DE3508353A1

DE3508353A1 - Verfahren und vorrichtung zum steuern einer klimaanlage mit waermepumpe

Info

Publication number: DE3508353A1
Application number: DE19853508353
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Arata; Akira Ibaraki Atsumi; Masakatsu Hayashi; Kyuhei Shimizu Shizuoka Ishibane; Hiroshi Sano Tochigi Kogure; Shigeaki Shimizu Shizuoka Kuroda; Kensaku Oguni; Takao Ibaraki Senshu; Kazutaka Shimizu Shizuoka Suefuji; Hirokiyo Shizuoka Terada; Hiromu Shizuoka Yasuda
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-03-09
Filing date: 1985-03-08
Publication date: 1985-09-19
Also published as: JPS60188743A; DE3508353C2; JPH0635895B2; US4603556A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer Klimaanlage mit Wärmepumpe

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern einer Klimaanlage unter Verwendung einer Wärmepumpe und insbesondere eine Wärmepumpenklimaanlage, die beim Heizen gute Anlaufeigenschaften hat.

Nach dem Stand der Technik, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, ist bereits eine Klimaanlage mit einem Kompressor 1, einem Vierwegeventil 2, einem Außenraumwärmetauscher 3, einem Innenraumwärmetauscher 4, einem Expansionsventil oder einer Dekompressionseinrichtung 5, einem Elektromotor 6 für den Antrieb des Kompressors 1 und mit einem Wechselrichter zur Steuerung der Drehzahl des Elektromotors 6 bekannt. Die Klimaanlage hat weiterhin ein Gebläse 8 für den Außenraumwärmetauscher 3 einschließlich eines Elektromotors für das Gebläse, ein Gebläse 9 für den Innenraumwärmetauscher 4 einschließlich eines Elektromotors für das Gebläse, einen Fühler 11 zur Bestimmung der Temperatur der Luft, die in den Innenraumwärmetauscher 4 strömt, beispielsweise zur Bestimmung der Raumtemperatur, eine Einstelleinheit 12 für die Einstellung der gewünschten Temperatur, einen Temperaturkomparator 13 zum Vergleichen der durch den Fühler 11 festgestellten Temperatur mit der durch die Einheit 12 vorher festgelegten Temperatur sowie eine Steuerung 17 zur Übermittlung einer Instruktion an den Wechselrichter 7 aufgrund der Ergebnisse aus dem Komparator 13.

Mit dieser bekannten Anordnung soll die Drehzahl des Kompressors 6 nur über den Wechselrichter 7 gesteuert werden, während die Drehzahl des Innenraumgebläses hoch und konstant gehalten werden soll, um den Wirkungsgrad des Kühlzyklus der Klimaanlage zu steigern. Weiterhin wird die vom Fühler 11 gemessene Temperatur Tai der in den

Innenraumwärmetauscher strömenden Luft, die im folgenden als Raumtemperatur bezeichnet wird, mit der Temperatur verglichen, die über die Einstelleinheit 12 vorher eingestellt worden ist, so daß die Raumtemperatur der vorher eingestellten Temperatur gleich wird, um dadurch über den Innenraumwärmetauscher den Betrag der Strahlungswärme oder absorbierten Wärme zu steuern und eine angenehme Umgebungsatmosphäre in dem Raum zu schaffen. Jene Bereiche, in denen die Wärmebelastung im VJinter größer ist als die Luftkühlungsbelastung im Sommer, werden jedoch dadurch problematisch, daß bei der Anordung nach dem Stand der Technik zur Steuerung der Raumtemperatur, um diese beim Beginn des Heizens auf die vorher eingestellte Temperatur zu bringen, viel Zeit vergeht, bis sich die im Raum aufhaltenden Personen wohl zu fühlen beginnen. Zu Beginn des Heizvorgangs fühlen sie sich nämlich äußerst unwohl, und zwar deswegen, weil die bekannte Anordnung ein System ist, daß zwar Wärme zur Erhöhung der Raumtemperatur in den Raum einbringt, ohne jedoch den Einfluß der in den Raum strömenden Luft bei thermischem Wohlbefinden und den Einfluß der Strahlung von den Wänden zu berücksichtigen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht deshalb darin, eine Wärmepumpenklimaanlage zu schaffen, die eine angenehme Umgebung für sich in dem Raum aufhaltende Personen erzeugen kann, und zwar besonders für die Personen, die direkt der eingeblasenen Luft, auch während einer großen Heizungsbelastung ausgesetzt sind, wie dies beim Anlauf des Heizvorgangs der Fall ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Steuersystem gelöst, welches einen Kühlkreislauf mit einem Kompressor, einem Vierwegeventil, einem Innenraumwärmetauscher, einem Expansionsventil und einem Außenraumwärmetauscher aufweist, die über eine aufeinanderfolgende Verrohrung

verbunden sind. Das System hat weiterhin einen Elektromotor mit variabler Drehzahl für den Kompressor, ein Gebläse mit variabler Drehzahl für den Innenraumwärmetauscher, Einrichtungen zum Messen der Temperatur der Luft, die im folgenden als Einlaßluft bezeichnet wird und in eine Klimaanlage gesaugt wird, sowie Einrichtungen zum vorherigen Einstellen der gewünschten Temperatur oder der Solltemperatur der Luft, die angesaugt worden ist. Zum System gehören auch Einrichtungen zum Messen

TO der Temperatur der eingeblasenen Luft, die im folgenden als Auslaßluft bezeichnet wird, sowie Einrichtungen zum vorherigen Einstellen der gewünschten höheren Temperatur der Auslaßluft. Im Normalbetrieb des Steuersystems wird die Drehzahl des Kompressors so gesteuert, daß die

T5 Temperatur der Einlaßluft auf der Innenraumseite gleich der vorher eingestellten Temperatur ist. Bei dem Arbeitsmodus, bei welchem wärmere Luft eingeblasen wird, wird die Drehzahl des Gebläses für den Innenraumwärmetauscher gesteuert, während die Drehzahl des Kompressors hoch gehalten wird, so daß die Temperatur der Auslaßluft auf der Innenraumseite gleich der höheren vorher eingestellten Temperatur wird. Beide Arbeitsweisen werden zur Steuerung der Umgebungsatmosphäre im Raum gewechselt.

