DE102009056123A1

DE102009056123A1 - Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe sowie Wärmepumpenanordnung

Info

Publication number: DE102009056123A1
Application number: DE102009056123A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl.-Ing. Gaugler (Fh)
Original assignee: Hydrometer GmbH
Current assignee: Diehl Metering GmbH
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-01

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe sowie eine entsprechende Wärmepumpenanordnung, insbesondere für eine Heizungsanlage oder Warmwasseraufbereitungsanlage, wobei über die Wärmepumpe (1) sowie einen Wärmetauscher (4) in einem Pufferspeicher (5) befindliches Medium, insbesondere Wasser, erhitzt wird, die Wärmepumpe (1) über einen Kompressor (3) verfügt, der mittels elektrischer Energie angetrieben wird und die dem Pufferspeicher (5) entnommene Wärmemenge erfasst wird, wobei (a) die Menge A an durch den Kompressor (3) verbrauchter elektrischer Energie in einem ersten Betriebszustand festgestellt wird, bei dem vom Pufferspeicher (5) kein Medium entnommen wird, (b) die Menge B an durch den Kompressor (3) verbrauchter elektrischer Energie in einem zweiten Betriebszustand festgestellt wird, bei dem vom Pufferspeicher (5) Medium entnommen wird, und (c) die festgestellte Menge A sowie Menge B zur Vermessung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe (1) zueinander in Relation gesetzt werden.

Description

Stand der Technik
Wärmepumpen werden heutzutage in vielfältigen Konzeptionen von Heizungsanlagen sowie Warmwasseraufbereitungen eingesetzt. Eine Wärmepumpe ist eine Maschine, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau pumpt. Die auf einem höheren Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme wird beispielsweise zum Heizen oder zur Warmwasseraufbereitung benutzt. In der Leistungsbilanz einer Wärmepumpe wird dieser elektrische Leistung für den Antrieb des Kompressors und die der Umwelt hierdurch entzogene Wärme zugeführt. Am Austritt der Wärmepumpe steht ein Teil der zugeführten Leistung als Wärme auf höherem Niveau zur Verfügung. Das Verhältnis von nutzbarer Wärmeleistung zu zugeführter elektrischer Leistung wird als Wirkungsgrad, Leistungszahl oder COP (coefficient of Performance) bezeichnet.
Um den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zu ermitteln, wird bisher die abgegebene Energie in das Verhältnis zur zugeführten Energie gesetzt. Hierzu wird ein Stromzähler eingebaut, um die zugeführte Energie zu ermitteln. Die abgegebene Energie wird über einen Wärmezähler ermittelt. Der Nachteil dieser Methode ist, dass der Wirkungsgrad stark abhängig ist vom Nutzungsgrad. Im Extremfall ist der Wirkungsgrad gleich Null, wenn kein Warmwasser entnommen wird und die komplette elektrische Energie aufgewandt werden muss, um die Temperatur des Pufferspeichers zu halten.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Wärmepumpenanordnung zur Verfügung zu stellen, die eine Vermessung des Wirkungsgrads ermöglicht, aber weniger stark vom Nutzungsgrad der Wärmepumpe abhängig ist.
Lösung
Die vorstehende Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, dass

(a) die Menge A an durch den Kompressor verbrauchter elektrischer Energie in einem ersten Betriebszustand festgestellt wird, bei dem vom Pufferspeicher kein Medium entnommen wird,
(b) die Menge B an durch den Kompressor verbrauchter elektrischer Energie in einem zweiten Betriebszustand festgestellt wird, bei dem vom Pufferspeicher Medium entnommen wird, und
(c) die festgestellte Menge A sowie Menge B zur Vermessung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe zueinander in Relation gesetzt werden.

