DE10257431A1 - Heißwasserzufuhrsystem mit Wärmepumpe - Google Patents

Heißwasserzufuhrsystem mit Wärmepumpe

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DE10257431A1
DE10257431A1 DE10257431A DE10257431A DE10257431A1 DE 10257431 A1 DE10257431 A1 DE 10257431A1 DE 10257431 A DE10257431 A DE 10257431A DE 10257431 A DE10257431 A DE 10257431A DE 10257431 A1 DE10257431 A1 DE 10257431A1
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Hisayoshi Sakakibara
Shizuo Tsuchiya
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Abstract

Ein Heißwasserzufuhrsystem enthält einen Heißwasserbehälter (16) zum Zuführen von Heißwasser zu einem Verbraucher, eine Wärmepumpe (10) mit einem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite (13) zum Erwärmen von in dem Heißwasserbehälter (16) zu speicherndem Wasser und eine Umwälzpumpe (21) zum Umwälzen von Wasser in einem Bodenteil des Heißwasserbehälters (16) zu einem oberen Teil in dem Heißwasserbehälter (16) nach Durchlaufen des Wärmetauschers auf der Hochdruckseite (13). In einem Siedevorgang werden sowohl die Wärmepumpe (10) als auch die Umwälzpumpe (21) betrieben, und der Betrieb der Wärmepumpe (10) wird gestoppt, bevor das gesamte Wasser in dem Heißwasserbehälter (16) aufgekocht ist. Nachdem der Betrieb der Wärmepumpe gestoppt ist, wird die Umwälzpumpe in Betrieb genommen, so dass Wasser niedriger Temperatur in dem Bodenteil des Heißwasserbehälters (16) zu einem oberen Teil in dem Heißwasserbehälter (16) zugeführt wird.

Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heißwasserzufuhrsystem mit einer Wärmepumpe zum Erwärmen von Wasser durch eine Wärmequelle der Wärmepumpe zum Einleiten von durch das obige Erwärmen erhaltenem heißen Wasser (Heißwasser) in einen Heißwasserbehälter und zum Speichern des Heißwassers an einer Oberseite des Heißwasserbehälters. Insbesondere wird die Erfindung wirksam bei einem System angewendet, bei dem die Wärmepumpe durch einen superkritischen Kühlkreislauf unter Verwendung eines Kühlmittels wie beispielsweise CO2 aufgebaut ist.
  • Stand der Technik
  • In einem herkömmlichen Heißwasserzuführsystem mit einer Wärmepumpe sinkt, da heißes Wasser von oben in einen Heißwasserbehälter eingeleitet wird und oben in dem Heißwasserbehälter gespeichert wird, die Temperatur des Heißwassers zu der Bodeninnenseite des Heißwasserbehälters. Um ein Wachstum der Bakterien zu verhindern, welche die Legionärskrankheit in dem Heißwasser verursachen, muss üblicherweise ein Kochvorgang der Heizquelle der Wärmepumpe fortgesetzt werden bis die Temperatur des Heißwassers an der Bodeninnenseite des Heißwasserbehälters auf etwa 55°C ansteigt.
  • Wenn jedoch in der Wärmepumpe die Temperaturen des zu einem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite zum Heizen des Wassers zugeführten Wassers ansteigt, sinkt die Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem Wasser in dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite und die Heizleistung verschlechtert sich.
  • Ferner ist im Fall des CO2 als Kühlmittel verwendenden superkritischen Kühlkreislaufs der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite der Wärmepumpe ursprünglich etwa sieben Mal so hoch wie derjenige in einem Kühlkreislauf mit einem gewöhnlichen Chlorfluorkohlenwasserstoff-Kühlmittel, und der Energieverbrauch des Kompressors ist erhöht. Folglich wird, wenn die Temperatur des dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite zugeführten Wassers ansteigt, eine Verschlechterung der Arbeitsleistung (des Leistungskoeffizienten COP) der Wärmepumpe auffallend.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • In Anbetracht der obigen Probleme ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine Verschlechterung der Heizleistung aufgrund eines Anstiegs der Temperatur des einem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite zugeführten Wassers in einem Heißwasserzufuhrsystem mit einer Wärmepumpeneinheit zu unterdrücken.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein Heißwasserzufuhrsystem eine Wärmepumpeneinheit (10) mit einem Wärmetauscher (13), in dem ein Kühlmittel auf der Hochdruckseite mit Wasser in Wärmeaustausch steht, um das Wasser zu erwärmen; einen Wasserbehälter (16), in dem das durch den Wärmetauscher (13) erwärmte Wasser für eine Zufuhr gespeichert wird; eine Umwälzpumpe (21) zum Umwälzen des Wassers von einem unteren Bereich des Wasserbehälters (16) zu einem oberen Bereich in dem Wasserbehälter (16) nach Durchlaufen des Wärmetauschers (13); und eine Steuereinheit (32) zum Steuern des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (10) und der Umwälzpumpe (21). In dem Heißwasserzufuhrsystem führt die Steuereinheit (32) einen Siedevorgang des Wassers in dem Wasserbehälter (16) durch Betreiben sowohl der Wärmepumpeneinheit (10) als auch der Umwälzpumpe (21) durch und stoppt den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (10) bevor das gesamte Wasser in dem Wasserbehälter (16) in dem Siedevorgang aufgekocht ist, und die Umwälzpumpe (21) wird durch die Steuereinheit (32) nach dem Stoppen des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (10) derart betrieben, dass sich das Wasser in dem unteren Bereich des Wasserbehälters (16) durch den Betrieb der Umwälzpumpe (21) in den oberen Bereich in dem Wasserbehälter (16) bewegt.
  • Weil der Betrieb der als Heizquelle verwendeten Wärmepumpeneinheit (10) gestoppt wird, bevor das gesamte Wasser in dem Wasserbehälter aufgekocht ist, kann ein nicht erwärmtes Wasser niedriger Temperatur in dem unterem Bereich des Wasserbehälters zu dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite (13) zugeführt werden. Demgemäß kann es ein Sinken der Heizkapazität des Wärmetauschers auf der Hochdruckseite (13) aufgrund eines Anstiegs der dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite (13) zugeführten Wassertemperatur einschränken. Insbesondere wird, wenn die Wärmepumpeneinheit (10) ein superkritischer Kühlkreislauf ist, der Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite höher als der kritische Druck des Kühlmittels. Somit kann in diesem Fall die Arbeitsleistung der Wärmepumpeneinheit effektiv deutlich verbessert werden. Ferner kann, nachdem der Siedevorgang der Wärmepumpeneinheit beendet ist, das Wasser in dem unteren Bereich des Wasserbehälters (16) zu dem oberen Bereich in dem Wasserbehälter (16) bewegt, eine Wassertemperaturdifferenz in dem Wasserbehälter verringert werden. Demgemäß kann, selbst wenn der Siedevorgang beendet ist, verhindert werden, dass Wasser niedriger Temperatur in dem unteren Bereich des Wasserbehälters (16) bleibt.
