DE102020115264A1 - Method for operating a compression refrigeration system and associated compression refrigeration system - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage (200) sowie eine zugehörige Kompressionskälteanlage (200). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist, Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters, Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels aus a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte, Bestimmung des Maximums aus a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage (200) und b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels, und Regelung des Drosselorgans (230) auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels.The present invention relates to a method for regulating a compression refrigeration system (200) and an associated compression refrigeration system (200). The method comprises the following steps: Acquisition of a temperature that is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit which, when the refrigeration circuit is in operation, can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with a water vapor content, calculation of a minimum temperature to ensure that the surface temperature of the dew point is exceeded Component based on a recorded environmental parameter, calculation of a minimum value of superheating (dTÜE) of the refrigerant from a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the overheating calculation is based, which exceeds the dew point of the surfaces of the components of the cooling circuit operated on the low pressure side The consequence would be to determine the maximum from a) a provided setpoint value for superheating (dTÜE) of the refrigerant for regular operation of the Compression refrigeration system (200) and b) of the calculated minimum superheating value (dTÜE) of the refrigerant, and regulation of the throttle element (230) to the superheating value of the refrigerant determined as the maximum.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kompressionskälteanlage sowie eine zugehörige Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und einer Steuereinheit zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und einer Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung.The invention relates to a method for operating a compression refrigeration system and an associated compression refrigeration system with a refrigerant, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element to the refrigerant before it enters the Compressor, and a control unit for detecting overheating of the refrigerant when it enters the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and a regulation of the throttle element based on the overheating.

Derartige Kompressionskälteanlagen, beispielsweise in Form von Wärmepumpen, mit einem Dampfkompressionssystem in welchem ein gasförmiges Kältemittel von einem mittels der Steuereinheit, die beispielsweise einen Regler aufweist, gesteuerten Verdichter von einem Niederdruck auf einen Hochdruck verdichtet wird, sind bekannt.Such compression refrigeration systems, for example in the form of heat pumps, with a vapor compression system in which a gaseous refrigerant is compressed from a low pressure to a high pressure by a compressor controlled by means of the control unit, which for example has a regulator, are known.

Das Kältemittel wird durch den Verflüssiger getrieben, in dem es eine Heizwärme an ein in einem Wärmesenkensystem befindliches Heizmedium abgibt. Eine innere Wärme wird in einem inneren Wärmeübertrager, beispielsweise in Form eines Rekuperators, zwischen dem unter dem Hochdruck vom Verflüssiger zum Expansionsventil strömenden Kältemittel und dem vom Verdampfer zum Verdichter unter dem Niederdruck strömende Kältemittel übertragen.The refrigerant is driven through the condenser, in which it gives off heat to a heating medium located in a heat sink system. Internal heat is transferred in an internal heat exchanger, for example in the form of a recuperator, between the refrigerant flowing under high pressure from the condenser to the expansion valve and the refrigerant flowing from the evaporator to the compressor under low pressure.

Das Kältemittel wird weiter in einer Hochdruckströmungsrichtung zu einem vom Regler gesteuerten Expansionsventil geführt, in dem das Kältemittel vom Hochdruck auf den Niederdruck abhängig von einem Regelwert entspannt wird. Das auf dem Niederdruck befindliche Kältemittel verdampft in dem Verdampfer bei Aufnahme von Quellwärme.The refrigerant is guided further in a high-pressure flow direction to an expansion valve controlled by the regulator, in which the refrigerant is expanded from high pressure to low pressure as a function of a control value. The refrigerant at the low pressure evaporates in the evaporator when it absorbs source heat.

Aus DE 101 59 892 A1 ist bei einer Kältemaschine bekannt, insbesondere bei einer Wärmepumpe, einen Rekuperator zu verwenden, womit bei niedrigen Außentemperaturen die Heizleistung auf baulich einfache Weise erhöht werden soll. Hierfür ist der Rekuperator derart dimensioniert, dass er bei niedrigen Verdampfungstemperaturen wenigstens etwa 15% der Heizleistung der Wärmepumpe vom flüssigen Kältemittel auf das gasförmige Kältemittel überträgt. Ein Einspritzventil spritzt flüssiges Kältemittel in den Verdichter, so dass die Verdichtungsendtemperatur unter 120 °C bleibt.Out DE 101 59 892 A1 It is known to use a recuperator in a refrigeration machine, in particular in a heat pump, which is intended to increase the heating power in a structurally simple manner at low outside temperatures. For this purpose, the recuperator is dimensioned in such a way that at low evaporation temperatures it transfers at least around 15% of the heat output of the heat pump from the liquid refrigerant to the gaseous refrigerant. An injection valve injects liquid refrigerant into the compressor so that the compression end temperature remains below 120 ° C.

Eine Wärmepumpenanlage mit einem Kältemittelkreislauf ist aus DE 10 2005 061 480 B3 bekannt. Sie ist mit einem Verdichter, einem ersten Wärmeübertrager, einem Drosselorgan, einem Verdampfer und einer 4-2-Wegeventileinheit zum Umschalten zwischen einer ersten (Heizen) und einer zweiten Betriebsart (Kühlen) ausgestattet. Eine Strömungsrichtung des in dem Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittels kann derart umgeschaltet werden kann, dass der erste Wärmeübertrager in der ersten Betriebsart zum Verflüssigen des Kältemittels, und in der zweiten Betriebsart zum Verdampfen des Kältemittels dient, und der zweite Wärmeübertrager in der ersten Betriebsart zum Verdampfen des Kältemittels und in der zweiten Betriebsart zum Verflüssigen des Kältemittels dient, wobei der erste Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf so verschaltet ist, dass er in den beiden Betriebsarten Heizen und Kühlen als Gegenstrom-Wärmeübertrager arbeitet.A heat pump system with a refrigerant circuit is off DE 10 2005 061 480 B3 known. It is equipped with a compressor, a first heat exchanger, a throttle element, an evaporator and a 4-2-way valve unit for switching between a first (heating) and a second operating mode (cooling). A direction of flow of the refrigerant in the refrigerant circuit can be switched so that the first heat exchanger is used to liquefy the refrigerant in the first operating mode and to evaporate the refrigerant in the second operating mode, and the second heat exchanger in the first operating mode to evaporate the refrigerant and in the second operating mode is used to liquefy the refrigerant, the first heat exchanger in the refrigerant circuit being connected in such a way that it works as a countercurrent heat exchanger in the two operating modes heating and cooling.

Im Betrieb kann es nun im Bereich des Kältemittelpfades zwischen innerem Wärmeübertrager und Verdichtereintritt aufgrund der dem Kältemittel entzogenen Wärme zu einer Taupunktunterschreitung der in der Umgebungsluft enthaltenen Feuchtigkeit kommen, so dass Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft kondensieren und sich an den Komponenten absetzen kann.During operation, the moisture contained in the ambient air can fall below the dew point in the area of the refrigerant path between the internal heat exchanger and the compressor inlet due to the heat extracted from the refrigerant, so that moisture from the ambient air can condense and settle on the components.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Regelverfahren für die eingangs genannte Kompressionskälteanlage vorzuschlagen, mit welchem ein Ausfallen von Kondensat wirksam verhindert wird.The object of the invention is to propose a control method for the compression refrigeration system mentioned at the outset, with which the precipitation of condensate is effectively prevented.

Gelöst wir die Aufgabe durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtungsmerkmale des Anspruchs 7.We solved the problem by the method features of claim 1 and the device features of claim 7.

Demnach wird gemäß einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage mit

  • - einem Kältemittel,
  • - einem Verdampfer,
  • - einem Verdichter,
  • - einem Verflüssiger,
  • - einem Drosselorgan,
  • - einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und
  • - einer Steuereinheit
    1. a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und
    2. b) zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
  • - Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist,
  • - Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters,
  • - Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels aus
    1. a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und
    2. b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte,
  • - Bestimmung des Maximums aus
    1. a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage und
    2. b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels, und
  • - Regelung des Drosselorgans auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels.
Accordingly, according to a first aspect, a method for regulating a compression refrigeration system is provided
  • - a refrigerant,
  • - an evaporator,
  • - a compressor,
  • - a condenser,
  • - a throttle device,
  • - An internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element to the refrigerant before entry into the compressor, and
  • - a control unit
    1. a) for detecting overheating of the refrigerant upon entry into the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and
    2. b) proposed to regulate the throttle device based on overheating. The procedure consists of the following steps:
  • - Detection of a temperature which is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit which, when the refrigeration circuit is in operation, can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with a water vapor content,
  • - Calculation of a minimum temperature to ensure that the surface temperature of the component is exceeded on the basis of a recorded environmental parameter,
  • - Calculation of a minimum value for superheating of the refrigerant
    1. a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and
    2. b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the overheating calculation is based, which would result in the surfaces of the components of the refrigeration circuit operated on the low-pressure side being exceeded,
  • - Determination of the maximum
    1. a) a setpoint value provided for the superheating of the refrigerant for regular operation of the compression refrigeration system and
    2. b) the calculated minimum value of superheating of the refrigerant, and
  • - Regulation of the throttle element to the value of the superheating of the refrigerant determined as the maximum.

Die Überhitzungsregelung entspricht also einer Regelung auf die Überhitzung, insbesondere am Verdichtereingang, die als Differenz der Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist. Regelung heißt hier, dass das Drosselorgan mit Hilfe eines Überhitzungssollwertes derart angesteuert wird, dass eine Differenz zwischen einem Überhitzungsistwert und dem Überhitzungssollwert gegen Null geht.The overheating control thus corresponds to a control for overheating, in particular at the compressor inlet, which is defined as the difference between the dew point temperature and a temperature of the refrigerant. Regulation means here that the throttle element is controlled with the aid of a setpoint overheating value in such a way that a difference between an actual overheating value and the setpoint overheating value approaches zero.

Beispielsweise kann für den Verdichter die Überhitzung in einem Bereich zwischen knapp über 0K bis 30-40K zulässig sein, wobei für die optimale Leistungszahl in Abhängigkeit des Betriebspunkts zwischen 0K und 30K beträgt, so dass für einen regulären Betrieb vorzugsweise eine Zielüberhitzung auf diesen Betrieb eingestellt wird.For example, overheating in a range between just over 0K to 30-40K can be permissible for the compressor, with the optimum coefficient of performance depending on the operating point being between 0K and 30K, so that a target overheating is preferably set to this operation for regular operation .

Bei Regelungen nach diesem Zielwert kann sich für einen regulären Betrieb eine Kältemitteltemperatur, insbesondere zwischen innerem Wärmetauscher und Verdichtereintritt, ergeben, die unterhalb der Kondensationstemperatur der Umgebung liegt. Demnach kann Luftfeuchtigkeit auskondensieren, ggf. gefrieren, an dem Kältekreis herunterlaufen, etc. und für Korrosion sorgen.When regulating according to this target value, a refrigerant temperature, in particular between the internal heat exchanger and the compressor inlet, can result for regular operation that is below the condensation temperature of the environment. Accordingly, humidity can condense out, possibly freeze, run down on the refrigeration circuit, etc. and cause corrosion.

Die vorliegende Anmeldung entgegnet diesem unerwünschten Effekt dadurch, dass die Oberflächen des Kältekreises auch in dem Bereich zwischen innerem Wärmetauscher und Verdichtereintritt warm genug gehalten werden, damit keine Umgebungsluft auskondensiert. Dies wird durch eine bestimmte Art der Überhitzungsregelung gelöst.The present application counteracts this undesirable effect by keeping the surfaces of the refrigeration circuit warm enough in the area between the inner heat exchanger and the compressor inlet so that no ambient air condenses out. This is solved by a certain type of superheat control.

Zunächst ist also zu bestimmen, wie die Überhitzung zu steuern ist, damit die Temperatur der Oberflächen diese Bedingung einhält. Die Überhitzungsregelung wird insbesondere durch die Öffnungsstellung des Drosselorgans, beispielsweise eines Drosselventils, implementiert und existiert neben einer Leistungsregelung, die üblicherweise über eine Verdichterdrehzahlregelung implementiert ist. Wie bereits erwähnt kann vom Verdichter angesaugtes Kältemittel mit Nassdampf-Anteil den Verdichter beschädigen, was einer zu niedrigen Überhitzung entspricht, oder auch eine zu hohe Überhitzung des vom Verdichter angesaugten Kältemittels, d.h. eine zu hohe Verdichtereintrittstemperatur führt gegebenenfalls zu einer zu hohen Verdichteraustrittstemperatur und kann so zu einem Schaden am Öl und/oder thermischen Schäden an Verdichterkomponenten führen. Für jeden Arbeitspunkt gibt es eine wirkungsgradoptimierte Überhitzung, die sich durchaus zwischen den Arbeitspunkten unterscheiden.First of all, it is necessary to determine how the overheating is to be controlled so that the temperature of the surfaces complies with this condition. The overheating control is implemented in particular by the opening position of the throttle element, for example a throttle valve, and exists in addition to a power control, which is usually implemented via a compressor speed control. As already mentioned, refrigerant with wet steam that is sucked in by the compressor can damage the compressor, which corresponds to overheating that is too low, or too much overheating of the refrigerant sucked in by the compressor, i.e. too high a compressor inlet temperature may lead to an excessively high compressor outlet temperature and can so damage to the oil and / or thermal damage to compressor components to lead. For each working point there is an efficiency-optimized overheating, which definitely differs between the working points.

Die Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist, ist vorzugsweise die Verdichtereintrittstemperatur des Kältemittels. Die Oberflächentemperatur, für die diese Temperatur repräsentativ ist, sind demnach die mit dieser Temperatur beaufschlagten Kältekreiskomponenten wie Kältemittelrohre, interne Wärmeübertrager oder auch Kältemittelabscheider. Die thermische Leitfähigkeit derartiger Komponenten ist ausreichend, um die Temperatur des Kältemittels näherungsweise auch auf der Oberfläche der zugehörigen Komponenten zu erhalten.The detection of a temperature that is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit, which can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with water vapor when the refrigeration circuit is in operation, is preferably the compressor inlet temperature of the refrigerant. The surface temperature for which this temperature is representative are therefore the refrigerant circuit components such as refrigerant pipes, internal heat exchangers or refrigerant separators that are exposed to this temperature. The thermal conductivity of such components is sufficient to approximately maintain the temperature of the refrigerant on the surface of the associated components.

Die Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung wird vorzugsweise auf die Taupunkttemperatur des Wasserdampfanteils der den Kältekreis umgebenden Luft zuzüglich eines Puffers gesetzt, um beispielsweise Ungenauigkeiten bei der Erfassung des Umgebungsparameters zu berücksichtigen. Beispielsweise kann der Puffer im Bereich von wenigstens 2-3K, insbesondere im Bereich von 2-3K, betragen.The minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded is preferably set to the dew point temperature of the water vapor portion of the air surrounding the refrigeration circuit plus a buffer in order to take into account, for example, inaccuracies in the detection of the environmental parameter. For example, the buffer can be in the range of at least 2-3K, in particular in the range of 2-3K.

Der erfasste Umgebungsparameter umfasst vorzugsweise eine Raumtemperatur, die mittels eines Raumtemperatursensors erfasst wird, und/oder eine Raumfeuchte, die mittels eines Raumfeuchtesensors erfasst wird. Für den Fall, dass kein Raumfeuchtesensor verfügbar ist, muss eine relative Raumfeuchte von 100% angenommen werden, d.h. erfasste Raumtemperatur wird als Kondensationstemperatur angenommen. Raumtemperatur und/oder Raumfeuchte sind besonders für innen aufgestellte Wärmepumpen geeignet.The captured ambient parameter preferably includes a room temperature, which is captured by means of a room temperature sensor, and / or a room humidity, which is captured by means of a room humidity sensor. In the event that no room humidity sensor is available, a relative room humidity of 100% must be assumed, i.e. the recorded room temperature is assumed to be the condensation temperature. Room temperature and / or room humidity are particularly suitable for heat pumps installed indoors.

Im Fall von außen aufgestellten Wärmepumpen ist besonders eine Außentemperatur und/oder eine Außenluftfeuchte von Vorteil.In the case of heat pumps installed externally, an outside temperature and / or outside air humidity is particularly advantageous.

