DE102004036487B4

DE102004036487B4 - Wärmepumpenheisswasserzuführsystem der Heisswasserspeicherart

Info

Publication number: DE102004036487B4
Application number: DE102004036487.7A
Authority: DE
Inventors: Hisayoshi Sakakibara
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2014-06-12
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: US20050022542A1; DE102004036487A1; US7021073B2; JP2005049054A; JP3918786B2

Abstract

Beim Aufheizen des Wassers in dem unteren inneren Teil eines Heißwasserbehälters durch eine Wärmepumpeneinheit stoppt eine Steuereinheit den Aufheizvorgang so, dass das heiße Wasser in einer Menge entsprechend dem Restheißwasservolumen in dem Heißwasserbehälter, das durch Wasserniveau-Thermistoren erfasst wird, bleibt. Beim Aufheizvorgang in dem Heißwasserbehälter wird zuerst das Restheißwasservolumen erfasst, dann wird der Aufheizvorgang gestoppt, wenn das Restheißwasser eine Menge entsprechend dem erfassten Restheißwasservolumen erreicht. An diesem Punkt wird das heiße Wasser so gespeichert, dass das durch die Wärmepumpeneinheit neu aufgeheizte heiße Wasser über dem Restheißwasser des vergangenen Tages liegt. Folglich wird die Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises ohne Zuführen des Mitteltemperatur-Restheißwassers zu einem Kondensator verhindert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart, um das durch eine Wärmepumpe erwärmte heiße Wasser in einem Heißwasserbehälter zu speichern, oder insbesondere einen Steuervorgang zum Aufheizen des Wassers in dem Heißwasserbehälter.
DE 101 58 815 A1 beschreibt ein Heißwasserversorgungssystem mit einer Steuereinheit, wobei eine Siedezeitperiode auf Grundlage einer Heißwassermenge ermittelt wird, die in einem Tank zu einem vorgegebenen Zeitpunkt gespeichert ist. Ein Siedestartzeitpunkt wird so eingestellt, dass der Siedebetrieb zu einem Zeitpunkt unmittelbar vor einer vorgegebenen Zeit beendet ist. Wenn beispielsweise die in dem Tank gespeicherte Heißwassermenge kleiner zum Speicherzeitpunkt ist, so wird die Siedezeitperiode länger ausgelegt und der Siedestartzeitpunkt wird vorverlegt. Wenn andererseits die Heißwassermenge, die in dem Tank gespeichert ist, zum Speicherzeitpunkt größer ist, wird die Siedezeitperiode kürzer ausgelegt und der Siedestartzeitpunkt auf einen späteren Zeitpunkt verlegt. Hierfür ist eine Wärmepumpeneinheit im Heißwasserversorgungssystem vorgesehen, um heißes Wasser zu erzeugen, das in zwei Doppelrohrtanks gespeichert wird. In der Wärmepumpeneinheit ist ein Thermistor zur Temperaturerfassung vorgesehen und in den Tanks sind weitere Thermistoren zur Temperaturerfassung entlang der Höhe der beiden Tanks angeordnet. Weiterhin ist ein Temperatureinstellventil vorgesehen, um die Temperatur des heißen Wassers einzustellen, das dem Nutzer durch eine Temperaturwahleinheit zugeführt wird.
Ein herkömmliches Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der obigen Art weist einen Heißwasserbehälter zum Speichern des zuzuführenden heißen Wassers, einen Zirkulationswasserpfad zum Schicken des Wassers in dem unteren inneren Teil zu dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters, eine in dem Zirkulationswasserpfad angeordnete Wärmepumpeneinheit zum Erwärmen des in dem Zirkulationswasserpfad strömenden Wassers auf eine hohe Temperatur, einen aus dem oberen Teil des Heißwasserbehälters heraus geführten Hochtemperatur-Heißwasserpfad zum Zuführen des in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters gespeicherten Hochtemperatur-Heißwassers, wann immer es durch eine externe Vorrichtung gefordert wird, einen aus dem mittleren Teil des Heißwasserbehälters heraus geführten Mitteltemperatur-Heißwasserpfad zum Zuführen des zwischen dem Hochtemperaturwasser in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters und dem Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters gespeicherten Mitteltemperatur-Heißwassers, wann immer es zu einer externen Vorrichtung gefordert wird, einen Wasserzuführpfad zum Nachfüllen von Wasser zu dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters, wenn das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter durch irgendeinen der Heißwasserpfade zu einer externen Vorrichtung zugeführt wird, mehrere Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen, die entlang der Höhe des Heißwasserbehälters angeordnet sind, zum Erfassen der Menge und der Temperatur des in dem Heißwasserbehälter gespeicherten heißen Wassers, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Betriebs der oben genannten Komponenten auf.
In dem herkömmlichen Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart wird der Aufheizsteuervorgang durch Aufheizen der gesamten Menge des heißen Wassers in dem Heißwasserbehälter einschließlich des Restheißwassers für den vorherigen Tag während der Mitternachtszeitzone auf eine Soll-Heißwassertemperatur durchgeführt. In der letzten Stufe des Aufheizvorgangs wird deshalb ein Restheißwasser höherer Temperatur als das Wasser der Wärmepumpeneinheit zugeführt und in ihr erwärmt. Jedoch wird ein Problem in diesem Wärmepumpenheißwasserzuführsystem verursacht, dass, je niedriger die Temperatur des einem Kondensator zum Heizen des Wassers in einem Kühlkreis (Wärmepumpenkreis) zugeführten Wassers ist, umso höher eine Leistungsfähigkeit (Wirkungsgrad) ist. Deshalb wird mit dem Anstieg der Temperatur des zu dem Kondensator zugeführten Wassers, das das meiste des Rest-Mitteltemperatur-Heißwassers darstellt, die Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises unerwünscht verringert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung wurde in Anbetracht des oben beschriebenen Problems des Standes der Technik erzielt und es ist Aufgabe der Erfindung, ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorzusehen, bei dem ein Abfall der Leistungsfähigkeit verhindert wird, während der Aufheizvorgang mit dem in dem Heißwasserbehälter verbleibenden heißen Wasser ausgeführt wird.
Um die oben beschriebene Aufgabe zu lösen, werden die technischen Mittel des ersten bis neunten Aspekts der Erfindung eingesetzt.
Insbesondere ist gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, mit einem Heißwasserbehälter (1) zum Speichern des zuzuführenden heißen Wassers, einem Zirkulationswasserpfad (16) zum Schicken des Wassers in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) zum dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1), einer in dem Zirkulationswasserpfad (16) angeordneten Wärmepumpeneinheit (2) zum Heizen des in dem Zirkulationswasserpfad (16) strömenden Wassers auf eine hohe Temperatur, einem aus dem oberen Teil des Heißwasserbehälters (1) heraus geführten Hochtemperatur-Heißwasserpfad (12) zum Zuführen des in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) gespeicherten Hochtemperatur-Heißwassers zu einer externen Vorrichtung, wann immer es durch die externe Vorrichtung gefordert ist, einem Wasserzuführpfad (11) zum Auffüllen von Wasser zu dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters, wenn das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter (1) durch den Hochtemperatur-Heißwasserpfad (12) der externen Vorrichtung zugeführt wird, mehreren Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e), die entlang der Höhe des Heißwasserbehälters (1) angeordnet sind, zum Erfassen der Menge und der Temperatur des in dem Heißwasserbehälter (1) gespeicherten heißen Wassers, und einer Steuereinrichtung (22) zum Steuern des Betriebs der oben genannten Komponenten, wobei in dem Fall, dass das Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) durch die Wärmepumpeneinheit (2) aufgeheizt wird, die Steuereinrichtung (22) den Aufheizvorgang stoppt und dabei das heiße Wasser in einer Menge lässt, die der Menge des Restheißwassers in dem Heißwasserbehälter (1) entspricht, die durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) erfasst wird.
