DE102020215669A1

DE102020215669A1 - Verfahren zum betreiben einer wärmepumpe

Info

Publication number: DE102020215669A1
Application number: DE102020215669.7A
Authority: DE
Inventors: Egbert Tippelt; Christoph Meyer; Christian Berreth
Original assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Current assignee: Viessmann Climate Solutions SE
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2022-06-15
Also published as: US20240102670A1; CN116568967A; WO2022122581A1; EP4259978A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (1) angegeben, die Wärme auf ein fluides Wärmeträgermedium überträgt, das in einem Heizkreis zirkuliert. eine Außentemperatur wird erfasst. wenn die Außentemperatur höher als eine Grenztemperatur ist, werden eine Laufzeit eines elektrischen Heizstabs (2) der Wärmepumpe (1) und/oder einer vom Heizstab (2) verbrauchten Energie erfasst. Wenn die Laufzeit innerhalb eines festgelegten Zeitraums einen ersten Grenzwert überschreitet und/oder die vom Heizstab (2) im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie einen zweiten Grenzwert überschreitet, wird eine Meldung ausgegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Heizstab. Insbesondere soll durch das Verfahren verhindert werden, dass der Heizstab der Wärmepumpe ungewollt in Betrieb ist, wenn eine Außentemperatur über einer Grenztemperatur liegt. Hierdurch können ein unnötig hoher Energieverbrauch und entsprechend hohe Kosten vermieden werden.
Um Kosten zu sparen, werden Wärmepumpen, die zum Heizen eines Gebäudes und/oder zur Warmwasserbereitung verwendet werden, in der Regel nicht für die übers Jahr absolut tiefst möglichen Temperaturen an einem bestimmten Ort ausgelegt. Stattdessen weisen Wärmepumpen häufig einen elektrischen Heizstab auf, um zusätzliche Heizleistung zur Verfügung zu stellen, wenn die Wärmepumpe alleine eine geforderte Heizleistung nicht mehr liefern kann. Dies kann insbesondere bei sehr tiefen Außentemperaturen der Fall sein. Insbesondere Luft-Wasser-Wärmepumpen arbeiten bei besonders tiefen Außentemperaturen weniger effizient.
Ein elektrischer Heizstab arbeitet im Vergleich zur Wärmepumpe wenig effizient und kann aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie im Idealfall nur eine Kilowattstunde Wärmeenergie erzeugen. Die Wärmepumpe dagegen hat eine deutlich höhere Effizienz und kann je nach Außenbedingungen beispielsweise 3 bis 4 Kilowattstunden Wärmeenergie aus einer Kilowattstunde elektrischer Energie erzeugen. Ein langer Betrieb des Heizstabes ist daher aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten unerwünscht und soll möglichst vermieden werden. Der Heizstab soll insbesondere nur dann betrieben werden, wenn die Wärmepumpe alleine nicht ausreichend Heizleistung liefern kann.
Andererseits kann ein langer und/oder häufiger Betrieb eines Heizstabs einen Hinweis darauf liefern, dass die Wärmepumpe oder ein anderer Teil eines Heizsystems mit Wärmepumpe defekt ist und/oder Wartung benötigt. Um einen effizienten und wirtschaftlichen Betrieb eines Heizsystems mit Wärmepumpe zu gewährleisten ist es somit wünschenswert, einen langen und/oder häufigen Betrieb des Heizstabs sicher und schnell zu erkennen, um entsprechende Gegenmaßnahmen ergreifen zu können.
Eine Wärmepumpe mit zusätzlichem elektrischem Heizelement wird beispielsweise in der DE 699 25 389 T2 beschrieben. Liegt die Außentemperatur unter einem Grenzwert wird das zusätzliche elektrische Heizelement aktiviert, um eine Zuführluft der Wärmepumpe zu erwärmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe. Die Lösung der Aufgabe gelingt durch das Verfahren nach Anspruch 1. Weitere Aspekte der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und der Zeichnungen.
Eine erfindungsgemäße Wärmepumpe überträgt Wärme auf ein fluides Wärmeträgermedium, das in einem Heizkreis zirkuliert. Das fluide Wärmeträgermedium kann insbesondere Wasser sein. Der Heizkreis kann insbesondere als System von Rohren bzw. Leitungen, in denen das Wärmeträgermedium zirkuliert, ausgebildet sein. Im Heizkreis kann zudem eine Vielzahl von Heizkörpern zum Übertragen der Wärme vom Wärmeträgermedium auf eine Raumluft angeordnet sein.
Der Heizkreis kann in mehr als einen hydraulischen Kreis unterteilt sein, die zum Beispiel nach Heizzweck getrennt sind. So kann sich beispielsweise der Vorlauf ausgehend von der Wärmepumpe in zwei oder mehr Vorlaufleitungen verzweigen. Ein erster Vorlauf kann zum Heizen von Räumen, zum Beispiel über Radiatoren oder eine Fußbodenheizung vorgesehen ein. Ein zweiter Vorlauf kann für Warmwasser vorgesehen sein, also beispielsweise zu Wasserhähnen im Gebäude führen, an denen Warmwasser gezapft werden kann. Alternativ kann ein Vorlauf von der Wärmepumpe zu einem Trinkwarmwasserspeicher führen, wo das von der Wärmepumpe erhitzte Wärmeträgermedium Wärme auf Trinkwasser übertragen kann. Hierbei kann das Wärmeträgermedium von der Wärmepumpe in einem geschlossenen Kreislauf zirkulieren.
