DE102004011357A1 - Auswerteeinheit für Kältemaschinen - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Auswerteeinheit für Kältemaschine, insbesondere für Wärmepumpen, mit einer Messeinrichtung zur Ermittlung von ausgangsseitig der Kältemaschine vorliegenden leistungsausgaberelevanten Größen.
- Aus der
DE 41 19 454 A1 ist eine Auswerteeinheit für eine Heizungsanlage bekannt, bei der leistungsausgaberelevante Größen wie die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und der Volumenstrom/Massenstrom des Wärmeträgers gemessen werden zur Ermittlung eines Wirkungsgrades der Heizungsanlage. Bei dieser Kenngrößenbestimmung fließen jedoch nur den Wärmeträger unmittelbar betreffende Größen, nämlich beispielsweise der Massenstrom, ein. Nachteilig an der bekannten Auswerteeinheit ist, dass nicht alle wesentlichen Größen, insbesondere elektrische Größen, bei der Kenngrößenbestimmung berücksichtigt werden. - Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Auswerteeinheit für Kältemaschinen derart weiterzubilden, dass einem Benutzer komfortabel Kenngrößen der Kältemaschine unter Berücksichtigung aller leistungsrelevanten Größen bereitgestellt werden.
- Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung zusätzlich Verbrauchsgrößen ausschließlich von kältemaschinen- und/oder wärmepumpenrelevanten Bauteilen ermittelt, dass eine Recheneinrichtung vorgesehen ist, die aus den leistungsausgaberelevanten Größen und den Verbrauchsgrößen eine Kenngröße berechnet, und dass eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist zur Anzeige der Kenngröße.
- Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass dem Benutzer der Kältemaschine durch die erfindungsgemäß ausgebildete Auswerteeinheit eine vollständige und genaue Angabe von Kenngrößen bereitgestellt wird.
- Grundgedanke der Erfindung ist es, alle leistungsrelevanten Größen einer Kältemaschine, also zum einen die leistungsausgaberelevanten und zum anderen die leistungseingaberelevanten Größen messtechnisch zu ermitteln, in einer Recheneinrichtung zu verarbeiten und anschließend in einer Anzeigeeinrichtung für den Benutzer zur Anzeige zu bringen. Dabei ermittelt die Messeinrichtung ausschließlich die von kältemaschinen- bzw. wärmepumpenrelevanten Bauteilen abgegebenen bzw. aufgenommenen Leistungsgrößen, so dass die kältemaschinenspezifischen Kenngrößen identifiziert und gesondert angezeigt werden können.
- Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Kältemaschine als eine Wärmepumpe ausgebildet, die einen Bestandteil einer Heizungsanlage bildet. Neben leis tungsausgaberelevanten Größen der Vorlauftemperatur, der Rücklauftemperatur und des Volumenstromes werden auch leistungseingaberelevante Verbrauchsgrößen, wie z. B. die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe, gemessen und in der Recheneinrichtung weiterverarbeitet. Vorteilhaft ermöglicht die Auswerteeinheit die Berechnung und Anzeige einer Leistungszahl ε, die die Effizienz der Wärmepumpe wiedergibt. Weiterhin kann die Arbeitszahl εa bezogen auf einen Tag oder eines Jahres oder eines frei bestimmbaren Zeitraumes berechnet und dargestellt werden. Bei Einsatz einer elektrischen Wärmepumpe kann der aktuelle Energieverbrauch (elektrische Wirkleistung), die aktuellen Temperaturwärme, die Nutzwärmemenge etc. angezeigt werden.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteeinheit einen Mikrokontroller auf, der über einen Speicher und ein Kenngrößenprogramm verfügt, so dass alle relevanten Kennwerte ermittelt, abgespeichert, weiterverarbeitet, mit abgespeicherten Kennwerten verglichen und dann angezeigt werden können.
- Vorzugsweise ist der Mikrokontroller reprogrammierbar ausgebildet, so dass Programmänderungen möglich sind.
- Vorteilhaft kann die Auswerteeinheit in eine vorhandene Heizungsanlage integriert werden, in der beispielsweise eine Wärmepumpe installiert ist. Es brauchen lediglich Messwertaufnehmer an den entsprechenden Verbindungsleitungen des Wärmeträgers bzw. des Energieträgers (elektrischer Strom) eingerichtet werden, die über entsprechende Messleitungen an die Auswerteeinheit angekoppelt sind. Vorteilhaft kann eine vorhandene Heizungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit nachgerüstet werden.
- Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- Es zeigen:
-
1 ein schematisches Blockschaltbild einer Heizungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit und -
2 ein Blockschaltbild eines Mikrokontrollers der Auswerteeinheit. - Die Erfindung findet Anwendung in Heizungssystemen, die auf Basis einer Wärmepumpe mit einem flüssigen Wärmeträger für die Wärmeverteilung und/oder Kälteverteilung arbeiten. Zusätzlich kann das Heizungssystem
1 eine mit fossilen Brennstoffen befeuerten Wärmeerzeuger und/oder eine Solaranlage aufweisen. Das Heizungssystem1 kann eine Energiequelle auf Basis von Luft oder Wasser oder Erdwärme nutzen. - In
1 ist eine elektrische Wärmepumpe3 des Heizungssystems1 dargestellt, die in üblicher Weise einen mittels eines Elektromotor4 betriebenen Verdichters3' , ein Drosselventil3'' sowie zwei Wärmeübertrager5 ,5' aufweist. Ein erster Wärmeüberträger5 ist mit einem Energiequellenkreis7' gekoppelt, der zweite Wärmeübertrager5' ist mit einem Heizkreis2 gekoppelt. Der Wärmeübertrager5 ermöglicht beispielsweise die in der Erde gespeicherte Wärmeenergie auf ein Kältemittel zu übertragen und mittels eines (oder mehrerer) elektrischer Verdichter3' auf ein zum Heizen nutzbares Temperaturniveau zu heben, um dann über den Wärmeübertrager5' auf den Wärmeträger des Heizkreises2 zu übertragen indem der Wärmeträger mittels einer Umwälzpumpe9 zu einem Heizkörper10 oder mittels einer Umwälzpumpe11 zu einem Brauchwasserspeicher12 gefördert wird. Zur Umwälzung des Wärmeträgers in den Bodenspeicher7 ist eine weitere Umwälzpumpe13 vorgesehen. - Die Umwälzpumpen
9 und11 werden mittels eines Relais'14 betätigt, wobei lediglich dessen Steueranschluss15 genauso wie die Anschlüsse16 ,17 ,18 des Motors4 von einem Energieeingang19 einer Auswerteeinheit20 abgegriffen werden. Der Arbeitsstrom der Umwälzpumpen9 und11 wird durch die Auswerteeinheit nicht erfasst. Der Steuerstrom des Relais'14 ist vernachlässigbar klein, so dass lediglich die Verbrauchsgrößen der unmittelbar wärmepumpenrelevanten Bauteile erfasst werden. - Die Auswerteeinheit
20 weist zum einen eine Messeinrichtung21 , eine Recheneinrichtung22 und eine Anzeigeeinrichtung23 auf, so dass leistungsausgabe- und leistungseingaberelevante Größen der Wärmepumpe3 stets ermittelt, verarbeitet und ausgegeben werden können. - Wie besser aus
2 zu ersehen ist, umfasst die Messeinrichtung21 zum einen eine Wirkleistungsmessanordnung24 , mittels derer die Wirkleistung der Wärmepumpe3 sowie der Umwälzpumpen9 ,11 ,13 sowie des Relais14 ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck wird in üblicher Weise der elektrische Strom bzw. der Spannungsfall an den jeweiligen Phasen L1, L2, L3 abgegriffen. Über den Energieeingang19 werden die leistungseingaberelevanten Größen der Wärmepumpe3 ermittelt. Sie stellen Verbrauchsgrößen für die wärmepumpenrelevanten Bauteile, nämlich für die Wärmepumpe3 , für die Umwälzpumpen9 ,11 ,13 und für das Relais14 dar. - Gegebenenfalls können noch weitere Verbrauchsgrößen ermittelt werden, wenn weitere Bauteile vorgesehen sind.
