DE3229160C2 - Verfahren zum Betreiben einer Luft-Wasser-Wärmepumpe - Google Patents

Abstract

Im Lufttemperaturbereich zwischen +10 ° C und -5 ° C vereist bei hoher Luftfeuchtigkeit bei Luft-Wasser-Wärmepumpen der Verdampfer. Bei Auftreten einer Verdampfervereisung ist ein Abtauzeitpunkt gekommen, in dem durch Umkehren des Kältemittelkreislaufs ein Abtauvorgang einzuleiten ist. Hierbei ist es problematisch, eine Vereisung des Verdampfers ohne erheblichen Aufwand zu erkennen. Erfindungsgemäß wird die Lufteintrittstemperatur ( θ ↓L ↓E) am Verdampfer erfaßt und mit einem Temperaturgrenzwert ( θ ↓L ↓E ↓G) verglichen. Ein Abtauzeitpunkt liegt vor, wenn der Verdampfungsdruck (p ↓V) des Kältemittels einen ersten, höheren Abtaugrenzdruck (p ↓V ↓1) unterschreitet und gleichzeitig die Lufteintrittstemperatur ( θ ↓L ↓E) über dem Temperaturgrenzwert ( θ ↓L ↓E ↓G) liegt oder wenn der Ver dampfungsdruck (p ↓V) einen zweiten, niedrigeren Abtaugrenzdruck (p ↓V ↓2) unterschreitet und gleichzeitig die Lufteintrittstemperatur ( θ ↓L ↓E) den Temperaturgrenzwert ( θ ↓L ↓E ↓G) erreicht oder unterschreitet.

Description

a) wenn der höhere Abtaugrenzdruck (pvι) unterschritten wird und gleichzeitig die Lufteintrittstemperatur (&le) über dem Temperaturgrenzwert (&ieg) liegt, oder

b) wenn der niedrigere Abtaugrenzdruck (pv2) unterschritten wird und gleichzeitig die Lufteintrittstemperatur (??(./r) den Temperaturgrenzwert (&i.eg) erreicht oder unterschreitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturgrenzwert (#u:c) zwischen - 5° C und + 10⁰C liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der höhere Abtaugrenzdruck (pvi) so gewählt ist, daß der Arbeitsbereich (A) der Wärmepumpe im Verdampfungsdruck-Lufteintrittstemperatur-Diagramm (pv — tPf.i-Diagramm) für alle über dem Temperaturgrenzwert (*?/.«;) liegenden Lufteintrittstemperaturen (&Lt) über dem höheren Abtaugrenzdruck (pvι) liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrigere Abtaugrenzdruck (pv2) so gewählt bt, daß er im Verdampfungsdruck-Lufteintrittstemperatur-Diagramm (pv — *?/.£-Diagramm) bei einer so niedrigen Lufleintrittstemperatur (&u-). bei der die Wärmepumpe ihre Einsatzgrenze erreicht (-10⁰C), etwa in der Mitte der zugehörigen, den Arbeitsbereich (A) der Wärmepumpe begrenzenden Verdampfungsdruckwerte liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder bei Auftreten eines Abtauzeitpunktes fr 1, i6) eingeleitete Abtauvorgang eine feste Zeitdauer aufweist.

geführten Kältemittel so erheblich beeinträchtigt, daß kein sinnvoller Weiterbetrieb der Wärmepumpe mehr möglich ist. In diesem Fall ist es dann erforderlich, den Eismantel am Verdampfer abzutauen. Dies geschieht dadurch, daß der Kältemittelkreislauf umgekehrt wird, d. h daß durch Umstellung des sogenannten Abtauventils das vom Verdichter erhitzte Kältemittel nicht mehr durch den den Heizwasserkreis speisenden Kondensor, sondern durch den Verdampfer geleitet wird. Gleichzeitig wird für die Zeitdauer des Abtauens der den Verdampfer anblasende Ventilator stillgelegt. Hierbei ist es problematisch, frühzeitig und zuverlässig eine Verdampfervereisung festzustellen und damit ein geeignetes Kriterium für den Abtauzeitpunkt zu finden. Bei dem aus der erwähnten DE-OS 30 22 571 bekannten Verfahren erfolgt ein Abtauen des Verdampfers, wenn der Verdampfungsdruck des Kältemittels zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter auf einen ersten Abiaugrenzdruck abgesunken ist. Der Heizbetrieb wird jedoch fortgesetzt, wenn der Verdampfungsdruck innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne, beispielsweise einer halben Stunde, zweimal diesen Abtaugrenzdruck erreicht hat. Ein erneutes Abtauen wird erst dann eingeleitet, wenn der Verdampfungsdruck einen zweiten, niedrigeren Abtaugrenzdruck erreicht. Dieses Verfahren ermöglicht bereits eine gute Annäherung an die optimale Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe.

