DE102020115275A1 - Method for operating a compression refrigeration system and compression refrigeration system - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage (200) und eine zugehörige Kompressionskälteanlage (200). Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes (ND) des Kältemittels, Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks (ND) des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt, Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes, Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter (210), genannt Verdichtereintrittsüberhitzung, Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung, Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.The present invention relates to a method for operating a compression refrigeration system (200) and an associated compression refrigeration system (200). The method comprises the following steps: Calculating a temperature difference between dew point temperature and boiling point temperature, called temperature glide, of the refrigerant at the current operating point of the compression refrigeration system on the basis of a detected low pressure (LP) of the refrigerant, calculating a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure ( ND) of the refrigerant at the current operating point, evaluation of the current evaporator outlet overheating to determine whether the temperature difference limit value is undershot, provision of a setpoint value for superheating, which is defined as a difference between the temperature of the refrigerant and the dew point temperature, when entering the compressor (210), called compressor inlet superheating , Evaluation of the current compressor inlet overheating for exceeding the setpoint for the compressor inlet overheating, detection of a refrigerant shortage situation if both results of the Steps of evaluating are fulfilled continuously for a specified time.

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 und einer Steuereinheit.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 and a control unit.

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 optionalen 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 optional 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.

Die Regelung der Kompressionskälteanlage muss verschiedene Anforderungen erfüllen, so wird beispielsweise gefordert, dass eine Leistungszahl möglichst hoch ist, um einen möglichst energieeffizienten Betrieb zu erlauben. Zentral ist aber auch, dass die Betriebsgrenzen der Komponenten eingehalten werden.The regulation of the compression refrigeration system has to meet various requirements, for example it is required that a coefficient of performance is as high as possible in order to allow the most energy-efficient operation possible. But it is also crucial that the operating limits of the components are observed.

Die Leistungszahl hängt maßgeblich von der richtigen Menge an Kältemittel ab, die durch den Kältekreis zirkuliert. Überschüssiges Kältemittel kann beispielsweise in einem Kältemittelsammler gesammelt werden, so dass die richtige Menge an Kältemittel zirkuliert. Ist zu wenig Kältemittel vorhanden, das durch den Kältekreis zirkulieren kann, so ergibt sich ein schlechter Wirkungsgrad der Kompressionskälteanlage. Eine solche Kältemittelmangelsituation kann verschiedene Ursachen haben, die unterschiedliche Reaktionen erfordern.The coefficient of performance depends largely on the correct amount of refrigerant that circulates through the refrigeration circuit. For example, excess refrigerant can be collected in a refrigerant collector so that the correct amount of refrigerant circulates. If there is too little refrigerant that can circulate through the refrigeration circuit, the efficiency of the compression refrigeration system is poor. Such a refrigerant shortage situation can have various causes that require different reactions.

Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben der eingangs genannten Kompressionskälteanlage vorzuschlagen, dass eine Kältemittelmangelsituation und dessen Ursache zuverlässig erkennen kann.Against this background, it is an object of the present invention to propose a method for operating the compression refrigeration system mentioned at the beginning, which can reliably detect a refrigerant deficiency situation and its cause.

Gelöst wir die Aufgabe durch die Verfahrensmerkmale des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtungsmerkmale des Anspruchs 6.We solved the problem by the method features of claim 1 and the device features of claim 6.

Demnach wird ein Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage vorgeschlagen mit einem Kältemittel, das einen Temperaturgleit aufweist, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager, wobei der interne Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter ausgebildet ist, und einer Steuereinheit, wobei die Steuereinheit ausgebildet ist a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels nach Austritt aus dem Verdampfer sowie zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter und b) zur Regelung des Drosselorgans ausgebildet ist, wobei die Regelung des Drosselorgans mit Hilfe einer auf beiden Überhitzungen basierenden Regelgröße und c) zur Detektion eines Kältemittelmangels zumindest im Verflüssiger ausgebildet ist.Accordingly, a method for operating a compression refrigeration system is proposed with a refrigerant that has a temperature glide, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger, the internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant before it enters the throttle element the refrigerant is formed before entering the compressor, and a control unit, wherein the control unit is designed a) to detect overheating of the refrigerant after exiting the evaporator and to detect overheating of the refrigerant when entering the compressor and b) to regulate the Throttle member is formed, wherein the regulation of the throttle member with the aid of a control variable based on both overheating and c) for detecting a lack of refrigerant is formed at least in the condenser.

Das Verfahren umfasst ein Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes des Kältemittels.The method includes calculating a temperature difference between the dew point temperature and the boiling point temperature, called a temperature glide, of the refrigerant at the current operating point of the compression refrigeration system on the basis of a detected low pressure of the refrigerant.

Der Temperaturgleit ist vom aktuellen Druck, auf den man ihn bezieht, abhängig. Erfindungsgemäß ist der im Niederdruckpfad des Kältemittels relevant. Hierbei kann der Temperaturgleit anhand einer für das verwendete Kältemittel bekannten Kennlinie bestimmt werden. Kältemittel, die einen Temperaturgleit aufweisen, sind üblicherweise Mischungen von zwei oder mehreren Kältemittelkomponenten. Besonders bevorzugt wird in diesem Fall eine Korrektur der bekannten Kennlinie aufgrund von Abweichungen des Mischungsverhältnisses vorgesehen.The temperature glide depends on the current pressure to which it is related. According to the invention, the one in the low-pressure path of the refrigerant is relevant. Here, the temperature glide can be determined on the basis of a characteristic curve known for the refrigerant used. Refrigerants that have a temperature glide are usually mixtures of two or more refrigerant components. In this case, a correction of the known characteristic curve based on deviations in the mixing ratio is particularly preferably provided.

Das Verfahren umfasst ferner ein Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt.The method further comprises calculating a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure of the refrigerant at the current operating point.

Das Verfahren umfasst ferner ein Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes.The method further includes evaluating the current evaporator outlet overheating for undershooting the temperature difference limit value.

