EP2505927B1 - Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Luft-Sole-Wärmetauscher in einem Solekreislauf - Google Patents

Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Luft-Sole-Wärmetauscher in einem Solekreislauf Download PDF

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EP2505927B1
EP2505927B1 EP12001262.0A EP12001262A EP2505927B1 EP 2505927 B1 EP2505927 B1 EP 2505927B1 EP 12001262 A EP12001262 A EP 12001262A EP 2505927 B1 EP2505927 B1 EP 2505927B1
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brine
heat
air
temperature
heat exchanger
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Hermann-Josef Bahlmann
Markus Hiegemann
Martin Lebernegg
Christaian Schäfer
Axel Schöps
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Vaillant GmbH
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    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
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    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1039—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating the system uses a heat pump
    • 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
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/04—Sensors
    • F24D2220/042—Temperature sensors

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a heat pump with an air-brine heat exchanger in a brine circuit.
  • heat pumps can provide environmental heat even from very low temperature levels.
  • compression heat pumps the refrigerant in the heat pump cycle is cooled down to temperatures below -15 ° C.
  • the heat can be removed from the environment and transferred to the heat pump cycle in the evaporator.
  • the performance of the heat pump increases with the temperature of the environment, while at the same time the heat demand decreases.
  • the heat pump can be operated clocking or modulating.
  • the heat pump can cover the heat demand only up to a certain ambient temperature.
  • US 4,995,241 shows a heat pump with an air heat exchanger in which a fan blows air between two heat exchanger plates and hereby allows a heat transfer from the ambient air to the heat exchanger plates. If the outside temperature is so low that no heat can be transferred from the outside air to the heat exchanger, then a fuel gas-operated burner is turned on, the exhaust gases flow through the heat exchanger described above. the burner thus serves to heat the outside air or to replace cold outside air with hot exhaust gases.
  • the publication DE 103 18 134 A1 discloses a method for deicing the air-brine heat exchanger of a heat pump system, wherein the compressor is switched off, the air-brine heat exchanger is heated by an electric heat source.
  • the pamphlets EP 1 248 055 A2 and AT 507 709 A1 disclose methods for operating a heat pump system in which, depending on the measured ambient temperature different environment. Heat sources are used.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a method for operating a heat pump with an air-brine heat exchanger that allows operation of the heat pump even at very low outdoor temperatures.
  • this is achieved by a method having the features of the independent claim. Accordingly, in a heat pump having a brine circuit in which an air-brine heat exchanger and a circulating pump are located, the ambient temperature of the air is detected. If this falls below a predetermined limit, the fan of the air-brine heat exchanger is turned off and a heating element in the brine circuit turned on. By switching off the fan heat transfer to the environment is avoided, so that then by means of the heating power of the heating element, the evaporator of the heat pump is supplied with heat.
  • FIG. 1 shows a brine circuit 4 of a heat pump 12 with an air-brine heat exchanger 3, which has a fan 7 for conveying ambient air through the air-brine heat exchanger 3
  • the brine circuit 4 is also a circulating pump 5.
  • the brine circuit 4 is over an evaporator 6 connected to the heat pump 12.
  • a first temperature sensor 1 for detecting the ambient air temperature T U is arranged on the air inlet side of the air-brine heat exchanger 3.
  • a second temperature sensor 2 is positioned in the brine circuit 4 for detecting the temperature of the brine T S, W downstream of the air-brine heat exchanger 3.
  • a heating element 8 is arranged immediately upstream of the air-brine heat exchanger 3 in the brine circuit 4.
  • the heat pump 12 is placed in a house. Through the house wall 11 through the brine circuit 4 leads to the air-brine heat exchanger 3. In the brine circuit 4 downstream and upstream of the evaporator 6 are each a third and a fourth temperature sensor 9, 10 are arranged.
  • the circulating pump 5 is in operation. At least temporarily, the ambient air temperature T U and the temperature of the brine T S, W are detected downstream of the air-brine heat exchanger 3. As long as the air-brine heat exchanger 3 is not completely iced, the brine can absorb heat from the environment. Ideally, the brine would take on the ambient temperature; However, due to the finite heat exchanger surface, the brine always remains slightly colder. If there is icing of the air-brine heat exchanger 3, the temperature difference ⁇ T between the ambient air temperature T U and the temperature of the brine T S, W increases downstream of the air-brine heat exchanger 3. The more icy the air-brine heat exchanger 3, the greater the temperature difference .DELTA.T.
