DE102011116622A1

DE102011116622A1 - Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102011116622A1
Application number: DE102011116622A
Authority: DE
Inventors: Johan Andersson; Timo Haak; Patrick Hertzman
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-04-25
Also published as: EP2584290A2; EP2584290A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit mindestens einem Kompressor (1), welcher vorgebbare Werte für einen optimalen Arbeitsdruck aufweist, mindestens einem Verflüssiger (2), mindestens einer Entspannungseinrichtung (3), mindestens einem Verdampfer (4), einem geschlossenen Rohrleitungskreislauf zur Verbindung der vorgenannten Komponenten, einem durch den Rohrleitungskreislauf und die vorgenannten Komponenten zirkulierenden Kältemittel, einem Drucksensor (5) im Leitungsabschnitt zwischen Kompressor (1) und Entspannungseinrichtung (3), einer Regeleinrichtung (6) zur Steuerung des Wärmepumpenprozesses sowie mindestens einem angeschlossenen Heizkreislauf (7) zur Warmwasserbereitung und/oder Abgabe von Wärme an ein Heizungssystem (9), wobei die Wärmeabgabe mit einem Drei-Wege-Umschaltventil (10) gesteuert wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe zu schaffen, mit dem Störabschaltungen vermieden werden und ein optimierter Betrieb erreicht wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens während des Warmwasserbereitungsbetriebes aktuelle Messwerte am Drucksensor (5) ausgewertet und mit vorgebbaren Werten für einen optimalen Arbeitsdruck des Kompressors (1) verglichen werden, und dass vor Erreichen einer vorgebbaren Druck-Obergrenze der Warmwasserbereitungsbetrieb beendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Wärmepumpen sind Maschinen, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau überführen. Bei Wärmepumpenheizungen wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme zum Heizen von Räumen oder zur Warmwasserbereitung genutzt. Die Wärmeabgabe wird mit einem Drei-Wege-Umschaltventil gesteuert. Elektromotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpen stellen den Hauptanwendungsfall von Wärmepumpen dar. Der Wärmepumpenprozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, wobei ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Das Kältemittel wird von einem Kompressor angesaugt, verdichtet und einem Verflüssiger, dem Kondensator, zugeführt. Der Verflüssiger ist ein Wärmeübertrager, in dem die bei der Verflüssigung anfallende Wärme an ein Fluid, zum Beispiel an einen Heizkreislauf oder an Raumluft, abgegeben wird. Das dabei sich verflüssigende Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung geführt. Üblicherweise ist dies ein thermisches Expansionsventil. Durch die Entspannung kühlt das Kältemittel ab. In einem nachgeschalteten Verdampfer wird Wärme von einer auf einem niedrigen Temperaturniveau befindlichen Wärmequelle an das Kältemittel übertragen und führt zum Verdampfen des Kältemittels. Als Wärmequelle kann die Umgebungsluft oder ein Solekreis genutzt werden, der die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt. Das verdampfte Kältemittel wird dann wieder von dem Kompressor angesaugt. Eine Regeleinrichtung steuert den Wärmepumpenprozess, indem sie auf das Verhalten der Komponenten einwirkt.
Bevor die Verdichtung beginnt, muss dem Kältemitteldampf – in Form von Nassdampf oder Sattdampf – noch Energie zugeführt werden, damit der Dampf überhitzt wird. Die Überhitzung ist technisch erforderlich, da nur gasförmiges Kältemittel verdichtet werden darf. Die Verdichtung eines Gemisches aus Kältemitteldampf und Kältemitteltröpfchen dagegen führt zu sehr hohen Drücken, die an einem charakteristischen Geräusch zu erkennen sind. Daraus kann die mechanische Überlastung und baldige Zerstörung des Verdichters und auch von Ventilen resultieren. Die Überhitzungsenergie wird über den Verdampfer bzw. Verdichtermotor zugeführt. Oftmals werden auch Flüssigabscheider vor dem Kompressor eingebaut.
Aus dem Stand der Technik kennt man Expansionsventile, welche die Überhitzung regeln. Das Stellsignal kommt dabei von der Regeleinrichtung und ergibt sich dann zum Beispiel aus einem Vergleich von Temperatur und Druck des Kältemittels am Verdampferaustritt. Eine Wärmepumpe mitsamt Komponenten ist normalerweise für optimalen Betrieb mit üblichen Quellentemperaturen und üblichen Wärmeabgabetemperaturen ausgelegt. Die Quellentemperatur kann im Fall von Erdwärmepumpen stärker fallen, wenn zum Beispiel das Bohrloch relativ klein ausgelegt ist und die Wärmeentnahme über einen langen Zeitraum recht stark. Dann bleibt die natürliche Regeneration aus. Bei Luft-Wärmepumpen fällt die Wärmeabgabeleistung durch die niedrige Ansauglufttemperatur an kalten Wintertagen. Beim kontinuierlichen Heizbetrieb zur Abgabe von Wärme an ein Heizungssystem macht sich das kaum bemerkbar, weil dieser normalerweise den größten Anteil an der Betriebszeit hat und die Wärmepumpe darauf ausgelegt ist. Auch das angeschlossene, Wärme abgebende Heizungssystem hat im Optimalfall eine Auslegungstemperatur von beispielsweise nur 35°C, so dass durch eine verhältnismäßig geringe Temperaturspreizung insgesamt gute Wirkungsgrade erreicht werden.