Beispielsweise und nicht einschränkend kann der Temperaturgleit in typischen Arbeitsbereichen bei typischen Kältemitteln, wie beispielsweise R454C, in einem Bereich von 5 K bis 15 K, insbesondere zwischen 7 und 8 K liegen. Das Kältemittel tritt aus dem Verdampfer mit einer Verdampferaustrittsüberhitzung von -2 oder -2,5 K aus, das heißt, die Temperatur des Kältemittels am Verdampferaustritt ist geringer als die Temperatur, bei dem die Verdampfung abgeschlossen ist. Der Temperaturdifferenz-Grenzwert kann nun festlegen, dass die Voraussetzung zum Vorliegen einer Kältemittelmangelsituation erfüllt ist, wenn das Kältemittel mit einer niedrigeren Temperatur als -4 bzw. -5 K Abstand zum Abschluss der Verdampfung aus dem Verdampfer austritt.For example and not by way of limitation, the temperature glide in typical working ranges for typical refrigerants such as R454C, for example, can be in a range from 5 K to 15 K, in particular between 7 and 8 K. The refrigerant exits the evaporator with an evaporator outlet superheat of -2 or -2.5 K, that is, the temperature of the refrigerant at the evaporator outlet is lower than the temperature at which the evaporation is complete. The temperature difference limit value can now stipulate that the prerequisite for the presence of a refrigerant shortage situation is fulfilled if the refrigerant exits the evaporator at a temperature lower than -4 or -5 K after the evaporation has ended.

Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter, genannt Verdichtereintrittsüberhitzung,The method further comprises providing a setpoint value for superheating, which is defined as a difference between the temperature of the refrigerant and the dew point temperature, when entering the compressor, called compressor inlet superheating,

Das Verfahren umfasst ferner ein Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung,The method further comprises evaluating the current compressor inlet overheating to determine whether the setpoint value of the compressor inlet overheating is exceeded,

Das Verfahren umfasst schließlich ein Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.The method finally includes a recognition of a refrigerant shortage situation when both results of the evaluation steps are met without interruption for a specified time.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht daher, in Kompressionskälteanlagen mit internem Wärmeübertrager anhand zweier Überhitzungswerte des Kältemittels im Niederdruckpfad, nämlich bei Austritt aus dem Verdampfer und bei Eintritt in den Verdichter, zuverlässig eine bestehende Kältemittelmangelsituation zu erkennen.The method according to the invention therefore enables an existing refrigerant deficiency situation to be reliably detected in compression refrigeration systems with internal heat exchangers based on two superheating values of the refrigerant in the low-pressure path, namely when it exits the evaporator and when it enters the compressor.

Die festgelegte Zeit ist vorzugsweise wenigstens eine Minute, besonders bevorzugt 10 Minuten. Damit wird dem Regelkreis die Gelegenheit gegeben, stabil in den gewünschten Zustand zurückzukehren, was eine gewisse Zeit erfordert.The set time is preferably at least one minute, particularly preferably 10 minutes. This gives the control loop the opportunity to return to the desired state in a stable manner, which requires a certain amount of time.

Erst nach Stabilisierungszeit lohnt es sich, einen Kältemittelmangel zu bewerten. Wenn tatsächlich Kältemittelmangel vorliegt, wird dieser beispielsweise über Tage/Monate/Jahre durch kleine Leckagen hervorgerufen; es tritt kein kritischer Schaden auf, sondern die Leistungszahl sinkt ab.It is only worthwhile to assess a lack of refrigerant after the stabilization period has elapsed. If there is actually a lack of refrigerant, this is caused by small leaks, for example over days / months / years; there is no critical damage, but the performance figure drops.

Vorzugsweise weist das Kältemittel einen Temperaturglide auf, wobei das Kältemittel insbesondere R454C aufweist oder daraus besteht, und wobei die Kompressionskälteanlage insbesondere einem internen Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel vor Eintritt in den Verdichter enthält. Dies ist insbesondere deshalb einschlägig, da bei Kältekreisen mit R454C regelmäßig leistungsstarke interne Wärmeübertrager zum Einsatz kommen.The refrigerant preferably has a temperature glide, the refrigerant in particular having or consisting of R454C, and where the compression refrigeration system contains in particular an internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant to the refrigerant before it enters the throttle element before it enters the compressor. This is particularly relevant because high-performance internal heat exchangers are regularly used in refrigeration circuits with R454C.

Vorzugsweise weist das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist: Durchführung eines Versuchs einer Kältemittelrückführung in den Verflüssiger durch zeitlich begrenzte Erhöhung des Sollwertes der Verdichterdrehzahl und / oder zeitlich begrenzte Erhöhung des Sollwertes der Verdampferaustrittsüberhitzung.The method preferably also has the following step: Carrying out an attempt to recirculate refrigerant into the condenser by increasing the setpoint value of the compressor speed for a limited time and / or increasing the setpoint value for the evaporator outlet superheating for a limited time.

In dieser bevorzugten Ausführung wird die erkannte Kältemittelmangelsituation versucht aufzulösen. Es muss zwischen zwei grundsätzlich unterschiedlichen Mechanismen, die zu Kältemittelmangel im Verflüssiger führen, unterschieden werden. Bei dem ersten Mechanismus ist durch Leckagen, Undichtigkeiten, etc. in dem System zu wenig Kältemittel vorhanden. Diese Situation kann lediglich über einen händischen Eingriff, das heißt das Wiederbefüllen des Kältekreises mit der benötigten Kältemittelmenge und ein Abdichten des Kältekreises behoben werden.In this preferred embodiment, an attempt is made to resolve the identified refrigerant shortage situation. A distinction must be made between two fundamentally different mechanisms that lead to a lack of refrigerant in the condenser. With the first mechanism, there is too little refrigerant in the system due to leaks, leaks, etc. This situation can only be remedied by manual intervention, i.e. refilling the refrigeration circuit with the required amount of refrigerant and sealing the refrigeration circuit.

