der Roiler 10 durch den Thermostaten b 8c, bedingt durch seine Schalthysterese, wieder zugeschaltet, wenn die Ladetemperatur noch nicht erreicht wurde. Andernfalls wird bei weiterem Absinken der Rücklauftemperatur durch den Thermostat b8f, welcher die Mischtemperatur aller Rückläufe ohne den des Boilers 10 überwacht, ein weiterer Heizkreis mit Hilfe des Relais d 4 und des Magnetventils m 6 a geschlossen. Diese Stufung kann sich je nach Anzahl der Heizkreise wiederholen. Mit der Zuordnung der Stufen wird die Rangfolge der abzuschaltenden Heizkreise festgelegt.

Der Druckschalter b9 dient als Schutzeinrichtung des Heizkreislaufes. Er spricht an, wenn alle Magnetventile geschlossen sind und ein Versagen der Regelschaltung beim Abschalten der Umwälzpumpe 5 vorliegt. Das Ansprechen bewirkt mit Hilfe des Relais d3 und dessen Kontakte im Strompfad 8,9 und 10 ein Öffnen aller Magnetventile.

Claims (3)

1. Regelschaltung einer Wärmepumpenanlage zur Beheizung und bzw. oder Warmwasserbereitung mittels Temperaturregler im Vor- bzw. Rücklauf und bei dem Heizkreis nachgeordneten Abnehmer, sowie erforderlichenfalls elektrisch betriebener Absperrglieder, gekennzeichnet dadurch, daß das Temperatur-Zeit-Verhalten, des dem Heizkreis der Wärmepumpe nachgeschaheten Abnehmers zur Steuerung der Wärmepumpe verwendet wird.

2. Regelschaltung nach Anspruch 1, bei der die Anlage in Heizkreise aufgeteilt ist, je Heizkreis eine Temperaturüberwachung des dem Heizkreis nachgeordneten Abnehmers erfolgt und die Heizkreise durch elektrisch betriebene Absperrglieder gesteuert werden, gekennzeichnet dadurch, daß die steuerungsmäßige Verknüpfung, der den Zuständen der Absperrglieder entsprechenden Schaltelemente in logischer AND-Verknüpfung erfolgt und zu dieser das Schaltelement des Vorlauftemperaturwächters OR-verknüpft ist.

3. Regelschaltung nach Anspruch 1, die eine Erweiterung des Anspruchs 2 darstellt und bei Überschreitung der Heizlast gegenüber der Heizleistung der Wärmepumpe eine Überwachung der Rücklauftemperatur an sich jeweils sammelnden Leitungsabschnitten der Rücklaufkreise erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß das zur Überwachung gehörende Schaltelement bei Erreichen der minimalen Rücklauftemperatur mit einem EIN-Signal in logischer OR-Verknüpfung mit dem zum Heizkreis gehörenden Schaltelement für die Temperaturüberwachung, der dem Heizkreis nachgeschalteten Abnehmer, realisiert wird.