Alternativ oder zusätzlich kann der Umgebungsparameter eine Temperatur im Gehäuse, beispielsweise mittels eines Luftsensors, umfassen. Vorzugsweise ist der Sensor, der die Temperatur im Gehäuse bestimmt, nicht in Kontakt mit Komponenten, wie beispielsweise Komponenten des Kältekreises. Besonders vorteilhaft kann hierfür ein im Bereich des Verdichtereintritts angeordneter Temperatursensor sein.Alternatively or additionally, the environmental parameter can include a temperature in the housing, for example by means of an air sensor. The sensor, which determines the temperature in the housing, is preferably not in contact with components, such as, for example, components of the refrigeration circuit. A temperature sensor arranged in the area of the compressor inlet can be particularly advantageous for this.

In Gehäuse herrscht „Überwärmung“ der Luft, d.h. wenn im Gehäuse eine Temperatur gemessen wird, ist besonders vorteilhaft, dass die relative Feuchte miterfasst wird, weil sonst aufgrund der Überwärmung im Gehäuse eine deutlich zu hohe Überhitzung eingeregelt würde. Um ein Zahlenbeispiel zu geben: wenn 21°C und 60% rel. Feuchte angenommen würden, kann die Luft in der Wärmepumpe beispielsweise auf 50°C erwärmt werden. Dadurch sinkt die rel. Feuchte auf beispielsweise 30%. Würden nun 100% rel. Feuchte angenommen, da beispielsweise die Luftfeuchte nicht mittels eines Sensors bestimmt wird, resultiert eine sehr große Überhitzung.In the housing there is "overheating" of the air, i.e. if a temperature is measured in the housing, it is particularly advantageous that the relative humidity is also recorded, because otherwise the overheating in the housing would result in significantly too high overheating. To give a numerical example: if 21 ° C and 60% rel. Humidity, the air in the heat pump can be heated to 50 ° C, for example. As a result, the rel. Humidity to 30%, for example. If 100% rel. Assuming humidity, since the air humidity is not determined by means of a sensor, for example, the result is a very high level of overheating.

Vorzugsweise erfolgt die Regelung des Drosselorgans auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels zumindest in zugeordneten Betriebsarten der Kompressionskälteanlage. Beispielsweise können gewisse Temperaturschwellwerte zur Aktivierung des Kondensationsschutzes eingerichtet sein. Auch kann der Kondensationsschutz beispielsweise in einem Abtaubetrieb oder einem Anlaufzustand deaktiviert sein. Grundsätzlich ist das Vorsehen des Kondensationsschutzes aber in einem überwiegenden Teil der Betriebsarten vorteilhaft.The throttle element is preferably regulated to the value of the overheating of the refrigerant determined as the maximum, at least in assigned operating modes of the compression refrigeration system. For example, certain temperature threshold values can be set up to activate the condensation protection. The condensation protection can also be deactivated, for example, in a defrosting mode or in a start-up state. In principle, however, the provision of condensation protection is advantageous in a predominant part of the operating modes.

Vorzugsweise wird die Temperatur, die für die Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises repräsentativ ist, an wenigstens einem aus einem Kältemittelrohr, dem internen Wärmeübertrager, oder einem Kältemittel-Abscheider erfasst.The temperature, which is representative of the surface temperature of a component of the refrigeration circuit, is preferably detected on at least one of a refrigerant pipe, the internal heat exchanger, or a refrigerant separator.

Vorzugsweise wird die Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung auf Basis eines Raumtemperatursensors und eines Raumfeuchtesensors zur Erfassung des Umgebungsparameters berechnet.The minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded is preferably calculated on the basis of a room temperature sensor and a room humidity sensor for detecting the environmental parameter.

Vorzugsweise ist die Kompressionskälteanlage eine im Inneren eines Gebäudes aufgestellte Kompressionskälteanlage.The compression refrigeration system is preferably a compression refrigeration system installed inside a building.

Vorzugsweise wird der zur Regelung des Drosselorgans eingesetzte Wert der Überhitzung innerhalb eines für den Verdichter zulässigen Überhitzungsbereiches gehalten. Erfindungsgemäß wird ermöglicht, dass ein Wirkungsgrad des Kältekreises nahe oder am optimalen Bereich ist und gleichzeitig ein Schutz der Komponenten sichergestellt ist, da die Überhitzung derart geregelt wird, dass sie jedenfalls im für den Verdichter zulässigen Bereich ist.The overheating value used to regulate the throttle element is preferably kept within an overheating range permissible for the compressor. According to the invention it is made possible that an efficiency of the refrigeration circuit is close to or at the optimal range and at the same time a protection of the Components is ensured, since the overheating is regulated in such a way that it is in any case in the range permissible for the compressor.

In einem anderen Aspekt wird eine Kompressionskälteanlage vorgeschlagen mit

  • - einem Kältemittel,
  • - einem Verdampfer,
  • - einem Verdichter,
  • - einem Verflüssiger,
  • - einem Drosselorgan,
  • - einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter, und
  • - einer Steuereinheit
    1. a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und
    2. b) zur Regelung des Drosselorgans basierend auf der Überhitzung, wobei die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, die Kompressionskälteanlage gemäß den folgenden Schritten zu steuern:
  • - Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist,
  • - Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters,
  • - Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels aus
    1. a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und
    2. b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte,
  • - Bestimmung des Maximums aus
    1. a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage und
    2. b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung des Kältemittels, und
  • - Regelung des Drosselorgans auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels.
In another aspect, a compression refrigeration system is proposed with
  • - a refrigerant,
  • - an evaporator,
  • - a compressor,
  • - a condenser,
  • - a throttle device,
  • - An internal heat exchanger for the transfer of thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element to the refrigerant before entry into the compressor, and
  • - a control unit
    1. a) for detecting overheating of the refrigerant upon entry into the compressor, the overheating being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and
    2. b) for regulating the throttle element based on the overheating, the control unit being set up to control the compression refrigeration system in accordance with the following steps:
  • - Detection of a temperature which is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit which, when the refrigeration circuit is in operation, can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with a water vapor content,
  • - Calculation of a minimum temperature to ensure that the surface temperature of the component is exceeded on the basis of a recorded environmental parameter,
  • - Calculation of a minimum value for superheating of the refrigerant
    1. a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and
    2. b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the overheating calculation is based, which would result in the surfaces of the components of the refrigeration circuit operated on the low-pressure side being exceeded,
  • - Determination of the maximum
    1. a) a setpoint value provided for the superheating of the refrigerant for regular operation of the compression refrigeration system and
    2. b) the calculated minimum value of superheating of the refrigerant, and
  • - Regulation of the throttle element to the value of the superheating of the refrigerant determined as the maximum.

Die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage ermöglicht das Erreichen der gleichen Vorteile wie das erfindungsgemäße Verfahren. Ebenso ist eine Kombination mit sämtlichen als bevorzugt ausgeführten Ausgestaltungen des Verfahrens mit Vorteil möglich.The compression refrigeration system according to the invention enables the same advantages to be achieved as the method according to the invention. A combination with all of the preferred embodiments of the method is also advantageously possible.

Vorzugsweise weist das Kältemittel einen Temperaturglide auf, wobei das Kältemittel insbesondere R454C aufweist oder daraus besteht. Darüber hinaus findet das Verfahren auch für Kältemittel ohne Temperaturglide Anwendung.The refrigerant preferably has a temperature glide, the refrigerant in particular having or consisting of R454C. In addition, the process is also used for refrigerants without temperature glide.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Wärmepumpe, insbesondere eine im Inneren eines Gebäude aufgestellte Wärmepumpe, mit einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage vorgeschlagen.According to a further aspect, a heat pump, in particular a heat pump installed inside a building, with a compression refrigeration system according to the invention is proposed.

Gemäß weiteren bevorzugten Ausgestaltungen, die mit sämtlichen der erfindungsgemäßen Aspekte kombiniert werden können, sind Details der Regelstrategie wie folgt umgesetzt. Ein Regelwert wird in einer Inbetriebnahmephase der Kompressionskälteanlage abhängig von einer Regelabweichung einer Verdampferaustrittsüberhitzung beeinflusst, womit das Drosselorgan geregelt wird. Der Regelwert wird weiterhin nach der Inbetriebnahmephase, während eines eingefahrenen Betriebszustands der Kompressionskälteanlage, abhängig von einer Verdichtereintrittsüberhitzung bestimmt wird und das Drosselorgan wird nach der Inbetriebnahmephase vorzugsweise abhängig von der ermittelten Verdampferaustrittsüberhitzung und der Verdichtereintrittsüberhitzung geregelt.According to further preferred refinements, which can be combined with all of the aspects according to the invention, details of the control strategy are implemented as follows. In a commissioning phase of the compression refrigeration system, a control value is influenced as a function of a control deviation of an evaporator outlet overheating, with which the throttle element is controlled. The control value is still determined after the commissioning phase, during a retracted operating state of the compression refrigeration system, depending on a compressor inlet overheating and the throttle element is determined after The commissioning phase is preferably regulated as a function of the determined evaporator outlet overheating and the compressor inlet overheating.

Eine Regelgröße der Verdampferaustrittsüberhitzung wird vorzugsweise berechnet. Mit einem Zielwert für eine Verdampferaustrittsüberhitzung wird vorzugsweise eine Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung berechnet. Ferner wird vorzugsweise eine Regelgröße Verdichtereintrittsüberhitzung berechnet. Mit einem Zielwert für eine Verdichtereintrittsüberhitzung wird vorzugsweise eine Regelabweichung Verdichtereintrittsüberhitzung berechnet. Der Regelwert R wird dann vorzugsweise aus einem gewichteten Einfluss der Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung und einem gewichteten Einfluss der Regelabweichung Verdichtereintrittsüberhitzung berechnet. Das Expansionsventil wird vorzugsweise mit dem Regelwert geregelt.A controlled variable for the superheating of the evaporator outlet is preferably calculated. With a target value for evaporator outlet overheating, a control deviation of evaporator outlet overheating is preferably calculated. Furthermore, a controlled variable compressor inlet overheating is preferably calculated. A control deviation for compressor inlet overheating is preferably calculated with a target value for compressor inlet overheating. The control value R is then preferably calculated from a weighted influence of the control deviation evaporator outlet overheating and a weighted influence of the control deviation compressor inlet overheating. The expansion valve is preferably controlled with the control value.

Eine weitere vorteilhafte Methode ist es, die Subtraktion „invers“ zu vollziehen, wobei zur Bildung der Regelabweichungen vom Sollwert der Istwert subtrahiert wird. Die Regelabweichung wird vorteilhaft durch Berechnung oder Bildung einer Differenz zwischen einem „Istwert“ und einem „Sollwert“ berechnet.Another advantageous method is to carry out the subtraction "inversely", with the actual value being subtracted to form the control deviations from the setpoint. The control deviation is advantageously calculated by calculating or creating a difference between an “actual value” and a “setpoint”.

Gemäß einem vorteilhaften Verfahrensschritt wird die Verdampferaustrittsüberhitzung gegenüber der Verdichtereintrittsüberhitzung zur Ermittlung des Regelwertes mit einem Parameter gewichtet. Besonders vorteilhaft werden die Regelabweichungen einer Verdampferaustrittsüberhitzung oder der Verdichtereintrittsüberhitzung von einem Sollwert gewichtet.According to an advantageous method step, the superheating of the evaporator outlet is weighted with a parameter in relation to the superheating of the compressor in order to determine the control value. The control deviations of an evaporator outlet overheating or the compressor inlet overheating from a setpoint value are particularly advantageously weighted.

In einem anderen vorteilhaften Verfahrensschritt erfolgt eine Gewichtung der Verdampferaustrittsüberhitzung gegenüber einer Gewichtung der Verdichtereintrittsüberhitzung zur Ermittlung der Regelgröße mittels eines Parameters. Besonders vorteilhaft werden die Regelabweichungen einer Verdampferaustrittsüberhitzung oder einer Verdichtereintrittsüberhitzung mit einem Sollwert gewichtet.In another advantageous method step, the evaporator outlet overheating is weighted against a weighting of the compressor inlet overheating in order to determine the controlled variable by means of a parameter. The control deviations of an evaporator outlet overheating or a compressor inlet overheating are weighted with a setpoint value in a particularly advantageous manner.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Verdampferaustrittsüberhitzung aus einem Verdampferaustrittstemperaturmesswert, der mit einem Verdampferaustrittstemperatursensor gemessen wird, und aus einem Niederdruck, der mit einem Niederdrucksensor gemessen wird, ermittelt.In a further advantageous embodiment of the method, the evaporator outlet overheating is determined from a measured evaporator outlet temperature value, which is measured with an evaporator outlet temperature sensor, and from a low pressure, which is measured with a low pressure sensor.

In einem weiteren bevorzugten Verfahrensschritt wird die Verdichtereintrittsüberhitzung aus einer Verdichtereintrittstemperatur, gemessen mit einem Verdichtereintrittstemperatursensor, und einem Niederdruck, der mit einem Niederdrucksensor gemessen wird, ermittelt.In a further preferred method step, the compressor inlet overheating is determined from a compressor inlet temperature, measured with a compressor inlet temperature sensor, and a low pressure, which is measured with a low pressure sensor.

In einem vorteilhaften Verfahrensschritt wird im Regler eine erste Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung mit einer zweiten Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung zu einer Gesamt-Regelabweichung berechnet und die gesamt Regelabweichung zur Einstellung des Drosselorgans verwendet.In an advantageous method step, a first control deviation of the compressor inlet superheating is calculated in the controller with a second control deviation of the evaporator outlet superheating to form a total control deviation and the total control deviation is used to set the throttle element.

Die Figuren zeigen ein Ausführungsbeispiel:

  • 1 Wärmepumpe 100 mit einem Dampfkompressionskreislauf 200
  • 2 log p / h - Diagramm des Dampfkompressionsprozesses mit Rekuperator 250
  • 3 zeigt schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens.
The figures show an exemplary embodiment:
  • 1 Heat pump 100 with a vapor compression circuit 200
  • 2 log p / h - diagram of the vapor compression process with recuperator 250
  • 3 shows schematically and by way of example a flow diagram of a method.