  • Ferner enthält die Steuereinheit (32) in der vorliegenden Erfindung eine erste Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer in dem Wasserbehälter (16) zu Beginn des Siedevorgangs verbleibenden Heißwassermenge, eine zweite Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Sollsiedemenge in dem nächsten Siedevorgang basierend auf der in dem Wasserbehälter (16) verbleibenden Heißwassermenge und einer Kapazität des Wasserbehälters (16), und eine dritte Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Sollsiedetemperatur basierend auf einer Differenz zwischen einer Sollwärmespeichermenge in dem nächsten Siedevorgang und einer Wärmemenge der in dem Wasserbehälter verbleibenden Heißwassermenge, und der Sollsiedemenge. In diesem Fall steuert die Steuereinheit den Siedevorgang derart, dass eine Siedetemperatur der Wärmepumpeneinheit (10) die Sollsiedetemperatur wird. Deshalb kann der Siedevorgang durch die Steuereinheit geeignet gesteuert werden. Vorzugsweise stoppt die Steuereinheit (32) den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (10), wenn eine Wassertemperatur in einer Höhenposition in dem Wasserbehälter (16) etwa entsprechend der Sollsiedemenge auf eine vorgegebene Temperatur nahe der Sollsiedetemperatur angestiegen ist. In diesem Fall kann die Wassertemperatur an der Höhenposition in dem Wasserbehälter (16) durch Verwendung mehrerer Temperatursensoren (26a-26f), die an in vertikaler Richtung unterschiedlichen Positionen in dem Wasserbehälter (16) angeordnet sind, gelenkt werden.
  • Ferner kann die Steuereinheit (32) den Betrieb der Umwälzpumpe (21) stoppen, wenn eine eingestellte Zeit des Betriebs der Umwälzpumpe (21) während der gestoppten Wärmepumpeneinheit (10) abgelaufen ist. Die eingestellte Zeit kann basierend auf der in dem Wasserbehälter (16) verbleibenden Heißwassermenge und einer in der Umwälzpumpe (21) zirkulierenden Wassermenge bestimmt werden. Alternativ stoppt die Steuereinheit (32) den Betrieb der Umwälzpumpe (21), wenn eine aus dem unteren Bereich in dem Wasserbehälter (21) zu dem Wärmetauscher (13) zugeführte Wassertemperatur auf eine vorgegebene Temperatur angestiegen ist. Alternativ kann die Steuereinheit (32) den Betrieb der Umwälzpumpe (21) stoppen, wenn eine Temperaturdifferenz des Wassers in dem oberen Bereich in dem Wasserbehälter (16) und des Wassers in dem unteren Bereich in dem Wasserbehälter (16) kleiner als eine vorgegebene Temperatur wird. Demgemäß kann der Betrieb der Umwälzpumpe (21) zu einer geeigneten Zeit gestoppt werden.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen offensichtlich. Darin zeigen:
  • Fig. 1 eine schematische Systemdarstellung eines Heißwasserzufuhrsystems mit einer Wärmepumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 2 ein Blockschaltbild einer elektronischen Steuereinheit des Heißwasserzufuhrsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • Fig. 3 ein Flussdiagramm des Steuervorgangs des Heißwasserzufuhrsystems gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
  • Fig. 4 ein Flussdiagramm des Steuervorgangs eines Heißwasserzufuhrsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • Fig. 5 eine Graphik der Wassertemperaturen an unterschiedlichen Höhenpositionen in einem Heißwasserbehälter, um eine in dem Heißwasserbehälter zu Beginn des Mitternachts-Stromversorgungstarifs (Siedevorgang) verbleibenden Heißwassermenge gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zu bestimmen;
  • Fig. 6 ein Flussdiagramm des Steuervorgangs eines Heißwasserzufuhrsystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
  • Fig. 7 ein Flussdiagramm des Steuervorgangs eines Heißwasserzufuhrsystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE Erstes Ausführungsbeispiel
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel wird ein Heißwasserzufuhrsystem mit einer Wärmepumpe gemäß der Erfindung typischerweise für ein Haushalts-Heißwasserzufuhrsystem verwendet. Ein Heißwasserzufuhrsystem von Fig. 1 ist grob in eine Wärmepumpe 10 und eine Heißwasserbehältereinheit 11 unterteilt.
  • Die Wärmepumpe 10 verwendet CO2 als Kühlmittel und ist aus einem superkritischen Kühlkreislauf aufgebaut, in dem ein Kühlmitteldruck auf der Hochdruckseite gleich oder höher als ein kritischer Druck wird. Die Wärmepumpe 10 enthält einen elektrischen Kompressor 12, dessen Drehzahl geregelt werden kann. Durch den elektrischen Kompressor 12 komprimiertes Hochdruckkühlmittel strömt in einen Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13. In dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 steht das Hochdruckkühlmittel mit Wasser in Wärmeaustausch, um dadurch das Wasser zu erwärmen. Das aus dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 ausgegebene Hochdruckkühlmittel wird durch eine Druckverminderungsvorrichtung 14 dekomprimiert, um in einen Niederdruckzustand versetzt zu werden.
  • Das Niederdruckkühlmittel aus der Druckverminderungsvorrichtung 14 strömt in einen Verdampfapparat 15 und wird in dem Verdampfapparat 15 durch Absorbieren von Wärme aus der Atmosphäre verdampft. Anschließend wird das Kühlmittel durch den elektrischen Kompressor 12 angesaugt und wieder komprimiert. Die Wärmepumpe 10 ist eine Komponente einer elektrischen Wasserheizvorrichtung, die hauptsächlich in der Nacht unter Verwendung des billigen Nachtstroms arbeitet.
  • Die Heißwasserbehältereinheit 11 weist einen vertikal langgestreckten Heißwasserbehälter 16 auf. Das durch den Wärmetauscher auf der Hochdruckseite (Wärmestrahler) 13 der Wärmepumpe 10 erwärmte Hochtemperatur-Heißwasser strömt durch ein Heißwasserrohr 17 aus einem Einlass 18 an der Oberseite des Heißwasserbehälters 16 in den Heißwasserbehälter 16. Niedrigtemperatur-Heißwasser strömt aus einem Auslass 19 am Boden des Heißwasserbehälters 16 über ein Wasserrohr 20 in den Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 der Wärmepumpe 10.
  • Um das Wasser zwischen dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 der Wärmepumpe 10 und dem Heißwasserbehälter 16 umzuwälzen, ist etwa in der Mitte des Wasserrohres 20 eine elektrische Umwälzpumpe 21 angeordnet, deren Drehzahl regelbar ist. In dem unteren Teil des Heißwasserbehälters 16 ist ein Wasserzufuhreinlass 23 ausgebildet, mit dem ein Wasserzufuhrrohr 22 zum Zuführen von Brauchwasser oder dergleichen verbunden ist. Das Wasserzufuhrrohr 22 ist mit einem Druckverminderungsventil 22a zum Reduzieren des Drucks des Brauchwassers versehen.
  • Mit dem oberen Teil des Heißwasserbehälters 16 ist ein Heißwasserzufuhrrohr 24 zum Zuführen von Heißwasser zu einer Einrichtung, von der Heißwasser zu einer Küche, einem Waschraum, einem Badezimmer oder dergleichen zugeführt wird, verbunden. Über das Heißwasserzufuhrrohr 24 wird Heißwasser des Heißwasserbehälters 16 für einen Benutzer zu der Einrichtung zugeführt. Etwa in der Mitte des Heißwasserzufuhrrohres 24 ist ein zu öffnendes und zu schließendes Überströmventil 25 vorgesehen, so dass ein Luft- und Wasseraustritt nach außen möglich ist, wenn der Druck in dem Heißwasserzufuhrrohr 24 auf einen eingestellten Druck oder höher ansteigt.
  • Um den Betrieb des Heißwasserzufuhrsystems automatisch zu steuern, sind mehrere Sensoren vorgesehen. In dem Heißwasserbehälter 16 mit einer vertikal langgestreckten Form sind mehrere (sechs Stück in dem Beispiel der Zeichnung) Temperatursensoren (Thermistoren) 26a bis 26f zum Erfassen der Temperatur des Heißwassers in dem Heißwasserbehälter 16 in vorgegebenen Abständen an unterschiedlichen Höhen vorgesehen. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Kapazität des Heißwasserbehälters 16 auf 370 L (Liter) eingestellt. Die Höhen der Temperatursensoren 26 angebenden Zeichen 50 L, 100 L, 150 L, 200 L, 250 L und 320 L bezeichnen Niveaus, die von der Behälteroberseite um 50 L, 100 L, 150 L, 200 L, 250 L bzw. 320 L abgesenkt sind.