Zusätzlich dazu wird erfindungsgemäß ein Luftkanal für den Warmluftauslaß zusammen mit der vorhergehenden Steuerung eng eingestellt, damit Warmluft auf einen beschränkten Bereich während des Warmlufteinblasmodus geblasen wird. Der Luftkanal für den Warmluftauslaß wird zusammen mit der vorstehenden Steuerung breit eingestellt, um Warmluft über dem ganzen Raum während des Normalbetriebs zu verteilen.

Die Erfindung ist in ihrer weiteren Ausgestaltung im einzelnen in den Patentansprüchen beschrieben.

Anhand von Zeichnungen werden der Stand der Technik und Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine zum Stand der Technik gehörende Klimaanlage,

Fig. 2 schematisch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 3 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Wohlbefindens einer Person in einem Raum von der Beziehung zwischen der Raumtemperatur und der Wandtemperatur,

Fig. 4 den Ablauf des Steuerprozesses bei der Vorrichtung von Fig. 2,

Fig. 5 in einem Diagramm die Arbeitsweise dieser Vorrichtung ,

Fig. 6 schematisch eine zweite Ausführungsform der "15 Vorrichtung,

Fig. 7 das Einblasen durch eine Klimaanlage in einen Raum bei dieser Ausführungsform,

Fig. 8 den Ablauf des Steuerprozesses der Vorrichtung von Fig. 6,

Fig. 9 die Temperaturverteilung im Raum während des Einblasens von Warmluft,

Fig. 10 die Temperaturverteilung im Raum bei Normalbetrieb,

Fig. 11 schematisch eine Vorrichtung, bei der die Modus-

umschalteinrichtung entsprechend der Wandtemperatur ausgedrückt als Funktion der Raumtemperatur betätigt wird,

Fig. 12 den Steuerprozess der Ausführungsform der Vorrichtung von Fig. 11,

Fig. 13 schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei welcher die Modusschalteinrichtung entsprechend der Wandtemperatur betätigt wird,

Fig. 14 den Ablauf des Steuerprozesses der Ausführungsform von Fig. 13,

Fig. 15 schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung, bei welcher die Modusumschalteinrichtung entsprechend der Raumtemperatur betätigt wird und

Fig. 16 den Ablauf des Steuerprozesses der Ausführungsform von Fig. 15.

Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung hat einen Kompressor 1, ein Vierwegeventil 2 für die Umkehrung der Strömungsrichtung in einem Kühlmittelkreislauf, einen Außenraumwärmetauscher 3, einen Innenraumwärmetauscher 4 und ein Expansionsventil oder eine Dekompressionseinrichtung 5. Diese Bauelemente sind durch Rohre zur Bildung eines Kühlmittelkreislaufs verbunden. Zur Vorrichtung gehören weiterhin ein Elektromotor 6 für den Antrieb des Kompressors, ein Wechselrichter 7 zur Steuerung des Drehzahl des Elektromotors 6, ein Gebläse 8 für den Außenraumwärmetauscher einschließlich Elektromotor, ein Gebläse 9 für den Innenraumwärmetauscher einschließlich Elektromotor, eine Einrichtung 10 zur Steuerung der Drehzahl des Innenraumgebläses, ein Fühler 11 zum Messen der Temperatur

der Einlaßluft, die in den Innenraumwärmetauscher strömt, eine Einstelleinheit 12 zum Einstellen der gewünschten Lufttemperatur, ein Temperaturkomparator 13, der die Differenz zwischen den vom Fühler 11 gemessenen und der an der Rückstelleinheit 12 vorher eingestellten Temperatur ermittelt, ein Fühler 14 zum Messen der Temperatur der Auslaßluft, die in den Raum geblasen wird, nachdem die Luft durch den Innenraumwärmetauscher hindurchgegangen ist, eine Einstelleinheit 15 zum vorherigen Einstellen der gewünschten höheren Lufttemperatur, ein Temperaturkomparator 16, der die vom Fühler 14 gemessene Temperatur mit der an der Einstelleinheit 15 eingestellten Temperatur vergleicht, eine Recheneinheit 51 zum Berechnen der Drehzahländerungen, die der Drehzahlsteuereinrichtung 10 und dem Wechselrichter 7 zu übermitteln sind, die auf den Vergleichsergebnissen der Temperaturkomparatoren 13 und 16 beruhen, eine Steuereinrichtung 52 zur Zuführung von Drehzahländerungsinstruktionen zur Drehzahlsteuerungseinrichtung 10 und zum Wechselrichter 7 entsprechend der Instruktion aus der Recheneinheit 51 sowie eine Modusumschal te inr ich tung 53.

Da die Erfindung auf die Verbesserung der Eigenschaften der Heizoperation einer Wärmepumpenklimaanlage gerichtet ist, wird eine Beschreibung der Arbeitsweise während der Luftkühlung weggelassen und nur die Arbeitsweise beim Heizen beschrieben.