  • FIG. 2 shows a function of the ambient air temperature T U, the power Q of the heat pump and the heat demand Q target of the house.
  • the heat pump Q increases with the temperature of the environment, while at the same time the heat demand Q set decreases.
  • the so-called bivalence point corresponds to the power Q of the heat pump the heat demand Q Soll of the house.
  • T B the so-called bivalence temperature
  • T B of the second heat generator 13 is switched so that the heat pump can otherwise continue to operate unchanged.
  • the heat requirement Q Soll of the house can thus be covered up to the standard outside temperature T N.
  • the method according to the invention sets in, since heat would be released to the environment via the air-brine heat exchanger 3 below this temperature during operation of the blower 7.
  • the heating element 8 is put into operation and thus the heat exchanger 6 of the heat pump 12 provided heat at a temperature level that allows operation of the heat pump and causes an increase in the heat output of the heat pump.
  • a heat transfer to the environment is prevented according to the invention by switching off the fan 7, so that the brine circuit is now heated exclusively via the heating element 8.
  • the heat requirement Q If the house is then no longer completely covered, but at least one operation of the heat pump to satisfy a part de heat demand Q target is possible, which would otherwise not be the case. Below a freezing temperature T F , the heat losses of the brine circuit are so great that not enough heat to operate the heat pump arrives at the evaporator 6.
  • FIG. 3 shows the brine temperature in the operating range below the Normau touchtemperatur T N , the heating element 8 is then operated only clocking, since not the entire heating power of the heating element 8 is required, thus ensuring that the brine circuit 4 is heated only so far that the operating limit temperature T F not is fallen short of.
  • the invention is not limited only to compression heat pumps.
  • an air-brine heat exchanger of a sorption heat pump can also be de-iced.
  • the heating element 8 may be arranged downstream or upstream of the air-brine heat exchanger 3. Upstream of the air-brine heat exchanger 3, it can be better used for defrosting the air-brine heat exchanger 3, downstream it can reheat the brine more efficiently.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Luft-Sole-Wärmetauscher in einem Solekreislauf.
  • Mittels Luft-Sole-Wärmetauschem kann Wärmepumpen Umweltwärme selbst von sehr niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden. Bei Kompressionswärmepumpen wird das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf auf Temperaturen bis kleiner -15°C abgekühlt. Somit kann selbst bei einer Außentemperatur von -15°C der Umwelt Wärme entzogen und im Verdampfer auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen werden.
  • Die Leistung der Wärmepumpe steigt mit der Temperatur der Umgebung, während gleichzeitig der Wärmebedarf sinkt. Somit kann bei hohen Umgebungstemperaturen die Wärmepumpe taktend oder modulierend betrieben werden. Umgekehrt kann die Wärmepumpe nur bis zu einer bestimmten Umgebungstemperatur den Wärmebedarf decken.
  • Unterhalb dieser Temperatur, die typischerweise bei -10°C bis -5°C (sog. Bivalenzpunkt) liegt, besteht gemäß dem Stand der Technik die Möglichkeit über einen zweiten Wärmeerzeuger, zum Beispiel eine elektrisch betriebene Zusatzheizung im bivalenten Betrieb zusätzlich Wärme in den Heizkreis einzubringen. Liegt die Umgebungstemperatur unterhalb der Einsatzgrenztemperatur der Wärmepumpe (üblicherweise -25°C bis -20°C), erfolgt zwangsweise ein Abschalten der Wärmepumpe. Eine Wärmeversorgung erfolgt dann nur noch durch den für diesen Zweck meist unterdimensionierten zweiten Wärmeerzeuger.
  • US 4 995 241 zeigt eine Wärmepumpe mit einem Luft-Wärmetauscher, bei dem ein Ventilator Luft zwischen zwei Wärmetauscherplatten bläst und hiermit einen Wärmeübertrag von der Umgebungsluft auf die Wärmetauscherplatten ermöglicht. Ist die Außentemperatur derart gering, dass keine Wärme von der Außenluft auf den Wärmetauscher übertragen werden kann, so wird ein brenngasbetriebener Brenner eingeschaltet, dessen Abgase durch den oben beschriebenen Wärmetauscher strömen. der Brenner dient somit der Erhitzung der Außenluft beziehungsweise dazu, kalte Außenluft durch heiße Abgase zu ersetzen.