Das vorgenannte Verfahren ermöglicht es, den aktiven Wirkungsgrad der Pumpe von den Isolationsverlusten des Pufferspeichers zu separieren. Der Betreiber der Wärmepumpenanordnung kann auf diese Weise jederzeit den aktuellen Wirkungsgrad seiner Anlage feststellen und sowohl zum Beispiel bei einer Erhöhung der passiven Verluste, möglicherweise bedingt durch eine defekte Isolation, als auch bei einer Erhöhung der zugeführten elektrischen Energie bei gleichbleibender Auslastung, möglicherweise bedingt durch fehlendes Kältemittel, jederzeit korrigierend eingreifen. Der Betrieb einer Wärmepumpenanordnung wird hierdurch in seiner Effektivität erheblich verbessert.
Die Erfassung der jeweiligen verbrauchten elektrischen Energie, abhängig vom ersten oder zweiten Betriebszustand, erfolgt über einen mit dem Kompressor der Wärmepumpe in Verbindung stehenden Stromzähler, dessen Zählsignale, abhängig vom jeweiligen Betriebszustand, entweder einem ersten Register oder einem zweiten Register zugeführt werden. Die betreffenden Daten werden somit getrennt verwaltet und einer weiteren Auswertung zugeführt.
In vorteilhafter Weise können die Daten des Stromzählers über eine gemeinsame Datenleitung transportiert und über einen Schalter, abhängig vom Betriebszustand, entweder dem ersten oder zweiten Register zugeführt werden.
Die Steuerung des Schalters erfolgt über den Wärmezähler, der in entsprechenden Installationen ohnehin vorhanden ist. Über ihn erkennt das System, ob Nutzwärme dem Pufferspeicher entnommen worden ist oder nicht.
Zweckmäßigerweise können die betriebszustandsabhängigen Mengen A bzw. B an verbrauchter Energie fortlaufend festgestellt und hierdurch die passiven Verluste und/oder der aktive Wirkungsgrad der Wärmepumpe fortlaufend abgeleitet werden. Der Betreiber der Wärmepumpenanordnung hat somit zum einen jederzeit Kenntnis von dem Zustand der Wärmepumpenanordnung und kann darüber hinaus auch Änderungen dieses Zustands über einen Zeitraum hinweg verfolgen und daraus Maßnahmen zur Instandhaltung etc. ableiten.
Hinsichtlich der, nebengeordnet beanspruchten, Wärmepumpenanordnung wird die vorstehende Aufgabe dadurch gelöst, dass
ein Stromzähler zur Erfassung der von dem Kompressor verbrauchten elektrischen Energie vorgesehen ist,
mittels des Stromzählers die Menge A an durch den Kompressor verbrauchter elektrischer Energie in einem ersten Betriebszustand feststellbar ist, bei dem vom Pufferspeicher kein Medium entnommen wird, und die Menge B an durch den Kompressor verbrauchter elektrischer Energie in einem zweiten Betriebszustand feststellbar ist, bei dem vom Pufferspeicher Medium entnommen wird,
eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen ist, in der die festgestellte Menge A sowie B zur Vermessung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe in Relation zueinander bringbar ist.
Als Datenverarbeitungseinheit ist zweckmäßigerweise ein Prozessor mit einem Datenspeicher vorgesehen.
Die Datenverarbeitungseinheit umfasst insbesondere ein erstes Register zur Zuordnung der festgestellten Menge A sowie ein zweites Register zur Zuordnung der festgestellten Menge B an jeweils verbrauchter Energie.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zwischen dem Stromzähler und dem ersten und zweiten Register eine gemeinsame Datenübertragung vorgesehen, wobei die Zuordnung der übertragenen Daten in das erste oder zweite Register durch eine Schaltfunktion, d. h. durch einen Schalter oder ein Gate oder einer entsprechenden Software, erfolgt.