1 zeigt schematisch und exemplarisch eine Wärmepumpe 100. Die Wärmepumpe 100 besteht im Wesentlichen aus einem eine Kompressionskälteanlage bildenden Dampfkompressionssystem 200, welches folgende Komponenten enthält:

  • Einen Verdichter 210 zum Verdichten des überhitzten Kältemittels,
  • einen Verflüssiger 220, mit einem kältemittelseitigem Verflüssigereintritt 221 und einem Verflüssigeraustritt 222 zur Übertragung von Wärmeenergie QH aus dem Dampfkompressionssystem 200 an ein Heizmedium eines Heizsystems 400, mit einem Heizmediumeintritt 401, einem Heizmediumaustritt 402 und einer Heizmediumpumpe 410, zu einer Gebäudeheizung oder ein System zur Warmwassererhitzung,
  • vorteilhaft einen Kältemittelsammler 260, welcher als Kältemittelreservoir zum Ausgleich von betriebsbedingungsabhängig unterschiedlich hohen Kältemittelmengenbedarfen verwendet wird,
  • • ein als Expansionsventil ausgebildetes Drosselorgan 230 zum Expandieren des Kältemittels,
  • einen Verdampfer 240, mit einem Verdampfereinlass 241, zur Übertragung von Quellenenergie QQ aus einem Wärmequellensystem 300, mit einem Wärmequelleinlass 320 und einem Wärmequellauslass 310, wobei das Wärmequellsystem 300 insbesondere ein Solesystem sein kann, welches Wärmeenergie QQ aus dem Erdreich aufnimmt oder ein Luftsystem, welches Wärmeenergie QQ aus der Umgebungsluft aufnimmt und an das Dampfkompressionssystem 200 abgibt oder eine beliebige andere Wärmequelle,
  • • einen Rekuperator als Beispiel eines internen Wärmeübertragers 250, welcher dazu bestimmt ist, innere Wärmeenergie Qi zwischen dem vom Verflüssiger 220 zum Expansionsventil 230 strömenden Kältemittel auf das vom Verdampfer 240 zum Verdichter 210 strömende Kältemittel zu übertragen und
  • • ein Kältemittel, insbesondere ein Kältemittelgemisch aus wenigsten zwei Stoffen oder zwei Kältemitteln welches in einer Strömungsrichtung SHD und SND durch den Dampfkompressionskreis 200 strömt, wobei im Dampfkompressionskreislauf 200 Kältemitteldampf durch den Verdichter 210 auf einen Hochdruck HD gebracht wird und zu einem Verflüssiger 220 geführt ist, wobei ein Hochdruckpfad mit der Hochdruckströmungsrichtung SHD vom Verdichter 210 bis zum Expansionsventil 230 gebildet ist. Nach dem Expansionsventil 230 bis zum Verdichter 210 ist ein Niederdruckpfad mit einer Niederdruckströmungsrichtung SND des Kältemittels gebildet, in dem der Verdampfer 240 liegt.
1 shows schematically and as an example a heat pump 100 . The heat pump 100 consists essentially of a vapor compression system forming a compression refrigeration system 200 , which contains the following components:
  • • A compressor 210 to compress the superheated refrigerant,
  • • a condenser 220 , with a refrigerant-side condenser inlet 221 and a condenser outlet 222 for the transfer of thermal energy Q H from the vapor compression system 200 to a heating medium of a heating system 400 , with a heating medium inlet 401 , a heating medium outlet 402 and a heating medium pump 410 , to a building heating system or a system for hot water heating,
  • • advantageously a refrigerant collector 260 , which is used as a refrigerant reservoir to compensate for different refrigerant quantities depending on the operating conditions,
  • • a throttle device designed as an expansion valve 230 to expand the refrigerant,
  • • an evaporator 240 , with an evaporator inlet 241 , for the transmission of source energy Q Q from a heat source system 300 , with a heat source inlet 320 and a heat source outlet 310 , being the heat source system 300 in particular can be a brine system, which heat energy Q Q from the ground or an air system that absorbs heat energy Q Q from the ambient air and to the vapor compression system 200 emits or any other heat source,
  • • a recuperator as an example of an internal heat exchanger 250 which is intended to be internal heat energy Q i between that of the condenser 220 to the expansion valve 230 flowing refrigerant to that from the evaporator 240 to the compressor 210 transferring flowing refrigerant and
  • • a refrigerant, in particular a refrigerant mixture of at least two substances or two refrigerants which in one flow direction S HD and S ND through the vapor compression circuit 200 flows, being in the vapor compression cycle 200 Refrigerant vapor through the compressor 210 on a high pressure HD is brought and to a liquefier 220 is guided, wherein a high pressure path with the high pressure flow direction S HD from the compressor 210 to the expansion valve 230 is formed. After the expansion valve 230 to the compressor 210 is a low pressure path with a low pressure flow direction S ND of the refrigerant formed in which the evaporator 240 located.

Die folgend aufgelisteten Aktoren sind vorteilhaft zumindest teilweise mit dem Regler über eine Datenverbindung 510, die per Kabel, Funk oder andere Technologien erfolgen kann, verbunden: Verdichter 210, Heizmediumpumpe 410, Solepumpe 330, Expansionsventil 230, Verdichtereintrittstemperatursensor 501, Niederdrucksensor 502, Hochdrucksensor 503, Heißgastemperatursensor 504, Rekuperatoreintrittstemperatursensor 505, Rekuperatoraustrittstemperatursensor 506 und/oder Verdampferaustrittstemperatursensor 508. Zusätzlich oder alternativ kann ein in der 1 nicht gezeigter Verdampfereintrittstemperatursensor die Temperatur am Verdampfereinlass 241 bestimmen.The actuators listed below are advantageously at least partially connected to the controller via a data connection 510 that can be done by cable, radio or other technologies: compressor 210 , Heating medium pump 410 , Brine pump 330 , Expansion valve 230 , Compressor inlet temperature sensor 501 , Low pressure sensor 502 , High pressure sensor 503 , Hot gas temperature sensor 504 , Recuperator inlet temperature sensor 505 , Recuperator outlet temperature sensor 506 and / or evaporator outlet temperature sensor 508 . Additionally or alternatively, an in the 1 evaporator inlet temperature sensor, not shown, the temperature at the evaporator inlet 241 determine.

In dem in 1 gezeigten Beispiel ist die Wärmepumpe 100 als Sole-Wärmepumpe gezeigt. Natürlich sind analoge Betrachtungen und Vorteile mit Luft-/Wasser-Wärmepumpen erreichbar. Insbesondere bei Luft-Wärmepumpen ist anstelle des Solekreises mit Solepumpe 330 ein Ventilator/Lüfter als Wärmequelle angeordnet.In the in 1 The example shown is the heat pump 100 shown as a brine heat pump. Of course, analogous considerations and advantages can be achieved with air / water heat pumps. Especially with air heat pumps, a brine pump is used instead of the brine circuit 330 a fan / fan arranged as a heat source.

Der Verdichter 210 dient zur Kompression des überhitzten Kältemittels von einem Eintrittsanschluss 211 auf einen Verdichteraustrittsdruck PVa bei einer Verdichteraustrittstemperatur entsprechend der Heißgastemperatur am Verdichteraustritt 212. Der Verdichter 210 enthält üblicher Weise eine Antriebseinheit mit einem Elektromotor, eine Kompressionseinheit und vorteilhaft kann der Elektromotor drehzahlvariabel betrieben werden. Die Kompressionseinheit kann als Rollkolbeneinheit, Scrolleinheit oder anders ausgeführt sein. Am Verdichteraustritt 212 ist das komprimierte überhitzte Kältemittel beim Verdichteraustrittsdruck PVa auf einer höheren Drucklage, insbesondere einem Hochdruck HD, als am Eintrittsanschluss 211 mit einem Verdichtereintrittsdruck PVe , insbesondere einem Niederdruck ND, bei einer Verdichtereintrittstemperatur TVE , was den Zustand der Kältemitteltemperatur am Eintrittsanschluss 211 beim Eintritt in eine Kompressionskammer beschreibt.The compressor 210 serves to compress the superheated refrigerant from an inlet connection 211 to a compressor discharge pressure P Va at a compressor outlet temperature corresponding to the hot gas temperature at the compressor outlet 212 . The compressor 210 usually contains a drive unit with an electric motor, a compression unit and advantageously the electric motor can be operated at variable speed. The compression unit can be designed as a rolling piston unit, scrolling unit or otherwise. At the compressor outlet 212 is the compressed, superheated refrigerant at the compressor discharge pressure P Va at a higher pressure level, especially a letterpress HD than at the inlet port 211 with a compressor inlet pressure P Ve , especially a low pressure ND , at a compressor inlet temperature T VE what the state of the refrigerant temperature at the inlet connection 211 describes when entering a compression chamber.

Im Verflüssiger 220 erfolgt die Übertragung von Wärmeenergie QH vom Kältemittel des Dampfkompressionssystem 200 an ein Heizmedium des Wärmesenkensystems 400. Zunächst findet im Verflüssigter 220 die Enthitzung des Kältemittels statt, wobei überhitzter Kältemitteldampf durch eine Temperaturreduzierung einen Teil seiner Wärmeenergie an das Heizmedium des Wärmesenkensystems 400 überträgt.In the condenser 220 the transfer of thermal energy takes place Q H from the refrigerant of the vapor compression system 200 to a heating medium of the heat sink system 400 . First takes place in the liquefied 220 the desuperheating of the refrigerant takes place, whereby superheated refrigerant vapor, by reducing the temperature, transfers part of its thermal energy to the heating medium of the heat sink system 400 transmits.

Nach der Enthitzung des Kältemitteldampfes erfolgt vorteilhaft im Verflüssiger 220 eine weitere Wärmeübertragung QH durch Kondensation des Kältemittels beim Phasenübergang von der Gasphase des Kältemittels auf die Flüssigphase des Kältemittels. Dabei wird weitere Wärme QH vom Kältemittel aus dem Dampfkompressionssystem 200 an das Heizmedium des Wärmesenkensystems 400 übertragen.After the refrigerant vapor has been de-heated, it is advantageous to do so in the condenser 220 another heat transfer Q H by condensation of the refrigerant during the phase transition from the gas phase of the refrigerant to the liquid phase of the refrigerant. This will add more heat Q H from the refrigerant from the vapor compression system 200 to the heating medium of the heat sink system 400 transfer.

Der sich im Verflüssiger 220 einstellende Hochdruck HD des Kältemittels korrespondiert im Betrieb des Verdichters 210 in etwa mit einem Kondensationsdruck des Kältemittels bei einer Heizmediumtemperatur Tws im Wärmesenkensystem.Which is in the liquefier 220 setting high pressure HD of the refrigerant corresponds to the operation of the compressor 210 approximately with a condensation pressure of the refrigerant at a heating medium temperature Tws in the heat sink system.

Das Heizmedium, insbesondere Wasser, wird mittels einer Heizmediumpumpe 410 durch das Wärmesenkensystem 400 in einer Richtung SW durch den Verflüssiger 220 gefördert, dabei wird die Wärmeenergie QH vom Kältemittel auf das Heizmedium übertragen.The heating medium, in particular water, is by means of a heating medium pump 410 through the heat sink system 400 in a SW direction through the condenser 220 promoted, thereby the thermal energy Q H transferred from the refrigerant to the heating medium.

Im nachfolgenden Sammler 260 wird aus dem Verflüssiger 220 austretendes Kältemittel gespeichert, welches abhängig vom Betriebspunkt des Dampfkompressionskreises 200 nicht in das zirkulierende Kältemittel eingespeist werden soll. Wird aus dem Verflüssiger 220 mehr Kältemittel eingespeist, als durch das Expansionsventil 230 weitergeleitet wird, füllt sich der Sammler 260, anderenfalls wird er leerer oder entleert.In the following collector 260 becomes from the condenser 220 escaping refrigerant stored, which depends on the operating point of the vapor compression circuit 200 should not be fed into the circulating refrigerant. Becomes from the condenser 220 more refrigerant fed in than through the expansion valve 230 is forwarded, the collector fills up 260 , otherwise it becomes emptied or emptied.

Im nachfolgenden Rekuperator 250, der auch als interner Wärmeübertrager bezeichnet werden kann, wird interne Wärmeenergie Qi vom unter dem Hochdruck HD stehenden Kältemittel, welches vom Verflüssiger 220 zum Expansionsventil 230 in einer Hochdruck-Strömungsrichtung SHD strömt, auf das unter dem Niederdruck ND strömende Kältemittel übertragen, welches vom Verdampfer zum Verdichter in einer Niederdruckströmungsrichtung SND strömt, übertragen. Dabei wird das vom Verflüssiger zum Expansionsventil 230 strömende Kältemittel in vorteilhafter Weise unterkühlt.In the following recuperator 250 , which can also be referred to as an internal heat exchanger, becomes internal heat energy Q i from under the high pressure HD standing refrigerant coming from the condenser 220 to the expansion valve 230 in a high pressure flow direction S HD flows, on that under the low pressure ND Transferring refrigerant flowing from the evaporator to the compressor in a low pressure flow direction SND flows, transmitted. This changes from the condenser to the expansion valve 230 flowing refrigerant is advantageously supercooled.

Zunächst strömt das Kältemittel durch einen Expansionsventileintritt 231 in das Expansionsventil ein. Im Expansionsventil 230 erfolgt eine Drosselung des Kältemitteldruckes vom Hochdruck HD auf den Niederdruck ND, indem das Kältemittel vorteilhaft eine Düsenanordnung oder Drossel mit einem vorteilhaft variablen Öffnungsquerschnitt passiert, wobei der Niederdruck vorteilhaft in etwa einem Saugdruck des Verdichters 210 entspricht. Anstelle eines Expansionsventils 230 kann auch eine andere beliebige Druckminderungseinrichtung eingesetzt sein. Vorteilhaft sind Druckminderungsrohre, Turbinen oder andere Entspannungsvorrichtungen.First, the refrigerant flows through an expansion valve inlet 231 into the expansion valve. In the expansion valve 230 there is a throttling of the refrigerant pressure from the high pressure HD on the low pressure ND by the refrigerant advantageously passing through a nozzle arrangement or throttle with an advantageously variable opening cross-section, the low pressure advantageously being approximately a suction pressure of the compressor 210 is equivalent to. Instead of an expansion valve 230 any other pressure reducing device can also be used. Pressure reducing pipes, turbines or other expansion devices are advantageous.

Ein Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 wird durch einen Elektromotor, der üblicherweise als Schrittmotor ausgeführt ist eingestellt, welcher durch die Steuereinheit oder Regelung 500 gesteuert wird. Dabei wird der Niederdruck ND beim Expansionsventilaustritt 232 des Kältemittels aus dem Expansionsventil 230 so gesteuert, dass der sich einstellende Niederdruck ND des Kältemittels im Betrieb des Verdichters 210 in etwa mit dem Verdampfungsdruck des Kältemittels mit der Wärmequellenmedientemperatur TWQ korrespondiert. Vorteilhaft wird die Verdampfungstemperatur des Kältemittels wenige Kelvin unterhalb der Wärmequellenmedientemperatur TWQ liegen, damit die Temperaturdifferenz eine Wärmeübertragung treibt.An opening degree of the expansion valve 230 is set by an electric motor, which is usually designed as a stepper motor, which is controlled by the control unit or regulation 500 is controlled. Thereby the low pressure ND at the expansion valve outlet 232 of the refrigerant from the expansion valve 230 controlled so that the resulting low pressure ND of the refrigerant when the compressor is running 210 corresponds roughly to the evaporation pressure of the refrigerant with the heat source medium temperature T WQ. The evaporation temperature of the refrigerant will advantageously be a few Kelvin below the heat source medium temperature T WQ so that the temperature difference drives heat transfer.

Im Verdampfer erfolgt eine Übertragung von Verdampfungswärmeenergie Qv vom Wärmequellenfluid des Wärmequellensystems 300, welches ein Solesystem, ein Erdwärmesystem zur Nutzung von Wärmeenergie QQ aus dem Erdreich, ein Luftsystem zur Nutzung von Energie QQ aus der Umgebungsluft oder eine andere Wärmequelle sein, die die Quellenergie QQ an das Dampfkompressionssystem 200 abgibt.In the evaporator there is a transfer of evaporation heat energy Qv from the heat source fluid of the heat source system 300 , which is a brine system, a geothermal system for the use of thermal energy Q Q from the ground, an air system for the use of energy Q Q from the ambient air or another heat source that is the source energy Q Q to the vapor compression system 200 gives away.

Das in den Verdampfer 240 einströmende Kältemittel reduziert beim Durchströmen des Verdampfers 240 durch Wärmeaufnahme QQ seinen Nassdampfanteil und verlässt den Verdampfer 240 vorteilhaft mit einem geringen Nassdampfanteil oder vorteilhaft auch als überhitztes gasförmiges Kältemittel. Das Wärmequellenmedium wird mittels einer Solepumpe 330 bei Sole - Wasser-Wärmepumpen oder einem Außenluftventilator bei Luft/Wasser-Wärmepumpen durch den Wärmequellenmedienpfad des Verdampfers 240 gefördert, wobei beim Durchströmen des Verdampfers dem Wärmequellenmedium die Wärmeenergie QQ entzogen wird.That in the vaporizer 240 Incoming refrigerant is reduced when flowing through the evaporator 240 through heat absorption Q Q its wet steam content and leaves the evaporator 240 advantageously with a low proportion of wet steam or advantageously also as a superheated gaseous refrigerant. The heat source medium is supplied by means of a brine pump 330 in the case of brine - water heat pumps or an outside air fan in the case of air / water heat pumps through the heat source media path of the evaporator 240 promoted, with the heat source medium the heat energy as it flows through the evaporator Q Q is withdrawn.

