DE102020104742A1 - Control of a heat pump in variable operating conditions - Google Patents

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Abstract

Um ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (10), insbesondere in einem Kraftfahrzeug (100), mit einem Umgebungswärmeübertrager (20) und einem Innenraumwärmeübertrager (40), welche über einen Kältemittelkreis (50) miteinander verbunden sind, zu schaffen, welches einen Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers (20) ohne den Einsatz von zusätzlichen Sensoren ermitteln kann, wird vorgeschlagen einen Vereisungsgrad (V) als Betriebsparameter der Wärmepumpe (10) rechnerisch zu ermitteln, wobei bei einem Überschreiten oder Erreichen eines Grenzwerts (G) des ermittelten Vereisungsgrads (V) ein Abtauvorgang (A) des Umgebungswärmeübertragers (20) eingeleitet wird.In order to create a method for operating a heat pump (10), in particular in a motor vehicle (100), with an ambient heat exchanger (20) and an interior heat exchanger (40), which are connected to one another via a refrigerant circuit (50), which has a degree of icing of the Ambient heat exchanger (20) can determine without the use of additional sensors, it is proposed to determine a degree of icing (V) as the operating parameter of the heat pump (10) by calculation, with a defrosting process when a limit value (G) of the determined degree of icing (V) is exceeded or reached (A) of the ambient heat exchanger (20) is initiated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Umgebungswärmeübertrager und einem Innenraumwärmeübertrager, welche über einen Kältemittelkreis miteinander verbunden sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einer Wärmepumpe.The invention relates to a method for operating a heat pump, in particular in a motor vehicle, with an ambient heat exchanger and an interior heat exchanger, which are connected to one another via a refrigerant circuit. The invention also relates to a motor vehicle with a heat pump.

Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden oftmals Wärmepumpen zur Beheizung des Fahrgastraums eingesetzt. Hierbei wird die zum Beheizen des Fahrgastraums benötigte Wärme der Fahrzeugumgebung entzogen und dem Fahrgastraum zugeführt. Bei diesem Prozess kühlt ein mit der Fahrzeugumgebung thermisch gekoppelter Wärmeübertrager derart ab, dass der Taupunkt der Luft der Fahrzeugumgebung unterschritten und Reif auf der Oberfläche des Wärmeübertragers ausgebildet wird.In electrically powered vehicles, heat pumps are often used to heat the passenger compartment. Here, the heat required to heat the passenger compartment is extracted from the vehicle environment and fed to the passenger compartment. In this process, a heat exchanger thermally coupled to the vehicle environment cools down in such a way that the air in the vehicle environment falls below the dew point and frost is formed on the surface of the heat exchanger.

Durch die Bildung von Reif vereist die Oberfläche des Wärmeübertragers zunehmend und unterbindet somit einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe. Um wieder eine Durchströmung des Wärmeübertragers mit Luft zu ermöglichen, sind Abtauzyklen bzw. Abtauvorgänge notwendig, bei welchen der vereiste Wärmeübertrager aufgeheizt wird. Folglich schmilzt das Eis und eine Durchströmung des Wärmeübertragers mit Luft kann wieder erfolgen. Derartige Abtauzyklen beeinträchtigen jedoch die Effizienz und die Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe.Due to the formation of frost, the surface of the heat exchanger is increasingly icing up and thus prevents efficient operation of the heat pump. In order to allow air to flow through the heat exchanger again, defrosting cycles or defrosting processes are necessary in which the iced-up heat exchanger is heated up. As a result, the ice melts and air can flow through the heat exchanger again. However, such defrosting cycles impair the efficiency and performance of the heat pump.

Es sind bereits Verfahren zum Durchführen von Abtauzyklen bekannt, welche nach dem Ablauf einer vordefinierten Betriebsdauer den Abtauvorgang eines Verdampfers einleiten. Bei Wärmepumpen mit sich ändernden Betriebszuständen können derartige zeitgesteuerte Abtauzyklen die Effizienz der Wärmepumpe zusätzlich senken, da die Zeitdauer üblicherweise für einen spezifischen Betriebszustand optimiert ist oder einen Kompromiss zwischen mehreren Betriebszuständen bildet.Methods for performing defrosting cycles are already known, which initiate the defrosting process of an evaporator after a predefined operating time has elapsed. In the case of heat pumps with changing operating states, such time-controlled defrosting cycles can additionally reduce the efficiency of the heat pump, since the duration is usually optimized for a specific operating state or forms a compromise between several operating states.

