DE10131379B4

DE10131379B4 - Verfahren zur Steuerung des Abtauens eines Luft/Luft-Wärmetauschers

Info

Publication number: DE10131379B4
Application number: DE10131379A
Authority: DE
Inventors: Martin Herrs; Michael Schaumlöffel
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2004-08-12
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: DE10131379A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung des Abtauens eines Luft/Luft-Wärmetauschers eines Lüftungsgeräts, das einen Zulüfter und einen Ablüfter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Luftstroms des Ablüfters (3) dessen Drehzahl (n1) und zur Ermittlung des Luftstroms des Zulüfters (6) dessen Drehzahl (n2) von einer Steuereinrichtung (9) gemessen werden, und dass die Steuereinrichtung (9) aus diesen Drehzahlen die Drehzahlabweichungen zwischen beiden Lüftern ermittelt und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts (SAB) für den Abtaubeginn den Zulüfter (6) abschaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Abtauens eines Luft/Luft-Wärmetauschers eines Lüftungsgeräts, das einen Zulüfter und einen Ablüfter aufweist.

Bei Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung wird von einem Ablüfter die Raumluft über einen Wärmetauscher in die Umgebung abgeleitet. Ein Zulüfter führt Frischluft zu, an die im Wärmetauscher Wärme aus der Abluft übertragen wird. Derartige Lüftungsgeräte sind in der DE 197 02 903 A1 und in der DE 199 13 861 C1 beschrieben. Ein Abtauen der Luft/Luft-Wärmetauscher ist nicht vorgesehen. Enteist wird ein zwischen dem Fortluftstrom und einem Wärmepumpenkreis wirksamer Wärmetauscher.

In der älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 101 03 150 A1 ist ein Vereisen des Luft/Luft-Wärmetauschers durch zusätzliche Erwärmung der Zuluft verhindert.

Möglichkeiten zur Abtauung eines Verdampfers einer Wärmepumpe sind beispielsweise in der DE 198 32 682 A1 , der DE 195 17 862 A1 , der DE 43 21 161 A1 , der DE 35 01 789 C1 und der DE 34 27 389 A1 beschrieben. Bei der DE 34 27 389 A1 schaltet ein Luft durch den Verdampfer fördernder Ventilator zum Abtauen schnell ab.

Weiterhin ist aus der DE 29 26 777 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Verdampfern bekannt. Mit einem Flügelrad, das auf der Luftaustrittsseite eines Verdampfers angebracht ist, wird die Luftströmung ermittelt. Mit zunehmender Vereisung des Verdampfers bzw. Verschmutzung der Lüfteröffnung ändert sich die Geschwindigkeit auf der Luftaustrittsseite des Verdampfers. Dadurch wird eine Drehzahländerung des Flügelrades erzeugt, die die Auslösung eines Warnsignals bzw. eines Abtauungs-Befehls einleitet.

In der Praxis wird zur Abtausteuerung eines Wärmetauschers ein Temperaturfühler verwendet. Das Temperatursignal stellt den Grad der Vereisung nur sehr ungenau dar. Um ein sicheres Abtauen zu gewährleisten, nimmt man deshalb bei tiefen Außentemperaturen erhöhte Verluste bei der Wärmerückgewinnung hin.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abtausteuerung vorzuschlagen, die ohne Temperaturfühler arbeitet und bei der die Vereisung über den jeweiligen Luftvolumenstrom festgestellt wird.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Temperatur im Wärmetauscher muss dabei zum Steuern des Abtauens nicht erfasst werden.

Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass bei verschiedenen Lüftertypen ein Zusammenhang zwischen der Leistungsvorgabe, d.h. der Steuerspannung und/oder der gesteuerten Betriebsspannung, und der Lüfterdrehzahl sowie dem geförderten Luftvolumenstrom besteht. Vereinfacht besteht bei konstanter elektrischer Lüfterleistung eine umgekehrt proportionale Abhängigkeit zwischen der Lüfterdrehzahl und dem geförderten Luftvolumenstrom. Der Luftvolumenstrom verringert sich, wenn die Lüfterdrehzahl steigt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Lüftungsgeräts,

2, 3 und 4 verschiedene Drehzahl-Zeitdiagramme.