Aus der DE-OS 26 37 129 ist ein Abtauverfahren für den Verdampfer einer Wärmepumpe beschrieben, bei welcher der Abtauvorgang eingeleitet wird, wenn die Differenz zwischen der Temperatur des Kältemittels im Verdampfer und der Umgebungr'.emperatur des Verdampfers einen bestimmten Wert überschreitet. Ferner sind Mittel vorgesehen, welche den Ansprechzeitpunkt des Schaltwerkes derart der Umgebungstemperatur des Verdampfers anpassen, daß mit sinkender Umgebungstemperatur der Abtauvorgang bei geringeren Temperaturspreizungen zwischen den Meßpunkten der Meßwertgeber einsetzt und umgekehrt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, das ohne zeitliche Überwachung des Verlaufs des Verdampfungsdruckes eine noch exaktere Feststellung der Notwendigkeit für einen Abtauvorgang ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zusätzlich die Lufteintrittstemperatur am Verdampfer erfaßt und mit einem Temperaturgrenzwert verglichen wird und daß jeweils ein Abtauzeitpunkt vorliegt.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, wobei die Abtauzeitpunkte, in denen durch Umkehr des Kältemittelkreislaufs das Abtauen des Verdampfers eingeleitet wird, dann vorliegen, wenn der Verdampfungsdruck des Kältemittels im Verdampfer bzw. zwischen Verdampfer und Verdichter mindestens einen von zwei unterschiedlichen Abtaugrenzdrucken unterscheidet.

Ein derartiges Verfahren ist aus der DE-OS 30 22 571 bekannt. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen besteht bei Lufttemperaturen zwischen + 10⁰C und —5"C bei entsprechend hoher Luftfeuchtigkeit die Gefahr, daß sich auf dem Verdampfer ein Eismantel bildet, der den Wärmeübergang zwischen der Luft und dem im Verdampfer

a) wenn der höhere Abtaugrenzdruck unterschritten wird und gleichzeitig die Lufteintrittstemperatur über dem Temperaturgrenzwert liegt oder b) wenn der niedrigere Abtaugrenzdruck unterschritten wird und gleichzeitig die Lufteintrittstemperatür den Temperaturgrenzwert erreicht oder unterschreitet.

Durch den Temperaturgrenzwert erfolgt eine Aufteilung des Arbeitsbereichs der Wärmepumpe im Ver-

bo dampf ungsdruck-Lufteintrittstempera tür- Diagramm (pv — i'/:.rDiagramm) in zwei Teilbereiche. Liegt die Lufleintrittstemperatur über dem Temperaiurgrenzwerl und erfolgt trotzdem eine Unterschreitung des unter diesem Tcilarbeitsbereich liegenden höheren Ablau-

tr> grenzdruckes. so kann dies nur auf einen graucrend verschlechterten Wärmeübergang zwischen der Luft und dom im Verdampfer geführten Kältemittel beruhen, der nur durch eine Verdampfervereisung hervorgerufen

sein kann. Liegt allerdings die Lufteintrittstemperatur unterhalb des Temperaturgrenzwertes, dann liegt der höhere Abtaugrenzdruck im oder über dem zulässigen Arbeitsbereich der Wärmepumpe, so daß in diesem Fall eine Untei schreitung des höheren Abtaugrenzdruckes kein Hinweis für eine Verdampfervereisung ist. Aus diesem Grunde ist für diesen Temperaturoereich ein Vergleich des Verdampfungsdruckes mit dem niedrigeren Abtaugrenzdruck erforderlich, um zu einer eindeutigen Aussage über das Vorliegen einer Verdampfervereisung zu kommen. Auch in diesem Temperaturbereich, in dem die Lufteintrittstemperatur unterhalb des Temperaturgrenzwertes liegt, weist ein Unterschreiten des niedrigeren Abtaugrenzdruckes auf ein Verlassen des normalen Arbeitsbereichs der Wärmepumpe wegen eines gravierend verschlechterten Wärmeübergangs zwischen der Luft und dem im Verdampfer geführten Kältemittel hin, der auf eine Verdampfervereisung zurückzufahren ist.