Zum Feststellen eines Bedarfs zur Durchführung eines Abtauvorgangs werden bei stationären Kältemaschinen Sensoren eingesetzt, welche den Vereisungsgrad von Verdampfern messen können. Für mobile Anwendungen, wie beispielsweise bei fahrzeugseitigen Wärmepumpen, sind bisher keine Sensoren zum Ermitteln des Vereisungsgrads bekannt. Des Weiteren können derartige Sensoren den Montageaufwand der Wärmepumpe erhöhen und benötigen eine Auswerteelektronik, wodurch die Kosten der Wärmepumpe steigen.In stationary refrigeration machines, sensors that can measure the degree of icing of evaporators are used to determine the need to carry out a defrosting process. For mobile applications, such as in the case of vehicle-mounted heat pumps, no sensors for determining the degree of icing are known to date. Furthermore, such sensors can increase the installation effort of the heat pump and require evaluation electronics, which increases the costs of the heat pump.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Ermitteln des Vereisungsgrads von Verdampfern ohne den Einsatz von zusätzlichen Sensoren zu schaffen. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The invention is based on the object of creating a method for determining the degree of icing in evaporators without the use of additional sensors. This object is achieved by the features specified in claim 1. Further advantageous refinements of the invention are described in the subclaims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Die Wärmepumpe weist einen Umgebungswärmeübertrager und einen Innenraumwärmeübertrager auf, welche über einen Kältemittelkreis miteinander verbunden sind. Ein Kältemittel kann mittels eines Kompressors oder einer Pumpe durch den Kältemittelkreis gefördert werden. Beispielsweise kann der Umgebungswärmeübertrager und der Innenraumwärmeübertrager über den Kältemittelkreis eine Funktion einer Wärmepumpe ausführen.According to one aspect of the invention, a method for operating a heat pump, in particular in a motor vehicle, is provided. The heat pump has an ambient heat exchanger and an interior heat exchanger, which are connected to one another via a refrigerant circuit. A refrigerant can be conveyed through the refrigerant circuit by means of a compressor or a pump. For example, the ambient heat exchanger and the interior heat exchanger can perform a function of a heat pump via the refrigerant circuit.

Erfindungsgemäß wird ein Vereisungsgrad als Betriebsparameter der Wärmepumpe rechnerisch ermittelt. Bei einem Überschreiten oder Erreichen eines Grenzwerts des ermittelten Vereisungsgrads wird ein Abtauvorgang des Umgebungswärmeübertragers eingeleitet.According to the invention, a degree of icing is determined by calculation as an operating parameter of the heat pump. If a limit value of the determined degree of icing is exceeded or reached, a defrosting process of the ambient heat exchanger is initiated.

Die Berechnung des Vereisungsgrads und die Steuerung von Abtauvorgängen kann durch ein Steuergerät realisiert werden, welches mit der Wärmepumpe datenleitend verbindbar ist. Optional kann das Steuergerät mit mindestens einem Sensor datenleitend verbunden sein, um beispielsweise Betriebsparameter, wie beispielsweise Temperatur des Umgebungswärmeübertragers, Lufttemperatur, Betriebszustand der Wärmepumpe, Drehzahl des Kältemittelkompressors und dergleichen zu empfangen.The calculation of the degree of icing and the control of defrosting processes can be implemented by a control device which can be connected to the heat pump for data transmission. Optionally, the control device can be connected to at least one sensor for data transmission in order to receive, for example, operating parameters such as temperature of the ambient heat exchanger, air temperature, operating state of the heat pump, speed of the refrigerant compressor and the like.

Durch das Verfahren kann der Betriebsparameter „Vereisungsgrad“ definiert werden und bei der Regelung von Betriebszuständen und von Abtauvorgängen der Wärmepumpe eingesetzt werden. Dabei charakterisiert dieser Betriebsparameter den Vereisungszustand des Umgebungswärmeübertragers bzw. eines Verdampfers. Der Vereisungsgrad kann hierbei betriebszustandsübergreifend verwendet werden.The process can be used to define the operating parameter “degree of icing” and to use it to regulate operating states and defrosting processes of the heat pump. This operating parameter characterizes the icing condition of the ambient heat exchanger or an evaporator. The degree of icing can be used across all operating states.

Insbesondere kann der Vereisungsgrad ohne den Einsatz von Sensoren berechnet werden. Vorzugsweise kann der Vereisungsgrad abhängig von einer Betriebszeit und abhängig von den Umweltbedingungen, wie beispielsweise Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit und Wetterdaten, rechnerisch ermittelt werden. Zusätzlich können weitere Faktoren, wie die Durchflussrate des Kältemittels und die Fläche des Umgebungswärmeübertragers in die Berechnung des Vereisungsgrads einfließen.In particular, the degree of icing can be calculated without the use of sensors. The degree of icing can preferably be determined mathematically as a function of an operating time and as a function of the environmental conditions, such as, for example, air temperature, air humidity and weather data. In addition, other factors, such as the flow rate of the refrigerant and the area of the ambient heat exchanger, can be included in the calculation of the degree of icing.

Der Vereisungsgrad kann besonders präzise bestimmt werden, wenn er proportional zu einer Masse einer Reifschicht auf dem Umgebungswärmeübertrager und/oder zu einem Druckverlustbeiwert des Umgebungswärmeübertragers und/oder zu einer thermischen Isolationswirkung der Reifschicht auf dem Umgebungswärmeübertrager ermittelt wird. Hierdurch können weitere Faktoren, welche die thermodynamische Wechselwirkung zwischen dem Umgebungswärmeübertrager einer Reifschicht bzw. Eisschicht und der Umgebungsluft beeinflussen, bei der Berechnung des Vereisungsgrads berücksichtigt werden.The degree of icing can be determined particularly precisely if it is proportional to a mass of a layer of frost on the ambient heat exchanger and / or to a Pressure loss coefficient of the ambient heat exchanger and / or a thermal insulation effect of the layer of frost on the ambient heat exchanger is determined. In this way, further factors which influence the thermodynamic interaction between the ambient heat exchanger of a layer of frost or ice and the ambient air can be taken into account when calculating the degree of icing.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers ausgehend von einem Initialwert des Vereisungsgrads bis zu einem Überschreiten oder Erreichen des Grenzwerts während des Betriebs der Wärmepumpe rechnerisch erhöht. Während des Betriebs der Wärmepumpe nimmt die Vereisung des Umgebungswärmeübertragers abhängig von dem Betriebszustand der Wärmepumpe und den Umweltbedingungen stetig zu. Insbesondere nehmen die Vereisung und damit der Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers mit der fortschreitenden Betriebszeit zu. Durch das Berechnen des Vereisungsgrads kann die reale Vereisung bzw. Reifschicht rechnerisch nachgebildet bzw. simuliert werden. Der Initialwert des Vereisungsgrads kann beispielsweise einen Wert von 0 aufweisen, da nach einem abgeschlossenen Abtauvorgang oder bei einem Fahrtbeginn des Kraftfahrzeugs keine Vereisung des Umgebungswärmeübertragers vorliegt.According to a further exemplary embodiment, the degree of icing of the ambient heat exchanger is mathematically increased starting from an initial value of the degree of icing up to the limit value being exceeded or reached during the operation of the heat pump. During the operation of the heat pump, the icing of the ambient heat exchanger increases steadily depending on the operating state of the heat pump and the environmental conditions. In particular, the icing and thus the degree of icing of the ambient heat exchanger increase with the advancing operating time. By calculating the degree of icing, the real icing or layer of frost can be computationally reproduced or simulated. The initial value of the degree of icing can have a value of 0, for example, since there is no icing of the ambient heat exchanger after a completed defrosting process or when the motor vehicle starts to drive.