  • In einem Rohr an der Ausgangsseite des Wärmetauschers auf der Hochdruckseite 13 ist ein Kühlmitteltemperatursensor 27 angeordnet. In dem Wasserrohr 20 zum Zuführen von Wasser zu dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 ist ein Wassertemperatursensor 28 angeordnet. Ein Wassertemperatursensor 29 ist in dem mit dem Boden des Heißwasserbehälters 16 verbundenen Wasserzufuhrrohr 22 angeordnet. Das Heißwasserzufuhrrohr 24 ist mit einem Durchsatzmengensensor 30 zum Messen einer Durchsatzmenge des der Einrichtung, welcher das Heißwasser zugeführt werden soll, zugeführten Heißwassers.
  • Sensorsignale von einer Sensorgruppe werden einer elektronischen Steuereinheit 32 (ECU) in Fig. 2 eingegeben. Die Sensorgruppe enthält die Behältertemperatursensoren 26a bis 26f, den Kühlmitteltemperatursensor 27, die Wassertemperatursensoren 28 und 29 und den Durchsatzmengensensor 30. Ferner wird der elektronischen Steuereinheit 32 ein Betriebssignal von einer Schalttafel 31 eingegeben. Die elektronische Steuereinheit 32 ist durch einen Mikrocomputer und Peripherieschaltungen des Mikrocomputers aufgebaut. Die elektronische Steuereinheit 32 führt einen vorgegebenen Berechnungsprozess auf der Basis eines voreingestellten Programms durch, so dass sie den Betrieb der Vorrichtungen wie beispielsweise des elektrischen Kompressors 12 und der Umwälzpumpe 21 steuert.
  • Fig. 3 zeigt ein Beispiel der Betriebssteuerung des ersten Ausführungsbeispiels, durchgeführt durch die elektronische Steuereinheit 32. Zuerst wird in Schritt S100 bestimmt, ob man sich in einer Mitternachtszeitzone befindet oder nicht. Die Mitternachtszeitzone ist eine Zeitzone von 23:00 Uhr bis 7:00 Uhr am folgenden Morgen, in welcher ein Mitternachtstarif eines Stromunternehmens angeboten wird. Wenn es 23:00 Uhr wird, geht das Programm weiter zu Schritt S110 und es wird eine Sollsiedetemperatur Ta berechnet.
  • Die Sollsiedetemperatur Ta wird konkret wie folgt berechnet. Es wird angenommen, dass das meiste Heißwasser in dem Heißwasserbehälter 16 an einem Tag um 23:00 Uhr verbraucht ist und eine vorgegebene kleine Menge Lt des Heißwassers mit einer vorgegebenen Temperatur (z. B. 50°C) oder höher in dem Heißwasserbehälter 16 verbleibt. Zum Beispiel wird angenommen, dass die verbleibende Heißwassermenge um 23:00 Uhr bei der Kapazität (370 L) des Heißwasserbehälters 16 des Ausführungsbeispiels einen vorgegebenen Wert von 50 L hat. In diesem Fall beträgt eine Sollsiedemenge La der Wärmepumpe einen vorgegebenen Wert von 320 L ( = 370 L - 50 L).
  • Andererseits wird eine Sollwärmespeichermenge Qt durch eine Wärmemenge zum Zeitpunkt der maximalen Zufuhr an Heißwasser pro Tag in der letzten Woche bestimmt. Die Wärmemenge zum Zeitpunkt der maximalen Zufuhr an Heißwasser pro Tag wird durch den Mikrocomputer in der elektronischen Steuereinheit 32 auf der Basis der maximalen Heißwasserzufuhrmenge je Tag in der letzten Woche berechnet, welche durch den Durchsatzmengensensor 30 erfasst wurde, und in der Speichereinrichtung gespeichert.
  • Deshalb kann die Sollsiedetemperatur Ta durch die folgende Gleichung (1) auf der Basis der Sollwärmespeichermenge Qt, der Wärmemenge QLt der verbleibenden Heißwassermenge Lt und der Sollsiedemenge La der Wärmepumpe 10 berechnet werden:

    Ta = (Qt - QLt)/(La × C) + Tin1 (1)
  • In Gleichung (1) ist La in dem Ausführungsbeispiel gleich 320 L ( = 370 L - 50 L). C bezeichnet die spezifische Wärme von Wasser, und Tin1 bezeichnet eine durchschnittliche Zufuhrwassertemperatur des dem Wasserzufuhrwassereinlass 23 am Boden des Heißwasserbehälters 16 zugeführten Brauchwassers. Konkret wird als Tin1 eine Durchschnittstemperatur des Brauchwassers des unmittelbar vorangegangenen Tages verwendet, welche durch den Behälterwassertemperatursensor 29 erfasst wird.
  • In Schritt S120 wird die Umwälzpumpe 21 in Betrieb genommen. In Schritt S130 wird der Kompressor 12 in Betrieb genommen. Demgemäß wird der Siedevorgang durch die Wärmepumpe 10 gestartet, und die Drehzahl des Kompressors 12 oder dergleichen wird so gesteuert, dass die tatsächliche Siedetemperatur (Temperatur des Heißwassers am Ausgang des Wärmetauschers auf der Hochdruckseite 13) gleich der Sollsiedetemperatur Ta in der Wärmepumpe 10 wird.
  • In Schritt S140 wird bestimmt, ob eine durch den Temperatursensor 26f, der auf dem untersten Niveau der Temperatursensoren 26a bis 26f des Heißwasserbehälters 16, d. h. auf dem Niveau 320 L entsprechend der Sollsiedemenge La (320 L in dem Beispiel) von der Oberseite des Heißwasserbehälters 16 positioniert ist, erfasste Temperatur T320 gleich oder höher als eine vorgegebene Temperatur Tao ist, welche auf der Basis der Sollsiedetemperatur Ta bestimmt, oder nicht. In diesem Fall ist die vorgegebene Temperatur Tao eine Temperatur nur um einen kleinen Wert α niedriger als Ta (Tao = Ta - α). Der kleine Wert α ist eine Temperatur entsprechend dem Heißwassertemperaturunterschied (Temperaturgradient) der in der vertikalen Richtung des Heißwasserbehälters 16 auftritt, und ist ein Wert von etwa 10°C.
  • Wenn die durch den Temperatursensor 26 erfasste Temperatur T320 gleich oder höher als die vorgegebene Temperatur Tao wird, erreicht die Heißwasser-Wärmespeichermenge der Sollsiedemenge La in dem Heißwasserbehälter 16 die Sollwärmespeichermenge (Qt - QLt), und das Programm geht weiter zu Schritt S150. In Schritt S150 wird bestimmt, ob eine durch den Temperatursensor 28 erfasste Wärmepumpenwasserzufuhrtemperatur Tin2 gleich oder größer als eine vorgegebene Temperatur von z. B. 40°C wird oder nicht. Die in Schritt S150 bestimmte Temperatur ist die obere Grenzwasserzufuhrtemperatur, um eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Wärmepumpe 10 zu unterdrücken, und sie ist in dem Beispiel wie oben beschrieben auf 40°C eingestellt.
  • Falls die Wärmepumpenwasserzufuhrtemperatur Tin2 niedriger als 40°C ist, wird bestimmt, dass der Leistungsgrad der Wärmepumpe 10 hoch ist. Der Betrieb des Kompressors 12 und der Umwälzpumpe 21 wird fortgesetzt, und demzufolge wird der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 fortgesetzt.
