EP2375196A2 - Regelungseinrichtung und Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpenanlage - Google Patents

Regelungseinrichtung und Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpenanlage Download PDF

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EP2375196A2
EP2375196A2 EP11156195A EP11156195A EP2375196A2 EP 2375196 A2 EP2375196 A2 EP 2375196A2 EP 11156195 A EP11156195 A EP 11156195A EP 11156195 A EP11156195 A EP 11156195A EP 2375196 A2 EP2375196 A2 EP 2375196A2
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
temperature
compressor
hot gas
heat pump
water
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11156195A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP2375196A3 (de
Inventor
Manuel Stauch
Patrick Schimke
Johann Hummel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wolf GmbH
Original Assignee
Wolf GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Wolf GmbH filed Critical Wolf GmbH
Publication of EP2375196A2 publication Critical patent/EP2375196A2/de
Publication of EP2375196A3 publication Critical patent/EP2375196A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/02—Heat pumps of the compression type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1066—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for the combination of central heating and domestic hot water
    • F24D19/1072—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for the combination of central heating and domestic hot water the system uses a heat pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/08—Exceeding a certain temperature value in a refrigeration component or cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2500/00—Problems to be solved
    • F25B2500/27—Problems to be solved characterised by the stop of the refrigeration cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/21—Temperatures
    • F25B2700/2115—Temperatures of a compressor or the drive means therefor
    • F25B2700/21152—Temperatures of a compressor or the drive means therefor at the discharge side of the compressor

Definitions

  • the invention relates to a control device for controlling a heat pump system according to claim 1 and a method for controlling a heat pump system according to claim 7.
  • Heat pump systems of the type discussed here are, for example DE 35 24 446 A1 or EP 2 116 797 A2 known. They include a heat source or heat source circuit, a heating and / or process water circuit and a refrigerant circuit comprising a compressor, an evaporator, a condenser and an expansion valve.
  • the heat pump system can be used for heating and / or cooling of heating circuits and / or domestic hot water circuits of buildings.
  • a heat pump typically heats heat from a lower temperature level to a higher temperature level. The provision of the heating heat takes place by evaporation of a refrigerant in an evaporator, which is then compressed in a compressor or compressor, whereby the refrigerant is further heated.
  • the heat is removed from the refrigerant in the condenser and transferred to a heat transfer medium, such as heating water or service water.
  • a heat transfer medium such as heating water or service water.
  • the liquefied refrigerant is then expanded in a throttle body, namely the expansion valve and fed again to the evaporator.
  • Heat pumps of the type mentioned above can be operated in reversible operation and thus can cause cooling instead of heating.
  • it is also referred to chillers or heat pump heaters.
  • renewable energy heat pumps are increasingly used for heating and / or cooling of buildings or heating water and / or hot water circuits.
  • One possible embodiment of such heat pumps are the so-called air / water heat pumps, in which heat is extracted from the ambient air by means of an outdoor unit to be heated or cooled outside.
  • brine / water heat pumps which use a brine source instead of the outside air, are also known.
  • an antifreeze-water mixture that circulates in underground pipelines and that is heated by geothermal energy.
  • Standard heat pumps of the type described above achieve according to their application depending on the source temperature, i. the temperature of an outside air or a brine, a certain maximum flow temperature.
  • the flow temperature is the temperature of the water in the heating and / or process water circuit after exiting the condenser.
  • the flow temperature achieved with standard heat pumps is not high enough to heat the heating or service water to a desired temperature level.
  • standard heat pumps in addition to the heat pump arranged in the heating and / or hot water circuit additional heat generator, usually in Shape of an electric heater, used.
  • the auxiliary heat generator is activated as needed to still achieve the desired heating and hot water temperature at too low a source temperature.
  • the switching point between a heat pump operation and the operation of the auxiliary heat generator is generally referred to as a bivalence point.
  • the switching timing is determined by comparing the current source temperature with a so-called bivalence temperature. falls the source temperature is below the bivalence temperature, the compressor is turned off and the auxiliary heat generator is turned on.
  • the DE 35 24 446 A1 discloses another method of switching between a heat pump and an auxiliary heat generator in which the degree of frosting of the evaporator is detected by means of a sensor.
  • Object of the present invention is therefore to provide a control device for a heat pump system and a method for controlling a heat pump system, which allow the operation of the heat pump system at its operational limit and thus a highly efficient operation of the system.
  • the present invention is based on the idea to operate the compressor to its maximum hot gas temperature and to provide in the case of reaching the maximum hot gas temperature no lockout, but first to detect the current return temperature in the heating and / or domestic water circuit and with a predetermined minimum return temperature to compare its plausibility.
  • the predetermined minimum return temperature is dependent on the source temperature, and indicates a temperature of the water, which adjusts to a smooth current operation of the heat pump in the return of the heating and / or domestic water circuit at a certain current source temperature. If the expansion valve is correctly adjusted and the heat pump is operated, the heat pump will reach a certain return temperature depending on the source temperature when the maximum hot gas temperature is reached.