In Fig. 2 ist das Vierwegeventil so eingestellt, daß das Kühlmittel in der Richtung umläuft, daß ein Raum beheizt wird. Dabei absorbiert das Kühlmittel Wärme über den Außenraumwärmetauscher 3 und strahlt Wärme über den innenraumwärme tau scher 4 ab, wodurch der Raum erhitzt wird. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Wärmebelastung relativ klein ist und die Temperatur der Wände, die den zu klimatisierenden

Raum begrenzen, nicht zu niedrig ist, wird die Raumtemperatur so eingestellt, daß, wie anhand des Standes der Technik beschrieben wurde, nur die Drehzahl des Kompressors 1 verändert wird, während die Menge der aus dem Innenraumwarmetauscher ausgeblasenen Luft hoch und konstant gehalten wird. Dabei wird die vom Fühler 11 gemessene Temperatur so gesteuert, daß sie gleich der vorher eingestellten Temperatur 12 ist. Ein solches System wird als im Normalbetrieb arbeitend bezeichnet. Wenn umgekehrt die Temperatur der Wände, die den zu klimatisierenden Raum begrenzen, niedrig ist, wie dies häufig der Fall beim Beginn des Heizens im Winter ist, erfordert eine Erhöhrung der Wandtemperatur, auch wenn Wärme in den Raum zur Erwärumg der Umgebungsluft eingebracht wird, eine wesentliche Zeit, bis die im Raum befindlichen Personen Wärme aufgrund der Wärmestrahlung von den Wandoberflächen zu fühlen beginnen, also eine Umgebung vorliegt, in der sich die Personen zunächst nicht wohlfühlen. In diesem Fall muß die Temperatur der in den Raum über den Innenraumwarmetauscher 4 geblasenen Auslaßluft auf einen ausreichend hohen Wert im Hinblick auf die Schaffung einer Wohlgefühlsatmosphäre gesteigert werden.

Diese Beziehung wird anhand der Wohlgefühlskurve von Fig. 3 erläutert. Fig. 3 zeigt die Strahlungstemperatur der Wände Tw, die Raumtemperatur Tai und einen Wohlgefühlskurve AB, bei der sich die in einem Raum befindlichen Personen wohl fühlen. Der Bereich C über der Kurve AB stellt den Bereich dar, in welchem die im Raum befindlichen Personen Wärme oder Hitze fühlen, während der Bereich D unter der Kurve AB den Bereich darstellt, in welchem die im Raum befindlichen Personen diesen als kühl oder kalt empfinden. Die Raumtemperatur Tai kann, wie sich aus Fig. 3 ergibt, relativ niedrig sein, wenn sich die Wandtemperatur Tw auf einem höheren Wert be-

findet. Die Raumtemperatur Tai oder die Temperatur der aus der Klimaanlage geblasenen Auslaßluft muß jedoch erhöht werden, wenn die Wandtemperatur Tw sich auf einem niedrigeren Wert befindet.

Die beschriebene Ausführungsform ist für den Blasmodus von Warmluft bzw. Heißluft ausgebildet, bei welchem während des Heizens Warmluft zusätzlich zur herkömmlichen Betriebsweise geblasen wird. Diese Betriebsweisen können durch die Umschalteinrichtung 53 gewählt werden.

Im folgenden wird ein Beispiel für den Warmluftblasmodus im einzelnen erläutert.

Das Ablaufschema von Fig. 4 zeigt die Arbeitsweise der Ausführungsform mit der Klimaanlage von Fig. 2. Bei Betriebsbeginn schaltet die Umschalteinrichtung 53 auf den Warmluftblasmodus, der im folgenden als Modus A bezeichnet wird, oder auf den normalen Betriebsmodus, der im folgenden als Modus B bezeichnet wird. Bei Einstellung auf Modus A setzt die Recheneinheit 51 die Drehzahl des Kompressors 1 auf den Maximalwert. Es wird bestimmt, ob die Auslaßlufttemperatür, die vom Fühler gemessen wird, die vorher eingestellte Temperatur bzw. Vorgabetemperatur erreicht hat oder nicht. Wenn die Vorgabetemperatur noch nicht erreicht ist, wird die Drehzahl des Gebläses 9 verringert. Wenn die Vorgabetemperatur bereits erreicht ist, wird die Drehzahl des Gebläses 9 gesteigert. Die Menge der Auslaßluft wird durch die Drehzahlsteuereinrichtung 52 so gesteuert, daß die Auslaßlufttemperatur gleich der Vorgabetemperatur wird. Wenn im anderen Fall die Umschalteinrichtung 53 auf Modus B geschaltet hat, wird die Drehzahl des Gebläses auf dem Maximalwert gehalten. Die Drehzahl des Kompressors 1 wird von der logischen Recheneinheit 51 und der Drehzahl steuereinrichtung 52 so gesteuert, daß die vom

Raumtemperaturfühler 11 gemessene Temperatur gleich der Vorgabetemperatur wird, die an der Einstelleinheit 12 eingestellt ist. Weitere Einzelheiten der Arbeitsweise dieser Vorrichtung werden anhand von Fig. 5 erläutert.

in Fig. 5 ist auf der X-Achse die Drehzahl N des Kompressors, auf der Y-Achse eine Basiszeit und auf der Z-Achse die Auslaßlufttemperatur Tao im Abschnitt CD , die Heizleistung Qh im Abschnitt Q) und die Raumtemperatur Tai sowie die Wandtemperatur Tw im Abschnitt @ aufgetragen. Dargestellt sind die Heizeigenschaften einer Klimaanlage, die in einem besonderen Gebäude installiert ist, wobei die Auslaßluftmenge aus dem Gebläse für den innenraumwärmetauscher als Parameter dient. In Fig. 5 stellen die Ebenen Va1, Va2 und Va3 diese Eigenschaften dar, wobei die entsprechenden Mengen der Auslaßluft konstant sind und Va3 > Va2 > Va1 ist. Wenn beispielsweise die Drehzahl bei einer konstanten Auslaßluftmenge entsprechend der Ebene Va1 erhöht wird, sind die Eigenschaften der Klimaanlage durch die Kurven von a nach b dargestellt, wobei die Auslaßlufttemperatur Tao und die Heizleistung Qh in den Abschnitten (T) bzw. (5) gezeigt sind. Betrachtet man die Änderungen längs der Basiszeit, wobei die Drehzahl N des Kompressors und die Menge der Auslaßluft konstant gehalten werden, steigt Tao und fällt Qh, wie dies sich von a nach ρ und von b nach q ergibt. Das beruht darauf, daß die Lufttemperatur im Gebäude mit fortschreitendem Heizen allmählich ansteigt. In Fig. 5 können somit tatsächliche Änderungen in der Betriebssituation dargestellt werden.