Die zweite Situation eines Kältemittelmangels im Verflüssiger wird durch in Komponenten des Kältekreises auskondensiertes Kältemittel hervorgerufen. In bestimmten Arbeitspunkten kann Kältemittel, beispielsweise an tiefliegenden Positionen im Verdampfer, ausfallen und aufgrund geringer Strömungsgeschwindigkeiten sowie der Gravitation nicht mit dem gasförmigen Kältemittel zusammen aus dem Verdampfer austreten. Das Kältemittel bleibt anders ausgedrückt in der Komponente gefangen und steht für den Kreislauf nicht zur Verfügung. Er wurde herausgefunden, dass besonders bei flächenmäßig großen Verdampfern sowie Betriebspunkten mit geringen Leistungsanforderungen, beispielsweise geringen Verdichterdrehzahlen, die Gefahr der Akkumulation von Kältemittel in Komponenten des Kältekreises ansteigt. Bei derartigen Kältemittelmangelsituationen besteht die Möglichkeit, durch die Verlagerung des Arbeitspunktes eine erfolgreiche Rückführung des Kältemittels anzustoßen.The second situation of a lack of refrigerant in the condenser is caused by refrigerant that has condensed out in components of the refrigeration circuit. At certain operating points, refrigerant can fail, for example at low positions in the evaporator, and due to low flow velocities and gravity, it cannot escape from the evaporator together with the gaseous refrigerant. In other words, the refrigerant remains trapped in the component and is not available for the cycle. It was found that the risk of refrigerant accumulation in components of the refrigeration circuit increases, particularly in the case of evaporators with a large area and operating points with low performance requirements, for example low compressor speeds. In such situations where there is a lack of refrigerant, it is possible to initiate a successful return of the refrigerant by shifting the operating point.

Vorzugsweise weist das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist: Generierung eines Fehlerzustandes bei erfolglosem Versuch der Kältemittelrückführung, insbesondere bei mehrfachem erfolglosem Versuch der Kältemittelrückführung, in einer festgelegten Zeitspanne.The method preferably also has the following step: generating an error state in the event of an unsuccessful attempt to recirculate the refrigerant, in particular in the case of multiple unsuccessful attempts to recirculate the refrigerant, in a specified period of time.

Verläuft der Versuch der Kältemittelrückführung ohne Erfolg, ist mit größerer Wahrscheinlichkeit von einer Leckage und einer tatsächlich zu geringen Menge an Kältemittel auszugehen. Lediglich ein manueller Eingriff, der wie oben beschrieben ein Auffüllen von Kältemittel und Abdichten des Kältekreises enthält, ist dann geeignet, den effizienzoptimierten Betrieb wiederherzustellen.If the attempt to recirculate the refrigerant is unsuccessful, it is more likely that there is a leak and that the amount of refrigerant is actually too low. Only a manual intervention, which, as described above, includes topping up the refrigerant and sealing the refrigeration circuit, is then suitable for restoring the efficiency-optimized operation.

Der Fehlerzustand kann vorzugsweise auf einem Gehäuse der Kompressionskälteanlage, beispielsweise in einem Display, angezeigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Fehlerzustand samt weitergehender Diagnoseinformationen an einen Server übertragen und/oder in einer App angezeigt werden. Die Diagnoseinformationen können bei einer Reparatur unterstützen.The fault status can preferably be displayed on a housing of the compression refrigeration system, for example in a display. As an alternative or in addition, the error status including further diagnostic information can be transmitted to a server and / or displayed in an app. The diagnostic information can help with a repair.

In einer Ausführung kann eine feste Zeitdauer und ein fester Wert relativ zum Temperaturgleit eingestellt werden, der angibt, dass in dem Verdampfer eine signifikant zu geringe Energie übertragen wird, was auf eine Kältemittelverlagerung hindeutet. In verschiedenen Arbeitspunkten wird von einem regulärem Überhitzungswert ausgegangen, der auch ins Negative geht, insbesondere basierend auf bekannten, modellbasierte Vorsteuerkennlinien. Basierend auf diesem regulären Überhitzungswert kann erfindungsgemäß bestimmt werden, dass eine Grenze für Kältemittelmangel immer dann erreicht ist, wenn ein Abstand davon einen gewissen Schwellwert, den Temperaturdifferenz-Grenzwert, beispielsweise 1 K oder 2 K, besonders bevorzugt 1,5 K, erreicht ist.In one embodiment, a fixed period of time and a fixed value can be set relative to the temperature glide, which indicates that the energy being transferred in the evaporator is significantly too little, which indicates a shift in refrigerant. At various operating points, a regular overheating value is assumed, which is also negative, in particular based on known, model-based pre-control characteristics. Based on this regular overheating value, it can be determined according to the invention that a limit for refrigerant shortage is always reached when a certain threshold value, the temperature difference limit value, for example 1 K or 2 K, particularly preferably 1.5 K, is reached.

Vorzugsweise erfolgt das Berechnen des Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks des Kältemittels abhängig von dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage.The temperature difference limit value is preferably calculated relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure of the refrigerant as a function of the current operating point of the compression refrigeration system.

Vorzugsweise wird der Temperaturdifferenz-Grenzwert relativ zum berechneten Temperaturgleit proportional zu einer Differenz zwischen Wärmesenkentemperatur und Wärmequellentemperatur eingestellt.The temperature difference limit value is preferably set relative to the calculated temperature glide proportionally to a difference between the heat sink temperature and the heat source temperature.