- Die Messeinrichtung
21 weist weiterhin einen Temperatureingang25 auf, an dem die aktuelle Vorlauftemperatur26 und die aktuelle Rücklauftemperatur27 des Heizkreises2 anliegen. Zu diesem Zweck sind in einem Vorlauf29 des Heizkreises2 und in einem Rücklauf30 desselben ein Messwertaufnehmer T1 bzw. T2 sowie entsprechende Verbindungsleitungen31 ,32 vorgesehen, so dass stets die aktuellen Vorlauf- bzw. und Rücklauftemperaturen an dem Temperatureingang25 anliegen. Eine Temperaturdifferenzmessanordnung32 ist vorgesehen, um die Temperaturdifferenz in digitaler Form einem Eingang eines Mikrokontrollers33 der Recheneinrichtung22 bereitzustellen. - Ferner umfasst die Messeinrichtung
21 eine Volumenstrommessanordnung34 , an dessen Eingang35 ein mittels eines an dem Vorlauf bzw. Rücklauf29 angeordneten Messwertaufnehmers36 ermittelten Volumenstromsignal37 anliegt. - Bei den Temperatursignalen
26 ,27 und dem Volumenstromsignal37 handelt es sich um leistungsausgaberelevante Größen der Wärmepumpe3 , die in digitaler Form aufbereitet an dem Eingang des Mikrokontrollers33 zur Verfügung stehen. Die Wirkleistungsmessanordnung24 stellt dem Mirkokontroller33 ein Wirkleistungsmesssignal38 zur Verfügung, so dass mittels eines in dem Mirkokontroller33 implementierten Kenngrößenprogramms Kenngrößen der Wärmepumpe3 berechnet und dann in einer LCD-Anzeige39 der Anzeigeeinrichtung23 visualisiert werden können. - Vorzugsweise ist der Mikrokontroller
33 reprogrammierbar ausgebildet, so dass Änderungen an dem Programm leicht vorgenommen werden können. - Der Mikrokontroller
33 ermöglicht die Berechnung folgender Kennwerte: - – Ermittlung der Leistungskennzahl ε als Quotient aus der abgegebenen Wärmeleistung zu der erforderlichen elektrischen Antriebsleistung;
- – Ermittlung
einer Arbeitskennzahl εa als Quotient aus der von der Heizungsanlage
1 abgegebenen Wärme in einem Zeitintervall zu der elektrisch aufgenommenen Antriebsenergie bezogen auf einen Zeitintervall. Bei dem Zeitintervall kann es sich um einen Tag, ein Jahr oder einer anderen Zeiteinheit handeln; - – Ermittlung des aktuellen Energieverbrauchs (Wirkleistungsverbrauch);
- – Anzeige der aktuellen Temperaturwerte (Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur);
- – Ermittlung der aktuellen Nutzwärmemenge;
- – Ermittlung eines Summen-Verbrauchszählers der elektrischen Energie;
- – Ermittlung eines Summennutz-Wärmemengenzählers;
- – Ermittlung
einer durchschnittlichen Arbeitskennzahl der Heizungsanlage
1 ; - – Betriebsstundenzähler des Elektromotors (Motorverdichters);
- Die ermittelten Kennzahlen können in der LCD-Anzeige
39 angezeigt werden. Mittels Bedientasten40 kann der Mikrokontroller33 von außen gesteuert werden. Durch Betätigung der Bedientasten40 können beispielsweise die entsprechenden Kennzahlen abgerufen und zur Darstellung gebracht werden. Weiterhin können auch Parameteränderungen eingegeben werden. - Der Mikrokontroller
33 ist mittels einer V24-Schnittstelle41 mit einem externen Rechner, beispielsweise mit einem Notebook oder einem Personal Computer, verbindbar, so dass Programmänderungen auf einfache Weise extern vorgenommen und zu dem Mikrokontroller33 übertragen werden können. - Dem Mikrokontroller
33 kann ein Messdatenspeicher42 zugeordnet sein, in dem die ermittelten Messdaten zu Dokumentations- bzw. Protokollzwecken abgespeichert werden können. - Darüber hinaus ist der Mikrokontroller
33 mit einem Netzteil43 und einem RTC44 verbunden. - Nach einer alternativen Ausführungsform kann die Heizungsanlage auch eine anders ausgestaltete Wärmepumpe aufweisen. Es ist auch möglich, die Auswerteeinheit
20 für Kühlanlagen einzusetzen. Als Wärmeträger kann neben Wasser auch ein Wasserfrostschutzgemisch oder Luft eingesetzt werden. Die Auswerteeinheit beschränkt sich auf die Anwendung eines flüssigkeitsgeführten Heiz- oder Kühlkreises. - Es versteht sich, dass die Auswerteeinheit für das Heizungssystem
1 auf Basis der Wärmepumpe nicht nur zu Heizzwecken, sondern auch zu Kühlzwecken genutzt werden kann.