Der Heizkreis kann ferner einen Wärmespeicher, beispielsweise einen Warmwasserspeicher umfassen. Die Wärmepumpe, eine Regeleinrichtung der Wärmepumpe, der Heizkreis, der Wärmespeicher und die Heizkörper bilden ein Heizsystem zum Bereitstellen von Wärme, beispielsweise zum Heizen eines Gebäudes. Der Warmwasserspeicher kann insbesondere im zweiten Vorlauf angeordnet sein. Der Warmwasserspeicher kann beispielsweise ein wie oben beschriebener Trinkwarmwasserspeicher sein.
Das Heizsystem umfasst vorzugsweise einen Außentemperatursensor zum Erfassen einer Außentemperatur des Gebäudes. Die Wärmepumpe weist einen elektrischen Heizstab zum Übertragen von Wärme auf das fluide Wärmeträgermedium auf. Die Regeleinrichtung dient zum Regeln eines Betriebszustands der Wärmepumpe und des Heizstabs. Die Regeleinrichtung ist konfiguriert, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der Wärmepumpe auszuführen.
Die Regeleinrichtung kann konfiguriert sein, eine Speichertemperatur des Wärmespeichers in Abhängigkeit der erfassten Laufzeit des Heizstabs und/oder der vom Heizstab verbrauchten Energie und in Abhängigkeit des ersten und zweiten Grenzwerts einzustellen.
Das Erfassen einer Außentemperatur kann insbesondere durch einen Außentemperatursensor erfolgen. Alternativ kann die Außentemperatur auch auf andere Weise erfasst werden. Beispielsweise kann die Außentemperatur über ein Netzwerk von einem Server empfangen werden oder von einer sonstigen externen Einrichtung an die Regeleinrichtung der Wärmepumpe übertragen werden.
Wenn die Außentemperatur höher als eine Grenztemperatur ist, wird eine Laufzeit des elektrischen Heizstabs der Wärmepumpe erfasst, beispielsweise durch die Regeleinrichtung. Die Grenztemperatur kann beispielsweise in Abhängigkeit einer geographischen Position des Gebäudes vorgegeben werden. Die Grenztemperatur kann insbesondere einer Auslegungstemperatur der Wärmepumpe entsprechen. Üblicherweise kann die Wärmepumpe so ausgelegt werden, dass ein effizienter Betrieb an den meisten Tagen eines Jahres möglich ist. Um eine teure Überdimensionierung der Wärmepumpe zu vermeiden, kann die Wärmepumpe so ausgelegt werden, dass an den kältesten Tagen eines Jahres mit sehr niedriger Außentemperatur ein Effizienzverlust der Wärmepumpe in Kauf genommen wird. Fällt die Außentemperatur unter die Grenztemperatur kann der elektrische Heizstab zusätzliche Heizleistung bereitstellen.
Die Grenztemperatur ist in der Regel eine Temperatur unter dem Nullpunkt und kann insbesondere veränderbar sein. Beispielsweise kann die Grenztemperatur in einem Bereich zwischen -15°C und -5°C liegen. Wenn die Außentemperatur über der Grenztemperatur liegt, soll ein Betrieb des Heizstabs nicht stattfinden. Wird der Heizstab trotzdem betrieben, kann dies ein Hinweis auf einen Defekt oder verringerte Effizienz der Wärmepumpe sein.
Die Laufzeit des Heizstabs kann beispielsweise in Sekunden, Minuten oder Stunden erfasst werden. Mit Laufzeit des Heizstabs ist eine integrierte Zeitdauer gemeint, während der der Heizstab in Betrieb ist, also elektrische Energie verbraucht bzw. in Wärmeenergie umwandelt. Insbesondere wird eine Laufzeit pro Tag bzw. pro 24 Stunden erfasst. Darüber hinaus können auch jeweils eine Laufzeit pro Woche, pro Monat, pro Jahr und/oder insgesamt ab Inbetriebnahme der Wärmepumpe und/oder ab einem letzten Wartungstermin der Wärmepumpe erfasst werden.
Die Laufzeit des Heizstabs wird vorzugsweise zusammen mit einer jeweiligen Uhrzeit des Betriebs des Heizstabs erfasst. So kann später ausgewertet werden, zu welchen Uhrzeiten der Heizstab verwendet wird, und ob es bestimmte Uhrzeiten gibt, zu denen der Heizstab besonders häufig in Betrieb ist. Beispielsweise kann nach einer Nachtabsenkung ein zu schnelles Aufheizen dazu führen, dass der Heizstab zur Unterstützung der Wärmepumpe eingeschaltet wird, um einen Sollwert zu erreichen.
Wenn die Außentemperatur höher als die Grenztemperatur ist kann eine vom Heizstab verbrauchte Energie erfasst werden, beispielsweise durch die Regeleinrichtung. Die verbrauchte Energie kann auch durch Erfassen der aufgenommenen Leistung und der Laufzeit und Bilden des Produkts bestimmt werden.
Für die Laufzeit innerhalb eines festgelegten Zeitraums wird ein erster Grenzwert festgelegt. Beispielsweise kann eine maximale Laufzeit in einem festgelegten Zeitraum von einem Tag bzw. innerhalb von 24 Stunden festgelegt werden. Der erste Grenzwert kann insbesondere variabel sein und in Abhängigkeit verschiedener Faktoren wie beispielsweise der Jahreszeit oder eines Heizzwecks festgelegt werden. Beispielsweise kann eine tägliche maximale Laufzeit von mehreren Minuten oder wenigen Stunden festgelegt werden, insbesondere in einem Bereich von 15 Minuten bis 2 Stunden.