In einer bevorzugten Ausführungsforrr liegt der Temperaturgrenzwerl in der Mitte des Vereisungsbereichs, der von —5°C bis +10⁰C reicht, also bei ca. + 2.5"C.

Es ist vorteilhaft, wenn der höhere Abtaugrenzdruck so gewählt ist, daß der Arbeitsbereich der Wärmepumpe im Verdampfungsdruck-L.ufteintriitstemperatur-Diagramm für alle über dem Temperaturgrenzwert liegenden Lufteintrittstemperaturen über dem höheren Abtaugrenzdruck liegt. Dies liefert ein eindeutiges Kriterium für die Verdampfervereisung in all den Fällen, in denen die Lufteintrittstemperatur am Verdampfer über dem Temperaturgrenzwert liegt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn der niedrigere Abtaugrenzdruck so gewählt ist, daß er im Verdampfungsdruck-Lufteintrittstemperatur-Diagramm bei einer so niedrigen Lufteintrittstemperatur, bei der die Wärmepumpe ihre Einsatzgrenze erreicht (ca. — 10⁰C), etwa in der Mitte der zugehörigen, den Arbeitsbereich der Wärmepumpe begrenzenden Verdampfungsdruckwerte liegt. Durch diese relativ hohe Lage des niedrigeren Abtaugrenzdruckes wird eine frühzeitige Erkennung einer beginnenden Verdampfervereisung ermöglicht, ohne daß die Gefahr besteht, daß aufgrund von »Fehldiagnosen« überflüssige Abtauvorgänge eingeleitet werden. Allerdings kann der niedrigere Abtaugrenzdruck auch zu niedrigeren Werten hin gewählt werden, wobei dann allerdings mit einem verzögerten Erkennen einer Verdampfervereisung zu rechnen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist jeder bei Auftreten eines Abtauzeitpunktes eingeleitete Abtauvorgang eine feste Zeitdauer auf. Diese Zeitdauer kann beispielsweise fünf Minuten betragen. Da eine Vereisung des Verdampfers durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr frühzeitig erkannt 'vird, sind derartig kurze Abtauzeitdauern ausreichend. Auch dies erhöht die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens, da eine unnötig lange Abtauzeitspanne letztlich die Jahresarbeitszahl tier Wärmepumpe verschlechtert. Für den Fall, daß eine Abtauzeitspanne einmal nicht ausreichend ist, um den Eismantel am Verdampfer zu beseitigen, wird bei der anschließenden Wiederaufnahme des Wärmepumpenbetriebs das Abtaukriterium wiederum erfüllt sein, so daß sich ein erneuter Abtauvorgang mit der festen Abtauzeitdauer ansehließt. Durch eine zeitliche Aneinanderreihung mehrerer Abtauvorgänge der festen Zeitdauer wird in jedem Fall ein vollständiges Abtauen erreicht, wobei maximal um etwas weniger als eine feste Zeitdauer zu lange abgetaut werden kann.

Damit wird eine sehr flexible Betriebsführung und eine Optimierung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe erreicht

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels in den F i g. 1 bis 4 näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 das Verdampfungsdruck-Lufteintrittstemperatur-Diagramm (pv — i?/.£-Diagramm) einer bestimmten Wärmepumpe mit einem bes'immten Kältemittel mit

ίο dem höheren und dem niedrigeren Abtaugrenzdruck pv ι und ρV7 sowie dem Temperaturgrenzwert &lec,

F i g. 2 den zeitlichen Verlauf des Verdampfungsdrtikkes des Kältemittels der Wärmepumpe bei verschiedenen Lufteintrittstemperaturen &le mit je einer Abtaueinleitung,

Fig.3 die schematische Darstellung einer Wärmepumpe zur Durchführung des Verfahrens und

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau einer Abtaukommandostufe 20 in F i g. 3.

In Fig. 1 ist das Verdampfungsdruck-Lufteintrittstemperatur-Diagramm (pv — i?i£-Diagramm) einer Wärmepumpe dargestellt. Hierbei ist auf der Ordinate der Verdampfungsdruck pvdes Kältemittels und auf der Abszisse die Lufteintrittstemperatur &le aufgetragen.