Die Schaltfunktion steht mit dem Wärmezähler in Verbindung, so dass Signale des Wärmezählers zur Betätigung der Schaltfunktion genutzt werden können.
Die Datenverarbeitungseinheit ist derart konzipiert, dass der um die Passivverluste bereinigte Wirkungsgrad der Wärmepumpenanordnung feststellbar und gegebenenfalls ausgebbar ist.
Weiterhin kann die Wärmepumpenanordnung den Wirkungsgrad in Echtzeit feststellen und gegebenenfalls ausgeben, so dass der Betreiber stets einen aktuellen Überblick besitzt.
Mittels eines Vergleichs der aktuellen Werte mit zurückliegenden, gespeicherten Werten kann ein Vergleich und damit ein historischer Verlauf ausgegeben werden. Daraus erkennt der Betreiber frühzeitig gewisse Tendenzen im Betrieb der Wärmepumpenanordnung und kann diesen frühzeitig entgegenwirken.
Zweckmäßigerweise umfasst die Wärmepumpenanordnung eine Wirkungsgradanzeige, welche insbesondere spezifiziert, d. h. unterteilt sein kann, z. B. in den aktiven Wirkungsgrad sowie passiven Wirkungsgrad der Wärmepumpenanordnung.
Ausführungsbeispiel
Eine zweckmäßige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Wärmepumpenanordnung ist in der einzigen, stark vereinfachten, schematischen Figur wiedergegeben.
Die darin gezeigte Ausgestaltung umfasst eine Wärmepumpe 1 mit einem Kondensator 2, der dazu dient, Wärme aus dem Medium der Wärmepumpe 1 abzugeben, welche in einem Wärmetauscher 4 auf ein Nutzmedium, z. B. Wasser, übertragen wird.
Im Wärmepumpenkreislauf befindet sich zudem ein Kompressor 3 zum Verdichten des Wärmepumpenmediums. Der Kompressor 3 wird mit elektrischer Energie 9 betrieben. Die vom Kompressor 3 verbrauchte elektrische Energie 9 wird von einem Stromzähler 10 erfasst.
Die Wärmepumpe 1 umfasst darüber hinaus am Wärmetauscher 4 einen Pufferspeicher 5, der erwärmtes Nutzmedium, z. B. Warmwasser, beinhaltet und von dem Nutzmedium über eine Entnahme 17 dem jeweiligen Verbraucher, z. B. einem Heizkörper oder dem Wasserkreislauf, zugeführt werden kann.
Zur Erfassung des Verbrauchs an Wärmemenge bei Entnahme ist im Bereich des Zulaufs 16 der Wärmepumpe 1 neben einem Zulauftemperaturfühler 7 ein herkömmlicher Wärmezähler 8 vorgesehen. Im Ablauf des Pufferspeichers 5 befindet sich ein Temperaturfühler 6. Mittels der über die Temperaturfühler 6 sowie 7 ermittelten Temperaturen des Nutzmediums sowie über die durch den Wärmezähler erfasste Menge an Nutzmedium kann der Anteil an Energie der entnommenen Menge an Nutzmedium, also der Energieverbrauch, bestimmt werden.
Gemäß der Erfindung steht der Stromzähler 10 über eine Datenübertragung, beispielsweise eine Signalleitung, eine herkömmliche, drahtlose Signalübertragung (z. B. Bluetooth) oder über eine Datenfernleitung (Telefon, Internet, GPR) mit einer Datenverarbeitungseinheit 12, die dazu vorgesehen ist, die erfassten Verbrauchsdaten an elektrischer Energie aufzunehmen, in Verbindung.
Die Datenverarbeitungseinheit 12 umfasst insbesondere ein erstes Register 13 sowie zweites Register 14 zur Aufnahme von betriebszustandsabhängig erfassten Werten an verbrauchter elektrischer Energie 9 durch den Stromzähler 10.
Des Weiteren ist eine Schaltfunktion in Form eines Schaltglieds 15 oder Gate oder einer entsprechenden Softwarelösung vorgesehen, welches eine Umschaltung der Datenübertragung von dem Stromzähler 10 zu dem ersten oder zweiten Register 13 oder 14 je nach dem vorherrschenden Betriebszustand vornimmt. „Register” ist zweckmäßigerweise ein Datenregister als Organisationseinheit in einer Datenverarbeitungseinheit als Bestandteil eines Mikroprozessors oder dergleichen. Es wird darauf hingewiesen, dass die konkrete Umsetzung des Registers auf vielfältige Art und Weise erfolgen kann.