In Fig. 5 wird deshalb eine Situation gezeigt, bei der der Betrieb im Modus A am Anfang des Heizens anschließend auf den Modus B zur Zeit ti umaeschaltet wird.

Zunächst ist die Drehzahl des Kompressors auf ein Maximum vom Beginn des Heizens an eingestellt, um die Menge der Auslaßluft zu verringern (a —» b). Bei Aufrechterhaltung der Drehzahl des Kompressors wird als nächstes die Menge der Auslaßluft so gesteuert, daß Tao auf der Vorgabetemperatur Tao1 gehalten wird (b-7 c). Zur Zeit ti wird die Arbeitsweise auf den Modus B verschoben, wobei von der Auslaßlufttemperatursteuerung auf die Raumtemperatursteuerung umgeschaltet wird (c-> d-^ e). Im Modus B wird die Drehzahl des Kompressors 1 gesteuert, während die Menge der Auslaßluft auf einem Maximum gehalten wird (e —^ f). Zeitabhängige Veränderungen der Raumtemperatur Ta1 und der Wandtemperatur Tw bei diesem Prozess sind im Abschnitt (D gezeigt. Obwohl im Abschnitt© die Heizleistung Qh während des Betriebs im Modus A etwas verringert ist verglichen mit der Leistung der Klimaanlage, die bei maximaler Auslaßluftmenge aufgrund einer Verringerung in der Auslaßluftmenge zur Verfügung steht, kann dies durch Verwendung einer Einrichtung überwunden werden, die dafür geeignet ist, die Heizbelastung durch Beschränkung der Strömungsrichtung der Auslaßluft zu reduzieren, um einen begrenzten Raum anstelle des ganzen, zu klimatisierenden Raums zu heizen.

Da erfindungsgemäß warme Luft eingeblasen wird, wenn die Wandtemperatur Tw niedrig ist und die Heizbelastung groß ist und die Raumtemperatur gesteuert wird, wenn die Wandtemperatur angestiegen ist und die Heizbelastung klein geworden ist, wird eine Klimatisierung gewährleistet, die eine Wohlgefühlsumgebung für die im Raum befindlichen Personen schafft.

Bei der in Fig. 6 gezeigten Vorrichtung sind am unteren Auslaß der Klimaanlage Luftablenkplatten 21, am seitlichen Auslaß der Klimaanlage bewegliche Ablenkplatten 22, ein Antrieb 23 für die beweglichen Luftablenkplatten und eine Recheneinheit 100 zur Durchführung einer Rechenoperation ähnlich der, die die Recheneinheit 51 von Fig. ausführt, basierend auf den Ergebnissen der beiden Temperaturkomparatoren 13 und 16 angeordnet. Die Vorrichtung hat weiterhin Drehzahlsteuerbefehlseinrichtungen 101 zum übermitteln von Drehzahlsteuerungsinstruktionen an die Drehzahlsteuervorrichtung 10 und den Wechselrichter 7 entsprechend den Befehlen aus der logischen Recheneinheit 100, sowie eine Modusumschalteinrichtung 102. Die übrigen Bauelemente haben die gleichen Bezugszeichen wie bei der Vorrichtung von Fig. 2.

Diese Vorrichtung hat wie die vorstehend erläuterte einen Warmluftblasmodus, bei welchem während des Heizens Warmluft eingeblasen wird, sowie den Normalmodus. Diese Betriebsweisen können durch die Umschalteinrichtung 102 gewählt werden. Gleichzeitig ist es beim Warmluftblasmodus möglich, den Auslaßluftkanal eng einzustellen, um die Warmluft in einen begrenzten Bereich zu blasen. Der in Fig. 7 gezeigte Aufbau dieser Vorrichtung hat eine Innenraumwärmetauschereinheit 20, den Innenraumwärmetauscher 4, ein Gebläse 9', am unteren Auslaß Luftablenkplatten 21 und am seitlichen Auslaß bewegliche Luftablenkplatten 22. Die Einlaßluft ist mit A, die Auslaßluft aus dem seitlichen Auslaß mit A1, die Auslaßluft aus dem unteren Auslaß mit A2, eine Wand des Raums mit G, mit I ein Raum,in dem Wohlgefühl während des Warmluftblasmodus herrscht, und mit II ein Raum bezeichnet, in dem Wohlgefühl während des Normalmodus herrscht.

Bei dieser Vorrichtung sind während des eingestellten Luftblasmodus, also während des Modus A, die Luftablenkplatten 22 an dem seitlichen Auslaß geschlossen. Es sind

nur die Luftablenkplatten 21 am unteren Auslaß offen, um dadurch die Auslaßluft nur auf A2 zu beschränken. Dementsprechend kann warme Luft den Raum I auch bei niedrigeren Raumtemperaturen erreichen, so daß sich im Raum befindliche Personen wohl fühlen können.

Wenn die Raumtemperatur über einen bestimmten Wert angestiegen ist, wird die Klimaanlage im Normalmodus, also im Modus B betrieben, bei welchem die Luftablenkplatten 22 am seitlichen Auslaß ebenfalls geöffnet sind, so daß Warmluft schräg nach unten geblasen werden kann. In diesem Zustand ist ein Wohlgefühl im Raum II und somit im ganzen Raum möglich.