  • the achievement of the hot gas temperature is indeed dependent on the source temperature, since the compressor has to do more work when the source temperature and thus the evaporation rate in the evaporator is lower, but can not be predicted on the basis of the source temperature not reaching the maximum hot gas temperature, especially as the flow in the refrigerant circuit and the setting of the expansion valve are not exactly predictable.
  • solely by the regulation of the heat pump system as a function of the source temperature no operation of the system up to the application limit of the compressor is possible.
  • it is precisely necessary to prevent the compressor from operating at too low a temperature because it quickly reaches its maximum hot gas temperature due to too low a source temperature, with the result that the entire heat system is shut down for safety reasons. It must therefore already be switched at source temperatures of the compressor operation on the operation of the additional heat generator, in which the compressor has not yet reached its maximum possible power output.
  • the present invention adopts the measurement of the hot gas temperature by providing no stalling function but the current one
  • Hot gas temperature of the compressor in a loop for controlling the heat pump incorporates.
  • the source temperature is no longer used to control the system, but the compressor is operated up to its maximum hot gas temperature. Once this is reached, the compressor is switched off and the control device compares the current return temperature with a predeterminable minimum return temperature. If the actual return temperature is not in a plausible range, i. if the minimum return temperature has not been reached, the entire heat pump system is switched off, as there is probably a defect in the system. For example, it is conceivable that refrigerant has leaked from the Käfteschniklauf and the return temperature is therefore too low. The check of the return temperature is thus in particular to determine whether the maximum hot gas temperature has been reached due to a defect.
  • the control device If this is not the case, should the return temperature be in an inconspicuous or normal range, the current temperature of the water is detected and stored in the heating and / or Hippowassernikfiers and with a predetermined by the user of the heat pump system minimum guaranteed temperature value or compared to a setpoint temperature value. If the current heating and / or service water temperature is below the setpoint specification, the control device outputs a signal which causes the activation of the additional heat generator.
  • the minimum return temperature can be specified as a function of the source temperature. Depending on the source temperature, another return temperature is plausible.
  • control device when the hot gas temperature of the compressor is measured and detected by the control device only when the source temperature falls below a predetermined critical minimum source temperature. It is preferably predetermined in such a way that only below the minimum source temperature is there a critical area of the compressor in which the maximum hot gas temperature can even be reached.
  • a signal is output which causes the shutdown of the heat pump system.
  • the current temperature of the service and / or heating water is stored and compared with a predetermined minimum water temperature or a target water temperature. If the current temperature is below the desired water temperature, an additional heat generator in the heating and / or service water circuit is put into operation until the heating and / or service water has warmed up to its setpoint.
  • control method can be provided, moreover, that to prevent high pressure noise in the heating and / or domestic water circuit, the flow and / or the return temperature is monitored and upon reaching a maximum flow and / or Rticklauftemperatur also the shutdown of the compressor and the connection of the additional heat generator takes place.
  • the starting point for all three operating modes is a service water request, i. that the temperature of the service and / or heating water is below a desired setpoint and should be increased to this.
  • the Fig. 1 shows a scheme for a savings operation of the heat pump system, in which a hot water or a minimum hot water temperature can be specified by the user.
  • the hot water set temperature can be reached in this mode if the current source temperature is high enough.
  • the hot water set temperature is therefore not guaranteed, but adjusts only if the source temperature is sufficient. On the other hand, if the source temperature is insufficient, there will be no further heating by the auxiliary heat generator.
  • the starting point for the regulation is that there is a demand for service water at all, that is, a heating of the water should take place.
  • the compressor is switched on, which "sets in motion" the refrigerant circuit. If the source temperature is sufficient to reach the desired hot water temperature exclusively by means of the compressor, after reaching the desired temperature, the controller stores the current temperature X of the water and terminates the control process.
  • the hot gas temperature of the compressor is detected and compared by the controller with a maximum hot gas temperature specified by the compressor manufacturer. If the maximum hot gas temperature is reached, the control device generates a signal which causes the shutdown of the compressor.
  • the return temperature of the service water is then detected and compared by the control device with a predetermined minimum return temperature. If the current return temperature has not reached the preset minimum value, there is most likely a fault in the system and the controller outputs a signal that causes the lockout of the heat pump system. If there is a check that there is no problem or if the problem is resolved, then the auxiliary heat generator can be switched on until the desired minimum water temperature is reached.
  • priorities in the control sequence can be assigned for the activation of the additional heat generator.
  • the temperature X of the water present in the hot water tank is stored and the control process is ended until a hot water request is present again and the control restarts.