Für jede Wärmepumpe-Kältemittel-Paarung existiert ein derartiges Veidampfungsdruck-Lufteintrittstemperatur-Diagranim.

In dem in F i g. 1 dargestellten Diagramm treten zwei Kurvenäste pvw\ und pvw2 auf, die jeweils den Zusammenhang zwischen Verdampfungsdruck ρ ν und Lufteintrittstemperatur #le für die maximale Wasserauslrittstemperatur &w\ und die minimale Wasseraustrittstenperatur -frwi auf der Heizwasserseite des Kondensors (12 in Fig.3) darstellen. Die maximale bzw. minimale Wasseraustrittstemperatur ??hm und U¹Wi stellen also Wärmepumpen-Betriebsparameter dar, die durch die Wärmepumpentype festgelegt werden und durch Anlagenwerte, die in standardmäßigen Wärmepumpenheizsystemen gleich sind. In dem in Fi g. 1 dargestellten Fall ist die maximale Wasseraustrittstemperatur &W1 — 55°C und die minimale Wasseraustrittsternperatur i?tv2 = 35°C. Zwischen den beiden Kurvenästen pvw\ und pvw2 Hegt der Arbeitsbereich A der Wärmepumpe.

4^r> Ferner sind in F i g. 1 die beiden Abtaugrenzdrucke pv ι und pi 2 eingetragen, wobei im dargestellten Fall der höhere Abtaugrenzdruck pv\ einen Wert von 0,7 bar und der niedrigere Abtaugrenzdruck pvi einen Wert von 0,55 bar aufweist. Ferner ist in F i g. 1 der Ternperaturgrenzwert ??/.«-,- eingetragen, der im vorliegenden Fall bei +2,5⁰C liegt.

Das vorliegende Verfahren nutzt die Erkenntnis, daß ein Absinken des Verdampfungsdruckes pv, bei dem der Arbeitsbereich A der Wärmepumpe verlassen wird, auf eine irreguläre Verschlechterung des Wärmeübergangs zwischen der als Energiespender dienenden Außenluft mit der Lufteintrittstemperatur u-ll und dem Verdampfer (3 in F i g. 3) durch Vereisung des Verdampfers zurückzuführen ist.

bo Durch geeignete Wahl des Temperaturgrenzwertes ihn:, der in F i g. 1 zu &i._Kc = 2,5°C gewählt ist, erfolgt eine Teilung des Arbeitsbereichs A der Wärmepumpe in einen oberhalb und einen unterhalb dieses Temperaturgrenzwertes liegenden Bereich. Dieser Temperatures grenzwert ft, u, ist zwischen —5°Cund +10⁰C wählbar und wird zweckmäßig auf den Mittelwert frux, = + 2,5⁰C gelegt. Dem oberhalb des Temperaturgrenzwertes ??(/<·; zugeordneten Teil des Arbeitsbe-

