EP1950511A1

EP1950511A1 - Wärmepumpe

Info

Publication number: EP1950511A1
Application number: EP08001376A
Authority: EP
Inventors: Bernd Dr. Hafner; Bernd Böwer
Original assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Viessmann Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2008-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe, umfassend einen Kältemittelkreislauf mit eine Verdichter (1), einem Kondensator (2), einem Expansionsventil (3), einem Verdampfer (4), einem in Kreislaufströmungsrichtühg gesehen zwischen dem verdampfer (4) und dem Verdichter (1) angeordneten Drucksensor (5), einem in Kreislauf strömungsrichtung gesehen zwischen dem Verdampfer (4) und dem Verdichter (1) angeordneten Temperatursensor (6) und einer Regeleinheit (7), die mit dem Druck- (5) und dem Temperatursensor (6) verbünden ist. Nach der Erfindung ist vorgesehen, dass zur wirkungsgradbilanzierung des Kältemittelkreielaufs mit Hilfe der softwarebasierten Regeleinheit (7), die einen Stoffdatenspeicher (12) für mindestens ein Kältemittel umfasst, in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf vor dem Kondensator (2) ein mit der Regeleinheit (7) verbundener Temperatursensor (8) und in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf zwischen dem verdichter (1) und dem Expansionsventil (3) ein mit der Regeleinheit (7) verbundener Drucksensor (10) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Eine Wärmepumpe der eingangs genannten Art ist allgemein bekannt. Diese umfasst einen Kä.ltemittelkreislauf mit einem Verdichter, einem Kondensator, einem Expansionsventil, einem Verdampfer, einem in Kreislaufströmungsrichtung gesehen zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter angeordneten Drucksensor, einem in Kreislaufströmungsrichtung; gesehen zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter angeordneten Temperatursensor und einer softwarebasierten Regeleinheit, die mit dem Druck- und dem Temperatursensor verbunden ist.
Die Regelung der Wärmepumpe erfolgt über die Regeleinheit, der die Messwerte vom genannten Druck- und Temperatursensor zugeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verkaufsfertige Wärmepumpe der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu bilden, dass bei dieser bei laufendem Betrieb ohne externen Messapparateaufbau mindestens eine wirkungsgradbilanzierung durchführbar und entsprechend anzeigbar ist.
Diese Aufgabe ist mit einer Wärmepumpe der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Nach der Erfindung ist also vorgesehen, dass zur Wirkungsgradbilanzierung des Kältemittelkreislaufs mit Hilfe der Regeleinheit, die einen Stoffdatenspeicher (im weiteren Sinne eine Stoffdatenbank) für mindestens ein Kältemittel umfasst, in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf vor dem Kondensator ein mit der Regeleinheit verbundener Temperatursensor und in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf zwischen dem Verdichter und dem Expansionsventil ein mit der Regeleinheit verbundener Drucksensor angeordnet ist.
Mit anderen worten ausgedrückt, wird es mit Hilfe weiterer am Kältemittelkreislauf angeordneter Sensoren für Temperatur und Druck sowie einem Stoffdatenspeicher erfindungsgemäß möglich, eine Wirkungsgradbilanzierung durchzuführen. Eine solche Bilanzierung ist dabei als sicherheitsrelevantes Merkmal der Wärmepumpe anzusehen, da wirkungsgradabweichungen auch auf Fehlfunktionen der Wärmepumpe hinweisen (zum Beispiel Verdichterdefekte, Kältemittelverlust, Verschmutzung oder vereisung des Wärmetauscher des Kondensator bzw. Verdampfer), ganz abgesehen davon, dass ein Betrieb bei nicht erwartungsgemäßem wirkungsgrad ohnehin unerwünscht ist. Die Bilanzierung wird zum Beispiel über ein an der Regeleinheit vorgesehenes Display angezeigt. Dieses kann aber natürlich auch an einer beliebigen anderen Stelle im Umgebungsbereich der Wärmepumpe angeordnet sein. Eine Datenübertragung per Internet ist ebenfalls realisierbar.