DE102020130541B3

DE102020130541B3 - Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102020130541B3
Application number: DE102020130541.9A
Authority: DE
Inventors: Christopher Wrede; Ulrich Hafner
Original assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Current assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Priority date: 2020-11-19
Filing date: 2020-11-19
Publication date: 2022-01-27
Anticipated expiration: 2040-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, bei dem ein Kältemittel mit einem Verdichter (1) durch einen Kältekreislauf (2) gefördert wird, bei dem eine Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältekreislauf (2) mit einem Umschaltventil (3) eingestellt wird, bei dem ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter (1) nachgeschalteter Teil des Kältekreislaufes (2) als Hochdruckseite betrieben wird und bei dem ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter (1) vorgeschalteter Teil des Kältekreislaufs (2) als Niederdruckseite betrieben wird. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass das Umschaltventil (3) nach Abschalten des Verdichters (1) erst dann umgeschaltet wird, wenn eine tatsächliche Druckdifferenz zwischen der Hoch- und Niederdruckseite des Kältekreislaufes (2) betragsmäßig wahlweise gleich einer vordefinierten oder geringer als eine vordefinierte Druckdifferenz ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art ist aus dem Patentdokument EP 3 026 364 B1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird ein Kältemittel mit einem Verdichter durch einen Kältekreislauf gefördert, eine Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältekreislauf mit einem Umschaltventil eingestellt, ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter nachgeschalteter Teil des Kältekreislaufes als Hochdruckseite und ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter vorgeschalteter Teil des Kältekreislaufs als Niederdruckseite betrieben. Bei dieser Lösung ist ferner vorgesehen, dass eine Betätigung des Umschaltventils nach dem Stoppen des Verdichters erst nach einem vordefinierten Zeitraum erfolgt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art zu verbessern. Insbesondere soll ein einerseits die Betriebssicherheit bzw. Lebensdauer und andererseits die Dynamik (Einsatzbereitschaft) der Wärmepumpe verbesserndes Verfahren geschaffen werden.
Diese Aufgabe ist mit einem Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass das Umschaltventil nach Abschalten des Verdichters erst dann umgeschaltet wird, wenn eine tatsächliche Druckdifferenz zwischen der Hoch- und Niederdruckseite des Kältekreislaufes betragsmäßig wahlweise gleich einer vordefinierten oder geringer als eine vordefinierte Druckdifferenz ist. Unter „umschalten“ ist dabei vorzugsweise ein Wechsel von einem bestromten zu einem unbestromten Zustand (oder umgekehrt) des Umschaltventils zu verstehen.
Mit anderen Worten zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe somit dadurch aus, dass nicht einfach, wie beim eingangs genannten Stand der Technik, eine gewisse Zeit nach dem Abschalten des Verdichters abgewartet wird, sondern, dass genau dann bereits umgeschaltet werden kann bzw. wird, wenn ein gewisser Druckausgleich zwischen der Hoch- und der Niederdruckseite stattgefunden hat. Die verwendete Maßgabe „gleich einer oder geringer als eine“ berücksichtigt dabei die Möglichkeit, dass die Umschaltung wahlweise genau bei Erreichen der vordefinierten Druckdifferenz oder bei Unterschreitung der vordefinierten Druckdifferenz erfolgt. Die erfindungsgemäße Lösung führt dabei wahlweise zu einer verkürzten Wartezeit nach dem Abschalten des Verdichters, was zu einer Stromersparnis führt, wenn das Umschaltventil in der vorangegangenen Betriebsweise bestromt betrieben wurde, bzw. stellt jedenfalls sicher, dass nicht zu früh umgeschaltet wird, was zur Folge hätte, dass es zu einer Verlagerung von nennenswerten Mengen an Kältemittel in den sogenannten Verdichtersumpf käme, was wiederum zu einem unerwünschten Absinken der Ölsumpftemperatur, damit gegebenenfalls zu einer Verschlechterung der Schmierung des Verdichters und damit eventuell Verkürzung seiner Lebensdauer führen würde.
Andere vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betrieb einer Wärmepumpe ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Es sei des Weiteren noch auf die Dokumente DE 60 2005 002 884 T2 , EP 0 840 071 A2 , WO 2019/064 248 A1 und US 2004/0 060 308 A1 verwiesen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe einschließlich seiner vorteilhaften Weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigt

1 schematisch einen Kältekreislauf mit Umschaltventil zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, bei dem ein Kältemittel mit einem Verdichter 1 durch einen Kältekreislauf 2 gefördert wird, bei dem eine Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältekreislauf 2 mit einem Umschaltventil 3 eingestellt wird, bei dem ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter 1 nachgeschalteter Teil des Kältekreislaufes 2 als Hochdruckseite betrieben wird und bei dem ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter 1 vorgeschalteter Teil des Kältekreislaufs 2 als Niederdruckseite betrieben wird. Wie üblich bei solchen Kältekreisläufen ist dabei auch im vorliegenden Fall die Hochdruckseite insbesondere über eine Expansionseinrichtung 6 von der Niederdruckseite getrennt.
Wesentlich für die Erfindung ist nun, dass das Umschaltventil 3 nach Abschalten des Verdichters 1 erst dann umgeschaltet wird, wenn eine tatsächliche Druckdifferenz zwischen der Hoch- und Niederdruckseite des Kältekreislaufes 2 betragsmäßig wahlweise gleich einer vordefinierten Druckdifferenz oder geringer als eine vordefinierte Druckdifferenz ist.
Dabei ist bevorzugt, dass das Umschaltventil 3 wahlweise im Heizbetrieb bestromt und im Kühlbetrieb unbestromt (oder bei Bedarf auch umgekehrt) betrieben wird. Weiterhin ist bevorzugt, dass die vordefinierte Druckdifferenz zwischen 1 bis 5 bar, vorzugsweise zwischen 2 bis 4 bar, besonders bevorzugt 3 bar, beträgt. Hierdurch ist gewährleistet, dass die Mindestdruckdifferenz zum Umschalten des Umschaltventils 3 nicht unterschritten wird. Gleichzeitig ist dieser Wert aber auch noch hoch genug, dass dieser unter Berücksichtigung einer Messungenauigkeit der Drucksensoren 2.1, 2.2 noch zuverlässig gemessen werden kann.
Zudem wird (wie in 1 dargestellt) die tatsächliche Druckdifferenz vorzugsweise über jeweils einen auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite angeordneten Drucksensor 2.1, 2.2 ermittelt.
Des Weiteren ist bevorzugt, dass als Verdichter 1 ein sauggasgekühlter Verdichter, bei dem sich der Verdichtersumpf im Niederdruckbereich des Kältekreislaufs 2 befindet, verwendet wird.
Ebenso ist bevorzugt, dass als Umschaltventil 3 ein 4-2-Wegeventil verwendet wird. Dies ermöglicht es, in einfacher Weise vom Heizbetrieb in den Kühlbetrieb, oder umgekehrt, der Wärmepumpe zu wechseln, ohne dass der Verdichter seine Betriebsrichtung ändern muss. Besonders bevorzugt ist dabei ein sogenannte pilotgesteuertes 4/2-Wegeventil vorgesehen, bei dem eine Mindestdruckdifferenz zum Schalten benötigt und die Zuhaltekraft im stromlosen Zustand im Grunde durch das Kältemittel selbst erzeugt wird.
Schließlich ist bevorzugt, dass das Kältemittel vom Verdichter 1 kommend und von diesem nacheinander durch einen ersten Strömungspfad 3.1 des Umschaltventils 3, durch einen Kondensator 5, durch eine Expansionseinrichtung 6, durch einen Verdampfer 7, durch einen zweiten Strömungspfad 3.2 des Umschaltventils 3 und zurück zum Verdichter 1 gefördert wird. In Bezug auf 1 ist dabei zu beachten, dass je nach Betriebsmodus der Wärmepumpe (Heiz- bzw. Kühlbetrieb) mal der eine und mal der andere dargestellte Wärmeübertrager als Kondensator 5 oder als Verdampfer 7 betrieben wird. Es ist dabei stets jener Wärmeübertrager der Kondensator 5, der vom Verdichter 1 aus in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen zuerst vom Kältemittel durchströmt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren funktioniert gemäß der dargestellten Ausführungsform wie folgt:

Ausgangspunkt sei die Wärmepumpe im Kühlbetrieb. Dabei ist das Umschaltventil 3 bestromt und ermöglicht es dem Kältemittel von der Hochdruckseite des Kältekreislaufs 2 aus aus dem Verdichter 1 auszutreten, um dann den Kältekreislauf 2 in einer ersten Umlaufrichtung zu durchströmen und auf der Niederdruckseite wieder in den Verdichter 1 einzutreten. Soll nun der Kühlbetrieb beendet werden, so wird der Verdichter 1 angehalten und in der Folge zum einen der Druck auf der Hochdruckseite des Kältekreislaufes 2 mit dem Drucksensor 2.1 gemessen und zum anderen der Druck auf der Niederdruckseite des Kältekreislaufes 2 mit dem Drucksensor 2.2 gemessen. Nun wird vorzugsweise über eine elektronische Wärmepumpenregelung die Differenz aus den beiden Druckwerten ermittelt. Sofern diese Druckdifferenz die vordefinierten Druckdifferenz noch nicht erreicht hat, bleibt das Umschaltventil 3 bestromt und die beiden Drücke werden weiter gemessen und ihre Differenz mit der vordefinierten Druckdifferenz verglichen. Sobald aber die vordefinierte Druckdifferenz erreicht (oder wahlweise unterschritten) wird, wird die Bestromung des Umschaltventils 3 abgeschaltet. Dieses wechselt daraufhin automatisch in die Position für die andere Betriebsposition um, ohne weiter Strom zu verbrauchen.

Durch dieses Umschalten wird effektiv das Risiko für das Eindringen größerer Mengen von Kältemittel in den Verdichtersumpf reduziert und somit die Lebensdauer der Wärmepumpe verlängert.
Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Kältekreislauf
2.1: Drucksensor
2.2: Drucksensor
3: Umschaltventil
3.1: erster Strömungspfad
3.2: zweiter Strömungspfad
5: Kondensator
6: Expansionseinrichtung
7: Verdampfer

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, bei dem ein Kältemittel mit einem Verdichter (1) durch einen Kältekreislauf (2) gefördert wird, bei dem eine Strömungsrichtung des Kältemittels im Kältekreislauf (2) mit einem Umschaltventil (3) eingestellt wird, bei dem ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter (1) nachgeschalteter Teil des Kältekreislaufes (2) als Hochdruckseite betrieben wird und bei dem ein in Strömungsrichtung des Kältemittels gesehen dem Verdichter (1) vorgeschalteter Teil des Kältekreislaufs (2) als Niederdruckseite betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (3) nach Abschalten des Verdichters (1) erst dann umgeschaltet wird, wenn eine tatsächliche Druckdifferenz zwischen der Hoch- und Niederdruckseite des Kältekreislaufes (2) betragsmäßig wahlweise gleich einer vordefinierten oder geringer als eine vordefinierte Druckdifferenz ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (1) vor dem Umschalten des Umschaltventils (3) abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (3) wahlweise im Heizbetrieb bestromt und im Kühlbetrieb unbestromt oder umgekehrt betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vordefinierte Druckdifferenz zwischen 1 bis 5 bar, vorzugsweise zwischen 2 bis 4 bar, besonders bevorzugt 3 bar, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die tatsächliche Druckdifferenz über jeweils einen auf der Hochdruckseite und auf der Niederdruckseite angeordneten Drucksensor (2.1, 2.2) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichter (1) ein sauggasgekühlter Verdichter verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Umschaltventil (3) ein 4-2-Wegeventil verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel vom Verdichter (1) kommend und von diesem nacheinander durch einen ersten Strömungspfad (3.1) des Umschaltventils (3), durch einen Kondensator (5), durch eine Expansionseinrichtung (6), durch einen Verdampfer (7), durch einen zweiten Strömungspfad (3.2) des Umschaltventils (3) und zurück zum Verdichter (1) gefördert wird.