  • control can additionally provide that the flow temperature is monitored to avoid high pressure noise and off when reaching a maximum flow temperature of the compressor. Since the heat pump is in service water mode, the shutdown of the compressor due to the maximum predetermined flow temperature at the time of compressor shutdown the hot water temperature Y is stored. Then drops during domestic hot water by the Sakipporer turn the hot water tank temperature below the stored value Y minus a hysteresis K (YK), for example, due to hot water tap by a user, the additional heat generator is switched off and the control switches back to hot water request, so that the heating of the water again through the heat pump or through the compressor.
  • YK hysteresis K
  • Fig. 2 shows the second "normal" mode of operation in which the controller is operable. Contrary to the regulation according to Fig. 1 consists here, as already described above, the ability to specify a hot water target temperature, their achievement in contrast to the economy mode according to Fig. 1 is guaranteed.
  • the procedure of the regulation according to Fig. 2 is essentially the same as the Fig. 1 , In this respect, the description goes to Fig. 1 directed.
  • the regulation according to Fig. 2 differs essentially from the regulation Fig. 1 in that, after the current water temperature Y has been stored in the water reservoir, the auxiliary heat generator is switched on until the desired hot water temperature is reached.
  • Fig. 3 showed the third operating mode in which the control device is operable.
  • the operating mode Fig. 2 it is possible for a user to specify a hot water set temperature, the achievement of which is guaranteed. Contrary to the regulation according to the Fig. 1 and 2 However, the hot water target temperature should be reached as quickly as possible. This is ensured by the parallel, ie the simultaneous operation of the compressor and the additional heat generator.
  • the hot gas temperature of the compressor as a function of the source temperature (i.e., the hot gas temperature is monitored only when the source temperature falls below a predetermined value), i.e., the hot gas temperature.
  • a predetermined value i.e., the hot gas temperature.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpenanlage mit einer Wärmequelle, einem Brauch- und/oder Heizwasserkreislauf, einem Verdichter, einem Verdampfer und einem Verflüssiger, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: - erfassen einer Heißgastemperatur des Verdichters; - vergleichen der erfassten Heißgastemperatur mit einer vorbestimmten maximalen Heißgastemperatur, und im Falle des Erreichens der maximalen Heißgastemperatur: - ausgeben eines Signals zum Abschalten des Verdichters; - erfassen der Rücklauftemperatur, und - abgleichen der erfassten Rücklauftemperatur mit einer vorgegebenen Mindestrücklauftemperatur.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung zur Regelung einer Wärmepumpenanlage gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpenanlage gemäß Anspruch 7.
  • Wärmepumpenanlagen der hier angesprochenen Art sind beispielsweise aus DE 35 24 446 A1 oder EP 2 116 797 A2 bekannt. Sie umfassen eine Wärmequelle bzw. einen Wärmequellenkreislauf, einen Heiz- und/oder Brauchwasserkreislauf und einen Kältemittelkreislauf, der einen Verdichter, einen Verdampfer, einen Verflüssiger und ein Expansionsventil umfasst. Die Wärmepumpenanlage kann zur Erwärmung und/oder Kühlung von Heizkreisläufen und/oder von Brauchwasserkreisläufen von Gebäuden dienen. Durch eine Wärmepumpe wird in der Regel Wärme von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Die Bereitstellung der Heizwärme erfolgt durch Verdampfung eines Kältemittels in einem Verdampfer, welches anschließend in einem Kompressor oder Verdichter komprimiert wird, wodurch sich das Kältemittel weiter erwärmt. Nachfolgend wird dem Kältemittel im Verflüssiger die Wärme entzogen und auf ein Wärmeträgermedium, beispielsweise Heizungswasser oder Brauchwasser, übertragen. Das verflüssigte Kältemittel wird anschließend in einem Drosselorgan, nämlich dem Expansionsventil entspannt und wieder von neuem dem Verdampfer zugeführt.
  • Wärmepumpen der oben angesprochenen Art können im reversiblen Betrieb gefahren werden und können somit eine Kühlung statt eine Erwärmung bewirken. Je nach Einsatzzweck, d.h. je nach dem ob eine Kühlung oder eine Heizung eines Mediums erfolgen soll, spricht man auch von Kältemaschinen oder von Wärmepumpenheizungen.
  • Insbesondere im Zuge der verstärkten Verbreitung erneuerbarer Energien werden Wärmpumpen zunehmend häufiger zur Erwärmung und/oder Kühlung von Gebäuden bzw. von Heizwasser und/oder Brauchwasserkreisläufen eingesetzt. Eine mögliche Ausführungsart derartiger Wärmepumpen sind die so genannten Luft-/Wasserwärmepumpen, bei denen mittels einer außerhalb zu erwärmenden bzw. kühlenden Gebäudes angeordneten Außeneinheit der Umgebungsluft Wärme entzogen wird. Bekannt sind jedoch auch Sole/Wasserwärmepumpen, die statt der Außenluft als Quelle eine Sole verwenden, d.h. eine Frostschutzmittel-Wassermischung, die in in der Erde verlegten Leitungen zirkuliert und die durch die Erdwärme erwärmt wird.