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht ferner, wie bereits erwähnt, in der sogenannten Stoffdatenbank (Stoffdatenspeicher). Diese ist zwingend erforderlich, da es erst in Kenntnis bestimmter Stoffdaten des Kältemittels (z. B. die spezifische Wärmekapazität des Kältemittels) möglich ist, Bilanzierungswerte zu ermitteln. Eine solche Stoffdatenbank, in der Stoffdaten verschiedener Kältemittel abgelegt sein können (da die Wärmepumpe mit unterschiedlichen Kältemitteln betrieben werden könnte), ist bei derzeit bekannten Wärmepumpen bisher nicht vorgesehen.
Andere vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Wärmepumpe ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
Die erfindungsgemäße Wärmepumpe einschließlich ihrer vorteilhaften weiterbildungen gemäß der abhängigen Patentansprüche wird nachfolgend anhand der zeichnerischen Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform näher erläutert.
In der einzigen Figur 1 ist die erfindungsgemäße Wärmepumpe schematisch dargestellt. In zunächst bekannter Weise besteht diese aus einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter 1, einem Kondensator 2, einem Expansionsventil 3, einem Verdampfer 4, einem in Kreislaufströmungsrichtung gesehen zwischen dem Verdampfer 4 und dem Verdichter 1 angeordneten Drucksensor 5, einem in Kreislaufströmungsrichtung gesehen zwischen dem Verdampfer 4 und dem Verdichter 1 angeordneten Temperatursensor 6 und einer Regeleinheit 7, die mit dem Druck- 5 und dem Temperatursensor 6 verbunden ist. Als Kältemittel wird zum Beispiel R 407 C oder R 410 A verwendet.
Der Kältemittelkreislauf funktioniert in an sich gewohnter Weise wie folgt: Das Kältemittel wird mit dem Verdichter 1 auf eine höheres Druckniveau gebracht. Am Kondensator 2 gibt das Kältemittel Wärme an ein zweites Medium ab und kondensiert dabei. Eine Kältemitteldruckeritspannung erfolgt anschließend am Expansionsventil 3. Am Verdampfer 4 wird dem Kältemittel von außen über ein weiteres Medium Wärme zugeführt und dabei verdampft.
Wesentlich für die erfindungsgemäße Wärmepumpe ist nun, dass zur Wirkungsgradbilanzierung des Kältemittelkreislaufs mit Hilfe der softwarebasierten Regeleinheit 7, die einen Stoffdatenspeicher 12 für mindestens ein Kältemittel umfasst, in Kreialaufströmungerichtung gesehen am Kältemittelkreislauf vor dem Kondensator 2 ein mit der Regeleinheit 7 verbundener Temperatursensor 8 und in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf zwischen dem Verdichter 1 und dem Expansionsventil. 3 ein mit der Regeleinheit 7 verbundener Drucksensor 10 angeordnet ist.
Diese Maßgabe führt, wie eingangs erläutert, zu einer erheblichen Steigerung der über: das laufende System verfügbaren Informationen.
Ferner ist gemäß Figur 1 vorgesehen, dass in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf hinter dem Kondensator 2 ein weiterer Temperatursensor 9 angeordnet ist. Dieser verbessert die Genauigkeit bei der Wirkungsgradbilanzierung, ist aber nicht zwingend erforderlich, da sich die Temperatur am Austritt des Kondensators 2 letztlich auch aus der Kondensatoreintrittstemperatur (gemessen mit dem Temperatursensor 8) und den Stoffdaten - jedenfalls in etwa - errechnen läßt.
Die bei laufendem Betrieb der verkaufsfertigen Wärmepumpe mögliche Wirkungsgradbilanzierung geschieht wie folgt:
Zunächst werden mit Hilfe der Stoffdaten, der Temperaturen und der Drücke die Enthalpiewerte errechnet, und zwar:

Enthalpie am Verdichtereintritt H_ND mit Hilfe des Drucksensors 5, des Temperatursensors 6 und den Stoffdaten;
Enthalpie am Verdichters H_HD mit Hilfe des Temperatursensors 8, Drucksensors 10 und den Stoffdaten;
Enthalpie am Expansionsventils H_ExV mit Hilfe des Temperatursensors 9, des Drucksensors 10 und den Stoffdaten.

Die thermische Effizienz V_eff des Verdichters beträgt etwa 93% (7% Wärmeverlust durch Strahlung). Die Effizienz des Motors M_eff des Verdichters beträgt 86%.
Der sogenannte, die Wirkungsgradbilanzierung darstellende COP-Wert (Coefficient of Performance) errechnet sich schließlich aus: $COP = ((H_{HD}) - (H_{Hrv})) / ((H_{HD}) - (H_{HD})) * V_{eff} * M_{eff}$
Besonders bevorzugt ist ferner vorgesehen, dass der Verdichter 1 einen mit der Regeleinheit 7 verbundenen Strommesssensor 11 (allgemein: ein Element zur Erfassung der Antriebsleistung des Verdichters) aufweist. Zusammen mit der elektrischen Leistung P_e1 des Verdichtermotors (ermittelt mit Hilfe dieses Strommesssensor 11 [Spannung ist bekannt]) ergibt sich nämlich zur Leistungsbilanzierung (1. Stufe: Wirkungsgradbilanzierung, 2. Stufe: Leistungsbilanzierung) die Heizleistung aus $Heizleistung = COP * P_{e 1}$
Diese Werte sind bei verkaufsfertigen Wärmepumpen bei laufendem Betrieb bisher ebenfalls nicht ermittelbar.
Wie aus Figur 1 ersichtlich, ist ferner vorgesehen, dass das Expansionsventil 3 bezüglich der Expansion des Kältemittels elektronisch regelbar ausgebildet und mit der Regeleinheit 7 verbunden ist. Diese Maßgabe hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Regeleinheit 7 auf Basis der ermittelten Temperatur-und Druckwerte eine für den Wärmepumpenprozess optimale Entspannung am Expansionsventil 3 einstellen kann.
Schließlich sind (nicht extra dargestellt) auch an den nicht kältemittelkreisseitigen Zu- und Abfuhrleitungen des Kondensators bzw. des Verdampfers Temperatursensoren vorgesehen, die ebenfalls mit der Regeleinheit verbunden sind. Auf Basis dieser zusätzlichen Temperaturinformationen kann ergänzend noch eine Bewertung der Wärmequelle bzw. Wärmesenke erfolgen.

Bezugszeichenliste

1: Verdichter
2: Kondensator
3: Expansionsventil
4: Verdamper
5: Drucksensor
6: Temperatursensor
7: Regeleinheit
8: Temperatursensor
9: Temperatursensor
10: Drucksensor
11: Element zur Erfassung der Antriebsleistung des Verdichters
12: Stoffdatenspeicher

Claims

Wärmepumpe, umfassend einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (1), einem Kondensator (2), einem Expansionsventil (3), einem Verdampfer (4), einem in Kreislaufströmungsrichtung gesehen zwischen dem Verdampfer (4) und dem Verdichter (1) angeordneten Drucksensor (5), einem in Kreislaufströmungsrichtung gesehen zwischen dem Verdampfer (4) und dem Verdichter (1) angeordneten Temperatursensor (6) und einer Regeleinheit (7), die mit dem Druck- (5) und dem Temperatursensor (6) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur wirkungsgradbilanzierung des Kältemittelkreislaufs mit Hilfe der softwarebasierten Regeleinheit (7), die einen Stoffdatenspeicher (12) für mindestens ein Kältemittel umfasst, in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf vor dem Kondensator (2) ein mit der Regeleinheit (7) verbundener Temperatursensor (8) und in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf zwischen dem Verdichter (1) und dem Expansionsventil (3) ein mit der Regeleinheit (7) verbundener Drucksensor (10) angeordnet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass in Kreislaufströmungsrichtung gesehen am Kältemittelkreislauf hinter dem Kondensator (2) ein Temperatursensor (9) angeordnet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Leistungsbilanzierung des Kältemittelkreislaufs der Verdichter (1) ein mit der Regeleinheit (7) verbundenes Element zur Erfassung der Antriebsleistung des Verdichters (11), vorzugsweise einen Strommesssensor, aufweist.
Wärmepumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Expansionsventil (3) elektronisch regelbar ausgebildet und mit der Regeleinheit (7) verbunden ist.