EP4198420A1 - Verfahren zum überwachen einer füllmenge eines arbeitsmediums in einer wärmepumpenanlage, verfahren zum steuern einer wärmepumpenanlage und wärmepumpenanlage - Google Patents

Verfahren zum überwachen einer füllmenge eines arbeitsmediums in einer wärmepumpenanlage, verfahren zum steuern einer wärmepumpenanlage und wärmepumpenanlage Download PDF

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EP4198420A1
EP4198420A1 EP22212449.7A EP22212449A EP4198420A1 EP 4198420 A1 EP4198420 A1 EP 4198420A1 EP 22212449 A EP22212449 A EP 22212449A EP 4198420 A1 EP4198420 A1 EP 4198420A1
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EP
European Patent Office
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working medium
heat pump
pump system
filling quantity
working
Prior art date
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Pending
Application number
EP22212449.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tino Gehlert
Timo Christian Klenke
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.)
Viessmann Holding International GmbH
Original Assignee
Viessmann Climate Solutions SE
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Filing date
Publication date
Application filed by Viessmann Climate Solutions SE filed Critical Viessmann Climate Solutions SE
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Pending 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
    • F25B49/00—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F25B49/005—Arrangement or mounting of control or safety devices of safety devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2700/193—Pressures of the compressor
    • F25B2700/1931—Discharge pressures
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    • F25B2700/19—Pressures
    • F25B2700/193—Pressures of the compressor
    • F25B2700/1933—Suction pressures

Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a filling quantity of a working medium in a heat pump system, a method for controlling a heat pump system, a heat pump system and a monitoring device for use in a heat pump system.
  • heat pump systems have been increasingly used, especially in private households, which are thermodynamic devices that, via a connection to a heat source system, make various environmental energy sources usable, for example in the form of aerothermal, geothermal or hydrothermal energy, for the purpose of room air conditioning.
  • the use of the heat pump system causes an energy or heat flow across the boundaries of a target system, usually the room to be air-conditioned, in order to either increase or decrease the temperature in the target system depending on the direction of the heat flow.
  • the former shall be referred to as heating operation with heat flow directed into the target system and the latter as cooling operation with heat flow directed out of the target system.
  • the heat pump system usually includes a closed thermodynamic working circuit for a working medium and acts as an interface for the heat flow between said heat source system and said target system, with thermal energy being able to be transferred to the working medium at at least one point in the working circuit and thermal energy to the working medium at at least one other point in the working circuit can be withdrawn.
  • the efficiency of the heat pump system depends on the working medium located in the working circuit, in particular on a filling level or a filling quantity of the working medium. With a decreasing fill quantity in the working circuit, for example due to leakage effects or similar, the maximum heat flow that can be converted also decreases and with it the efficiency of the heat pump system.
  • Such monitoring methods require, among other things, high data processing power and often lead to numerical fluctuations during data evaluation, which correspondingly negatively influence the quality of a statement about the filling quantity in the working circuit of the heat pump system.
  • a method for monitoring a filling quantity of a working medium in a heat pump system according to claim 1 a method for controlling a heat pump system according to claim 11 and a heat pump system according to claim 13 are provided. Furthermore, a monitoring device according to claim 15 for use in a heat pump system is also provided.
  • a method for monitoring a filling quantity of a working medium in a heat pump system comprises at least one compression device for compressing the working medium, a condensation device for liquefying the working medium, an expansion device for expanding the working medium and an evaporation device for evaporating the working medium, these being arranged in a working circuit for the working medium.
  • the method includes determining a first state value of a first thermodynamic state variable of the working medium at a first position in the working circuit located between the evaporation device and the compression device, determining a second state value of the first thermodynamic state variable Status variable of the working medium at a second position in the working circuit located between the compression device and the condensation device and a determination of a fill quantity characteristic that describes the filling quantity of the working medium in the working circuit of the heat pump system, at least on the basis of the determined first state value and the determined second state value, the determined Fill quantity parameter depends on a sum or a weighted sum of the determined first state value and the determined second state value.
  • the working medium runs through the compression device, the condensation device, the expansion device and the evaporation device one after the other in a repeating cycle, with the basic processes in the working cycle when using the heat pump system being sufficiently well known from the generally known prior art, so that no further explanations are required at this point take place.
  • the working medium is to be understood as any fluid that is suitable for use in said heat pump system and can be compressed, liquefied, expanded and evaporated in the said devices, the working medium usually being and not limited to a synthetic refrigerant , such as the refrigerant R410A, which is made up of 50% difluoromethane and 50% pentafluoroethane
  • the first thermodynamic state variable can be any state variable with which a thermodynamic state of the working medium can be described, e.g. pressure, density, temperature or specific volume.
  • the sum is to be understood as a sum of the two state values, which are each weighted with a factor of one, whereas in the weighted sum at least one of the said factors is not equal to one.
  • the fill quantity parameter to be determined is not only to be understood as directly or proportionally dependent on said sum or said weighted sum, but can also be dependent, for example, on a reciprocal value or on a power of said sum or said weighted sum.
  • the method provided enables a particularly simple monitoring of the filling quantity of the working medium, which is based on a sum (weighted or normal) of the two state values before and after the compression device of the heat pump system.
  • a statement can be made about the filling quantity and/or about changes in the filling quantity by means of the first thermodynamic state variable, which is only determined at two points in the working cycle.
  • the determined state values allow statements about the compression process of the working medium, im In the course of which the pressure of the usually gaseous working medium is increased, for example in the form of an adiabatic, isochoric or isentropic change of state.
  • a filling quantity parameter that is more robust with regard to fluctuations that occur can be provided, which allows a more reliable statement about the filling quantity
  • Said first thermodynamic state variable can be, for example, a pressure of the working medium, for which a first and a second pressure value are determined as state values which, in the case of the exemplary evaluation via a quotient, only allow a statement to be made about a pressure ratio. In this sense, if the pressures before and after the compression drop to the same extent due to leakage in the working circuit, this would not be recorded by said quotient.
  • thermodynamic state of the working medium due to external influences, such as a changing ambient temperature, there can be fluctuations in the thermodynamic state of the working medium before the compression process with regard to such fluctuations.
  • said fluctuations regardless of whether they are to be expected in the first or second status value, can be smoothed out or their influence on the filling quantity parameter reduced by appropriate weighting of the respective summands.
  • the method preferably includes providing an initial filling amount parameter and comparing the determined with the initial filling amount gene parameter.
  • the initial fill quantity parameter serves as a reference for changes in the fill quantity that occur during operation.
  • the initial fill quantity parameter can be determined, for example, in the course of an initial filling or refilling of working medium in the working circuit, or it can be specified at the factory.
  • a change in the filling quantity parameter over time can also be determined, which is determined on the basis of values of the filling quantity parameter at at least a first and a second point in time, preferably on the basis of values at more than two points in time, in order to avoid changes in the filling quantity during operation capture.
  • the heat pump system monitored with the aid of the method is preferably used for air conditioning a room or an entire building, with the heat pump system being set up for heating operation to heat up the room or building to be air-conditioned and/or for cooling operation to cool down the room or building to be air-conditioned can be.
  • either the condensation device or the evaporation device is coupled with an energy circuit or air conditioning system of the room or building via a heat exchanger in order to supply heat to it in the course of the liquefaction of the working medium (condensation device) or heat in the course of evaporation (evaporation device). revoke.
  • the expansion device of the heat pump system for expanding the working medium comprises a controllable expansion valve with a variable degree of opening, the method further comprising determining a valve parameter describing the degree of opening of the controllable expansion valve and determining the filling quantity parameter additionally on the basis of the determined valve parameter of the controllable expansion valve he follows.
  • the valve parameter describing the degree of opening can largely be defined arbitrarily, as long as the degree of opening can be specified via it. For example, this can be dimensioned and describe an absolute displacement of the valve tappet, or it can be specified in a dimensionless form, for example specifying a proportionate opening of the expansion valve in percent.
  • the proportionate opening can be determined, among other things, based on a displacement of the valve tappet compared to a maximum displacement or based on an opening area compared to a maximum opening area.
  • the expansion valve closes the thermodynamic circuit of the heat pump system and, depending on the degree of opening, controls a flow rate of the working medium coming from the condensation device and flowing into the evaporation device.
  • the degree of opening can be set passively via the other system parameters of the heat pump system if the expansion valve is designed as a thermostatic expansion valve, for example, or it can also be actively controlled.
  • the controllable expansion valve thus serves as a control element for the heat pump system, via which For example, the performance or the heat flow caused by the heat pump system can be adjusted.
  • said valve parameter is preferably included in the determination of the filling quantity parameter. If, for example, a non-controllable expansion valve with a constant degree of opening is used, said valve parameter would only be seen as a constant factor and could be disregarded when determining the charge quantity parameter.
  • the specific filling quantity parameter depends on a ratio of the specific valve parameter of the controllable expansion valve and the sum or the weighted sum of the first and second state values.
  • the flow rate and the pressure of the working medium downstream of the evaporation device also increase, with this relation being advantageously determined by including the said valve parameter, in particular in the form of the Said ratio can be intercepted in the determination of the filling quantity parameter, so that the filling quantity parameter does not change in a significant way in the course of these exemplary changes in the operating state, but rather remains essentially constant.
  • the first thermodynamic state variable is a pressure of the working medium, as a result of which a thermodynamic state variable that is relatively easy to determine or measure is used to monitor the filling quantity.
  • determining the first state value of the first thermodynamic state variable comprises measuring the first thermodynamic state variable at the first position in the working circuit and/or that Determining the second state value of the first thermodynamic state variable includes measuring the first thermodynamic state variable at the second position in the working cycle.
  • condition values required to determine the fill quantity size are measured directly in the work cycle and can be used without falsification.
