DE3248356C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit einem ersten, verwendungsseitigen Wärmeaustauscher, einem zweiten, nicht verwendungsseitigen Wärmeaustauscher, einem Kompressor zum Komprimieren und Zirkulieren eines Kältemittels durch die beiden Wärmeaustauscher, einem Vierwegeventil zum Steuern der Richtung der Kältemittel-Strömung durch die beiden Wärmeaustauscher und mit einem Expansionsventil, welches zwischen den beiden Wärmeaustauschern vorgesehen ist, um einen Druckabfall im Kältemittel zu bewirken und dessen Zirkulationsmenge durch Einstellung der Ventilöffnung zu beeinflussen, mit je einem Temperaturfühler am ersten und zweiten Wärmeaustauscher und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Öffnung des Expansionsventils, an die die Temperaturfühler angeschlossen sind.

Eine Wärmepumpe dieser Art ist aus DE 30 12 686 A1 bekannt.

Ferner ist es aus "Archiv für Energiewirtschaft", Heft 9, 1981, Seiten 712 und 713, bekannt, eine Wärmepumpe mit einem Mikroprozessor zu steuern, in welchen erfaßte Temperatur- und andere Daten eingebbar sind. Dabei wird ein Expansionsventil, das einen konstanten Überhitzungsgrad am Austritt des Verdampfers unterhält, motorisch betätigt.

Ferner ist eine Wärmepumpe bekannt, die anhand von Fig. 1 der Zeichnungen näher beschrieben ist.

Bei dieser Wärmepumpe wird die Öffnung eines Expansionsventils 5 so bestimmt, daß der Kältemittelstrom in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz oder dem Überhitzungsbetrag zwischen der Temperatur des Kältemittels in der Einlaßleitung 7 eines Kompressors 1 und der Sättigungstemperatur bei Kältemitteldruck gesteuert wird. Konsequenterweise wird der Öffnungsgrad nur durch die Zustände an der Niederdruckseite geregelt, und zwar im wesentlichen ohne Ansprechen auf Änderungen der Zustände an der Hochdruckseite. Wenn diese Wärmepumpe infolge einer starken Wetteränderung während des Betriebes im Kühlmodus im Sommer plötzlich ihren Zustand ändert, so wird der nicht-verwendungsseitige Wärmeaustauscher 3 rapide gekühlt und konsequenterweise der Druck an der Hochdruckseite abgesenkt. Der Öffnungsbetrag des Expansionsventils 5 wird jedoch konstantgehalten. Daher nimmt die Strömungsmenge des zirkulierenden Kältemittels infolge der reduzierten Druckdifferenz zwischen dem Hoch- und Niedrigdruck ab. Ebenso fällt der Druck an der Niedrigdruckseite, woraus eine Verminderung der Kühlleistung resultiert.

Beim Heizmodus wird insbesondere während des Anfahrens des Systems der verwendungsseitige Wärmeaustauscher 9 infolge der niedrigen Temperatur des zirkulierenden Wassers gekühlt, so daß der Druck an der Hochdruckseite niedrig ist bzw. wird. Daher fällt, wie im Fall des zuvor erwähnten Abkühlens, der Druck an der Niedrigdruckseite und die Verdampfungstemperatur des nicht-verwendungsseitigen Wärmeaustauschers 3 wird reduziert, was ein Gefrieren am nicht-verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 3 verursacht. Dadurch wird ein häufiges Entfernen von Eis erforderlich und die Temperatur des Wassers im verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 9 kann nicht rasch ansteigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wärmepumpe der eingangs genannten Gattung zu schaffen, deren Heiz- bzw. Kühlleistung rasch an alle Betriebsbedingungen angepaßt werden kann und deren zufriedenstellender Betrieb auch dann sichergestellt ist, wenn die Zustände sich beim Anfahren der Wärmepumpe im Heizbetrieb und beim Abkühlen ändern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Wird bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ermittelt, daß die Temperatur des Öls im Kompressor einen vorbestimmten Wert überschreitet, so verhindert die Öffnung des Expansionsventils vorrangig aufgrund dieser Öltemperatur ein Überhitzen der Pumpe.