Die Betriebsart und die geforderte Leistung der Wärmepumpe können besonders präzise durch den Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers abgebildet werden, wenn er abhängig von mindestens einem Betriebszustand und/oder einer Betriebszeit des Betriebs der Wärmepumpe erhöht wird. Dabei kann der Vereisungsgrad mit der Betriebszeit iterativ oder kontinuierlich erhöht werden. Mit zunehmender Wärmeleistung der Wärmepumpe am Innenraumwärmeübertrager wird der Umgebungswärmeübertrager stärker abgekühlt, sodass der Umgebungswärmeübertrager schneller vereist und der Vereisungsgrad schneller ansteigt.The operating mode and the required output of the heat pump can be mapped particularly precisely by the degree of icing of the ambient heat exchanger if it is increased as a function of at least one operating state and / or an operating time of the operation of the heat pump. The degree of icing can be increased iteratively or continuously with the operating time. As the heat output of the heat pump at the interior heat exchanger increases, the ambient heat exchanger is cooled more so that the ambient heat exchanger freezes more quickly and the degree of freezing increases more quickly.

Die Betriebszustände der Wärmepumpe können insbesondere abhängig von Parametern, wie beispielsweise der Außenlufttemperatur, Umgebungsluftfeuchtigkeit und der Heizleistung der Wärmepumpe, eingestellt werden. Während der Fahrt des Kraftfahrzeugs können sich diese Parameter ändern. Hierdurch muss die Regelung bzw. Abtausteuerung der Wärmepumpe an die veränderten Parameter angepasst werden. Durch die Veränderung des Betriebszustands der Wärmepumpe verändert sich auch die Rate bzw. Geschwindigkeit, mit welcher der Vereisungsgrad zunimmt.The operating states of the heat pump can in particular be set as a function of parameters such as the outside air temperature, ambient air humidity and the heating output of the heat pump. These parameters can change while the motor vehicle is in motion. As a result, the regulation or defrost control of the heat pump must be adapted to the changed parameters. The change in the operating state of the heat pump also changes the rate or speed at which the degree of icing increases.

Nach einer weiteren Ausführungsform wird der Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers nach einem abgeschlossenen Abtauvorgang des Umgebungswärmeübertragers und/oder bei einem Fahrtbeginn des Kraftfahrzeugs auf den Initialwert zurückgesetzt. Durch diese Maßnahme kann der Vereisungsgrad zuverlässig von einem konstanten Initialwert aus ermittelt werden. Eine entsprechende Berechnung des Vereisungsgrads kann beispielsweise über ein Integral erfolgen und somit technisch besonders einfach umsetzbar sein.According to a further embodiment, the degree of icing of the ambient heat exchanger is reset to the initial value after a completed defrosting process of the ambient heat exchanger and / or when the motor vehicle starts to drive. This measure enables the degree of icing to be reliably determined from a constant initial value. A corresponding calculation of the degree of icing can take place, for example, via an integral and can thus be implemented in a particularly simple manner from a technical point of view.

Durch Wechsel der Betriebszustände der Wärmepumpe als Reaktionen auf sich ändernde Umweltbedingungen oder Leistungsanforderungen der Wärmepumpe kann der Vereisungsgrad technisch einfach zwischen den Betriebszuständen übergeben werden, wenn der Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers zumindest temporär gespeichert und bei einem Betriebszustandswechsel der Wärmepumpe von einem ersten Betriebszustand zu mindestens einem zweiten Betriebszustand der Wärmepumpe ununterbrochen erhöht wird. Bevorzugterweise steigt ein Wert des Vereisungsgrads im ersten Betriebszustand gegenüber einem Wert des Vereisungsgrads im zweiten Betriebszustand über die Betriebszeit unterschiedlich schnell an. Hierdurch kann der Vereisungsgrad als Betriebsparameter auch bei sich wechselnden Betriebszuständen der Wärmepumpe verwendet werden und ein zuverlässiges Maß für die Vereisung des Umgebungswärmeübertragers abbilden.By changing the operating states of the heat pump as a reaction to changing environmental conditions or performance requirements of the heat pump, the degree of icing can easily be transferred between the operating states if the degree of icing of the ambient heat exchanger is at least temporarily stored and when the operating state of the heat pump changes from a first operating state to at least a second operating state the heat pump is continuously increased. A value of the degree of icing in the first operating state preferably increases at different rates over the operating time compared to a value of the degree of icing in the second operating state. As a result, the degree of icing can be used as an operating parameter even when the operating states of the heat pump change and can represent a reliable measure for the icing of the ambient heat exchanger.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird der Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers anhand eines Integrals über die Betriebszeit berechnet. V = r 0 + 0 t m d e s u b . d t