In dem ersten Aspekt der Erfindung wird, während das Wasser in dem Heißwasserbehälter (1) aufgeheizt wird, das Restheißwasservolumen (W1) in dem Heißwasserbehälter (1) erfasst und dann wird der Aufheizvorgang so gestoppt, dass das heiße Wasser in einer Menge gelassen wird, die dem erfassten Restheißwasservolumen (W1) entspricht. Unter dieser Bedingung bleibt das durch die Wärmepumpeneinheit (2) neu aufgeheizte Wasser in einer Schicht über dem von dem vorherigen Tag übrigen heißen Wasser. Als Ergebnis wird das Mitteltemperatur-Restheißwasser nicht einem Kondensator zugeführt, und deshalb ist eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises verhindert.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchem die Steuereinrichtung den Temperaturgradienten zwischen den Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) aus jeder Erfassungstemperatur der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) schätzt und das Restheißwasservolumen (W1) aus dem Schätzergebnis berechnet.
In diesem Aspekt der Erfindung wird das Restheißwasservolumen (W1) in dem Heißwasserbehälter (1) nicht grob durch die Position und die Erfassungstemperatur jeder Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtung (21a bis 21e) allein erfasst, sondern soll durch Berechnen des Temperaturgradienten zwischen den Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) durch lineare Interpolation jeder Erfassungstemperatur genauer erfasst werden. Als Ergebnis ist der Aufheizvorgang in einem genaueren Maß möglich gemacht und kann exakt gestoppt werden, ohne das Restheißwasser dem Kondensator zuzuführen.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchem die Steuereinrichtung (22) ausgebildet ist, um den Aufheizvorgang bei Verstreichen einer vorbestimmten erforderlichen Aufheizzeitlänge (tn), die aus der Heizkapazität der Wärmepumpeneinheit (2) berechnet wird, zu stoppen. Die aufzuheizende Wassermenge (W2) kann durch exaktes Erfassen des Restheißwasservolumens (W1) und Subtrahieren von dem Gesamtvolumen (WO) des Heißwasserbehälters (1) genau berechnet werden. So wird auch die zum Aufheizen der Wassermenge (W2) auf eine Soll-Heizmenge mit einer vorbestimmten Heizkapazität erforderliche Zeit ebenfalls einfach berechnet. Durch Stoppen des Aufheizvorgangs durch Steuern der Zeit wie in dem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises ohne Zuführen des Mitteltemperatur-Restheißwassers zu dem Kondensator verhindert.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchem die Steuereinrichtung (22) den Aufheizvorgang durch Erfassen einer speziellen Aufheiztemperatur (Tdb) durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) basierend auf der Soll-Aufheiztemperatur (TO) in der Wärmepumpeneinheit (2) gestoppt.
In diesem vierten Aspekt der Erfindung wird eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises ohne Zuführen des Mitteltemperatur-Restheißwassers zu dem Kondensator auch durch Stoppen des Aufheizvorgangs beim Erfassen, dass eine vorbestimmten Temperatur an einer Position entsprechend der Aufheizwassermenge (W2) erreicht ist, verhindert.
Gemäß einem fünften Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchem die Steuereinrichtung (22) den Aufheizvorgang beim Erfassen einer bestimmten Aufheiztemperatur (Tdb) durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) basierend auf der zur Zeit des Startens des Aufheizvorgangs durch die Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) in der Nähe der Grenzschicht zwischen dem heißen Wasser und dem Wasser erfassten Temperatur gestoppt.
Im fünften Aspekt der Erfindung wird der Aufheizvorgang beim Erfassen einer bestimmten Temperatur (Tdb) (d. h. der Temperatur entsprechend dem unteren Ende des Restheißwasservolumens (W1)) durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) in dem unteren Teil des Heißwasserbehälters (1) (d. h. an der Position entsprechend der Aufheizwassermenge (W2) plus dem Restheißwasservolumen (W1)) basierend auf dem Erfassungswert der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtung (21a bis 21e) in der Nähe der Grenzschicht zwischen dem heißen Wasser und dem Wasser beim Starten des Aufheizvorgangs gestoppt. Auch auf diese Weise wird eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises ohne Zuführen des Mitteltemperatur-Restheißwassers zu dem Kondensator verhindert.
Gemäß einem sechsten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchem die Steuereinrichtung (22) eine Soll-Wärmespeichermenge (QO) in dem Heißwasserbehälter (1) aus der vergangenen Heißwasserzufuhrhistorie bestimmt und eine der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) zum Erfassen der bestimmten Aufheiztemperatur (Tdb) sozusagen zum Beurteilen der Aufheizbeendigung gemäß der Soll-Wärmespeichermenge (QO) auswählt.
In diesem sechsten Aspekt der Erfindung wird eine der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) in der Nähe der Position entsprechend der Aufheizwassermenge (W2) oder der Aufheizwassermenge (W2) plus dem Restheißwasservolumen (W1) gemäß der Soll-Wärmespeichermenge (WO) ausgewählt.
Gemäß einem siebten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchen in dem Fall, dass die Soll-Wärmespeichermenge (QO) groß ist, die bestimmte Restheißwassertemperatur (Tdr) zum Beurteilen des Restheißwasservolumens (W1) aus jeder Erfassungstemperatur der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) nach oben geändert wird.
In diesem siebten Aspekt der Erfindung würde, falls die Soll-Wärmespeichermenge (QO) so groß ist, dass sie selbst durch Aufheizen der Aufheizwassermenge (W2) auf die maximale Aufheiztemperatur nicht erzielt werden kann, die Aufheizvorgangszeit tagsüber erhöht werden, falls keine Präventivmaßnahme ergriffen wird. Unter Berücksichtigung der Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Aufheizvorgangs aufgrund des Temperaturanstiegs des zugeführten heißen Wassers und des Unterschieds in den Stromkosten zwischen Tag- und Nachtzeit kann deshalb die bestimmte Restheißwassertemperatur (Tdr) nach oben geändert werden, um dadurch die Menge des Restheißwasservolumens (W1) zu unterschätzen.
Gemäß einem achten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchen in dem Fall, dass die Soll-Speichermenge (QO) groß ist, die durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) erfasste bestimmte Aufheiztemperatur (Tdb) nach oben geändert wird.
In diesem achten Aspekt der Erfindung würde, falls die Soll-Wärmespeichermenge (QO) so groß ist, dass sie selbst durch Aufheizen der Aufheizwassermenge (W2) auf die maximale Aufheiztemperatur nicht erzielt werden kann, die Aufheizvorgangszeit tagsüber erhöht werden, falls keine Präventivmaßnahme ergriffen wird. In Anbetracht dessen wird unter Berücksichtigung der Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Aufheizvorgangs durch den Temperaturanstieg des zugeführten Wassers und dem Unterschied der Stromkosten zwischen Tag- und Nachtzeit die bestimmte Aufheiztemperatur (Tdb) nach oben geändert, um das Erreichen der Soll-Temperatur zu erleichtern.
Gemäß einem neunten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, ferner mit einem etwa aus dem mittleren Teil des Heißwasserbehälters (1) heraus geführten Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13) zum Zuführen des zwischen dem Hochtemperatur-Heißwasser in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) und dem Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) gespeicherten Mitteltemperatur-Heißwassers zu einer externen Vorrichtung, wobei in dem Fall, dass das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter (1) durch die externe Vorrichtung benötigt wird, das Mitteltemperatur-Heißwasser vor dem in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) gespeicherten Hochtemperatur-Heißwasser geliefert wird.
