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Die
Erfindung betrifft eine Wärmepumpe,
die zum Kühlen
und/oder Beheizen von Räumen
eingesetzt wird, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Wärmepumpe.
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Bei
Wärmepumpen
wird allgemein in einem Kreislauf ein Kältemittel geführt. Im
Kreislauf ist ein Verdampfer angeordnet, in dem das Kältemittel
verdampft wird. Hierzu ist der Verdampfer als Wärmetauscher ausgebildet, welcher
die benötigte
Wärme aus
einem Wärmereservoir,
wie beispielsweise die Umgebungsluft, entnimmt. Das verdampfte Kältemittel
wird anschließend
in einem Verdichter komprimiert und anschließend in einem Verflüssiger wieder verflüssigt. Hierbei
entsteht Wärme,
die über
einen weiteren Wärmetauscher
zur Beheizung eines Raumes, beispielsweise eines Wohnhauses, herangezogen
werden kann. Nach dem Verflüssiger
wird das Kältemittel über ein
Drosselorgan wieder entspannt und dem Verdampfer erneut zugeführt.
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Bei
so genannten Luft-Wärmepumpen
wird dem Verdampfer mit Hilfe eines Ventilators Umgebungsluft als
Wärmequelle
zugeführt.
Aufgrund der üblicherweise
geringen Temperaturen des verwendeten Kältemittels im Kreislauf und
aufgrund der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit besteht hierbei
das Problem, dass die Wärmetauscherflächen des
Verdampfers beschlagen und vereisen.
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Von
Zeit zu Zeit ist daher ein Abtauvorgang erforderlich, um die Wärmetauscherflächen wieder vom
Eis zu befreien. Hierzu wird dem Verdampfer Wärme zugeführt, so dass das Eis abtaut.
Während des
Abtauvorgangs ist der Normalbetrieb, also die Bereitstellung von
Wärme bzw.
Kälte für den zu
beheizenden bzw. zu kühlenden
Raum, in der Regel unterbrochen. Um die Ausfallzeit gering zu halten,
wird daher ein schneller Abtauvorgang angestrebt.
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Aus
der
DE 195 17 862
A1 sowie der
DE
84 09 069 U1 sind jeweils Wärmepumpen zu entnehmen, bei
denen zum Abtauen dem Verdampfer über eine Heißgasleitung
Heißgas
zugeführt
wird, wobei zusätzlich
eine elektrische Beheizung des Verdampfers vorgesehen ist.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wärmepumpe
ein zügiges
Abtauen zu erreichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch eine Wärmepumpe
mit einem Kreislauf für ein
Kältemittel,
die einen Verdampfer sowie einen den Verdampfer in Strömungsrichtung
des Kältemittels
nachgeordneten Verdichter aufweist, wobei nach dem Verdichter eine über ein
Absperrventil absperrbare Heißgasleitung
abgezweigt und mit einer Eingangsseite des Verdampfers verbunden
ist. Weiterhin ist eine elektrische Zusatzheizung zur zusätzlichen
Erwärmung
des dem Verdampfer zugeführten Kältemittels
vorgesehen. Hierzu wird insbesondere das Heißgas, also das gasförmige, erwärmte Kältemittel,
das im Betrieb über
die Heißgasleitung
dem Verdampfer zum Abtauen zugeführt
wird, zusätzlich erwärmt.
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Bei
dieser Ausgestaltung wird daher das Prinzip der Heißgasabtauung
ergänzt
um eine elektrische Zusatzheizung, so dass der Abtauvorgang möglichst
schnell und damit effizient und mit möglichst geringen Wirkungsgradeinbußen durchgeführt werden
kann. Da mit der elektrischen Zusatzbeheizung das Kältemittel
bzw. das Heißgas
zusätzlich
erwärmt
wird, ist der zusätzliche
Aufwand für
die elektrische Beheizung gering. Es sind lediglich an geeigneter
Stelle, beispielsweise an der Heißgasleitung oder im Eingangsbereich
zum Verdampfer, geeignete Heizelemente anzubringen.
