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Die
Erfindung betrifft ein Regelgerät
für ein einen
Wärmenutzkreis
oder Wärmespeicher
beheizendes Heizgerät,
insbesondere Wärmepumpe,
wobei am Regelgerät
ein Sollwert für
die Warmwassertemperatur einstellbar ist und das Heizgerät wenigstens
ein Sicherheitsorgan aufweist, das bei Erreichen eines Grenzwertes
das Heizgerät
abschaltet.
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Ein
derartiges Regelgerät
steuert das Heizgerät
so, dass im Warmwassernutzkreis oder im Warmwasserspeicher ein Sollwert
der Warmwassertemperatur erreicht wird. Der Nutzer kann den Sollwert
einstellen. Der Sollwert kann auch von einem Programm, beispielsweise
in Abhängigkeit
von einer Außentemperatur,
vorgegeben sein.
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Heizgeräte, insbesondere
Wärmepumpen, weisen
interne Sicherheitsorgane auf, die beim Erreichen eines Grenzwertes
ansprechen und das Heizgerät
zwangsweise abschalten. Sicherheitsorgane einer Wärmepumpe
sind Hochdruckwächter,
Niederdruckwächter
und Hochdruck-Temperaturwächter
im Wärmepumpenkreis.
Mit einer Wärmepumpe
lässt sich
in der Regel eine maximale Wasserspeichertemperatur von 55°C bis 65°C erreichen.
Bei oberhalb dieser Temperaturen sind die betreffenden Betriebswerte
im Wärmepumpenkreis
so hoch, dass wenigstens eines der Sicherheitsorgane anspricht.
Die genannten maximalen Temperaturwerte sind nicht unter allen Betriebsbedingungen
erreichbar. Die erreichbare Temperatur hängt von der momentanen Heizleistung
der Wärmepumpe,
vom verwendeten Wärmetauscher
und dessen Verkalkungsgrad, sowie anderen Einflussgrößen ab.
Dies kann zu folgendem Problem führen:
Stellt der Nutzer einen hohen Sollwert für die Warmwassertemperatur,
beispielsweise 65°C oder
mehr, ein, dann wird im Idealfall die Maximaltemperatur von 65°C erreicht.
Ist jedoch die momentane Heizleistung der Wärmepumpe aus irgendwelchen
Gründen
verringert oder die Wärmeübertragung
von der Wärmepumpe
auf den Warmwasserspeicher, beispielsweise durch Verkalkung des
im Warmwasserspeicher liegenden Wärmetauschers, verringert, dann
wird der Sollwert nicht erreicht. Dies hat zur Folge, dass durch
das Regelgerät
keine Regelabschaltung der Wärmepumpe
erfolgt, sondern das oder die Sicherheitsorgane ansprechen und die Wärmepumpe
für eine
gewisse Zeit abschalten. Dies ist unerwünscht, da die Wärmepumpe überbeansprucht
wird und die Sicherheitsorgane für
Regelabschaltungen verwendet werden, also im Grenzfall ständig aus-
und einschalten. Für
einen solchen Betrieb sind die Sicherheitsorgane nicht ausgelegt.
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Aus
der
DE 39 02 745 C2 ist
eine Wärmepumpenanlage
mit einem Vorkondensator und einem Nachkondensator bekannt, wobei
zwischen Vor- und Nachkondensator ein Wärmetauscher geschaltet ist, der
am oder im Verdichter angeordnet ist. Die Wärmepumpenanlage ist dadurch
gekennzeichnet, dass der weitere Wärmetauscher so ausgelegt ist,
dass im Dauerbetrieb die Temperatur des verdampfenden Kältemittels
etwa 45° C
nicht übersteigt
und dass das Volumen des Sammlers so groß ist, dass er etwa 20–30% des
verflüssigten
Kältemittels
aufnimmt.
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Bei
einem Betriebsverfahren für
eine Wärmepumpe
gemäß
DE 34 29 405 A1 werden
in Abhängigkeit
von einer Wärmeanforderung
mindestens zwei Wärmeverbraucher
mit unterschiedlichen Prioritätsstufen
versorgt. Die Wärmeverbraucher
sind mit Hochdruckpressostaten ausgerüstet, die bei Überdruck
im Kältemittelkreislauf
die Wärmepumpe
ausschalten. Nach einem Ansprechen des Hochdruckpressostaten bei
Versorgung eines Wärmeverbrauchers
wird die Wärmeanforderung
dieses Wärmeverbrauchers
für eine
vorgegebene Zeit unterdrückt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Regelgerät der eingangs genannten Art
vorzuschlagen, welches vermeidet, dass beim Einstellen einer Solltemperatur,
die beim jeweils gegenwärtigen
Zustand des Heizgeräts
nicht erreichbar ist, ein übermäßig häufiges Ansprechen
des oder der Sicherheitsorgane erfolgt.