  • Die Druckschrift DE 103 18 134 A1 offenbart ein Verfahren zum Enteisen des Luft-Sole-Wärmetauschers einer Wärmepumpenanlage, bei dem bei abgeschaltetem Kompressor der Luft-Sole-Wärmetauscher von einer elektrischen Wärmequelle beheizt wird.
  • Die Druckschriften EP 1 248 055 A2 und AT 507 709 A1 offenbaren Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpenanlage, bei denen in Abhängigkeit zu der gemessenen Umgebungstemperatur verschiedene Umwelt. Wärmequellen eingesetzt werden.
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Luft-Sole-Wärmetauscher zu schaffen, das auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen einen Betrieb der Wärmepumpe ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Dementsprechend werden bei einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf, in dem sich ein Luft-Sole-Wärmetauscher und eine Umwälzpumpe befinden, die Umgebungstemperatur der Luft erfasst. Unterschreitet diese einen vorgegebenen Grenzwert, so wird das Gebläse des Luft-Sole-Wärmetauschers ausgeschaltet und ein Heizelement im Solekreislauf eingeschaltet. Durch das Abschalten des Gebläses wird eine Wärmeübertragung an die Umgebung vermieden, so dass dann mittels der Heizleistung des Heizelements der Verdampfer der Wärmepumpe mit Wärme versorgt wird.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
  • Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert. Hierbei zeigen
    • Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
    • Figur 2 den Zusammenhang zwischen Wärmebedarf und Heizleistung der Wärmepumpe zur Umgebungstemperatur sowie
    • Figur 3 die Soletemperatur sowie der Betriebszustand des Heizelements bei der Durchführung des erfinderischen Verfahrens.
  • Figur 1 zeigt einen Solekreislauf 4 einer Wärmepumpe 12 mit einem Luft-Sole-Wärmetauscher 3, der über ein Gebläse 7 zur Förderung von Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher 3 verfügt In dem Solekreislauf 4 befindet sich ferner eine Umwälzpumpe 5. Der Solekreislauf 4 ist über einen Verdampfer 6 mit der Wärmepumpe 12 verbunden. Ein erster Temperatursensors 1 zur Erfassung der Umgebungslufttemperatur TU ist auf der Lufteintrittsseite des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 angeordnet. Ein zweiter Temperatursensors 2 ist im Solekreislauf 4 zur Erfassung der Temperatur der Sole TS,W stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 positioniert. Ein Heizelement 8 ist unmittelbar stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 im Solekreislauf 4 angeordnet.
  • Die Wärmepumpe 12 ist in einem Haus aufgestellt. Durch die Hauswand 11 hindurch führt der Solekreislauf 4 zum Luft-Sole-Wärmetauscher 3. Im Solekreislauf 4 sind ferner stromab und stromauf des Verdampfers 6 jeweils ein dritter und ein vierter Temperatursensor 9, 10 angeordnet.
  • Beim normalen Betrieb der Wärmepumpe 12 ist unter anderem die Umwälzpumpe 5 in Betrieb. Es wird zumindest temporär die Umgebungslufttemperatur TU und die Temperatur der Sole TS,W stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 erfasst. Solange der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 nicht vollständig vereist ist, kann die Sole Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Im Idealfall würde die Sole die Umgebungstemperatur annehmen; bedingt durch die endliche Wärmetauscherfläche bleibt die Sole jedoch stets etwas kälter. Kommt es zu einer Vereisung des Luft-Sole-Wärmetauschers 3, so nimmt die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Umgebungslufttemperatur TU und die Temperatur der Sole TS,W stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 zu. Je vereister der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 ist, desto größer wird die Temperaturdifferenz ΔT.
  • Figur 2 zeigt in Abhängigkeit der Umgebungslufttemperatur TU die Leistung Q der Wärmepumpe sowie den Wärmebedarf QSoll des Hauses. Wie bereits einleitend erwähnt, steigt die Leistung Q der Wärmepumpe mit der Temperatur der Umgebung, während gleichzeitig der Wärmebedarf QSoll sinkt. Am sogenannten Bivalenzpunkt (Temperatur TB) entspricht die Leistung Q der Wärmepumpe dem Wärmebedarf QSoll des Hauses. Unterhalb dieser Bivalenztemperatur TB wird der zweite Wärmeerzeuger 13 zugeschaltet, so dass die Wärmepumpe ansonsten unverändert weiterbetrieben werden kann. Je nach Dimensionierung kann somit bis zur Normaußentemperatur TN der Wärmebedarf QSoll des Hauses gedeckt werden.