reichs A der Wärmepumpe ist der Abtaugrenzdruck pv ι zugeordnet, dem unterhalb des Temperaturgrenzwertes ■&EG liegenden Teil des Arbeitsbereichs der niedrigere Abtaugrenzdruck pv2. Der höhere Abtaugrenzdruck pv ι ist hierbei so festgelegt, daß für alle Lufteintrittstemperaturen «?/.& die oberhalb des Temperaturgrenzwertes &LEG liegen, der Arbeitsbereich A der Wärmepumpe über diesem Abtaugrenzdruck p\ \ liegt. Tritt bei einer über dem Temperaturgrenzwert &u:c, liegenden Lufteintrittstemperatur ??,./; ein Erreichen oder Unterschreiten dieses höheren Abtaugrenzdruckes pv\ auf, verläßt also der Verdampfungsdruck den Arbeitsbereich der Wärmepumpe nach unten hin, so wird dies als Abtauzeitpunkt erkannt und ein Abtauvorgang mit fester Zeitdauer, beispielsweise 5 Minuten, eingeleitet. Bei Lufteintrittstemperaturen ιϊ/,ε, die unterhalb des Temperaturgrenzwertes dme. liegen, liegt der obere Abtaugrenzdruck pv \ im oder über dem zulässigen Arbeitsbereich der Wärmepumpe. Das Einleiten eines Ablauvorganges bei Erreichen oder Unterschreiten des höheren Abtaugrenzdruckes pv\ würde in diesem Fall zu einem nicht notwendigen Abtauvorgang und damit einer Verschlechterung der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe führen. Aus diesem Grunde wird bei Lufteintrittstemperaturen &LE, die unterhalb des Temperaturgrenzwertes ■&LEG liegen, ein Unterschreiten dieses höheren Abtaugrenzdruckes pv ι nicht mehr als Abtauzeitpunkt gewertet. Vielmehr wird in diesem Fall ein Vergleich des Verdampfungsdruckes pv des Kältemittels mit dem niedrigeren Abtaugrenzdruck pv₂ durchgeführt und erst bei Unterschreitung dieses niedrigeren Abtaugrenzdruckes ein Abtauvorgang mit fester Zeitdauer, also beispielsweise fünf Minuten, eingeleitet. Der niedrigere Abtaugrenzdruck pv2 ist hierbei so gelegt, daß er unterhalb des Wertes des Kurvenastes pvw ι bei einer so niedrigen Lufteintrittstemperatur i?u: liegt, bei der die Wärmepumpe ihre Einsatzgrenze erreicht. Die Einsatzgrenze einer Wärmepumpe wird üblicherweise etwa bei — 1O^CC erreicht. Um jedoch ein möglichst frühzeitiges Erkennen einer Verdampfervereisung zu ermöglichen, ist es nicht sinnvoll, den niedrigeren Abtaugrenzdruck pv2 zu niedrig zu legen. Er wird deshalb vorteilhafterweise so gelegt, daß er etwa in der Mitte zwischen den Temperaturwerten der Kurvenäste pvw\ und pvwi bei der Lufteintrittstemperatur &u: liegt, bei der die Wärmepumpe ihre Einsatzgrenze erreicht, also bei einer Lufteintrittstemperatur &i.e = — 1O°C. Damit liegt er zwar über dem entsprechenden Wert des Kurvenastes pvw 2 bei der der Einsatzgrenze der Wärmepumpe entsprechenden Lufteintrittstemperatur i?u: = — 10° C, dies ist aber unschädlich, da bei derartig niedrigen Außentemperaturen die Wasseraustrittstemperatur de? Heizwassers am Kondensor in der Umgebung der maximalen Wasseraustrittstemperatur &w\ = 55°C liegen wird.

Fig.2 zeigt beispielhaft den zeitlichen Verlauf des Verdampfungsdruckes pv des Kältemittels der Wärmepumpe bei verschiedenen Außentemperaturen und damit Lufteintrittstemperaturen ι?ι.ε und zwei Abtauvorgängen. Der Verdampfungsdruck ρ ν ist hierbei punktiert eingezeichnet. Als Lufteintrittstemperaturen sind hierbei die Werte #_Lei = 5°C und #_Ui = — 2,5°C gewählt Die Abtaugrenzdrucke pvi und pv: sind strichpunktiert eingezeichnet und decken sich mit den in Fig. 1 verwendeten. Bis zum Zeitpunkt f3 liegt die Lufteintrittstemperatur &le\ = 5^oC vor. Die entsprechende Breite des Arbeitsbereiches dp^&is ι = 5° C) ist aus F i g. 1 bestimmt und wird durch die zur Abszisse t parallelen Geraden p\w\[ihi-:\ = 5°C) und pvw2(-&t.E2 — 5⁰C) begrenzt. Im Zeitbereich zwischen f3 und 14 erfolgt ein Absinken der Außentemperatur. so daß vom Zeitpunkt r4 an eine Lufteintrittstemperatür (JY,/2 = —2,5°C vorliegt. Die Breite des Arbeitsbereiches dpfrh.i-2 — —2,5^CC) ist ebenfalls aus F i g. 1 entnommen und wird in diesem Fall für die Lufteintrittstemperatur /?/./:» = — 2,5°C durch die parallel zur Abszisse verlaufenden Geraden pvw ι und pm 2 gebildet.

Zum Zeitpunkt fO arbeitet die Wärmepumpe stabil. Anschließend beginnt der Verdampfungsdruck p\ wegen Vereisung des Verdampfers (3 in Fi g. 3) zu sinken, wobei der Arbeitsbereich A der Wärmepumpe durch Unterschreiten der Geraden pvw^i.i.y — 5°C) verlassen wird. Im Zeitpunkt M wird schließlich der obere Abtaugrenzdruck pv\ unterschritten. Da die Lufteintrittstemperatur au: i(5°C) über dem Temperaturgrenzwert ■ff'i.na = 2,5°C liegt, wird diese Unterschreitung des oberen Abtaugrenzdruckes pv\ als Abtauzeitpunkt gewertet und ein Abtauvorgang eingeleitet.