  • Standardwärmepumpen der oben beschriebenen Art erreichen entsprechend ihres Einsatzbereiches in Abhängigkeit der Quellentemperatur, d.h. die Temperatur einer Außenluft bzw. einer Sole, eine bestimmte maximale Vorlauftemperatur. Bei der Vorlauftemperatur handelt es sich um die Temperatur des Wassers in dem Heiz- und/oder Brauchwasserkreislaufs nach dem Austritt aus dem Verflüssiger. Je nach Quellentemperatur ist die erreichte Vorlauftemperatur bei Standardwärmepumpen nicht hoch genug, um das Heizungs- bzw. Brauchwasser auf ein gewünschtes Temperaturniveau zu erwärmen. Um die gewünschten Heizungs- und Brauchwassertemperaturen trotzdem zu erreichen und somit die erforderliche Raumsolltemperatur, sowie den Brauchwasserkomfort und die Trinkwasserhygiene, insbesondere in Bezug auf den Legionellenschutz sicherzustellen, wird bei Standardwärmepumpen zusätzlich zur Wärmepumpe ein im Heiz- und/oder Brauchwasserkreis angeordneter Zusatzwärmeerzeuger, üblicherweise in Form eines Elektroheizelements, eingesetzt. Der Zusatzwärmeerzeuger wird bei Bedarf aktiviert, um die gewünschte Heizungs- und Brauchwassertemperatur bei einer zu niedrigen Quellentemperatur dennoch zu erreichen. Der Umschaltpunkt zwischen einem Wärmepumpen- bzw. Verdichterbetrieb und dem Betrieb des Zusatzwärmeerzeugers wird im Allgemeinen als Bivalenzpunkt bezeichnet.
  • Herkömmlicherweise wird der Umschaltzeitpunkt dadurch festgelegt, dass die aktuelle Quellentemperatur mit einer sogenannten Bivalenztemperatur verglichen wird. Fällt die Quellentemperatur unter die Bivalenztemperatur, wird der Verdichter ausgeschaltet und der Zusatzwärmeerzeuger eingeschaltet.
  • Die DE 35 24 446 A1 offenbart ein anderes Verfahren zum Umschalten zwischen einer Wärmepumpe und einem Zusatzwärmeerzeuger, bei dem mittels eines Sensors der Bereifungsgrad des Verdampfers detektiert wird.
  • Die oben beschriebenen Vorgehensweisen zur Bestimmung des Umschaltzeitpunktes haben den Nachteil, dass die Effizienz der Wärmepumpenanlage nicht optimal ausgenutzt wird.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Regelungseinrichtung für eine Wärmepumpenanlage und ein Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpenanlage zu schaffen, welche den Betrieb der Wärmepumpenanlage an ihrer Einsatzgrenze und somit einen hocheffizienten Betrieb der Anlage ermöglichen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Regelungseinrichtung für eine Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
  • Die Regelungseinrichtung ist dazu ausgebildet, eine Heißgastemperatur des Verdichters zu erfassen und mit einer vorbestimmten maximalen Heißgastemperatur zu vergleichen, und im Falle des Erreichens der festgelegten maximalen Heißgastemperatur:
    • ein Signal auszugeben, welches die Abschaltung des Verdichters bewirkt;
    • die Rücklauftemperatur zu erfassen, und
    • die erfasste Rücklauftemperatur mit einer vorbestimmten minimalen Rücklauftemperatur zu vergleichen.
  • Um eine eingangs beschriebene Standardwärmepumpe, welche in Abhängigkeit der Quellentemperatur zum Erreichen bestimmter Vorlauftemperaturen einen Zusatzwärmeerzeuger benötigt, möglichst effizient zu betreiben, ist es notwendig, die Wärmepumpe bis an ihre Einsatzgrenze zu betreiben und erst dann den Zusatzwärmeerzeuger in Betrieb zu nehmen. Die Einsatzgrenze ist durch den Verdichter, d.h. durch den Kompressor, vorgegeben. Sie ergibt sich aus der vom Verdichterhersteller vorgegebenen maximalen Heißgastemperatur. Übersteigt die Heißgastemperatur des Verdichters den maximal zulässigen Wert, so besteht die Gefahr, dass der Verdichter beschädigt oder sogar zerstört wird. Üblicherweise verfügen herkömmliche Wärmepumpenanlagen daher über eine Störabschaltung, welche die Abschaltung der Wärmepumpenanlage bewirkt, wenn der Verdichter seine maximale Heißgastemperatur erreicht. Die Heißgastemperatur des Verdichters wird zu diesem Zweck gemessen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Verdichter bis zu seiner maximalen Heißgastemperatur zu betreiben und im Falle des Erreichens der maximalen Heißgastemperatur keine Störabschaltung vorzusehen, sondern zunächst die aktuelle Rücklauftemperatur im Heiz- und/oder Brauchwasserkreislauf zu erfassen und mit einer vorgegebenen minimalen Rücklauftemperatur auf seine Plausibilität hin zu vergleichen. Die vorgegebene minimale Rückfauftemperatur ist abhängig von der Quellentemperatur, und gibt eine Temperatur des Wassers an, die sich bei einem störungsfreien Betrieb der Wärmepumpe im Rücklauf des Heiz- und/oder Brauchwasserkreislaufs bei einer bestimmten aktuellen Quellentemperatur einstellt. Bei ordnungsgemäßer Einstellung des Expansionsventils und Betrieb der Wärmepumpe, erzielt die Wärmepumpe in Abhängigkeit von der Quellentemperatur bei Erreichen der maximalen Heißgastemperatur eine bestimmte Rücklauftemperatur.