Der Warmluftblasmodus wird im folgenden unter Bezugnahme auf das Ablaufschema von Fig. 8 für den Betrieb der Klimaanlage von Fig. 6 und 7 erläutert. Wenn die Klimaanlage zu arbeiten beginnt, ist die Umschalteinrichtung 102 auf den gewünschten Modus eingestellt. Wenn der Modus A eingestellt ist, stellt die Recheneinheit 100 den Auslaßluftkanal auf eng. Mit anderem Worten gibt die Recheneinheit 100 den Befehl, daß der seitliche Auslaß 22 geschlossen wird. Als nächstes wird die Drehzahl des Kompressors auf den Maximalwert eingestellt und festgelegt, ob die vom Fühler 11 gemessene Auslaßlufttemperatur die Vorgabetemperatur erreicht hat oder nicht. Wenn die Vorgabetemperatur nicht erreicht ist, wird die Drehzahl des Gelbäses 9 verringert, wenn die Vorgabetemperatur bereits erreicht ist, wird die Drehzahl des Gebläses 9 gesteigert. Die Drehzahl des Gebläses wird durch die Drehzahlsteuereinrichtung 101 gesteuert, so daß die Auslaßlufttemperatur gleich dem Vorgabewert wird.

Wenn die Lufttemperatur auf einen Wohlgefühlspegel auf diese Weise eingestellt worden ist, wird der Modus von

— zu —

A nach B von Hand oder automatisch umgeschaltet, was noch erläutert wird.

Wenn im Gegensatz dazu zu Beginn der Klimatisierung auf den Modus B gestellt ist, wird die Drehzahl des Kompressors von der Recheneinheit 100 und der Drehzahlsteuerungseinrichtung 101 gesteuert, wodurch Befehle gegeben werden, durch die der Luftkanal weit gestellt wird, durch die der seitliche Auslaß 22 bei dieser Ausführungsform offen ist, während die Drehzahl des Gebläses auf dem Maximalwert gehalten wird, so daß die vom Fühler 11 gemessene Temperatur der in den Wärmetauscher 4 strömenden Luft gleich dem Temperaturwert gemacht wird, der durch die Einstelleinheit 12 vorgegeben wird. Die einzelnen Operationen des Kompressors und des Gebläses bei dieser Ausführungsform entsprechen im wesentlichen denen der Ausführungsform von Fig. 2, wie dies auch in Fig. 5 gezeigt ist, so daß eine weitere Erläuterung entfallen kann.

Die Temperaturprofile in dem Raum während des Modus A und des Modus B sind in den Fig. 9 bzw. 10 gezeigt. In diesen Figuren sind T1 und T2 Isothermen. Fig. 9 zeigt den Modus A, wobei nur der untere Auslaß 21 geöffnet ist, so daß wärmere Luft gerade nach unten geblasen werden kann, wodurch sich das Temperaturprofil von T1 ergibt. Dementsprechend ist der Raum I für das Wohlbefinden geeignet, auch wenn die Durchschnittstemperatur des gesamten Raums G niedrig ist. Fig. 10 entspricht dem Modus B, bei welchem der seitliche Auslaß 22 ebenfalls geöffnet ist, so daß Warmluft gleichförmig über einen Bereich von gerade nach unten bis schräg nach unten geblasen werden kann, was das Temperaturprofil von T2 ergibt. Dementsprechend ist für das Wohlbefinden der Raum II, also der ganze Raum G_f geeignet.

Da bei dieser Ausführungsform Warmluft zur Beheizung eines begrenzten Bereichs während des Zeitraums geblasen wird, in welchem die Raumtemperatur Ta und die Wandtemperatur Tw niedrig sind und die Heizbelastung groß ist, und dabei die Raumtemperatur so gesteuert ist, daß sich die Wärme ausbreitet, wenn die Raumtemperatur und Wandtemperatur gestiegen ist und die Heizbelastung gering geworden ist, nimmt der Raum sehr schnell den Zustand für das Wohlbefinden der darin befindlichen Personen an, wobei dieser Zustand aufrechterhalten wird.

Anstelle der Handumschaltung zwischen Modus A und Modus B kann das Umschalten auch automatisiert werden, wofür die Klimatisierungsbelastung bestimmt wird. Im folgenden wird die Steuerung für die automatische Modusumschaltung beschrieben. Die dabei verwendete Ausführungsform geht von der Ausführungsform von Fig. 6 aus, kann jedoch auch in Form einer Modifizierung auf der Ausführungsform von Fig. 2 basieren.

Fig. 11 zeigt eine Klimaanlage mit automatischer Umschaltung, deren Arbeitsweise anhand des Ablaufplans von Fig. 12 erläutert wird. Die Klimaanlage von Fig. 11 hat eine Meßeinrichtung 17 für die Wandtemperatur und einen Komparator 19 zum Vergleichen der von der Meßeinrichtung 17 gemessenen Temperatur mit der Vorgabewandtemperatur, was noch erläutert wird. Die Wandtemperatur wird von an der Wandoberfläche befestigten Sensoren gemessen. Dabei handelt es sich um den Mittelwert der an den vier Wänden gemessenen Temperatur. Die Klimaanlage arbeitet in der folgenden Weise:

Wenn die Recheneinheit 100 feststellt, daß die Klimaanlage zu arbeiten beginnt, gibt sie zur Identifizierung dieses Starts ein Zeichen und mißt dann die Raumtemperatur Tai mit der Raumtemperaturmeßeinrichtung 11 sowie die Wandtemperatür Tw mit der Wandtemperaturmeßeinrichtung In der Recheneinheit 100 sind die durch die Kurve von

Fig. 3 für das Wohlbefinden gegebenen charakteristischen Daten gespeichert. Eine Wandtemperatur Two für Wohlbefinden wird durch folgende Gleichung angegeben:

Two = f ( Tai )

wobei f (Tai) die Funktion von Tai ist, die man beispielsweise aus der charakteristischen Kurve von Fig. 3 erhält.

