DE3514490A1 - Verfahren zum betrieb einer peltier-waermepumpe - Google Patents

Verfahren zum betrieb einer peltier-waermepumpe

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Description

DipL-Phys. LORENZ HAfl£Wl*IK£L - PATENTANWALT
Ferrariweg 17a ^TSS-Padorborn-aiiOSas') 33824 O \Z 1 / / Q Γ)
Verfahren zum Betrieb einer Peltier-Wärmepumpe
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Peltier-Wärmepumpe, die einerseits mit einer Wärmequelle und andererseits mit einer Wärmesenke verbunden ist und deren Betriebsstrom abhängig von einer Temperatur der Wärmesenkenseite gesteuert wird, daß diese annähernd konstant ist.
Es ist bekannt, zwischen zwei Wärmetauschern, die jeweils mit einer Wärmequelle und einer Wärmesenke verbunden sind, batterieartig mehrere Peltierelemente anzuordnen und mit einem Strom jeweils einer solchen Größe gesteuert zu betreiben, daß eine vorgegebene Temperatur auf der Wärmesenkeseite erreicht bzw. annähernd gehalten wird. Der Wirkungsgrad einer solchen Anordnung ist dadurch begrenzt, daß erstens die Hälfte der in dem Peltierelement umgesetzten joulschen Stromwärme zur Wärmequellenseite abfließt und zweitens abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten des Peltierelements durch Wärmeleitung ein Wärmerückstrom durch dieses fließt. Aus diesem Grunde sind in fortlaufenden Bemühungen ständig verbesserte Materialien entwickelt worden, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit und gleichzeitig eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, so daß der Wärmerückstsfrom und die joulschen Verluste gering sind. Die Auslegung der Abmessungen der Elemente ist für eine bestimmte Wärmeleistung und Temperaturdifferenz jeweils optimal.
In Heizanlagen für Gebäude und Brauchwasser tritt jedoch zum überwiegenden Teil der Betriebszeit nur ein geringerer Wärmebedarf- als der Maximalbedarf auf, wobei jedoch insbes. Brauchwasser und somit die Wärmesenkenseite der Wärmepumpe auf relativ hoher Temperatur zu halten ist. Dies führt dazu, daß trotz geringerer Leistung der volle Rückstrom an Wärme ständig fließt, wodurch nur ein sehr geringer Wirkungsgrad im Mittel erreicht wird, wodurch eine breite wirtschaftliche Nutzung von Peltierbatterien zu Heizzwecken trotz deren Vorteile, daß sie keine bewegten Teile besitzen und umweltfreundlich zu betreiben sind, bisher nicht erfolgte.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Betriebsverfahren für Peltierwärmepumpen zu offenbaren, das insbes. bei geringer Betriebsleistung und hoher Temperaturdifferenz einen hohen Wirkungsgrad erbringt.
Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß die Betriebsstromstärke einem wirkungsgradmäßig optimalen, hohen Strom entspricht, solange die Temperatur unterhalb einer unteren Grenztemperatur liegt und solange sie jeweils darüber steigt, bis sie eine obere Grenztemperatur erreicht, daß die Betriebsstromstärke von etwa 10 bis 20% des optimalen Stromes entspricht, solange die Temperatur über der oberen Grenztemperatur ist oder unter diese sinkt, und daß die Wärmequelle nur während der Einspeisung des hohen Stromes die Peltierbatterie speist.