In dieser Ausführungsform kann der Temperaturdifferenz-Grenzwert demnach auch modellbasiert korrigiert werden, womit die Diagnose eines Kältemittelmangels noch genauer abhängiger von der Betriebssituation bestimmt werden kann. Im regulären Betrieb stattfindende Überhitzungsreduktion in negative Bereiche - die spätestens bei Eintritt in den Verdichter ausgeschlossen werden muss - ist durch die Verwendung eines Rekuperators möglich und geht nah an Bereiche ran, in denen Kältemittelmangel detektiert wird.In this embodiment, the temperature difference limit value can accordingly also be corrected on the basis of a model, with which the diagnosis of a refrigerant deficiency can be determined even more precisely as a function of the operating situation. Overheating reduction in negative areas that takes place in normal operation - which must be excluded at the latest when entering the compressor - is possible through the use of a recuperator and comes close to areas in which a lack of refrigerant is detected.

Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, den Temperaturdifferenz-Grenzwert zusätzlich zum Gleit, der eine physikalische Eigenschaft des Kältemittels ist, auch vom Betriebspunkt des Verdampfers, also der Temperaturkonstellation der Medientemperaturen, abhängig zu gestalten. Liegt eine geringe treibende Temperaturdifferenz vor, wird nur eine geringe negative Überhitzung erwartet, so dass der Temperaturdifferenz-Grenzwert nah an den geringen negativen Überhitzungswert heran gelegt werden kann. Für eine große treibende Temperaturdifferenz, beispielsweise bei hohen Vorlauftemperaturen und/oder niedrigen Wärmequellentemperaturen, ist demnach vorteilhaft, einen größeren Temperaturdifferenz-Grenzwert zu implementierenFor this reason, it is advantageous to make the temperature difference limit value, in addition to sliding, which is a physical property of the refrigerant, also dependent on the operating point of the evaporator, i.e. the temperature constellation of the media temperatures. If there is a small driving temperature difference, only a slight negative overheating is expected, so that the temperature difference limit value can be set close to the low negative overheating value. For a large driving temperature difference, for example at high flow temperatures and / or low heat source temperatures, it is therefore advantageous to implement a larger temperature difference limit value

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Kompressionskälteanlage mit einem Kältemittel, das einen Temperaturgleit aufweist, einem Verdampfer, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Drosselorgan, einem internen Wärmeübertrager, wobei der interne Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels im Hochdruckpfad vor Eintritt in das Drosselorgan an das Kältemittel im Niederdruckpfad vor Eintritt in den Verdichter ausgebildet ist, und einer Steuereinheit gelöst. Die Steuereinheit ist ausgebildet a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels nach Austritt aus dem Verdampfer sowie zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter b) zur Regelung des Drosselorgans mit Hilfe einer auf beiden Überhitzungen basierenden Regelgröße und c) zur Detektion eines Kältemittelmangels zumindest im Verflüssiger.According to the invention, the object is also achieved by a compression refrigeration system with a refrigerant that has a temperature glide, an evaporator, a compressor, a condenser, a throttle element, an internal heat exchanger, the internal heat exchanger for transferring thermal energy of the refrigerant in the high-pressure path before it enters the throttle element is formed on the refrigerant in the low-pressure path before entering the compressor, and released a control unit. The control unit is designed a) to detect overheating of the refrigerant after it leaves the evaporator and to detect overheating of the refrigerant when entering the compressor b) to regulate the throttle element with the aid of a control variable based on both overheating and c) to detect a lack of refrigerant at least in the condenser.

Die Steuereinheit ist ferner ausgebildet zum: Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes des Kältemittels, Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt, Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes, Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter, genannt Verdichtereintrittsüberhitzung, Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung, Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.The control unit is also designed to: calculate a temperature difference between dew point temperature and boiling point temperature, called temperature glide, of the refrigerant at the current operating point of the compression refrigeration system on the basis of a detected low pressure of the refrigerant, calculate a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure of the refrigerant in the current operating point, evaluation of the current evaporator outlet overheating for falling below the temperature difference limit value, provision of a target value for overheating, which is defined as a difference between the temperature of the refrigerant and dew point temperature, when entering the compressor, called compressor inlet overheating, evaluation of the current compressor inlet overheating for exceeding the target value the compressor inlet overheating, detection of a refrigerant shortage situation if both results of the steps of loading are met without interruption for a specified period of time.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß ferner durch eine Wärmepumpe mit einer erfindungsgemäßen Kompressionskälteanlage gelöst.The object is also achieved according to the invention by a heat pump with a compression refrigeration system according to the invention.

Bevorzugte Ausgestaltungen und damit verknüpfte Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind ebenso auf die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage sowie die erfindungsgemäße Wärmepumpe anwendbar.Preferred embodiments and associated advantages of the method according to the invention can also be applied to the compression refrigeration system according to the invention and the heat pump according to the invention.

Die erfindungsgemäße Kompressionskälteanlage eignet sich unabhängig von der Art der Wärmepumpe, beispielsweise Luft-/Wasser-, Sole-/Wasser-Wärmepumpen, und unabhängig von dem Ort der Aufstellung.The compression refrigeration system according to the invention is suitable regardless of the type of heat pump, for example air / water, brine / water heat pumps, and regardless of the location of the installation.

Weitere Vorteile und bevorzugte Ausgestaltungen werden nachfolgend mit Verweis auf die beigefügten Figuren näher beschrieben. Hierbei zeigen:

  • 1 Wärmepumpe 100 mit einem Dampfkompressionskreislauf200
  • 2 log p / h - Diagramm des Dampfkompressionsprozesses mit Rekuperator 250
  • 3 das log p / h - Diagramm der 2 ohne Kältemittelmangel und
  • 4 ein log p / h - Diagramm mit Kältemittelmangel.
Further advantages and preferred configurations are described in more detail below with reference to the accompanying figures. Here show:
  • 1 Heat pump 100 with a vapor compression cycle 200
  • 2 log p / h - diagram of the vapor compression process with recuperator 250
  • 3 the log p / h diagram of the 2 without lack of refrigerant and
  • 4th a log p / h diagram with insufficient refrigerant.