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Die
Wärmepumpe
ist weiterhin als eine Luft-Wärmepumpe
ausgestaltet, bei der dem Verdampfer ein Ventilator zur Zuführung von
Umgebungsluft als Wärmequelle
zum Verdampfen des Kältemittels
zugeordnet ist. Der Verdampfer und der Ventilator bilden hierbei üblicherweise
eine gemeinsame Verdampfer-Baueinheit.
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Während des
Abtauvorgangs ist der Ventilator zumindest zeitweise angeschaltet.
Der Verdampfer wird daher weiterhin mit Umgebungsluft beaufschlagt,
so dass der Abtauvorgang zusätzlich
beschleunigt wird. Zum einen erfolgt hierdurch ein zusätzlicher
Wärmeeintrag
und zum anderen wird durch die Zuführung von Umgebungsluft das
sich beim Abtauen bildende Wasser zügig entfernt.
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Im
Hinblick auf einen möglichst
effizienten Abtauvorgang ist hierbei weiterhin ein zweiter Temperaturfühler zur
Erfassung der Umgebungstemperatur vorgesehen und der Ventilator
wird über
eine Steuereinheit nur dann zugeschaltet, wenn die Umgebungstemperatur
oberhalb eines unteren Grenzwertes liegt. Wird dieser untere Grenzwert
unterschritten, so erfolgt also keine Luftzuführung, um zu vermeiden, dass
durch die Luft eine zusätzliche
Kühlung
des Verdampfers vorgenommen wird, was letztendlich zu einer Verlängerung
des Abtauvorgangs führen
würde.
Der untere Grenzwert ist hierbei insbesondere ein fester Grenzwert
und liegt im Bereich des Gefrierpunkts für Wasser oder etwas darüber.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Ausgestaltung ist vor dem Verdampfer ein Verteiler
vorgesehen, der die elektrische Zusatzheizung aufweist. Insbesondere
ist die elektrische Zusatzheizung hierbei in einfacher Weise an
der Außenseite
eines Verteiler-Gehäuses
angeordnet.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Alternative ist die elektrische Zusatzheizung dem
Verdampfer nachgeschaltet und vor dem Abzweig der Heißgasleitung
angeordnet. Für
die Wirksamkeit der elektrischen Zusatzheizung im Hinblick auf den
Abtauvorgang ist es nicht zwingend erforderlich, dass diese eingangsseitig
unmittelbar vor dem Verdampfer angeordnet ist. Sie kann vielmehr
auch zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter oder dem Verdichter nachgeschaltet
vorgesehen sein. Sofern in dem Kreislauf weitere Komponenten angeordnet
sind, beispielsweise ein Abscheider nachfolgend zum Verdichter,
so ist vorzugsweise weiterhin vorgesehen, dass die elektrische Zusatzheizung ähnlich wie
beim Verteiler am oder im Abscheider angeordnet ist.
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Zur
Steuerung und Regelung des Abtauvorgangs ist weiterhin gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung die Steuereinheit sowie ein erster Temperaturfühler zur
Erfassung einer Verdampfertemperatur, insbesondere einer Oberflächentemperatur
des Verdampfers, vorgesehen. Die Steuereinheit ist hierbei derart
ausgebildet, dass bei Unterschreiten eines unteren Temperaturwerts
bis zum Erreichen eines oberen Temperaturwerts für die Verdampfertemperatur ein
Abtauvorgang durchgeführt
wird. Der untere Temperaturwert legt hierbei den Beginn des Abtauvorgang
und der obere Temperaturwert das Ende des Abtauvorgangs fest. Zur
Steuerung und Regelung des Abtauvorgangs wird daher die jeweils
aktuelle Verdampfertemperatur herangezogen. Anhand dieser lässt sich
in einfacher und zuverlässiger
Weise feststellen, ob eine kritische Vereisung vorliegt bzw. ob
die Vereisung in zuverlässiger
Weise entfernt ist und die Wärmetauscherflächen abgetrocknet
sind. Während
des Abtauvorgangs wird von der Steuereinheit ein Signal an das Absperrventil
der Heißgasleitung übermittelt,
so dass dieses geöffnet
wird. Gleichzeitig wird die elektrische Zusatzheizung aktiviert.