Für die im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie wird ein zweiter Grenzwert festgelegt. Somit kann insbesondere überwacht werden, ob die an einem Tag bzw. innerhalb von 24 Stunden verbrauchte Energie den zweiten Grenzwert überschreitet. Ziel ist es zu verhindern bzw. zu erkennen, dass der Heizstab mehr als eine erlaubte Energiemenge verbraucht. Im Vergleich zur Überwachung nur der Laufzeit alleine kann somit zuverlässig ein ungewünschter Betrieb des Heizstabs erkannt werden. Ein beispielhafter Bereich für den zweiten Grenzwert kann zwischen 1 und 5 kWh am Tag liegen, insbesondere kann der zweite Grenzwert 3 kWh an einem Tag betragen.
Wenn der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert überschritten wird/werden, wird eine Meldung ausgegeben. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn nur bei Überschreitung beider Grenzwerte eine Meldung ausgegeben wird. Es kann in bestimmten Fällen wünschenswert sein, über einen kurzen Zeitraum eine hohe Leistungsaufnahme des Heizstabs zu tolerieren. Dies kann beispielsweise dann der Fall sein, wenn kurzfristig eine große Menge an heißem Wasser benötigt wird, zum Beispiel beim Füllen einer Badewanne oder dergleichen. Ein solcher kurzfristiger Bedarf an Warmwasser kann nämlich unter Umständen von der Wärmepumpe alleine nicht erfüllt werden. Der oben genannte „kurze Zeitraum“ ist insbesondere nicht länger als eine Stunde, vorzugsweise nicht länger als eine halbe Stunde und besonders vorzugsweise nicht länger als 15 Minuten. Befindet sich die Wärmepumpe in einem Notbetriebszustand, kann auf die Ausgabe der Meldung verzichtet werden.
Die Meldung kann insbesondere ein Warnhinweis sein, um einen Benutzer der Wärmepumpe darauf aufmerksam zu machen, dass der Heizstab länger und/oder mit höherem Energieverbrauch als erlaubt bzw. gewünscht in Betrieb ist bzw. war. Als Benutzer kann im Folgenden insbesondere auch eine mit der Wartung der Wärmepumpe bzw. eine für den Betrieb des Heizsystems beauftragte und/oder verantwortliche Person oder dergleichen verstanden werden, wie zum Beispiel ein Heizungstechniker oder Heizungsinstallateur.
Ferner kann die Meldung eine beliebige Ausgabe sein, die elektronisch weiterverarbeitet werden kann, um beispielsweise einen regelungstechnischen Eingriff vorzunehmen. Hierzu kann die Meldung beispielsweise über das Netzwerk an den Server oder eine Cloud übertragen werden. Die Meldung kann insbesondere eine Vielzahl von Daten über den Betriebszustand der Wärmepumpe und/oder den Heizstab umfassen, so dass diese Daten im Server oder in der Cloud gespeichert und/oder weiterverarbeitet werden können, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Der regelungstechnische Eingriff kann in Reaktion auf die Meldung von der Regeleinrichtung automatisch vorgenommen oder vorgeschlagen werden, so dass er erst nach Bestätigen durch einen Benutzer vorgenommen wird. Alternativ kann die Meldung den Vorschlag für den regelungstechnischen Eingriff bereits umfassen. So kann in vorteilhafter Weise ein mögliches Problem der Wärmepumpe zusammen mit einer geeigneten Lösung für das Problem gemeldet werden.
Der regelungstechnische Eingriff kann beispielsweise ein Absenken der Wärmespeicher-Solltemperatur umfassen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Leistung der Wärmepumpe nicht ausreicht, um die Wärmespeicher-Solltemperatur zu erreichen.
Der regelungstechnische Eingriff kann ein Erhöhen der Wärmespeicher-Solltemperatur umfassen. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Leistung der Wärmepumpe ausreicht, um die Wärmespeicher-Solltemperatur zu überschreiten. Ferner kann eine Bevorratung von Warmwasser im Wärmespeicher für einen hohen Bedarf (beispielsweise zum Füllen einer Badewanne) vorgesehen sein.
Der regelungstechnische Eingriff kann beinhalten, dass eine Nachtabsenkung angepasst wird. Die Nachtabsenkung kann bedeuten, dass eine Solltemperatur (z.B. des Vorlaufs und/oder des Wärmespeichers) über Nacht reduziert wird. Durch die Nachtabsenkung kann somit über Nacht Energie gespart werden. Ein weniger starkes Reduzieren der Solltemperatur(en) über Nacht kann jedoch den Vorteil haben, dass am Morgen ein geringerer Betrieb der Wärmepumpe ausreicht, um die Solltemperatur(en) am Tag wieder zu erreichen. Insbesondere bei tiefen Außentemperaturen kann dann ein Betrieb des Heizstabs reduziert werden.
Der regelungstechnische Eingriff kann ein Anpassen der Heizzeiten (bzw. Betriebszeiten) beinhalten. Wenn beispielsweise erkannt wird, dass der Heizstab regemäßig in den Morgenstunden zum Aufheizen verwendet wird (siehe Nachtabsenkung), kann ein früherer Zeitpunkt zum Starten eines Aufheizvorgangs durch die Wärmpumpe eingestellt werden, so dass die Solltemperatur(en) zu einem vorgegebenen Zeitpunkt auch ohne (oder mit geringerer) Hilfe des Heizstabs erreicht werden kann.