  • Wenn die Wärmepumpenwasserzufuhrtemperatur Tin2 auf 40°C oder höher steigt, geht das Programm weiter zu Schritt S160, wo der Kompressor 10 gestoppt wird, um dadurch den Siedebetrieb der Wärmepumpe 10 zu beenden. Deshalb wird der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 in einem Zustand beendet, in dem Wasser mit einer niedrigen Temperatur, die 40°C oder niedriger ist, in dem unteren Teil des Heißwasserbehälters 16 verbleibt. Folglich kann eine Verschlechterung des Leistungsgrades des Siedevorgangs der Wärmepumpe 10 aufgrund eines Anstiegs der Wärmepumpenwasserzufuhrtemperatur Tin2 verhindert werden.
  • In Schritt S170 wird die Drehzahl der Umwälzpumpe 21 auf die maximale Drehzahl erhöht, so dass die Umwälzpumpe 21 mit der maximalen Förderleistung betrieben wird. Nach Beendigung des Wärmepumpen-Siedevorgangs wird folglich Wasser niedriger Temperatur an dem Bodeninnenteil des Heißwasserbehälters 16, genauer gesagt nicht erwärmtes Wasser niedriger Temperatur (Wasser von 50 L in dem Ausführungsbeispiel), das in einem Abschnitt unterhalb des Temperatursensors 26f, welcher der niedrigste unter den Temperatursensoren 26a bis 26f des Heißwasserbehälters 16 ist, verbleibt, durch die Umwälzpumpe 21 angesaugt und zu dem oberen Teil in dem Heißwasserbehälter 16 bewegt.
  • Ein Timer wird in Schritt S180 gestartet, und eine Berechnung der Menge an Heißwasser, das zu der Einrichtung gefördert wird, welcher Heißwasser zugeführt werden soll, wird in Schritt S190 gestartet. Die Menge zugeführten Heißwassers kann auf der Basis eines Messsignals des Durchsatzmengensensors 30 berechnet werden.
  • In Schritt S200 wird bestimmt, ob die Zählzeit "t" des Timers gleich oder länger als eine vorgegebene Zeit "to" wird oder nicht. Bis die Zählzeit "t" des Timers die vorgegebene Zeit "to" erreicht, wird in Schritt S210 bestimmt, ob die zugeführte Heißwassermenge Lshw gleich oder größer als die vorgegebene Menge (z. B. 10 L) ist oder nicht. Falls die zugeführte Heißwassermenge kleiner als die vorgegebene Menge ist, kehrt das Programm zu Schritt S200 zurück und der Vorgang wird in dem Zustand fortgesetzt, in dem die Umwälzpumpe 21 mit der maximalen Förderleistung arbeitet.
  • Wenn die Zählzeit "t" des Timers die vorgegebene Zeit "to" erreicht, geht das Programm weiter zu Schritt S220, und der Betrieb der Umwälzpumpe 21 wird gestoppt. Die vorgegebene Zeit "to" ist eine Zeit, die man durch Berechnen der Zeit erhält, die zum Bewegen der verbleibenden Heißwassermenge Lt eines vorgegebenen Werts mit der maximalen Förderleistung der Umwälzpumpe 21 benötigt wird.
  • Falls die Heißwasserzufuhrmenge während des Betriebs der Umwälzpumpe 21 mit der maximalen Förderleistung gleich oder größer als die vorgegebene Menge (z. B. 10 L) wird, geht das Programm von Schritt S210 zu Schritt S220 weiter, in dem der Betrieb der Umwälzpumpe 21 sofort gestoppt wird.
  • Falls das Heißwasser der Einrichtung als Ziel der Heißwasserzufuhr in Schritt S220 kontinuierlich zugeführt wird, strömt Brauchwasser niedriger Temperatur über das Wasserzufuhrrohr 22 zu dem Bodeninnenteil des Heißwasserbehälters 16. Deshalb tritt, selbst wenn Heißwasser der Einrichtung zugeführt wird, falls der Betrieb der Umwälzpumpe 21 fortgesetzt wird, ein ungünstiger Umstand derart auf, dass sich das Brauchwasser niedriger Temperatur in dem Heißwasserbehälter 16 nach oben bewegt und die Temperatur des Heißwassers hoher Temperatur in dem oberen Teil des Heißwasserbehälters 16 erniedrigt wird. In dem Ausführungsbeispiel wird jedoch, wenn die Menge der Heißwasserzufuhr die vorgegebene Menge übersteigt, der Betrieb der Umwälzpumpe 21 sofort gestoppt. Deshalb kann der ungünstige Umstand, dass sich das Brauchwasser niedriger Temperatur in dem Heißwasserbehälter 16 nach oben bewegt, verhindert werden, so dass verhindert werden kann, dass die Temperatur des Heißwassers hoher Temperatur sinkt.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird, wenn die Heißwassertemperatur T320 auf dem Niveau 320 L entsprechend der Sollsiedemenge La auf eine vorgegebene Temperatur Tao steigt, bevor das gesamte Heißwasser der kompletten Kapazität des Heißwasserbehälters 16 zum Sieden gebracht wird, der Kompressor 12 gestoppt und der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 wird beendet. Deshalb kann während des Siedevorgangs der Wärmepumpe 10 das Wasser niedriger Temperatur an dem Bodeninnenteil des Heißwasserbehälters 16 dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 der Wärmepumpe 10 zugeführt werden.
  • Durch Aufrechterhalten der Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Hochdruckkühlmittels in dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 und der Temperatur Tin2 des dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 der Wärmepumpe zugeführten Wassers auf einem großen Wert während des Siedevorgangs kann die Heizleistung und die Arbeitsleistung (Leistungskoeffizient COP) der Wärmepumpe 10 hoch gehalten werden.
  • Nach Beendigung des Siedevorgangs wird die Umwälzpumpe 21 für die vorgegebene Zeit "to" betrieben. Durch Bewegen des Wassers niedriger Temperatur in dem Bodeninnenteil des Heißwasserbehälters 16 zu dem oberen Teil des Heißwasserbehälters 16, um so mit dem Heißwasser hoher Temperatur gemischt zu werden, wird der Temperaturgradient in der vertikalen Richtung des Heißwassers in dem Heißwasserbehälter 16 vernngert. Folglich kann die Heißwassertemperatur in dem Bodeninnenteil des Heißwasserbehälters 16 auf 55°C oder höher eingestellt werden, bei welcher die Bakterien, welche die Legionärskrankheit verursachen, nicht wachsen. Somit kann das Wachstum der Bakterien, welche die Legionärskrankheit verursachen, verhindert werden. In diesem Fall wird durch den Betrieb der Umwälzpumpe 21 mit der maximalen Förderleistung die Betriebszeit der Umwälzpumpe 21 verkürzt, und eine nutzlose Wärmeabstrahlung des Heißwassers aufgrund der Heißwasserumwälzwirkung der Umwälzpumpe 21 kann auf ein Minimum gedrückt werden.
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel wird, wenn die Bestimmungen in beiden Schritten S140 und S150 "Y" sind, der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 beendet. Es ist jedoch auch möglich, auf die Bestimmung des Schrittes S150 in Fig. 3 zu verzichten. In diesem Fall wird der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 nur durch die Entscheidung in Schritt S140 unabhängig von der Wärmepumpenwasserzufuhrtemperatur Tin2 beendet.
    • Zweites Ausführungsbeispiel
  • In dem ersten Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass um 23:00 Uhr, wenn der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 startet, das meiste Heißwasser in dem Heißwasserbehälter 16 durch die Tageszufuhr des Heißwassers verbraucht ist und die verbleibende Wassermenge Lt mit der vorgegebenen Temperatur (z. B. 50°C) oder höher in dem Heißwasserbehälter 16 eine vorgegebene kleine Menge (konkret 50 L) ist, und die Sollsiedetemperatur Ta wird auf der Basis des Unterschieds zwischen der Sollwärmespeichermenge Qt und der verbleibenden Heißwassermenge QLt berechnet. Jedoch variiert in Wirklichkeit der Verbrauch des Heißwasserzufuhrsystems jeden Tag sehr stark und die Tagesmenge an Heißwasserzufuhr schwankt stark. Folglich variiert die Menge Lt des verbleibenden Heißwassers jeden Tag stark.