Ein Lüftungsgerät 1 für einen Raum oder mehrere Räume eines Gebäudes weist zur Abwärmerückgewinnung einen Wärmetauscher 2 zwischen Abluft AB und Zuluft ZU auf. Ein Ablüfter 3 fördert Abluft AB aus den Räumen durch Leitungen 4 über einen Filter 5 durch den Wärmetauscher 2. Aus dem Wärmetauscher 2 tritt Fortluft FO in die Umgebung. Ein Zulüfter 6 fördert über einen Filter 7 und den Wärmetauscher 2 Frischluft FR aus der Umgebung als Zuluft ZU über Leitungen 8 in die Räume.
Die Lüfter 3,6 sind vorzugsweise Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schaufeln. Sie werden vorzugsweise im Arbeitsbereich zwischen 40% und 100% der Nennleistung betrieben. Die Lüfter 3,6 haben eine Drehzahl-Luftvolumen-Kennlinie, in der die Drehzahl bei konstanter Steuerleistung etwa umgekehrt proportional zum geförderten Luftvolumenstrom ist.
Die Lüfter 3 und 6 werden von einer elektrischen Steuereinrichtung 9 gesteuert. An den Ablüfter 3 sind zur Leistungsvorgabe von der Steuereinrichtung 9 eine Versorgungsspannung UV1 und/oder eine Steuerspannung US1 gelegt. An den Zulüfter 6 sind von der Steuereinrichtung 9 eine Versorgungsspannung UV2 und/oder eine Steuerspannung US2 gelegt. Die Drehzahl n1 des Lüfters 3 und die Drehzahl n2 des Lüfters 6 werden mittels Hallsensoren gemessen. Die Messwerte sind an die Steuereinrichtung 9 gelegt. An der Steuereinrichtung 9 ist zur Einstellung der Soll-Volumenströme, die der Ablüfter 3 bzw. Zulüfter 6 erzeugen soll, ein Stelleingang E1 und ein Stelleingang E2 vorgesehen. Die genannten Kennlinien können in einem Speicher der Steuereinrichtung 9 abgelegt sein.
Weitere Aggregate zur Beheizung oder Kühlung der Zuluft ZU sind nicht dargestellt. Sie sind aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt. Beispielsweise handelt es sich um eine von Kühlung auf Heizung umschaltbare Wärmepumpe.
Es hat sich gezeigt, dass bei niedrigen Außentemperaturen die Wärmetauscherfläche 2' des Wärmetauschers 2 vereisen kann. Bei einem gewissen Grad der Vereisung muss die Wärmetauscherfläche 2' abgetaut werden. Es wurde gefunden, dass sich in Abhängigkeit von der Vereisung der Luftvolumenstrom der Abluft AB bzw. der Fortluft FO verringert. Entsprechend der genannten Kennlinie erhöht sich dabei die Drehzahl des Ablüfters 3.
Die Steuereinrichtung 9 führt bei der Erstinbetriebnahme des Lüftungsgeräts und danach wiederholt Kalibrierungen der Leistungsvorgabe für die Lüfter 3,6 durch, was in einer parallelen Patentanmeldung beschrieben ist.
Die Steuereinrichtung 9 erfasst ständig oder zyklisch die Drehzahl n1 des Ablüfters 3 und die Drehzahl n2 des Zulüfters 6. Aus dem Vergleich der jeweiligen Drehzahlen errechnet sie die jeweilige Drehzahlabweichung dn, insbesondere die Differenz oder das Verhältnis der beiden Drehzahlen. Sie kann die jeweiligen Abweichungswerte addieren oder multiplizieren. In der Steuereinrichtung 9 ist bezogen auf die Drehzahlabweichung dn ein Schwellwert SAB für den Abtaubeginn und ein Schwellwert SAE für das Abtauende gespeichert.
Zur Abtausteuerung arbeitet die Steuereinrichtung 9 etwa folgendermaßen:
Zum Zeitpunkt t0 des Beginns eines Normalbetriebs N wird in der digital arbeitenden Steuereinrichtung 9 die der Drehzahlabweichung dn entsprechende Variable auf den Wert 0 (vgl. 2, 3) oder auf einen anderen festen Wert gesetzt. Im Normalbetrieb N steigt bei zunehmender Vereisung des Wärmetauschers 2 die Drehzahl n1 des Ablüfters 3 an. Die Drehzahl n2 des Zulüfters 6 bleibt konstant. Die Drehzahlabweichung dn steigt dementsprechend (vgl. 2,3,4).
Zum Zeitpunkt t1 ist der Schwellwert SAB des Abtaubeginns erreicht. Die Steuereinrichtung 9 schaltet nun den Zulüfter 6 ab, so dass dem Wärmetauscher 2 nicht weiter kalte Frischluft FR zugeführt wird. Der Ablüfter 3 läuft weiter. Es beginnt damit der Abtaubetrieb A. Durch die Wärme des Abluftstroms AB wird der Wärmetauscher 2 abgetaut. Während des Abtaubetriebs A sinkt die Drehzahl n1 des Ablüfters 3, weil sich infolge des Abtauens und des damit kleiner werdenden Strömungswiderstandes im Wärmetauscher 2 dessen Luftvolumenstrom erhöht. Entsprechend reduziert die Steuereinrichtung 9 den Drehzahlabweichungswert dn parallel (vgl. 2 t1 bis t2). Zum Zeitpunkt t2 steht der Drehzahlabweichungswert dn wieder auf dem Grundwert, im Beispielsfalle 0. Die Drehzahl n1 hat, weil der Wärmetauscher 2 abgetaut ist, wieder ihre Anfangsdrehzahl n10 angenommen (vgl. 2).
Nach einer gewissen Verzögerungszeit (Sicherheitsreserve) schaltet die Steuereinrichtung 9 zum Zeitpunkt t3 den Zulüfter 6 wieder ein, so dass er seine Anfangsdrehzahl n20 wieder erreicht. Nach t3 liegt wieder der Normalbetrieb N vor.
In 3 ist ein Fall gezeigt, bei dem die Steuereinrichtung 9 im Zeitpunkt t0'im Normalbetrieb N+S vor Erreichen des Schwellwerts SAB des Abtaubeginns die Drehzahlen n1 und n2 um eine Stufe zurückschaltet. Dies kann zur Anpassung der Lüfterdrehzahlen an geänderte Vorgaben oder Verhältnisse geschehen. Der bis dahin entstandene Wert der Drehzahlabweichung dn wird gespeichert und nach einer gewissen Einschwingzeit des Systems nach t0' bei zunehmender Vereisung entsprechend weiter erhöht. Bei Erreichen des Schwellwerts SAB des Abtaubeginns beginnt wieder das Abtauen A.
4 verdeutlicht den möglichen Verfahrensablauf weiter. Zum Zeitpunkt t1 ist der Schwellwert SAB erreicht. Der Zulüfter 6 wird abgeschaltet, d.h. seine Drehzahl wird Null. Die Drehzahl n1 des Ablüfters 3 steigt in einer Einschwingzeit E von einigen Sekunden weiter und wird an deren Ende gemessen und als "Kalibrierdrehzahl Abtauen" nach einer Einschwingzeit E zum Zeitpunkt t1' gespeichert. Zum Zeitpunkt t1' beginnt der Abtauvorgang A.
In die Steuereinrichtung 9 ist ein Abtauzähler integriert, dessen Funktion in 4 dargestellt ist. Bis zum Zeitpunkt t1' steht der Abtauzähler auf einem Zähler-Sockelwert ZS. Ab dem Zeitpunkt t1' zählt der Abtauzähler entsprechend der sich ändernden Drehzahlabweichung dn hoch, bis der Schwellwert SAE des Abtauendes erreicht ist, was im Beispielsfall zum Zeitpunkt t1" der Fall ist. Danach zählt der Abtauzähler zurück. Wenn er dann zum Zeitpunkt t3 Null erreicht hat, ist das Abtauen beendet und die Steuereinrichtung 9 schaltet den Zulüfter 6 wieder auf die Drehzahl n20. Dann erfolgt ggf. eine Kalibrierung K, an die sich wieder der Normalbetrieb N anschließt.
Das beschriebene Verfahren ermöglicht eine bedarfsgerechte Abtauung des Wärmetauschers 2. Netzspannungseinflüsse sowie Windeinflüsse werden kompensiert. Änderungen der Luftvolumenstromvorgaben und ein Einschalten von etwaigen zusätzlichen Lüftern sind ohne Einfluss auf die Abtausteuerung.