1 zeigt schematisch und exemplarisch eine Wärmepumpe 100. Die Wärmepumpe 100 besteht im Wesentlichen aus einem eine Kompressionskälteanlage bildenden Dampfkompressionssystem 200. 2 zeigt ein beispielhaftes log p / h - Diagramm des Dampfkompressionsprozesses, der den in dem Dampfkompressionssystem 200 ablaufenden Prozess mit eingezeichneten Prozessvariablen abbildet. Das Dampfkompressionssystem 200 enthälft folgende Komponenten:

  • 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 optionalen 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 . 2 FIG. 10 shows an exemplary log p / h diagram of the vapor compression process that occurs in the vapor compression system 200 depicts the running process with the process variables shown. The vapor compression system 200 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 optional 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 is brought to a high pressure HD and to a condenser 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 506und/oder Verdampferaustrittstemperatursensor 508. Zusätzlich oder alternativ kann ein in der 1 nicht gezeigter Verdampfereintrittstemperatursensordie 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 Verdichteter Eintrittstemperatur TVE , was den Zustand der Kältemitteltemperatur am Eintrittsanschluss 211 bei Eintritt in eine Kompressionskammer beschreibt.The compressor 210 serves to compress the superheated refrigerant from an inlet connection 211 to a compressor outlet pressure PVa 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, in particular a high pressure HD, than at the inlet connection 211 with a compressor inlet pressure P Ve , in particular a low pressure LP, at a compressed 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 The 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 the refrigerant under high pressure HD, which is from the condenser 220 to the expansion valve 230 in a high pressure flow direction S HD flows, transferred to the refrigerant flowing under the low pressure LP, which flows from the evaporator to the compressor in a low-pressure flow direction S ND 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 variablem Öffnungsquerschnitt passiert, wobei der Niederdruck vorteilhaft in etwa ein 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 the refrigerant pressure is throttled from high pressure HP to low pressure LP by the refrigerant advantageously passing through a nozzle arrangement or throttle with an advantageously variable opening cross section, the low pressure advantageously being approximately the 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 WärmequellenmedientemperaturTWQ 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. The low pressure is LP at the expansion valve outlet 232 of the refrigerant from the Expansion valve 230 controlled in such a way that the low pressure ND of the refrigerant that is established when the compressor is in operation 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 TVa entsprechend einer Verdampferaustrittstemperatur 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 T Va corresponding to an evaporator outlet temperature 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 TIe 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 Kältemittel 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 recording 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 recording 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 detecting the internal temperature T Ie 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 T FA from the recuperator internal temperature sensor is advantageous 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 LP 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 Tva 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 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 Verdampferaus-tritt 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 man kann sie sehr gut isolieren kann, 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 due to 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 the 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 does not usually occur on the high pressure side. 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 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 fürdie 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 ÜE and the overall efficiency of the vapor compression circuit 200 or between the compressor inlet overheating dT ÜE 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 superheat dT ÜE 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 refrigerant circuit components. In the simplest case, the target value for the compressor inlet superheat dT ÜE 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 dTÜA 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 dTÜE und 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 ÜE and a control deviation of the evaporator outlet superheat dT ÜA are combined with each other, weighted, 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 ÜE = 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 dTÜA 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 ÜE and the weighted influence of the control deviation of the evaporator outlet superheating dT ÜA 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 ÜE 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 overheating dT ÜE, are in the relevant vapor compression circuit 200 the compressor speed and / or the degree of opening of the expansion valve 230 , which also advantageously determines the low pressure LP and the evaporation temperature level.

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 LP and the evaporation temperature level.

Hierbei sind nicht alle Einflüsse gewünscht. So verändert beispielsweise vorteilhaft 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 changes advantageously desired heating output without further compensatory changes in the degree of opening of the expansion valve, the control value R into undesired ranges, so that a model-based, supported change in the degree of opening of the expansion valve for regulating R is advantageous, possibly even necessary, with the change in compressor speed.

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 control the compressor inlet superheating dT ÜE 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 Schrittmotor 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 electrically 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, the corresponding high pressure HD of the refrigerant when entering the expansion valve 230 can be assumed to be constant, affects the degree of opening of the expansion valve 230 relevant only the low pressure LP, 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 passes through the expansion valve at constant high pressure HP and initially still constant low pressure LP 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 LP then drops on the low pressure side of the vapor compression circuit 200 . When the low pressure LP drops, the mass flow of refrigerant through the compressor drops 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 ND is set at which the pressure generated by 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, more refrigerant passes through the expansion valve at constant high pressure HP and initially still constant low pressure LP 230 . Because the compressor 210 but continues to deliver the same refrigerant mass flow initially, the low-pressure side LP of the refrigeration circuit is passed 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 LP increases on the low pressure side of the vapor compression circuit 200 . With increasing low pressure LP, the mass flow rate of the compressor increases 210 roughly proportional, since its delivery rate can be roughly described as volume / time, and a correspondingly increased low pressure LP is set at which the pressure caused by 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 LP in turn significantly influences 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 ND of the refrigerant as a result of the saturation vapor characteristic. Thus, by controlling the low pressure LP or also an evaporation pressure, it is possible to indirectly control the evaporation temperature of the refrigerant as it flows 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 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 eine zugeordnete 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 LP, which the refrigerant exhibits as an assigned function of the 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. In the steady state, a controlled system behavior with moderate steepness results with regard to a control path steepness of the "isolated" controlled system "Evaporator 240".

Das Regelstreckenverhalten ist insbesondere gekennzeichnet durch Regelstreckenausgangswertes Verdampferaustrittsüberhitzung als Funktion des Regelstreckeneingangswertes Expansionsventilöffnungsgrad.The control system behavior is characterized in particular by the control system output value of the evaporator outlet overheating as a function of the control system input value of 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 eingestellt.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 Verfahrschritt 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 travel 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 LP 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 enters the low pressure path of the recuperator at low pressure LP 250 one.