  • the determination of the first state value of the first thermodynamic state variable can alternatively include measuring a second thermodynamic state variable at the first position in the working cycle and determining the first state value of the first thermodynamic state variable on the basis of a measurement result at the first position and a first conversion rule provided include. Additionally or alternatively, determining the second state value of the first thermodynamic state variable can include measuring a second thermodynamic state variable at the second position in the working cycle and determining the second state value of the first thermodynamic state variable on the basis of the measurement result at the second position and a second conversion rule provided, the in particular corresponds to the first conversion rule include.
  • thermodynamic state variable e.g. in the case where the heat pump system does not have suitable measuring devices or sensors for the first thermodynamic state variable, but instead for the second thermodynamic state variable, from whose measured values the state values of the first state variable are derived on the basis of conversion rules, e.g. in the form of material laws, can be derived.
  • conversion rules e.g. in the form of material laws
  • the second thermodynamic state variable of the working medium is a temperature, a volume or a density of the working medium.
  • the determination of the first state value, the determination of the second state value, optionally the determination of the valve parameter describing the degree of opening and the determination of the filling quantity parameter based thereon (optionally including the valve parameter) are continuously repeated at predefined time intervals, in order to do so to provide at least one time profile of the filling quantity parameter.
  • continuous monitoring of the filling quantity of the working medium can be provided, with the variables determined at the various points in time preferably being stored in a retrievable manner, for example in a storage medium Control device of the heat pump system or in a storage medium of an external data processing system to which the heat pump system is coupled.
  • a time history of said variables By providing a time history of said variables, a gradual loss of working medium in the working circuit over a longer period of time can advantageously also be detected.
  • the method also includes detecting a critical fill quantity of the working medium in the heat pump system, which at least detects a first critical case, in which the specific fill quantity parameter exceeds a first specified limit value, and/or detects a second critical case, in in which an average of a time profile of the filling quantity parameter, formed over a specified period of time, exceeds a second predetermined limit value.
  • Exceeding is not to be understood as limited to an increase in the filling quantity parameter above said limit values, but results from the definition of the filling quantity parameter, in the course of which exceeding is equivalent to a drop in an exemplary numerical value of the filling quantity parameter or the time average below said limit values, or with an increase in excess of said limits.
  • a critical filling quantity can be understood as a minimum quantity of working medium defined for the proper operation of the heat pump system, which must not/should not be fallen below, since this can result in a relatively large drop in the efficiency of the heat pump system or even damage individual components.
  • the detection of a critical fill quantity of the working medium also includes issuing a first warning message in the first critical case and/or issuing a second warning message in the second critical case, whereby the method is expanded to include a notification functionality that an operator or a maintenance worker of the heat pump system can receive by intervening to counteract a critical fill level in good time.
  • warning messages should not be limited to a specific type of message, but can include one or more different types of message.
  • an optical display on a display unit of the heat pump system an electronic message to a house or building control device or to a mobile terminal resident or an electronic message to a technical customer service for the maintenance and repair of the heat pump system.
  • the method also includes switching off the heat pump system depending on a detection result of detecting a critical filling quantity of the working medium in the heat pump system, in particular when the first and/or the second critical case occurs.
  • the heat pump system can be protected from potential damage caused by undercharging without requiring the intervention of an operator or maintenance worker
  • the heat pump system is connected to an external data processing system, in particular a cloud-based data processing system, via a network connection, with the calculations required in the course of the method being carried out entirely or at least partially by the external data processing system.
  • an external data processing system in particular a cloud-based data processing system
  • the method preferably comprises at least a transmission of the determined first and second status values to the external data processing system, with the determination of the fill quantity parameter based thereon being carried out by the external data processing system
  • the external data processing system can also preferably use the external data processing system to determine them on the basis of the above-mentioned conversion rules.
  • the procedural use of the external data processing system should by no means be limited to the steps mentioned above as examples, but can, as required, carry out any determination, determination or evaluation step described above, which includes data processing, a data comparison or actions that can be derived therefrom Saving the time curve of the filling quantity parameter in a storage medium of the external data processing system, on the basis of which a critical filling quantity is detected.
  • the external data processing system can then send a notification about any critical filling quantity that may be present.
  • the internal data processing systems of the heat pump system eg its control device, are relieved by the external data processing system.
  • comparatively higher computing power and capacities can be provided through the use of external, preferably cloud-based data processing be, in the course of which a far-reaching temporal history of the determined or recorded data of the heat pump system, preferably across the entire life cycle, can be accessed. This not only increases the informative value of the determined fill quantity parameter or the reliability of detecting a critical fill quantity, but also, for example, memory capacities or processor performance of said control device can be selected to be smaller and thus implemented more cost-effectively.
  • a method for controlling a heat pump system wherein the heat pump system arranged in a working circuit for a working medium comprises: a compression device for compressing the working medium, a condensation device for liquefying the working medium, an expansion device for expanding the working medium and an evaporation device to evaporate the working medium.
  • the method for controlling the heat pump system includes monitoring a filling quantity of the working medium in the heat pump system using a method according to the first aspect of the invention and controlling the heat pump system by setting one or more operating parameters of the heat pump system at least as a function of the monitoring of the filling quantity of the Working medium specific filling quantity parameter.
  • a control device of the heat pump system can advantageously be adapted to a filling quantity that may be falling, which means a deterioration in efficiency, in order to avoid unfavorable operation in this way.
  • the output of the entire heat pump system can be reduced to a value more suitable for this filling quantity, for example, or it can even be switched off completely, not only to save energy costs, but also to prevent possible damage to individual components of the heat pump system.
  • the operating parameters are preferably set as a function of events based on filling quantity parameters, which relate, for example, to predefined limit values being exceeded.
  • the adjustable operating parameters are in particular a performance of the heat pump system or operating parameters influencing the heat flow caused by the heat pump system, which include, for example and not exhaustively, a global or resulting performance parameter of the heat pump system, the above-mentioned valve parameter of an expansion valve of the expansion device, a die Compression performance of the compression device descriptive compression performance parameters or the volume flow or the maximum volume flow of the working medium in the working circuit descriptive flow parameters can count.
  • the method for controlling the heat pump system preferably includes, in the course of monitoring the filling quantity, providing an initial filling quantity parameter, with the one or more operating parameters of the heat pump system also being set as a function of the initial filling quantity parameter, and in particular on a change between the initial and specific filling quantity parameter based
  • a heat pump system in particular for carrying out the method according to the first aspect of the invention.
  • the heat pump system includes a compression device for compressing a working medium, a condensation device for liquefying the working medium, an expansion device for expanding the working medium and an evaporation device for evaporating the working medium, these being arranged in a working circuit for the working medium.
  • the heat pump system also includes a first measuring device, which is set up to measure a first or a second thermodynamic state variable of the working medium at a first position in the working circuit, located between the evaporation device and the compression device, and a second measuring device, which is designed to measure a first or a second thermodynamic state variable of the working medium is set up at a second position in the working cycle, located between the compression device and the condensation device is to determine a first state value of the first thermodynamic state variable of the working medium based on a measurement result of the first measuring device, to determine a second state value of the first thermodynamic state variable of the working medium based on a measurement result of the second measuring device, and to determine the filling quantity of the working medium in the working circuit of the heat pump system to determine descriptive filling amount parameter based on a sum or a weighted sum of the first state value and the second state value on the basis of the determined first state value and the determined second state value.
  • the heat pump system provided is thus set up at least for carrying out the method according to the first aspect of the invention and offers all the advantages already described.
  • the expansion device of the heat pump system preferably includes a controllable expansion valve with a variable degree of opening for expanding the working medium.
  • the monitoring device is coupled to the expansion device and is set up to describe the degree of opening of the controllable expansion valve To determine valve parameters and also to determine the filling quantity parameter also on the basis thereof.
  • Determining the degree of opening of the valve can be based on a degree of opening detected by a degree of opening sensor on the expansion valve, e.g.
  • the monitoring device is preferably set up to assign the first and/or second state value to the first thermodynamic state variable based on the conversion rules described above determine and on the basis of which in turn to determine the filling quantity parameter.
  • the measuring devices can be designed, for example, as temperature sensors, pressure sensors or density sensors.
  • the monitoring device is preferably set up to receive the first and the second status value continuously at predefined time intervals and to continuously repeat the determination of the filling quantity parameter based on this at predefined time intervals, in order to provide at least one time profile of the filling quantity parameter, which in particular is Storage medium of the monitoring device is stored.
  • the monitoring device is preferably set up to detect a critical filling quantity of the working medium in the heat pump system on the basis of the determined filling quantity parameter, in the sense of which the monitoring device is also set up to detect a first critical case in which the determined filling quantity parameter exceeds a first predefined limit value , and/or to detect a second critical case in which an average of a time profile of the filling quantity parameter, formed over a specified period of time, exceeds a second predetermined limit value.
  • the monitoring device is preferably set up to transmit a switch-off signal for the heat pump system to the control device of the heat pump system depending on a detection result of the monitoring device, in particular for the first and/or second critical case.
  • the monitoring device is preferably designed as part of a control device for the heat pump system.
  • the monitoring device can preferably be designed at least partially as part of an external data processing system, which is in particular cloud-based, and be connected to the control device of the heat pump system via a network connection.
  • an external data processing system which is in particular cloud-based
  • the monitoring device can be designed at least partially as part of an external data processing system, which is in particular cloud-based, and be connected to the control device of the heat pump system via a network connection.
  • control device of the heat pump system is coupled to the monitoring device and is also set up to set one or more operating parameters of the heat pump system on the control device to control the heat pump system depending on the filling quantity parameter determined by the monitoring device.
  • the heat pump system is also set up to carry out the method according to the second aspect of the invention and offers all the advantages already described.
  • a monitoring device for use in a heat pump system according to the third aspect of the invention
  • Figures 1a and 1b each show a schematic structure of a respective exemplary embodiment of a heat pump system according to the invention.
  • Figures 2a and 2b show qualitative exemplary curves of various variables determined in the course of the method according to the invention for monitoring a filling quantity of a working medium in a heat pump system, in particular a filling quantity parameter of the working medium of the heat pump system.
  • Figure 3a shows a flowchart of an exemplary embodiment of the method according to the invention for monitoring a filling quantity of a working medium in a heat pump system.