  • Ein solcher Fall, dass die tatsächliche Menge an Heißwasserzufuhr viel kleiner als eine erwartete Sollheißwasserzufuhrmenge ist, tritt auf. In diesem Fall ist die Menge Lt des verbleibenden Heißwassers in dem Heißwasserbehälter 16 viel größer als die vorgegebene Menge. Obwohl die Ausgangstemperatur des Heißwassers unmittelbar nach Beendigung des Siedevorgangs hoch ist, aufgrund der langen Zeit bis zu dem Start (23:00 Uhr) des nächsten Siedevorgangs, sinkt die Temperatur des verbleibenden Heißwassers stark von der Ausgangstemperatur (z. B. etwa 80 bis 90°C), da das Heißwasser lange Zeit gelassen wird.
  • Deshalb wird, wenn der in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Siedevorgang in einem solchen Zustand durchgeführt wird, bis die Temperatur T320 des Heißwassers auf dem Niveau 320 L nahe dem Boden des Heißwasserbehälters 16 auf die vorgegebene Temperatur Tao (= Ta - α) steigt, der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 fortgesetzt. Falls der Zustand, in dem Wasser einer viel höheren Temperatur als das Brauchwasser niedriger Temperatur dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 der Wärmepumpe 10 zugeführt wird, nicht für eine lange Zeit andauert, erreicht daher die Wärmespeichermenge durch den Siedevorgang der Wärmepumpe 10 nicht die Sollwärmespeichermenge.
  • Als Ergebnis wird die Betriebszeit in einem Zustand, in dem die Temperaturdifferenz zwischen einer Hochdruckkühlmitteltemperatur in dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 und der Temperatur Tin2 des dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 der Wärmepumpe 10 zugeführten Wassers klein ist, verlängert. Dies bewirkt eine Verschlechterung der Heizleistung und der Arbeitsleistung der Wärmepumpe 10.
  • In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die Menge Lt des tatsächlich verbleibenden Heißwassers zu Beginn des Siedevorgangs der Wärmepumpe 10 bestimmt, und die Sollsiedetemperatur Ta wird unter Berücksichtigung der tatsächlich verbleibenden Heißwassermenge Lt berechnet. Durch Steuern des Siedevorgangs der Wärmepumpe 10 mit der berechneten Sollsiedetemperatur Ta wird die Arbeitsleistung der Wärmepumpe 10 mehr als bei dem ersten Ausführungsbeispiel verbessert.
  • Fig. 4 zeigt eine Steuerroutine des zweiten Ausführungsbeispiels: Die Steuerroutine von Fig. 4 startet um 23:00 Uhr als Startzeit des Mitternachtsstromversorgungstarifs. Zuerst wird in Schritt S300 die verbleibende Heißwassermenge Lt in dem Heißwasserbehälter 16 bestimmt. Die Bestimmung wird insbesondere durchgeführt, wie in Fig. 5 dargestellt. Fig. 5 zeigt ein spezielles Beispiel von Wassertemperaturen auf unterschiedlichen Niveaus in der vertikalen Richtung des Heißwasserbehälters 16 zu Beginn des Mitternachtsstromversorgungstarifs. Die Zeichen von 50 L bis 320 L auf der horizontalen Achse entsprechen den Zeichen in Fig. 1.
  • In dem Beispiel von Fig. 5 ist die Bestimmungstemperatur Trd des verbleibenden Heißwassers auf 50°C eingestellt, und Heißwasser in dem oberen Teil des Behälters, dessen Temperatur höher als 50°C ist, wird als verbleibendes Heißwasser bestimmt. Deshalb ist in Fig. 5 die verbleibende Heißwassermenge Lt = 150 L. Die Wassermenge, bei der die verbleibende Heißwassermenge Lt von der Gesamtkapazität des Behälters abgezogen wird, ist die Sollsiedemenge. La. In Fig. 5 ist die Sollsiedemenge La = 370 L - 150 L = 220 L.
  • Wie in Fig. 4 dargestellt, wird in Schritt S310 die Sollsiedetemperatur Ta so berechnet, dass man die Wärmespeichermenge mit der Sollsiedemenge La erhält.
  • Konkret wird die Sollsiedetemperatur Ta durch die folgenden Gleichung (2) berechnet:

    Ta = (Qt - QLt)/(220 L × C) + Tin1 (2)
  • In Gleichung (2) wird die Sollwärmespeichermenge Qt des Siedens durch die bei der maximalen Heißwasserzufuhr je Tag in der letzten Woche benutzte Wärmemenge in einer Weise ähnlich wie Gleichung (1) bestimmt. C und Tin1 bezeichnen eine spezifische Wärme des Wassers bzw. eine Behälterwassertemperatur in einer Weise ähnlich Gleichung (1). QLt bezeichnet die Wärmemenge des verbleibenden Heißwassers (Lt = 150 L). Die Wärmemenge QLt des verbleibenden Heißwassers wird durch die folgende Gleichung (3) berechnet:

    QLt = 50 L × (T50 - Tin1) × C + 50 L × (T100 - Tin1) × C + 50 L × (T150 - Tin1) × C (3)
  • In Gleichung (3) bezeichnen T50, T100 und T150 Wassertemperaturen auf den Niveaus 50 L, 100 L bzw. 150 L in der vertikalen Richtung des Behälters, wie auf der horizontalen Achse von Fig. 5 dargestellt.
  • In Schritt S320 werden die Umwälzpumpe 21 und der Kompressor 12 in Betrieb genommen, um den Siedevorgang der Wärmepumpe 10 zu starten. Der Siedevorgang wird fortgesetzt, bis in Schritt S330 bestimmt wird, dass der Siedevorgang beendet werden kann. In Schritt S330 wird insbesondere bestimmt, ob die Wassertemperatur T250 auf dem Niveau 250 L in der vertikalen Richtung des Behälters 16 auf die vorgegebene Temperatur Tao (= Ta - α), welche durch die Sollsiedetemperatur Ta bestimmt wird, oder höher gestiegen ist oder nicht. Die Sollsiedemenge La erhält man durch Subtrahieren der verbleibenden Heißwassermenge Lt von der Behälterkapazität und sie ist in dem Beispiel wie oben beschrieben gleich 220 L. Folglich kann, wenn bestimmt wird, dass die Wassertemperatur T250 auf dem Niveau 250 L höher als das Niveau 220 L auf die vorgegebene Temperatur Tao oder höher gestiegen ist, bestimmt werden, dass die Sollwärmespeichermenge (Qt - QLt) in dem Wasser der Sollsiedemenge La gespeichert worden ist.
  • Falls die Bestimmung in Schritt S330 "Y" ist, geht das Programm weiter zu Schritt S340, wo der Kompressor 12 gestoppt und der Siedevorgang beendet wird. Andernfalls setzt die Umwälzpumpe 21 in Schritt S330 ihren Betrieb mit der maximalen Förderleistung fort.
  • In einer Weise ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel wird durch Bewegen des Heißwassers niedriger Temperatur in dem Bodenteil in dem Heißwasserbehälter 16 zu dem oberen Teil in dem Heißwasserbehälter 16, um mit Heißwasser hoher Temperatur vermischt zu werden, nachdem der Siedevorgang beendet ist, der Temperaturgradient in der vertikalen Richtung des Heißwassers in dem Heißwasserbehälter 16 erniedrigt und die Temperatur des Heißwassers in dem Bodenteil des Heißwasserbehälters 16 kann auf eine Temperatur von 55°C oder höher eingestellt werden, bei der die Bakterien, welche die Legionärskrankheit verursachen, nicht wachsen.