Der regelungstechnische Eingriff kann beinhalten, dass eine Heizkurve (also eine Abhängigkeit der Vorlaufsolltemperatur von der Außentemperatur) angepasst wird. Hierbei kann eine Steigung und/oder eine Parallelverschiebung der Heizkurve angepasst werden.
Der Warnhinweis kann von einer Regeleinrichtung der Wärmepumpe an ein Endgerät des Benutzers ausgegeben werden, insbesondere ein mobiles Endgerät wie zum Beispiel ein Smartphone, ein Tablet, ein Laptop oder ein sonstiges dafür geeignetes Gerät. Das Endgerät kann den Warnhinweis insbesondere über ein Netzwerk, beispielsweise das Internet, empfangen. Der Warnhinweis kann zusätzlich oder stattdessen über eine Anzeigeeinrichtung der Regeleinrichtung angezeigt werden.
Die Meldung bzw. der Warnhinweis können vorteilhaft dazu verwendet werden, einen ungewünschten Betriebszustand der Wärmepumpe zu vermeiden. Insbesondere kann anhand des Warnhinweises festgestellt werden, dass der Heizstab den ersten und/oder den zweiten Grenzwert überschritten hat. Entsprechend können dann geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden. Beispielsweise kann der Warnhinweis ein Hinweis dafür sein, dass die Wärmepumpe ineffizient arbeitet und eine Wartung der Wärmepumpe durchgeführt werden sollte.
Die Regeleinrichtung der Wärmepumpe regelt und/oder steuert die Wärmepumpe insbesondere in Abhängigkeit eines oder mehrerer Parameter, wie zum Beispiel einer Vorlaufsolltemperatur, einer Wärmespeicher-Solltemperatur, der Außentemperatur und dergleichen. Die Regeleinrichtung kann die Parameter von einer externen Vorrichtung beispielsweise über ein Netzwerk empfangen. Die Parameter zum Regeln und/oder Steuern der Wärmepumpe können aber auch vorprogrammiert bzw. in einer lokalen Speichereinrichtung gespeichert sein. Ferner kann die Wärmepumpe mittels einer Heizkurve gesteuert werden. Insbesondere für einen Notbetrieb sind Betriebsparameter in der Regeleinrichtung hinterlegt.
Die erfassten Werte der Außentemperatur und/oder der Laufzeit des Heizstabs und/oder der vom Heizstab verbrauchten Energie und/oder der erste Grenzwert und/oder zweite Grenzwert und/oder Regelparameter der Wärmepumpe können von der Regeleinrichtung der Wärmepumpe über das Netzwerk an die Cloud und/oder den Server übertragen werden. Diese Übertragung der Werte kann unabhängig von der oben beschriebenen Meldung erfolgen. Die Übertragung kann beispielsweise in regelmäßigen Zeitintervallen erfolgen, so dass eine Zeitreihe von Daten im Server und/oder der Cloud verfügbar wird.
Die Cloud und/oder der Server können die übertragenen Daten und Werte weiterverarbeiten und insbesondere in Abhängigkeit des ersten Grenzwerts und des zweiten Grenzwerts auswerten. Hierbei kann beispielsweise auch maschinelles Lernen angewendet werden, beispielsweise um frühzeitig eine Abnahme der Effizienz der Wärmepumpe zu erkennen bzw. vorauszusagen. Entsprechend kann die Meldung auch vom Server erzeugt und ausgegeben werden.
Wenn die Laufzeit innerhalb des festgelegten Zeitraums den ersten Grenzwert überschreitet und/oder die vom Heizstab im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie den zweiten Grenzwert überschreitet, kann der Server optimierte Regelparameter für den Betrieb der Wärmepumpe und des Heizstabs bestimmen, und die optimierten Regelparameter über das Netzwerk an die Regeleinrichtung der Wärmepumpe übertragen.
Der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert können in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Wärmepumpe festgelegt werden. Insbesondere können Betriebszustände in Abhängigkeit eines Heizzwecks der Wärmepumpe definiert werden. Beispielsweise kann zwischen einem ersten Betriebszustand zum Bereitstellen von Warmwasser (d.h. Brauchwasser wie z.B. Trinkwasser, beispielsweise für Dusche und/oder Badewanne) und einem zweiten Betriebszustand zum Bereitstellen von Wärme zum Heizen von Räumen unterschieden werden.
Im ersten Betriebszustand kann wie oben beschrieben über einen kurzen Zeitraum eine hohe Leistungsaufnahme des Heizstabs toleriert werden. Befindet sich die Wärmepumpe längere Zeit im ersten Betriebszustand kann der zweite Grenzwert entsprechend angehoben werden.
Im zweiten Betriebszustand soll die Wärmepumpe vorrangig ohne Hilfe durch den Heizstab betrieben werden. Somit können der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert im zweiten Betriebszustand herabgesetzt werden.
Der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert können mittels einer Gewichtung auf den Heizzweck angepasst werden. Entsprechend kann im ersten Betriebszustand die Gewichtung der Grenzwerte verringert werden. Im zweiten Betriebszustand kann die Gewichtung der Grenzwerte entsprechend erhöht werden. Die Gewichtung kann insbesondere so eingestellt werden, dass die Meldung früher ausgegeben wird, wenn der Heizstab zum Heizen (zweiter Betriebszustand) verwendet wird.