Insbesondere wird das von dem vorherigen Tag übrige heiße Wasser vor dem anderen heißen Wasser benutzt, indem das Mitteltemperatur-Heißwasser von dem Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13) vor dem Hochtemperatur-Heißwasserzuführpfad (12) in dem oberen Teil des Heißwasserbehälters (1) geliefert wird, falls das heiße Wasser von dem mittleren zu dem unteren Teil des Heißwasserbehälters (1) vorhanden ist.
In diesem neunten Aspekt der Erfindung wird das heiße Wasser von durch Strahlung verminderter Temperatur vor dem anderen heißen Wasser verbraucht und deshalb kann die Temperatur des Restheißwassers für den Tag erhöht werden, um dadurch die Wärmespeichermenge in dem Heißwasserbehälter (1) für den nächsten Tag zu erhöhen. Insbesondere wird die Wärmemenge, die während der Mitternachtszeitzone des Stromversorgungsdienstes gespeichert werden kann, vergrößert und deshalb wird der zusätzliche Aufheizvorgang während der teuren Tagzeitzone der Stromversorgung minimiert, um dadurch die Kosten zu verringern.
Gemäß einem zehnten Aspekt der Erfindung ist ein Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart vorgesehen, bei welchem die Steuereinrichtung (22) nur die erforderliche Menge Wasser in dem Heißwasserbehälter (1) aufheizt, falls die Soll-Wärmespeichermenge (QO) klein ist, und auch eine Mischung des heißen Wassers aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13) und des heißen Wassers aus dem Hochtemperatur-Heißwasserzuführpfad (12) liefert, falls das heiße Wasser aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13) die Liefertemperatur nicht erreicht.
In dem zehnten Aspekt der Erfindung kann der Heißwasserbehälter (1) nicht auf die Gesamtkapazität davon aufgeheizt werden, falls die Soll-Wärmespeichermenge (QO) klein ist. In einem solchen Fall wird deshalb das Wasser durch den Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13) strömend gehalten, um sicherzustellen, dass Wasser jedes Mal durch den Heißwasserbehälter (1) läuft, wenn das heiße Wasser geliefert wird. Hierdurch wird verhindert, dass das gleiche heiße Wasser für eine lange Zeit in dem unteren Teil des Heißwasserbehälters (1) bleibt.
Übrigens sollen die Bezugsziffern in Klammern zum Bezeichnen der obigen Einrichtungen die Beziehung zu den speziellen Einrichtungen zeigen, die später in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben werden.
Die vorliegende Erfindung ist aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung der Bauelemente eines Wärmepumpenheißwasserzuführsystems der Heißwasserspeicherart gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 ist ein Flussdiagramm des Steuerprozesses des Aufheizvorgangs der Steuereinheit 22 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 ist ein Flussdiagramm des Steuerprozesses des Aufheizvorgangs der Steuereinheit 22 gemäß einem zweiten und einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Zuerst wird auf ein erstes Ausführungsbeispiel Bezug genommen. 1 ist eine schematische Darstellung eines allgemeinen Aufbaus eines Wärmepumpenheißwasserzuführsystems der Heißwasserspeicherart gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in 1 dargestellt, weist das Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart gemäß diesem Ausführungsbeispiel grob einen Heißwasserbehälter 1 zum Speichern des zuzuführenden heißen Wassers, einen Zirkulationswasserpfad 16 zum Schicken des Wassers in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 zu dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1, und eine in dem Zirkulationswasserpfad 16 angeordnete Wärmepumpeneinheit 2 zum Heizen des in dem Zirkulationswasserpfad 16 strömenden Wassers auf ein Hochtemperatur-Heißwasser auf.
Der Heißwasserbehälter 1 ist mit einem aus dem oberen Teil des Heißwasserbehälters 1 heraus geführten Hochtemperatur-Heißwasserzuführpfad 12 zum Zuführen des in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 gespeicherten Hochtemperatur-Heißwassers zu einer externen Vorrichtung, wenn das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter 1 von der externen Vorrichtung benötigt wird, einem aus dem mittleren Teil des Heißwasserbehälters heraus geführten Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad 13 zum Zuführen des zwischen dem Hochtemperatur-Heißwasser in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 und dem Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 gespeicherten Mitteltemperatur-Heißwassers zu einer externen Vorrichtung, wenn das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter 1 von der externen Vorrichtung benötigt wird, und einem Wasserzuführpfad 11 zum Nachfüllen von Wasser zu dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1, wenn das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter 1 durch irgendeinen der Heißwasserzuführpfade 12 und 13 zu einer externen Vorrichtung zugeführt wird, verbunden.
Der Heißwasserbehälter 1 enthält auch mehrere Wasserpegelsensoren (Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen) 21a bis 21e, die entlang der Höhe des Heißwasserbehälters 1 angeordnet sind, zum Erfassen der Menge und der Temperatur des heißen Wassers in dem Heißwasserbehälter 1, und eine Steuereinheit (Steuereinrichtung) 22 zum Steuern des Betriebs dieser Komponenten.
Der Heißwasserbehälter 1 ist aus einem Metall (wie beispielsweise rostfreier Stahl) von hoher Korrosionsbeständigkeit und mit einem nicht-dargestellten Isolationselement, das die Wärme des Hochtemperatur-Heißwassers für eine lange Zeit halten kann, an dem Außenumfang davon angeordnet gemacht. Der Heißwasserbehälter 1 ist als ein vertikal langes Rechteck ausgebildet und besitzt einen Wassereinlass 11a in seinem Boden. Dieser Wassereinlass 11a ist mit einem Wasserpfad 11 zum Leiten des Zapfwassers in den untersten inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 verbunden.
Der Wasserpfad 11 enthält darin einen Wasserthermistor 17, der eine Temperaturerfassungseinrichtung bereitstellt, welche die Informationen über die Temperatur in dem Wasserpfad 11 zu einer später beschriebenen Steuereinheit 22 ausgibt. Ebenso enthält der Wasserpfad 11 ein nicht-dargestelltes Reduktionsventil zum Regulieren des Drucks des in den Wasserpfad 11 geleiteten Zapfwassers auf ein vorbestimmtes Niveau. Der Teil des Wasserpfades 11 stromab des Wasserthermistors 17 und des Reduktionsventils ist mit einem Mischventil 14 durch einen Bypasskanal 11b verbunden.
Ein Hochtemperatur-Heißwasserauslass 12a ist in dem obersten Teil des Heißwasserbehälters 1 ausgebildet, und ein Hochtemperatur-Wasserpfad 12 zum Leiten des in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 gespeicherten Hochtemperatur-Heißwassers ist mit dem Hochtemperatur-Heißwasserauslass 12a verbunden. Ein Mitteltemperatur-Heißwasserauslass 13a, der einen stromaufwärtigen Endabschnitt des Heißwasserpfades bereitstellt, ist an dem mittleren Teil der Seitenfläche des Heißwasserbehälters 1 angeordnet. Ein Mitteltemperatur-Heißwasserpfad 13, welcher das zwischen dem Hochtemperatur-Heißwasser in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 und dem Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 gespeicherte Mitteltemperatur-Heißwasser zu einer externen Vorrichtung leitet, ist mit dem Mitteltemperatur-Heißwasserauslass 13a verbunden.