  • Der Betrieb der Umwälzpumpe 21 wird fortgesetzt bis in Schritt S350 ein Stopp der Umwälzpumpe 21 bestimmt wird. Wenn eine Stoppbedingung der Umwälzpumpe 21 bestimmt wird, geht das Programm weiter zu Schritt S360, wo der Betrieb der Umwälzpumpe 21 gestoppt wird.
  • Die Stoppbedingung der Umwälzpumpe 21 wird wie folgt bestimmt. Insbesondere wird eine Zeitdauer, die notwendig ist, um die Menge Heißwasser auf dem oder niedriger als das 250 L-Niveau des Heißwasserbehälters 16, mit anderen Worten die Menge Heißwasser entsprechend der Menge Lt an verbleibendem Heißwasser, zu bewegen, aus der Menge Heißwasser (Menge des verbleibenden Heißwassers) und der Umwälzfdrderleistung der Umwälzpumpe 21 berechnet. Wenn die berechnete Zeitdauer nach Beendigung des Siedevorgangs verstrichen ist, wird die Umwälzpumpe 21 gestoppt.
  • Als weiteres Verfahren zur Bestimmung der Stoppbedingung der Umwälzpumpe 21 ist es auch möglich, zu bestimmen, ob die Temperatur des Heißwassers in dem Bodenteil des Heißwasserbehälters 16 auf eine vorgegebene Temperatur von 55°C oder höher gestiegen ist. Zum Beispiel steigt die durch den Temperatursensor 26f auf dem niedrigsten Niveau (320 L) erfasste Temperatur oder die durch den Temperatursensor 28 erfasste Temperatur Tin2 des der Wärmepumpe zugeführten Heißwassers auf eine vorgegebene Temperatur von 55°C oder höher. Anschließend wird die Umwälzpumpe 21 in Schritt S360 gestoppt. Das heißt, nach Bestimmen, dass die Temperatur des aus dem Bodenteil des Heißwasserbehälters 16 strömenden Heißwassers auf die vorgegebene Temperatur oder höher steigt, kann die Umwälzpumpe 21 gestoppt werden.
  • Alternativ kann der Betrieb der Umwälzpumpe 21 gestoppt werden, wenn die Differenz der Temperatur in dem oberen Teil und die Temperatur in dem unteren Teil in dem Heißwasserbehälter 16 gleich oder niedriger als die vorgegebene Temperatur wird. Wenn z. B. die Differenz der durch den obersten Temperatursensor 26a erfassten Wassertemperatur und die durch den untersten Temperatursensor 26f von den Temperatursensoren 26a bis 26f erfassten Wassertemperatur gleich oder niedriger als die vorgegebene Temperatur wird, kann der Betrieb der Umwälzpumpe 21 gestoppt werden.
  • Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird die tatsächlich verbleibende Heißwassermenge Lt zu Beginn des Siedevorgangs der Wärmepumpe 10 bestimmt, die Sollsiedetemperatur Ta zum Erzielen der Sollwärmespeichermenge für die Sollsiedemenge La, d. h. die Menge des Heißwassers durch Abzug der verbleibenden Heißwassermenge Lt von der gesamten Behälterkapazität, wird berechnet. Wenn die Temperatur des Heißwassers (in dem Beispiel die Heißwassertemperatur T250 auf dem Niveau 250 L) auf dem Niveau entsprechend der Sollsiedemenge La auf die Sollsiedetemperatur Ta steigt, wird der Siedevorgang beendet. Demgemäß wird, wenn die tatsächlich verbleibende Heißwassermenge Lt groß ist, der Zeitpunkt der Beendigung des Siedevorgangs im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel früher. Als Ergebnis kann die Zufuhr des verbleibenden Heißwassers mit relativ hoher Temperatur zu dem Wärmetauscher auf der Hochdruckseite 13 der Wärmepumpe 10 im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel eingeschränkt werden, und es kann ein effizienterer Siedevorgang in der Wärmepumpe 10 ausgeführt werden.
    • Drittes Ausführungsbeispiel
  • In dem oben beschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel wird die tatsächlich verbleibende Heißwassermenge Lt zu Beginn des Siedevorgangs der Wärmepumpe 10 bestimmt und die Sollsiedetemperatur Ta wird unter Berücksichtigung der tatsächlich verbleiben Heißwassermenge Lt berechnet. In dem dritten Ausführungsbeispiel wird auf der Basis der tatsächlichen Betriebsbedingungen der Wärmepumpe 10, insbesondere der Außenlufttemperatur, der Behälterwasserzufuhrtemperatur Tin1 und dergleichen, eine obere Grenzsiedetemperatur Tah zum Sicherstellen des Arbeitswirkungsgrades der Wärmepumpe 10 separat berechnet. Durch Regulieren der Sollsiedetemperatur Ta auf die obere Grenzsiedetemperatur Tah kann, selbst wenn die tatsächlichen Betriebsbedingungen stark schwanken, der Arbeitsleistungsgrad der Wärmepumpe 10 immer auf dem hohen Niveau gehalten werden.
  • Fig. 6 zeigt eine Steuerroutine des dritten Ausführungsbeispiels. Die Schritte S310 bis S360 in Fig. 6 sind die gleichen wie jene in Fig. 4. Nach Durchführen der Bestimmung der verbleibenden Heißwassermenge Lt in Schritt S300 und der Berechnung der Sollsiedetemperatur Ta in Schritt S310 in einer Weise ähnlich wie Fig. 4 wird in Schritt S370 bestimmt, ob die Sollsiedetemperatur Ta gleich oder niedriger als die obere Grenzsiedetemperatur Tah ist oder nicht.
  • Bei der Bestimmung in Schritt S370 kehrt das Programm zu Schritt S300 zurück, in dem die verbleibende Heißwassermenge Lt wieder bestimmt wird, wenn die Sollsiedetemperatur Ta höher als die obere Grenzsiedetemperatur Tah ist. Jedes Mal, wenn die Neubestimmung durchgeführt wird, ist die Bestimmungstemperatur des verbleibenden Heißwassers Trd, die in Fig. 5 dargestellt ist, um einen vorgegebenen Wert gestiegen. Folglich sinkt ein Neubestimmungswert der verbleibenden Heißwassermenge Lt, so dass der numerische Wert (220 L) der Sollsiedemenge La als der Nenner in Gleichung 2 ansteigt und die Sollsiedetemperatur Ta sinkt.
  • Wenn die Bestimmung in Schritt S370 "Y" ist, geht das Programm weiter zu Schritt S320, in dem der Siedevorgang gestartet und die Siedetemperatur der Wärmepumpe 10 so gesteuert wird, dass sie die Sollsiedetemperatur Ta wird, welche gleich oder niedriger als die obere Grenzsiedetemperatur Tah ist.
  • Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel wird die Sollsiedetemperatur Ta gleich oder niedriger als die obere Grenzsiedetemperatur Tah bestimmt, welche auf der Basis der Betriebsbedingungen wie beispielsweise der Außenlufttemperatur und der Behälterheißwassertemperatur Tin1 bestimmt wird. Deshalb kann der Arbeitsleistungsgrad der Wärmepumpe 10 unabhängig von Schwankungen der Betriebsbedingungen immer auf dem hohen Niveau gehalten werden.