Der Komparator 19 vergleicht Tw mit Two. Wenn Tw < Two, stellt die Recheneinheit 100 auf Modus A. Wenn Tw > Two, stellt die Recheneinheit 100 das den Anlaufvorgang markierende Zeichen zurück und stellt den Modus B ein.

Wenn während des Betriebs das Zeichen für den Anlaufvorgang gesetzt wird, wird der Modus A über einen ähnlichen Prozess bewirkt, der der Messung der Raumtemperatur Ta1 und der Wandtemperatur Tw folgt. Wenn die Markierung für den Startvorgang zurückgesetzt worden ist/ ist auf Modus B geschaltet.

Diese Ausführungsform ermöglicht es, den Modus zu wählen, der den Raum für die darin befindlichen Personen am angenehmsten macht.

In Fig. 13 ist eine weitere Ausführungsform einer Klimaanlage mit automatischer Modusumschaltung gezeigt, deren Arbeitsablauf dem Plan aus Fig. 14 entnehmbar ist. Die Klimaanlage von Fig. 13 hat eine Einheit 18 zum Einstellen der Wandtemperatur. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der von Fig. 11 dadurch, daß bei ersterer das Modusumschaltverfahren auf dem Vorgabewert der Wandteraperatur basiert. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird im folgenden erläutert.

Wenn der Anlauf der Klimaanlage festgestellt wird, setzt die Recheneinheit 100 ein Zeichen für den Arbeitsbeginn

und mißt dann die Wandtemperatur Tw mit der Wandtemperaturmeßeinrichtung 17. Inzwischen wird eine einzustellende Wandtemperatur Tw¹ von der Einstelleinheit 18 vorgegeben. Der Komparator 19 vergleicht Tw mit Tw¹. Wenn Tw < Tw' ist, schaltet die Recheneinheit 100 auf Modus Λ. Wenn Tw ^ Tw' ist, setzt die Recheneinheit 100 das Zeichen für den Arbeitsbeginn zurück und schaltet auf Modus B.

Wenn während des Arbeitsablaufs das Zeichen für den Betriebsbeginn gesetzt ist, wird ein ähnlicher Prozess, der der Feststellung der Wandtemperatur Tw folgt, wiederholt, um den Modus A zu erzielen. Wenn das Zeichen für den Betriebsbeginn zurückgesetzt worden ist, ist auf Modus B geschaltet.

Diese Auführungsform ermöglicht ein einfacheres Modusschalten als die Ausführungsform von Fig. 11.

Die in Fig. 15 gezeigte Klimaanlage mit automatischer Modusumschaltung hat einen Ablaufplan, wie er in Fig. 16 gezeigt ist. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der von Fig. 11 dadurch, daß bei ersterer die Modusumschaltung auf dem vorliegenden Wert der Raumtemperatur basiert. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform wird im folgenden erläutert. Wenn der Anlauf der Klimaanlage festgestellt wird, setzt die Recheneinheit 100 das Zeichen für den Betriebsbeginn und mißt dann die Raumtemperatur Tai mit der Raumtemperaturmeßeinrichtung 11. Inzwischen wird durch die Einstelleinheit 12 eine Einstellung der Raumtemperatur Tai¹ vorgegeben. Der Komparator 13 vergleicht Tai mit Tai¹. Wenn Tax C Tai¹ ist, schaltet die Recheneinheit 100 auf Modus A. Wenn Tai > Tai¹ ist, stellt die Recheneinheit 100 das Zeichen für den Betriebsbeginn zurück und schaltet auf Modus B.

Wenn während des Betriebs das Zeichen für den Arbeitsbeginn gesetzt wird, wird ein ähnlicher Prozess, der der Messung der Raumtemperatur Tai folgt, wiederholt, um den Modus A zu bewirken. Wenn das Zeichen für Betriebsanlauf rückgesetzt worden ist, wird auf Modus B geschaltet.

Diese Ausführungsform ermöglicht eine Modusumschaltung mit der Raumtemperaturmeßeinrichtung, die bereits zur Steuerung der bekannten Klimaanlage verwendet wird.

Zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gibt es noch weitere Ausführungsbeispiele, die einen stabilen Betrieb mit einer relativ einfachen Schaltung zwischen Modus A und B mit einem Zeitschalter gewährleisten, in welchem der genaue Zeitraum vorgegeben worden ist.

Erfindungsgemäß ist es möglich, einen begrenzten Raum für das Wohlbefinden zu schaffen, und zwar durch Steuerung der Temperatur der Auslaßluft, die aus der Klimaanlage in den Raum geblasen wird, wobei warme Luft auf einen begrenzten Bereich geblasen werden kann, wenn der Heizbedarf groß ist und der gesamte Raum durch Steuern der Raumtemperatur und durch gleichförmige Verteilung von Warmluft angenehm gemacht wird, wenn der Heizbedarf relativ klein ist, wodurch man für die im Raum befindlichen Personen ein Wohlgefühl gebende Bedingungen erzeugt. Ein günstiger Effekt wird auch dadurch erreicht, daß Wärmepumpen auch in sehr kalten Gegenden eingesetzt werden können, wo ihre Anwendung bisher in der Praxis sehr schwierig war.