Während der festen Abtauzeit bis f 2 und eine Toleranzzeit danach ist der Verdampfungsdruck p_v nicht relevant und wird nicht ausgewertet. Danach läuft die Wärmepumpe wieder stabil bei unveränderter Außen- bzw. Lufteintrittstemperatur <?).£! = 5°C. Von i3 bis 14 sinkt nun die Lufteintrittstemperatur fru; auf den Wert ifi.r = — 2,5°C. Entsprechend verändert sich der Arbeitsbereich A, innerhalb dem sich der Verdampfungsdruck pv mit nach unten bewegt. Allerdings liegt der obere Abtaugrenzdruck pv 1 nunmehr im zulässigen Arbeitsbereich A der Wärmepumpe. Aus diesem Grund wird — da die Lufteintrittstemperatur ifij.2 nunmehr unterhalb des Temperaturgrenzwertes ih.t:c = 2,5°C liegt — das Auftreten eines Abtauzeitpunktes nicht mehr vom Erreichen oder Unterschreiten des oberen Abtaugrenzdruckes, sondern des niedrigeren Abtaugrenzdruckes pvi abhängig gemacht. Sinkt nun wegen erneuter Vereisung der Verdampfungsdruck pv weiter, so wird im Zeitpunkt ί 5, in dem der obere Abtaugrenzdruck pv 1 unterschritten wird, kein Abtauzeitpunkt erkannt. Erst wenn der Verdampfungsdruck pvdie untere Grenze des Arbeitsbereiches Pvwt(^ll2 = -2,5⁰C) und den niedrigeren Abtaugrenzdruck p\■■> unterschritten hat, wird im Zeitpunkt r6 ein erneuter Abtauzeitpunkt erkannt und ein Abtauvorgang mit fester Zeitdauerdurchgeführt. Als dessen Ergebnis läuft nach dem Zeitpunkt 1 7 die Wärmepumpe erneut stabil bei niedrigerer Außentemperatur.

F i g. 3 zeigt eine Wärmepumpe in schematischer Darstellung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Diese Wärmepumpe entspricht in ihrem Aufbau weitgehend einer konventionellen Wärmepumpe. Es ist lediglich zusätzlich die Anbringung eines Temperatursensors 1 zur Erfassung der Lufteintrittstemperatur ??/./r am Verdampfer 3 sowie der Einsatz von zwei Druckschwellwertgebern zur Feststellung der Unterschreitung des höheren und niedrigeren Abtaugrenzdruckes pv 1 und pv2 sowie eine zur Verarbeitung der Ausgangssignale dieser Sensoren geeignete Abtaukommandostufe 20 erforderlich. Die Druckschwellwertgeber für die beiden Abtaugrenzdrucke pvi und pv2 sind im Verdampfer 3 bzw. zwischen Verdampfer 3 und Verdichter 4 anzuordnen. Wie bei jeder konventionellen Wärmepumpe wird im Verdampfer 3 das verflüssigte Kältemittel verdampft Die hierfür notwendige thermische Energie wird der Außenluft entzogen, die durch den Ventilator 5 gegen den Mantel des Verdampfers geblasen wird. Zur Erfassung des dabei entstehenden

Dampfdruckes pv dient der Drucksensor 2, der als Druckschwellwertgeber ausgebildet ist und als Bedarfsabtaupressostat bezeichnet wird. Dieser Drucksensor 2 kann für das erfindungsgemäßc Verfahren zur Vorgabe des Abtaugrenzdruckes p\ \ benutzt werden. Um die Unterschreitung des niedrigeren Abtaugrenzdruckes pv2 zu erfassen, könnte bei dem Drucksensor 2 ein zweiter gleichartiger Drucksensor eingesetzt sein. Es könnte auch ein Drucksensor 2 verwendet werden, der zur Erfassung der Unterschreitung von zwei Schwellwerten ertüchtigt ist, wobei die Schwellwerte in diesem Fall mit dem höheren und dem niedrigeren Abtaugrenzdruck pn und pv2 übereinstimmen müssen. Ein als Druckschwellwertgeber ausgebildeter Drucksensor liefert — solange der Verdampfungsdruck pv des Kältemittels oberhalb des Schwellwertes liegt — ein erstes elektrisches Ausgangssignal. Unterschreitet der Verdampfungsdruck des Kältemittels den Schwellwert, ändert sich das elektrische Ausgangssignal des Druckschwellwertgebers auf einen zweiten konstanten Wert.