Die Steuereinrichtung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe kann einen Mikroprozessor und einen Lesespeicher aufweisen.

Im einzelnen sind Ausführungsformen der Erfindung und deren Vorteile anhand von Fig. 2 bis 5 der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer herkömmlichen Wärmepumpe in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine Wärmepumpe gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine Wärmepumpe gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung,

Fig. 4 und 5 grafische Darstellungen des grundsätzlichen Verlaufs der optimalen Kältemittel-Zirkulationsmengen zum Kühlen bzw. Heizen als Funktion der Einlaßtemperaturen der mit dem Kältemittel Wärme austauschenden Medien Luft und Wasser und

Fig. 6 und 7 grafische Darstellungen des Verhältnisses zwischen der optimalen Kältemittel-Zirkulationsmenge und einer am Expansionsventil angelegten Spannung sowie zwischen der angelegten Spannung und der Ventilöffnung.

Vor der Beschreibung des Aufbaus und des Betriebes einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt eine allgemeine Beschreibung einer optimalen Kältemittel-Strömungsmenge (die Kältemittel-Strömungsmenge, die die maximale Wärmeübertragungskapazität unter bestimmten Bedingungen schafft). Im allgemeinen kann in einem Kältemittelsystem aus der Kenntnis der Hochdruckbedingungen und der Niedrigdruckbedingungen das optimale Aufnahmevermögen des im System verwendeten Kompressors bestimmt werden. Angenommen, daß Wärmeaustauscher vorgesehen sind, die diese Kapazität handhaben können, kann das die optimale Kältemittel-Strömungsmenge bestimmen. Die Hochdruckbedingungen und die Niedrigdruckbedingungen durch die Einlaßlufttemperatur bzw. die Einlaßwassertemperatur repräsentierend werden die optimalen Kältemittelströmungsmengen zum Kühlen und Erwärmen als Funktion der Einlaßwassertemperatur und der Einlaßlufttemperatur als Parameter in den Grafiken gemäß Fig. 4 bzw. 5 dargestellt.

Zunächst wird ein bekanntes Wärmepumpensystem anhand von Fig. 1 beschrieben. Diese herkömmliche Einheit umfaßt einen Kompressor 1, ein Vierwegeventil 2, einen nicht- verwendungsseitigen Wärmeaustauscher Wärmeaustauscher 3, welcher als Kondensator zum Kühlen und als Verdampfer zum Erwärmen dient, ein Gebläse 4 zum Liefern eines Stromes von Umgebungsluft zum Wärmeaustauscher 3, ein Expansionsventil 5, einen Temperaturfühler 6, welcher an der Einlaßleitung des Kompressors 1 angebracht ist, eine Druckleitung 8 des Expansionsventils 5, welche an der Einlaßleitung 7 angeschlossen ist, einen verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 9, der für das Kühlen als Verdampfer und für das Erwärmen bzw. Heizen als Kondensator dient, und einen Akkumulator 10.

Der Betrieb dieses Systems während des Kühlens wird nun beschrieben. Wie durch ausgezogen dargestellte Pfeile in Fig. 1 angegeben ist, strömt das vom Kompressor 1 abgegebene Kältemittelgas durch das Vierwegeventil 2 zum nicht-verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 3, wo es mit der durch das Gebläse 4 gelieferten Luft Wärme austauscht, wobei das Gas kondensiert. Das kondensierte Kältemittel strömt dann über ein erstes Rückschlagventil 21 zum Expansionsventil 5, wo sein Druck reduziert wird, und anschließend über ein zweites Rückschlagventil 22 zum verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 9. Im verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 9 tauscht das Kältemittel mit Wasser Wärme aus, welches im Wärmeaustauscher 9 fließt, wodurch das Wasser gekühlt wird. Das gekühlte Wasser wird dann dazu verwendet, einen Raum oder Räume zu kühlen. Das Kältemittel kehrt über das Vierwegeventil 2 und den Akkumulator 10 zum Kompressor 1 zurück, nachdem es im verwendungsseitigen Wärmeaustauscher aufgrund des Wärmeaustauschers mit dem Wasser verdampft wurde.