Claims

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8. März 1985 Fi/ba

Verfahren und Vorrichtung zum Steuern einer Klimaanlage mit Wärmepumpe

Patentansprüche

1. Verfahren zur Steuerung einer eine Wärmepumpe benutzenden Klimaanlage mit einem Kompressor, einem Elektromotor mit variabler Drehzahl für den Antrieb des Kompressors, mit einem Vierwegeventil, mit einer Expansionseinrichtung, mit einem Außenraumwärmetauscher und mit einem Gebläse mit variabler Drehzahl für den Innenraumwärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Einlaßluft, die in den Innenraumwärmetauscher gesaugt wird, gemessen wird, daß für die Einlaßluft ein gewünschter Temperaturwert vorgegeben wird, daß die Temperatur der Auslaßluft gemessen wird, die von dem Innenraumwärmetauscher ausgeblasen wird, daß ein gewünschter höherer Temperaturwert für diese Auslaßtemperatur vorgegeben wird und daß umgeschaltet wird zwischen zwei Arbeitsweisen, nämlich dem Normalmodus, bei welchem die Drehzahl des Kompressors so gesteuert wird, daß die Temperatur der Einlaßluft gleich dem Vorgabewert ist, und dem Warmluftblasmodus, bei welchem die Drehzahl des Gebläses für den Innenraumwärmetauscher gesteuert wird, während die Drehzahl des Kompressors hoch gehalten wird, so daß die Auslaßlufttemperatur

dem vorgegebenen höheren Temperaturwert gleich gemacht wird, wobei die Modusumschaltung von dem Ausmaß des Wohlbefindens basierend auf der Temperatur in einem zu klimatisierenden Raum abhängt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ze ichnet, daß die Modusumschaltung die Wahl des Normalmodus, wenn der zu klimatisierende Raum das Wohlbefinden zuläßt, und des Warmluftblasmodus zuläßt, wenn es an Wohlbehagen fehlt, wobei die Modusschaltung selektiv ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur Tai im zu klimatisierenden Raum und die Wandtemperatur Tw innerhalb des Raums gemessen werden, und daß, wenn die gewünschte Wandtemperatur Two für Wohlbefinden im Raum aus folgender Gleichung erhalten wird: Two = f (Tai), wobei f (Tai) eine Funktion von Tai ist, die Modusumschaltung durch Vergleichen von Two mit der tatsächlichen Wandtemperatur Tw vorgenommen wird, die von der Wandtemperaturmeßeinrichtung gemessen wird, wobei dann Warmluft eingeblasen wird, wenn Tw < Two ist und im Normalbetrieb gearbeitet wird, wenn Tw > Two.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Wandtemperatur Tw innerhalb des zu klimatisierenden Raums gemessen wird und der gewünschte Wert Tw¹ der VJandtemperatur innerhalb des Raums vorgegeben wird und daß eine Modusumschaltung aufgrund des Vergleichs der gemessenen Wandtemperatur Tw mit dem eingestellten Wert Tw¹ erfolgt, und Warmluft eingeblasen wird, wenn Tw < Tw¹ ist und im Normalbetrieb gearbeitet wird, wenn Tw > Tw¹ ist.

5. Verfahren zur Steuerung einer eine Wärmepumpe benutzenden Klimaanlage mit einem Kompressor, einem Elektromotor mit variabler Drehzahl für den Antrieb des Kompressors, mit einem Vierwegeventil, mit einer Expansionseinrichtung, mit einem Außenraumwärmetauscher, mit einem Innenraumwärmetauscher, mit einem Gebläse mit variabler Drehzahl für den Innenraumwärmetauscher, dadurch gekennze ichnet, daß bei Vorhandensein von Einrichtungen zum Ändern eines Auslaßluftkanals des InnenraumwärmetauSehers die Temperatur der in den Innenraumwärmetauscher gesaugten Einlaßluft gemessen und die gewünschte Temperatur für die Auslaßluft vorgegeben wird, daß die Temperatur der Auslaßluft, die aus dem Innenraumwärmetauscher geblasen wird, gemessen wird und der gewünschte höhere Temperaturwert für die Auslaßlufttemperatur vorgegeben wird, und daß eine Modusumschaltung vorgenommen wird zwischen dem Normalmodus, bei welchem die Drehzahl des Kompressors so gesteuert wird, daß die Einlaßlufttemperatur gleich dem Vorgabewert gemacht wird, und dem Warmluftblasmodus, bei welchem die Drehzahl des Gebläses für den Innenraumwärmetauscher gesteuert wird, während die Drehzahl des Kompressors hoch gehalten wird, so daß die Aulaßlufttemperatur gleich dem vorgegebenen höheren Temperaturwert gemacht wird, daß die Modusumschaltung entsprechend dem Ausmaß des Wohlbefindens basierend auf der Temperatur in einem zu klimatisierenden Raum gewählt wird, und daß der veränderbare Auslaßluftkanal auf eng gestellt wird, wodurch Warmluft über einen begrenzten Bereich im Warmluftblasmodus geblasen wird, und der Auslaßluftkanal auf weit gestellt wird, um Warmluft über dem Raum während des Normalbetriebs zu verteilen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Modusumschaltung so erfolgt,

daß der Normalmodus gewählt wird, wenn der zu klimatisierende Raum behaglich ist, und der Warmluftblasmodus gewählt wird, wenn der zu klimatisierende Raum unbehaglich ist, wobei die Modusumschaltung selektiv ist.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur in dem zu klimatisierenden Raum Tai und die Temperatur der Wand Tw innerhalb des Raums gemessen wird und daß, wenn die gewünschte Wandtemperatur Two, die ein Wohlbefinden im Raum ermöglicht/ aus der folgenden Gleichung erhalten ist: Two = f (Tai), wobei f (Tai) eine Funktion von Tai ist, die Modusumschaltung durch Vergleichen von Two mit der tatsächlichen, bei der Wandtemperaturmessung bestimmten Wandtemperatür Tw vorgenommen wird, wobei Warmluft geblasen wird, wenn Tw < Two, und im Normalbetrieb gearbeitet wird, wenn Tw >_ Two.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandtemperatur Tw in dem zu klimatisierenden Raum gemessen und der gewünschte Wert der Wandtemperatur Tw¹ im Raum eingestellt wird, und daß die Modusumschaltung durch Vergleichen der bei der Wandtemperaturmessung bestimmten Wandtemperatur Tw mit dem Vorgabewert Tw¹ vorgenommen wird, wobei Warmluft geblasen wird, wenn Tw < Tw¹ ist, und im Normalbetrieb gearbeitet wird, wenn Tw ^ Tw¹.