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Die
genannte Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch
die zwangsweise Herabsetzung des vom Nutzer an sich eingestellten Sollwertes
der Temperatur ist gewährleistet,
dass dann, wenn der Sollwert bei dem momentanen Zustand des Heizgeräts nicht
erreicht werden kann, nicht dauernd, d.h. übermäßig oft das oder die Sicherheitsorgane
ansprechen, sondern das Regelgerät
Regelabschaltungen auf den reduzierten Sollwert vornehmen kann.
Das Heizgerät,
insbesondere Wärmepumpe
und deren Sicherheitsorgane, werden somit nicht überbeansprucht. Das vom Regelgerät erfasste
Kriterium für
die Herabsetzung des Sollwertes der Warmwassertemperatur sind das
Ansprechen des Sicherheitsorgans und/oder das Nichterreichen des
Sollwerts nach einer vorbestimmten Zeit oder ein unregelmäßig geringer
Temperaturgradient.
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Während der
in Wartungsintervallen liegenden Betriebsdauer des Heizgeräts ist mit
einer schleichenden Regelung der Heizleistung der Wärmepumpe,
beispielsweise durch Verschmutzung ihres Verdampfers, oder durch
zunehmende Verschlechterung der Wärmeübertragung, beispielsweise
bei zunehmender Verkalkung, zu rechnen. Um bei solchen Änderungen
der Betriebsbedingungen ein sich ständig wiederholendes Ansprechen
des Sicherheitsorgans bzw. der Sicherheitsorgane zu vermeiden, setzt das
Regelgerät
den jeweils geltenden Sollwert immer wieder herab, wenn das genannte
Kriterium wiederholt auftritt.
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Vorzugsweise
setzt das Regelgerät
beim Auftreten des genannten Kriteriums den Sollwert auf oder unter
den Warmwasser-Temperaturwert
herab, der beim Auftreten des Kriteriums gerade erreicht war. Dadurch
ist erreicht, dass der Sollwert nicht unnötig tiefgesetzt wird.
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Vorzugsweise
setzt das Regelgerät
beim Auftreten des Kriteriums von einem festen oder prozentualen
Betrag jeweils unter den Temperaturwert herab, der beim Auftreten
des Kriteriums erreicht war. Dieser Betrag ist klein im Vergleich
zum Sollwert und beträgt
vorzugsweise etwa 10% bis 20% des Sollwertes. Damit ist in Abhängigkeit
von der Abnahme der momentan möglichen
maximalen Heizleistung der Wärmepumpe
und der zunehmenden Verkalkung eine schrittweise erzwungene Absenkung
des Sollwertes erreicht.
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Beim
Betrieb des Heizgeräts,
insbesondere Wärmepumpe,
können
Fälle auftreten,
bei denen die Heizleistung nur kurzzeitig stark reduziert ist, beispielsweise
wenn der Verdampfer der Wärmepumpe kurzzeitig
abgedeckt ist und dementsprechend die Heizleistung kurzzeitig besonders
stark verringert ist. Um in solchen Fällen eine extreme Herabsetzung des
Sollwertes zu unterdrücken,
setzt das Regelgerät
den Sollwert zunächst
nicht herab. Es erfasst dabei den Zustand, dass beim Auftreten des
genannten Kriteriums die Wasser-Isttemperatur noch kleiner ist als
die um den genannten festen oder prozentualen Betrag verringerte
Sollwerttemperatur.
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Um
zu kontrollieren, ob es nicht doch möglich ist, mit dem ursprünglich vom
Nutzer eingestellten Sollwert zu arbeiten, stellt das Regelgerät den ursprünglichen
Sollwert oder den jeweils vorherigen Sollwert in Zeitintervallen
ein und hält
diesen bei, wenn er zunächst
ohne Auftreten des genannten Kriteriums erreicht wird.
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Damit
der Nutzer oder das Servicepersonal den Zustand der Heizungsanlage
erkennen kann, steuert das Regelgerät eine Anzeige, die das Herabsetzen
des Sollwertes und/oder den herabgesetzten Sollwert und/oder den
zeitlichen Ablauf der Veränderung
der Sollwerte anzeigt. Der Nutzer erhält dann durch einen Hinweis
auf eine gegebenenfalls notwendige Wartung der Heizungsanlage. Das
Servicepersonal erkennt daraus vorliegende Störungen.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Die Figur
zeigt ein Blockschaltbild einer Heizungsanlage mit Regelgerät, Wärmepumpe
und Warmwasserspeicher.