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Bei dem anfänglichen Betrieb mit optimalem, hohem Strom wird der Quellseite Wärme entzogen und auf der Senkenseite abgegeben, bis eine vorgegebene Temperaturdifferenz, bedingt durch die gegebene Geschwindigkeit der Wärmezu- und -abfuhr, erreicht ist. Im Endzustand befindet sich eine bestimmte Wärmemenge im Peltierelement und den angrenzenden Wärmetauschern selbst. Wird nun die Wärmequelle· von der Batterie getrennt, so genügt ein geringer Strom, der die Wärmemenge aus dem Peltierelement und dem quellseitigen Wärmetauscher zur Senkenseite transportiert.^ Die joulsche Widerstandswärme dieses geringen Stromes ist nur minimal, und die rückströmende Wärmemenge ist durch die Wärmekapazität der Anodnung begrenzt. Wegen der durch die rückgeflossene Wärme erhöhten Temperatur auf der Quellseite, wird diese genannte Wärmemenge bei dem erneuten Betrieb mit hohem Strom mit sehr gutem Wirkungsgrad wieder zur Senkenseite gepumpt. Auf diese Weise tritt in der Niederstrombetriebszeit kein Wärmeverlust zur Quelle hin auf; sondern es erfolgt nur eine Zwischenspeicherung von Wärme bei erhöhtem Temperaturniveau, wodurch in der Hochstrombetriebszeit jeweils, zumindest anfangs, mit erhöhtem Wirkungsgrad diese Wärme zurückgeführt wird. Somit wird der joulsche Verlust aus einer Hochstrombetriebszeit weitgehend, jeweils zu Beginn des folgenden Hochstromzeitraumes, zurückgewonnen, und die thermischen Verluste sind auf die Hochstrombetriebszeit beschränkt.
Durch die Möglichkeit, eine Peltierwärmepumpe mit gutem Wirkungsgrad bei relativ Quelltemperatur hoher Senkentemperatur zu betreiben, bietet sich neben der Brauchwasserheizung auch die Ladung eines Tag- / Nachtwärmespeichers an,
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wobei als Wärmequelle ein Sonnenwärmekollektor dient und die Speicherung bei heraufgesetzter Temperatur in einem Wasser- oder Soletank erfolgt. In besonders vorteilhafter Weise kann zum Betrieb der Peltierbatterie der Strom einer gepufferten Solarbatterie dienen.
Die Zeitdauer der Hochstrom- und der Niederstromabschnitten ist durch die Zeitkonstanten der Peltierbatterie, der Wärmequelle, z.B. dem Sonnenwärmekollektors, und der Wärmesenke, z.B. des Brauchwasser- oder Pufferspeichers, bestimmt. Die Regelung ist jedoch sehr einfach, da der Hochstrom jeweils dann eingespeist wird, wenn die Temperatur senkenseitig unter eine vorgegebene untere Grenztemperatur abgesunken ist und so lange eingespeist wird, bis senkenseitig eine vorbestimmte obere Grenztemperatur erreicht ist, bis die quellseitige Temperautr auf die Quellentemperatur abgesunken ist. Für den Tag- /Nachtbetrieb und die optimale Nutzung der Sonnenernergie mit einem Kollektor wird zusätzlich eine wärmebedarfsabhängige Zeitsteuerung in bekannter eingesetzt, so daß der Wärmebedarf jeweils bei πμ liehst hoher Außentemperatur gedeckt wird. /
OB1G,NAL
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Fig. 1 zeigt schematised) eine Peltierwärmepumpenheiz vorrichtung.;
Fig. 2 zeigt zeitliche Strom- und Temperaturverläufe nach dem Verfahren.
In Fig. 1 ist ein konventioneller Heizkreis HK mit einer Pumpe P3 und einem steuerbaren Mischer M, der eingangsseitig über einen Tag- /Nacht-Pufferspeicher PS mit dem Wärmesenken-Wärmetauscher WS der Peltierbatterie PB verbunden ist, dargestellt. Die Pumpe P2 sorgt für einen schnellen Umlauf zwischen dem Pufferspeicher PS und dem Wärmetauscher WS, damit am letzteren nur ein geringer Temperaturabfal 1 von z.B. 5°K auftritt.
Auf der Wärmequellseite der Peltierbatterie PB liegt der Wärmetauscher WQ, durch den mittels der Pumpe PT, abhängig von der Stellung der Ventile V1, V2 entweder das Wärmetransportmittel eines Erdreichkollektors EQ oder das Wasser eines Grundwasserbrunnens bzw. das Transportmittel eines Sonnenwärmekollektors SD gepumpt wird, so daß auch an diesem nur ein geringer Temperaturabfall auftritt.
Die Stromversorgung der Peltierbatterie PB erfolgt über eine steuerbare Stromquelle I, die über einen steuerbaren Umschalter US entweder mit einer Akkumulatorbatterie AB, die von einem Solargenerator SB gespeist wird, oder einem Netzgleichrichter NG eingangsseitig verbunden ist.