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Zweckdienlicherweise
bleibt der Ventilator lediglich bis zum Erreichen eines veränderlichen Grenzwerts
der jeweils aktuellen Verdampfertemperatur zugeschaltet. Es wird
also der Verlauf der Temperatur des Verdampfers überwacht und sobald die Verdampfertemperatur
einen bestimmten Grenzwert erreicht, wird der Ventilator abgeschaltet.
Dieser Grenzwert bestimmt sich hierbei nach der aktuellen Umgebungstemperatur
und ist insbesondere kleiner als die aktuelle Umgebungstemperatur.
Auch hierdurch wird eine unerwünschte
Kühlung
des Verdampfers durch die Umgebungsluft verhindert. Je nach Umgebungstemperatur
wird daher das Abschalten des Ventilators gesteuert. Ist die Umgebungstemperatur
ausreichend groß,
liegt sie beispielsweise oberhalb des oberen Temperaturwerts für das Abtauende,
so bleibt der Ventilator bis zum Ende des Abtauvorgangs zugeschaltet.
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Bevorzugt
wird im Hinblick auf eine möglichst rasche
Abtauung zu Beginn des Abtauvorgangs sowohl die Heißgasabtauung
mit der elektrischen Zusatzheizung als auch die Abtauung mit Hilfe
der Umgebungsluft durchgeführt.
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Alternativ
zu diesem parallelen Vorgehen wird zunächst ausschließlich mit
Hilfe des Ventilators und der Umgebungsluft der Abtauvorgang gestartet, und
erst bei Erreichen des veränderlichen
Grenzwertes wird die Heißgasabtauung
mit der elektrischen Zusatzerwärmung
zugeschaltet.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
weiterhin gelöst
durch ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe gemäß Anspruch
9. Die im Hinblick auf die Wärmepumpe
angeführten
Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen, insbesondere auch im Hinblick
auf die regeltechnischen Vorgänge,
sind sinngemäß auch auf
das Verfahren zu übertragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
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1 eine
schematische Fließbild-Darstellung
einer Wärmepumpe,
und
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2 ein
Diagramm zur Illustration der Regelung des Abtauvorgangs.
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Eine
Wärmepumpe 2 gemäß dem in 1 dargestellten
Fließbild
eines Kreisprozesses umfasst einen Verdampfer 4, einen
Verdichter 6, einen Verflüssiger 8 sowie ein
Drosselorgan 10. Diese vier Hauptkomponenten der Wärmepumpe 2 sind über Rohrleitungen 12 miteinander
zur Ausbildung eines Kreislaufs verbunden. An den Verflüssiger 8 ist
ein weiterer Kreislauf angeschlossen, beispielsweise ein Heizkreislauf 14 eines
Wohnhauses. Zwischen dem Verdichter 6 und dem Verflüssiger 8 zweigt
eine Heißgasleitung 16 ab,
die in die Rohrleitung 12 des Kreislaufes eingangsseitig
zum Verdampfer 4 mündet.
In der Heißgasleitung 14 ist
ein Absperrventil 18 geschaltet, welches im normalen Betriebszustand geschlossen
ist. Vor und hinter dem Verflüssiger 8 sind
weitere Ventile 20 in die Rohrleitungen 12 eingebaut,
die im normalen Betriebszustand geöffnet sind.
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Beim
Normalbetrieb wird in Strömungsrichtung 22 ein
Kältemittel
durch die Rohrleitungen 12 geführt. Dem Verdampfer 4 unmittelbar
vorgeschaltet ist ein Verteiler 24, an dessen Gehäuseaußenwand eine
elektrische Zusatzheizung 26 angeordnet ist. Der Verteiler 24 bildet üblicherweise
zusammen mit dem Verdampfer 4 und einem Ventilator 28 eine
gemeinsame Verdampfer-Baueinheit. Er dient zur Verteilung des Kältemittels
auf die einzelnen Verdampferrohre des Verdampfers 4.
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Die
Rohrleitungen 12 bilden zwischen dem Verflüssiger 8 und
dem Drosselorgan 10 eine Schleife 30 aus, die
zum Verdampfer 4 geführt
ist und zu einer Beheizung einer hier nicht näher dargestellten Kondensatwanne
vorgesehen ist, um ein eventuell anfallendes Kondensat zu verdampfen.