Die Gewichtung kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass die Funktion im Heizbetrieb (zweiter Betriebszustand) schärfer reagiert, also insbesondere ab dem eingestellten Grenzwert (Gewichtung = 1), während in der Brauwassererwärmung (erster Betriebszustand) ein Betrieb des Heizstabs eher toleriert werden kann (Gewichtung > 1), da hierbei kurzfristig eine hohe Leistung notwendig ist, um ausreichend Warmwasser bereitstellen zu können. Insbesondere im ersten Betriebszustand ist das Bereitstellen von Warmwasser somit wichtiger als das Vermeiden eines Betriebs des Heizstabs. Um dies zu ermöglichen, können die zulässige Laufzeit (erster Grenzwert) bzw. der zulässige Energieverbrauch (zweiter Grenzwert) durch Multiplizieren mit einem Gewichtungsfaktor größer als eins erhöht werden.
Beispielsweise kann ein Gewichtungsfaktor gleich zwei verwendet werden. Dies kann z.B. so implementiert sein, dass am Tag 30 Minuten Laufzeit (erster Grenzwert) des Heizstabs für den Heizbetrieb und eine Stunde Laufzeit für die Warmwasserbereitung zugelassen werden. Entsprechend kann der zweite Grenzwert so festgelegt werden, dass pro Tag 2 kWh Energieverbrauch des Heizstabs für den Heizbetrieb und 4 kWh Energieverbrauch des Heizstabs für die Warmwasserbereitung zugelassen werden. Die Gewichtung mit Faktor zwei ist hier so zu verstehen, dass der Heizstab im ersten Betriebszustand doppelt so lange betrieben werden darf oder doppelt so viel Energie verbrauchen darf wie im zweiten Betriebszustand, bevor geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden.
Figurenliste
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
Es zeigen schematisch:

1 illustriert eine Wärmepumpe mit Heizstab gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2 illustriert ein Heizsystem mit Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer Wärmepumpe mit Heizstab gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON
AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 illustriert eine Wärmepumpe 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die dargestellte Wärmepumpe 1 ist insbesondere eine Luft-Wasser-Wärmepumpe 1, die als Wärmeerzeuger für ein Gebäude verwendet wird.
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe 1 kann die Umgebungsluft des Gebäudes als Wärmequelle nutzen, um das Gebäude mit Wärme zu versorgen. In 1 ist die Wärmepumpe 1 als sogenanntes Split-Gerät in eine Außeneinheit A und eine Inneneinheit B aufgeteilt. Die Außeneinheit A kann entsprechend in einem Außenbereich des Gebäudes angeordnet sein, wobei die Inneneinheit B in einem Innenbereich des Gebäudes angeordnet sein kann.
Im Betrieb saugt ein Ventilator 3 aktiv Außenluft an und leitet sie an einen Wärmeübertrager, den Verdampfer 4 weiter. In diesem zirkuliert ein Kältemittel, das aufgrund seiner thermischen Eigenschaften seinen Aggregatzustand bereits bei geringer Temperatur ändert. Der Kreislauf des Kältemittels ist in 1 gepunktet da rgestellt.
Kommt das Kältemittel mit der zugeführten „warmen“ Außenluft in Kontakt, erwärmt es sich solange, bis es schließlich zu verdampfen anfängt. Da die Temperatur des dabei entstehenden Dampfes noch verhältnismäßig niedrig ist, strömt der Dampf weiter an einen elektrisch angetriebenen Verdichter 5. Dieser erhöht den Druck, wodurch auch die Temperatur ansteigt. Hat der Kältemitteldampf das gewünschte Temperaturniveau erreicht, strömt er weiter zum nächsten Wärmeübertrager, dem Verflüssiger 6. Hier überträgt er seine Wärme auf ein hydraulisches Leitungssystem (in 1 durch fette durchgezogene Linien dargestellt) und kondensiert.
Die so gewonnene Wärme kann zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Bevor das abgekühlte Kältemittel wieder erwärmt und verdichtet werden kann, durchströmt es zunächst ein Expansionsventil 8. Dabei sinken Druck und Temperatur auf das Ausgangsniveau und der Kreislauf lässt sich wiederholen. Das Expansionsventil 8 kann elektronisch regelbar sein.
Die Aufteilung der Komponenten zwischen Außeneinheit A und Inneneinheit B ist nicht auf die der 1 festgelegt sondern kann variabel sein. Insbesondere kann der Verflüssiger 6 statt in der Außeneinheit A in der Inneneinheit B angeordnet sein. Entsprechend kann die Verbindung zwischen Außeneinheit A und Inneneinheit B mittels Kältemittelleitungen oder mittels hydraulischer Leitungen erfolgen.
In den hydraulischen Leitungen zirkuliert Wasser als fluides Wärmeträgermedium. Im Verflüssiger 6 nimmt das Wasser Wärme vom Kältemittel auf. Im Verflüssiger findet also ein Wärmeübertrag vom Kältemittel auf das Wärmeträgermedium statt. Eine im Heizkreis angeordnete Pumpe 7 kann einen gewünschten Volumen- bzw. Massenstrom des Wärmeträgermediums erzeugen. In 1 ist die Pumpe 7 im Vorlauf zwischen Verflüssiger 6 und Heizstab 2 angeordnet. Die Anordnung der Pumpe 7 ist aber nicht auf diese Position beschränkt. Die Pumpe 7 kann beispielsweise auch im Rücklauf RL angeordnet sein.