Anders sieht üblicherweise die Situation im Warmwasserbereitungsbetrieb aus, weil dabei Vorlauftemperaturen über 55°C benötigt werden, um beispielsweise Trink- oder Brauchwasser in einem angeschlossenen Warmwasserspeicher auf praxisübliche Temperaturen aufzuheizen. Diese relativ hohen Temperaturen sind normalerweise problemlos erreichbar. Entweder mit entsprechenden Quellentemperaturen oder mit relativ hohem Druck des Kältemittels im internen Rohrleitungskreislauf. Gemessen wird dieser in der Regel mit einem Drucksensor im Leitungsabschnitt zwischen Kompressor und Entspannungseinrichtung. Prinzipbedingt sind dem Kältemitteldruck im Hochdruckteil einer Wärmepumpe allerdings Grenzen gesetzt. Die Druck-Obergrenze kann daher eventuell erreicht werden, wenn die Quellentemperatur relativ niedrig und die Wärmeabgabetemperatur relativ hoch ist. Durch Drucksteigerung wird dabei versucht, die abgabeseitigen Temperatursollwerte zu erreichen. Wird dabei die Druck-Obergrenze überschritten, liegt eine sogenannte Hochdruckstörung vor und die Wärmepumpe wird dann abgeschaltet. Eine Inspektion du Wiederinbetriebnahme durch eingewiesenes Fachpersonal ist nötig. Bei der Warmwasserbereitung kann dieser spezielle Betriebszustand somit am ehesten auftreten.
Wichtig für einen wirkungsgradoptimierten Betrieb ist daher generell eine möglichst geringe Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und der Wärmeabgabeseite. Dann arbeitet insbesondere der Kompressor in einem günstigen Druckbereich. Trotzdem sollen die vorstehend beschriebenen Betriebszustände und -anforderungen möglichst gut beherrscht werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe zu schaffen, mit dem Störabschaltungen vermieden werden und ein optimierter Betrieb erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens während des Warmwasserbereitungsbetriebes aktuelle Messwerte am Drucksensor ausgewertet und mit vorgebbaren Werten für einen optimalen Arbeitsdruck des Kompressors verglichen werden. Erfindungsgemäß erfolgt vor Erreichen einer vorgebbaren Druck-Obergrenze eine Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes. Die Wärmepumpe schaltet ab, wenn zum Beispiel in der Sommerzeit keine Wärmeanforderung für Heizbetrieb vorliegt. Oder es erfolgt ein Wechsel vom Warmwasserbereitungsbetrieb in den Heizbetrieb, bevor eventuell die Druck-Obergrenze erreicht worden wäre.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist dafür ein Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen, welcher kleiner als eine vorgebbare Druck-Obergrenze ist. Alternativ dazu ist bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante ein Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen, welcher an eine vorgebbare Druck-Obergrenze mit einem festen Abstandsbetrag gekoppelt ist. Vor der Abschaltung wird somit eine zusätzliche Umschaltschwelle installiert. Vorzugsweise sind Abschaltdruck-Werte werksseitig voreingestellt und können vom Inbetriebnahmepersonal bei Bedarf noch verändert werden, beispielsweise um auf spezifische Anlagensituationen einzugehen.
Wurde der Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb erreicht und hat das Drei-Wege-Umschaltventil den Übergang in den Heizbetrieb veranlasst, so wird der Warmwasserbereitungsbetrieb erfindungsgemäß erneut gestartet, wenn nach einer vorgebbaren Zeitdauer eine Anforderung für Warmwasserbereitung weiterhin ansteht.
Vorteilhafterweise wird nach Erreichen des Abschaltdruck-Wertes und Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes bei Vorhandensein einer weiteren Wärmequelle im angeschlossenen Warmwasserbereitungssystem auf diese umgeschaltet, um bei einer weiter anstehenden Wärmeanforderung des Warmwasserbereitungssystems dieses dann beispielsweise mit einem Elektroheizstab schnell auf die geforderte Temperatur zu bringen. Dabei handelt es sich meist nur um einen kurzzeitigen Betrieb des Elektroheizstabes für das Erreichen des vom Nutzer vorgegebenen Warmwasser-Sollwertes, denn die größte Energiemenge wurde bereits vorher in das System, insbesondere in einen angeschlossenen Warmwasserspeicher, eingebracht.