Im Rekuperator 250 wird Wärmeenergie Qi zwischen dem vom Verflüssiger 220 zum Expansionsventil 230 strömenden Kältemittel auf das vom Verdampfer 240 zum Verdichter 210 strömende Kältemittel übertragen, wobei das vom Verdampfer 240 zum Verdichter 210 strömende Kältemittel insbesondere weiter überhitzt.In the recuperator 250 becomes thermal energy Q i between that of the condenser 220 to the expansion valve 230 flowing refrigerant to that from the evaporator 240 to the compressor 210 Transferring flowing refrigerant, taking that from the evaporator 240 to the compressor 210 flowing refrigerant in particular continues to overheat.

Dieses überhitzte Kältemittel, welches mit einer Überhitzungstemperatur TKe aus dem Rekuperator 250 austritt, wird zum Kältemitteleintrittsanschluss 211 des Verdichters 210 geleitet.This superheated refrigerant which has an overheating temperature T Ke from the recuperator 250 becomes the refrigerant inlet connection 211 of the compressor 210 directed.

Der Rekuperator 250 ist im Dampfkompressionskreis 200 eingesetzt, um den Gesamt - Wirkungsgrad als Quotient aus abgegebener Heizleistung QH und aufgenommener elektrischer Leistung Pe zum Antrieb des Verdichtermotors zu erhöhen.The recuperator 250 is in the vapor compression circuit 200 used to calculate the overall efficiency as the quotient of the heat output Q H and to increase the electrical power P e consumed to drive the compressor motor.

Zu diesem Zweck wird dem Kältemittel, welches im Verflüssiger 220 Wärmeenergie QH auf einem wärmesenkenseitigen Temperaturniveau an das Heizmedium abgibt, im Hochdruckpfad des Rekuperators 250 durch Unterkühlung weitere Wärmeenergie Qi entzogen.For this purpose, the refrigerant in the condenser 220 Thermal energy Q H at a heat sink side temperature level to the heating medium, in the high pressure path of the recuperator 250 further thermal energy through subcooling Q i withdrawn.

Der innere Energiezustand des Kältemittels beim Eintritt in den Verdampfer 240 ist durch diesen Wärmeentzug Qi reduziert, sodass das Kältemittel bei gleichem Verdampfungstemperaturniveau mehr Wärmeenergie QQ aus der Wärmequelle 300 aufnehmen kann.The internal energy state of the refrigerant when it enters the evaporator 240 is through this deprivation of heat Q i reduced so that the refrigerant has more heat energy at the same evaporation temperature level Q Q from the heat source 300 can accommodate.

Anschließend wird dem Kältemittel, nach dem Verdampferaustritt 242 aus dem Verdampfer 240, im Niederdruckpfad bei Niederdruck ND und bei einer Niederdrucktemperatur entsprechend einer Verdampferaustrittstemperatur TVa im Rekuperator 250 die im Hochdruckpfad entzogene Wärmeenergie Qi wieder zugeführt. Die Zuführung der Energie bewirkt vorteilhat eine Reduzierung des Nassdampfanteils auf einen Zustand ohne Nassdampfanteil und dann erfolgt durch weitere Energiezuführung eine Überhitzung.Then the refrigerant, after the evaporator outlet 242 from the vaporizer 240 , in the low pressure path at low pressure ND and at a low pressure temperature corresponding to an evaporator outlet temperature T Va in the recuperator 250 the thermal energy extracted in the high pressure path Q i fed back. The supply of energy has the advantageous effect of reducing the proportion of wet steam to a state without a proportion of wet steam and then overheating occurs through further supply of energy.

Des Weiteren sind zur Erfassung des Betriebszustandes des Dampfkompressionssystems 200 vorteilhaft folgende Sensoren angeordnet, mit denen insbesondere zur Absicherung und Optimierung der Betriebsbedingungen des Dampfkompressionssystems 200 insbesondere bei Betriebszustandsänderungen eine modellbasierte Vorsteuerung umgesetzt ist.Furthermore, to record the operating status of the vapor compression system 200 advantageously arranged the following sensors, with which in particular to safeguard and optimize the operating conditions of the vapor compression system 200 A model-based pre-control is implemented, especially in the event of changes in the operating status.

Einerseits erfolgt vorteilhaft mit Hilfe der durch Sensoren erfassten Prozesswerte eine Absicherungen bezüglich zulässiger Arbeitsbereiche der Komponenten wie insbesondere dem Verdichter 210, andererseits erfolgen basierend auf den Sensordaten modellbasierte Vorsteuerungen insbesondere einer Drehzahl des Verdichters 210 und/oder einem Ventilöffnungsgrad des Expansionsventils, so dass die Regler zur Ausregelung einer sich dennoch, durch die Vorsteuerung aber kleineren, Regelabweichung nur noch kleinere Korrekturen durchführen muss:

  • Ein Hochdrucksensor 503 vorteilhaft zur Erfassung des Hochdrucks HD des Kältemittels am Verdichteraustritt 212 oder zwischen dem Verdichteraustritt 212 und dem Expansionsventileintritt 231,
  • ein Heißgastemperatursensor 504 vorteilhaft zur Erfassung einer Heißgastemperatur THG des Kältemittels am Verdichteraustritt 212, oder im Kältekreisabschnitt zwischen dem Verdichteraustritt 212 und dem Verflüssigereintritt 221,
  • ein Innentemperatursensor 506 vorteilhaft zur Erfassung der Innentemperatur Tle des Kältemittels zwischen dem hochdruckseitigem internen Rekuperatorauslass 252 des Kältemittels aus dem Rekuperator 250 und dem Expansionsventileitritt 231. Die Innentemperatur ist vorteilhaft auch als „Rekuperatoraustrittstemperatur Hochdruckpfad“ benannt und
  • vorteilhaft ein Rekuperatorinnentemperatursensor 505. Der Rekuperatorinnentemperatursensor 505 erfasst vorteilhaft Verflüssigeraustrittstemperatur TFA des Kältemittels in der Strömungsrichtung am Verflüssigeraustritt oder dem hochdruckseitigen Rekuperatoreintritt und daher wird vorteilhaft die Verflüssigeraustrittstemperatur TFA vom Rekuperatorinnentemperatursensor 505 gemessen.
On the one hand, with the aid of the process values recorded by sensors, safeguards are advantageously made with regard to permissible working areas of the components, such as the compressor in particular 210 On the other hand, based on the sensor data, model-based precontrols, in particular a speed of the compressor, take place 210 and / or a valve opening degree of the expansion valve, so that the controller only needs to make minor corrections to compensate for a control deviation that is nevertheless smaller due to the precontrol:
  • • A high pressure sensor 503 advantageous for detecting the high pressure HD of the refrigerant at the compressor outlet 212 or between the compressor outlet 212 and the expansion valve inlet 231 ,
  • • a hot gas temperature sensor 504 advantageous for detecting a hot gas temperature T HG of the refrigerant at the compressor outlet 212 , or in the refrigeration circuit section between the compressor outlet 212 and the condenser inlet 221 ,
  • • an indoor temperature sensor 506 advantageous for recording the internal temperature T le of the refrigerant between the internal recuperator outlet on the high-pressure side 252 of the refrigerant from the recuperator 250 and the expansion valve entry 231 . The internal temperature is advantageously also known as the "recuperator outlet temperature high-pressure path" and
  • • Advantageously, a recuperator internal temperature sensor 505 . The internal recuperator temperature sensor 505 advantageously detects the condenser outlet temperature T FA of the refrigerant in the flow direction at the condenser outlet or the high-pressure side recuperator inlet and therefore the condenser outlet temperature is advantageous T FA from the internal recuperator temperature sensor 505 measured.

Die folgenden Sensoren sind insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft:

  • Ein Niederdrucksensor 502 zur Erfassung des Niederdrucks ND des Kältemittels am Verdichtereintritt 211, oder zwischen dem Expansionsventil 230 und dem Verdichtereintritt 211,
  • ein Verdampferaustrittstemperatursensor 508 zur Erfassung der Verdampferaustrittstemperatur TVa des Kältemittels am Verdampferaustritt 242 oder zwischen dem Verdampferaustritt 242 und dem niederdruckseitigen Eintritt des Kältemittels in den Rekuperatoreinlass 251 des Rekuperators 250 und
  • ein Niederdrucktemperatursensor 501 misst vorteilhaft eine Verdichtereintrittstemperatur oder dient vorteilhaft zur Erfassung der Kältemittelniederdrucktemperatur TND oder vorteilhaft einer Verdichtereintrittstemperatur TKE am Verdichtereintritt 211, oder zwischen dem niederdruckseitigem Rekuperatorauslass 252 des Kältemittels aus dem Rekuperator 250 und dem Verdichtereintritt 211.
The following sensors are particularly advantageous for carrying out the method according to the invention:
  • • A low pressure sensor 502 for recording the low pressure ND of the refrigerant at the compressor inlet 211 , or between the expansion valve 230 and the compressor inlet 211 ,
  • • an evaporator outlet temperature sensor 508 for recording the evaporator outlet temperature T Va of the refrigerant at the evaporator outlet 242 or between the evaporator outlet 242 and the low-pressure side entry of the refrigerant into the recuperator inlet 251 of the recuperator 250 and
  • • a low pressure temperature sensor 501 advantageously measures a compressor inlet temperature or advantageously serves to detect the low-pressure refrigerant temperature T ND or advantageously a compressor inlet temperature T KE at the compressor inlet 211 , or between the recuperator outlet on the low pressure side 252 of the refrigerant from the recuperator 250 and the compressor inlet 211 .

Die Prozessgröße, welche einen maßgeblichen Einfluss auf den Gesamt - Wirkungsgrad des Dampfkompressionskreises 200 als Quotient zwischen der vom Dampfkompressionskreis 200 übertragenen Heizleistung QH zu einer vom Verdichter 210 aufgenommenen elektrischen Leistung Pe hat, ist die Überhitzung des Kältemittels am Verdichtereintritt 211. Zur Einhaltung zulässiger Verdichter - Betriebsbedingungen werden vorteilhaft allerdings Beschränkungen bezüglich des erlaubten Überhitzungsbereiches des Kältemittels am Verdichtereintritt eingehalten. Zu niedrige Überhitzungen gefährden insbesondere die Schmiereigenschaften des Maschinenöls, zu hohe Überhitzungen bewirken insbesondere eine zu hohe Heißgastemperatur.The process variable, which has a significant influence on the overall efficiency of the vapor compression cycle 200 as the quotient between that of the vapor compression circuit 200 transferred heating power Q H to one from the compressor 210 The electrical power P e consumed is the overheating of the refrigerant at the compressor inlet 211 . In order to comply with permissible compressor operating conditions, however, it is advantageous to comply with restrictions with regard to the permissible overheating range of the refrigerant at the compressor inlet. Overheating that is too low endangers the lubricating properties of the machine oil in particular, while overheating that is too high particularly results in a hot gas temperature that is too high.

Die Überhitzung beschreibt die Temperaturdifferenz zwischen der erfassten Verdichtereintrittstemperatur TKE des Kältemittels und der Verdampfungstemperatur des Kältemittels bei gesättigtem Dampf.The overheating describes the temperature difference between the recorded compressor inlet temperature T KE of the refrigerant and the evaporation temperature of the refrigerant in the case of saturated steam.

Erfindungsgemäß wird vorzugsweise die Verdichtereintrittsüberhitzung derart geregelt, dass kein Kondensat durch eine Taupunktunterschreitung des in der Umgebungsluft enthaltenden Wasserdampfanteils an Komponenten des Kältekreises insbesondere im Abschnitt zwischen Kältemittelaustritt des Rekuperators 252 und Verdichtereintritt 211 ausfällt. Der Kältekreisabschnitt zwischen Verdampferaustritt 242 und Rekuperatoreintritt 251 ist zwar üblicherweise kälter, weil dieser typischerweise nur ein kurzer Rohrabschnitt ist, ist eine bessere Isolierung im Vergleich zu dem Abschnitt zwischen Kältemittelaustritt des Rekuperators 252 und Verdichtereintritt 211 möglich. Beispielsweise sitzt an der Stelle des Verdichtereintritts 211 am Verdichter der Kältemittelabscheider, der geschützt werden soll. Dieser kann schlecht eingehaust werden, so dass hier die Temperatur so hochgehalten werden soll, dass nichts kondensiert. Die Problematik der Kondensation tritt auf der Hochdruckseite im Regelfall nicht auf. Auch die Passage zwischen hochdruckseitigem Rekuperatoraustritt 252 und Eintritt in das Expansionsventil 231 kühlt regelmäßig in Abhängigkeit des Betriebspunktes bei idealen Wärmeübertragungsbedingungen im Rekuperator 250 auf das Temperaturniveau des Kältemittels am Verdampferaustritt 242 ab. Da aber auch diese Passage typischerweise kurz ist und sie sehr gut zu isolieren ist, ist auch dieser Abschnitt im Regelfall nicht problematisch. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren einen Kondensatabfall grundsätzlich über den gesamten Kreislauf der Wärmepumpe verhindern kann.According to the invention, the superheating of the compressor inlet is preferably regulated in such a way that no condensate is caused by the water vapor content in the ambient air falling below the dew point in components of the refrigeration circuit, particularly in the section between the refrigerant outlet of the recuperator 252 and compressor inlet 211 fails. The refrigeration circuit section between the evaporator outlet 242 and recuperator inlet 251 is usually colder because this is typically only a short pipe section, there is better insulation compared to the section between the refrigerant outlet of the recuperator 252 and compressor inlet 211 possible. For example, sits at the point of the compressor inlet 211 the refrigerant separator on the compressor that is to be protected. This is difficult to enclose, so the temperature should be kept so high that nothing condenses. The problem of condensation occurs the high pressure side usually does not appear. Also the passage between the recuperator outlet on the high pressure side 252 and entry into the expansion valve 231 cools regularly depending on the operating point with ideal heat transfer conditions in the recuperator 250 on the temperature level of the refrigerant at the evaporator outlet 242 away. However, since this passage is typically short and it can be isolated very well, this section is usually not problematic either. It should be noted, however, that the method according to the invention can in principle prevent a condensate drop over the entire circuit of the heat pump.

Wenn - zum Zwecke eines Zahlenbeispiels - ein Verdampfungstemperaturniveau von ca. -10°C angenommen wird und die Temperatur am Soleeintritt 330 bei etwa -10°C, am Soleaustritt 310 etwa -13°C und am Verdichtereintritt 5°C beträgt, beträft die Überhitzung 15K.If - for the purpose of a numerical example - an evaporation temperature level of approx. -10 ° C is assumed and the temperature at the brine inlet 330 at about -10 ° C, at the brine outlet 310 is around -13 ° C and 5 ° C at the compressor inlet, this means overheating 15K .

Vorteilhaft sind bei vielen Anlagen Raumtemperatursensor und Raumfeuchtesensor, die eine genaue Bestimmung der Auskondensierungsbedingungen der Luft ermöglicht, bspw. liegt bei 21 °C und 60% rel. Feuchte die Kondensationstemperatur im Bereich von 13°C. Unter diesen Bedingungen findet also, so lange die Rohrtemperatur über 13°C zuzüglich gegebenenfalls einen Puffer, bspw. 1K, keine Kondensation statt.In many systems, room temperature sensors and room humidity sensors are advantageous, since they enable precise determination of the condensation conditions of the air, for example at 21 ° C and 60% rel. Moisture the condensation temperature in the range of 13 ° C. Under these conditions, no condensation takes place as long as the pipe temperature is above 13 ° C plus, if necessary, a buffer, e.g. 1K.

An dem selbstverständlich nicht einschränkenden Zahlenbeispiel festgehalten wird nun die Erzielung einer Überhitzung von 15K bei einer Verdichtereintrittstemperatur von 5°C erreicht. Diese Temperatur liegt unter den 13°C, die für die aktuellen Umgebungsbedingungen als Kondensationstemperatur des in der Umgebungsluft befindlichen Wasserdampfanteils bestimmt ist. Demnach findet Kondensation statt. Soll die Verdichtereintrittstemperatur wenigstens 14°C, d.h. Kondensationstemperatur plus Puffer, betragen, muss die Überhitzung um 9K größer werden, d.h. eine Überhitzung von 24K eingehalten werden.The numerical example, which is of course non-restrictive, is now used to achieve overheating of 15K at a compressor inlet temperature of 5 ° C. This temperature is below 13 ° C, which is determined for the current ambient conditions as the condensation temperature of the water vapor in the ambient air. Accordingly, condensation takes place. If the compressor inlet temperature is to be at least 14 ° C, i.e. the condensation temperature plus buffer, the overheating must be 9K greater, i.e. an overheating of 24K must be maintained.