Figure DE102020104742A1_0001
According to one embodiment, the degree of icing of the ambient heat exchanger is calculated using an integral over the operating time. V = r 0 + 0 t m d e s u b . d t
Figure DE102020104742A1_0001

Dabei wird ein zeitliches Integral einer Massenzunahme durch die Bildung der Reifschicht auf einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers zum Ermitteln des Vereisungsgrads mit der Einheit einer Masse gebildet.In this case, a time integral of an increase in mass due to the formation of the frost layer on a surface of the ambient heat exchanger for determining the degree of icing is formed with the unit of a mass.

Die Massenzunahme durch die Bildung der Reifschicht auf der Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers hängt hierbei von verschiedenen Parametern, insbesondere Umweltgrößen, ab. m d e s u b . = β F ρ L u f t ( X L u f t ( T ) X ' L u f t ( T ) )

Figure DE102020104742A1_0002
The increase in mass due to the formation of the frost layer on the surface of the ambient heat exchanger depends on various parameters, in particular environmental variables. m d e s u b . = β F. ρ L. u f t ( X L. u f t ( T ) - X ' L. u f t ( T ) )
Figure DE102020104742A1_0002

Insbesondere können eine Fläche des Umgebungswärmeübertragers, ein Wassergehalt in der Luft, ein Sättigungsgehalt der Luft, ein Stoffübergangskoeffizient und eine maximale Wasserspeicherfähigkeit des Umgebungswärmeübertragers für die Berechnung der Massenzunahme herangezogen werden.In particular, an area of the ambient heat exchanger, a water content in the air, a saturation content of the air, a mass transfer coefficient and a maximum water storage capacity of the ambient heat exchanger can be used to calculate the mass increase.

Eine derartige rechnerische Ermittlung des Vereisungsgrades durch Integralrechnung ist robust und technisch einfach umsetzbar. Hierdurch kann die Vereisung basierend auf den Betriebsbedingungen seit der letzten Abtauung und basierend auf dem aktuellen Vereisungsgrad ermittelt werden. Dies entspricht einer relativen Berechnung einer Zunahme oder Abnahme des Vereisungsgrads ausgehend von dem Initialwert oder einem vorherigen Wert des Vereisungsgrads.Such a computational determination of the degree of icing by integral calculation is robust and technically easy to implement. This allows the icing to be determined based on the operating conditions since the last defrost and based on the current degree of icing. This corresponds to a relative calculation of an increase or decrease in the degree of icing on the basis of the initial value or a previous value of the degree of icing.

Alternativ oder zusätzlich kann auch eine situationsabhängige bzw. absolute Berechnung des Vereisungsgrades aus dem aktuellen Betriebszustand berechnet werden.Alternatively or additionally, a situation-dependent or absolute calculation of the degree of icing can also be calculated from the current operating state.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug, welches eine Wärmepumpe zum Ausführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens aufweist, bereitgestellt. Ein Innenraumwärmeübertrager der Wärmepumpe kann hierbei zum Kühlen oder Heizen des Innenraums des Kraftfahrzeugs dienen. Bei einem Heizungsbetrieb des Innenraums wird ein über einen Kältemittelkreis mit dem Innenraumwärmeübertrager gekoppelter Umgebungswärmeübertrager abgekühlt. Dabei kann sich mit der Zeit Reif auf der Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers ausbilden. Durch die Reifschicht auf der Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers wird die Effizienz der Wärmepumpe verringert und die Heizleistung des Innenraums bzw. Fahrgastraums beeinträchtigt.According to a further aspect of the invention, a motor vehicle is provided which has a heat pump for carrying out a method according to the invention. An interior heat exchanger of the heat pump can serve to cool or heat the interior of the motor vehicle. When the interior is heated, an ambient heat exchanger coupled to the interior heat exchanger via a refrigerant circuit is cooled. Over time, frost can form on the surface of the ambient heat exchanger. Due to the layer of frost on the surface of the ambient heat exchanger, the efficiency of the heat pump is reduced and the heating output of the interior or passenger compartment is impaired.

Durch das Verfahren kann der Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers abgeschätzt bzw. simuliert und für eine effiziente Durchführung von Abtauvorgängen eingesetzt werden. Hierbei kann ein Abtauvorgang eingeleitet werden, wenn der Wert des Vereisungsgrads einen Grenzwert erreicht oder überschreitet.The method allows the degree of icing of the ambient heat exchanger to be estimated or simulated and used for efficient implementation of defrosting processes. A defrosting process can be initiated if the value of the degree of icing reaches or exceeds a limit value.