Anschließend durchströmt das gasförmige Kältemittel das Abtauventil 6. Das Abtauventil 6 weist zwei diskrete Stellungen auf, wobei in der normalen Betriebsstellung der ausgezogen dargestellte Fluß des Kältemittels vorliegt. In dieser Stellung strömt das nunmehr gasförmige Kältemittel aus der Rohrleitung 7 in die Rohrleitung 8, die mit der Ansaugseite des Verdichters 4 verbunden ist. Zur Erfassung des Verdampfungsdruckes p\ des Kältemittels unmittelbar vordem Verdichter4 ist wiederum ein als Niederdruckpressostat bezeichneter Druckschwellwertgeber 9 eingesetzt. Dieser Druckschwellwertgeber 9 dient der Sicherheit der Wärmepumpe. Falls nämlich aufgrund eines Lecks ein Kältemittelverlust eintritt, besteht Überhitzungsgefahr für den Verdichter 4, der durch das Kältemittel gekühlt wird. In diesem Fall wird bei Unterschreiten eines kritischen Schwellwertes, der durch den Druckschwellwertgeber 9 überwacht wird, eine Abschaltung des Verdichters 4 veranlaßt Dieser ohnehin bei einer Wärmepumpe vorhandene Druckschwellwertgeber 9 kann nun, um Bauelemente zu sparen, zur Überwachung auf Unterschreitung des niedrigeren Abtaugrenzdruckes pv2 genutzt werden. In diesem Fall wird der zweite, bei dem Druckschwellwertgeber 2 eingesetzte Druckschwellwertgeber zur Überwachung auf Unterschreitung des niedrigeren Abtaugrenzdruckes pvi überflüssig.

Der nach dem Verdichter 4 angeordnete Drucksensor 17 ist ebenfalls als Druckschwellwertgeber ausgebildet und wird als Hochdruckpressostat bezeichnet. Ähnlich wie der Druckschwellwertgeber 9 dient auch der Drucksensor 17 Sicherheitszwecken. Falls nämlich im normalen Heizbetrieb der Wärmepumpe, beispielsweise durch zu geringe Wärmeentnahme aus dem erhitzten Kältemittel an den Heizwasserkreis 13 im Kondensator, nach dem Verdichter 4 ein gefährlicher Druckanstieg auftritt, der die mechanische Stabilität der Rohrleitungen gefährden könnte, wird ebenfalls der Verdichter 4 stillgesetzt

Anschließend wird das erhitzte Kältemittel in der eingezeichneten Stellung des Abtauventils 6 von der Rohrleitung 10 in die Rohrleitung 11 geleitet und durchströmt dann den Kondensor 12, in dem die Wärmeabgabe an den Heizwasserkreis 13 erfolgt Die im Zusammenhang mit der F i g. 1 erwähnten maximalen und minimalen Wasseraustrittstemperaturen &w\ und &W2 beziehen sich auf die Austrittstemperaturen des Heizwassers im Kondensor 12. Im Heizwasserkreis 13 befinden sich bei einer durch die Wärmepumpe gespeisten Heizungsanlage die hier nicht eingezeichneten Raumheizkörper. Das abgekühlte Kältemittel durchströmt anschließend die Rohrleitung 14, in der ein Rückschlagventil 15 sowie ein Expansionsventil 16 angeordnet ist. Im Expansionsventil 16 erfolgt eine adiabatische Entspannung des Kältemittels. Im Verdampfer 3 wird das Kühemittel wieder durch »Anzapfen« der thermischen Energie der Luft erwärmt und verdampft.