Der Mitteltemperatur-Heißwasserpfad 13 hat darin ein erstes Mischventil 14 zum Mischen des von dem Bypasskanal 11b zugeführten Zapfwassers und des aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserauslass 13a heraus geführten Mitteltemperatur-Heißwassers auf eine vorbestimmte Temperatur angeordnet. Der Auslass des ersten Mischventils 14 ist zur Verbindung mit einem der Einlässe eines später beschriebenen zweiten Mischventils 15 verbunden und wird durch die später beschriebene Steuereinheit 22 gesteuert. Ein Mitteltemperatur-Thermistor 18, der eine Temperaturerfassungseinrichtung vorsieht, ist zwischen dem ersten Mischventil 14 und dem Mitteltemperatur-Heißwasserauslass 13a angeordnet, sodass die Temperaturinformation über das aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserauslass 13a heraus geführte Mitteltemperatur-Heißwasser zu der Steuereinheit 22 ausgegeben wird.
Das zweite Mischventil ist ein Temperaturregelventil zum Regeln der Temperatur des einem nicht-dargestellten Heißwasserhahn zugeführten heißen Wassers und ist an dem Zusammenfluss des Bypasskanals 11b, des ersten Mischventils 14, des Mitteltemperatur-Heißwasserpfades 13 und des Hochtemperatur-Heißwasserpfades 12 angeordnet. Das Mischverhältnis zwischen dem heißen Wasser aus dem Hochtemperatur-Heißwasserpfad 12 und dem heißen Wasser aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserpfad 13 oder dem Zapfwasser aus den Bypasskanälen 11b kann durch Einstellen des Öffnungsbereichsverhältnisses des zweiten Mischventils 15 eingestellt werden.
Ein Hochtemperatur-Thermistor 19, der eine Temperaturerfassungseinrichtung vorsieht, ist zwischen dem zweiten Mischventil 15 und dem Hochtemperatur-Heißwasserauslass 12a angeordnet. So wird die Temperaturinformation über das aus dem Hochtemperatur-Heißwasserauslass 12a heraus geführte Hochtempertur-Heißwasser zu der später beschriebenen Steuereinheit 22 ausgegeben. Ein Heißwasser-Thermistor 20, der eine Temperaturerfassungseinrichtung vorsieht, ist stromab des zweiten Mischventils 15 angeordnet, sodass die Temperaturinformation über das von dem zweiten Mischventil 15 zugeführte heiße Wasser zu der Steuereinheit 22 ausgegeben wird.
Die Auslassseite des Hochtemperatur-Heißwassermischventils 15 steht mit einem Heißwasserhahn, einer Dusche, einem Badewannenwasserhahn, nicht dargestellt, einer Küche, einer Toilette, usw. in Verbindung. Das erste Mischventil 14 und das zweite Mischventil 15 sind beides elektrisch betätigte Ventile, deren Ventilkörper durch eine Antriebsquelle wie beispielsweise einen Servomotor zum Einstellen der Öffnung jedes Pfades angetrieben wird. Diese Ventile funktionieren als Reaktion auf ein Steuersignal von der später beschriebenen Steuereinheit 22, und die Betriebszustände dieser Ventile werden an die Steuereinheit 22 ausgegeben.
Eine Ansaugöffnung 16a zum Ansaugen von Wasser aus dem untersten inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 ist an dem unteren Teil des Heißwasserbehälters 1 angeordnet. Eine Ausgabeöffnung 16b zum Ausgeben des heißen Wassers in den obersten inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 ist an dem oberen Teil des Heißwasserbehälters 1 angeordnet. Die Ansaugöffnung 16a und die Ausgabeöffnung 16b sind miteinander durch den Zirkulationswasserpfad 16 verbunden, und ein Teil des Zirkulationswasserpfades 16 ist in der Wärmepumpeneinheit 2 angeordnet.
Die Wärmepumpeneinheit 2 ist aus einem Wärmepumpenkreis, der Kohlendioxid (CO₂) mit einer niedrigen kritischen Temperatur als Kältemittel verwendet, einem Zirkulationswasserpfad 16 zum Zirkulieren des Wassers von dem unteren Teil des Heißwasserbehälters 1 und Rückführen des durch den Wärmepumpenkreis erhitzten Wassers zu dem oberen Teil des Heißwasserbehälters 1, und einer in dem Zirkulationswasserpfad 16 angeordneten Wasserzuführpumpe 9 aufgebaut. Eine überkritische Wärmepumpe kann ein heißes Wasser höherer Temperatur (z. B. etwa 85 bis 90°C) als der gewöhnliche Wärmepumpenkreis in dem Heißwasserbehälter 1 speichern. Die Wärmepumpeneinheit 2 wird durch ein Steuersignal von der Steuereinheit 22 betätigt und die Betriebszustände der Wärmepumpeneinheit 2 werden an die Steuereinheit 22 ausgegeben.
Der Wärmepumpenkreis ist aus einem elektrisch betriebenen Kompressor 3, einem Wasser/Kältemittel-Wärmetauscher 4, einem elektrischen Expansionsventil 5 und einem Luft-Wärmetauscher 6 aufgebaut, die durch ein Kältemittelrohr in dieser Reihenfolge verbunden sind. Der Kompressor 3 ist ein motorgetriebener Kältemittelkompressor, der durch einen nicht dargestellten eingebauten Elektromotor drehend in einer solchen Weise angetrieben wird, dass das von dem Luft-Wärmetauscher 6 angesaugte Kältemittel auf einen höheren Druck als der kritische Druck komprimiert und ausgegeben wird.
Unter Verwendung des in der Mitternachtszeitzone des Stromversorgungsdienstes zugeführten Wechselstroms als billigste Energiequelle wird der Wärmeregenerationsbetrieb durchgeführt, um das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter 1 aufzuheizen. Nichtsdestotrotz wird der Aufheizbetrieb auch tagsüber ausgeführt, wann immer die Temperatur des heißen Wassers in dem obersten inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 fällt. Die Drehzahl des Kompressors 3 wird durch die Steuereinheit 22 so gesteuert, um eine spezielle Kapazität unter verschiedenen Betriebszuständen zu zeigen. Das elektrische Expansionsventil 5 ist eine Vorrichtung zum Reduzieren des Drucks des aus dem Wasser/Kältemittel-Wärmetauscher 4 ausströmenden Hochdruck-Kältemittels, und der Ventilöffnungsgrad davon wird durch die Steuereinheit 22 elektrisch gesteuert.
In dem Luft-Wärmetauscher 6 wird das durch das elektrische Expansionsventil 5 im Druck reduzierte Kältemittel durch Wärmeaustausch mit der ihm durch einen nicht dargestellten Lüfter zugeführten Außenluft für den Luft-Wärmetauscher verdampft und das gasförmige Kältemittel wird dem Kompressor 3 zugeführt. Die Drehzahl des Lüfters wird durch die Steuereinheit 22 in einer solchen Weise gesteuert, dass die Wärmetauschleistung des Luft-Wärmetauschers 6 sichergestellt ist.
Der Wasser/Kältemittel-Wärmetauscher 4 dient dem Umwandeln von Wasser in heißes Wasser durch Erhöhen dessen Temperatur durch das aus der Ausgabeöffnung des Kompressors 3 ausgegebene Hochdruck-Hochtemperatur-Kältemittel. Der kältemittelseitige Wärmetauscher 4a in dem Wasser/Kältemittel-Wärmetauscher 4 ist aus einem Kältemittelrohr zum Wärmeaustausch zwischen dem heißen Wasser und dem von der Ausgabeöffnung des Kompressors 3 ausgegebenen Hochdruck-Gaskältemittel aufgebaut. Der Wasser/Kältemittel-Wärmetauscher 4 hat eine Doppellagenkonstruktion, bei der eine erste Endfläche des kältemittelseitigen Wärmetauschers 4a eng an einer zweiten Endfläche des wasserseitigen Wärmetauschers 4b in einer einen Wärmeaustausch erlaubenden Weise angebracht ist.