Der Aggregatzustand des Kältemittels beim Einströmen in den Rekuperators 250 ist in einem üblichen Betriebsfall, also vorteilhaft entweder gesättigter Dampf mit einem geringem 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, that is, advantageously either saturated steam with a low steam content between 0 to 20% or, in particular, advantageously also 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 as many surface elements as possible of the transfer layer of the recuperator 250 is greater than the temperature of the refrigerant of the low-pressure side refrigerant path at low pressure LP 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 is from the refrigerant at high pressure HD of 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, the refrigerant flowing through at low pressure LP 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 is advantageously regulated depending 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 LP, and / or
  • • an enthalpy difference in the wet steam area at the respective low pressure LP.

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 sets at low pressure LP.

Im eingeschwungenen Zustand ergibt sich hinsichtlich Regelstreckensteilheit 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 % wird eine Überhitzungsänderung am Austritt des Kältemittels aus dem Verdampfer 230 von vorteilhaft etwa 10 K oder auch über 10 K eingestellt.In the steady state, the steepness of the controlled system results in the "isolated" controlled system at low pressure LP 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 LP path of the recuperator 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 set of advantageously about 10 K or above 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 within the To transfer the refrigeration cycle. 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 LP.
  • • 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.A weighted combination of compressor inlet superheating dT ÜE and that of evaporator outlet superheating dT ÜA is advantageously carried out, in particular by means of a weighted combination of the control deviation of the compressor superheating and the control deviation of the evaporator outlet superheating dT ÜA, the total control deviation is calculated, 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:

  • Schritt 1: Zunächst werden die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE vorteilhaft als Hauptregelgröße und die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA vorteilhaft als Hilfsgröße in einem ersten Verfahrensschritt messtechnisch erfasst.
The compressor inlet overheating dT ÜE 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:
  • step 1 : First, the process variables compressor inlet superheating dT ÜE are advantageously recorded as the main control variable and the evaporator outlet superheating dT ÜA 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 ÜE and the evaporator outlet superheat dT ÜA .

Schritt 2: Die Prozessgrößen Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA werden zur Bildung zugeordneter Regelabweichungen mit jeweils zugeordneten Sollwerten in einem zweiten Schritt vorteilhaft verrechnet:

  • Der Sollwert für die Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE am Verdampferaustritt 242 wird vorteilhaft zur Sicherstellung des zulässigen Verdichtersbetriebsbereiches und eines möglichst hohen Wirkungsgrades des Kältekreises im Bereich zwischen ca. 5 K bis 20 K variiert.
step 2 : The process variables compressor inlet superheating dT ÜE and evaporator outlet superheating dT ÜA are advantageously offset in a second step to form assigned control deviations with the respectively assigned setpoints:
  • The setpoint for the compressor inlet superheat dT ÜE at the evaporator outlet 242 is advantageously varied in the range between approx. 5 K to 20 K to ensure the permissible compressor operating range and the highest possible degree of efficiency of the refrigeration circuit.

Der Sollwert für die Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA 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 am Verdampferaustritt 242 und/oder von Komponenteneigenschaften vorberechnet werden und adaptiv korrigiert werden.The setpoint for the evaporator outlet superheating dT ÜA is then varied depending on 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 superheating dT ÜA . This setpoint for the evaporator outlet superheating dT ÜA can be model-based 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 superheating dT ÜE at the evaporator outlet 242 and / or are precalculated from component properties and corrected adaptively.

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 ÜE from the process value of the compressor inlet superheat dT ÜE.

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

Schritt 3: In einem dritten Verfahrensschritt werden die Regelabweichung der Verdichtereintrittsüberhitzung dTÜE und die Regelabweichung der Verdampferaustrittsüberhitzung dTÜA vorteilhaft zu einer Gesamtregelabweichung-Überhitzung kombiniert.step 3 : In a third process step, the control deviation of the compressor inlet superheating dT ÜE and the control deviation of the evaporator outlet superheating dT ÜA are advantageously combined to form an overall control deviation for 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 Überhitzung =
  • (Gewichtungseinfluss * Regelabweichung Verdichtereintrittsüberhitzung) +
  • ((1 - Gewichtungseinfluss) * Regelabweichung Verdampferaustrittsüberhitzung)
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 overheating dT ÜE in the total control deviation, which means that the following dependency is available for the calculation of the total control deviation results in:
  • Overall control deviation overheating =
  • (Weighting influence * system deviation, compressor inlet overheating) +
  • ((1 - weighting influence) * control deviation evaporator outlet overheating)

Der Wert des Gewichtungseinfluss 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 dTÜA 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 overheating dT ÜA is included in the total control deviation, 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. In particular, this 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 that are characterized by an increased tendency to oscillate advantageously require a lower weighting of the control deviation of the compressor inlet overheating dT ÜE, in particular a control-technically critical signal behavior of the compressor inlet overheating dT ÜE due to the tendency towards the evaporator outlet overheating dT ÜA greater signal delay and greater signal gradient delay and greater signal gradient.

Schritt 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.step 4th : 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, especially 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 das log p/h Diagramm der 2, wobei statt der in 2 gezeigten Prozessvariablen die zugrundeliegenden Prozesse beschrieben sind. Die Prozessvariablen sind zur besseren Erkennbarkeit nicht dargestellt. 3 shows the log p / h diagram of 2 , where instead of the in 2 the underlying processes are described. The process variables are not shown for better visibility.

In einem Schritt 810 wird das Kältemittel in dem Verdichter 210 von Niederdruck ND auf Hochdruck HD verdichtet, wobei sich die Temperatur ebenfalls von der Verdampferaustrittstemperatur TKE auf die Heißgastemperatur THG erhöht.In one step 810 becomes the refrigerant in the compressor 210 compressed from low pressure LP to high pressure HP, the temperature also increasing from the evaporator outlet temperature T KE to the hot gas temperature T HG elevated.

In dem Verflüssiger 220 kommt es unter Abgabe der Heizleistung QH zunächst zu einer Enthitzung in Schritt 820, bevor das Kältemittel anschließend in Schritt 830 verflüssigt wird. Die Verflüssigung wird in dem Verflüssiger 220 vorzugsweise vollständig abgeschlossen.In the condenser 220 it comes with delivery of the heating power Q H first to a desuperheation in step 820 before the refrigerant then goes in step 830 is liquefied. The liquefaction takes place in the liquefier 220 preferably fully completed.