  • Das Erreichen der Heißgastemperatur ist zwar von der Quellentemperatur abhängig, da der Verdichter mehr Arbeit verrichten muss, wenn die Quellentemperatur und damit der Verdampfungsgrad im Verdampfer geringer ist, jedoch kann alleine aufgrund der Quellentemperatur nicht das Erreichen der maximalen Heißgastemperatur vorausgesagt werden, da insbesondere der Durchfluss im Kältemittelkreislauf und die Einstellung des Expansionsventils nicht exakt vorhersagbar sind. Insofern ist alleine durch die Regelung der Wärmepumpenanlage in Abhängigkeit von der Quellentemperatur kein Betrieb der Anlage bis an die Einsatzgrenze des Verdichters möglich. Bei herkömmlichen Systemen muss nämlich gerade verhindert werden, dass der Verdichter bei zu niedrigen Temperaturen betrieben wird, da er aufgrund einer zu niedrigen Quellentemperatur rasch seine maximale Heißgastemperatur erreicht, was zur Folge hat, dass die gesamte Wärmeanlage aus Sicherheitsgründen abgeschaltet wird. Es muss daher schon bei Quellentemperaturen von dem Verdichterbetrieb auf den Betrieb durch den Zusatzwärmeerzeuger umgeschaltet werden, bei denen der Verdichter noch nicht seine maximal mögliche Leistungsabgabe erreicht hat.
  • Die vorliegende Erfindung macht sich daher die Messung der Heißgastemperatur zu eigen, indem sie keine Störabschaltungsfunktion vorsieht, sondern die aktuelle
  • Heißgastemperatur des Verdichters in einen Regelkreislauf zur Regelung der Wärmepumpe einbindet.
  • Um den Umschaltzeitpunkt zwischen dem Verdichter und dem Zusatzwärmeerzeuger festzustellen, wird nicht mehr die Quellentemperatur zur Regelung der Anlage herangezogen, sondern der Verdichter wird bis zu seiner maximalen Heißgastemperatur betrieben. Sobald diese erreicht ist, wird der Verdichter abgeschaltet und die Regelungseinrichtung vergleicht die aktuelle Rücklauftemperatur mit einer vorgebbaren minimalen Rücklauftemperatur. Liegt die aktuelle Rücklauftemperatur nicht in einem plausiblen Bereich, d.h. wurde die minimale Rücklauftemperatur nicht erreicht, wird die gesamt Wärmepumpenanlage abgeschaltet, da vermutlich ein Defekt der Anlage vorliegt. Beispielsweise ist es denkbar, dass Kältemittel aus dem Käftemittelkreislauf ausgetreten ist und die Rücklauftemperatur folglich zu niedrig ist. Die Überprüfung der Rücklauftemperatur erfolgt also insbesondere um festzustellen, ob die maximale Heißgastemperatur aufgrund eines Defekts erreicht wurde. Sollte dies nicht der Fall sein, sollte die Rücklauftemperatur also in einem unauffälligen bzw. normalen Bereich liegen, wird die aktuelle Temperatur des Wassers im Heiz- und/oder Brauchwasserkreisfaufs erfasst und gespeichert und mit einem durch den Benutzer der Wärmepumpenanlage vorgebbaren minimalen garantierten Temperaturwert oder mit einem Solltemperaturwert verglichen. Liegt die aktuelle Heiz- und/oder Brauchwassertemperatur unterhalb der Sollwertvorgabe, gibt die Regelungseinrichtung ein Signal aus, welches die Aktivierung des Zusatzwärmeerzeugers bewirkt.
  • Wie gesagt ist die minimale Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Quellentemperatur vorgebbar. Je nachdem, welche Quellentemperatur vorliegt, ist eine andere Rticklauftemperatur plausibel.
  • Besonders vorteilhaft ist die Regelungseinrichtung gemäß der Erfindung, wenn die Heißgastemperatur des Verdichters nur dann gemessen und durch die Regelungseinrichtung erfasst wird, wenn die Quellentemperatur eine vorbestimmte kritische Mindestquellentemperatur unterschreitet. Sie ist vorzugsweise derart vorgegeben, dass erst unterhalb der Mindestquelfentemperatur ein kritischer Bereich des Verdichters vorliegt, in dem die maximale Heißgastemperatur überhaupt erreichbar ist.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird auch eine Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen, die eine Regelungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.
  • Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpenanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Die Wärmepumpenanlage weist eine Wärmequelle, einen Brauch- und/oder Heizwasserkreislauf, einen Verdichter, einen Verdampfer und einen Verflüssiger. Erfindungsgemäß weist das Verfahren die folgenden Schritte auf:
    • erfassen einer Heißgastemperatur des Verdichters;
    • vergleichen der erfassten Heißgastemperatur mit einer vorbestimmten maximalen Heißgastemperatur, und
    im Falle des Erreichens der maximalen Heißgastemperatur:
    • ausgeben eines Signals zum Abschalten des Verdichters;
    • erfassen der Rücklauftemperatur, und
    • vergleichen der erfassten Rücklauftemperatur mit einer vorgegebenen Mindestrücklauftemperatur.
  • Besonders bevorzugt wird ein Verfahren, bei dem die minimale Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Quellentemperatur vorgegeben wird.
  • Vorzugsweise ist noch vorgesehen, dass bei Nichterreichen der vorbestimmten minimalen Rücklauftemperatur ein Signal ausgegeben wird, welches die Abschaltung der Wärmepumpenanlage bewirkt. Bei Erreichen der vorbestimmten minimalen Rücklauftemperatur wird hingegen die aktuelle Temperatur des Brauch- und/oder Heizwassers gespeichert und mit einer vorgegebenen Wassermindesttemperatur oder einer Wassersolltemperatur verglichen. Liegt die aktuelle Temperatur unterhalb der gewünschten Wassertemperatur, wird ein Zusatzwärmeerzeuger im Heiz- und/oder Brauchwasserkreislauf so lange in Betrieb genommen, bis das Heiz- und/oder Brauchwasser auf seinen Sollwert erwärmt ist.
  • Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Regelungsverfahren kann im Übrigen vorgesehen sein, dass zur Vermeidung von Hochdruckstörungen im Heiz- und/oder Brauchwasserkreislauf die Vorlauf- und/oder die Rücklauftemperatur überwacht wird und bei Erreichen einer maximalen Vorlauf- und/oder Rticklauftemperatur ebenfalls die Abschaltung des Verdichters und die Zuschaltung des Zusatzwärmeerzeugers erfolgt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Ablaufdiagramm der Regelung gemäß der Erfindung in einem Sparbetrieb;
    Fig. 2
    ein Ablaufdiagramm der Regelung gemäß der Erfindung in einem Normalbetrieb, und
    Fig. 3
    ein Ablaufdiagramm der Regelung gemäß der Erfindung in einem Eilbetrieb.
  • Die Figuren machen deutlich, dass die Brauchwasserbereitung durch eine Wärmepumpenanlage mittels der erfindungsgemäßen Regelungseinrichtung bzw. durch das Regelverfahren gemäß der Erfindung vorzugsweise in drei verschiedenen Modi betreibbar ist, Der Benutzer der Wärmepumpenanlage kann zwischen den drei Betriebsarten der Regelung wählen. Es versteht sich, dass noch andere Ausführungsformen der Regelung denkbar sind.
  • Ausgangspunkt für alle drei Betriebsarten ist eine Brauchwasseranforderung, d.h. dass die Temperatur des Brauch- und/oder Heizwassers liegt unterhalb eines gewünschten Sollwerts und soll auf diesen erhöht werden.
  • Die Fig. 1 zeigt eine Regelung für einen Sparbetrieb der Wärmepumpenanlage, bei dem eine Warmwassersoll- bzw. eine Warmwassermindesttemperatur durch den Benutzer vorgegeben werden kann. Die Warmwassersolltemperatur kann bei dieser Betriebsart erreicht werden, wenn die aktuelle Quellentemperatur hoch genug ist. Die Warmwassersolltemperatur wird also nicht garantiert, sondern stellt sich nur dann ein, wenn die Quellentemperatur ausreicht. Wenn die Quellentemperatur hingegen nicht ausreicht, erfolgt keine weitere Erwärmung durch den Zusatzwärmeerzeuger.
  • Die Erreichung der Warmwassermindesttemperatur wird in dieser Betriebsart hingegen garantiert. Sollte die Quellentemperatur nicht ausreichen, um das Wasser im Heiz- und/oder Brauchwasserkreislauf mittels des Verdichters auf die Warmwassermindesttemperatur zu erwärmen, muss in diesem Betriebsmodus notfalls auf den Zusatzwärmeerzeuger umgeschaltet werden.
  • Im Folgenden wird näher auf den in Fig. 1 gezeigten Ablauf des Regelverfahrens eingegangen, Ausgangspunkt für die Regelung ist wie gesagt, dass überhaupt eine Brauchwasseranforderung vorliegt, also eine Erwärmung des Wassers erfolgen soll. Zu diesem Zweck wird der Verdichter angeschaltet, der den Kältemittelkreislauf "in Gang setzt". Falls die Quellentemperatur ausreicht, um die gewünschte Warmwasser.temperatur ausschließlich mittels des Verdichters zu erreichen, speichert die Regelung nach Erreichen der gewünschten Temperatur die aktuelle Temperatur X des Wassers und beendet das Regelverfahren.