  • Figure 3b shows a flowchart one on top of the flowchart Figure 3a building embodiment of the method according to the invention for controlling a heat pump system.
  • Fig. 1a shows a schematic structure of an embodiment of a heat pump system according to the invention 100.
  • Heat pump system 100 includes a compressor 11 for compressing a working medium, a condenser (or condenser) 12 for liquefying the working medium, an expansion device 13 with a controllable expansion valve 13* for expanding the working medium, and an evaporator for evaporating the working medium, each in a working circuit 10 of the heat pump system 100 are arranged and are connected to one another via corresponding lines 15, in which the working medium flows.
  • the condenser 12 is connected to an air conditioning system 300 of a building or a room to be air-conditioned via a heat exchanger (helical component) and a line system 400 for energy transport.
  • the evaporator 14 is connected via a heat exchanger (helical component) and energy transport piping system 400 to a heat source system 200, which may be, for example, a geothermal or an aerothermal system.
  • the heat pump system is provided for heating operation, in the course of which heat from the heat source system 200 is supplied to the air conditioning system 300 via the heat pump system 100 .
  • the heat pump system 100 also includes a first and a second pressure sensor 21, 22, which are each set up to measure a pressure of the working medium in the working circuit 10.
  • the first pressure sensor 21 is arranged in front of the compressor 11 (first position) with respect to a flow direction of the working medium and measures the pressure prevailing there before the compression.
  • the second pressure sensor 22 is arranged after the compressor 11 (second position) in relation to the flow direction of the working medium and measures the pressure after the compression.
  • the heat pump system also includes an opening degree sensor 23, which detects the opening degree of the controllable expansion valve 13* of the expansion device 13.
  • the controllable expansion valve has a variable opening degree for controlling the working circuit 10, via which a flow through the expansion device 13 and thus a corresponding relaxation of the working medium is controlled.
  • the degree of opening sensor 23 can be embodied as a conventional valve sensor that is suitable for detecting a degree of opening, e.g. in the form of a travel sensor on the valve tappet.
  • the heat pump system includes a monitoring device 30, which is coupled to the first and the second pressure sensor 21, 22 and the degree of opening sensor 23 and which receives the measured values recorded by these and, from this, a first state value, a second state value and a valve parameter determined in accordance with the procedure described above.
  • the monitoring device determines a filling quantity parameter that provides information about the filling quantity of the working medium in the working circuit of heat pump system 100.
  • the filling quantity parameter is determined as an example on the basis of the recorded measured values according to Equation 1 above, but should not be limited to these, as long as the to be determined Fill quantity parameter contains a sum or weighted sum of the two state values, in this case the two pressures, which is set in particular in relation to the valve parameter.
  • the monitoring device 30 is also coupled to a control device 40 of the heat pump system and can transmit to this, for example, the determined filling quantity parameter or also a warning about too low a filling quantity. Based on this, the control device 40 can, for example, set an operating parameter of the compressor 11 as a function of the transmitted filling quantity or issue the warning message to an operator or the like via a display unit (not shown here), so that the latter can take further steps; e.g. filling the heat pump system 100 with additional working medium.
  • Monitoring device 30 can ensure safe, robust and, above all, efficient operation of heat pump system 100, taking into account a changing filling quantity of the working medium, in order, for example, to always keep the efficiency of heat pump system 100 in an optimal range and to avoid energy disadvantages or even for the Heat pump system 100 to avoid harmful operating states.
  • Fig. 1b 12 shows an alternative embodiment to that of FIG Fig. 1a , in which the monitoring device is at least partially integrated as part of an external data processing system is executed.
  • the structure of the Fig. 1b only partially illustrated working circuit 10 corresponds to that Fig. 1a , which is why no further explanations are given here.
  • the monitoring device is designed in two parts with a first component 30a, which is connected to the first pressure sensor 21 and the second pressure sensor 22 and to the degree of opening sensor 23 (not shown here).
  • the first component 30a is connected via a wireless network coupling 50 to an external data processing system 500, which includes a second component 30b of the monitoring device.
  • the second component 30b is used to evaluate the data transmitted by the first component 30a, which is only provided for data transmission, with the measured values of the pressure sensors 21, 22 and the degree of opening sensor 23.
  • the second component 30b provided in the external data processing system 500 evaluates or determines the fill quantity parameter.
  • the filling quantity parameter determined by the second component 30b can then be transmitted via the network coupling 50 to the first component 30a and to the control device 50 of the heat pump system 100, whereupon, for example, the data already provided in the course of Figure 2a steps described can be initiated.
  • Figures 2a and 2b show exemplary and merely qualitative curves of various variables determined in the course of the method according to the invention for monitoring a filling quantity of a working medium in a heat pump system, in particular a filling quantity parameter FM of the working medium of the heat pump system, with a first pressure p 1 as the first state value in both curves over time t , a second pressure p 2 as the second state value, the filling quantity parameter FM derived from this and an error/maintenance parameter e based thereon (which can be understood, for example, as a detection result). for example and not limited thereto, at a time interval of 5 and 30 minutes, preferably every 15 minutes.
  • the filling quantity parameter FM is determined according to Equation 1 above as a ratio of a valve parameter VP describing the degree of opening of the expansion valve and the sum of the two state values, the pressures p 1 and p 2 .
  • a constant valve parameter VP 0.5, which corresponds to a 50% degree of opening, is assumed throughout the following.
  • Figure 2a shows a case in which the fill quantity parameter FM exceeds a predefined first limit value G 1 for the first time at time t 1.
  • a critical fill quantity of the working medium is detected according to the method, as a result of which the exemplary error/maintenance parameter e is set from 0 to 1. Based on this, the steps already described above can be initiated, such as warning messages or switching off the heat pump system.
  • Figure 2b shows an alternative monitoring based on a time mean value MFM of the fill quantity parameter FM (not shown here) which is determined by averaging the time curve of the fill quantity parameter FM Figure 2a results, and in contrast to this has lower fluctuations and thus reduces the risk of the occurrence of incorrect diagnoses caused, for example, by measurement deviations
  • the averaging over time at a point in time shown does not include the complete previous course over time of the fill quantity parameter FM, but rather only a specific sub-range, for example the four or five measured values preceding the respective point in time.
  • the averaging over time includes the previous four values, which is why the first four values at the first four times in Figure 2b accordingly missing, as no means can be determined here.
  • Figure 3a shows a flowchart of an exemplary embodiment of the method according to the invention for monitoring a filling quantity of a working medium in a heat pump system.
  • the starting point here is a heat pump system with a compression device for compressing a working medium, a condensation device for liquefying the Working medium, an expansion device for expanding the working medium and an evaporation device for evaporating the working medium, which are arranged in a working circuit for the working medium.
  • step S1 a first state value of a first thermodynamic state variable of the working medium is determined at a first position in the working circuit between the evaporation device and the compression device, the first thermodynamic state variable being a pressure of the working medium
  • step S2 a second state value of the first thermodynamic state variable of the working medium is determined at a second position in the working circuit located between the compression device and the condensation device.
  • step S3 a valve parameter describing the degree of opening of the controllable expansion valve is determined.
  • a filling quantity parameter FM is determined, which describes the filling quantity of the working medium in the working circuit of the heat pump system, on the basis of the determined first state value and the determined second state value and the determined valve parameter, with the filling quantity parameter FM being based on a sum of the determined first and the certain second state value depends.
  • the fill quantity parameter FM is determined on the basis of Equation 1 mentioned above, which is listed again below, but should not be restricted thereto.
  • step S5 After step S5, after a predetermined time interval T has elapsed, steps S1 to S5 or S6 are carried out again.
  • Figure 3b an embodiment of the inventive method for controlling a heat pump system, in which the steps S1 to S4 already in the course of Figure 3a correspond to steps S1 to S4 described, which is why no renewed explanation is given at this point Figure 3a to avoid, takes place starting from step S4 in Figure 3b the continuation of the designation of the steps with asterisks, ie eg step S5*.
  • steps S5* and S6* take place, in the course of which an operating parameter of the heat pump system can be set as a function of the fill quantity parameter FM determined in step S4.
  • a performance parameter of the heat pump system is set to a reduced value (economy mode) in step S6* in order to increase the energy consumption of the heat pump system by operating at high power (standard mode) and low filling quantity avoid.
  • the filling quantity parameter (designated by FM) in the above exemplary embodiments was defined by way of example and not restrictively according to Equation 1, so that a falling filling quantity of the working medium in the working circuit corresponds to an increase in the filling quantity parameter.

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Abstract

Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage 100, die zumindest eine Verdichtungsvorrichtung 11 zum Verdichten des Arbeitsmediums, eine Kondensationsvorrichtung 12 zum Verflüssigen des Arbeitsmediums, eine Expansionsvorrichtung 13 zum Expandieren des Arbeitsmediums und eine Verdampfungsvorrichtung 14 zum Verdampfen des Arbeitsmediums umfasst, wobei diese in einem Arbeitskreislauf 10 für das Arbeitsmedium angeordnet sind, bereit Das Verfahren umfasst dabei ein Bestimmen eines ersten Zustandswerts p<sub>1</sub> einer ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer ersten, zwischen der Verdampfungsvorrichtung 14 und der Verdichtungsvorrichtung 11 befindlichen Position im Arbeitskreislauf 10, ein Bestimmen eines zweiten Zustandswerts p<sub>2</sub> der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer zweiten, zwischen der Verdichtungsvorrichtung 11 und der Kondensationsvorrichtung 12 befindlichen Position im Arbeitskreislauf 10 und ein Bestimmen einer Füllmengenkenngröße FM, die die Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf 10 der Wärmepumpenanlage 100 beschreibt, zumindest auf Basis des bestimmten ersten Zustandswerts p<sub>1</sub> und des bestimmten zweiten Zustandswerts p<sub>2</sub>, wobei die bestimmte Füllmengenkenngröße FM von einer Summe oder einer gewichteten Summe aus dem bestimmten ersten Zustandswert p<sub>1</sub> und dem bestimmten zweiten Zustandswert p<sub>2</sub> abhängt.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage, ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenanlage, eine Wärmepumpenanlage und eine Überwachungsvorrichtung zum Einsatz in einer Wärmepumpenanlage.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme zur Raumklimatisierung bekannt, mit denen eine gezielte und auch möglichst effiziente Steuerung einer Raumtemperatur umgesetzt werden soll.