Abhängig von dem Betriebszustand der Wärmepumpe kann der Grenzwert des Vereisungsgrads konstant oder variierbar ausgestaltet sein.Depending on the operating state of the heat pump, the limit value for the degree of icing can be configured to be constant or variable.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einer Wärmepumpe gemäß einer Ausführungsform, und
  • 2a und 2b schematische Diagramme eines luftseitigen Druckverlustbeiwerts eines Umgebungswärmeübertragers und eines ermittelten Vereisungsgrads zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:
  • 1 a schematic representation of a motor vehicle according to the invention with a heat pump according to one embodiment, and
  • 2a and 2 B schematic diagrams of an air-side pressure loss coefficient of an ambient heat exchanger and a determined degree of icing to illustrate a method according to the invention.

In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.In the figures, the same structural elements have the same reference numbers in each case.

Die 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs 100 mit einer Wärmepumpe 10 zur Luftbehandlung gemäß einer Ausführungsform. Die Wärmepumpe 10 ist beispielhaft als eine Dachklimaanlage in Flachbauweise ausgestaltet, welche auf einem als Bus ausgestalteten Kraftfahrzeug 100 montiert ist. Die Wärmepumpe 10 kann analog in beliebigen Kraftfahrzeugen 100, wie beispielsweise Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen und dergleichen eingesetzt werden.the 1 shows a schematic side view of a motor vehicle 100 with a heat pump 10 for air treatment according to one embodiment. The heat pump 10 is designed, for example, as a roof air conditioning system in flat construction, which is mounted on a motor vehicle designed as a bus 100 is mounted. The heat pump 10 can be used analogously in any motor vehicle 100 such as passenger cars, trucks, agricultural vehicles and the like can be used.

Die Wärmepumpe 10 weist einen Umgebungswärmeübertrager 20 auf, welcher über einen optionalen Ventilator 30 mit einer Umgebung U bzw. Umgebungsluft versorgt wird. Hierdurch kann der Umgebungswärmeübertrager 20 bei einem Heizbetrieb der Wärmepumpe 10 Wärme der Umgebung U entziehen. Der Umgebungswärmeübertrager 20 kann beispielsweise als ein Verdampfer im Heizungsbetrieb der Wärmepumpe 10 ausgestaltet sein.The heat pump 10 has an ambient heat exchanger 20th on, which has an optional fan 30th with an environment U or ambient air is supplied. This allows the ambient heat exchanger 20th when the heat pump is in heating mode 10 Warmth of the environment U revoke. The ambient heat exchanger 20th can, for example, be used as an evaporator in the heating mode of the heat pump 10 be designed.

Des Weiteren weist die Wärmepumpe 10 einen Innenraumwärmeübertrager 40 auf. Der Innenraumwärmeübertrager 40 ist in einem Fahrgastraum bzw. Fahrzeuginnenraum 101 angeordnet, um den Fahrgastraum 101 zu beheizen oder zu kühlen.Furthermore, the heat pump 10 an indoor heat exchanger 40 on. The indoor heat exchanger 40 is in a passenger compartment or vehicle interior 101 arranged to the passenger compartment 101 to heat or cool.

Der Umgebungswärmeübertrager 20 und der Innenraumwärmeübertrager 40 sind über einen Kältemittelkreis 50 fluidführend miteinander verbunden. Durch den Kältemittelkreis 50 kann ein Kältemittel mittels einer Kältemittelpumpe 51 bzw. eines Kältemittelkompressors gefördert werden, um ein Entziehen von Wärme aus der Umgebung U und ein Zuführen von Wärme zu dem Fahrgastraum 101 zu ermöglichen.The ambient heat exchanger 20th and the indoor heat exchanger 40 are via a refrigerant circuit 50 fluidly connected to each other. Through the refrigerant circuit 50 can a refrigerant by means of a refrigerant pump 51 or a refrigerant compressor to remove heat from the environment U and supplying heat to the passenger compartment 101 to enable.

Durch das Entziehen von Wärme aus der Umgebung U kann der Umgebungswärmeübertrager 20 vereisen und somit seine Effizienz einbüßen. Zum Durchführen eines Abtauvorgangs kann im dargestellten Ausführungsbeispiel der Umgebungswärmeübertrager 20 durch einen Abtauvorgang enteist werden. Hierzu kann beispielsweise die Wärmepumpe 10 in einer dem Heizungsbetrieb umgekehrten Richtung betrieben werden, um den Umgebungswärmeübertrager 20 kurzzeitig zu erwärmen.By removing heat from the environment U can the ambient heat exchanger 20th freeze and thus lose its efficiency. To carry out a defrosting process, the ambient heat exchanger can be used in the illustrated embodiment 20th be defrosted by a defrosting process. For example, the heat pump 10 be operated in a direction opposite to the heating mode to the ambient heat exchanger 20th to be heated briefly.

Ein Steuergerät 60 kann mit der Kältemittelpumpe 51 verbunden sein und dazu eingerichtet sein, die Wärmepumpe 10 zu steuern. Insbesondere kann das Steuergerät 60 Anforderungen an eine Heizungsleistung oder Kühlleistung der Wärmepumpe 10 in Form einer Anpassung eines Betriebszustands der Wärmepumpe 10 umsetzen. Bei der Anpassung des Betriebszustands der Wärmepumpe 10 kann beispielsweise eine Drehzahl der Kältemittelpumpe 51, eine Durchflussrate des Kältemittels, eine Ansteuerung von Ventilen und dergleichen verändert werden.A control unit 60 can with the refrigerant pump 51 be connected and set up to the heat pump 10 to control. In particular, the control unit 60 Requirements for a heating capacity or cooling capacity of the heat pump 10 in the form of an adaptation of an operating state of the heat pump 10 realize. When adapting the operating status of the heat pump 10 can for example be a speed of the refrigerant pump 51 , a flow rate of the refrigerant, a control of valves and the like can be changed.