Die Steuerung des Stromes bzw. der Stromquelle I nach dem Verfahren erfolgt über die Steuervorrichtung ST, die ein programmgesteuerter Mikroprozessor ist oder in einfacher Ausführung aus den Grenzwertüberwachungsschaltungen UG, OG und dem Flipflop FF oder
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einer entsprechenden Hystereseschaltung besteht. Die Steuervorrichtung ST ist eingangsseitig mit einer Uhr Cl5 mit einer Tastatur TA zur EingaDe von Temper e v.ur- und Zeitvorgaben mit Temperaturmeldern TS, TQ, TK auf der Senken- bzw. Quellseite car FaIt erbatterie und den Sonnenwärmkol lektor SK und mit ehern Spamungsmelder US der Akkumulatorbatterie AB verbunden. Aus.;angsseit: g steuert sie die Pumpe P1 auf der Wärmequellseite, die Ventile V1, V2 und den Umschalter US. Selbstverständlich können auch die übrigen Pumpen P2, P3, der Mischer M und weitere Temperaturmelder an die Steuervorrichtung bei entsprechendem Ausbau angeschlossen sein. Ebenso können andere Wärmequellen, z.B. Luftwärmetauscher, Abgaswärmetauscher und andere Wärmsenken mitoder ohne Pufferspeicher angeschlossen sein. Die Umschaltung der Ventile V1, V2 erfolgt durch den Vergleicher VK unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe immer dann auf den Sonnenwärmekollektorkreislauf, wenn der Temperaturmelder TK eine höhere Temperatur hat, als der Erdwärmekollektor EQ bietet und umgekehrt. An letzterem ist im allgemeinen ein Temperaturmelder entbehrlich, da er stets annähernd gleiche Temperatur TE liefert. Der Umschalter US wird stets dann vom Vergleicher VU auf den Batterieeingang geschaltet, wenn deren Spannung UB größer als die Vergleichsspannung Ug ist und so einen ausreichenden Ladezustand signalisiert.
Die Stromquelle I hat zwei Steuereingänge Ig, Ik für die Steuerung eines großen Stromes, der gleich dem optimalen Strom gewählt ist, und eines kleinen Stromes, der etwa 1/5 bis 1/10 des großen Stromes beträgt. Die Vergleicher OG, UG vergleichen die zur Senkenseite
-JT-
abgegebene Temperatur TS mit einem oberen Grenzwert Tgo und unteren Grenzwert Tgu auf über- bzw. Unterschreitung und schalten dann jeweils das Flipflop FF in den Aus- bzw. Einzustand, das im Einzustand den großen Strom Ig steuert und die Pumpe P1 auf der Quellseite einschaltet. Im Auszustand steuert es über das UND-Gatter G1 die kleine Stromstärke Ik an, solange dem anderen Gattereingang durch den Vergleicher VG signalisiert wird, daß die Temperatur TQ des quellseitigen Wärmetauschers WQ über der Temperatur TK, TE des Sonnen- bzw. Erdwärmekollektors liegt, die dem zweiten Eingang des Vergleichers VG über die Dioden D1, D2 verknüpft vorgegeben werden.
Selbstverständlich können die schaltungsmäßig dargestellten Funktionen auch programmäßig erfüllt werden, und eine Zeitsteuerung für Tag- /Nachtbetrieb kann vorteilhaft in der Weise übergeordnet vorgenommen werden, daß die Grenztemperaturen Tgo, Tgu und auch deren Abstand Ta Tageszeitabhängig verändert werden, so daß eine höhere Aufheizung des Speichers nur am Tag erfolgt, sofern Sonnenwärme zur Verfügung steht und soweit ein Wärmebedarf für die Nacht zu erwarten ist.