    • Viertes Ausführungsbeispiel
  • Fig. 7 zeigt eine Steuerroutine des vierten Ausführungsbeispiels. In einer Weise ähnlich dem dritten Ausführungsbeispiel wird auf der Basis tatsächlicher Betriebsbedingungen wie beispielsweise der Außenlufttemperatur und der Behälterwasserzufuhrtemperatur Tin1 eine obere Grenzsiedetemperatur Tah zum Sicherstellen des Arbeitswirkungsgrades der Wärmepumpe 10 separat berechnet. In dem Fall der Regulierung der Sollsiedetemperatur Ta gleich oder niedriger als die obere Grenzsiedetemperatur Tah wird nach Verwendung des zugeführten Heißwassers der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 wieder durchgeführt, wodurch eine Knappheit der Menge des Wärmespeichers wegen der Regulierung der Sollsiedetemperatur Ta kompensiert wird.
  • In Fig. 7 sind die gleichen Schritte wie jene in Fig. 4 mit den gleichen Schrittnummern gekennzeichnet. In Schritt S315 wird die Sollsiedetemperatur Ta unter Berücksichtigung der tatsächlich verbleibenden Heißwassermenge Lt wie durch Gleichung (2) dargestellt berechnet. Die Sollsiedetemperatur Ta wird mit der separat auf der Basis der tatsächlichen Betriebsbedingungen wie beispielsweise der Außenlufttemperatur und der Behälterheißwassertemperatur Tin 1 berechneten oberen Grenzsiedetemperatur Tah berechnet. Wenn Ta ≤ Tah, wird die durch Gleichung (2) berechnete Sollsiedetemperatur Ta benutzt so wie sie ist. Wenn dagegen Ta > Tah, wird die obere Grenzsiedetemperatur Tah als die Sollsiedetemperatur Ta benutzt.
  • Durch Verwendung der Sollsiedetemperatur Ta, welche wie oben beschrieben gleich oder niedriger als die obere Grenzsiedetemperatur Tah reguliert wird, wird der Siedevorgang der Wärmepumpe 10 in Schritt S320 durchgeführt. In den Schritten S330 bis S360 werden die gleichen Steuerprozesse wie jene in Fig. 4 durchgeführt. In Schritt S380 wird eine zusätzliche Siedemenge Lu wie folgt berechnet.
  • Insbesondere wird die Wärmemenge, welche gespeichert werden kann, falls Ta auf Tah reguliert wird, auf der Basis der Menge Lt und der Temperatur des tatsächlich verbleibenden Heißwassers, der Sollsiedemenge La (= Behälterkapazität - verbleibende Heißwassermenge Lt) und der oberen Grenzsiedetemperatur Tah berechnet. Die Wärmemenge, die gespeichert werden kann, falls Ta nicht auf Tah reguliert wird (Ta > Tah), wird ähnlich berechnet. Der Unterschied zwischen den Wärmemengen, die gespeichert werden können, erhält man als Unterwärmemenge. Aus der Unterwärmemenge und der Siedetemperatur Tah wird in Schritt S380 eine zusätzliche Sollsiedemenge Lu berechnet.
  • In Schritt S390 wird bestimmt, ob die der Heißwasserzufuhreinrichtung zugeführte Heißwassermenge gleich oder größer als die vorgegebene Menge wird. Die der Heißwasserzufuhreinrichtung zugeführte Heißwassermenge wird durch den Durchsatzmengensensor 30 erfasst. Wenn die zugeführte Heißwassermenge gleich oder niedriger als eine vorgegebene Menge (z. B. 100 L) ist, wird die Bestimmung in Schritt S390 wiederholt. Wenn die zugeführte Heißwassermenge 100 L übersteigt, geht das Programm weiter zu Schritt S400 und der Kompressor 12 der Wärmepumpe 10 und die Umwälzpumpe 21 werden in Schritt S400 in Betrieb genommen, um den zusätzlichen Siedevorgang der Wärmepumpe 10 zu starten.
  • In Schritt S410 wird die zusätzliche Siedemenge L der Wärmepumpe 10 auf der Basis der zusätzlichen Siedezeit der Wärmepumpe 10 berechnet. Die Siedemenge L kann auf der Basis einer Förderleistung der Umwälzung der Umwälzpumpe 21 berechnet werden.
  • In Schritt S420 wird bestimmt, ob die tatsächliche zusätzliche Siedemenge L durch den zusätzlichen Siedevorgang die zusätzliche Sollsiedemenge Lu erreicht hat oder nicht. Wenn die tatsächliche zusätzliche Siedemenge L die zusätzliche Sollsiedemenge Lu erreicht, geht das. Programm weiter zu Schritt S430, in dem der Kompressor 12 der Wärmepumpe 10 und die Umwälzpumpe 21 gestoppt werden, um dadurch den zusätzlichen Siedevorgang zu stoppen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung vollständig in Zusammenhang mit den bevorzugten Ausführungsbeispielen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen für den Fachmann offensichtlich sind.
  • Zum Beispiel wird in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen die verbleibende Heißwassermenge Lt in dem Heißwasserbehälter 16 zu Beginn des Siedevorgangs bestimmt. Auf der Basis der verbleibenden Heißwassermenge Lt wird die Sollsiedemenge La (Behälterkapazität - verbleibende Heißwassermenge Lt) durch den Siedevorgang bestimmt. Ferner wird auf der Basis der Wärmespeichermenge als Differenz zwischen der Wärmemenge QLt der verbleibenden Heißwassermenge Lt und der Sollwärmemenge Qt des nächsten Siedevorgangs und der Sollsiedemenge La die Sollsiedetemperatur Ta bestimmt. Zusätzlich wird, wenn die Wassertemperatur auf dem Wasserniveau nahe der Sollsiedemenge La in dem Heißwasserbehälter 16 auf die vorgegebene Temperatur Tao (= Ta - α) nahe der Sollsiedetemperatur Ta steigt, der Vorgang (Siedevorgang) der Wärmepumpe 10 gestoppt. Es ist jedoch auch möglich, den Vorgang (Siedevorgang) der Wärmepumpe 10 zu stoppen, ohne zu bestimmen, ob die Wassertemperatur auf dem Wasserniveau nahe der Sollsiedemenge La auf die vorgegebene Temperatur Tao nahe der Sollsiedetemperatur Ta steigt. Insbesondere wird die verbleibende Heißwassermenge Lt in dem Heißwasserbehälter 16 zu Beginn des Siedevorgangs bestimmt, die gespeicherte Wärmemenge (Qt - QLt) als Differenz zwischen der Wärmemenge QLt der verbleibenden Heißwassermenge Lt und der Sollwärmespeichermenge Qt des nächsten Siedevorgangs wird berechnet, die zum Erzielen der Wärmespeichermenge notwendige Siedezeit wird durch die Wärmespeichermenge und das Heizvermögen der Wärmepumpe 10 berechnet, und der Betrieb der Wärmepumpe 10 wird nach Verstreichen der Siedezeit gestoppt. Das heißt, "der Zustand, in dem die Wassertemperatur auf dem Niveau nahe der Sollsiedemenge La auf die vorgegebene Temperatur Tao nahe der Sollsiedetemperatur Ta ansteigt," kann durch Verstreichen der durch die Speichermengenwärme (Qt - QLt) berechneten Siedezeit und des Wärmepumpenheizvermögens geschätzt werden.
  • In jedem der vorhergehenden Ausführungsbeispiele wird die Sollsiedemenge La der durch den Siedevorgang der Wärmepumpe zu speichernden Wärme durch den Unterschied zwischen der Behälterkapazität und der verbleibenden Heißwassermenge Lt berechnet. Jedoch wird üblicherweise zu Beginn der tatsächlichen Siedesteuerung des Heißwasserzufuhrsystems die minimale Menge des gespeicherten Heißwassers, die immer in dem Heißwasserbehälter 16 gewährleistet ist und praktisch nicht verwendet wird, eingestellt. Die minimale Menge des gespeicherten Heißwassers beträgt z. B. etwa 50 bis 100 L, falls die Behälterkapazität 370 L ist. Da die minimale Menge des gespeicherten Heißwassers nicht genutzt wird, aber in dem Heißwasserbehälter 16 gewährleistet ist, kann die Sollsiedemenge La durch Subtrahieren der minimalen Menge des gespeicherten Heißwassers und ferner der verbleibenden Heißwassermenge Lt von der tatsächlichen Kapazität des Heißwasserbehälters 16 berechnet werden. Kurz gesagt kann die Sollsiedemenge La durch Subtrahieren der minimalen Menge des gespeicherten Heißwassers und der verbleibenden Heißwassermenge Lt von der tatsächlichen Kapazität des Heißwasserbehälters 16 berechnet werden.