  • Während des Regelverfahrens wird die Heißgastemperatur des Verdichters erfasst und von der Regelungseinrichtung mit einer maximalen Heißgastemperatur verglichen, die durch den Verdichterhersteller vorgegeben ist. Wird die maximale Heißgastemperatur erreicht, erzeugt die Regelungseinrichtung ein Signal, welches die Abschaltung des Verdichters bewirkt.
  • Gemäß der Erfindung wird daraufhin die Rücklauftemperatur des Brauchwassers erfasst und durch die Regelungseinrichtung mit einer vorgegebenen minimalen Rücklauftemperatur verglichen. Hat die aktuelle Rücklauftemperatur den vorgegebenen minimalen Wert nicht erreicht, liegt höchstwahrscheinlich ein Defekt der Anlage vor und die Regelung gibt ein Signal aus, welches die Störabschaltung der Wärmepumpenanlage bewirkt. Ergibt eine Kontrolle, dass kein Problem vorliegt oder wird das Problem behoben, kann anschließend der Zusatzwärmeerzeuger so lange eingeschaltet werden, bis die gewünschte Wassermindesttemperatur erreicht ist.
  • Für die Einschaltung des Zusatzwärmeerzeugers können im Übrigen Prioritäten im Regelungsablauf vergeben werden.
  • Ergibt ein Vergleich mit der vorgegebenen minimalen Rücklauftemperatur, dass die aktuelle Rücklauftemperatur einen normalen Wert aufweist, der keinen Hinweis auf eine Störung der Anlage liefert, wird nur der Verdichter und nicht die gesamte Wärmepumpenanlage störabgeschaltet und die aktuelle Temperatur Y des Wassers, welches üblicherweise in einem Wasserspeicher vorhanden ist, wird zum Zeitpunkt der Abschaltung des Verdichters gespeichert und mit einer vorgegebenen Wassermindesttemperatur verglichen. Ist diese nicht erreicht, wird der Zusatzwärmeerzeuger so lange eingeschaltet, bis die gewünschte Temperatur erreicht ist.
  • Falls die aktuelle gespeicherte Warmwassertemperatur mit der vorgegebenen Warmwassermindesttemperatur übereinstimmt, wird die Temperatur X des im Warmwasserspeicher vorhandenen Wassers gespeichert und das Regelverfahren beendet, so lange, bis wieder eine Warmwasseranforderung vorliegt und die Regelung von neuem beginnt.
  • Für den Fall, dass während der Brauchwasserbereitung Brauchwasser gezapft wird, wird der Zusatzwärmeerzeuger abgeschaltet und die Regelung schaltet wieder auf Brauchwasseranforderung, sodass die Brauchwasserbereitung wieder durch die Wärmepumpe bzw. durch den Verdichter erfolgt.
  • Schließlich kann die Regelung noch zusätzlich vorsehen, dass die Vorlauftemperatur zur Vermeidung von Hochdruckstörungen überwacht wird und bei Erreichen einer maximalen Vorlauftemperatur der Verdichter ausgeschaltet wird. Da sich die Wärmepumpe im Brauchwasserbetrieb befindet, wird nach dem Abschalten des Verdichters aufgrund der maximalen vorgegebenen Vorlauftemperatur die zum Zeitpunkt der Verdichterabschaltung erreichte Brauchwassertemperatur Y abgespeichert. Sinkt dann während der Brauchwasserbereitung durch den Zusatzwärmebereiter wiederum die Brauchwasserspeichertemperatur unter den abgespeicherten Wert Y minus einer Hysterese K (Y-K), beispielsweise aufgrund von Brauchwasserzapfung durch einen Benutzer, wird der Zusatzwärmeerzeuger abgeschaltet und die Regelung schaltet wieder auf Brauchwasseranforderung, sodass die Erwärmung des Wassers wieder durch die Wärmepumpe bzw. durch den Verdichter erfolgt.
  • Fig. 2 zeigt den zweiten "normalen" Betriebsmodus, in dem die Regelungseinrichtung betreibbar ist. Im Gegensatz zu der Regelung gemäß Fig. 1 besteht hier, wie oben bereits beschrieben wurde, die Möglichkeit, eine Warmwassersolltemperatur vorzugeben, deren Erreichen im Gegensatz zu dem Sparbetrieb gemäß Fig. 1 garantiert wird.
  • Der Ablauf der Regelung gemäß Fig. 2 entspricht im Wesentlichen dem der Fig. 1. Insofern wird auf die Beschreibung zu Fig. 1 verwiesen. Die Regelung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich im Wesentlichen von der Regelung nach Fig. 1, indem nach dem Abspeichern der aktuellen Wassertemperatur Y im Wasserspeicher der Zusatzwärmeerzeuger so lange eingeschaltet wird, bis die Warmwassersolltemperatur erreicht ist.