In der Inneneinheit B ist ein elektrischer Heizstab 2 angeordnet, der im Wesentlichen wie ein elektrischer Tauchsieder bzw. Durchlauferhitzer funktionieren kann und das Wärmeträgermedium bei Bedarf zusätzlich erwärmt. Eine (in 1 nicht dargestellte) Regeleinrichtung 10 der Wärmepumpe 1 kann insbesondere eine elektrische Leistungsaufnahme des Heizstabs 2, eine Drehzahl der Pumpe 7, den Ventilator 3, einen Öffnungsgrad des Expansionsventils 8 sowie den Verdichter 5 regeln. Die Regeleinrichtung 10 kann beispielsweise in der Inneneinheit B angeordnet sein.
Die Inneneinheit weist ferner ein 3-Wege-Umschaltventil 9 auf, an dem sich der Vorlauf von der Wärmepumpe in zwei Vorlaufleitungen VL1, VL2 verzweigt. Die erste Vorlaufleitung VL1 kann beispielsweise in einen Heizkreis eines Heizungssystems (Raumbeheizung) führen. Die zweite Vorlaufleitung VL2 kann beispielsweise als Warmwasserleitung (Trinkwassererwärmung) dienen. Je nach Bedarf kann über das 3-Wege-Umschaltventil 9 das Verhältnis des Volumen- bzw. Massenstroms des Wärmeträgermediums zwischen erstem Vorlauf VL1 und zweitem Vorlauf VL2 eingestellt werden.
Über einen Rücklauf RL fließt das Wärmeträgermedium aus dem Heizungssystem bzw. Trinkwasserleitungen des Gebäudes zurück zur Wärmepumpe 1. Der Kreislauf des Kältemittels zwischen Verflüssiger 6 und Verdampfer 4 wird auch als Primärkreis oder Erzeugerkreis bezeichnet. Der Kreislauf des Wärmeträgermediums mit Vorlauf und Rücklauf wird auch als Sekundärkreis oder Verbraucherkreis bezeichnet.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Gebäudes mit einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe 1. Die Regeleinrichtung 10 regelt einen Betriebszustand der Wärmepumpe 1 und überwacht Betriebsparameter der Wärmepumpe 1. Über einen Außentemperatursensor 13 erfasst die Regeleinrichtung 10 einer Außentemperatur des Gebäudes.
Eine Aufteilung der Wärmepumpe 1 in Außeneinheit und Inneneinheit ist in 2 nicht dargestellt. Die Wärmepumpe 1 kann aber wie in 1 dargestellt aufgeteilt sein oder als Monoblock-Gerät ausgeführt sein. Von der Wärmepumpe 1 gehen zwei Vorläufe VL1 und VL2 aus. Der erste Vorlauf VL1 kann beispielweise zu mindestens einen Heizkörper 11 zum Heizen des Gebäudes führen. Der zweite Vorlauf VL2 für Warmwasser kann zu einem Warmwasserspeicher 12 bzw. Wärmespeicher führen.
Die Regeleinrichtung 10 ist über ein Netzwerk 40 kommunikativ mit einem Server 20 und einer Cloud 30 verbunden. Außerdem kann mindestens ein Endgerät T, beispielsweise ein Smartphone oder ein Laptop oder ein sonstiges Gerät, über das Netzwerk 40 kommunikativ an Server 20, Cloud 30 und Regeleinrichtung 10 angebunden sein. Für die Kommunikation über das Netzwerk 40 weisen die Regeleinrichtung 10, der Server 20, die Cloud 30 und das Endgerät T jeweils geeignete Kommunikationsschnittstellen auf, deren Einzelheiten nicht näher beschrieben werden.
Die Wärmepumpe 1 mit Vorläufen VL1, VL2 und Rücklauf RL sowie den Verbrauchern 11, 12, die Regeleinrichtung 10, der Server 20, die Cloud 30, das Netzwerk 40, das Endgerät T und der Außentemperatursensor 13 gehören zu einem Heizsystem 100, wobei nicht alle Komponenten essentiell für das Heizsystem 100 sind. Beispielsweise kann die Außentemperatur statt von einer Außentemperatursensor 13 auch vom Server 20 über das Netzwerk 40 an die Regeleinrichtung 10 übermittelt werden.
Der Server 20 und/oder die Cloud 30 dienen als Speicher und/oder Recheneinrichtung zum Speichern und Auswerten von Daten, welche von der Regeleinrichtung erfasst und übertragen werden. Insbesondere erfasst und überträgt die Regeleinrichtung 10 Betriebsparameter der Wärmepumpe 1 einschließlich einer Laufzeit und einer Leistungsaufnahme des Heizstabs 2. Ferner kann die Regeleinrichtung 10 vom Server 20 bzw. der Cloud 30 Regelparameter empfangen, so dass ein regelungstechnischer Eingriff auf den Betrieb der Wärmepumpe erfolgen kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben der erfindungsgemäßen Wärmepumpe 1 im erfindungsgemäßen Heizsystem 100 wird im Folgenden anhand eines in 3 dargestellten Flussdiagramms beschrieben. Ziel des Verfahrens ist es, einen unerwünschten Betrieb des Heizstabs 2 zu erkennen und möglichst zu vermeiden bzw. zu ermöglichen, Maßnahmen zum Vermeiden des Betriebs des Heizstabs 2 zu treffen.
In einem ersten Schritt S1 wird eine Außentemperatut des Gebäudes erfasst. Im zweiten Schritt S2 wird die erfasste Außentemperatut mit einer vorgegebenen Grenztemperatur verglichen. Die Grenztemperatur kann beispielsweise in Abhängigkeit eines geographischen Orts, an dem die Wärmepumpe 1 betrieben wird, und/oder in Abhängigkeit eines Gerätetyps und einer Auslegung der Wärmepumpe 1 vorgegeben werden. In der Regel ist die Grenztemperatur eine Temperatur unter dem Nullpunkt. Beispielsweise kann die Grenztemperatur in einem Bereich zwischen -15°C und -5°C liegen.