  • In jüngster Zeit kommen hierzu vermehrt vor allem in Privathaushalten Wärmepumpenanlagen zum Einsatz, bei denen es sich um thermodynamische Vorrichtungen handelt, die über eine Verbindung zu einer Wärmequellenanlage verschiedene Umgebungsenergiequellen, beispielsweise in Form von Aerothermie, Geothermie oder Hydrothermie, zwecks Raumklimatisierung nutzbar machen. Im Zuge dessen bewirkt der Einsatz der Wärmepumpenanlage einen Energie- bzw. Wärmefluss über die Grenzen eines Zielsystems, üblicherweise des zu klimatisierenden Raumes, um so je nach Richtung des Wärmeflusses die Temperatur im Zielsystem entweder zu erhöhen oder abzusenken. Ersteres soll als Heizungsbetrieb mit einem in das Zielsystem hinein gerichteten Wärmefluss und Letzteres als Kühlungsbetrieb mit einem aus dem Zielsystem heraus gerichteten Wärmefluss bezeichnet werden.
  • Die Wärmepumpenanlage umfasst üblicherweise einen geschlossenen thermodynamischen Arbeitskreislauf für ein Arbeitsmedium und fungiert als Schnittstelle für den Wärmefluss zwischen besagter Wärmequellenanlage und besagtem Zielsystem, wobei an zumindest einer Stelle im Arbeitskreislauf Wärmeenergie auf das Arbeitsmedium übertragen werden kann und an zumindest einer weiteren Stelle im Arbeitskreislauf dem Arbeitsmedium Wärmeenergie entzogen werden kann.
  • Ein Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage hängt dabei von dem im Arbeitskreislauf befindlichen Arbeitsmedium ab, insbesondere von einem Füllstand bzw. einer Füllmenge des Arbeitsmediums. Mit einer sinkenden Füllmenge im Arbeitskreislauf, beispielsweise durch Leckage-Effekte o.Ä. bedingt, sinkt ebenso der maximal umsetzbare Wärmefluss und damit auch der Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage.
  • Um vor diesem Hintergrund einen ordnungsgemäßen Betrieb der Wärmepumpenanlage zu gewährleisten und beispielsweise rechtzeitig auf eine sinkende bzw. zu niedrige Füllmenge des Arbeitsmediums reagieren zu können, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Verfahren zum Überwachen besagter Füllmenge im Arbeitskreislauf bekannt
  • So ist aus der WO 2006/073814 ein Verfahren bekannt, bei dem ein Massenstrom eines Arbeitsmediums an zwei unterschiedlichen Positionen im Arbeitskreislauf bestimmt und miteinander verglichen werden. Fällt eine Differenz besagter Massenströme zu groß aus, wird eine kritische bzw. zu niedrige Füllmenge des Arbeitsmediums detektiert
  • Derartige Überwachungsverfahren benötigen unter anderem eine hohe Datenverarbeitungsleistung und führen bei der Datenauswertung oft zu numerischen Schwankungen, welche eine Qualität einer Aussage über die Füllmenge im Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage entsprechend negativ beeinflussen.
    • Zusammenfassung der Erfindung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Möglichkeit bereitzustellen, die einen effizienten und vor allem robusten Betrieb einer Wärmepumpenanlage gestattet
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenanlage gemäß Anspruch 11 sowie eine Wärmepumpenanlage nach Anspruch 13 bereitgestellt. Ferner wird zudem eine Überwachungsvorrichtung gemäß Anspruch 15 zum Einsatz in einer Wärmepumpenanlage bereitgestellt
  • Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beziehen sich dabei auf bevorzugte Ausführungsformen, die jeweils für sich genommen oder in Kombination bereitgestellt werden können.
  • Gemäß eines ersten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage bereitgestellt. Die Wärmepumpenanlage umfasst zumindest eine Verdichtungsvorrichtung zum Verdichten des Arbeitsmediums, eine Kondensationsvorrichtung zum Verflüssigen des Arbeitsmediums, eine Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums und eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen des Arbeitsmediums, wobei diese in einem Arbeitskreislauf für das Arbeitsmedium angeordnet sind. Das Verfahren umfasst dabei ein Bestimmen eines ersten Zustandswerts einer ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer ersten, zwischen der Verdampfungsvorrichtung und der Verdichtungsvorrichtung befindlichen Position im Arbeitskreislauf, ein Bestimmen eines zweiten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer zweiten, zwischen der Verdichtungsvorrichtung und der Kondensationsvorrichtung befindlichen Position im Arbeitskreislauf und ein Bestimmen einer Füllmengenkenngröße, die die Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage beschreibt, zumindest auf Basis des bestimmten ersten Zustandswerts und des bestimmten zweiten Zustandswerts, wobei die bestimmte Füllmengenkenngröße von einer Summe oder einer gewichteten Summe aus dem bestimmten ersten Zustandswert und dem bestimmten zweiten Zustandswert abhängt.
  • Das Arbeitsmedium durchläuft dabei in einem sich wiederholenden Zyklus nacheinander die Verdichtungsvorrichtung, die Kondensationsvorrichtung, die Expansionsvorrichtung und die Verdampfungsvorrichtung, wobei die grundlegenden Abläufe im Arbeitskreislauf beim Einsatz der Wärmepumpenanlage hinlänglich aus dem allgemein bekannten Stand der Technik bekannt sind, sodass an dieser Stelle keine weiteren Erklärungen erfolgen.
  • Unter dem Arbeitsmedium ist dabei jedwedes Fluid zu verstehen, dass sich zum Einsatz in besagter Wärmepumpenanlage eignet und dazu in den genannten Vorrichtungen verdichtet, verflüssigt, expandiert und verdampft werden kann, wobei es sich bei dem Arbeitsmedium üblicherweise und nicht darauf beschränkend um ein synthetisches Kältemittel handelt, wie beispielsweise das Kältemittel R410A, das sich zu je 50% aus Difluormethan und Pentafluorethan zusammensetzt
  • Bei der ersten thermodynamischen Zustandsgröße kann es sich um jedwede Zustandsgröße handeln, mit der ein thermodynamischer Zustand des Arbeitsmediums beschrieben werden kann, z.B. Druck, Dichte, Temperatur oder spezifisches Volumen.
  • Unter der Summe ist dabei eine Summe aus den beiden Zustandswerten zu verstehen, die jeweils mit dem Faktor eins gewichtet werden, wohingegen bei der gewichteten Summe zumindest einer der besagten Faktoren ungleich eins ist. Die zu bestimmende Füllmengenkenngröße ist dabei nicht nur als direkt bzw. proportional von besagter Summe oder besagter gewichteter Summe abhängig zu verstehen, sondern kann beispielsweise auch von einem Kehrwert oder von einer Potenz besagter Summe oder besagter gewichteter Summe abhängig sein.
  • Durch das bereitgestellte Verfahren wird eine besonders einfach gehaltene Überwachung der Füllmenge des Arbeitsmediums ermöglicht, die auf einer Summe (gewichtet oder normal) der beiden Zustandswerte vor und nach der Verdichtungsvorrichtung der Wärmepumpenanlage beruht. Auf diese Weise kann durch die lediglich an zwei Stellen im Arbeitskreislauf bestimmte erste thermodynamische Zustandsgröße eine Aussage über die Füllmenge und/oder über Änderungen der Füllmenge getroffen werden. Die bestimmten Zustandswerte gestatten dabei Aussagen über den Verdichtungsvorgang des Arbeitsmediums, im Zuge dessen der Druck des üblicherweise gasförmigen Arbeitsmediums erhöht wird, z.B. in Form einer adiabaten, isochoren oder isentropen Zustandsänderung.
  • Es hat sich dabei im Rahmen von Nachforschungen gezeigt, dass eine Überwachung auf Basis der Summe der beiden Zustandswerte vor und nach der Verdichtungsvorrichtung eine wesentliche robustere Überwachung der Füllmenge des Arbeitsmediums erlaubt, da durch diese sowohl einzelne Veränderungen des ersten oder des zweiten Zustandswerts selbst als auch kombinierte bzw. zeitgleich auftretende Veränderungen der beiden Zustandswerte berücksichtigt werden.
  • Im Gegensatz zu einer exemplarischen Betrachtung einer Differenz oder eines Quotienten der bestimmten Zustandswerte, die lediglich einen relativen Zusammenhang der beiden Zustandswerte ohne eine Absolutreferenz beschreiben, kann so eine gegenüber auftretenden Schwankungen robustere und Füllmengenkenngröße bereitgestellt werden, die eine zuverlässigere Aussage über die Füllmenge erlaubt
  • So kann es sich bei besagter erster thermodynamischer Zustandsgröße beispielsweise um einen Druck des Arbeitsmediums handeln, für den als Zustandswerte ein erster und ein zweiter Druckwert bestimmt werden, die im Falle der exemplarischen Auswertung über einen Quotienten lediglich eine Aussage zu einem Druckverhältnis gestatten. Fallen in diesem Sinne die Drücke vor und nach der Verdichtung aufgrund von Leckage im Arbeitskreislauf in gleichem Maße ab, würde dies durch besagten Quotienten nicht erfasst werden.
  • Ferner kann es aufgrund äußerer Einflüsse, wie beispielsweise eine veränderliche Umgebungstemperatur, zudem zu dadurch bedingten Schwankungen im thermodynamischen Zustand des Arbeitsmediums vor dem Verdichtungsvorgang kommen, die in der davon abhängigen Füllmengenkenngröße aufgrund der summierten Betrachtung allerdings weniger ins Gewicht fallen, wodurch besagte Füllmengenkenngröße äußerst stabil im Hinblick auf derartige Schwankungen ist.