Angesteuert wird die Schalteinrichtung 15 bzw. das Gate über ein vom Wärmezähler 8 stammendes Signal. Dieses Signal charakterisiert den Übergang in den Lastzustand, wenn Nutzmedium, z. B. warmes Wasser, dem Pufferspeicher 5 über die Entnahme 17 abgezogen wird. Als Schalteinrichtung 15 oder Gate können transistorgesteuerte Schalter oder übliche Gatter zum Einsatz kommen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfolgt dergestalt, dass bei Leerlaufbetrieb (Null-Lastbetrieb) der Wärmepumpe 1 die vom Kompressor 3 benötigte elektrische Energie 9 über den Stromzähler 10 erfasst wird. Hierbei handelt es sich um diejenige elektrische Energie 9, die notwendig ist, um Energieverluste auszugleichen, die durch keine Entnahme von Nutzmedium aus dem Pufferspeicher 5 bedingt sind, also Energieverluste bedingt durch z. B. Isolationsverluste des Pufferspeichers 5 und dergleichen.
Die im Null-Lastbetrieb anfallende elektrische Energie wird vom Stromzähler 10 erfasst und über die Datenübertragung 11, der Schalteinrichtung 15 oder Gate an das Register 13 übermittelt und dort eingeschrieben.
Sobald Nutzmedium vom Pufferspeicher 5 über die Entnahme 17 abgezogen wird, geht die Wärmepumpenanordnung von einem Null-Lastbetrieb auf Lastbetrieb über. Die Entnahme von Nutzmedium aus dem Pufferspeicher 5 wird über die Temperaturfühler 6, 7 sowie den Wärmezähler 8 erfasst. Dieser sendet ein Signal an die Datenverarbeitungseinheit 12, welche die Übertragung der vom Stromzähler 10 stammenden Daten der verbrauchten elektrischen Energie 9 vom Register 13 auf das Register 14 mittels der Schalteinrichtung 15 oder des Gates einfach umschaltet. Die dem Lastbetrieb zuzuschreibenden Verbrauchsdaten an elektrischer Energie 9 werden infolge dessen dann nicht mehr in das Register 13, sondern in das Register 14 eingeschrieben. Ein Wiederumschalten auf den Nulllastbetrieb erfolgt dann nach einer gewissen Zeitverzögerung, z. B. nach einem Zeitraum, bis die Solltemperatur wieder erreicht ist.
In der Datenverarbeitungseinheit werden die Verbrauchsmengen A an elektrischer Energie 9 des Null-Lastbetriebs von den Verbrauchsmengen B an elektrischer Energie 9 des Lastbetriebs subtrahiert und der um die Verbrauchsmengen A korrigierte Wert als aktiver Wirkungsgrad der Wärmepumpe 1 festgelegt und mittels einer Wirkungsgradanzeige 18 an den Betreiber ausgegeben.
Hierdurch kann der aktive Wirkungsgrad der Wärmepumpe 1 von den Isolationsverlusten des Pufferspeichers 5 separiert werden. Der Betreiber der Wärmepumpe 1 kann auf diese Weise jederzeit den aktuellen Wirkungsgrad seiner Installation (Heizung oder Warmwasseraufbereitung) überwachen und beispielsweise bei Erhöhung der passiven Verluste, z. B. durch defekte oder defekt gewordene Isolation sowie bei Erhöhung der zugeführten elektrischen Energie 9 bei gleichbleibender Auslastung, z. B. bei fehlendem Kältemittel, jederzeit korrigierend eingreifen.
In einem Speicher 19 können zudem die vom Wärmezähler 8 stammenden Energiedaten abgespeichert werden und insbesondere für die Darstellung eines historischen Verlaufs bereitgehalten werden.
Die vorliegende Erfindung gewährleistet daher in anlagentechnisch sehr einfach zu realisierender Art und Weise eine wirksame Erfassung des Wirkungsgrads der Wärmepumpe im kontinuierlichen Betrieb. Die Erfindung stellt daher einen ganz wesentlichen Beitrag auf dem einschlägigen Gebiet der Technik dar.
Bezugszeichenliste