Nachfolgend wird der Betrieb des Systems während des Heizens beschrieben. Wie durch die gestrichelt dargestellten Pfeile angezeigt ist, strömt das vom Kompressor 1 abgegebene Kältemittelgas über das Vierwegeventil 2 zum verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 9, wo es seine Wärme mit dem Wasser austauscht, welches im Wärmeaustauscher 9 strömt, um so das Wasser zu erwärmen. Das erwärmte Wasser zirkuliert in dem Raum, um den Raum zu erwärmen. Das Kältemittel wird in dem verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 9 aufgrund des Wärmeaustausches mit dem Wasser kondensiert. Dann gelangt es über ein drittes Rückschlagventil 23, das Expansionsventil 5, wo sein Druck reduziert wird, und ein viertes Rückschlagventil 24 zum nicht-verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 3. Im nicht-verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 3 wird das Kältemittel aufgrund des Wärmeaustausches mit der durch das Gebläse 4 gelieferten Luft verdampft und kehrt dann durch das Vierwegeventil 2 und den Akkumulator 10 zum Kompressor zurück.

Eine Ausführungsform eines Wärmepumpensystems der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschrieben. Dabei sind mit der Fig. 1 übereinstimmende Komponenten mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Beschreibung dieser Teile kann an dieser Stelle weggelassen werden.

Das Wärmepumpensystem der Erfindung umfaßt eine Steuereinrichtung 30, welche die Einlaßtemperatur des Mediums (Wasser) erfühlt, welches am verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 9 einen Wärmeaustausch erfährt, und die Einlaßtemperatur des Mediums (Luft) erfühlt, welches vom nicht-verwendungsseitigen Wärmeaustauscher 3 einen Wärmeaustausch erfährt, und zwar mit den Temperaturfühlern 30a bzw. 30b. Der Öffnungsbetrag eines thermoelektrischen Expansionsventils 40 wird von Ausgangssignalen gesteuert, welche aufgrund der erfühlten Werte erzeugt werden.

Die Kältemittel-Zirkulationsmenge wird wie folgt gesteuert. Zunächst werden die Einlaßtemperatur am Wärmeaustauscher 3 und die Einlaßwassertemperatur am Wärmeaustauscher 9 durch die Temperaturfühler 30b und 30a erfaßt. Dann bestimmt der Kontroller 30 die optimale Kältemittel-Strömungsmenge auf der Basis des Verhältnisses zwischen den verschiedenen Temperaturen. Die optimale Kältemittel-Strömungsmenge ist für den Kühlbetrieb in Fig. 4 und für den Heizbetrieb in Fig. 5 dargestellt. Dann gibt der Kontroller 30 eine Steuerspannung ab, welche dazu verwendet wird, das Expansionsventil zu steuern, wobei die Größe dieser Spannung durch das Verhältnis zwischen der optimalen Kältemittel- Strömungsmenge und der Spannung entsprechend der Darstellung in Fig. 6 bestimmt wird. Das thermoelektrische Expansionsventil 40 wird dadurch gemäß Fig. 7 auf die geeignete Ventilöffnung eingestellt, um den optimalen Kältemittel-Strom sicherzu­ stellen.

Bei Kühlbetrieb wird der Kältemitteldurchsatz angemessen eingestellt, sogar wenn die Einlaßlufttemperatur am Wärmeaustauscher 3 plötzlich aufgrund eines Schauers etc. fällt, weil der Kontroller im wesentlichen sofort den Ventilöffnungseinstellvorgang auf die zuvor beschriebene Weise vollzieht.

Wenn das System im Heizbetrieb am Wintermorgen (bei einer Wassertemperatur von beispielsweise 5°C) angefahren wird, gibt der Kontroller 30 eine Spannung ab, die das Expansionsventil 40 weiter öffnet, so daß das kondensierte flüssige Kältemittel in Richtung auf die Niedrigdruckseite strömt. Als Resultat wird der Heizflächenbereich des verwendungsseitigen Wärmeaustauschers 9 höchst wirkungsvoll verwendet (für das Kondensation), um die Systemkapazität zu erhöhen, während ein übermäßiges Absenken des Druckes an der Niederdruckseite verhindert wird, um die Eisbildung zu begrenzen.