  • Ferner können besagte Schwankungen, unabhängig davon, ob diese nun im ersten oder zweiten Zustandswert zu erwarten sind, durch entsprechende Gewichtung der jeweiligen Summanden geglättet bzw. deren Einfluss auf die Füllmengenkenngröße reduziert werden.
  • Zur Überwachung der Füllmenge im Laufe des Betriebs der Wärmepumpenanlage umfasst das Verfahren vorzugweise ein Bereitstellen einer initialen Füllmengenkenngröße und ein Vergleichen der bestimmten mit der initialen Füllmengengenkenngröße. Die initiale Füllmengenkenngröße dient dabei als Referenz für sich im Laufe des Betriebs ergebende Änderungen der Füllmenge. Die initiale Füllmengenkenngröße kann beispielsweise im Zuge eines anfänglichen Befüllens oder eines Nachfüllens von Arbeitsmedium in den Arbeitskreislauf bestimmt werden oder aber werksseitige vorgegeben werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch eine zeitliche Änderung der Füllmengenkenngröße bestimmt werden, die auf Basis von Werten der Füllmengenkenngröße zu zumindest einem ersten und einem zweiten Zeitpunkt ermittelt wird, vorzugsweise auf Basis von Werten zu mehr als zwei Zeitpunkten, um so Änderungen der Füllmenge während des Betriebs zu erfassen.
  • Vorzugsweise kommt die mit Hilfe des Verfahrens überwachte Wärmepumpenanlage zur Klimatisierung eines Raumes oder eines gesamten Gebäudes zum Einsatz, wobei Wärmepumpenanlage für den Heizungsbetrieb zum Aufheizen des zu klimatisierenden Raumes oder des Gebäudes und/oder für einen Kühlungsbetrieb zum Abkühlen des zu klimatisierenden Raumes oder des Gebäudes eingerichtet sein kann.
  • Hierzu werden je nach Betriebsart entweder die Kondensationsvorrichtung oder die Verdampfungsvorrichtung mit einem Energiekreislauf bzw. Klimatisierungssystems des Raumes oder des Gebäudes über einen Wärmetauscher gekoppelt, um diesem im Zuge des Verflüssigens des Arbeitsmediums (Kondensationsvorrichtung) Wärme zuzuführen oder im Zuge des Verdampfens (Verdampfungsvorrichtung) Wärme zu entziehen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Expansionsvorrichtung der Wärmepumpenanlage zum Expandieren des Arbeitsmediums ein steuerbares Expansionsventil mit einem veränderlichen Öffnungsgrad, wobei das Verfahren weiterhin ein Bestimmen eines den Öffnungsgrad des steuerbaren Expansionsventils beschreibenden Ventilparameters umfasst und das Bestimmen der Füllmengenkenngröße zusätzlich auf Basis des bestimmten Ventilparameters des steuerbaren Expansionsventils erfolgt.
  • Der den Öffnungsgrad beschreibende Ventilparameter kann weitestgehend beliebig definiert werde, solange über diesen der Öffnungsgrad angegeben werden kann. So kann dieser z.B. dimensionsbehaftet sein und eine absolute Verschiebung des Ventilstößels beschreiben, oder aber vorzugsweise in dimensionsloser Form angegeben werden und dabei z.B. eine anteilige Öffnung des Expansionsventils in Prozent angeben. Die anteilige Öffnung kann sich dabei unter anderem anhand einer Verschiebung des Ventilstößels im Vergleich zu einer maximalen Verschiebung oder anhand einer Öffnungsfläche im Vergleich zu einer maximalen Öffnungsfläche bestimmen.
  • Das Expansionsventil schließt den thermodynamischen Kreislauf der Wärmepumpenanlage und steuert je nach Öffnungsgrad eine Durchflussrate des von der Kondensationsvorrichtung kommenden und in die Verdampfungsvorrichtung fließenden Arbeitsmediums. Der Öffnungsgrad kann hierbei passiv über die übrigen Systemgrößen der Wärmepumpenanlage eingestellt werden, wenn das Expansionsventil z.B. als ein thermostatisches Expansionsventil ausgeführt ist, oder aber auch aktiv gesteuert werden. Das steuerbare Expansionsventil dient damit als Steuerungselement für die Wärmepumpenanlage, über das beispielsweise die Leistung bzw. der durch die Wärmepumpenanlage bewirkte Wärmefluss angepasst werden kann.
  • Um dennoch Aussagen über die Füllmenge innerhalb der auf diese Weise gesteuerten Wärmepumpenanlage auch für verschiedene Betriebszustände zu ermöglichen, wird besagter Ventilparameter vorzugsweise in die Bestimmung der Füllmengenkenngröße miteinbezogen. Wird beispielsweise ein nicht steuerbares Expansionsventil mit konstantem Öffnungsgrad verwendet, wäre besagter Ventilparameter lediglich als konstanter Faktor zu sehen und könnte bei der Bestimmung der Füllmengenkenngröße außer Acht gelassen werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform hängt die bestimmte Füllmengenkenngröße dabei von einem Verhältnis aus dem bestimmten Ventilparameter des steuerbaren Expansionsventils und der Summe oder der gewichteten Summe aus dem ersten und dem zweiten Zustandswert ab.
  • Wird im Sinne der beiden vorstehenden bevorzugten Ausführungsformen bei gleichbleibend angenommener Füllmenge der Öffnungsgrad des Expansionsventils erhöht, steigt die Durchflussrate und der Druck des Arbeitsmediums nach der Verdampfungsvorrichtung steigt ebenfalls an, wobei diese Relation in vorteilhafter Weise durch ein Einbeziehen des besagten Ventilparameters, insbesondere in Form des besagten Verhältnisses, in die Bestimmung der Füllmengenkenngröße abgefangen werden kann, sodass sich die Füllmengenkenngröße im Zuge dieser exemplarischen Änderungen des Betriebszustands eben nicht in nennenswerter Weise ändert, sondern im Wesentlichen konstant bleibt.
  • Als nicht beschränkendes Beispiel sei die in der nachfolgenden Gleichung 1 definierte Füllmengenkenngröße FM genannt, die bezogen auf eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums von einem Druck p1 vor der Verdichtungsvorrichtung und einem Druck p2 nach der Verdichtungsvorrichtung sowie von dem den Öffnungsgrad des Expansionsventils beschreibenden Ventilparameter VP abhängt: FM = VP p 1 + p 2
    Figure imgb0001
  • In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der ersten thermodynamischen Zustandsgröße um einen Druck des Arbeitsmediums, wodurch eine verhältnismäßig einfach zu bestimmenden bzw. zu messende thermodynamische Zustandsgröße zur Überwachung der Füllmenge zum Einsatz kommt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Bestimmen des ersten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße ein Messen der ersten thermodynamischen Zustandsgröße an der ersten Position im Arbeitskreislauf und/oder das Bestimmen des zweiten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße umfasst ein Messen der ersten thermodynamischen Zustandsgröße an der zweiten Position im Arbeitskreislauf.
  • Auf diese Weise werden die zum Bestimmen der Füllmengengröße benötigten Zustandswerte direkt im Arbeitskreislauf gemessen und können unverfälscht verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann alternativ das Bestimmen des ersten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße ein Messen einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße an der ersten Position im Arbeitskreislauf und ein Ermitteln des ersten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße auf Basis eines Messergebnisses an der ersten Position und einer bereitgestellten ersten Umrechnungsvorschrift umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Bestimmen des zweiten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße ein Messen einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße an der zweiten Position im Arbeitskreislauf und ein Ermitteln des zweiten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße auf Basis des Messergebnisses an der zweiten Position und einer bereitgestellten zweiten Umrechnungsvorschrift, die insbesondere der ersten Umrechnungsvorschrift entspricht, umfassen.
  • Eine derartige Vorgehensweise ist z.B. für den Fall vorteilhaft, in dem die Wärmepumpenanlage zwar nicht über geeignete Messgeräte oder Sensoren für die erste thermodynamische Zustandsgröße, stattdessen aber für die zweite thermodynamische Zustandsgröße verfügt, aus deren Messerwerten die Zustandswerte der ersten Zustandsgröße auf Basis von Umrechnungsvorschriften, z.B. in Form von Stoffgesetzen, abgeleitet werden können. Dadurch müsste eine bestehende Wärmepumpenanlage unter Umständen nicht mit besagten Messgeräten oder Sensoren für die erste Zustandsgröße nachgerüstet werden.
  • In einer hierbei bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der zweiten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums um eine Temperatur, ein Volumen oder eine Dichte des Arbeitsmediums.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Bestimmen des ersten Zustandswerts, das Bestimmen des zweiten Zustandswerts, wahlweise das Bestimmen des den Öffnungsgrad beschreibenden Ventilparameters sowie das auf deren Basis erfolgende Bestimmen der Füllmengenkenngröße (wahlweise mit Einbeziehung des Ventilparameters) in vordefinierten zeitlichen Abständen kontinuierlich wiederholt, um so zumindest einen zeitlichen Verlauf der Füllmengenkenngröße bereitzustellen.