Grenzwerte, insbesondere für die Überhitzung, legen arbeitspunktabhängig den zulässigen Überhitzungsbereich der Komponenten am Verdichtereintritt 211 fest. Weiterhin bestehen aber auch Abhängigkeiten zwischen der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und dem Gesamtwirkungsgrad des Dampfkompressionskreises 200 oder auch zwischen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und einer Stabilität S eines Regelwertes R vorteilhaft bei der Ausregelung der Verdichtereintrittsüberhitzung.Limit values, especially for overheating, determine the permissible overheating range of the components at the compressor inlet depending on the operating point 211 fixed. Furthermore, there are also dependencies between the compressor inlet superheating dT U ̈ E and the overall efficiency of the vapor compression circuit 200 or between the compressor inlet overheating dT U ̈ E and a stability S of a control value R, which is advantageous when regulating the compressor inlet overheating.

Zur Berücksichtigung all dieser Anforderungen werden vorteilhaft in Abhängigkeit des Arbeitspunktes des Dampfkompressionskreises 200, die Wärmequellenmedientemperatur, die Heizmediumtemperatur, die Verdichterleistung Pe und Zielwerte Z oder der Zielwert Z für eine Berechnung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE herangezogen. Alternativ oder zusätzlich kann aus den vom Arbeitspunkt abhängigen Kältekreis-Messgrößen wie Wärmequellenmedientemperatur, Heizmediumtemperatur, Verdichterleistung Pe und parametrierbaren, also an das Verhalten der jeweiligen Kältekreiskomponenten angepasste Koeffizienten eine Berechnung des Zielwertes Z als Vorgabewert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE durchgeführt werden. Im einfachsten Fall ist der Zielwert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE unabhängig von allen Betriebsbedingungen konstant, z.B. 10 Kelvin. Bei einer komplexeren Anpassung wird er als Funktion einer Arbeitspunktgröße, z.B. der Verdichterleistung Pe variiert oder bei noch komplexerer Anpassung variiert er als Funktion mehrerer Arbeitspunktgrößen.In order to take into account all these requirements, it is advantageous to depend on the operating point of the vapor compression circuit 200 , the heat source medium temperature, the heating medium temperature, the compressor output P e and target values Z or the target value Z are used to calculate the compressor inlet superheat dT ÜE. Alternatively or additionally, a calculation of the target value Z as a default value for the compressor inlet superheating dT U ̈ E can be carried out from the refrigerant circuit parameters dependent on the operating point, such as heat source medium temperature, heating medium temperature, compressor power P e and parameterizable coefficients that are adapted to the behavior of the respective refrigeration circuit components. In the simplest case, the target value for the compressor inlet superheat dT U ̈ E is constant regardless of all operating conditions, eg 10 Kelvin. In the case of a more complex adaptation it is varied as a function of an operating point variable, for example the compressor power P e , or in the case of an even more complex adaptation it varies as a function of several operating point variables.

Es wird eine Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und eine Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA miteinander gewichtet kombiniert, woraus im Regler 500 eine Gesamtregelabweichung berechnet wird, welche zur Regelung des Dampfkompressionskreises 200 eingespeist wird. Vorteilhaft präziser werden zunächst die Regelabweichungen von der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜEund Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA durch die Bildung der Differenzen zwischen den jeweiligen Messwerten und Zielwerten gebildet.

  • • Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE = Messwert Verdichtereintrittsüberhitzung - Zielwert Verdichtereintrittsüberhitzung ZTÜE
  • • Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA = Messwert Verdampferaustrittsüberhitzung - Zielwert Verdampferaustrittsüberhitzung ZTÜA
A control deviation of the compressor inlet superheat dT U ̈ E and a control deviation of the evaporator outlet superheat dT U ̈ A are weighted combined, resulting in the controller 500 a total control deviation is calculated, which is used to control the vapor compression circuit 200 is fed in. The control deviations from the compressor inlet superheat dT ÜE and evaporator outlet superheat dT ÜA are advantageously formed more precisely by forming the differences between the respective measured values and target values.
  • • Control deviation of the compressor inlet superheat dT U ̈ E = measured value compressor inlet superheat - target value compressor inlet superheat Z TÜE
  • • Control deviation of the evaporator outlet superheat dT ÜA = measured value evaporator outlet superheat - target value evaporator outlet superheat Z TÜA

Dann wird vorteilhaft aus dem gewichteten Einfluss von der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und dem gewichteten Einfluss der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA im Regler 500 die Gesamtregelabweichung berechnet, welche zur Regelung des Dampfkompressionskreises 200 eingespeist wird.The weighted influence of the control deviation of the compressor inlet superheating dT U ̈ E and the weighted influence of the control deviation of the evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A in the controller are then advantageous 500 the total control deviation is calculated, which is used to regulate the vapor compression circuit 200 is fed in.

Beim Dampfkompressionskreis 200 passiert das Kältemittel nach der Entspannung durch das Expansionsventil 230 zwei sequentiell angeordnete Wärmeübertrager, den Verdampfer 240 und den Rekuperator 250 in welchen dem Kältemittel Wärmeenergie QQ und Qi zugeführt wird.With the vapor compression circuit 200 the refrigerant passes through the expansion valve after the expansion 230 two sequentially arranged heat exchangers, the evaporator 240 and the recuperator 250 in which the refrigerant heat energy Q Q and Q i is fed.

Im Verdampfer 250 wird dem Kältemittel Quellwärmeenergie QQ aus dem Wärmequellsystem 300 zugeführt. Das Temperaturniveau der zugeführten Quellwärme QQ ist auf einem Temperaturniveau der Wärmequelle, insbesondere wie des Erdreiches oder der Außenluft.In the evaporator 250 is the source of heat energy for the refrigerant Q Q from the heat source system 300 fed. The temperature level of the supplied source heat Q Q is at the same temperature level as the heat source, in particular that of the ground or the outside air.

In dem in Kältemittel Hochdruck-Strömungsrichtung SHD nachfolgenden Rekuperator 250 wird dem Kältemittel Wärmeenergie Qi nach Verlassen des Verflüssigers 220 entzogen. Das Temperaturniveau des Kältemittels am Austritt des Verflüssigers stellt sich in etwa auf Höhe der Rücklauftemperatur des Heizmediums ein.In the high pressure refrigerant flow direction S HD subsequent recuperator 250 heat energy is added to the refrigerant Q i after leaving the condenser 220 withdrawn. The temperature level of the refrigerant at the outlet of the condenser is approximately at the level of the return temperature of the heating medium.

Diese Verschaltung des Verdampfers 240 mit dem Rekuperator 250 in Reihe hat einen entscheidenden Einfluss auf die Übertragungsfunktion der Regelstrecke für die Regelung Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE.This interconnection of the evaporator 240 with the recuperator 250 in series has a decisive influence on the transfer function of the controlled system for controlling the compressor inlet superheat dT ÜE.

Der Regelwert R ist vorteilhaft die gewichtete Verknüpfung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE mit der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung.The control value R is advantageously the weighted link between the control deviation of the compressor inlet superheat dT U ̈ E and the control deviation of the evaporator outlet superheat.

Aktor-Betriebszustandsgrößen mit einem Einfluss auf den Regelwert R, insbesondere der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE, sind im betreffenden Dampfkompressionskreis 200 die Verdichterdrehzahl und/oder den Öffnungsgrad des Expansionsventils 230, womit auch vorteilhaft der Niederdruck ND und das Verdampfungstemperaturniveau bestimmt sind.Actuator operating state variables with an influence on the control value R, in particular the compressor inlet superheating dT U ̈ E , are in the relevant vapor compression circuit 200 the compressor speed and / or the degree of opening of the expansion valve 230 , with which the low pressure is also advantageous ND and the evaporation temperature level are determined.

Besonders vorteilhaft haben Aktoren Einfluss auf den Regelwert R, insbesondere auf die gewichtete Verknüpfung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung mit der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung. Im betreffenden Dampfkompressionskreis 200 sind insbesondere der Verdichter 210 durch die Variation der Verdichterdrehzahl und das Expansionsventil 230 durch Beeinflussung des Öffnungsgrades solche Aktoren. Diese beiden Aktoren beeinflussen den Niederdruck ND und das Verdampfungstemperaturniveau.Actuators have a particularly advantageous influence on the control value R, in particular on the weighted linkage of the control deviation of the compressor inlet overheating with the control deviation of the evaporator outlet overheating. In the relevant vapor compression circuit 200 are especially the compressor 210 by varying the compressor speed and the expansion valve 230 by influencing the degree of opening such actuators. These two actuators influence the low pressure ND and the evaporation temperature level.

Hierbei sind nicht alle Einflüsse gewünscht. So verändert beispielsweise eine Änderung der Verdichterdrehzahl zur Einregelung der gewünschten Heizleistung ohne weitere kompensatorische Änderungen des Öffnungsgrades des Expansionsventils den Regelwert R in unerwünschte Bereiche, sodass eine mit der Verdichterdrehzahländerung einhergehende modellbasiert unterstützte Öffnungsgradänderung des Expansionsventils zur Einregelung von R vorteilhaft, gegebenenfalls sogar erforderlich ist.Not all influences are desired here. For example, a change in the compressor speed to regulate the desired heating output without further compensatory changes in the degree of opening of the expansion valve changes the control value R into undesired ranges, so that a model-based, supported change in the degree of opening of the expansion valve to regulate R is advantageous, if necessary, even necessary.

Vorteilhaft wird im Dampfkompressionskreis 200 die Verdichterdrehzahl so eingestellt, dass die vom Dampfkompressionskreis 200 an das Heizmedium übertragene Heizleistung QH dem angeforderten Zielwert Z entspricht. Zur Einhaltung dieser Vorgabe ist eine Beeinflussung der Verdichterdrehzahl zur Regelung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vorteilhaft untergeordnet oder nicht angebracht.It is advantageous in the steam compression cycle 200 the compressor speed is set so that that of the vapor compression circuit 200 heat output transferred to the heating medium QH corresponds to the requested target value Z. To comply with this requirement, influencing the compressor speed to regulate the superheating dT U ̈ E at the compressor inlet is advantageously subordinate or not appropriate.

Vorteilhaft wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 als Stellwert für die Regelung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE verwendet. Der Einfluss des Öffnungsgrades des Expansionsventils 230 auf die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vollzieht sich wie folgt:

  • Das Expansionsventil 230 agiert als Düse mit elektromotorisch verstellbarem Düsenquerschnitt, bei welchem üblicherweise mittels eines Schrittmotors eine nadelförmige Düsennadel per Gewinde in einen Düsensitz gefahren wird.
The degree of opening of the expansion valve is advantageous 230 used as the control value for the regulation of the compressor inlet superheat dT ÜE. The influence of the degree of opening of the expansion valve 230 on the compressor inlet overheating dT ÜE takes place as follows:
  • The expansion valve 230 acts as a nozzle with an electromotive adjustable nozzle cross-section, in which a needle-shaped nozzle needle is usually threaded into a nozzle seat by means of a stepper motor.

Der Kältemitteldurchsatz durch das Expansionsventil ist bei Betrieb mit flüssigem Kältemittel am Expansionsventileintritt 231 in etwa proportional zur Quadratwurzel des Druckunterschiedes zwischen dem Expansionsventileintritt 231 und -austritt 232 multipliziert mit einem aktuellen relativen Wert des Düsenquerschnitts oder Öffnungsgrads und vorteilhaft einer vom Kältemittel - und einer Geometrie des Expansionsventils 230 abhängigen Konstante.The refrigerant throughput through the expansion valve is when operating with liquid refrigerant at the expansion valve inlet 231 roughly proportional to the square root of the pressure difference between the expansion valve inlet 231 and outlet 232 multiplied by a current relative value of the nozzle cross-section or degree of opening and advantageously one of the refrigerant and a geometry of the expansion valve 230 dependent constant.

Da bei einer in einem Arbeitspunkt mit einer als konstant angenommenen Verdichterdrehzahl und einer als konstant angenommenen Heizmediumtemperatur Tws auch der korrespondierende Hochdruck HD des Kältemittels beim Eintritt in das Expansionsventil 230 als konstant angenommen werden kann, beeinflusst der Öffnungsgrad des Expansionsventil 230 maßgeblich nur den Niederdruck ND, also des Austrittsdruck aus dem Expansionsventil 230.Since at an operating point with a compressor speed assumed to be constant and a heating medium temperature Tws assumed to be constant, there is also the corresponding high pressure HD of the refrigerant as it enters the expansion valve 230 can be assumed to be constant, affects the degree of opening of the expansion valve 230 only the low pressure is relevant ND , i.e. the outlet pressure from the expansion valve 230 .

Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 verringert, so passiert weniger Kältemittel bei konstantem Hochdruck HD und zunächst noch konstantem Niederdruck ND das Expansionsventil 230. Da der Verdichter 210 aber weiterhin zunächst den gleichen Kältemittelmassenstrom fördert, wird in Hochdruck-Strömungsrichtung SHD durch das Expansionsventil 230 weniger Kältemittel zugeführt, als vom Verdichter 210 abgesaugt wird.Becomes the opening degree of the expansion valve 230 reduced, less refrigerant happens at constant high pressure HD and initially still constant low pressure ND the expansion valve 230 . Because the compressor 210 but continues to initially deliver the same refrigerant mass flow, it is in the high-pressure flow direction S HD through the expansion valve 230 less refrigerant supplied than from the compressor 210 is sucked off.

Da es sich bei Kältemitteldampf um ein kompressibles Medium handelt, sinkt dann der Niederdruck ND auf der Niederdruckseite des Dampfkompressionskreises 200. Bei sinkendem Niederdruck ND sinkt in etwa proportional der Massenstrom von Kältemittel durch den Verdichter 210, da dessen Förderleistung sich angenähert als Rauminhalt / Zeit beschreiben lässt, bedingt durch insbesondere die Kolbenhübe, und es stellt sich ein entsprechend reduzierter Niederdruckwert ND ein, bei welchem der durch das Expansionsventil 230 zugeführte Kältemittelmassenstrom gleich dem vom Verdichter 210 abgeführten Kältemittelmassenstrom ist.Since refrigerant vapor is a compressible medium, the low pressure then drops ND on the low pressure side of the vapor compression circuit 200 . When the low pressure drops ND the mass flow of refrigerant through the compressor decreases roughly proportionally 210 , since its delivery rate can be roughly described as volume / time, due in particular to the piston strokes, and a correspondingly reduced low pressure value is obtained ND a, at which the through the expansion valve 230 supplied refrigerant mass flow equal to that from the compressor 210 discharged refrigerant mass flow is.

Wird der Öffnungsgrad des Expansionsventils 230 vergrößert, so passiert mehr Kältemittel bei konstantem Hochdruck HD und zunächst noch konstantem Niederdruck ND das Expansionsventil 230. Da der Verdichter 210 aber weiterhin zunächst den gleichen Kältemittelmassenstrom fördert, wird der Niederdruckseite ND des Kältekreises durch das Expansionsventil 230 mehr Kältemittel zugeführt, als vom Verdichter 210 abgesaugt wird. Da es sich beim Kältemitteldampf um ein kompressibles Medium handelt, steigt der Niederdruck ND auf der Niederdruckseite des Dampfkompressionskreises 200. Bei steigendem Niederdruck ND steigt die Massenstromförderleistung des Verdichters 210 in etwa proportional, da dessen Förderleistung sich angenähert als Rauminhalt / Zeit beschreiben lässt, und es stellt sich ein entsprechend erhöhter Niederdruck ND ein, bei welchem der durch das Expansionsventil 230 zugeführte Kältemittelmassenstrom gleich dem vom Verdichter 210 abgeführte Kältemittelmassenstrom ist.Becomes the opening degree of the expansion valve 230 increased, so more refrigerant passes at constant high pressure HD and initially still constant low pressure ND the expansion valve 230 . Because the compressor 210 but continues to deliver the same refrigerant mass flow initially, the low-pressure side will ND of the refrigeration circuit through the expansion valve 230 more refrigerant supplied than from the compressor 210 is sucked off. Since refrigerant vapor is a compressible medium, the low pressure increases ND on the low pressure side of the vapor compression circuit 200 . With increasing low pressure ND the mass flow rate of the compressor increases 210 roughly proportional, since its delivery rate can be roughly described as volume / time, and there is a correspondingly increased low pressure ND a, at which the through the expansion valve 230 supplied refrigerant mass flow equal to that from the compressor 210 discharged refrigerant mass flow is.