Falls ein Abtauen des Verdampfers 3 erforderlich wird, wird das Abtauventil 6 in seine zweite Stellung gebracht, in der der gestrichelt eingezeichnete Strömungsverlauf vorliegt. Durch das Abtauventil 6 werden in diesem Fall die Rohrleitungen 8 und 11 sowie 7 und 10 miteinander verbunden. Die Strömungsrichtung im Verdichlerkreis bleibt erhalten, jedoch wird nun der Verdampfer 3 von der Hochdruckseite des Verdichters 4 gespeist, so daß das erhitzte Kältemittel den Verdampfer 3 durchströmt, wodurch ein Eismantel auf dem Verdampfer 3 abgeschmolzen wird. Nach Passieren des Verdampfers 3 strömt im Abtaufall das Kältemittel über das Rückschlagventil 18 sowie das Expansionsventil 19 durch den Kondensor 12 und dort über die Rohrleitung 11 sowie die Rohrleitung 8 zum Verdichter 4 zurück. Im Abtaufall wird auch der Ventilator 5 stillgelegt. Die Ermittlung eines Abtauzeitpunktes erfolgt durch die Abtaukommandostufe 20, der eingangsseitig das elektrische Ausgangssignal u_ffU; des Temperatursensors 1 zugeführt ist, das ein elektrisches Abbild der Lufteintrittstemperatur &u; darstellt. Darüber hinaus steht an einem zweiten Eingang der Abtaukommandostufe 20 das Ausgangssignal u 1 des Druckschwellwertgebers 2 an, das aktiv ist, wenn der Verdampfungsdruck pv des Kältemittels den oberen Abtaugrenzdruck pv\ unterschreitet. An einem dritten Eingang der Abtaukommandostufe 20 steht das Ausgangssignal u2 des Druckschwellwertgebers 9 an, das aktiv ist, wenn der Verdampfungsdruck pv des Kältemittels den niedrigeren Abtaugrenzdruck pvi unterschreitet. Ausgangsseitig liefert die Abtaukommandostufe 20 im Bedarfsfall eine Abtauzeitdauer lang ein Ausgangssignal u_A. bei dessen Auftreten das Abtauventil 6 in die Abtaustellung gebracht und der Ventilator 5 stillgelegt wird.

F i g. 4 zeigt eine Möglichkeit der Innenbeschaltung der Abtaukommandostufe 20. Die Eingangsspannung u\ ist hierbei dem einen Eingang eines UND-Gatters A 1 zugeführt. Die Eingangsspannung υ 2 ist ebenfalls dem einen Eingang eines zweiten UND-Gatters A 2 zugeführt. Das Ausgangssignal u#le des Temperatursensors 1 ist einem Grenzwertmelder G zugeführt, dessen so Ausgangssignal ur. dann aktiv ist, wenn die Lufteintrittstemperatur ι?/./.· gleich oder kleiner dem Temperaturgrenzwert -Plug 'St-

Dieses Ausgangssignal Uc ist dem zweiten Eingang des zweiten UND-Gatters A 2 sowie einem invertierenden zweiten Eingang des ersten UND-Gatters A 1 zugeführt. Die Ausgangssignale der beiden UND-Gatter A 1 und A 2 sind disjunktiv verknüpft durch ein ODER-Gatter O, dessen Ausgangssignal eine monostabile Kippstufe K setzt Die Dauer des instabilen Zustandes der monostabilen Kippstufe K entspricht der festen Dauer eines Abtauvorganges. Das Ausgangssignal der monostabilen Kippstufe K stellt das Ausgangssignal u_A der Abtaukommandostufe 20 dar. Durch diesen Aufbau der Abtaukommandostufe 20 wird erreicht, daß ein Abtauvorgang fester Dauer eingeleitet wird, wenn der Verdampfungsdruck pv der. oberen Abtaugrenzdruck pv\ unterschreitet und gleichzeitig die Lufteintrittstemperatur «?i._£über dem Temperaturgrenzwert &iec liegt oder

wenn der Verdampfungsdruck pv den niedrigeren Abtaugrenzdruck pv2 unterschreitet und dabei gleichzeitig
die Lufteintrittstemperatur i?u gleich oder kleiner als
der Temperaturgrenzwert Ulm; ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

10

15

20

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40

50

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bO

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben einer Luft-Wasser- Wärmepumpe, wobei die Abtauzeitpunkte, in denen durch Umkehr des Kältemittelkreislaufs das Abtauen des Verdampfers eingeleitet wird, dann vorliegen, wenn der Verdampfungsdruck des Kältemittels im Verdampfer bzw. zwischen Verdampfer und Verdichter mindestens einen von zwei unterschiedlichen Abtaugrenzdrucken unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich die Lufteintrittstemperatur (i?tf) am Verdampfer (3) erfaßt und mit einem Temperaturgrenzwert \&lec) verglichen wird und daß jeweils ein Abtauzeitpunkt (H, 16) vorliegt