Fig. 2 zeigt einen Stromverlauf IP und den Temperaturverlauf TS auf der Senkenseite beim Einschalten der Vorrichtung und im ansschließenden laufenden Betrieb bei begrenzten Wärmebedarf. Von einer Ausgangstemperatur von 200C wird mit maximalem Strom die vorgegebene obere Grenztemperatur Tog von z.B. 500C erreicht. Dann wird die Stromquelle auf 10% des Maximalwertes heruntergesteuert, und es wird nur die Restwärme übertragen bis die Temperatur absinkt und letztlich die untere,
-as -
vorgegebene Grenztemperatur Tgu von z.B. 45°C erreicht. Dann wird wieder der volle Strom eingeschaltet. Bei sehr geringer Wärmeabnahme auf der Senkenseite wird zeitweilig der Strom völlig abgeschaltet, was insbes. dann auftritt, wenn die Quelltemperatur des Sonnenwärmekollektors nahe der vorgegebenen unteren Grenztemperatur Tug liegt. Deshalb werden die Grenztemperaturen Tgo, Tgu vorteilhaft stets auf bestimmte Niveaus über die jeweilige Kollektortemperatur TK bzw. TE festgesetzt, was auch schaltungsmäßig einfach zu verwirklichen ist.
Eine besonders vorteilhafte Steuerung ergibt sich, wenn abhängig von der jeweiligen Leistung der Solargenrator SB, die durch den Solarstrom IS bestimmt ist, die Differenz des Temperasturniveaus zwischen der Quell- und Senkenseite vorgegeben wird. Schaltungstechnisch wird dies dadurch erreicht, daß ein Konstantstrom IC, der für eine feste Temperaturdifferenz vorgesehen ist, und ein Proportionalstrom IS1, der von einem Solargeneratorstromsignal IS gesteuert wird, einer Serienschaltung aus einer Konstantspannungsquelle, z.B. einer Zenerdiode Z, und einem Widerstand R zugeführt wird, deren anderes Ende mit dem Signal des Temperatursensors TK des Sonnenwärmekollektors verbunden ist. An den Enden der Zenerdiode Z können dann die Vergleichersignale Tgu1, Tgo1, die den vorzugebenden Grenztemperaturen Tgu, Tgo entsprechen, abgenommen werden. Zweckmäßig wird die eine der Vergleichssignal leitungen mit Begrenzerdioden D3, D4 an Spannungsniveaus Tmax1, Tmin1, die der Maximal- bzw. Minimaltemperatur, die vorzugeben ist, entsprechen, angeschlossen. Auf diese Weise wird jeweiIs
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ein hohes Angebot an Solargeneratorleistung in entsprechende erhöhte Wärmpumpenleistung umgesetzt. Durch die Erhöhung der vorgegebenen Differenztemperatur verändert sich das Puls-pausenverhältnis der Stromsteuerung zu
einem längeren Hochstromanteil hin.

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    ή. Verfahren zum Betrieb einer Peltier-Wärmepumpe (PB), die einerseits mit einer Wärmequelle (EQ, SK) und andererseits mit einer Wärmesenke (PS, HK) verbunden ist und deren Betriebstrom (IP) abhängig von einer Temperatur (TS) der Wärmesenkenseite so gesteuert wird, daß diese annähernd konstant ist,, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsstromstärke (IP) einem wirkungsgradmässig optimalen, hohen Strom (Ig) entspricht, solange die Temperatur (TS) unterhalb einer unteren Grenztemperatur (Tgu) liegt und solange sie jeweils darüber steigt bis sie eine obere Grenztemperatur (Tgo) erreicht, daß die Betriebsstromstärke (IP) einer kleinen Stromstärke (Ik) von etwa 10 bis 20% des optimalen Stromes (Ig) entspricht, solange die Temperatur (TS) über der oberen Grenztemperatur (Tgo) ist oder unter diese sinkt, und daß die Wärmequelle (EQ, SK) nur während der Einspeisung des hohen Stromes (Ig) die Peltierbatterie (PB) speist.
    2.. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kleine Stromstärke (Ik) abgeschaltet ist, wenn die Quellseite (WQ) der Peltierbatterie (PB) kalter als die jeweilige Wärmequelle (EQ, SK) ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Wärmequellen (EQ, SK), z.B. ein Sonnenwärmekollektor (SK) und ein Erdwärmekollektor (EQ), vorhanden sind, von denen ggf. jeweils die wärmste mit einem Wärmetauscher an der Quellseite (WQ) durch ein Wärmetransportmedium verbunden ist, dessen Strömung jeweils dann aktiviert ist, wenn die große Stromstärke (Ig) gesteuert ist.