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Eine
Wärmepumpe
mit einem Verdampfer 1, einem Verdichter 2, einem
Verflüssiger 3 und
einem Expansionsventil 4 weist als Sicherheitsorgane niederdruckseitig
einen Druckwächter 5 und
hochdruckseitig einen Druckwächter 6 sowie
einen Temperaturwächter 7 auf.
Mittels der Wächter 5, 6, 7 sind
Grenzwerte vorgegeben, bei deren Erreichen der Verdichter 2 und
damit die Wärmepumpe
wenigstens für
eine gewisse Stillstandszeit über
ein Regelgerät 8 oder
direkt abgeschaltet wird. Der Verdichter 2 der Wärmepumpe
ist von dem Regelgerät 8 schaltbar.
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Zwischen
dem Verflüssiger 3 und
einem Warmwasserspeicher 9, an den beispielsweise eine Zapfstelle 9' angeschlossen
ist, ist ein Wärmeträgerkreis
vorgesehen, der einen Wärmetauscher 10 beim Verflüssiger 3 und
einen Wärmetauscher 11 im Warmwasserspeicher 9 sowie
eine Umwälzpumpe 12 aufweist.
Ein Temperaturfühler 13 erfasst
die Temperatur des Wärmeträgerkreises.
Ein Temperaturfühler 14 erfasst die
Warmwassertemperatur im Warmwasserspeicher 9. Die Temperaturfühler 13, 14 sind an
das Regelgerät 8 angeschlossen.
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Das
digitale Regelgerät 8 empfängt die
aktuellen Daten der Wächter 5, 6, 7 und
der Temperaturfühler 13, 14 über einen
Multiplexer 15 mit A/D-Wandler
und verarbeitet diese in einem Mikrocontroller 16, dem
ein ROM 17 als Programmspeicher, ein RAM 18 als
Arbeitsspeicher und ein eePROM 19 als Parameterspeicher
zugeordnet sind. Im eePROM 19 sind Betriebsparameter, beispielsweise
die Grenzwerte der Wächter 5, 6, 7,
der vorgewählte
Sollwert, der tatsächliche
Sollwert der Warmwasserspeichertemperatur im Speicher 9,
ein Regeldynamikfaktor, eine gewünschte
Warmwasserhysterese und die maximal zulässige Dauerlaufzeit des Verdichters 2 abgelegt.
Der Mikrocontroller 16 steuert den Verdichter 2.
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Im
digitalen Regelgerät 8 sind
maximale Grenztemperaturen für
den max. zulässigen
Arbeitsbereich des Heizgerätes
gespeichert. Überschreiten die
von den Temperaturfühlern 13 und/oder 14 gemessenen
Temperaturen die maximalen Grenztemperaturen, erfolgt eine Abschaltung
des Heizgerätes. Diese
Abschaltung kann ein Kriterium für
die Herabsetzung des Sollwertes sein. Dies ist z.B. der Fall, wenn
der Wärmetauscher 11 verkalkt
ist. Ein vom Nutzer bedienbarer Einsteller 20 dient der
Vorwahl eines Sollwertes der Warmwassertemperatur im Warmwasserspeicher 9. Über einen
A/D-Wandler 21 ist der Einsteller 20 an den Mikrocontroller 16 angeschlossen.
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Eine
vom Mikrocontroller 16 gesteuerte Anzeigeeinrichtung zeigt
die jeweils eingestellte Solltemperatur und weitere Daten. Zum Betrieb
des Regelgerätes 8 ist
ein Netzteil 23 vorgesehen. Ein Busanschluss 24 dient
der Verbindung mit weiteren Aggregaten.
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Die
Funktionsweise ist – soweit
hier von Interesse – im
wesentlichen folgende:
Der Nutzer stellt am Einsteller 20 eine
gewünschte Solltemperatur
ein. Die Wärmepumpe
beheizt über den
Wärmeträgerkreis
den Warmwasserspeicher 9. Ist die Solltemperatur erreicht,
schaltet das Regelgerät 8 die
Wärmepumpe
in normaler Regelabschaltung ab.
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Im
Laufe des Betriebs wird der Wärmetauscher 11 verkalken.