  • Fig. 3 zeigte den dritten Betriebsmodus, in dem die Regelungseinrichtung betreibbar ist. Gemäß dem Betriebsmodus nach Fig. 2 besteht für einen Benutzer die Möglichkeit, eine Warmwassersolltemperatur vorzugeben, deren Erreichen garantiert wird. Im Gegensatz zu der Regelung gemäß den Fig. 1 und 2 soll jedoch die Warmwassersolltemperatur möglichst schnell erreicht werden. Dies wird durch die parallele, d.h. den gleichzeitigen Betrieb des Verdichters und des Zusatzwärmeerzeugers gewährleistet.
  • Insgesamt zeigt sich, dass durch die Überwachung der Heißgastemperatur des Verdichters in Abhängigkeit von der Quellentemperatur (d.h. die Heißgastemperatur wird nur dann überwacht, wenn die Quellentemperatur einen vorbestimmten Wert unterschreitet), d.h. also die Temperatur der Sole oder der Außenluft, und der daraus resultierenden minimalen Rücklauftemperatur gewährleistet wird, dass die Wärmepumpe im Heiz- und Brauchwasserbetrieb so oft und so lange wie möglich, und der Zusatzwärmeerzeuger so kurz und so wenig wie möglich betrieben werden. Dadurch wird der Betrieb des Zusatzwärmeerzeugers minimiert und eine möglichst hohe Effizienz der Wärmepumpenanlage erreicht. Die Regelungseinrichtung und das Regelverfahren gemäß der Erfindung wirken sich im Übrigen vorteilhaft auf die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpenanlage aus.

Claims (13)

  1. Regelungseinrichtung zur Regelung einer Wärmepumpenanlage mit einer Wärmequelle, einem Brauch- und/oder Heizwasserkreislauf, einem Verdichter, einem Verdampfer und mit einem Verflüssiger, wobei die Regelungseinrichtung dazu ausgebildet ist eine Heißgastemperatur des Verdichters zu erfassen und mit einer vorbestimmten maximalen Heißgastemperatur zu vergleichen, und im Falle des Erreichens der festgelegten maximalen Heißgastemperatur:
    - ein Signal auszugeben, welches die Abschaltung des Verdichters bewirkt;
    - die Rücklauftemperatur zu erfassen, und
    - die erfasste Rücklauftemperatur mit einer vorbestimmten minimalen Rticklauftemperatur zu vergleichen.
  2. Regelungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Quellentemperatur vorgebbar ist.
  3. Regelungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist bei Nichterreichen der vorbestimmten minimalen Rücklauftemperatur ein Signal auszugeben, welches die Abschaltung der Wärmepumpenanlage bewirkt.
  4. Regelungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist bei Erreichen der vorbestimmten minimalen Rücklauftemperatur die aktuelle Temperatur des Brauch- und/oder Heizwassers zu speichern.
  5. Regelungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie dazu ausgebildet ist die Heißgastemperatur des Verdichters nur dann zu erfassen, wenn die Quellentemperatur (TQ) eine vorbestimmte Mindestquelfentemperatur (TQMin) unterschreitet.
  6. Wärmepumpenanlage, aufweisend eine Regelungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
  7. Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpenanlage mit einer Wärmequelle, einem Brauch- und/oder Heizwasserkreislauf, einem Verdichter, einem Verdampfer und einem Verflüssiger, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    - erfassen einer Heißgastemperatur des Verdichters;
    - vergleichen der erfassten Heißgastemperatur mit einer vorbestimmten maximalen Heißgastemperatur, und
    im Falle des Erreichens der maximalen Heißgastemperatur:
    - ausgeben eines Signals zum Abschalten des Verdichters;
    - erfassen der Rücklauftemperatur, und
    - abgleichen der erfassten Rücklauftemperatur mit einer vorgegebenen Mindestrücklauftemperatur.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Rücklauftemperatur in Abhängigkeit von der Quellentemperatur vorgegeben wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterreichen der vorbestimmten minimalen Rücklauftemperatur ein Signal ausgegeben wird, welches die Abschaltung der Wärmepumpenanlage bewirkt.
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen der
    vorbestimmten minimalen Rücklauftemperatur die aktuelle Temperatur des Brauch- und/oder Heizwassers gespeichert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle
    Temperatur des Brauch- und/oder Heizwassers mit einer vorgegebenen Wassermindesttemperatur verglichen wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Temperatur des Brauch- und/oder Heizwassers mit einer vorgegebenen Wassersolltemperatur verglichen wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein
    Zusatzwärmeerzeuger im Heiz- und/oder Brauchwasserkreislauf eingeschaltet wird, wenn die vorgegebene Wassermindest- oder Wassersolltemperatur nicht erreicht ist.
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