Der Niederdruck ND wiederum beeinflusst maßgeblich die Wärmeübertragung zwischen Wärmequellenmedium und Kältemittel im Verdampfer 240. Der Wärmestrom QQ aus dem Wärmequellsystem 300 wird zwischen dem Wärmequellmedium und dem Kältemittel mit unterschiedlicher Temperatur übertragen, wobei der Wärmestrom QQ dabei abhängig vom der Temperaturdifferenz zwischen dem Wärmequellmedium und dem Kältemittel und dem Wärmeübergangswiderstand einer Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers 240 ist.The low pressure ND in turn, has a decisive influence on the heat transfer between the heat source medium and the refrigerant in the evaporator 240 . The heat flow Q Q from the heat source system 300 is transferred between the heat source medium and the refrigerant at different temperatures, with the heat flow Q Q depending on the temperature difference between the heat source medium and the refrigerant and the heat transfer resistance of a heat transfer layer of the evaporator 240 is.

Der Wärmeübergangswiderstand zwischen Wärmequellenmedienpfad des Verdampfers und Kältemittelpfad des Verdampfers ist in einem jeweiligen Dampfkompressionskreis 200 als in etwa konstant anzunehmen. Daher ist die Größe der Wärmeübertragungsleistung im Verdampfer 240 maßgeblich abhängig vom Integral der Temperaturdifferenzen aller Flächenelemente der Wärmeübertragungsschicht.The heat transfer resistance between the heat source media path of the evaporator and the refrigerant path of the evaporator is in a respective vapor compression circuit 200 to be assumed to be roughly constant. Hence the size of the heat transfer capacity in the evaporator 240 largely dependent on the integral of the temperature differences of all surface elements of the heat transfer layer.

Um ein hinreichendes Maß von Wärmeenergie QQ vom Wärmequellesystem 300 an das Kältemittel übertragen zu können, muss sichergestellt sein, dass die Temperatur des Wärmequellenmediums in möglichst allen Flächenelementen der Übertragungsschicht des Wärmeübertragers, hier des Verdampfers 240, größer ist als die Temperatur des Kältemittels am jeweiligen Flächenelement ist.To get a sufficient amount of thermal energy Q Q from the heat source system 300 To be able to transfer to the refrigerant, it must be ensured that the temperature of the heat source medium in as many surface elements as possible of the transfer layer of the heat exchanger, here the evaporator 240 , is greater than the temperature of the refrigerant on the respective surface element.

Ist der Aggregatzustand des Kältemittels beim Durchströmen des Verdampfers 240 gesättigter Dampf, so stellt sich eine Kältemitteltemperatur ein, welche durch die Sättigungsdampfkennlinie als Stoffeigenschaft des Kältemittels eine Funktion des Niederdrucks ND des Kältemittels ist. Somit lässt sich durch eine Steuerung des Niederdruckes ND oder auch eines Verdampfungsdruckes indirekt eine Steuerung der Verdampfungstemperatur des Kältemittels beim Durchströmen des Rekuperators 250 steuern.Is the physical state of the refrigerant as it flows through the evaporator 240 saturated vapor, a refrigerant temperature is established which, as a material property of the refrigerant, is a function of the low pressure as a result of the saturation vapor characteristic ND of the refrigerant. Thus, by controlling the low pressure ND or also an evaporation pressure indirectly a control of the evaporation temperature of the refrigerant when flowing through the recuperator 250 steer.

Die Wärmeenergie QQ , welche vom Wärmequellensystem an das den Verdampfer 240 durchströmende Kältemittel übertragen wird, bewirkt eine Aggregatzustandsbeeinflussung des Kältemittels.The thermal energy Q Q , which from the heat source system to the evaporator 240 The refrigerant flowing through is transferred, affects the physical state of the refrigerant.

Der Nassdampfanteil im gesättigten Kältemitteldampf nimmt bei konstantem Niederdruck bei Wärmeübertragung an das Kältemittel ab. Bei einer unvollständigen Verdampfung ist der Nassdampfanteil und damit auch der innere Energiezustand des Kältemittels beim Austritt aus dem Wärmeübertrager eine Funktion vom:

  • • Nassdampfanteil bei Eintritt in den Verdampfer 240,
  • • Kältemittelmassenstrom,
  • • Übertragener Wärmeleistung QQ , und von einer
  • • Enthalpiedifferenz im Nassdampfgebiet beim jeweiligen Niederdruck ND, welche das Kältemittel als Stoffkonstante als Funktion des Drucks aufweist.
The proportion of wet steam in saturated refrigerant vapor decreases at constant low pressure when heat is transferred to the refrigerant. In the event of incomplete evaporation, the proportion of wet steam and thus also the internal energy state of the refrigerant when it exits the heat exchanger is a function of:
  • • Wet steam content when entering the evaporator 240 ,
  • • refrigerant mass flow,
  • • Transferred heat output Q Q , and from one
  • • Enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure ND , which the refrigerant has as a material constant as a function of pressure.

Zur vollständigen Verdampfung erfolgt eine zusätzliche Energiezuführung im Rekuperator 250, um das Kältemittel über den Zustand gesättigten Dampfes hinaus zu überhitzen.Additional energy is supplied to the recuperator for complete evaporation 250 to superheat the refrigerant beyond the saturated vapor state.

Mit dem Verfahren wird bei gegebenen Betriebsbedingungen des Dampfkompressionskreises 200 in Abhängigkeit der Stellgröße „Öffnungsgrad Expansionsventil 230“ ein korrespondierender Kältemittelzustand beim Austritt aus dem Verdampfers 240 eingestellt.With the method, the vapor compression cycle is created under given operating conditions 200 Depending on the manipulated variable "degree of opening expansion valve 230", a corresponding refrigerant condition when exiting the evaporator 240 set.

Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich einer Regeltreckensteilheit der „isolierten“ Regelstrecke „Verdampfer 240“ ein Regelstreckenverhalten mit moderater Steilheit. Das Regelstreckenverhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch einen Regelstreckenausgangswert Verdampferaustrittsüberhitzung als Funktion eines Regelstreckeneingangswertes Expansionsventilöffnungsgrad.In the steady state, the "isolated" controlled system "evaporator." 240 “A controlled system behavior with moderate steepness. The control system behavior is characterized in particular by a control system output value for evaporator outlet superheating as a function of a control system input value for the expansion valve opening degree.

Vorteilhaft wird ein Kältemittel, insbesondere als Kältemittel ein Kältemittelgemisch verwendet, welches einen „Temperaturglide“ aufweist, insbesondere wird vorteilhaft R454C verwendet. Vorteilhaft wird bei einem Kältemittelgemisch mit einem Temperaturglide, sich bei einer relativen Öffnungsgradänderung des Stellorgans Expansionsventil von 1 % rel. am Austritt des Kältemittels aus dem Verdampfer üblicherweise eine Überhitzungsänderung von etwa kleiner 1 K eingestellen.A refrigerant is advantageously used, in particular a refrigerant mixture as the refrigerant, which has a “temperature glide”, in particular R454C is advantageously used. In the case of a refrigerant mixture with a temperature glide, it is advantageous if the relative degree of opening of the actuator expansion valve changes by 1% rel. a change in superheating of approximately less than 1 K is usually set at the outlet of the refrigerant from the evaporator.

Die Einstellung dieses Zustandes erfolgt vorteilhaft auch durch eine regelungstechnische Beeinflussung wenigstens einer oder mehrerer der verschiedenen folgenden Zeitkonstanten; die letztendlich die Prozessgröße Kältemittelüberhitzung am Verdampferaustritt 242 beeinflussen:

  • • Eine erste Zeitkonstante bewirkt vorteilhaft eine Verzögerung der mechanischen Öffnungsgradänderung des Expansionsventils 230 durch die Begrenzung der Verfahrgeschwindigkeit durch den Regler 500, der Regelwert R wird in dieser ersten Zeitkonstante Z in der Verfahrgeschwindigkeit durch einen Bremswert reduziert. Der Bremswert kann beispielsweise die reglertechnische Zykluszeit, in welcher ein Verfahrensschritt des Expansionsventils 230 gesteuert wird, umfassen.
  • • Eine zweite Zeitkonstante wirkt durch den Regler 500 vorgegeben vorteilhaft auf eine verzögerte Einstellung eines korrespondierenden Niederdruckes bei Öffnungsgradänderungen des Expansionsventils 230 aufgrund der Kompressibilität des Kältemitteldampfes bei Niederdruck ND im Niederdruckpfad.
  • • Eine dritte Zeitkonstante ist vorteilhaft eine thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers 240, wobei eine Änderung des Verdampfungsdruckes und damit der Verdampfungstemperatur eine verzögerte Temperaturänderung der Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers, welcher oft mehrere Kilogramm Metall hat und des Wärmequellenmediums.
  • • Eine vierte Zeitkonstante ergibt sich vorteilhaft aus verzögerten Aggregatzustandsänderungen des Kältemittels bei Verdampfungstemperaturänderungen.
  • • Eine fünfte Zeitkonstante ergibt sich vorteilhaft aus dem Transport des Kältemittels durch den Verdampfer 240 mit einer endlichen Strömungsgeschwindigkeit.
This state is advantageously also set by influencing at least one or more of the various subsequent time constants in terms of control technology; which is ultimately the process variable refrigerant overheating at the evaporator outlet 242 influence:
  • A first time constant advantageously causes a delay in the mechanical change in the degree of opening of the expansion valve 230 by limiting the travel speed by the controller 500 , the control value R is reduced in the travel speed in this first time constant Z by a braking value. The braking value can, for example, be the controller cycle time in which a method step of the expansion valve 230 is controlled, include.
  • • A second time constant acts through the controller 500 predetermined advantageously to a delayed setting of a corresponding low pressure in the case of changes in the degree of opening of the expansion valve 230 due to the compressibility of the refrigerant vapor at low pressure ND in the low pressure path.
  • A third time constant is advantageously a thermal time constant of the heat transfer layer of the evaporator 240 , whereby a change in the evaporation pressure and thus the evaporation temperature is a delayed change in temperature of the heat transfer layer of the evaporator, which often has several kilograms of metal, and of the heat source medium.
  • • A fourth time constant results advantageously from delayed changes in the physical state of the refrigerant in the event of changes in the evaporation temperature.
  • • A fifth time constant results advantageously from the transport of the refrigerant through the evaporator 240 with a finite flow velocity.

Es stellt sich also vorteilhaft nach Änderung der Stellgröße „Öffnungsgrad des Expansionsventils 230“ eine Verzögerung der korrespondierenden Kältemittelzustandsänderung beim Austritt aus dem Verdampferaustritt 242 ein und eine Gesamtzeitkonstante Zges liegt arbeitspunktabhängig vorteilhaft im Bereich von 30 Sekunden bis etwa 5 Minuten.Thus, after changing the manipulated variable “degree of opening of expansion valve 230”, there is advantageously a delay in the corresponding change in refrigerant state when it exits the evaporator outlet 242 one and one total time constant Ztot, depending on the operating point, is advantageously in the range from 30 seconds to about 5 minutes.

Nach Durchströmung des Verdampfers 240 tritt das Kältemittel bei Niederdruck ND in den Niederdruckpfad des Rekuperators 250 ein.After flowing through the evaporator 240 the refrigerant occurs at low pressure ND into the low pressure path of the recuperator 250 one.

Der Aggregatzustand des Kältemittels beim Einströmen in den Rekuperators 250 ist in einem üblichen Betriebsfall, also vorteilhaft entweder gesättigter Dampf mit einem geringen Dampfanteil zwischen 0 bis 20 % oder insbesondere auch vorteilhaft auch bereits überhitztes Kältemittel.The physical state of the refrigerant as it flows into the recuperator 250 is in a normal operating case, so advantageously either saturated steam with a low steam content between 0 to 20% or in particular also advantageously already superheated refrigerant.

Bei vorteilhaft gesättigtem Dampf stellt sich eine Kältemitteltemperatur ein, welche durch die Sättigungsdampfkennlinie des Kältemittels eine Funktion des Kältemitteldruckes ist. Bei Eintritt von überhitztem Kältemittel wird die Kältemitteltemperatur maximal eine Größe annehmen, welche der Eintrittstemperatur des Wärmequellenmediums entspricht. In diesem Fall entspricht die Größe vorzugsweise der Eintrittstemperatur des Kältemittels in den Hochdruckpfad des Rekuperators 250, also die Temperatur des Kältemittels nach Austritt aus dem Verflüssiger 220.In the case of advantageously saturated steam, a refrigerant temperature is established which, due to the saturation vapor characteristic curve of the refrigerant, is a function of the refrigerant pressure. When superheated refrigerant enters, the refrigerant temperature will at most assume a size which corresponds to the entry temperature of the heat source medium. In this case, the size preferably corresponds to the inlet temperature of the refrigerant in the high-pressure path of the recuperator 250 , i.e. the temperature of the refrigerant after it leaves the condenser 220 .

Um ein hinreichendes Maß von Wärmeenergie vom Kältemittel des hochdruckseitigen Kältemittelpfad an das Kältemittel des niederdruckseitigen Kältemittelpfad im Rekuperator 250 übertragen zu können, muss sichergestellt sein, dass die Temperatur des Kältemittels des hochdruckseitigen Kältemittelpfads auf Hochdruck HD in möglichst allen Flächenelementen der Übertragungsschicht des Rekuperators 250 größer als die Temperatur des Kältemittels des niederdruckseitigen Kältemittelpfades bei Niederdruck ND am jeweiligen Flächenelement ist.To get a sufficient amount of thermal energy from the refrigerant of the high-pressure side refrigerant path to the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path in the recuperator 250 To be able to transmit, it must be ensured that the temperature of the refrigerant of the high-pressure side refrigerant path is at high pressure HD in all surface elements of the recuperator's transfer layer, if possible 250 greater than the temperature of the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path at low pressure ND is on the respective surface element.

Die korrespondierenden Temperaturen des Heizsystems 400 des Dampfkompressionssystems 200 sind in einem Heizfall höher als die korrespondierenden Temperaturen der Wärmequelle wie dem Erdreich oder der Außenluft.The corresponding temperatures of the heating system 400 of the vapor compression system 200 are higher than the corresponding temperatures of the heat source such as the ground or the outside air when heating.

Die Wärmeenergie Qi , welche vom Kältemittel bei Hochdruck HD des hochdruckseitigen Kältemittelpfads an das Kältemittel bei Niederdruck im niederdruckseitigen Kältemittelpfad des Rekuperators 250 übertragen wird, bewirkt eine Aggregatzustandsbeeinflussung des Kältemittels auf der Niederdruckseite. Der Nassdampfanteil des den Rekuperator 250 niederdruckseitig bei Niederdruck ND durchströmenden Kältemittels nimmt bei einer Wärmeübertragung an das Kältemittel ab und nach einer vollständigen Verdampfung erfolgt vorteilhaft eine Überhitzung des Kältemittels.The thermal energy Q i which from the refrigerant at high pressure HD the high-pressure side refrigerant path to the refrigerant at low pressure in the low-pressure side refrigerant path of the recuperator 250 is transmitted, affects the physical state of the refrigerant on the low-pressure side. The wet steam content of the recuperator 250 on the low pressure side at low pressure ND The refrigerant flowing through decreases when heat is transferred to the refrigerant and, after complete evaporation, the refrigerant is advantageously overheated.