Dadurch und/oder durch andere Erscheinungen verschlechtert sich
die Wärmeübertragung
von der Wärmepumpe
auf den Warmwasserspeicher 9. Die Solltemperatur wird,
insbesondere wenn sie vergleichsweise hoch eingestellt ist, nicht erreicht,
obwohl die Wärmepumpe
arbeitet. Es kommt dann zu einer Überschreitung des Grenzwertes
einer der Wächter 5, 6, 7 oder
der Überschreitung der
maximal zulässigen
Dauerlaufzeit des Verdichters 2. Die Wärmepumpe schaltet zwar ab;
jedoch ist diese Art der Abschaltung unerwünscht und würde sich nach einer erzwungenen
Stillstandszeit ständig wiederholen.
Um dies zu vermeiden, setzt das Regelgerät 8 den an sich vom
Nutzer eingestellten Sollwert zwangsweise auf einen niedrigeren
Wert herab.
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Hierfür erkennt
das Regelgerät 8 ein
entsprechendes Kriterium. Dieses kann beispielsweise das Ansprechen
des Wächters 5, 6, 7 bzw.
das Überschreiten
dessen Grenzwertes sein, wobei nicht unbedingt schon ein erstes
Ansprechen eines der Wächter 5, 6, 7 auslösend sein
muss. Es kann auch vorgesehen sein, die Herabsetzung des Sollwertes erst
dann vorzunehmen, wenn zwei oder mehr Wächter 5, 6, 7 ansprechen
oder ein Wächter
oder mehrere Wächter
mehrmals nacheinander ansprechen.
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Als
Kriterium eignen sich nicht nur Vorgänge der Wärmepumpe, sondern auch der
zeitliche Verlauf der Speichertemperatur bei arbeitender Wärmepumpe.
Denn bei Verkalkung wird der Sollwert der Speichertemperatur nicht
in einer Zeitspanne erreicht, die ohne Verkalkung zum Erreichen
der Solltemperatur genügt.
Bei Verkalkung ist der Temperaturgradient deutlich niedriger als
ohne Verkalkung.
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Wird
der vom Regelgerät 8 herabgesetzte Sollwert
beim weiteren Betrieb erreicht, dann erfolgt durch das Regelgerät eine normale
Regelabschaltung, ohne Ansprechen der Wächter 5, 6, 7.
Wird jedoch der herabgesetzte Sollwert wieder nicht erreicht, dann
senkt das Regelgerät 8 diesen
weiter ab. Dies geschieht auch bei zunehmender Verkalkung.
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Das
Herabsetzen des Sollwertes erfolgt auf oder geringfügig unter
einen Temperaturwert, der beim Auftreten des Kriteriums erreicht
war. Damit wird immer auf oder geringfügig unter die beim jeweiligen
Betriebszustand bzw. Verkalkungszustand maximal erreichbare Temperatur
geregelt – wenn
der Nutzer nicht ohnehin einen niedrigeren Sollwert eingestellt
hat –.
Das Regelgerät 8 "lernt" also bei jeder Speicheraufheizung
den jeweils möglichen
maximalen Sollwert und schreibt diesen in den Speicher.
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Vorzugsweise
wird der "neue", herabgesetzte Sollwert
jeweils um einen vorgegebenen Betrag, beispielsweise 1°C, gegenüber dem
beim Auftreten des Kriteriums erreichten Wert reduziert. Dies entspricht
dem schleichenden Verlauf der Verkalkung. Treten demgegenüber plötzliche
Temperaturänderungen
auf, was beispielsweise der Fall sein kann, wenn der Verdampfer 1 kurzzeitig
verdeckt ist, dann stellt das Regelgerät 8 vor der Herabsetzung
des Sollwertes zunächst
den vorherigen hohen Sollwert ein und prüft, ob dieser nicht doch wieder
erreicht wird. Gleiches ist auch dadurch möglich, dass das Regelgerät 8 in
Intervallen den jeweils vorherigen höheren Sollwert einstellt. Dadurch
wird vermieden, dass eine unnötige
Herabsetzung des Sollwertes erfolgt.
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Das
oben hinsichtlich der Verkalkung Ausgeführte gilt auch für auf anderen
Gründen
beruhende Änderungen
der für
die Warmwasserbereitung übertragbaren
Heizleistung.
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Das
Regelgerät 8 gleicht
die Solltemperatur den tatsächlichen
jeweiligen Möglichkeiten
an. Dies erfolgt bei jeder Speicheraufheizung und jeder Einstellung
der Solltemperatur.
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Die
Anzeigeeinrichtung 22 lässt
den Nutzer durch die abnehmende Solltemperatur Störungen und
Verkalkung erkennen, so dass er eine Wartung veranlassen kann.