Claims

Verfahren zur Steuerung des Abtauens eines Luft/Luft-Wärmetauschers eines Lüftungsgeräts, das einen Zulüfter und einen Ablüfter aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des Luftstroms des Ablüfters (3) dessen Drehzahl (n1) und zur Ermittlung des Luftstroms des Zulüfters (6) dessen Drehzahl (n2) von einer Steuereinrichtung (9) gemessen werden, und dass die Steuereinrichtung (9) aus diesen Drehzahlen die Drehzahlabweichungen zwischen beiden Lüftern ermittelt und bei Erreichen eines vorgegebenen Schwellwerts (SAB) für den Abtaubeginn den Zulüfter (6) abschaltet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahlabweichung (dn) als Drehzahldifferenz oder als Drehzahlverhältnis von der Steuereinrichtung (9) verarbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Steuereinrichtung (9) ein Schwellwert (SAE) für das Abtauende vorgegeben ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtauzähler der Steuereinrichtung (9) vor dem Erreichen des Schwellwerts (SAE) des Abtauendes hochzählt und bei Erreichen des Schwellwerts (SAE) des Abtauendes zurückzählt, wobei nach dem Zurückzählen von der Steuereinrichtung (9) der Zulüfter (6) wieder eingeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Änderung der Drehzahlsollwerte der bis dahin entstandene Wert der Drehzahlabweichung dn gespeichert und erst nach Abwarten einer Einschwingzeit weiter erhöht wird.