Der Heißwasserzuführwärmetauscher 4b ist so aufgebaut, dass Wärme zwischen dem Kältemittel und dem heißen Wasser über die gesamte Länge des von dem Kältemitteleinlass zu dem Kältemittelauslass des kältemittelseitigen Wärmetauschers 4a führenden Kältemittelpfades ausgetauscht wird. Gemäß diesem Aufbau zeigt sich eine spezielle Wärmetauschleistung, falls das heiße Wasser entsprechend der Heißwassertemperatur (etwa 65 bis 90°C) aus dem Auslass des wasserseitigen Wärmetauschers 4b wiedergewonnen wird. Der Zirkulationswasserpfad 16 ist eine Zirkulationsleitung, die aus dem wasserseitigen Wärmetauscher (Wärmequelle) 4b in dem Wasser/Kältemittel-Wärmetauscher 4, dem Heißwasserbehälter 1 und der Wasserpumpe 9 aufgebaut ist, die in dieser Reihenfolge durch ein Heißwasserspeicherrohr verbunden sind.
Die Wasserpumpe 9 ist in der Mitte des Zirkulationswasserpfades 9 angeordnet und durch einen nicht dargestellten eingebauten Elektromotor drehend angetrieben. Diese Wasserpumpe 9 arbeitet in einer solchen Weise, dass das in dem wasserseitigen Wärmetauscher 4b erwärmte heiße Wasser während des Aufheizbetriebs zu dem Heißwasserbehälter 1 zurück strömt. Die Drehzahl der Wasserpumpe 9 wird durch die Steuereinheit 22 in einer solchen Weise gesteuert, dass die Wassertemperatur am Auslass des wasserseitigen Wärmetauschers 4b eine Soll-Aufheiztemperatur erreicht, die unter verschiedenen Betriebsbedingungen vorbestimmt ist.
Die Bezugsziffer 7a bezeichnet einen Ausgabekältemittel-Temperaturthermistor zum Erfassen der Temperatur des von dem Kompressor 3 ausgegebenen Kältemittels, und die Bezugsziffer 7b einen Auslasskältemittel-Temperaturthermistor zum Erfassen der Kältemitteltemperatur am Auslass des Wasser/Kältemittel-Wärmetauschers 4 (kältemittelseitiger Wärmetauscher 4a). Die Bezugsziffer 8a bezeichnet einen Einströmwasser-Temperaturthermistor zum Erfassen der Temperatur des dem Wasser/Kältemittel-Wärmetauscher 4 (wasserseitiger Wärmetauscher 4b) zugeführten Wassers. Die Bezugsziffer 8b bezeichnet einen Aufheiztemperaturthermistor zum Erfassen der Aufheiztemperatur am Auslass des Wasser/Kältemittel-Wärmetauschers 4 (wasserseitiger Wärmetauscher 4b). Diese Thermistoren geben alle den Temperaturgradienten an die Steuereinheit 22 aus.
Mehrere (fünf in dem gezeigten Fall) Wasserniveau-Thermistoren 21a bis 21e, die Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen zum Erfassen der Menge und der Temperatur des gespeicherten heißen Wassers vorsehen, sind im Wesentlichen äquidistant in der vertikalen Richtung (entlang der Höhe des Heißwasserbehälters 1) an der Außenwandfläche des Heißwasserbehälters 1 angeordnet. Die Wasserniveau-Thermistoren 21a bis 21e geben die Informationen über die Temperatur bei jedem Wasserniveau des heißen Wassers oder des in den Heißwasserbehälter 1 gefüllten Wassers an die später beschriebene Steuereinheit 22 aus. So kann die Steuereinheit 22 basierend auf den Temperaturinformationen von den Wasserniveau-Thermistoren 21a bis 21e die Grenzposition zwischen dem aufgeheizten heißen Wasser in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 und dem noch aufzuheizenden Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 und dadurch die gespeicherte Heißwassermenge erfassen.
Der Wasserniveau-Thermistor 21a ist an der Außenwandfläche am obersten Teil des Heißwasserbehälters 1 angeordnet und hat auch die Funktion eines Heißwasserlieferthermistors, um die Temperatur des heißen Wassers in dem obersten inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 zu erfassen, die gleich der Temperatur des in den Hochtemperatur-Heißwasserauslass 12a gegebenen Hochtemperatur-Heißwassers ist. Der Wasserniveau-Thermistor 21c ist im Wesentlichen bündig mit dem oben beschriebenen Mitteltemperatur-Heißwasserauslass 13a angeordnet. Als Ergebnis hat der Wasserniveau-Thermistor 21c auch die Funktion eines Heißwasserlieferthermistors zum Erfassen der Temperatur des aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserauslass 13a heraus geführten heißen Wassers.
Die Bezugsziffer 22 bezeichnet eine Steuereinheit, die eine Steuereinrichtung zum Steuern der Wärmepumpeneinheit 2, des ersten Mischventils 14 und des zweiten Mischventils 15 basierend auf den Temperaturinformationen von den Thermistoren 17 bis 20, 21a bis 21e und den Signalen von dem Betriebsschalter an einer nicht dargestellten Steuertafel vorsieht. Die nicht dargestellte Steuertafel ist in der Nähe eines Platzes angeordnet, wo das heiße Wasser benutzt wird, im Bad, in der Küche, usw.. Anderer Teile als die Steuertafel sind an geeigneten Plätzen einschließlich Außenpunkten installiert.
Die Funktionsweise des Wärmepumpenheißwasserzuführsystems der Heißwasserspeicherart mit dem oben beschriebenen Aufbau wird nun erläutert. Falls der nicht dargestellte Energieschalter für das Heißwasserzuführsystem eingeschaltet wird, startet die Steuereinheit 22 basierend auf dem Temperaturinformationen von den in dem Heißwasserbehälter 1 angeordneten Thermistoren oder der durch die nicht dargestellte Steuertafel eingestellten Zeitinformationen die Wärmepumpeneinheit 2 geeignet und heizt das Wasser in dem Heißwasserbehälter 1 auf Hochtemperatur-Heißwasser (z. B. etwa 85°C).
2 ist ein Flussdiagramm des Steuerprozesses des Aufheizbetrieb der Steuereinheit 22 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. In dem Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird, sobald die Mitternachtszeitzone des Stromversorgungsdienstes beginnt oder sonst ein den Aufheizbetrieb erlaubender Zustand erreicht wird, zuerst Schritt S1 ausgeführt, um eine Soll-Heizspeichermenge QO aus der vergangenen Heißwasserzuführhistorie, usw. zu bestimmen. Gleichzeitig werden die Menge und die Temperatur des in dem Heißwasserbehälter 1 zu dem bestimmten Zeitpunkt verbleibenden heißen Wassers (Restheißwassermenge W1 und Restheißwassertemperatur) durch die Wasserniveausensoren 21a bis 21e erfasst und aus den Messwerten davon wird die Wärmemenge Q1 des Restheißwassers berechnet.
Die Wärmemenge Q1 des Restheißwassers wird von der schon bestimmten Soll-Wärmespeichermenge QO abgezogen, um dadurch die Soll-Aufheizwärmemenge Q2 zu bestimmen. Ebenso wird die Restheißwassermenge W1 von dem Gesamtvolumen WO des Heißwasserbehälters 1 abgezogen, um die Aufheizwassermenge W2 zu berechnen. Die Soll-Wärmemenge Q2 wird durch die Aufheizwassermenge W2 geteilt, und die Wassertemperatur wird dem Quotienten hinzugefügt, um dadurch die Soll-Aufheiztemperatur TO zu berechnen. Die erforderliche Aufheizzeit tn wird berechnet, um die Aufheizwassermenge W2 bei der aktuellen Wassertemperatur auf die Soll-Aufheiztemperatur TO durch die Heizleistung der Wärmepumpeneinheit 2 aufzuheizen. Die aktuelle Aufheizstartzeit wird durch Rückwärtsrechnen der erforderlichen Aufheizzeit tn in einer solchen Weise bestimmt, dass der Aufheizvorgang am Ende der Mitternachtszeitzone des Stromversorgungsdienstes, wenn der Niedrigpreisstrom erhältlich ist, beendet ist.