  • Dadurch kann eine zeitlich durchgehende Überwachung der Füllmenge des Arbeitsmediums bereitgestellt werden, wobei die zu den verschiedenen Zeitpunkten bestimmten Größen vorzugsweise abrufbar abgespeichert werden, z.B. in einem Speichermedium einer Steuervorrichtung der Wärmepumpenanlage oder in einem Speichermedium eines externen Datenverarbeitungssystems, mit dem die Wärmepumpenanlage gekoppelt ist Durch das Bereitstellen einer zeitlichen Historie besagter Größen kann in vorteilhafter Weise auch ein über einen längeren Zeitraum hinweg erfolgender schleichender Verlust des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf detektiert werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin ein Detektieren einer kritischen Füllmenge des Arbeitsmediums in der Wärmepumpenanlange, welches zumindest ein Erfassen eines ersten kritischen Falls, in dem die bestimmte Füllmengenkenngröße einen ersten vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und/oder ein Erfassen eines zweiten kritischen Falls, in dem ein über einen festgelegten Zeitraum gebildetes Mittel eines zeitlichen Verlaufs der Füllmengenkenngröße einen zweiten vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  • Das Überschreiten ist nicht als auf ein Ansteigen der Füllmengenkenngröße über besagte Grenzwerte beschränkt zu verstehen, sondern ergibt sich aus der Definition der Füllmengenkenngröße, im Zuge derer ein Überschreiten gleichbedeutend mit einem Absinken eines beispielhaften numerischen Werts der Füllmengenkenngröße bzw. des zeitlichen Mittels unter besagte Grenzwerte, oder mit einem Ansteigen über besagte Grenzwerte hinaus sein kann.
  • Auf diese Weise werden zwei Ansätze zum Detektieren einer kritischen Füllmenge bereitgestellt, die jeweils einzeln, aber auch kombiniert zum Einsatz kommen können, um einen unvorteilhaften bzw. kritischen Betriebszustand der Wärmepumpenanlage zu detektieren. Unter einer kritischen Füllmenge kann dabei eine für den ordnungsgemäßen Betrieb der Wärmepumpenanlage definierte Mindestmenge an Arbeitsmedium verstanden werden, die nicht unterschritten werden darf/sollte, da dies mit einem verhältnismäßig großen Abfall des Wirkungsgrads der Wärmepumpenanlage oder sogar mit einer Beschädigung einzelner Komponenten verbunden sein kann.
  • Vorzugsweise umfasst das Detektieren einer kritischen Füllmenge des Arbeitsmediums weiterhin ein Ausgeben einer ersten Warnmitteilung im ersten kritischen Fall und/oder ein Ausgeben einer zweiten Warnmitteilung im zweiten kritischen Fall, wodurch das Verfahren um eine Benachrichtigungsfunktionalität erweitert wird, die es einem Bediener oder einem Wartungsarbeiter der Wärmepumpenanlage durch Eingreifen gestattet, rechtzeitig einer kritischen Füllmenge entgegenzuwirken.
  • Die Warnmitteilungen sollen dabei nicht auf eine bestimmte Mitteilungsart beschränkt sein, sondern können ein oder mehrere verschiedene Mitteilungsarten umfassen. So z.B. ein optisches Anzeigen an einer Anzeigeeinheit der Wärmepumpenanlage, eine elektronische Mitteilung an eine Haus- oder Gebäudesteuerungsvorrichtung oder an ein mobiles Endgerät eines Hausbewohners oder eine elektronische Mitteilung an einen technischen Kundendienst zur Wartung und Instandhaltung der Wärmepumpenanlage.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin ein Abschalten der Wärmepumpenanlage in Abhängigkeit eines Detektionsergebnisses des Detektierens einer kritischen Füllmenge des Arbeitsmediums in der Wärmepumpenanlange, insbesondere bei Eintreten des ersten und/oder des zweiten kritischen Falls.
  • Auf diese Weise kann die Wärmepumpenanlage vor potentiellen, durch eine zu niedrige Füllmenge bedingte Beschädigungen geschützt werden, ohne dass die ein Eingreifen eines Bedieners oder eines Wartungsarbeiters erfordert
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Wärmepumpenanlage über eine Netzwerkkopplung mit einem externen Datenverarbeitungssystem, insbesondere einem Cloud basierten Datenverarbeitungssystem, verbunden, wobei im Zuge des Verfahrens notwendige Berechnungen ganz oder zumindest teilweise durch das externe Datenverarbeitungssystem durchgeführt werden.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren hierzu zumindest ein Übermitteln der bestimmten ersten und zweiten Zustandswerte an das externe Datenverarbeitungssystem, wobei das Bestimmen der darauf basierenden Füllmengenkenngröße durch das externe Datenverarbeitungssystem erfolgt
  • Handelt es sich bei besagten Zustandswerten beispielsweise um Zustandswerte der zweiten thermodynamischen Zustandsgröße, kann auch das Ermitteln auf Basis der oben genannten Umrechnungsvorschriften bevorzugt durch das externe Datenverarbeitungssystem erfolgen.
  • Der verfahrensgemäße Einsatz des externen Datenverarbeitungssystems soll keinesfalls auf die zuvor exemplarisch genannten Schritte beschränkt sein, sondern kann je nach Bedarf jedweden zuvor beschrieben Bestimmungs-, Ermittlungs- oder Auswertungsschritt durchführen, der eine Datenverarbeitung, einen Datenvergleich oder daraus ableitbare Aktionen umfasst So kann beispielsweise auch ein Abspeichern des zeitlichen Verlaufs der Füllmengenkenngröße in einem Speichermedium des externen Datenverarbeitungssystems erfolgen, auf Basis derer das Detektieren einer kritischen Füllmenge erfolgt. Im Anschluss kann eine Benachrichtigung über eine ggf. vorliegende kritische Füllmenge direkt durch das externe Datenverarbeitungssystem erfolgen.
  • Durch das externe Datenverarbeitungssystem werden die internen Datenverarbeitungssysteme der Wärmepumpenanlange, z.B. deren Steuervorrichtung, entlastet. Zusätzlich können durch den Einsatz einer externen, vorzugsweise Cloud basierten Datenverarbeitung vergleichsweise höhere Rechenleistungen und -kapazitäten bereitgestellt werden, im Zuge derer auf eine weitreichende zeitliche Historie der bestimmten oder erfassten Daten der Wärmepumpenanlage, vorzugsweise über den gesamten Lebenszyklus hinweg, zurückgegriffen werden kann. Hierdurch können nicht nur eine Aussagekraft der bestimmten Füllmengenkenngröße oder die Zuverlässigkeit des Detektierens einer kritischen Füllmenge erhöht werden, sondern es können beispielsweise auch Speicherkapazitäten oder Prozessorleistungen besagter Steuervorrichtung kleiner gewählt und damit kostengünstiger umgesetzt werden.
  • Gemäß eines zweiten Aspekts der Erfindung wird ein Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenanlage bereitgestellt, wobei die Wärmepumpenanlage in einem Arbeitskreislauf für ein Arbeitsmedium angeordnet umfasst: eine Verdichtungsvorrichtung zum Verdichten des Arbeitsmediums, eine Kondensationsvorrichtung zum Verflüssigen des Arbeitsmediums, eine Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums und eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen des Arbeitsmediums. Das Verfahren zum Steuern der Wärmepumpenanlage umfasst dabei ein Überwachen einer Füllmenge des Arbeitsmediums in der Wärmepumpenanlage nach einem Verfahren gemäß des ersten Aspekts der Erfindung sowie ein Steuern der Wärmepumpenanlage durch Einstellen ein oder mehrerer Betriebsparameter der Wärmepumpenanlage zumindest in Abhängigkeit der im Zuge des Überwachens der Füllmenge des Arbeitsmediums bestimmten Füllmengenkenngröße.
  • Auf diese Weise kann eine Steuerungsvorrichtung der Wärmepumpenanlage vorteilhaft auf eine unter Umständen abfallende Füllmenge, die eine Verschlechterung des Wirkungsgrads bedeutet, angepasst werden, um so einen unvorteilhaften Betrieb zu vermeiden. Auf diese Weise kann bei einer niedrigeren Füllmenge die Leistung der gesamten Wärmepumpenanlage beispielhaft auf einen für diese Füllmenge geeigneteren Wert reduziert werden oder diese sogar ganz ausgeschaltet werden, um nicht nur Energiekosten einzusparen, sondern auch eine mögliche Beschädigung einzelner Komponenten der Wärmepumpenanlage zu verhindern.
  • Die Betriebsparameter werden dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von Füllmengenkenngrößen basierten Ereignissen eingestellt, die sich beispielsweise auf ein Überschreiten von vordefinierten Grenzwerten beziehen.
  • Bei den einstellbaren Betriebsparametern handelt es sich insbesondere um eine Leistung der Wärmepumpenanlage bzw. um durch die Wärmepumpenanlage bewirkten Wärmefluss beeinflussende Betriebsparameter, zu denen beispielsweise und nicht erschöpfend ein globaler bzw. resultierender Leistungsparameter der Wärmepumpenanlage, der oben genannte Ventilparameter eines Expansionsventils der Expansionsvorrichtung, ein die Verdichtungsleistung der Verdichtungsvorrichtung beschreibender Verdichtungsleistungsparameter oder ein den Volumenstrom oder den maximalen Volumenstrom des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf beschreibender Strömungsparameter zählen können.
  • Vorzugsweise umfasst das Verfahren zum Steuern der Wärmepumpenanlage hierzu im Zuge der Überwachung der Füllmenge ein Bereitstellen einer initialen Füllmengenkenngröße, wobei das Einstellen der ein oder mehreren Betriebsparameter der Wärmepumpenanlage zusätzlich in Abhängigkeit der initialen Füllmengenkenngröße erfolgt, und dabei insbesondere auf einer Änderung zwischen initialer und bestimmter Füllmengenkenngröße beruht
  • Gemäß eines dritten Aspekts der Erfindung wird eine Wärmepumpenanlage bereitgestellt, insbesondere zum Durchführen des Verfahrens gemäß des ersten Aspekt der Erfindung. Die Wärmepumpenanlage umfasst eine Verdichtungsvorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums, eine Kondensationsvorrichtung zum Verflüssigen des Arbeitsmediums, eine Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums und eine Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen des Arbeitsmediums, wobei diese in einem Arbeitskreislauf für das Arbeitsmedium angeordnet sind. Ferner umfasst die Wärmepumpenanlage eine erste Messvorrichtung, die zum Messen einer ersten oder einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer ersten, zwischen der Verdampfungsvorrichtung und der Verdichtungsvorrichtung befindlichen Position im Arbeitskreislauf eingerichtet ist, und eine zweite Messvorrichtung, die zum Messen einer ersten oder einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer zweiten, zwischen der Verdichtungsvorrichtung und der Kondensationsvorrichtung befindlichen Position im Arbeitskreislauf eingerichtet ist Weiterhin umfasst die Wärmepumpenanlage eine zum Überwachen einer Füllmenge des Arbeitsmediums in der Wärmepumpenanlage eingerichtete Überwachungsvorrichtung, die zumindest mit der ersten und der zweiten Messvorrichtung gekoppelt und dazu eingerichtet ist, basierend auf einem Messergebnis der ersten Messvorrichtung einen ersten Zustandswert der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums zu bestimmen, basierend auf einem Messergebnis der zweiten Messvorrichtung einen zweiten Zustandswert der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums zu bestimmen, und eine die Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage beschreibende Füllmengenkenngröße auf Basis einer Summe oder einer gewichteten Summe aus dem ersten Zustandswert und dem zweiten Zustandswert auf Basis des bestimmten ersten Zustandswerts und des bestimmten zweiten Zustandswertes zu bestimmen.