Claims (9)
- Auswerteeinheit für Kältemaschinen, insbesondere für Wärmepumpen, mit einer Messeinrichtung zur Ermittlung von ausgangsseitig der Kältemaschine vorliegenden leistungsausgaberelevanten Größen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (
21 ) zusätzlich Verbrauchsgrößen ausschließlich von kältemaschinen- und/oder wärmepumpenrelevanten Bauteilen ermittelt, dass eine Recheneinrichtung (22 ) vorgesehen ist, die aus den leistungsausgaberelevanten Größen und den Verbrauchsgrößen eine Kenngröße berechnet, und dass eine Anzeigeeinrichtung (23 ) vorgesehen ist zur Anzeige der Kenngröße. - Auswerteeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (
21 ) an einer Heizungsanlage (1 ) enthaltend eine Wärmepumpe (3 ) mit einem elektrischen Motorverdichter (4 ) anschließbar ist, wobei als leistungsausgaberelevante Größen die Vorlauftemperatur (26 ), die Rücklauftemperatur (27 ) und der Volumenstrom (36 ,37 ) des Wärmeträgers (2 ) und als Verbrauchsgrößen die elektrische Leistungsaufnahme des Motorverdichters (4 ) außer der im Heizkreis vorhandenen Pumpen (9 ,11 ) gemessen wird, so dass in der Recheneinrichtung (22 ) als Kenngröße zumindest eine Leistungskennzahl (ε) und eine auf eine Zeiteinheit bezogene Arbeitskennzahl (εa) berechenbar sowie in der Anzeigeeinrichtung (23 ) visuell darstellbar ist. - Auswerteeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsanlage (
1 ) mit einem flüssigen Wärmeträger (2 ) betreibbar ist und einen mit fossilen Brennstoffen befeuerten Wärmeerzeuger und/oder eine Solaranlage und/oder einen Wärmeenergiespeicher (7 ,12 ) umfasst. - Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messeinrichtung (
21 ) als Verbrauchsgröße die elektrische Leistungsaufnahme einer in einem Energiequellenkreis eingangsseitig der Wärmepumpe (3 ) angeordnete Umwälzpumpe (13 ) und im Heizkreis ausgangsseitig der Wärmepumpe (3 ) lediglich der Steuerstrom eines Relais' (14 ), mittels dessen die Umwälzpumpen (9 ,11 ) des Heizkreises betrieben werden, messbar ist und dass der ermittelte Messwert in die durch die Recheneinrichtung (22 ) bewirkte Berechnung der Kenngröße einfließt. - Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (
22 ) einen Mikrokontroller (33 ) umfasst mit mindestens einem Speicher und/oder einem Analog-Digital-Wandler und/oder Schnittstellen zu externen Datengeräten. - Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokontroller (
33 ) reprogrammierbar ist. - Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokontroller (
33 ) ein Kenngrößenprogramm zur Steuerung eines Auswerteprozesses aufweist, mittels dessen die zur Berechnung der Kenngröße erforderlichen Messgrößen ermittelt, berechnet und dann in der Anzeigeeinrichtung (23 ) angezeigt werden. - Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpe (
3 ) ein Relais (14 ) zugeordnet ist zum Schalten von mindestens einer Umwälzpumpe (9 ,11 ) und dass nur die Energieaufnahme des Relais' (14 ) als Verbrauchsgröße in die Berechnung der Kenngrößen einfließt. - Verwendung der Auswerteeinheit (
20 ) zur Integration in einer vorhandenen Heizungsanlage (1 ), wobei Eingangsgrößen der Auswerteeinheit (20 ) durch Anschluss derselben an vorhandene Verbindungsleitungen der Bauteile (3 ,10 ,12 ) der Heizungsanlage (1 ) erfolgt.
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- 2004-03-05 DE DE200410011357 patent/DE102004011357B4/de not_active Expired - Fee Related
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