Als nächstes beurteilt Schritt S2, ob die Aufheizstartzeit erreicht ist oder nicht. Falls das Ergebnis „N” ist, was angibt, dass die Aufheizstartzeit noch nicht erreicht ist, werden die Schritte S1 und S2 wiederholt, um die Aufheizbetriebsbedingungen neu zu berechnen, während auf die Aufheizstartzeit gewartet wird. Wenn die Beurteilung in Schritt S2 einmal zu „J” wird, was angibt, dass die Aufheizstartzeit erreicht ist, geht der Prozess weiter zu Schritt S3, um dadurch den Aufheizvorgang zu starten. In Schritt S4 wird der Aufheizvorgang fortgesetzt, bis die Bedingungen zum Beenden des Aufheizvorgangs erfüllt sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel geht der Prozess bei Verstreichen der in Schritt S1 berechneten erforderlichen Aufheizzeit tn weiter zu Schritt S5, wo der Aufheizvorgang gestoppt wird.
Die Merkmale dieses Ausführungsbeispiels werden nun beschrieben. Zuerst stoppt die Steuereinheit 22 nach dem Aufheizen des Wassers in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 durch die Wärmepumpeneinheit 2 den Aufheizvorgang, wobei die Heißwassermenge entsprechend dem Restheißwasservolumen W1 in dem Heißwasserbehälter 1, das durch die Wasserniveausensoren 21a bis 21e erfasst wird, verbleibt. Auf diese Weise wird das Wasser in dem Heißwasserbehälter 1 in einer solchen Weise aufgeheizt, dass das Restheißwasservolumen W1 in dem Heißwasserbehälter erfasst wird, woraufhin der Aufheizvorgang fortgesetzt und dann gestoppt wird, wenn das in einer Menge entsprechend dem erfassten Restheißwasservolumen W1 entsprechenden Menge verbleibt. Zu diesem Zeitpunkt ist das heiße Wasser in solchen Schichten gespeichert, dass das durch die Wärmepumpeneinheit 2 neu aufgeheizte heiße Wasser über dem heißen Wasser von dem vorangegangenen Tag liegt. Als Ergebnis wird das Mitteltemperatur-Restheißwasser nicht dem Kondensator zugeführt und eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises wird verhindert.
Die Steuereinheit 22 schätzt den Temperaturgradienten zwischen den Wasserniveausensoren 21a bis 21e aus jeder erfassten Temperatur der Wasserniveausensoren 21a bis 21e, und das Ergebnis der Schätzung wird benutzt, um das Restheißwasservolumen W1 zu berechnen. Das Restheißwasservolumen W1 wird nicht grob durch die Position und die erfasste Temperatur der Wasserniveausensoren 21a bis 21e allein bestimmt. Statt dessen wird der Temperaturgradient zwischen den Wasserniveausensoren 21a bis 21e durch Linearinterpolationen von jeder erfassten Temperatur der Wasserniveausensoren 21a bis 21e berechnet, um dadurch das Restheißwasservolumen W1 in dem Heißwasserbehälter 1 exakt zu berechnen. Auf diese Weise ist der Aufheizvorgang mit höherer Genauigkeit möglich gemacht, während es gleichzeitig möglich gemacht wird, den Aufheizvorgang genauer in einer Weise zu stoppen, die das Restheißwasser nicht dem Kondensator zuführt.
Die Steuereinheit 22 stoppt den Aufheizvorgang bei Verstreichen der aus der Heizleistung der Wärmepumpeneinheit 2 berechneten erforderlichen Aufheizzeit tn. Die Aufheizwassermenge W2 kann durch exaktes Erfassen des Restheißwasservolumens W1 und Abziehen von dem Gesamtvolumen WO des Heißwasserbehälters 1 exakt berechnet werden. Es ist deshalb einfach, die zum Aufheizen der Wassermenge W2 auf die Soll-Wärmemenge durch eine vorbestimmte Heizleistung erforderliche Zeit zu berechnen. Auch in dem Fall, dass die Zeit zum Stoppen des Aufheizvorgangs gesteuert wird, wird deshalb das Mitteltemperatur-Restheißwasser nicht dem Kondensator zugeführt und eine Verschlechterung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises kann verhindert werden. Um die Heizleistung der Wärmepumpeneinheit 2 sicherzustellen, wird die Drehzahl des Kompressors 3 durch die Umgebungstemperatur und die Kältemittelverdampfungstemperatur des Luft-Wärmetauschers 6 bestimmt.
Auch weist das System, um das zwischen dem Hochtemperatur-Heißwasser in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 und dem Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 gespeicherte Mitteltemperatur-Heißwasser einer externen Vorrichtung zuzuführen, einen aus dem mittleren Teil des Heißwasserbehälters 1 heraus geführten Mitteltemperatur-Heißwasserpfad 13 auf. Auch wird in dem Fall, dass die externe Vorrichtung das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter 1 benötigt, das Mitteltemperatur-Heißwasser vor dem in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 gespeicherten Hochtemperatur-Heißwasser geliefert.
Das Restheißwasser von dem vorangegangenem Tag wird vor dem anderen heißen Wasser benutzt. Falls heißes Wasser in dem mittleren bis unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 bleibt, wird deshalb das heiße Wasser aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserpfad 13 an dem mittleren Teil vor dem Hochtemperatur-Heißwasserpfad 12 in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 geliefert. Dieser Vorverbrauch des Restheißwassers durch Strahlung reduzierter Temperatur macht es möglich, die Temperatur des Restheißwassers für den Tag zu erhöhen, um dadurch zu einer verbesserten Wärmespeichermenge des Heißwasserbehälters 1 für den nächsten Tag zu führen. Mit anderen Worten wird die während der Mitternachtszeitzone des Stromversorgungsdienstes gespeicherte Wärmemenge auf ein solches Maß erhöht, dass der zusätzliche Aufheizvorgang während der teuren Tageszeit des Stromversorgungsdienstes minimiert werden kann. Als Ergebnis können die Kosten niedrig gehalten werden.
Die Steuereinheit 22 arbeitet so, dass in dem Fall, dass die Soll-Wärmespeichermenge QO klein ist, nur die erforderliche Menge in dem Heißwasserbehälter 1 aufgeheizt wird, während in dem Fall dagegen, dass das heiße Wasser aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserpfad 13 nicht die Heißwasserliefertemperatur erreicht, das heiße Wasser aus dem Mitteltemperatur-Wasserpfad 13 und das heiße Wasser aus dem Hochtemperatur-Heißwasserpfad 12 miteinander vermischt und geliefert werden. Falls die Soll-Wärmespeichermenge QO klein ist, muss nicht die gesamte Menge in dem Heißwasserbehälter 1 aufgeheizt werden, und deshalb wird das Wasser weiter durch den Mitteltemperatur-Heißwasserpfad 13 geleitet, um sicherzustellen, dass immer, wenn heißes Wasser geliefert wird, das Wasser durch den Heißwasserbehälter 1 läuft. Hierdurch wird verhindert, dass das gleiche heiße Wasser für einen lange Zeit in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters 1 bleibt.