  • Die bereitgestellte Wärmepumpenanlage ist damit zumindest zur Durchführung des Verfahrens gemäß des ersten Aspekts der Erfindung eingerichtet und bietet alle damit bereits beschriebenen Vorteile.
  • Vorzugsweise umfasst die Expansionsvorrichtung der Wärmepumpenanlage zum Expandieren des Arbeitsmediums ein steuerbares Expansionsventil mit einem veränderlichen Öffnungsgrad. Die Überwachungsvorrichtung ist hierzu mit der Expansionsvorrichtung gekoppelt und dazu eingerichtet ein den Öffnungsgrad des steuerbaren Expansionsventils beschreibenden Ventilparameter zu bestimmen und ferner die Füllmengenkenngröße zusätzlich auch auf dessen Basis zu bestimmen.
  • Das Bestimmen des Öffnungsgrads beschreibenden Ventilparameters kann hierbei auf einem durch einen Öffnungsgradsensor am Expansionsventil erfassten Öffnungsgrad, z.B. Kraftsensor am Ventilstößel, Wegsensor am Ventilstößel, Sensor für Durchflussmenge o.Ä., und/oder auf einem an einer Steuereinrichtung der Expansionsvorrichtung vorgegebenen Öffnungsgradparameter basieren.
  • Für den Fall, dass die erste und/oder die zweite Messvorrichtung zum Messen der zweiten Zustandsgröße eingerichtet sind/ist, ist die Überwachungsvorrichtung bevorzugt dazu eingerichtet, daraus auf Basis entsprechend der oben beschriebenen Umrechnungsvorschriften den ersten und/oder zweiten Zustandswert der ersten thermodynamischen Zustandsgröße zu ermitteln und auf deren Basis wiederum die Füllmengenkenngröße zu bestimmen.
  • Die Messvorrichtungen können jeweils je nach zu messender thermodynamischer Zustandsgröße z.B. als Temperatursensoren, Drucksensoren oder Dichtesensoren ausgeführt sein.
  • Vorzugsweise ist die Überwachungsvorrichtung dazu eingerichtet, den ersten und den zweiten Zustandswert kontinuierlich in vordefinierten zeitlichen Abständen übermittelt zu bekommen und das darauf basierende Bestimmen der Füllmengenkenngröße in vordefinierten zeitlichen Abständen kontinuierlich zu wiederholen, um so zumindest einen zeitlichen Verlauf der Füllmengenkenngröße bereitzustellen, der insbesondere in einem Speichermedium der Überwachungsvorrichtung abgespeichert wird.
  • Vorzugsweise ist die Überwachungsvorrichtung dazu eingerichtet, eine kritische Füllmenge des Arbeitsmediums in der Wärmepumpenanlange auf Basis der bestimmten Füllmengenkenngröße zu detektieren, im Sinne dessen die Überwachungsvorrichtung ferner dazu eingerichtet ist, eine ersten kritischen Fall zu erfassen, in dem die bestimmte Füllmengenkenngröße einen ersten vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und/oder einen zweiten kritischen Fall zu erfassen, in dem ein über einen festgelegten Zeitraum gebildetes Mittel eines zeitlichen Verlaufs der Füllmengenkenngröße einen zweiten vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  • Vorzugsweise ist die Überwachungsvorrichtung dazu eingerichtet, in Abhängigkeit eines Detektionsergebnisses der Überwachungsvorrichtung ein Abschaltsignal für die Wärmepumpenanlage an die Steuervorrichtung der Wärmepumpenanlage zu übermitteln, insbesondere für den ersten und/oder zweiten kritischen Fall.
  • Vorzugsweise ist die Überwachungsvorrichtung als Teil einer Steuervorrichtung der Wärmepumpenanlage ausgeführt.
  • Alternativ kann die Überwachungsvorrichtung bevorzugt zumindest teilweise als Teil eines externen Datenverarbeitungssystems, das insbesondere Cloud basiert ist, ausgeführt sein, und mit der Steuervorrichtung der Wärmepumpenanlage über eine Netzwerkkopplung verbunden sein. Auf diese Weise können zumindest ein Großteil der durch die Überwachungsvorrichtung durchgeführten Aufgaben unter Ausnutzung der Rechenleistung und Speicherkapazität des externen Datenverarbeitungssystems erfolgen, um so schnellere Berechnungen und auch zuverlässigere Aussagen über die Füllmenge zu ermöglichen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuervorrichtung der Wärmepumpenanlage mit der Überwachungsvorrichtung gekoppelt und ferner dazu eingerichtet, zum Steuern der Wärmepumpenanlage ein oder mehrere Betriebsparameter der Wärmepumpenanlage in Abhängigkeit der durch die Überwachungsvorrichtung bestimmten Füllmengenkenngröße an der Steuervorrichtung einzustellen.
  • Dadurch ist die Wärmepumpenanlage ferner auch zur Durchführung des Verfahrens gemäß des zweiten Aspekts der Erfindung eingerichtet und bietet alle damit bereits beschriebenen Vorteile.
  • Gemäß eines vierten Aspekts der Erfindung wird eine Überwachungsvorrichtung zum Einsatz in einer Wärmepumpenanlage gemäß des dritten Aspekts der Erfindung bereitgestellt
  • Auf diese Weise wird eine Nachrüstmöglichkeit bereitgestellt, über die eine bereits bestehende Wärmepumpenanlage auf einfache und kostengünstige Weise mit der Überwachungsvorrichtung nachgerüstet und so um die Funktionalitäten der Wärmepumpenanlage gemäß des dritten Aspekts der Erfindung erweitert werden kann.
  • Weitere Aspekte und deren Vorteile als auch speziellere Ausführungsbeispiele der zuvor genannten Aspekte und Merkmale werden im Folgenden unter Zuhilfenahme der in den beigefügten Figuren gezeigten Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 1a und Fig. 1b zeigen jeweils einen schematischen Aufbau eines jeweiligen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage.
  • Fig. 2a und Fig. 2b zeigen qualitativ beispielhafte Verläufe verschiedener im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage bestimmter Größen, insbesondere einer Füllmengenkenngröße des Arbeitsmediums der Wärmepumpenanlage.
  • Fig. 3a zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage.
  • Fig. 3b zeigt ein Ablaufdiagramm eines auf dem Ablaufdiagramm aus Fig. 3a aufbauenden Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Wärmepumpenanlage.
  • Es wird hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt ist Die Erfindung umfasst weiterhin Modifikationen der genannten Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die aus Modifikationen und/oder Kombinationen einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche hervorgehen.
    • Ausführliche Figurenbeschreibung
  • Fig. 1a zeigt einen schematischen Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenanlage 100.
  • Die Wärmepumpenanlage 100 umfasst einen Verdichter 11 zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einen Verflüssiger (oder Kondensator) 12 zum Verflüssigen des Arbeitsmediums, eine Expansionsvorrichtung 13 mit einem steuerbaren Expansionsventil 13* zum Entspannen des Arbeitsmediums und einen Verdampfer zum Verdampfen des Arbeitsmediums, die jeweils in einem Arbeitskreislauf 10 der Wärmepumpenanlage 100 angeordnet sind und über entsprechende Leitungen 15, in denen das Arbeitsmedium strömt, untereinander verbunden sind.
  • Der Verflüssiger 12 ist über einen Wärmetauscher (spiralförmige Komponente) und ein Leitungssystem 400 zum Energietransport mit einem Klimatisierungssystem 300 eines zu klimatisierenden Gebäudes oder eines Raumes verbunden. Der Verdampfer 14 ist über einen Wärmetauscher (spiralförmige Komponente) und ein Leitungssystem 400 zum Energietransport mit einer Wärmequellenanlage 200 verbunden, bei der sich z.B. um eine Geothermie- oder eine Aerothermieanlage handeln kann. In der dargestellten Ausführung ist die Wärmepumpenanlage für den Heizungsbetrieb vorgesehen, im Zuge dessen Wärme aus der Wärmequellenanlage 200 über die Wärmepumpenanlage 100 dem Klimatisierungssystem 300 zugeführt wird.
  • Die Wärmepumpenanlage 100 umfasst ferner eine ersten und einen zweiten Drucksensor 21, 22, die jeweils zum Messen eines Drucks des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf 10 eingerichtet sind. Der erste Drucksensor 21 ist hierbei bezogen auf eine Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor dem Verdichter 11 angeordnet (erste Position) und misst den dort vorherrschenden Druck vor der Verdichtung. Der zweite Drucksensor 22 ist bezogen auf die Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Verdichter 11 angeordnet (zweite Position) und misst den Druck nach der Verdichtung.
  • Weiterhin umfasst die Wärmepumpenanlage einen Öffnungsgradsensor 23, der einen Öffnungsgrad des steuerbaren Expansionsventils 13* der Expansionsvorrichtung 13 erfasst Das steuerbare Expansionsventil weist hierbei zur Steuerung des Arbeitskreislaufs 10 ein veränderlichen Öffnungsgrad auf, über den ein Durchfluss an der Expansionsvorrichtung 13 und damit eine entsprechende Entspannung des Arbeitsmediums gesteuert wird. Der Öffnungsgradsensor 23 kann als ein gängiger Ventilsensor ausgeführt sein, der zum Erfassen eines Öffnungsgrads geeignet ist, z.B. in Form eines Wegsensors am Ventilstößel.