In der 2a und 2b sind schematische Diagramme zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die 2a zeigt einen beispielhaften luftseitigen Druckverlustbeiwert ζ des Umgebungswärmeübertragers 20, welcher sich mit der Zeit bzw. Betriebszeit t verändert. In der 2b ist ein ermittelter Vereisungsgrad V gezeigt, welcher ebenfalls von der Betriebszeit t der Wärmepumpe 10 abhängt.In the 2a and 2 B schematic diagrams are shown to illustrate a method according to the invention. the 2a shows an exemplary air-side pressure loss coefficient ζ of the ambient heat exchanger 20th which changes over time or operating time t changes. In the 2 B is a determined degree of icing V shown which also depends on the operating time t the heat pump 10 depends.

Der luftseitige Druckverlustbeiwert ζ des Umgebungswärmeübertragers 20 ist ein dimensionsloses Maß für den Druckverlust an dem Umgebungswärmeübertrager 20 und dient der Veranschaulichung der Folgen einer Vereisung. Mit zunehmender Vereisung kann der Umgebungswärmeübertrager 20 weniger Wärme aus der Umgebung U entziehen und vermindert somit die Effizienz der Wärmepumpe 10. Um die Vereisung des Umgebungswärmeübertragers 20 zu beseitigen, werden Abtauvorgänge A eingeleitet. Durch einen Abtauvorgang A kann die Vereisung des Umgebungswärmeübertragers 20 beseitigt werden, sodass der luftseitige Druckverlustbeiwert ζ erneut ansteigt.The air-side pressure loss coefficient ζ of the ambient heat exchanger 20th is a dimensionless measure for the pressure loss at the ambient heat exchanger 20th and serves to illustrate the consequences of icing. As the ice builds up, the ambient heat exchanger 20th less heat from the environment U withdraw and thus reduce the efficiency of the heat pump 10 . About the icing of the ambient heat exchanger 20th to eliminate defrosts A. initiated. Through a defrosting process A. the surrounding heat exchanger can be iced up 20th can be eliminated so that the air-side pressure loss coefficient ζ increases again.

In der 2a ist der Verlauf des luftseitigen Druckverlustbeiwerts ζ mit durchgeführten Abtauvorgängen A in zwei unterschiedlichen Betriebszuständen bzw. Betriebsmodi 70, 80 dargestellt. Dabei wird die Wärmepumpe 10 in einem ersten Betriebszustand 70 durch das Steuergerät 60 betrieben und an einem Betriebszustandswechsel 90 durch das Steuergerät 60 in einen zweiten Betriebszustand 80 umgeschaltet.In the 2a is the course of the air-side pressure loss coefficient ζ with defrosting processes carried out A. in two different operating states or operating modes 70 , 80 shown. This is where the heat pump 10 in a first operating state 70 through the control unit 60 operated and at a change of operating state 90 through the control unit 60 in a second operating state 80 switched.

Im zweiten Betriebszustand 80 wird die Wärmepumpe 10 mit einer geringeren Leistung betrieben, sodass die Vereisung des Umgebungswärmeübertragers 20 langsamer verläuft.In the second operating state 80 becomes the heat pump 10 operated with a lower output, so that the ambient heat exchanger freezes 20th runs slower.

In der 2b ist der im Betrieb der Wärmepumpe 10, beispielsweise durch das Steuergerät 60, berechnete Vereisungsgrad V illustriert. Der Vereisungsgrad V wird als Betriebsparameter der Wärmepumpe 10 rechnerisch ermittelt. Bei einem Überschreiten oder Erreichen eines Grenzwerts G des ermittelten Vereisungsgrads V wird ein Abtauvorgang A des Umgebungswärmeübertragers 20 eingeleitet. Dies kann ebenfalls durch das Steuergerät 60 technisch umgesetzt werden.In the 2 B is the one in operation of the heat pump 10 , for example by the control unit 60 , calculated degree of icing V illustrated. The degree of icing V is used as the operating parameter of the heat pump 10 calculated. When a limit value is exceeded or reached G the determined degree of icing V becomes a defrosting process A. of the ambient heat exchanger 20th initiated. This can also be done by the control unit 60 technically implemented.

Durch den Wechsel der Betriebszustände 70, 80 der Wärmepumpe 10 als Reaktionen auf sich ändernde Umweltbedingungen oder Leistungsanforderungen der Wärmepumpe 10 kann der Vereisungsgrad V zwischen den Betriebszuständen 70, 80 übergeben werden. Hierzu kann das Steuergerät 60 den Vereisungsgrad V des Umgebungswärmeübertragers 20 zumindest temporär speichern und bei einem Betriebszustandswechsel 90 der Wärmepumpe 10 von dem ersten Betriebszustand 70 in den zweiten Betriebszustand 80 der Wärmepumpe 10 ununterbrochen berechnet werden. Dabei steigt ein Wert des Vereisungsgrads V im ersten Betriebszustand 70 gegenüber einem Wert des Vereisungsgrads V im zweiten Betriebszustand 80 über die Betriebszeit t unterschiedlich schnell an. Durch einen langsameren Anstieg des Vereisungsgrads V im zweiten Betriebszustand 80 wird der Abtauvorgang A zu einem späteren Betriebszeitpunkt aktiviert, da der Grenzwert G des Vereisungsgrads V langsamer erreicht wird.By changing the operating status 70 , 80 the heat pump 10 as reactions to changing environmental conditions or performance requirements of the heat pump 10 can be the degree of icing V between the operating states 70 , 80 be handed over. The control unit can do this 60 the degree of icing V of the ambient heat exchanger 20th save at least temporarily and when there is a change in operating mode 90 the heat pump 10 from the first operating state 70 in the second operating state 80 the heat pump 10 continuously calculated. A value of the degree of icing increases V in the first operating state 70 versus a value of the degree of icing V in the second operating state 80 over the operating time t at different speeds. Due to a slower increase in the degree of icing V in the second operating state 80 the defrosting process A. activated at a later time because the limit value G the degree of icing V is reached more slowly.