Bei nachfolgendem Durchtritt durch den Rekuperator 250 wird das flüssige Kältemittel in Schritt 850 unterkühlt, bevor es in Schritt 860 in dem Expansionsventil 230 auf den Niederdruck ND entspannt wird.When it subsequently passes through the recuperator 250 becomes the liquid refrigerant in step 850 hypothermic before stepping in 860 in the expansion valve 230 is relaxed to the low pressure LP.

In Schritt 870 wird das flüssige und entspannte Kältemittel im Verdampfer 240 nahezu vollständig verdampft, bevor es im Rekuperator 250 schließlich in Schritt 890 überhitzt wird.In step 870 becomes the liquid and relaxed refrigerant in the evaporator 240 almost completely evaporated before it goes into the recuperator 250 finally in step 890 becomes overheated.

Das überhitzte Kältemittel wird dann wieder in Schritt 810 im Verdichter 210 verdichtet, so dass der Kreisprozess erneut durchlaufen werden kann.The superheated refrigerant is then back in step 810 in the compressor 210 compressed so that the cycle can be run through again.

Im Unterschied dazu wird ein log p / h Diagramm eines Arbeitspunktes mit Kältemittelmangel in 4 gezeigt, wobei gleiche Prozessschritte wie in 3 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet werden.In contrast to this, a log p / h diagram of an operating point with insufficient refrigerant is shown in 4th shown, with the same process steps as in 3 are denoted by the same reference numerals.

Der erste Unterschied tritt in Schritt 830 auf. Die Verflüssigung wird nicht in dem Verflüssiger 220 abgeschlossen, sondern das noch gasförmige Kältemittel tritt in den Rekuperator 250 ein und wird in einem Schritt 840 in dem Rekuperator 250 verflüssigt. Anstatt der Abgabe der Wärmeenergie an das Wärmequellensystem wird die Energie also intern von dem Hochdruck in den Niederdruckpfad übertragen, was die Leistungszahl verringert.The first difference occurs in step 830 on. The liquefaction does not take place in the condenser 220 completed, but the refrigerant, which is still gaseous, enters the recuperator 250 one and is in one step 840 in the recuperator 250 liquefied. Instead of releasing the thermal energy to the heat source system, the energy is transferred internally from the high pressure to the low pressure path, which reduces the coefficient of performance.

Entsprechend wird in Schritt 870 die Verdampfung nicht in dem Verdampfer 240 abgeschlossen. Ein wesentlicher Anteil der Verdampfung findet in einem Schritt 880 erst in dem Rekuperator 250 statt.Correspondingly, in step 870 the evaporation does not occur in the evaporator 240 closed. A significant portion of the evaporation takes place in one step 880 only in the recuperator 250 instead of.

Deutlich sichtbar ist der größere ausgefüllt gezeichnete Pfeil, der den Wärmeübertragungsbetrag in dem Rekuperator 250 darstellt. Je weiter der Pfeil innerhalb des von Siedelinie und Taulinie umschriebenen Bereiches liegt, desto weniger Effizient arbeitet der Kältekreis. Dieser Zustand wird erfindungsgemäß erkannt und, falls möglich, behoben.The larger, filled-in arrow, which shows the amount of heat transfer in the recuperator, is clearly visible 250 represents. The further the arrow lies within the area circumscribed by the boiling line and dew line, the less efficient the refrigeration circuit works. According to the invention, this state is recognized and, if possible, corrected.

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Claims (7)