9. Vorrichtung zum Steuern einer eine Wärmepumpe benutzenden Klimaanlage mit einem Kompressor (1), einem Elektromotor (6) mit variabler Drehzahl für den Antrieb des Kompressors (1), mit einem Vierwegeventil (2), mit einer Expansionseinrichtung (5), mit einem Außenraumwärmetauscher (3), mit einem Innenraumwärme tau scher (4) und mit einem Gebläse (9) mit variabler Drehzahl für den Innenraumwärmetauscher,

gekennzeichnet durch Einrichtungen (11) zum Messen der Temperatur der Einlaßluft, die in den Innenraumwärmetauscher (4) gesaugt wird, durch Einrichtungen (12) zum Vorgeben des gewünschten Temperaturwerts der Einlaßluft, durch Einrichtungen (14) zum Messen der Temperatur der Auslaßluft, die aus dem Innenraumwärmetauscher (4) geblasen wird, durch Einrichtungen (15) zum Vorgeben des gewünschten höheren Temperaturwerts für die Auslaßlufttemperatur, durch Einrichtungen (53, 102) für die Modusumschaltung zwischen dem Normalmodus (B), bei welchem die Drehzahl des Kompressors (1) so gesteuert ist, daß die Temperatur der Einlaßluft gleich dem Vorgabewert ist, und einem Warmluftblasmodus (A), bei welchem die Drehzahl des Gebläses (9) für den Innenraumwärmetauscher (4) gesteuert ist, während die Drehzahl des Kompressors (1) hoch gehalten ist, so daß die Auslaßlufttemperatur gleich dem vorgegebenen höheren Temperaturwert gemacht wird, durch Einrichtungen (11) zum Messen der Temperatur Tai im zu klimatisierenden Raum, durch Einrichtungen (17) zum Messen der Wandtemperatur Tw im Raum, wobei, wenn die gewünschte Wandtemperatür Two, bei der ein Wohlbefinden im Raum vorhanden ist, aus der folgenden Gleichung erhalten wird: Two = f (Tai), worin f (Tai) eine Funktion von Tai ist, die Modusumschaltung durch Vergleich von Two mit der tatsächlichen Wandtemperatur Tw erfolgt, die von der Wandtemperaturmeßeinrichtung (17) gemessen ist, wonach Warmluft geblasen wird, wenn Tw < Two, und im Normalbetrieb gearbeitet wird, wenn Tw > Two.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klimaanlage Einrichtungen (22) zur Veränderung eines Luftkanals eines Auslasses des Innenraumwärmetauschers (4) aufweist und daß die

Einrichtungen (22) zum Ändern des Luftkanals so gesteuert sind, daß der Luftkanal des Auslasses auf eng eingestellt wird, wodurch Warmluft über einen begrenzten Bereich in dem Warmluftblasmodus (A) geblasen wird, und der Luftkanal des Auslasses auf breit eingestellt wird, wodurch Warmluft über dem Raum während des Normalbetriebs (B) verteilt wird.

11. Vorrichtung zum Steuern einer eine Wärmepumpe benutzenden Klimaanlage mit einem Kompressor (1), einem Elektromotor (6) mit variabler Drehzahl für den Antrieb des Kompressors (1), mit einem Vierwegeventil (2), mit einer Expansionseinrichtung (5), mit einem Außenraumwärmetauscher (3), mit einem Innenraumwärmetauscher (4) und mit einem Gebläse (9) mit variabler Drehzahl für den Innenraumwärmetauscher, gekennzeichnet durch Einrichtungen (11) zum Messen der Temperatur der Einlaßluft, die in den Innenraumwärmetauscher (4) gesaugt wird, durch Einrichtungen (12) zum Vorgeben des gewünschten Temperaturwerts der Einlaßluft, durch Einrichtungen (14) zum Messen der Temperatur der Auslaßluft, die aus dem Innenraumwärmetauscher (4) geblasen wird, durch Einrichtungen (15) zum Vorgeben des gewünschten höheren Temperaturwerts für die Auslaßlufttemperatur, durch Einrichtungen (53, 102) für die Modusumschaltung zwischen dem Normalmodus (B), bei welchem ^die Drehzahl des Kompressors (1) so gesteuert ist, daß die Temperatur der Einlaßluft gleich dem Vorgabewert ist, und einem Warmluftblasmodus (A), bei welchem die Drehzahl des Gebläses (9) für den Innenraumwärmetauscher (4) gesteuert ist, während die Drehzahl des Kompressors (1) hoch gehalten ist, so daß die Auslaßlufttemperatur gleich dem vorgegebenen höheren Temperaturwert gemacht wird, durch Einrichtungen (17) zum Messen der Wandtemperatur Tw im zu klimatisierenden Raum, durch Einrichtungen (19) zum Vorgeben des ge-

wünschten Wertes Tw' der Wandtemperatur innerhalb des Raums, wobei eine Modusumschaltung durch Vergleich der Wandtemperatur Tw, die von der Wandtemperaturmeßeinrichtung (17) gemessen wird, mit dem Vorgabewert Tw¹ erfolgt, dann Warmluft geblasen wird, wenn Tw < Tw¹ ist,und im Normalbetrieb gearbeitet wird, wenn Tw > Tw¹.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Klimaanlage Einrichtungen (22) zur Veränderung eines Luftkanals eines Auslasses des Innenraumwärmetauschers (4) aufweist und daß die Einrichtungen (22) zum Ändern des Luftkanals so gesteuert sind, daß der Luftkanal des Auslasses auf eng eingestellt wird, wodurch Warmluft über einen begrenzten Bereich in dem Warmluftblasmodus (A) geblasen wird, und der Luftkanal des Auslasses auf breit eingestellt wird, wodurch Warmluft über dem Raum während des Normalbetriebs (B) verteilt wird.