  • Derartige Veränderungen und Modifikationen sind selbstverständlich innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung, wie sie durch die anhängenden Ansprüche definiert ist.

Claims (13)

1. Heißwasserzufuhrsystem, mit
einer Wärmepumpeneinheit (10) mit einem Wärmetauscher (13), in dem ein Kühlmittel auf der Hochdruckseite mit Wasser in Wärmeaustausch steht, um das Wasser zu erwärmen;
einem Wasserbehälter (16), in dem das in dem Wärmetauscher (13) erwärmte Wasser für eine Versorgung gespeichert wird;
einer Umwälzpumpe (21) zum Umwälzen des Wassers in einem Bodenteil des Wasserbehälters (16) zu einem oberen Teil in dem Wasserbehälter (16) nach Durchlaufen des Wärmetauschers (13); und
einer Steuereinheit (32) zum Steuern des Betriebs der Wärmepumpeneinheit (10) und der Umwälzpumpe (21), wobei
die Steuereinheit (32) einen Siedevorgang des Wassers in dem Wasserbehälter (16) durch Betreiben sowohl der Wärmepumpeneinheit (10) als auch der Umwälzpumpe (21) durchführt und den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (10) stoppt, bevor das gesamte Wasser in dem Wasserbehälter (16) in dem Siedevorgang aufgekocht ist; und
die Umwälzpumpe (21) durch die Steuereinheit (32) in Betrieb genommen wird, nachdem der Betrieb der Wärmepumpeneinheit (10) gestoppt ist, so dass Wasser in den Bodenteil des Wasserbehälters (16) durch den Betrieb der Umwälzpumpe (21) in den oberen Teil in dem Wasserbehälter (16) bewegt wird.
2. Heißwasserzufuhrsystem nach Anspruch 1, bei welchem die Steuereinheit (32) enthält:
eine erste Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer verbleibenden Heißwassermenge in dem Wasserbehälter (16) zu Beginn des Siedevorgangs,
eine zweite Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Sollsiedemenge in dem nächsten Siedevorgang basierend auf der verbleibenden Heißwassermenge in dem Wasserbehälter (16) und einer Kapazität des Wasserbehälters (16), und
eine dritte Bestimmungseinrichtung zum Bestimmen einer Sollsiedetemperatur basierend auf einem Unterschied zwischen einer Sollwärmespeichermenge in dem nächsten Siedevorgang und einer Wärmemenge der verbleibenden Heißwassermenge in dem Wasserbehälter, und der Sollsiedemenge; und
die Steuereinheit den Siedevorgang derart steuert, dass eine Siedetemperatur der Wärmepumpeneinheit (10) die Sollsiedetemperatur wird.
3. Heißwasserzufuhrsystem nach Anspruch 2, bei welchem die Steuereinheit (32) den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (10) stoppt, wenn die Wassertemperatur in einer Höhenposition in dem Wasserbehälter (16) etwa entsprechend der Sollsiedemenge auf eine vorgegebene Temperatur nahe der Sollsiedetemperatur angestiegen ist.
4. Heißwasserzufuhrsystem nach Anspruch 2 oder 3, ferner mit mehreren Temperatursensoren (26a-26gf), die an in vertikaler Richtung unterschiedlichen Positionen in dem Wasserbehälter (16) zum Erfassen der Wassertemperaturen an den unterschiedlichen Positionen in dem Wasserbehälter (16) angeordnet sind, wobei die erste Bestimmungseinrichtung die verbleibende Heißwassermenge in dem Wasserbehälter (16) basierend auf den durch die Temperatursensoren (26a-26f) erfassten Wassertemperaturen über einer Bestimmungstemperatur bestimmt.
5. Heißwasserzufuhrsystem nach Anspruch 4, bei welchem die Steuereinheit (32) eine Wärmemenge der verbleibenden Heißwassermenge in dem Wasserbehälter basierend auf der Heißwassermenge und den durch die Temperatursensoren (26a-26f) erfassten Wassertemperaturen über der Bestimmungstemperatur berechnet.
6. Heißwasserzufuhrsystem nach Anspruch 3, ferner mit mehreren Temperatursensoren (26a-26f), die an in vertikaler Richtung unterschiedlichen Positionen in dem Wasserbehälter (16) zum Erfassen der Wassertemperaturen an den unterschiedlichen Positionen in dem Wasserbehälter (16) angeordnet sind, wobei die Steuereinheit (32) den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (10) stoppt, wenn die Wassertemperatur eines Temperatursensors (26a-26f) an einer Position entsprechend der Sollsiedemenge auf die vorgegebene Temperatur nahe der Sollsiedetemperatur angestiegen ist.
7. Heißwasserzufuhrsystem nach Anspruch 1, bei welchem
die Steuereinheit eine verbleibende Heißwassermenge in dem Wasserbehälter (16) zu Beginn des Siedevorgangs bestimmt und eine Siedezeit basierend auf einem Unterschied zwischen einer Sollwärmespeichermenge in dem nächsten Siedevorgang und einer Wärmemenge der verbleibenden Heißwassermenge in dem Wasserbehälter und einer Heizkapazität der Wärmepumpeneinheit (10) berechnet; und
die Steuereinheit (32) den Betrieb der Wärmepumpeneinheit (10) stoppt, wenn die Siedezeit in dem Siedevorgang abgelaufen ist.
8. Heißwasserzufuhrsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei welchem die Steuereinheit (32) eine Zufuhrwärmemenge einer einem Verbraucher zugeführten Heißwassermenge berechnet und speichert und die Sollwärmespeichermenge in dem nächsten Siedevorgang basierend auf der gespeicherten Zufuhrwärmemenge bestimmt.
9. Heißwasserzufuhrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Steuereinheit (32) den Betrieb der Umwälzpumpe (21) stoppt, wenn eine eingestellte Zeit nach Inbetriebnahme der Umwälzpumpe während der gestoppten Wärmepumpeneinheit abgelaufen ist.
10. Heißwasserzufuhrsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welchem die Steuereinheit (32) eine Betriebszeit, während der die Umwälzpumpe (21) während des gestoppten Betriebs der Wärmepumpeneinheit (10) betrieben wird, basierend auf der verbleibenden Heißwassermenge in dem Wasserbehälter (16) und einer Umwälzwassermenge in der Umwälzpumpe (21) berechnet.
11. Heißwasserzufuhrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Steuereinheit (32) den Betrieb der Umwälzpumpe (21) stoppt, wenn eine von dem Bodenteil in dem Wasserbehälter (21) zu dem Wärmetauscher (13) zugeführte Wassertemperatur auf eine vorgegebene Temperatur gestiegen ist.
12. Heißwasserzufuhrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem die Steuereinheit (32) den Betrieb der Umwälzpumpe (21) stoppt, wenn eine Temperaturdifferenz des Wassers an dem oberen Teil in dem Wasserbehälter (16) und des Wassers in dem Bodenteil des Wasserbehälters (16) kleiner als eine vorgegebene Temperatur wird.
13. Heißwasserzufuhrsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei welchem die Wärmepumpeneinheit (10) ein superkritischer Kühlkreislauf (10) ist, in dem der Druck des Kühlmittels auf der Hochdruckseite höher als der kritische Druck des Kühlmittels ist.
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