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    Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Grenztemperatur (Tgo) etwa 5°C über der unteren Grenztemperatur (Tgu) gewählt wird und die untere Grenztemperatur (Tgu) in einem bestimmten Temperaturabstand (Ta) von z.B. 3O0C über der Quelltemperatur (TK) jedoch mindestens mit einer Minimaltemperatur (Tmin) von z.B. 500C und höchstens bei einer Maximaltemperatur (Tmax) von z.B. 900C vorgegeben wird.
    5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturabstand (Ta) um so größer gewählt wird, je höher die Generatorleistung eines Solargenerators (SB) ist, der den Betriebsstrom (IP) direkt oder über einen Zwischenspeicher (AB) liefert.
    6, Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Peltierbatterie (PB) mit einer steuerbaren Stromquelle (I) verbunden ist, die von einer Steuervorrichtung (ST) Stuersignale zur Abgabe der großen bzw. kleinen Stromstärke (Ig3 Ik) verfahrensgemäß erhält, indem ein Signal eines Temperatursensors (TS), des auf der Wärmesenkenseite der Peltierbatterie ihr zugeführt und mit Signalen, die den vorgegebenen Grenztemperaturen (Tgu, Tgo) entsprechen, in Vergleichern (UG, OG) verglichen wird deren Vergleichsergebnisse jeweils ein bistabiles Element (FF) in den Ein- bzs. Auszustand steuern und von deren Ein- bzw. Auszustand die große bzw. kleine Stromstärke gesteuert wird und eine Pumpe (P1) in einem Wärmequellkreislauf eingeschaltet wird.
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    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Peltierbatterie (PB) quellseitig ein Temperatursensor (TQ) angeordnet ist, dessen Signal mit dem Signal eines an der Wärmequelle, z.B. dem Sonnenwärmekollektor (SK), angeordneten Temperatursensors (TK) in einem Vergleicher (VG) verglichen wird, dessen Ausgangssignal in einer UND-Gatterschaltung (G1) mit dem Auszustandssignal der bistabilen Schaltung (FF) verknüpft wird, und daß das Gatterausgangssignal die kleine Stromstärke (Ik) steuert.
    g. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal des Temperatursensors (TK) mit einem Signal, das der Temperatur (TE) einer weiteren Wärmequelle (EQ) entspricht, in einem Vergleicher (VK) verglichen wird und dessen Ausgangssignal jeweils die Quelle höherer Temperatur durch Zu- bzw. Abschaltung von Ventilen (V1, V2), die jeweils zwischen einer der Wärmequellen (EQ, SK) und der Pumpe (P1) liegen, mit dieser verbindet.
    9, Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle (I) eingangsseitig mit einem Umschalter (US) verbunden ist, der entweder zu einer Akkumulatorbatterie (AB), die von einem Solargenerator (SB) gespeist wird, oder zu einem Netzgleichrichter (NG) verbindet, wobei das Steuersignal des Umschalters von einem Vergleicher (VU) geliefert wird, der die Akkumulatorspannung (UB) mit einem unteren Spannungsgrenzwert (Ug) vergleicht, so daß bei ausreichendem Ladezustand der Strom (I) aus dem Akkumulator (AB) entnommen wird.
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    10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichssignale (Tgu1, Tgo1) der unteren und oberen Grenztemperaturen (Tgu, Tgo), mit einer Serienschaltung aus einem Konstantspannungselement (Z) und einem Widerstand (R) an den Enden des Konstantspannungselement gebildet werden, wobei deren Widerstandsende an das Signal des Temperatursensors (TK) des Sonnenwärmekollektors (SK) angeschlossen ist und deren anderes Ende von vorgebbaren Konstantstrom (IC) und einem weiteren Strom (151) gespeist wird, der proportional dem jeweiligen Solarstrom (15) des Solargenerators (SB) ist.
    11, Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Signal leitungen der Vergleichssignale (Tgu1, Tgo1) mit Begrenzungselementen, z.B. Dioden (D3, D4) jeweils zu Spannungsniveaus (Tmin1, Tmax1), die der Minimal- bzw. Maximaltemperatur (Tmin, Tmax) entsprechen, verbunden sind.
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