Wenn die Außentemperatur höher als die Grenztemperatur ist (JA in Schritt S2), werden im nächsten Schritt S3 eine Laufzeit des elektrischen Heizstabs 2 und eine vom Heizstab 2 verbrauchte Energie erfasst. Das Erfassen der Laufzeit und des Energieverbrauchs erfolgt über einen festgelegten Zeitraum, der in der Regel mehrere Stunden oder beispielsweise einen Tag lang sein kann. Insbesondere kann der festgelegte Zeitraum mit einer Aufheizphase am frühen Morgen beginnen und 24 Stunden andauern. Im Folgenden wird beispielhaft von einem festgelegten Zeitraum von einem Tag (24 Stunden) ausgegangen, der um 6:00 Uhr morgens beginnt. Das Erfassen kann über den festgelegten Zeitraum kontinuierlich in regelmäßigen Zeitintervallen erfolgen, beispielsweise jede Minute oder sogar mehrmals pro Minute. Ferner können die erfassten Daten von der Regeleinrichtung 10 über das Netzwerk 40 an den Server 20 und/oder die Cloud 30 übertragen werden.
Insbesondere können in S1 die erfassten Werte der Außentemperatur, der Laufzeit des Heizstabs 2 und der vom Heizstab 2 verbrauchten Energie (bzw. die aktuelle Leistungsaufnahme des Heizstabs 2) von der Regeleinrichtung 10 über das Netzwerk 40 an die Cloud 30 und/oder den Server 20 übertragen werden.
Ist die Außentemperatur kleiner als die Grenztemperatur (NEIN in Schritt S2) geht das Verfahren zurück zu Schritt S1. In diesem Fall werden die Laufzeit und der Energieverbrauch des Heizstabs 2 nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht. Ein Betrieb des Heizstabs 2 kann in diesem Fall notwendig bzw. erwünscht sein.
Im nächsten Schritt S3 findet eine Auswertung der Laufzeit und des Energieverbrauchs statt im festgelegten Zeitraum. Insbesondere können in diesem Schritt die übertragenen Laufzeitdatenpunkte über den festgelegten Zeitraum integriert werden, um die Laufzeit eines ganzen Tages zu berechnen. Entsprechend kann der Energieverbrauch berechnet werden, wobei zum Beispiel einzelne übertragene Datenpunkte, die eine momentane Leistungsaufnahme des Heizstabs 2 angeben, ausgewertet werden, um einen Gesamtenergieverbrauch des Heizstabs im festgelegten Zeitraum zu berechnen.
Schritte S2 und S3 sowie die nächsten Schritte S4, S5 und S6 können von der Regeleinrichtung 10, dem Server 20 oder der Cloud 30 ausgeführt werden. In den folgenden Schritten S4 und S5 werden die berechneten Gesamtwerte der Laufzeit und des Energieverbrauchs im festgelegten Zeitraum mit jeweiligen Grenzwerten verglichen.
In Schritt S4 wird ermittelt, ob die Laufzeit im festgelegten Zeitraum einen ersten Grenzwert überschreitet. Ist dies der Fall (JA in S4) geht das Verfahren mit Schritt S5 weiter. Wird der erste Grenzwert nicht überschritten (NEIN in S4), so liegt die tägliche Laufzeit des Heizstabs im erlaubten Bereich und das Verfahren geht zurück zum ersten Schritt S1.
In Schritt S5 wird ermittelt, ob die vom Heizstab 2 im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie einen zweiten Grenzwert überschreitet. Ist dies der Fall (JA in S5) geht das Verfahren mit Schritt S6 weiter. Wird der zweite Grenzwert nicht überschritten (NEIN in S5), so liegt die tägliche verbrauchte Energie des Heizstabs im erlaubten Bereich und das Verfahren geht zurück zum ersten Schritt S1.
In Schritt S6 wird eine Meldung erzeugt und ausgegeben. Die Meldung kann beispielsweise ein Warnhinweis sein, der angibt, dass die Laufzeit des Heizstabs 2 den ersten Grenzwert überschreitet und/oder dass der Energieverbrauch des Heizstabs 2 den zweiten Grenzwert überschreitet. Die Meldung kann zusätzlich angeben, ob der Heizstab 2 aktuell in Betrieb ist.
Die Meldung bzw. Warnhinweis kann von der Regeleinrichtung 10 bzw. vom Server 20 oder der Cloud 30 an ein mit dem Netzwerk 40 kommunikativ verbundenes Endgerät T eines Benutzers der Wärmepumpe 1 ausgegeben werden. Zusätzlich bzw. stattdessen kann die Meldung über eine Anzeigeeinrichtung der Regeleinrichtung 10 ausgegeben werden.
Man beachte, dass die Vergleiche mit dem ersten Grenzwert und dem zweiten Grenzwert in Schritten S4 und S5 im vorliegenden Beispiel voneinander abhängen. In anderen Worten, sowohl der erste Grenzwert als auch der zweite Grenzwert müssen überschritten werden (JA in S4 UND S5), bevor die Meldung in S6 erzeugt und ausgegeben wird. Allerdings ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht hierauf beschränkt. Das Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass ein Überschreiten nur eines der beiden Grenzwerte (JA in S4 ODER JA in S5) ausreichen kann, um die Meldung in S6 zu erzeugen und auszugeben.