Verfahren zum Betreiben einer Kompressionskälteanlage (200) mit - einem Kältemittel, das einen Temperaturgleit aufweist, - einem Verdampfer (240), - einem Verdichter (210), - einem Verflüssiger (220), - einem Drosselorgan (230), - einem internen Wärmeübertrager (250), wobei der interne Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels im Hochdruckpfad (HD) vor Eintritt in das Drosselorgan (230) an das Kältemittel im Niederdruckpfad (ND) vor Eintritt in den Verdichter (210) ausgebildet ist, und - einer Steuereinheit (500), wobei die Steuereinheit ausgebildet ist a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels nach Austritt aus dem Verdampfer (240) sowie zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter (210) und b) zur Regelung des Drosselorgans (230) mit Hilfe einer auf beiden Überhitzungen basierenden Regelgröße und c) zur Detektion eines Kältemittelmangels zumindest im Verflüssiger (220), wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes (ND) des Kältemittels, - Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks (ND) des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt, - Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes, - Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter (210), genannt Verdichtereintrittsüberhitzung, - Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung, - Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.Method for operating a compression refrigeration system (200) with - a refrigerant that has a temperature glide, - an evaporator (240), - a compressor (210), - a condenser (220), - a throttle device (230), - An internal heat exchanger (250), the internal heat exchanger being designed to transfer thermal energy of the refrigerant in the high pressure path (HD) before entry into the throttle element (230) to the refrigerant in the low pressure path (LP) before entry into the compressor (210), and - A control unit (500), the control unit being designed a) for detecting overheating of the refrigerant after exiting the evaporator (240) and for detecting overheating of the refrigerant when entering the compressor (210) and b) for regulating the throttle element (230) with the aid of a controlled variable based on both overheating and c) for detecting a lack of refrigerant at least in the condenser (220), the method comprising the following steps: - Calculation of a temperature difference between dew point temperature and boiling point temperature, called temperature glide, of the refrigerant at the current operating point of the compression refrigeration system on the basis of a recorded low pressure (LP) of the refrigerant, - Calculation of a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure (LP) of the refrigerant at the current operating point, - Assessment of the current evaporator outlet overheating for falling below the temperature difference limit value, - Providing a setpoint of superheating, which is defined as a difference between the temperature of the refrigerant and the dew point temperature, when entering the compressor (210), called compressor inlet superheating, - Assessment of the current compressor inlet superheating to determine whether the setpoint for the compressor inlet superheat is exceeded, - Detection of a refrigerant shortage situation when both results of the evaluation steps are met continuously for a specified time. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist: - Durchführung eines Versuchs einer Kältemittelrückführung in den Verflüssiger (220) durch zeitlich begrenzte Erhöhung des Sollwertes der Verdichterdrehzahl und / oder zeitlich begrenzte Erhöhung des Sollwertes der Verdampferaustrittsüberhitzung.Procedure according to Claim 1 The method further comprises the following step: Carrying out an attempt to recirculate refrigerant into the condenser (220) by increasing the setpoint value of the compressor speed for a limited time and / or increasing the setpoint value for the evaporator outlet superheat for a limited time. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren weiter den folgenden Schritt aufweist: - Generierung eines Fehlerzustandes bei erfolglosem Versuch der Kältemittelrückführung, insbesondere bei mehrfachem erfolglosem Versuch der Kältemittelrückführung, in einer festgelegten Zeitspanne.Procedure according to Claim 2 , wherein the method further comprises the following step: Generating an error state in the event of an unsuccessful attempt to recirculate the refrigerant, in particular in the case of multiple unsuccessful attempts to recirculate the refrigerant, in a specified period of time. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Berechnen des Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks des Kältemittels abhängig von dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage erfolgt.Method according to one of the preceding claims, wherein the calculation of the temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the detected low pressure of the refrigerant takes place as a function of the current operating point of the compression refrigeration system. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Temperaturdifferenz-Grenzwert relativ zum berechneten Temperaturgleit proportional zu einer Differenz zwischen Wärmesenkentemperatur und Wärmequellentemperatur eingestellt wird.Procedure according to Claim 4 , wherein the temperature difference limit value is set relative to the calculated temperature glide proportional to a difference between the heat sink temperature and the heat source temperature. Kompressionskälteanlage (200) mit - einem Kältemittel, das einen Temperaturgleit aufweist, - einem Verdampfer (240), - einem Verdichter (210), - einem Verflüssiger (220), - einem Drosselorgan (230), - einem internen Wärmeübertrager (250), wobei der interne Wärmeübertrager zur Übertragung von Wärmeenergie des Kältemittels im Hochdruckpfad (HD) vor Eintritt in das Drosselorgan (230) an das Kältemittel im Niederdruckpfad (ND) vor Eintritt in den Verdichter (210) ausgebildet ist, und - einer Steuereinheit (500), wobei die Steuereinheit ausgebildet ist a) zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels nach Austritt aus dem Verdampfer (240) sowie zur Erfassung einer Überhitzung des Kältemittels bei Eintritt in den Verdichter (210) und b) zur Regelung des Drosselorgans (230) mit Hilfe einer auf beiden Überhitzungen basierenden Regelgröße und c) zur Detektion eines Kältemittelmangels zumindest im Verflüssiger (220), wobei die Steuereinheit ferner ausgebildet ist zum: - Berechnen einer Temperaturdifferenz zwischen Taupunkttemperatur und Siedepunkttemperatur, genannt Temperaturgleit, des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt der Kompressionskälteanlage auf Grundlage eines erfassten Niederdruckes (ND) des Kältemittels, - Berechnen eines Temperaturdifferenz-Grenzwertes relativ zum berechneten Temperaturgleit des erfassten Niederdrucks (ND) des Kältemittels in dem aktuellen Arbeitspunkt, - Bewerten der aktuellen Verdampferaustrittsüberhitzung auf Unterschreitung des Temperaturdifferenz-Grenzwertes, - Bereitstellen eines Sollwertes einer Überhitzung, die als eine Differenz zwischen Temperatur des Kältemittels und Taupunkttemperatur definiert ist, bei Eintritt in den Verdichter (210), genannt Verdichtereintrittsüberhitzung, - Bewerten der aktuellen Verdichtereintrittsüberhitzung auf Überschreitung des Sollwertes der Verdichtereintrittsüberhitzung, - Erkennen einer Kältemittelmangelsituation, wenn beide Ergebnisse der Schritte des Bewertens für eine festgelegte Zeit ununterbrochen erfüllt sind.Compression refrigeration system (200) with - a refrigerant which has a temperature glide, - an evaporator (240), - a compressor (210), - a condenser (220), - a throttle element (230), - an internal heat exchanger (250), wherein the internal heat exchanger is designed for the transfer of thermal energy of the refrigerant in the high pressure path (HD) before entry into the throttle element (230) to the refrigerant in the low pressure path (LP) before entry into the compressor (210), and - a control unit (500), wherein the control unit is designed a) to detect overheating of the refrigerant after exiting the evaporator (240) and to detect overheating of the refrigerant when entering the compressor (210) and b) to regulate the throttle element (230) with the aid of a control variable based on both overheating and c) for detecting a lack of refrigerant at least in the condenser (220), the control unit also being designed to: calculate a temperature ature difference between dew point temperature and boiling point temperature, called temperature glide, of the refrigerant in the current working point of the compression refrigeration system on the basis of a recorded low pressure (LP) of the refrigerant, - Calculation of a temperature difference limit value relative to the calculated temperature glide of the recorded low pressure (LP) of the refrigerant in the current working point - Assessment of the current evaporator outlet overheating for falling below the temperature difference limit value, - Provision of a setpoint value for overheating, which is expressed as a difference between the temperature of the Refrigerant and dew point temperature is defined, when entering the compressor (210), called compressor inlet overheating, - Assessment of the current compressor inlet overheating for exceeding the setpoint of the compressor inlet overheating, - Detection of a refrigerant shortage situation if both results of the evaluation steps are met continuously for a specified time. Wärmepumpe mit einer Kompressionskälteanlage nach Anspruch 6.Heat pump with a compression refrigeration system Claim 6 .
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