Eine gegenüber der Ausführungsform der Fig. 2 abgeänderte Ausführungsform ist in Fig. 3 dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 wird die Temperatur des Öls im Kompresser 1 erfühlt und mit einer Leitung 30c dem Kontroller 30 zugeführt. Wenn die Öltemperatur eine voreingestellte Grenze überschreitet, so wirkt der Kontroller hinsichtlich einer Vergrößerung des Öffnungsbetrages des Expansionsventils 40, und zwar unabhängig von den Signalen an den anderen Eingängen zum Kontroller 30. Dies verhindert ein Überhitzen des Kompressors 1.

Der Kontroller 30 kann mit einem Mikroprozessor und einem zugehörigen Lesespeicher ausgerüstet sein, in welchem die Daten entsprechend den Grafiken in Fig. 4-6 gespeichert werden. Bei dieser Anordnung werden die erfühlten Temperaturwerte als Eingänge zum Mikroprozessor geliefert.

Mit diesen Werten vollzieht der Mikroprozessor aufgrund der gespeicherten Daten im Lesespeicher einen Nachschlagvorgang, um den richtigen Wert für die Steuerspannung zu bestimmen, mit dem das Expansionsventil 40 zu versorgen ist. Ein vom Mikroprozessor abgegebener Digitalwert, der der Steuerspannung entspricht, wird auf bekannte Weise in ein Analogsignal umgewandelt, welches dem Expansionsventil 40 zugeführt wird.

Es können auch andere Zustände bzw. Bedingungen an der Hochdruckseite und an der Niedrigdruckseite erfaßt werden, beispielsweise Kondensationstemperatur und/oder -druck und Verdampfungstemperatur und/oder -druck, wobei der Kontroller die erforderlichen Signale zum Steuern der Öffnung des Expansionsventils abgibt.

Claims (3)

1. Wärmepumpe mit einem ersten, verwendungsseitigen Wärmeaustauscher, einem zweiten, nicht verwendungsseitigen Wärmeaustauscher, einem Kompressor zum Komprimieren und Zirkulieren eines Kältemittels durch die beiden Wärmeaustauscher, einem Vierwegeventil zum Steuern der Richtung der Kältemittel-Strömung durch die beiden Wärmeaustauscher und mit einem Expansionsventil, welches zwischen den beiden Wärmeaustauschern vorgesehen ist, um einen Druckabfall im Kältemittel zu bewirken und dessen Zirkulationsmenge durch Einstellung der Ventilöffnung zu beeinflussen, mit je einem Temperaturfühler am ersten und zweiten Wärmeaustauscher und mit einer Steuereinrichtung zum Steuern der Öffnung des Expansionsventils, an die die Temperaturfühler angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturfühler (30a, 30b) jeweils derart angeordnet sind, daß sie die Eintrittstemperatur des jeweiligen, dem Wärmeaustausch am ersten bzw. am zweiten Wärmeaustauscher ausgesetzten, vom Kältemittel-Strömungskreis getrennten Mediums erfassen, und daß die Steuereinrichtung (30) einen Datenspeicher aufweist, in dem sowohl für den Kühlmodus als auch für den Heizmodus Steuerdaten für die Einstellung der Öffnung des Expansionsventils (40) als Funktion der erfaßten Temperaturwerte am ersten und zweiten Wärmeaustauscher abgespeichert sind, und an das Expansionsventil (40) eine Steuerspannung liefert, die dem den jeweils ermittelten Temperaturwerten entsprechenden Speicherwert im Datenspeicher entspricht.

2. Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der Temperatur von im Kompressor (1) vorgesehenem Öl eine mit der Steuereinrichtung (30) verbundene Meßeinrichtung (30c) vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung (30) bei einem einen vorbestimmten Grenzwert überschreitenden Öltemperaturwert die Öffnung des Expansionsventils (40) mit Priorität gegenüber den anderen, an die Steuereinrichtung (30) übermittelten Temperaturwerten vergrößert.

3. Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (30) mit dem Datenspeicher durch einen Mikroprozessor mit einem Lesespeicher gebildet ist.