Mit dieser Erfindung steht ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe zur Verfügung, mit dem Störabschaltungen vermieden werden und ein optimierter Betrieb erreicht wird. Die Rückkehr in den Heizbetrieb erfolgt beispielsweise schneller als bei herkömmlichen Systemen, so dass Komforteinbußen für Raum- bzw. Gebäudenutzer durch sehr lange Warmwasserbereitungsphasen vermieden werden. Erfindungsgemäß wird insgesamt der Warmwasserbereitungsbetrieb verbessert und mit einer Sicherheitsschwelle, nämlich der rechtzeitigen Rückkehr in den Heizbetrieb zum Vermeiden einer Hochdruckstörung, versehen.
Man vermeidet mit der Umschaltung sicher eine Hochdruckstörung im Warmwasserbereitungsbetrieb, welche ansonsten auch durch die thermische Trägheit des Systems möglicherweise auftreten konnte, wenn sich der Kältekreis im Druck-Grenzbereich bewegte. Im gesamten Wärmepumpensystem enthaltene Energie geht bei der Umschaltung vom Warmwasserbereitungsbetrieb auf hohem Temperatur- und Druckniveau zum Heizbetrieb nicht verloren, da diese thermische Energie dann in den Heizkreislauf gelangt.
Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur schematisch den Aufbau eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems mit einer Wärmepumpe.
Die Wärmepumpe besteht aus einem Kompressor 1, einem Verflüssiger 2, einer Entspannungseinrichtung 3, einem Verdampfer 4, einem geschlossenen Rohrleitungskreislauf zur Verbindung dieser Kältekreislauf-Komponenten, einem durch den Rohrleitungskreislauf zirkulierenden Kältemittel, einem Drucksensor 5 im Leitungsabschnitt zwischen Kompressor 1 und Entspannungseinrichtung 3 sowie einer Regeleinrichtung 6 zur Steuerung des Wärmepumpenprozesses.
Die Wärmeabgabe erfolgt über den Verflüssiger 2 an einen angeschlossenen Heizkreislauf 7 mit integrierter Umwälzpumpe 8 an ein Heizungssystem 9. Mit einem Drei-Wege-Umschaltventil 10 in der Rücklaufleitung wird in den Warmwasserbereitungsbetrieb umgeschaltet, so dass das Heizwasser über die Warmwasseranschlussleitung 11 in einen Warmwasserspeicher 12 bzw. dessen Wärmetauscher geleitet wird. Ein Temperatursensor 13 ist im unteren Bereich des Warmwasserspeichers 12 vorgesehen, um nach dessen Messwerten die Warmwasserbereitung zu regeln.
Als Wärmequelle ist eine Erdsondenbohrung 14 dargestellt, wobei eine Solepumpe 15 die Sole über die Soleleitung 16 durch den Verdampfer 4 fördert.
Mindestens während des Warmwasserbereitungsbetriebes werden aktuelle Messwerte am Drucksensor 5 ausgewertet und mit vorgebbaren Werten für einen optimalen Arbeitsdruck des Kompressors 1 verglichen. Vor Erreichen einer vorgebbaren Druck-Obergrenze im Hochdruckteil des Kältekreises, also zwischen Kompressor 1 und Entspannungseinrichtung 3, erfolgt eine Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit mindestens einem Kompressor (1), welcher vorgebbare Werte für einen optimalen Arbeitsdruck aufweist, mindestens einem Verflüssiger (2), mindestens einer Entspannungseinrichtung (3), mindestens einem Verdampfer (4), einem geschlossenen Rohrleitungskreislauf zur Verbindung der vorgenannten Komponenten, einem durch den Rohrleitungskreislauf und die vorgenannten Komponenten zirkulierenden Kältemittel, einem Drucksensor (5) im Leitungsabschnitt zwischen Kompressor (1) und Entspannungseinrichtung (3), einer Regeleinrichtung (6) zur Steuerung des Wärmepumpenprozesses sowie mindestens einem angeschlossenen Heizkreislauf (7) zur Warmwasserbereitung und/oder Abgabe von Wärme an ein Heizungssystem (9), wobei die Wärmeabgabe mit einem Drei-Wege-Umschaltventil (10) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens während des Warmwasserbereitungsbetriebes aktuelle Messwerte am Drucksensor (5) ausgewertet und mit vorgebbaren Werten für einen optimalen Arbeitsdruck des Kompressors (1) verglichen werden, und dass vor Erreichen einer vorgebbaren Druck-Obergrenze der Warmwasserbereitungsbetrieb beendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen ist, welcher kleiner als eine vorgebbare Druck-Obergrenze ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen ist, welcher an eine vorgebbare Druck-Obergrenze mit einem festen Abstandsbetrag gekoppelt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Warmwasserbereitungsbetrieb erneut gestartet wird, wenn nach einer vorgebbaren Zeitdauer eine Anforderung für Warmwasserbereitung weiterhin ansteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des Abschaltdruck-Wertes und Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes bei Vorhandensein einer weiteren Wärmequelle im angeschlossenen Warmwasserbereitungssystem auf diese umgeschaltet wird.