Der Vereisungsgrad V des Umgebungswärmeübertragers 20 wird anhand eines Integrals über die Betriebszeit t berechnet. V = r 0 + 0 t m d e s u b . d t

Figure DE102020104742A1_0003
The degree of icing V of the ambient heat exchanger 20th is based on an integral over the operating time t calculated. V = r 0 + 0 t m d e s u b . d t
Figure DE102020104742A1_0003

Dabei wird ein zeitliches Integral einer Massenzunahme m d e s u b .

Figure DE102020104742A1_0004
durch die Bildung der Reifschicht auf einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers 20 zum Ermitteln des Vereisungsgrads V mit der Einheit einer Masse gebildet.Thereby a time integral of a mass increase becomes m d e s u b .
Figure DE102020104742A1_0004
by the formation of the frost layer on a surface of the ambient heat exchanger 20th to determine the degree of icing V formed with the unity of a mass.

Die Massenzunahme m d e s u b .

Figure DE102020104742A1_0005
durch die Bildung der Reifschicht auf der Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers 20 wird gemäß der folgenden Formel berechnet m d e s u b . = β F ρ L u f t ( X L u f t ( T ) X ' L u f t ( T ) )
Figure DE102020104742A1_0006
mit F einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers 20, X einem Wassergehalt der Luft bei einer Umgebungstemperatur T, X' einem Sättigungsgehalt der Luft, β einem Stoffübergangskoeffizient, r0 einer maximalen Wasserspeicherfähigkeit des Umgebungswärmeübertragers 20 und ρLuft der Luftdichte.The increase in mass m d e s u b .
Figure DE102020104742A1_0005
by the formation of the frost layer on the surface of the ambient heat exchanger 20th is calculated according to the following formula m d e s u b . = β F. ρ L. u f t ( X L. u f t ( T ) - X ' L. u f t ( T ) )
Figure DE102020104742A1_0006
with F a surface of the ambient heat exchanger 20th , X a water content of the air at an ambient temperature T , X ' a saturation level of the air, β a mass transfer coefficient, r0 a maximum water storage capacity of the ambient heat exchanger 20th and ρ air the air density.

Der Vereisungsgrad des Umgebungswärmeübertragers 20 ist somit von den Umgebungsbedingungen abhängig, welche die Bildung einer Reifschicht auf dem Umgebungswärmeübertrager 20 begünstigen.The degree of icing of the ambient heat exchanger 20th is therefore dependent on the ambient conditions, which cause the formation of a layer of frost on the ambient heat exchanger 20th favor.

Nach einem abgeschlossenen Abtauvorgang A des Umgebungswärmeübertragers 20 und/oder bei einem Fahrtbeginn des Kraftfahrzeugs 100 wird der Vereisungsgrad V auf einen Initialwert Vo des Vereisungsgrads V zurückgesetzt.After a completed defrosting process A. of the ambient heat exchanger 20th and / or when the motor vehicle starts to travel 100 becomes the degree of icing V to an initial value Vo of the degree of icing V reset.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

100100
KraftfahrzeugMotor vehicle
101101
Fahrgastraum Passenger compartment
1010
Wärmepumpe Heat pump
2020th
Umgebungswärmeübertrager Ambient heat exchanger
3030th
Ventilator fan
4040
Innenraumwärmeübertrager Indoor heat exchanger
5050
KältemittelkreisRefrigerant circuit
5151
Kältemittelpumpe / Kältemittelkompressor Refrigerant pump / refrigerant compressor
6060
Steuergerät Control unit
7070
erster Betriebszustandfirst operating status
8080
zweiter Betriebszustandsecond operating state
9090
Betriebszustandswechsel Change of operating status
ζζ
luftseitiger Druckverlustbeiwertair-side pressure loss coefficient
ρLuftρair
LuftdichteAirtightness
AA.
AbtauvorgangDefrosting
ββ
StoffübergangskoeffizientMass transfer coefficient
FF.
Oberfläche des UmgebungswärmeübertragersSurface of the ambient heat exchanger
GG
Grenzwert des VereisungsgradsLimit value of the degree of icing
r0r0
maximalen Wasserspeicherfähigkeit des Umgebungswärmeübertragersmaximum water storage capacity of the ambient heat exchanger
tt
BetriebszeitOperating time
TT
UmgebungstemperaturAmbient temperature
UU
UmgebungSurroundings
VV
VereisungsgradDegree of icing
V0V0
Initialwert des VereisungsgradsInitial value of the degree of icing
XX
Wassergehalt der LuftWater content of the air
X'X '
Sättigungsgehalt der LuftSaturation content of the air

Claims (8)

Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (10), insbesondere in einem Kraftfahrzeug (100), mit einem Umgebungswärmeübertrager (20) und einem Innenraumwärmeübertrager (40), welche über einen Kältemittelkreis (50) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vereisungsgrad (V) als Betriebsparameter der Wärmepumpe (10) rechnerisch ermittelt wird, wobei bei einem Überschreiten oder Erreichen eines Grenzwerts (G) des ermittelten Vereisungsgrads (V) ein Abtauvorgang (A) des Umgebungswärmeübertragers (20) eingeleitet wird.Method for operating a heat pump (10), in particular in a motor vehicle (100), with an ambient heat exchanger (20) and an interior heat exchanger (40), which are connected to one another via a refrigerant circuit (50), characterized in that a degree of icing (V) is calculated as the operating parameter of the heat pump (10), with a defrosting process (A) of the ambient heat exchanger (20) being initiated when a limit value (G) of the determined degree of icing (V) is exceeded or reached. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Vereisungsgrad (V) proportional zu einer Masse einer Reifschicht auf dem Umgebungswärmeübertrager (20) und/oder zu einem Druckverlustbeiwert (ζ) des Umgebungswärmeübertragers (20) und/oder zu einer thermischen Isolationswirkung der Reifschicht auf dem Umgebungswärmeübertrager (20) ermittelt wird.Procedure according to Claim 1 , the degree of icing (V) being determined proportionally to a mass of a layer of frost on the ambient heat exchanger (20) and / or to a pressure loss coefficient (ζ) of the ambient heat exchanger (20) and / or to a thermal insulation effect of the layer of frost on the ambient heat exchanger (20) . Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Vereisungsgrad (V) des Umgebungswärmeübertragers (20) ausgehend von einem Initialwert (Vo) des Vereisungsgrads (V) bis zu einem Überschreiten oder Erreichen des Grenzwerts (G) während des Betriebs der Wärmepumpe (10) rechnerisch erhöht wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , the degree of icing (V) of the ambient heat exchanger (20) being mathematically increased starting from an initial value (Vo) of the degree of icing (V) until the limit value (G) is exceeded or reached during operation of the heat pump (10). Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Vereisungsgrad (V) des Umgebungswärmeübertragers (20) abhängig von mindestens einem Betriebszustand (70, 80) und/oder einer Betriebszeit (t) des Betriebs der Wärmepumpe (10) erhöht wird.Procedure according to Claim 3 , the degree of icing (V) of the ambient heat exchanger (20) being increased as a function of at least one operating state (70, 80) and / or an operating time (t) of the operation of the heat pump (10). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Vereisungsgrad (V) des Umgebungswärmeübertragers (20) nach einem abgeschlossenen Abtauvorgang (A) des Umgebungswärmeübertragers (20) und/oder bei einem Fahrtbeginn des Kraftfahrzeugs (100) auf einen Initialwert (Vo) zurückgesetzt wird.Procedure according to Claim 3 or 4th , the degree of icing (V) of the ambient heat exchanger (20) being reset to an initial value (Vo) after a completed defrosting process (A) of the ambient heat exchanger (20) and / or when the motor vehicle (100) starts to drive. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Vereisungsgrad (V) des Umgebungswärmeübertragers (20) zumindest temporär gespeichert und bei einem Betriebszustandswechsel (90) der Wärmepumpe (10) von einem ersten Betriebszustand (70) zu mindestens einem zweiten Betriebszustand (80) der Wärmepumpe (10) ununterbrochen erhöht wird, wobei ein Wert des Vereisungsgrads (V) im ersten Betriebszustand (70) gegenüber einem Wert des Vereisungsgrads (V) im zweiten Betriebszustand (80) über die Betriebszeit (t) unterschiedlich schnell ansteigt.Method according to one of the Claims 1 until 5 , the degree of icing (V) of the ambient heat exchanger (20) being stored at least temporarily and continuously increased in the event of an operating state change (90) of the heat pump (10) from a first operating state (70) to at least a second operating state (80) of the heat pump (10) , wherein a value of the degree of icing (V) in the first operating state (70) increases at different rates over the operating time (t) compared to a value of the degree of icing (V) in the second operating state (80). Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Vereisungsgrad (V) des Umgebungswärmeübertragers (20) anhand eines Integrals über die Betriebszeit (t) berechnet wird: V = r 0 + 0 t m d e s u b . d t
Figure DE102020104742A1_0007
mit m d e s u b . = β F ρ L u f t ( X L u f t ( T ) X ' L u f t ( T ) )
Figure DE102020104742A1_0008
und mit F, einer Oberfläche des Umgebungswärmeübertragers X, einem Wassergehalt der Luft bei einer Umgebungstemperatur T X', einem Sättigungsgehalt der Luft β, einem Stoffübergangskoeffizient r0, einer maximalen Wasserspeicherfähigkeit des Umgebungswärmeübertragers
Method according to one of the Claims 1 until 6th , where the degree of icing (V) of the ambient heat exchanger (20) is calculated using an integral over the operating time (t): V = r 0 + 0 t m d e s u b . d t
Figure DE102020104742A1_0007
with m d e s u b . = β F. ρ L. u f t ( X L. u f t ( T ) - X ' L. u f t ( T ) )
Figure DE102020104742A1_0008
and with F, a surface of the ambient heat exchanger X, a water content of the air at an ambient temperature T X ', a saturation content of the air β, a mass transfer coefficient r0, a maximum water storage capacity of the ambient heat exchanger
Kraftfahrzeug (100), welches eine Wärmepumpe (10) zum Ausführen eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.Motor vehicle (100) which has a heat pump (10) for carrying out a method according to one of the preceding claims.
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