Als nächstes wird das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. 3 ist ein Flussdiagramm des Steuerprozesses des Aufheizvorgangs der Steuereinheit 22 gemäß dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel nur darin, dass Schritt S1 durch Schritt S11 ersetzt ist, und die anderen Schritte sind identisch zu den entsprechenden Schritten des ersten Ausführungsbeispiels (2). Zuerst wird in Schritt S11 die Soll-Wärmemenge QO aus der vergangenen Historie der Heißwasserzufuhr bestimmt. Gleichzeitig wird die vorhandene Restheißwasserkapazität (die Restheißwassermenge W1 und die Restheißwassertemperatur) in dem Heißwasserbehälter 1 durch die Wasserniveausensoren 21a bis 21e erfasst und aus diesem Messwert wird die Wärmemenge Q1 des Restheißwassers berechnet. Die durch Subtrahieren der Restheißwasserwärmemenge Q1 von der früher bestimmten Soll-Wärmespeichermenge QO erhaltene Wärmemenge wird als eine Soll-Aufheizwärmemenge Q2 gesetzt.
Auch wird die durch Subtrahieren der Restheißwassermenge WO von dem Gesamtvolumen WO des Heißwasserbehälters 1 erhaltene Wassermenge als eine Aufheizwassermenge W2 bestimmt. Die zuvor berechnete Soll-Aufheizwärmemenge Q2 wird durch diese Aufheizwassermenge W2 geteilt und der Quotient wird der Wasserzuführtemperatur hinzugefügt, um dadurch die Soll-Aufheiztemperatur TO zu berechnen. Als nächstes wird einer der Wasserniveausensoren 21a bis 21e in der Nähe der Position entsprechend der oben berechneten Aufheizwassermenge W2 ausgewählt, während gleichzeitig eine spezielle Aufheiztemperatur Tdb basierend auf der Soll-Aufheiztemperatur TO für die Wasserpumpeneinheit, die durch den speziellen Wasserniveausensor erfasst wird, bestimmt wird. Beim Bestimmen der tatsächlichen Aufheizstartzeit wird die erforderliche Aufheizzeit tn in der gleichen Weise wie im ersten Ausführungsbeispiel berechnet. Insbesondere wird die erforderliche Aufheizzeit tn in einer solchen Weise rückgerechnet, dass der Aufheizvorgang am Ende der kostengünstigen Mitternachtszeitzone des Stromversorgungsdienstes beendet ist.
Dann beurteilt Schritt S2, ob die Aufheizstartzeit erreicht ist oder nicht. Falls die Beurteilung „N” ist und die Aufheizstartzeit noch nicht erreicht ist, werden die Schritte S1 und S2 wiederholt, um die Aufheizbetriebsbedingungen neu zu berechnen, während auf die Aufheizstartzeit gewartet wird. Wenn die Beurteilung in Schritt S2 einmal zu „J” wird und die Aufheizstartzeit erreicht ist, geht der Prozess weiter zu Schritt S3, um den Aufheizvorgang zu starten. In Schritt S4 wird der Aufheizvorgang fortgesetzt, bis die Bedingungen zum Beenden des Aufheizvorgangs erfüllt sind. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel geht der Prozess weiter zu Schritt S5, wenn die in Schritt S1 bestimmte spezielle Aufheiztemperatur Tdb durch den in Schritt S1 ausgewählten Wasserniveausensor erfasst wird, um den Aufheizvorgang zu stoppen.
Die Merkmale dieses Ausführungsbeispiels werden nun beschrieben. Zuerst stoppt die Steuereinheit 22 den Aufheizvorgang sobald die spezielle Aufheiztemperatur Tdb, die basierend auf der Soll-Aufheiztemperatur TO in der Wärmepumpeneinheit 2 bestimmt ist, durch einen vorbestimmten der Wasserniveausensoren 21a bis 21e erfasst wird. Auch in dem Fall, dass der Aufheizvorgang beim Erfassen einer vorbestimmten Temperatur an einer Position entsprechend der Aufheizwassermenge W2 gestoppt wird, kann die Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises ohne Zuführen des Mitteltemperatur-Restheißwassers zu dem Kondensator verhindert werden.
Auch bestimmt die Steuereinheit 22 die Soll-Wärmespeichermenge QO in dem Heißwasserbehälter 1 aus der vergangenen Heißwasserzuführhistorie und wählt einen der Wasserniveausensoren 21a bis 21e zum Erfassen der speziellen Aufheiztemperatur Tdb entsprechend der Soll-Wärmespeichermenge QO, d. h. zum Beurteilen des Endes des Aufheizvorgangs aus. Auf diese Weise wird einer der Wasserniveausensoren 21a bis 21e in der Nähe einer Position entsprechend der Aufheizwassermenge W2 gemäß der Soll-Wärmespeichermenge QO in der oben beschriebenen Weise ausgewählt.
Falls die Soll-Wärmespeichermenge QO groß ist, wird die spezielle Restheißwassertemperatur Tdr zum Beurteilen des Restheißwasservolumens W1 aus jeder Erfassungstemperatur der Wasserniveausensoren 21a bis 21e nach oben geändert. Hierdurch würde, falls die Soll-Wärmespeichermenge QO so groß ist, dass sie nicht erreicht werden kann, selbst wenn die Aufheizwassermenge W2 auf die maximale Aufheiztemperatur aufgeheizt wird, die Aufheizbetriebszeit tagsüber verlängert werden, falls keine Gegenmaßnahme getroffen wird. Unter Berücksichtigung der reduzierten Leistungsfähigkeit des Aufheizvorgangs durch die erhöhte Wassertemperatur und dem Unterschied der Stromkosten zwischen Tag und Nacht kann die spezielle Restheißwassertemperatur Tdr nach oben geändert werden, um dadurch das Restheißwasservolumen W1 moderat zu schätzen.
Als Alternative wird, falls die Soll-Wärmespeichermenge QO groß ist, die durch einen bestimmten der Wasserniveausensoren 21a bis 21e erfasste spezielle Aufheiztemperatur Tdb nach unten geändert. Hierdurch würde, falls die Soll-Wärmespeichermenge QO so groß ist, dass sie nicht erreicht werden kann, selbst wenn die Aufheizwassermenge W2 auf die maximale Aufheiztemperatur aufgeheizt wird, die Aufheizbetriebszeit tagsüber vergrößert werden, falls keine Gegenmaßnahme getroffen wird. Unter Berücksichtigung der reduzierten Leistungsfähigkeit des Aufheizvorgangs durch die erhöhte Wassertemperatur und des Unterschieds der Stromkosten zwischen Tag und Nacht wird deshalb die spezielle Aufheiztemperatur Tdb nach oben geändert, um dadurch das Erreichen der Soll-Temperatur zu vereinfachen.
Es wird nun ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert. 3 ist ein Flussdiagramm des Steuerprozesses des Aufheizvorgangs der Steuereinheit 22 gemäß dem zweiten und dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel nur in dem Verfahren des Erfassens der speziellen Aufheiztemperatur Tdb.
Insbesondere wird in dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel der Aufheizvorgang beim Erfassen des Erreichens der speziellen Aufheiztemperatur Tdb (d. h. der Temperatur entsprechend dem unteren Ende des neu aufgeheizten heißen Wassers), die basierend auf der Soll-Aufheiztemperatur TO in der Wärmepumpeneinheit 2 an einer Position entsprechend der Aufheizwassermenge W2 bestimmt wird, gestoppt. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel nur darin, dass der Aufheizvorgang beim Erfassen der speziellen Aufheiztemperatur Tdb (d. h. die Temperatur entsprechend dem unteren Ende des Restheißwasservolumens W1) gestoppt wird, die basierend auf dem Messwert der Wasserniveausensoren 21a bis 21e in der Nähe der Grenzschicht zwischen heißem Wasser und Wasser beim Starten des Aufheizvorgangs an einer Position entsprechend der Aufheizwassermenge W2 plus dem Restheißwasservolumen W1 bestimmt wird.