Wenn die Laufzeit innerhalb des festgelegten Zeitraums den ersten Grenzwert überschreitet (JA in S4) und/oder die vom Heizstab 2 im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie den zweiten Grenzwert überschreitet (JA in S5), können in Schritt S6 vom Server 20 oder der Cloud 30 optimierte Regelparameter für den Betrieb der Wärmepumpe 1 und des Heizstabs 2 bestimmt, und die optimierten Regelparameter über das Netzwerk 40 an die Regeleinrichtung 10 der Wärmepumpe 1 übertragen werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69925389 T2 [0005]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (1), die Wärme auf ein fluides wärmeträgermedium überträgt, das in einem heizkreis zirkuliert, wobei das Verfahren umfasst: erfassen einer Außentemperatur; wenn die Außentemperatur höher als eine Grenztemperatur ist, erfassen einer Laufzeit eines elektrischen Heizstabs (2) der Wärmepumpe (1) und/oder einer vom Heizstab (2) verbrauchten Energie; und wenn die Laufzeit innerhalb eines festgelegten Zeitraums einen ersten Grenzwert überschreitet und/oder die vom Heizstab (2) im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie einen zweiten Grenzwert überschreitet, ausgeben einer Meldung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Meldung ein Warnhinweis ist, der von einer Regeleinrichtung (10) der Wärmepumpe (1) an ein Endgerät eines Benutzers der Wärmepumpe (1) und/oder über eine Anzeigeeinrichtung der Regeleinrichtung (10) ausgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Meldung angibt, ob der Heizstab (2) aktuell in Betrieb ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ferner umfassend: übertragen der erfassten Werte der Außentemperatur, der Laufzeit des Heizstabs (2) und der vom Heizstab (2) verbrauchten Energie von einer Regeleinrichtung (10) der Wärmepumpe (1) über ein Netzwerk (40) an eine Cloud (30) oder einen Server (20), wobei die Cloud (30) oder der Server (20): die übertragenen Werte in Abhängigkeit des ersten Grenzwerts und des zweiten Grenzwerts auswertet; und die Meldung erzeugt und ausgibt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Cloud oder der Server: wenn die Laufzeit innerhalb des festgelegten Zeitraums den ersten Grenzwert überschreitet und/oder die vom Heizstab (2) im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie den zweiten Grenzwert überschreitet, optimierte Regelparameter für den Betrieb der Wärmepumpe (1) und des Heizstabs (2) bestimmt, und die optimierten Regelparameter über das Netzwerk (40) an die Regeleinrichtung (10) der Wärmepumpe (1) überträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Wärmepumpe (1) festgelegt werden.
Heizsystem (100) zum Bereitstellen von Wärme, umfassend: einen Außentemperatursensor (13) zum Erfassen einer Außentemperatur; eine Wärmepumpe (1) zum übertragen von Wärme auf ein fluides Wärmeträgermedium, das in einem Heizkreis des Heizsystems (100) zirkuliert; einen elektrischen Heizstab (2) zum übertragen von Wärme auf das fluide Wärmeträgermedium; eine Regeleinrichtung (10) zum Regeln eines Betriebszustands der Wärmepumpe (1) und des Heizstabs (2), wobei die Regeleinrichtung (10) konfiguriert ist: wenn die Außentemperatur höher als eine Grenztemperatur ist, eine Laufzeit des Heizstabs (2) und/oder eine vom Heizstab (2) verbrauchte Energie zu erfassen; und wenn die Laufzeit innerhalb eines festgelegten Zeitraums einen ersten Grenzwert überschreitet und/oder die vom Heizstab (2) im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie einen zweiten Grenzwert überschreitet, eine Meldung auszugeben.
Heizsystem (100) nach Anspruch 7, wobei die Regeleinrichtung (10) über ein Netzwerk (40) mit einer Cloud (30) oder einem Server (20) verbunden ist und die Regeleinrichtung (10) ferner konfiguriert ist: die erfassten Werte der Außentemperatur, der Laufzeit des Heizstabs (2) und der vom Heizstab (2) verbrauchten Energie über das Netzwerk (40) an die Cloud (30) oder den Server (20) zu übertragen; wenn die Laufzeit innerhalb des festgelegten Zeitraums den ersten Grenzwert überschreitet und/oder die vom Heizstab (2) im festgelegten Zeitraum verbrauchte Energie den zweiten Grenzwert überschreitet, optimierte Regelparameter für den Betrieb der Wärmepumpe (1) und des Heizstabs (2) über das Netzwerk (40) von der Cloud (30) oder dem Server (20) zu empfangen; und den Betriebszustand der Wärmepumpe (1) und des Heizstabs (2) in Abhängigkeit der optimierten Regelparameter zu regeln.
Heizsystem (100) nach Anspruch 7 oder 8, ferner umfassend einen Wärmespeicher (12), wobei die Regeleinrichtung (10) konfiguriert ist, eine Speichertemperatur des Wärmespeichers (12) in Abhängigkeit der erfassten Laufzeit des Heizstabs (2) und/oder der vom Heizstab (2) verbrauchten Energie und in Abhängigkeit des ersten und/oder zweiten Grenzwerts einzustellen.
Heizsystem (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9 wobei der erste Grenzwert und/oder der zweite Grenzwert in Abhängigkeit eines Betriebszustands der Wärmepumpe (1) festgelegt sind.