Der innere Energiezustand des Kältemittels, beim Austritt aus dem niederdruckseitigen Pfad des Rekuperators, wird vorteilhaft abhängig von einem oder mehreren der folgenden Faktoren beeinflusst. Hierbei sollte beachtet werden, dass die Energiezustandsänderung ausschließlich auf physikalischen Abhängigkeiten beruht, wobei der Regler die Steuerung der Aktoren beeinflusst, was dann natürlich auch die physikalischen Größen wie den Kältemittelmassenstrom beeinflusst:

  • • Nassdampfanteil bei Eintritt in den Rekuperator 250,
  • • Kältemittelmassenstrom,
  • • übertragene Wärmeleistung Qi , womit vorteilhaft abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kältemittels bei Hochdruck HD im hochdruckseitigen Kältemittelpfad und der Temperatur des Kältemittels des niederdruckseitigen Kältemittelpfades bei Niederdruck ND geregelt wird, und/oder
  • • eine Enthalpiedifferenz im Nassdampfgebiet beim jeweiligen Niederdruck ND.
The internal energy state of the refrigerant when it emerges from the low-pressure side path of the recuperator is advantageously influenced as a function of one or more of the following factors. It should be noted that the change in energy state is based exclusively on physical dependencies, with the controller influencing the control of the actuators, which of course also influences the physical variables such as the refrigerant mass flow:
  • • Wet steam content when entering the recuperator 250 ,
  • • refrigerant mass flow,
  • • transferred heat output Q i , which advantageously depends on the temperature difference between the temperature of the refrigerant at high pressure HD in the high-pressure side refrigerant path and the temperature of the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path at low pressure ND is regulated, and / or
  • • an enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure ND .

Vorteilhaft wird somit bewirkt, dass sich in Abhängigkeit der gegebenen Betriebsbedingungen des Dampfkompressionskreises 200 sowie in Abhängigkeit der Stellgröße „Öffnungsgrad Expansionsventil 230“ ein korrespondierender Kältemittelzustand beim Austritt 252 aus dem Rekuperator 250 beim Niederdruck ND einstellt.This advantageously has the effect that, depending on the given operating conditions, the vapor compression circuit 200 as well as, depending on the manipulated variable "degree of opening expansion valve 230", a corresponding refrigerant state at the outlet 252 from the recuperator 250 at low pressure ND adjusts.

Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich Regeltreckensteilheit der „isolierten“ Regelstrecke beim Niederdruck ND des Kältemittels im niederdruckseitiger Pfad des Rekuperators 250 ein Regelstreckenverhalten mit hoher Steilheit, bei in etwa gleichbleibendem inneren Energiezustand des Kältemittels beim Eintritt 251 in den niederdruckseitigen ND Pfad des Rekuperators 250. Mit einer insbesondere relativen Öffnungsgradänderung des Expansionsventil von 1 % ergibt sich eine Überhitzungsänderung am Austritt des Kältemittels aus dem Verdampfer 230 von vorteilhaft etwa 10 K oder auch über 10 K.In the steady state, the steepness of the controlled system results in the "isolated" controlled system at low pressure ND of the refrigerant in the low-pressure side path of the recuperator 250 a control system behavior with a high slope, with an approximately constant internal energy state of the refrigerant at the inlet 251 in the low-pressure side ND Recuperator path 250 . With a particularly relative change in the degree of opening of the expansion valve of 1%, there is a change in superheating at the outlet of the refrigerant from the evaporator 230 of advantageously about 10 K or even more than 10 K.

Gegenüber dem Rekuperator 250 erfolgt vorteilhaft eine wesentlich höhere Wärmeübertragung im Verdampfer 240 zwischen dem Quellmedium und dem Kältemittel im Verdampfer 240.Compared to the recuperator 250 there is advantageously a significantly higher heat transfer in the evaporator 240 between the source medium and the refrigerant in the evaporator 240 .

So wird im Verdampfer 240 eine wesentlich höhere Wärmeübertragung als im Rekuperator 250 eingestellt, da der Umgebung mittels Verdampfer 240 eine wesentlich größere Energie entzogen werden soll, als sie nur im Rekuperator 250 innerhalb des Kältekreises zu übertragen. Die treibende Temperaturdifferenz beträgt beispielsweise im Rekuperator zwischen 20 K bis 60 K, während diese im Verdampfer lediglich zwischen 3 K bis 10 K beträgt. Um die gewünschten Energien trotz unterschiedlicher treibender Temperaturdifferenzen übertragen zu können, wird beispielsweise die Austauscherfläche des Verdampfers ca. 5 bis 20 mal größer ausgelegt als die des Rekuperators 250.This is what happens in the vaporizer 240 a much higher heat transfer than in the recuperator 250 set as the environment by means of evaporator 240 a much greater amount of energy is to be withdrawn than it is only in the recuperator 250 to be transferred within the refrigeration circuit. The driving temperature difference in the recuperator is between 20 K and 60 K, for example, while it is only between 3 K and 10 K in the evaporator. In order to be able to transfer the desired energies in spite of different driving temperature differences, the exchanger surface of the evaporator, for example, is designed to be approx. 5 to 20 times larger than that of the recuperator 250 .

Die Einstellung dieses Zustandes erfolgt hierbei vorteilhaft unter Verwendung wenigstens einer der folgenden Zeitkonstanten Z:

  • • Mit einer elften Zeitkonstante Z11 wird vorteilhaft eine Verzögerung der mechanischen Öffnungsgradänderung des Expansionsventils 230 durch die Begrenzung einer Verfahrgeschwindigkeit vorgegeben.
  • • Eine zwölfte Zeitkonstante Z12 wirkt vorteilhaft auf die verzögerte Einstellung eines korrespondierenden Niederdruckes ND bei Öffnungsgradänderungen des Expansionsventils 230 aufgrund der Kompressibilität des Kältemitteldampfes im Niederdruckpfad ND.
  • • Eine 13. Zeitkonstante Z13 ist eine thermische Zeitkonstante der Wärmeübertragungsschicht des Verdampfers. Somit bewirkt eine Änderung des Verdampfungsdruckes und damit der Verdampfungstemperatur eine verzögerte Temperaturänderung der Wärmeübertrageschicht, welche oft mehrere Kilogramm Metall beinhaltet, und des Kältemittels im Niederdruckpfad des Verdampfers 240.
  • • Eine 14. Zeitkonstante Z14 wird vorteilhaft aus verzögerten Aggregatzustandsänderungen des Kältemittels bei Verdampfungstemperaturänderungen ermittelt oder vorgegeben.
  • • Eine 15. Zeitkonstante Z15 ergibt sich vorteilhaft aus dem Transport des Kältemittels durch den Verdampfer 240 mit einer endlichen Strömungsgeschwindigkeit und wird berücksichtigt.
This state is advantageously set using at least one of the following time constants Z:
  • • With an eleventh time constant Z 11 , a delay in the mechanical change in the degree of opening of the expansion valve is advantageous 230 specified by the limitation of a travel speed.
  • • A twelfth time constant Z 12 has an advantageous effect on the delayed setting of a corresponding low pressure ND when the opening degree of the expansion valve changes 230 due to the compressibility of the refrigerant vapor in the low pressure path ND .
  • • One 13th . Time constant Z 13 is a thermal time constant of the heat transfer layer of the evaporator. A change in the evaporation pressure and thus the evaporation temperature thus causes a delayed change in temperature of the heat transfer layer, which often contains several kilograms of metal, and of the refrigerant in the low-pressure path of the evaporator 240 .
  • • One 14th . Time constant Z 14 is advantageously determined or specified from delayed changes in the physical state of the refrigerant in the event of changes in the evaporation temperature.
  • • One 15th . Time constant Z 15 results advantageously from the transport of the refrigerant through the evaporator 240 with a finite flow velocity and is taken into account.

Der niederdruckseitige Kältemittelpfad des Rekuperators 250 wird aus dem Verdampferaustritt 242 des Verdampfers 240 gespeist. Der innere Energiezustand des Kältemittels wird auch hier bereits durch zumindest zwei Zeitkonstanten Z, Z11, Z12, Z13, Z14, Z15, Zges nach Änderung der Stellgröße „Öffnungsgrad Expansionsventil“ verzögert.The low-pressure side refrigerant path of the recuperator 250 is from the evaporator outlet 242 of the evaporator 240 fed. The internal energy state of the refrigerant is already delayed by at least two time constants Z, Z 11 , Z 12 , Z 13 , Z 14 , Z 15 , Ztot after changing the manipulated variable "Expansion valve opening degree".

Nach Änderung der Stellgröße „Öffnungsgrad Expansionsventil 230“ stellt sich dann eine weitere Verzögerung der korrespondierenden Kältemittelzustandsänderung durch das Zeitverhalten des Rekuperators 250 beim Austritt aus dem niederdruckseitigen Kältemittelpfad des Rekuperators 250 ein.After changing the manipulated variable "degree of opening expansion valve 230", there is a further delay in the corresponding change in the refrigerant state due to the time behavior of the recuperator 250 when exiting the low-pressure side refrigerant path of the recuperator 250 one.

Das Zeitverhalten des Rekuperators 250 lässt sich vorteilhaft als Rekuperatorgesamt - Zeitkonstante Zges abhängig vom jeweiligen Arbeitspunkt des Dampfkompressionskreises im Bereich zwischen in etwa 1 Minuten bis 30 Minuten berücksichtigen.The time behavior of the recuperator 250 can advantageously be taken into account as the total recuperator time constant Ztot depending on the respective working point of the steam compression circuit in the range between about 1 minute and 30 minutes.

Es erfolgt vorteilhaft eine gewichtete Kombination Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und der der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA, indem insbesondere mittels einer gewichteten Kombination der Regelabweichung der Verdichterüberhitzung und der Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA die Gesamtregelabweichung berechnet wird, welche im Regler 500 zur Regelung des Dampfkompressionskreises 200 eingespeist wird.There is advantageously a weighted combination of compressor inlet superheating dT U ̈ E and that of evaporator outlet superheating dT U ̈ A , in that the overall control deviation is calculated using a weighted combination of the control deviation of the compressor overheating and the control deviation of the evaporator outlet superheating dT ÜA, which is calculated in the controller 500 to regulate the steam compression circuit 200 is fed in.

Die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE wird vorteilhaft als Haupt - Regelgröße verwendet und die korrespondierenden Signalflüsse und Signalverarbeitungen erfolgt insbesondere in den folgenden Verfahrensschritten:The compressor inlet overheating dT U ̈ E is advantageously used as the main control variable and the corresponding signal flows and signal processing takes place in particular in the following process steps:

Schritt 1Step 1

Zunächst werden die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vorteilhaft als Hauptregelgröße und die Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA vorteilhaft als Hilfsgröße in einem ersten Verfahrensschritt messtechnisch erfasst.First, the process variables compressor inlet superheating dT ÜE are advantageously recorded as the main control variable and the evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A advantageously as an auxiliary variable in a first process step.

Dazu wird jeweils eine Verdampfungstemperatur des Kältemittels am jeweiligen Erfassungspunkt entweder

  • • direkt messtechnisch ermittelt, mit einem Temperatursensor, welcher so positioniert ist, dass er eine der Kältemitteltemperatur im Nassdampfgebiet entsprechende Temperatur erfasst oder
  • • indirekt messtechnisch ermittelt, mit einem Drucksensor, welcher einen Kältemitteldruck des im Nassdampfgebiet verdampfenden Kältemittels erfasst und aus der kältemittelspezifischen Abhängigkeit zwischen Druck und Temperatur im Nassdampfgebiet dann die Verdampfungstemperatur berechnet wird.
For this purpose, an evaporation temperature of the refrigerant at the respective detection point is either
  • • determined directly by measurement, with a temperature sensor which is positioned in such a way that it detects a temperature corresponding to the refrigerant temperature in the wet steam area or
  • • Determined indirectly by measurement, with a pressure sensor which detects the refrigerant pressure of the refrigerant evaporating in the wet steam area and then calculates the evaporation temperature from the refrigerant-specific dependency between pressure and temperature in the wet steam area.

Des Weiteren wird am jeweiligen dem Überhitzungsmesspunkt, insbesondere am Verdampferausgang 242 und/oder am Verdichtereingang 211 zugeordneten Temperaturen der Kältemitteltemperatur mittels Temperatursensoren 501, 508 erfasst. Es wird dann die Temperaturdifferenz des Kältemittels am jeweiligen Messpunkt und der Verdampfungstemperatur berechnet und dieser Temperaturdifferenzwert entspricht dann der jeweiligen Überhitzung des Kältemittels am Messpunkt.Furthermore, at the respective overheating measuring point, in particular at the evaporator outlet 242 and / or at the compressor inlet 211 assigned temperatures of the refrigerant temperature by means of temperature sensors 501 , 508 recorded. The temperature difference between the refrigerant at the respective measuring point and the evaporation temperature is then calculated and this temperature difference value then corresponds to the respective overheating of the refrigerant at the measuring point.

Ausgangsgrößen der Berechnung in Schritt 1 sind dann die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA.Output variables of the calculation in step 1 are then the compressor inlet superheat dT U ̈ E and the evaporator outlet superheat dT ÜA .

Schritt 2step 2

Die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA werden zur Bildung zugeordneter Regelabweichungen mit jeweils zugeordneten Sollwerten in einem zweiten Schritt vorteilhaft verrechnet:

  • Der Sollwert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE wird vorteilhaft zur Sicherstellung des zulässigen Verdichtersbetriebsbereiches und eines möglichst hohen Wirkungsgrades des Kältekreises im Bereich zwischen ca. 5 K bis 20 K variiert.
The process variables compressor inlet superheating dT ÜE and evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A are advantageously offset in a second step to form assigned control deviations with the respectively assigned setpoints:
  • The nominal value for the compressor inlet superheating dT U ̈ E is advantageously varied in the range between approx. 5 K to 20 K in order to ensure the permissible compressor operating range and the highest possible efficiency of the refrigeration circuit.

Der Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA am Verdampferaustritt 242 wird dann in Abhängigkeit der Kältekreis-Betriebsart und des Kältekreis-Arbeitspunktes so variiert, dass die Verdampferüberhitzung im eingeschwungenen Regelfall in etwa dem sich einstellenden Prozesswert der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA entspricht. Dieser Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA kann modellbasiert in Abhängigkeit von einer Betriebsart oder einem Arbeitspunkt abhängig von der Verdampfungstemperatur, der Kondensationstemperatur, der Verdichterleistung, einem Sollwert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und/oder von Komponenteneigenschaften vorberechnet werden und adaptiv korrigiert werden.The setpoint for the evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A at the evaporator outlet 242 is then varied as a function of the refrigeration circuit operating mode and the refrigeration circuit operating point so that the evaporator overheating in the steady normal case roughly corresponds to the process value of the evaporator outlet overheating dT ÜA. This setpoint for the evaporator outlet superheating dT ÜA can be precalculated and adaptively corrected based on a model depending on an operating mode or an operating point depending on the evaporation temperature, the condensation temperature, the compressor output, a setpoint for the compressor inlet superheat dT U ̈ E and / or on component properties.

Es wird dann die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE berechnet, indem vom Prozesswert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE der Sollwert der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE subtrahiert wird.The control deviation of the compressor inlet superheat dT ÜE is then calculated by subtracting the setpoint of the compressor inlet superheat dT U ̈ E from the process value of the compressor inlet superheat dT U ̈ E.

Es wird dann die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA berechnet, indem vom Prozesswert der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA der Sollwert der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA subtrahiert wird.It will then calculate the difference of the evaporator outlet superheat dT ÜA by setting the target value of the evaporator outlet superheat dt U ̈ A is subtracted from the process value of the evaporator outlet superheat dt U ̈ A.

Schritt 3step 3

In einem dritten Verfahrensschritt werden die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA vorteilhaft zu einer Gesamtregelabweichung-Überhitzung kombiniert.In a third method step, the control deviation of the compressor inlet superheating dT ÜE and the control deviation of the evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A are advantageously combined to form an overall control deviation superheating.