Die Merkmale dieses Ausführungsbeispiels werden erläutert. Zuerst stoppt die Steuereinheit 22 den Aufheizvorgang beim Erfassen der speziellen Aufheiztemperatur Tdb durch einen bestimmten der Wasserniveausensoren 21a bis 21e, die basierend auf den Messwerten der Wasserniveausensoren 21a bis 21e in der Nähe der Grenzschicht zwischen dem heißen Wasser und dem kalten Wasser zur Zeit des Startens des Aufheizvorgangs bestimmt wird. In diesem Fall wird der Aufheizvorgang beim Erfassen der speziellen Temperatur Tdb (d. h. der Temperatur entsprechend dem unteren Ende des Restheißwasservolumens W1) basierend auf dem Messwert der Wasserniveausensoren 21a bis 21e in der Nähe der Grenzschicht zwischen dem heißen Wasser und dem Wasser beim Starten des Aufheizvorgangs durch einen vorbestimmten der Wasserniveausensoren 21a bis 21e in dem unteren Teil des Heißwasserbehälters 1 (d. h. an der Position entsprechend der Aufheizwassermenge W2 plus dem Restheißwasservolumen W1) gestoppt. Auch auf diese Weise kann die Reduzierung der Leistungsfähigkeit des Wärmepumpenkreises ohne Zuführen des Mitteltemperatur-Restheißwassers zu dem Kondensator verhindert werden.
Ferner bestimmt die Steuereinheit 22 die Soll-Wärmespeichermenge QO in dem Heißwasserbehälter 1 aus der vergangenen Heißwasserzuführhistorie, während gleichzeitig die spezielle Aufheiztemperatur Tdb erfasst wird und so einer der Wasserniveausensoren 21a bis 21e zum Beurteilen des Endes des Aufheizvorgangs gemäß der Soll-Wärmespeichermenge QO ausgewählt wird. Auf diese Weise wird einer der Wasserniveausensoren 21a bis 21e in der Nähe einer Position entsprechend der Aufheizwassermenge W2 plus dem Restheißwasservolumen W1 gemäß der Soll-Wärmespeichermenge QO ausgewählt.
Schließlich werden weitere Ausführungsbeispiele erläutert. Obwohl der Nachtstrom als Energiezufuhr der Wärmepumpeneinheit 2 gemäß den obigen Ausführungsbeispielen benutzt wird, kann auch der tagsüber zugeführte Wechselstrom verwendet werden.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele zu Veranschaulichungszwecken beschrieben worden ist, sollte es offensichtlich sein, dass zahlreiche Modifikationen daran durch den Fachmann durchgeführt werden können, ohne das Grundkonzept und den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart, mit einem Heißwasserbehälter (1) zum Speichern des zuzuführenden heißen Wassers darin; einem Zirkulationswasserpfad (16) zum Befördern des Wassers in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) zu dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1); einer in dem Zirkulationswasserpfad (16) angeordneten Wärmepumpeneinheit (2), um das in dem Zirkulationswasserpfad (16) strömende Wasser auf ein Hochtemperatur-Heißwasser zu erhitzen; einem aus dem oberen Teil des Heißwasserbehälters (1) heraus geführten Hochtemperatur-Heißwasserpfad (12), um das Hochtemperatur-Heißwasser aus dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) zu einer externen Vorrichtung zuzuführen, wann immer es von der externen Vorrichtung benötigt wird; einem Wasserzuführpfad (11) zum Nachfüllen von Wasser zu dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters (1), wenn das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter (1) durch den Heißwasserpfad (12) der externen Vorrichtung zugeführt wird; mehreren Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e), die entlang der Höhe des Heißwasserbehälters (1) angeordnet sind, um die Menge und die Temperatur des in dem Heißwasserbehälter (1) gespeicherten heißen Wassers zu erfassen; und einer Steuereinrichtung (22) zum Steuern des Betriebs der Komponenten, wobei in dem Fall, dass das Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) durch die Wärmepumpeneinheit (2) aufgeheizt wird, die Steuereinheit (22) den Aufheizvorgang so stoppt, dass das heiße Wasser in einer Menge entsprechend dem Restheißwasservolumen (W1) in dem Heißwasserbehälter (1), das durch die Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) erfasst wird, gelassen wird.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinrichtung (22) den Temperaturgradienten zwischen den Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) aus jeder Erfassungstemperatur der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) schätzt und das Restheißwasservolumen (W1) basierend auf der Schätzung berechnet.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinrichtung (22) den Aufheizvorgang bei Verstreichen der erforderlichen Zeitlänge (tn), die aus der Heizleistung der Wärmepumpeneinheit (2) berechnet wird, stoppt.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinrichtung (22) den Aufheizvorgang beim Erfassen einer speziellen Aufheiztemperatur (Tdb), die basierend auf der Soll-Aufheiztemperatur (TO) der Wärmepumpeneinheit (2) bestimmt wird, durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) stoppt.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinrichtung (22) den Aufheizvorgang beim Erfassen der speziellen Aufheiztemperatur (Tdb), die auf den Messwerten der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) in der Nähe des Grenzbereichs zwischen dem heißen Wasser und dem Wasser zur Zeit des Startens des Aufheizvorgangs basiert, durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) stoppt.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem die Steuereinrichtung (22) eine Soll-Wärmespeichermenge (QO) in dem Heißwasserbehälter (1) basierend auf der vergangenen Heißwasserzuführhistorie bestimmt und eine der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) auswählt, um die spezielle Aufheiztemperatur (Tdb) gemäß der Soll-Wärmespeichermenge (QO) zu erfassen.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem, falls die Soll-Wärmespeichermenge (QO) groß ist, die spezielle Restheißwassertemperatur (Tdr) zum Beurteilen des Restheißwasservolumens (W1) aus jeder Erfassungstemperatur der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) nach oben geändert wird.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach Anspruch 4 oder 5, bei welchem, falls die Soll-Wärmespeichermenge (QO) groß ist, die spezielle Aufheiztemperatur (Tdb), die durch eine vorbestimmte der Speicherheißwasser-Temperaturerfassungseinrichtungen (21a bis 21e) erfasst wird, nach oben geändert wird.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einem aus etwa der Mitte in dem Heißwasserbehälter (1) heraus geführten Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13), um das zwischen dem Hochtemperaturwasser in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) und dem Wasser in dem unteren inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) gespeicherte Mitteltemperatur-Heißwasser einer externen Vorrichtung zuzuführen, wobei in dem Fall, dass das heiße Wasser in dem Heißwasserbehälter (1) von der externen Vorrichtung benötigt wird, das Mitteltemperatur-Heißwasser vor dem in dem oberen inneren Teil des Heißwasserbehälters (1) gespeicherten Hochtemperaturwasser geliefert wird.
Wärmepumpenheißwasserzuführsystem der Heißwasserspeicherart nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem, falls die Soll-Wärmespeichermenge (QO) klein ist, die Steuereinrichtung (22) nur die erforderliche Menge des heißen Wassers in dem Heißwasserbehälter (1) aufheizt, und falls das heiße Wasser aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13) nicht die Liefertemperatur erreicht, die Steuereinrichtung (22) eine Mischung des heißen Wassers aus dem Mitteltemperatur-Heißwasserzuführpfad (13) und dem heißen Wasser aus dem Hochtemperatur-Heißwasserzuführpfad (12) liefert.