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Die
Wärmepumpe 2 umfasst
weiterhin einen ersten Temperaturfühler 32, der zur – im Ausführungsbeispiel
indirekten – Messung
der Oberflächentemperatur
des Verdampfers 4, insbesondere der Wärmetauscherflächen des
Verdampfers 4, vorgesehen ist. Weiterhin ist ein zweiter
Temperaturfühler 34 zur
Erfassung der Luft-Umgebungstemperatur vorgesehen.
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Weiterhin
umfasst die Wärmepumpe 2 eine Steuereinheit 36,
die insbesondere zur Regelung des Abtauvorgangs des Verdampfers 4 vorgesehen
ist. Hierzu steht die Steuereinheit 36 sowohl mit den beiden
Temperaturfühlern 32,34 in
Verbindung, die der Steuereinheit 36 Temperatursignale übermitteln.
Darüber
hinaus steht die Steuereinheit 36 jeweils in hier nicht
näher dargestellter
Weise mit dem Absperrventil 18, dem Ventilator 28 sowie
mit der elektrischen Zusatzheizung 26 in Verbindung und
nimmt auf diese Komponenten durch entsprechende Steuersignale steuernden
Einfluss.
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Im
normalen Betrieb als Wärmepumpe
wird das Kältemittel
in flüssiger
Form beispielsweise bei einem Druck von etwa 5 bar und einer Temperatur von
etwa –4° dem Verdampfer 4 zugeführt. Durch den
Wärmeaustausch
mit der Umgebungsluft, die über
den Ventilator 28 dem Verdampfer 4 zugeführt wird,
erfolgt eine Verdampfung des Kältemittels
und eine Erwärmung
des dann gasförmig
vorliegenden Kältemittels
auf etwa 0° bei
weiterhin etwa 5 bar. Im Verdichter 6 wird das Gas dann
beispielsweise auf einen Wert von 17 bar verdichtet. Hierbei steigt
die Temperatur auf einen Wert von beispielsweise 36° an. Im Verflüssiger 8 wird
durch Wärmeabgabe über Wärmetauscher
an den Heizkreislauf 14 die Temperatur reduziert, so dass
sich das Kältemittel
wieder verflüssigt
und eine Temperatur von beispielsweise 25° einnimmt. Durch das Drosselorgan 10 erfolgt eine
Expansion wieder auf etwa 5 bar, wobei sich hier das Kältemittel
wieder auf die etwa –4°C abkühlt.
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Aufgrund
der geringen Temperaturen des Kältemittels
besteht die Gefahr, dass sich die Luftfeuchtigkeit an den Wärmetauscherflächen des
Verdampfers 4 niederschlägt und eine Eisschicht ausbildet.
Diese beeinträchtigt
den Wärmeübergang
von der Luft auf das Kältemittel
und damit den Gesamtwirkungsgrad der Wärmepumpe 2. Daher
ist wiederholt eine Abtauung des Verdampfers 4 vorgesehen. Während des
Abtauvorgangs wird der Normalbetrieb der Wärmepumpe 2 unterbrochen.
Hierzu wird beispielsweise eines der Ventile 20 oder das
Drosselorgan 10 geschlossen. Um die Unterbrechung auf ein notwendiges
Mindestmaß zu
reduzieren, ist die Steuereinheit 36 vorgesehen.
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Beim
Abtauvorgang werden vorzugsweise drei Wärmequellen gleichzeitig für das Abtauen
herangezogen, um eine möglichst
schnelle und effiziente Abtauung zu erzielen. Zum einen wird über die Heißgasleitung 16 dem
Verdampfer 4 das nach dem Verdichter 6 vorliegende,
erwärmte
Heißgas
zugeleitet. Als zweite Wärmequelle
wird die elektrische Zusatzheizung 26 zugeschaltet, die
zur zusätzlichen
Erwärmung
des Heißgases
dient. Schließlich
wird der Ventilator 18 ebenfalls mit herangezogen, um – sofern
zweckdienlich – den
Abtauvorgang mit der Umgebungsluft zu unterstützen.