1: Wärmepumpe
2: Kondensator
3: Kompressor
4: Wärmetauscher
5: Pufferspeicher
6: Temperaturfühler (Vorlauf)
7: Temperaturfühler (Rücklauf)
8: Wärmezähler
9: elektrische Energie
10: Zähler (elektrische Energie)
11: Datenübertragung
12: Datenverarbeitungseinheit
13: Register
14: Register
15: Schalteinrichtung
16: Zulauf
17: Entnahme
18: Wirkungsgradanzeige
19: Speicher

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, insbesondere für eine Heizungsanlage oder Warmwasseraufbereitungsanlage, wobei über die Wärmepumpe (1) sowie einen Wärmetauscher (4) in einem Pufferspeicher (5) befindliches Medium, insbesondere Wasser, erhitzt wird, die Wärmepumpe (1) über einen Kompressor (3) verfügt, der mittels elektrischer Energie angetrieben wird und die dem Pufferspeicher (5) entnommene Wärmemenge erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass (a) die Menge A an durch den Kompressor (3) verbrauchter elektrischer Energie in einem ersten Betriebszustand festgestellt wird, bei dem vom Pufferspeicher (5) kein Medium entnommen wird, (b) die Menge B an durch den Kompressor (3) verbrauchter elektrischer Energie in einem zweiten Betriebszustand festgestellt wird, bei dem vom Pufferspeicher (5) Medium entnommen wird, und (c) die festgestellte Menge A sowie Menge B zur Vermessung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe (1) zueinander in Relation gesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge A an elektrischer Energie einem ersten Register (13) zugeführt wird und die Menge B an elektrischer Energie einem zweiten Register (14) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass abhängig, ob der erste oder zweite Betriebszustand vorherrscht, über eine Schalteinrichtung (15) die jeweils festgestellte Menge A oder B an elektrischer Energie dem ersten oder zweiten Register (13 bzw. 14) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung, wann welche Menge an verbrauchter Energie erfasst wird, in Abhängigkeit der aus dem Pufferspeicher (5) entnommenen Energiemenge erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein im Zulauf der Wärmepumpe (1) befindlicher Wärmezähler (8) Signale abgibt, die zur betriebszustandsabhängigen Feststellung der Menge A bzw. B an verbrauchter elektrischer Energie herangezogen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die betriebszustandsabhängigen Mengen A bzw. B an verbrauchter elektrischer Energie fortlaufend festgestellt und die passiven Verluste und/oder der aktive Wirkungsgrad der Wärmepumpe (1) daraus fortlaufend abgeleitet werden.
Wärmepumpenanordnung umfassend eine Wärmepumpe (1) mit einem Wärmetauscher (5), einem Pufferspeicher (4), einem Kondensator (3), einem Kompressor (2), einem Temperaturfühler (7) im Bereich des Einlaufs (16), einem Temperaturfühler (6) im Bereich der Entnahme (17), einem Wärmezähler (8) im Bereich des Einlaufs (16), dadurch gekennzeichnet, dass ein Stromzähler (10) zur Erfassung der von dem Kompressor (3) verbrauchten elektrischen Energie vorgesehen ist, mittels des Stromzählers (10) die Menge A an durch den Kompressor (3) verbrauchter elektrischer Energie in einem ersten Betriebszustand feststellbar ist, bei dem vom Pufferspeicher (5) kein Medium entnommen wird, und die Menge B an durch den Kompressor (3) verbrauchter elektrischer Energie in einem zweiten Betriebszustand feststellbar ist, bei dem vom Pufferspeicher (5) Medium entnommen wird, eine Datenverarbeitungseinheit (12) vorgesehen ist, in der die festgestellte Menge A sowie B zur Vermessung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe (1) in Relation zueinander bringbar ist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Register (13) zur Zuordnung der festgestellten Menge A sowie ein zweites Register (14) zur Zuordnung der festgestellten Menge B vorgesehen sind.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste sowie zweite Register (13 bzw. 14) mit dem Stromzähler (10) über eine gemeinsame Datenübertragung (11) in Verbindung stehen und die Übertragung der von dem Stromzähler (10) stammenden Daten zu dem ersten bzw. zweiten Register (13 bzw. 14) durch eine Schalteinrichtung (15), ein Gate und/oder eine Software steuerbar ist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (15), das Gate oder die Software mit dem Wärmezähler (8) zusammenwirken.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Datenverarbeitungseinheit (12) der um Passivverluste bereinigte Wirkungsgrad der Wärmepumpenanordnung feststellbar ist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellung des Wirkungsgrads der Wärmepumpenanordnung in Echtzeit erfolgt.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Feststellung des Wirkungsgrads der Wärmepumpenanordnung in einem Vergleich zu dessen historischen Verlauf erfolgt.
Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wirkungsgradanzeige (18) vorgesehen ist.
Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkungsgradanzeige (18) unterteilt ist in eine Anzeige des Wirkungsgradsanteils bezogen auf die passiven Anteile sowie eine Anzeige des Wirkungsgradsanteils bezogen auf die aktiven Anteile.