  • Unterhalb der Normaußentemperatur TN setzt das erfindungsgemäße Verfahren ein, da unterhalb dieser Temperatur beim Betrieb des Gebläses 7 Wärme über den Luft-Sole-Wärmetauscher 3 an die Umgebung abgegeben würde. Bei eingeschalteter Umwälzpumpe 5 wird das Heizelement 8 in Betrieb genommen und somit dem Verdampfer 6 der Wärmepumpe 12 Wärme auf einem Temperaturniveau zur Verfügung gestellt, das einen Betrieb der Wärmepumpe zulässt und eine Steigerung der Heizleistung der Wärmpumpe bewirkt. Eine Wärmeabgabe an die Umgebung wird erfindungsgemäß durch das Abschalten des Gebläses 7 unterbunden, so dass der Solekreislauf nun ausschließlich über das Heizelement 8 beheizt wird. Der Wärmebedarf QSoll des Hauses wird zwar dann nicht mehr völlig gedeckt, doch ist zumindest ein Betrieb der Wärmepumpe zur Befriedigung eines Teils de Wärmebedarfs QSoll möglich, was ansonsten nicht der Fall wäre. Unterhalb einer Frosttemperatur TF sind die Wärmeverluste des Solekreislaufs derartig groß, dass nicht mehr genügend Wärme zum Betrieb der Wärmepumpe am Verdampfer 6 ankommt.
  • Figur 3 zeigt die Soletemperatur im Betriebsbereich unterhalb der Normaußentemperatur TN, Das Heizungselement 8 wird dann nur taktend betrieben, da nicht die gesamte Heizleistung des Heizungselements 8 benötigt wird und so sichergestellt wird, dass der Solekreis 4 nur soweit erwärmt wird, dass die Einsatzgrenztemperatur TF nicht unterschritten wird.
  • Die Erfindung ist nicht nur auf Kompressionswärmepumpen beschränkt. So kann erfindungsgemäß beispielsweise auch ein Luft-Sole-Wärmetauscher einer Sorptionswärmepumpe enteist werden.
  • Das Heizelement 8 kann stromab oder stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 angeordnet sein. Stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 kann es besser zum Abtauen des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 eingesetzt werden, stromab kann es effizienter die Sole nachheizen.
    • Bezugszeichenliste
    • erster Temperatursensor 1
    • zweiter Temperatursensor 2
    • Luft-Sole-Wärmetauscher 3
    • Solekreislauf 4
    • Umwälzpumpe 5
    • Verdampfer 6
    • Gebläse 7
    • Heizelement 8
    • dritter und ein vierter Temperatursensor 9, 10
    • Hauswand 11
    • Wärmepumpe 12

Claims (3)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe (12) mit einem Solekreislauf (4), in dem sich eine Umwälzpumpe (5), ein Luft-Sole-Wärmetauscher (3), ein Verdampfer (6) und Heizelement (8) befinden, einer Erfassung der Umgebungslufttemperatur TU mittels eines ersten Temperatursensors (1), wobei der Luft-Sole-Wärmetauscher (3) über ein Gebläse (7) zur Förderung von Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher (3) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungslufttemperatur TU mittels eines ersten Temperatursensors (1) erfasst wird und bei Unterschreitung einer vorgegebenen Temperatur TN das Gebläse (7) abgeschaltet und das Heizelement (8) alternierend ein- und ausgeschaltet wird, so dass sichergestellt wird, dass der Solekreis (4) nur soweit erwärmt wird, dass eine Einsatzgrenztemperatur TF, unterhalb derer die Wärmeverluste des Solekreislaufs derartig groß sind, dass nicht mehr genügend Wärme zum Betrieb der Wärmepumpe am Verdampfer 6 ankommt, nicht unterschritten wird..
  2. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur TN die Temperatur ist, unterhalb derer der Wärmebedarf QSoll eines durch die Wärmepumpe zu beheizenden Hauses nicht mehr durch die Wärmepumpe (12) und einen zugeschalteten zweiten Wärmeerzeuger (13) gedeckt werden kann.
  3. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (8) stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers (3) angeordnet ist.
EP12001262.0A 2011-03-28 2012-02-25 Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit einem Luft-Sole-Wärmetauscher in einem Solekreislauf Active EP2505927B1 (de)

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