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Ein
bevorzugter Regelvorgang wird anhand der 2 erläutert, die
in schematisch stark vereinfachter Weise eine mögliche Regelung zeigt. Bei
dem in 2 dargestellten Diagramm ist auf der X-Achse die
sich verändernde
und über
den ersten Temperaturfühler 32 erfasste
Verdampfertemperatur TV aufgetragen. Auf
der Y-Achse sind
parallel das Steuersignal SV für den Ventilator 28,
das Steuersignal SA für das Absperrventil 18 sowie
das Steuersignal SE für die elektrische Zusatzheizung 26 dargestellt.
Die gestrichelte Linie gibt jeweils die Nulllinie wieder.
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Der
Abtauvorgang wird definiert zwischen einem unteren Temperatur-Grenzwert
TU sowie einem oberen Temperatur-Grenzwert
TO der Verdampfertemperatur TV durchgeführt. Da
diese beiden Grenzwerte TU und TO Beginn und Ende des temperaturgesteuerten
Abtauvorganges definieren, werden sie auch als Abtaubeginn-Temperaturwert
TU und Abtauende-Temperaturwert TO bezeichnet. Auf der X-Achse ist weiterhin
beispielhaft ein aktueller Temperaturwert der Umgebungsluft TL angetragen, welcher über den zweiten Temperaturfühler 34 an
die Steuereinheit 36 übermittelt
wird.
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Sobald
die Verdampfertemperatur TV durch eine zunehmende
Vereisung den unteren Grenzwert TU erreicht,
wird der Abtauvorgang gestartet. Hierzu wird über die Steuereinheit 36 das
Absperrventil 18 geöffnet,
die elektrische Zusatzheizung 26 zugeschaltet und auch
der Ventilator 28 zugeschaltet. Durch die Beheizung des
Verdampfers 4 steigt dessen Verdampfertemperatur TV allmählich
wieder an. Im Ausführungsbeispiel
wird für
den unteren Temperaturwert TU beispielsweise
von –5°C an der
Oberfläche
des Verdampfers 4 ausgegangen. Für den oberen Grenzwert für das Abtauende
wird ein feststehender Temperaturwert TO im
Bereich zwischen 7 und 12°C,
insbesondere von 9°C
eingestellt. Im Ausführungsbeispiel
wird als Umgebungstemperatur TL eine Temperatur
von 5°C
angenommen.
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Durch
die Beheizung des Verdampfers 4 steigt dessen Temperatur
TV allmählich
an. Bei Erreichen der Umgebungstemperatur TL,
die fortlaufend erfasst wird, schaltet die Steuereinheit 36 den
Ventilator ab. Die beiden anderen Wärmequellen bleiben zugeschaltet,
bis die Verdampfertemperatur TV den oberen
Grenzwert TO erreicht. Erst dann werden auch
diese Wärmequellen
abgeschaltet und der Normalbetrieb der Wärmepumpe 2 wird wieder
aufgenommen.
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Durch
die Heißgasabtauung,
unterstützt durch
die elektrische Zusatzheizung sowie weiterhin unterstützt durch
die Umgebungsluft, wird ein sehr schnelles Abtauen und Trocknen
der Wärmetauscherflächen des
Verdampfers 4 erreicht.
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- 2
- Wärmepumpe
- 4
- Verdampfer
- 6
- Verdichter
- 8
- Verflüssiger
- 10
- Drosselorgan
- 12
- Rohrleitung
- 14
- Heizkreislauf
- 16
- Heißgasleitung
- 18
- Absperrventil
- 20
- Ventil
- 22
- Strömungsrichtung
- 24
- Abscheider
- 26
- elektr.
Zusatzheizung
- 28
- Ventilator
- 30
- Schleife
- 32
- erster
Temperaturfühler
- 34
- zweiter
Temperaturfühler
- 36
- Steuereinheit
- TV
- Verdampfertemperatur
- TU
- unterer
Temperaturwert
- TO
- oberer
Temperaturwert
- TL
- Umgebungstemperatur
- SE
- Steuersignal
für elektr.
Zusatzheizung
- SA
- Steuersignal
für Absperrventil
- SV
- Steuersignal
für Ventilator