Die Kombination erfolgt insbesondere mittels einer gewichteten Addition der Einzel - Regelabweichungen.The combination takes place in particular by means of a weighted addition of the individual control deviations.

Der Gewichtungseinfluss ist ein Maß für die anteilige Kombination der Einzel - Regelabweichungen und kann im Extremfall die ausschließliche Einbeziehung nur einer Einzel - Regelabweichung, aber üblicherweise die gewichtete Einbeziehung beider Einzel - Regelabweichungen bewirken.The weighting influence is a measure of the proportional combination of the individual system deviations and, in extreme cases, can result in the exclusive inclusion of only one individual system deviation, but usually the weighted inclusion of both individual system deviations.

Vorteilhaft wird der Gewichtungseinfluss als Wert zwischen 0 bis 1, also 0 bis 100 % veranschlagt und dieser Wert wird auf den Grad der Einbeziehung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE in die Gesamt - Regelabweichung einbezogen, womit sich für die Berechnung der Gesamt - Regelabweichung folgende Abhängigkeit ergibt: Gesamt Regelabweichung  U ¨ berhitzung = ( Gewichtungseinfluss * Regelabweichung Verdichtereintritts u ¨ berhitzung ) + ( ( 1 Gewichtungseinfluss ) * Regelabweichung Verdampferaustritts u ¨ berhit zung ) Tva

Figure DE102020115264A1_0001
The weighting influence is advantageously estimated as a value between 0 to 1, i.e. 0 to 100%, and this value is included in the degree of inclusion of the control deviation of the compressor inlet superheat dT U ̈ E in the total control deviation, which is used for the calculation of the total control deviation the following dependency results: total - Control deviation U ¨ overheating = ( Weighting influence * Control deviation at compressor inlet u ¨ overheating ) + ( ( 1 - Weighting influence ) * Deviation from the evaporator outlet u ¨ hit - tongue ) Tva
Figure DE102020115264A1_0001

Der Wert des Gewichtungseinflusses kann vorteilhaft von der Betriebsart und/oder dem Arbeitspunkt der Wärmepumpe 100 abhängig variiert werden:

  • • Beim Betriebsartübergang zwischen Betriebsart = Betrieb mit ausgeschaltetem Verdichter 210 und Betriebsart = Betrieb mit eingeschaltetem Verdichter 210 im Heizbetrieb wird aufgrund der dynamischen Prozesswerteänderungen beim Anfahren des Dampfkompressionssystems 200 vorteilhaft ausschließlich zunächst die Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung dT̈ÜA in die Gesamt - Regelabweichung einbezogen, insbesondere ist der Wert eines Gewichtungseinflusses dann zunächst = 0 oder ein Wert vorteilhaft unter 20 %.
  • • Nach einer Stabilisierungsphase des Dampfkompressionssystems 200 ist es vorteilhaft, nicht spontan auf den für den Regelbetrieb ausgelegten Wert des Gewichtungseinflusses umzuschalten, sondern den Übergang rampenförmig zu gestalten. In diesem Fall ist es vorteilhaft, dass der Wert vom Gewichtungseinfluss vom Startwert = 0, oder einem Wert insbesondere unter 20%, vorteilhaft rampenförmig auf den vorgesehenen Zielwert angehoben werden. Hiermit wird insbesondere eine Werteunstetigkeit bei einem spontanen Umschalten vermieden und somit Regelschwingungen vermieden.
  • • Der Zielwert des Gewichtungseinflusses wird vorteilhaft an die jeweilige Betriebsart und den Arbeitspunkt angepasst. Betriebspunkte, welche sich durch erhöhte Schwingneigung auszeichnen bedürfen vorteilhaft einer geringeren Gewichtung der Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE, insbesondere wird hiermit ein regeltechnisch kritisches Signalverhalten der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE aufgrund der gegenüber der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA größeren Signalverzögerung und größeren Streckensteilheit eine Schwingneigung vermieden.
The value of the weighting influence can advantageously depend on the operating mode and / or the operating point of the heat pump 100 can be varied depending on:
  • • When the operating mode is changed between operating mode = operation with the compressor switched off 210 and operating mode = operation with the compressor switched on 210 in heating mode, due to the dynamic process value changes when starting up the vapor compression system 200 Advantageously, initially only the control deviation evaporator outlet superheating dT̈ U ̈ A in the total control deviation included, in particular the value of a weighting influence is then initially = 0 or a value advantageously below 20%.
  • • After a stabilization phase of the vapor compression system 200 it is advantageous not to switch spontaneously to the value of the weighting influence designed for regular operation, but to design the transition in a ramp-shaped manner. In this case, it is advantageous that the value of the weighting influence from the starting value = 0, or a value in particular below 20%, is advantageously increased in the form of a ramp to the intended target value. This in particular avoids a value discontinuity in the event of a spontaneous switchover and thus avoids control fluctuations.
  • • The target value of the weighting influence is advantageously adapted to the respective operating mode and the operating point. Operating points which are characterized by an increased tendency to oscillate advantageously require a lower weighting of the control deviation of the compressor inlet overheating dT U ̈ E , in particular a control-technically critical signal behavior of the compressor inlet overheating dT U ̈ E due to the greater signal delay compared to the evaporator outlet overheating tendency dT ÜA is avoided and a greater signal delay dT ÜA .

Schritt 4:Step 4:

In einem vierten Verfahrensschritt wird die berechnete Gesamt - Regelabweichung der Überhitzung dann im Regler 500 verarbeitet, welcher die korrespondierenden Aktoren des Kältekreises, insbesondere das Expansionsventil 230 mit dem stellbarem Öffnungsgrad und/oder den Verdichter 210 mit stellbarer Verdichterdrehzahl, so steuert, dass sich im eingeregelten Fall eine Regelabweichung der Überhitzung gleich möglichst etwa 0 Kelvin einstellt.In a fourth process step, the calculated total control deviation of the overheating is then entered in the controller 500 processed, which the corresponding actuators of the refrigeration circuit, in particular the expansion valve 230 with the adjustable degree of opening and / or the compressor 210 with adjustable compressor speed, controls in such a way that, in the regulated case, a control deviation of the overheating is set as close as possible to about 0 Kelvin.

Dabei kann ein P, I, PI, PID - Regler eingesetzt werden, wobei die Regelanteile an die jeweilige Betriebsart und den Arbeitspunkt vorteilhaft dynamisch angepasst werden.A P, I, PI, PID controller can be used, the control components being advantageously dynamically adapted to the respective operating mode and the operating point.

3 zeigt schematisch und exemplarisch ein Flussdiagramm eines Verfahrens 1000 zum Regeln einer Kompressionskälteanlage 200. 3 shows schematically and by way of example a flow diagram of a method 1000 for controlling a compression refrigeration system 200 .

In einem Schritt 1010 wird eine Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist, erfasst.In one step 1010 a temperature that is representative of a surface temperature of a component of the refrigeration circuit which, when the refrigeration circuit is in operation, may fall below a dew point temperature of the air with a water vapor content surrounding the refrigeration circuit, is recorded.

In einem Schritt 1020 wird eine Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters berechnet.In one step 1020 a minimum temperature is calculated to ensure that the surface temperature of the component is exceeded on the basis of a recorded environmental parameter.

In einem Schritt 1030 wird ein Mindestwert der Überhitzung dTÜE des Kältemittels aus a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte, berechnet.In one step 1030 a minimum superheat value dT U ̈ E of the refrigerant is calculated from a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the superheating calculation is based, which would result in the surfaces of the low-pressure side operated components of the cooling circuit being exceeded.

In einem Schritt 1040 wird das Maximum bestimmt aus a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung dTÜE des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage 200 und b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung dTÜE des Kältemittels.In one step 1040 the maximum is determined from a) a provided setpoint value of the superheating dT U ̈ E of the refrigerant for regular operation of the compression refrigeration system 200 and b) the calculated minimum superheat value dT U ̈ E of the refrigerant.

In einem Schritt 1050 wird das Drosselorgan 230 dann auf den als in Schritt 1040 als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels geregelt.In one step 1050 becomes the throttle organ 230 then on the as in step 1040 regulated as a maximum value of the superheating of the refrigerant.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10159892 A1 [0005]DE 10159892 A1 [0005]
  • DE 102005061480 B3 [0006]DE 102005061480 B3 [0006]

Claims (9)

Verfahren zum Regeln einer Kompressionskälteanlage (200) mit - einem Kältemittel, - einem Verdampfer (240), - einem Verdichter (210), - einem Verflüssiger (220), - einem Drosselorgan (230), - einem internen Wärmeübertrager (250) zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan (230) an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter (210), und - einer Steuereinheit (500) a) zur Erfassung einer Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter, wobei die Überhitzung (dTÜE) als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und b) zur Regelung des Drosselorgans (230)) basierend auf der Überhitzung (dTÜE),wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist, - Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters, - Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels aus a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte, - Bestimmung des Maximums aus a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage (200) und b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels, und - Regelung des Drosselorgans (230) auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung des Kältemittels.Method for regulating a compression refrigeration system (200) with - a refrigerant, - an evaporator (240), - a compressor (210), - a condenser (220), - a throttle element (230), - an internal heat exchanger (250) for transmission from thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element (230) to the refrigerant before entry into the compressor (210), and - a control unit (500) a) for detecting overheating (dT U ̈ E ) of the refrigerant upon entry into the compressor , wherein the overheating (dT U ̈ E ) is defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and b) for regulating the throttle element (230)) based on the overheating (dT U ̈ E ), the method being the following Steps include: Acquisition of a temperature which, for a surface temperature of a component of the refrigeration circuit, falls below a dew point temperature of the air with water vapor content surrounding the refrigeration circuit during operation of the refrigeration circuit can, is representative, - Calculation of a minimum temperature to ensure that the surface temperature of the component is exceeded on the basis of a recorded environmental parameter, - Calculation of a minimum value for superheating (dT U ̈ E ) of the refrigerant from a) the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded and b) a Corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the superheating calculation is based, which would result in the surfaces of the low-pressure side operated components of the refrigeration circuit exceeding the dew point, - Determination of the maximum from a) a provided superheating setpoint (dT U ̈ E ) of the refrigerant for regular operation of the compression refrigeration system ( 200) and b) the calculated minimum superheating value (dT U ̈ E ) of the refrigerant, and - regulation of the throttle element (230) to the superheating value of the refrigerant determined as the maximum. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Regelung des Drosselorgans (230) auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels zumindest in zugeordneten Betriebsarten der Kompressionskälteanlage (200) erfolgt.Procedure according to Claim 1 , the regulation of the throttle element (230) to the value of the superheating (dT U ̈ E ) of the refrigerant determined as the maximum taking place at least in assigned operating modes of the compression refrigeration system (200). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Temperatur, die für die Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises repräsentativ ist, an wenigstens einem aus einem Kältemittelrohr, dem internen Wärmeübertrager (250), oder einem Kältemittel-Abscheider (260) erfasst wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the temperature, which is representative of the surface temperature of a component of the refrigeration circuit, is detected on at least one of a refrigerant pipe, the internal heat exchanger (250), or a refrigerant separator (260). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung auf Basis eines Raumtemperatursensors und eines Raumfeuchtesensors zur Erfassung des Umgebungsparameters berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the minimum temperature to ensure that the dew point is exceeded is calculated on the basis of a room temperature sensor and a room humidity sensor for detecting the ambient parameter. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kompressionskälteanlage (200) eine im Inneren eines Gebäudes aufgestellte Kompressionskälteanlage ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the compression refrigeration system (200) is a compression refrigeration system installed inside a building. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zur Regelung des Drosselorgans (230) eingesetzte Wert der Überhitzung (dTÜE) innerhalb eines für den Verdichter (210) zulässigen Überhitzungsbereiches gehalten wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the overheating value (dT U ̈ E ) used to regulate the throttle element (230) is kept within an overheating range permissible for the compressor (210). Kompressionskälteanlage (200) mit - einem Kältemittel, - einem Verdampfer (240), - einem Verdichter (210), - einem Verflüssiger (220), - einem Drosselorgan (230), - einem internen Wärmeübertrager (250) zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan (230) an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter (210), und - einer Steuereinheit (500) a) zur Erfassung einer Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter (210), wobei die Überhitzung (dTÜE) als eine Differenz einer Taupunkttemperatur zu einer Temperatur des Kältemittels definiert ist, und b) zur Regelung des Drosselorgans (230) basierend auf der Überhitzung (dTÜE), wobei die Steuereinheit (500) dazu eingerichtet ist, die Kompressionskälteanlage (200) gemäß den folgenden Schritten zu steuern: - Erfassung einer Temperatur, die für eine Oberflächentemperatur einer Komponente des Kältekreises, die im Betrieb des Kältekreises eine Taupunkttemperatur der den Kältekreis umgebenden Luft mit Wasserdampfanteil unterschreiten kann, repräsentativ ist, - Berechnung einer Mindesttemperatur zur Sicherstellung einer Taupunktüberschreitung der Oberflächentemperatur der Komponente auf Basis eines erfassten Umgebungsparameters, - Berechnung eines Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels aus a) der Mindesttemperatur zur Sicherstellung der Taupunktüberschreitung und b) einer korrespondierenden für die Überhitzungsberechnung zugrundeliegenden Verdampfungstemperatur des Kältemittels, welche eine Taupunktüberschreitung der Oberflächen niederdruckseitig betriebener Komponenten des Kältekreises zur Folge hätte, - Bestimmung des Maximums aus a) einem bereitgestellten Sollwert der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels für einen regulären Betrieb der Kompressionskälteanlage (200) und b) des berechneten Mindestwertes der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels, und - Regelung des Drosselorgans (230) auf den als Maximum bestimmten Wert der Überhitzung (dTÜE) des Kältemittels.Compression refrigeration system (200) with - a refrigerant, - an evaporator (240), - a compressor (210), - a condenser (220), - a throttle element (230), - an internal heat exchanger (250) for transferring thermal energy of the refrigerant before entry into the throttle element (230) to the refrigerant before entry into the compressor (210), and - a control unit (500) a) to detect overheating (dT U ̈ E ) of the refrigerant upon entry into the compressor (210), the overheating (dT U ̈ E ) being defined as a difference between a dew point temperature and a temperature of the refrigerant, and b) for regulation of the throttle element (230) based on the overheating (dT U ̈ E ), wherein the control unit (500) is set up to control the compression refrigeration system (200) according to the following steps: - Detection of a temperature which is necessary for a surface temperature of a component of the Refrigeration circuit, which during operation of the refrigeration circuit can fall below a dew point temperature of the air surrounding the refrigeration circuit with water vapor content is representative, - calculation of a minimum temperature to ensure that the dew point temperature of the component is exceeded on the basis of a recorded environmental parameter, - calculation of a minimum value for superheating (dT U ̈ E ) the refrigerant from a) the minimum temperature to ensure the dew point being exceeded and b) a corresponding evaporation temperature of the refrigerant on which the superheating calculation is based, which would result in the surfaces of the components of the refrigerant circuit operated on the low pressure side being exceeded , - determination of the maximum from a) a setpoint value for superheating (dT U ̈ E ) of the refrigerant for regular operation of the compression refrigeration system (200) and b) the calculated minimum superheating value (dT U ̈ E ) of the refrigerant, and - regulation of the throttle element (230) to the superheating value determined as the maximum (dT U ̈ E ) of the refrigerant. Kompressionskälteanlage nach Anspruch 7, wobei das Kältemittel einen Temperaturglide aufweist, wobei das Kältemittel insbesondere R454C aufweist oder daraus besteht.Compression refrigeration system according to Claim 7 , wherein the refrigerant has a temperature glide, the refrigerant in particular having or consisting of R454C. Wärmepumpe (100), insbesondere innen aufgestellte Wärmepumpe (100), mit einer Kompressionskälteanlage (200) gemäß Anspruch 7 oder 8.Heat pump (100), in particular heat pump (100) installed inside, with a compression refrigeration system (200) according to FIG Claim 7 or 8th .
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