  • Zur Überwachung der Füllmenge des Arbeitsmediums umfasst die Wärmepumpenanlage eine Überwachungsvorrichtung 30, die mit dem ersten und dem zweiten Drucksensor 21, 22 sowie dem Öffnungsgradsensor 23 gekoppelt ist und die von diesen erfassten Messwerte übermittelt bekommt und daraus einen ersten Zustandswert, einen zweiten Zustandswert und einen Ventilparameters im Sinne des oben beschriebenen Verfahrens bestimmt.
  • Entsprechend wird durch die Überwachungsvorrichtung eine Füllmengenkenngröße bestimmt, die Aufschluss über die Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage 100 gibt Exemplarisch erfolgt die Bestimmung der Füllmengenkenngröße auf Basis der erfassten Messwerte gemäß obiger Gleichung 1, soll aber nicht auf diese beschränkt sein, solange die zu bestimmende Füllmengenkenngröße eine Summe oder gewichtete Summe der beiden Zustandswerte, hier der beiden Drücke, enthält, die insbesondere ins Verhältnis mit dem Ventilparameter gesetzt wird.
  • Die Überwachungsvorrichtung 30 ist ferner mit einer Steuervorrichtung 40 der Wärmepumpenanlage gekoppelt und kann an diese beispielsweise die bestimmte Füllmengenkenngröße oder auch eine Warnmitteilung über eine zu niedrige Füllmenge übermitteln. Darauf aufbauend kann die Steuervorrichtung 40 beispielsweise einen Betriebsparameter des Verdichters 11 in Abhängigkeit der übermittelten Füllmengengröße einstellen oder über eine (hier nicht dargestellte) Anzeigeeinheit die Warnmitteilung an einen Bediener o.Ä. ausgeben, sodass dieser weitere Schritte ergreifen kann; z.B. Befüllen der Wärmepumpenanlage 100 mit zusätzlichem Arbeitsmedium.
  • Durch die Überwachungsvorrichtung 30 kann ein sicherer, robuster und vor allem effizienter Betrieb der Wärmepumpenanlage 100 unter Berücksichtigung einer sich verändernden Füllmenge des Arbeitsmediums gewährleistet werden, um so beispielsweise einen Wirkungsgrad der Wärmepumpenanlage 100 stets in einem optimalen Bereich zu halten und energetisch nachteilige oder sogar für die Wärmepumpenanlage 100 schädliche Betriebszustände zu vermeiden.
  • Fig. 1b zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu dem aus Fig. 1a, bei dem die Überwachungsvorrichtung zumindest teilweise als Teil eines externen Datenverarbeitungssystems ausgeführt ist. Der Aufbau des in Fig. 1b nur teilweise dargestellten Arbeitskreislaufs 10 entspricht dem aus Fig. 1a, weswegen an dieser Stelle keine weiteren diesbezüglichen Erläuterungen erfolgen.
  • Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1a ist die Überwachungsvorrichtung zweiteilig ausgeführt mit einer ersten Komponente 30a, die mit dem ersten Drucksensor 21 und dem zweiten Drucksensor 22 sowie dem (hier nicht dargestellten) Öffnungsgradsensor 23 verbunden ist
  • Die erste Komponente 30a ist über eine hier drahtlos ausgeführte Netzwerkkopplung 50 mit einem externen Datenverarbeitungssystem 500 verbunden, welches eine zweite Komponente 30b der Überwachungsvorrichtung umfasst. Die zweite Komponente 30b dient der Auswertung der durch die lediglich zur Datenübertragung vorgesehene ersten Komponente 30a übermittelten Daten mit den Messwerten der Drucksensoren 21, 22 und des Öffnungsgradsensors 23.
  • Die Auswertung bzw. das Bestimmen der Füllmengenkenngröße erfolgt durch die im externen Datenverarbeitungssystem 500 vorgesehene zweite Komponente 30b, die hierzu auf die Ressourcen des Datenverarbeitungssystems 500 zurückgreifen kann und so z.B. das exemplarisch dargestellte Speichermedium 501 des Datenverarbeitungssystems 500 nutzen kann. Die durch die zweite Komponente 30b bestimmte Füllmengenkenngröße kann im Anschluss über die Netzwerkkopplung 50 an die erste Komponente 30a und an die Steuervorrichtung 50 der Wärmepumpenanlage 100 übertragen werden, woraufhin beispielsweise die bereits im Zuge von Fig. 2a beschriebenen Schritte eingeleitet werden können.
  • Fig. 2a und Fig. 2b zeigen beispielhafte und lediglich qualitative Verläufe verschiedener im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage bestimmter Größen, insbesondere einer Füllmengenkenngröße FM des Arbeitsmediums der Wärmepumpenanlage, wobei in beiden Verläufen jeweils über die Zeit t ein erster Druck p1 als erster Zustandswert, ein zweiter Druck p2 als zweiter Zustandswert, die daraus abgeleitete Füllmengenkenngröße FM und ein darauf basierender Fehler-/Wartungsparameter e (der beispielsweise als Detektionsergebnis verstanden werden kann) dargestellt Eine maximale zeitliche Auflösung ergibt sich hierbei aus den in periodischen Zeitabständen bestimmten Verfahrensgrößen, die beispielsweise und nicht darauf beschränkend in einem Zeitintervall von 5 und 30 Minuten, vorzugsweise alle 15 Minuten, bestimmt werden.
  • Die Füllmengenkenngröße FM wird gemäß obiger Gleichung 1 als Verhältnis aus einem den Öffnungsgrad des Expansionsventils beschreibenden Ventilparameter VP und der Summe der beiden Zustandswerten, den Drücken p1 und p2, bestimmt. Aus Gründen der übersichtlichen Darstellung wird nachfolgend durchgehend ein konstanter Ventilparameter VP=0.5 angenommen, der einem 50%igen Öffnungsgrad entspricht.
  • Fig. 2a zeigt einen Fall, bei dem es zum Zeitpunkt t1 erstmals zu einem Überschreiten der Füllmengenkenngröße FM über einen vordefinierten ersten Grenzwert G1 kommt Mit Überschreiten des ersten Grenzwerts G1 wird verfahrensgemäß eine kritische Füllmenge des Arbeitsmediums detektiert, infolge dessen der exemplarische Fehler-/Wartungsparameter e von 0 auf 1 gesetzt wird. Darauf aufbauend können die bereits oben beschriebenen Schritte eingeleitet werden, wie z.B. Warnmitteilungen oder eine Abschaltung der Wärmepumpenanlage.
  • Der Verlauf in Fig. 2a weist allerdings im Übergangsbereich nach t1 eine Vielzahl von Übergängen der Füllmengenkenngröße FM in Bezug auf den ersten Grenzwert G1 auf, was sich beispielsweise aus Messabweichungen oder schwankenden Umgebungsbedingungen u.Ä. ergeben, die sich auf die Druckwerte p1 und p2 auswirken und zu dem gezeigten Detektionsergebnis führt.
  • Fig. 2b zeigt hierzu eine alternative Überwachung auf Basis eines zeitlichen Mittelwerts MFM der (hier nicht mehr dargestellten) Füllmengenkenngröße FM, der sich durch Mittelung des zeitlichen Verlaufs der Füllmengenkenngröße FM aus Fig. 2a ergibt, und im Gegensatz zu dieser geringere Schwankungen aufweist und so das Risiko des Auftretens von z.B. durch Messabweichungen bedingten Fehldiagnosen verringert
  • Vorzugsweise bezieht die zeitliche Mittelung zu einem dargestellten Zeitpunkt nicht den kompletten vorherigen zeitlichen Verlauf der Füllmengenkenngröße FM mit ein, sondern nur einen bestimmten Teilbereich, z.B. die dem jeweiligen Zeitpunkt vorhergehenden vier oder fünf Messewerte. Vorliegend bezieht die zeitliche Mittelung die vorhergehenden vier Werte mit ein, weswegen die ersten vier Werte zu den ersten vier Zeitpunkten in Fig. 2b entsprechend fehlen, da hier noch kein Mittel bestimmt werden kann.
  • Im dargestellten Fall in Fig. 2b überschreitet der Mittelwert MFM zum Zeitpunkt t2>t1 einen zweiten Grenzwert G2, der vorliegend dem ersten Grenzwert G1 entspricht Mit Überschreiten des zweiten Grenzwerts G1 wird eine kritische Füllmenge des Arbeitsmediums detektiert, infolge dessen der exemplarische Fehler-/Wartungsparameter von 0 auf 1 gesetzt wird.
  • Im Vergleich von Fig. 2a und Fig. 2b ist ersichtlich, dass die Füllmengenkenngröße FM in Einzelfällen mehrfach hintereinander den ersten Grenzwert G1 überschreitet und wieder unterschreitet, was nach Maßgabe der Vorgehensweise aus Fig. 2a zu einem ständigen Wechsel eines Detektionsergebnisses e führt. Dagegen bietet die Betrachtung über den Mittelwert MFM eine deutlich stabilere und auch robustere Detektion, wie aus dem Verlauf aus Fig. 2b ersichtlich.
  • Fig. 3a zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage. Ausgangspunkt ist hierbei eine Wärmepumpenanlage mit einer Verdichtungsvorrichtung zum Verdichten eines Arbeitsmediums, einer Kondensationsvorrichtung zum Verflüssigen des Arbeitsmediums, einer Expansionsvorrichtung zum Expandieren des Arbeitsmediums und einer Verdampfungsvorrichtung zum Verdampfen des Arbeitsmediums, die in einem Arbeitskreislauf für das Arbeitsmedium angeordnet sind.
  • In Schritt S1 erfolgt ein Bestimmen eines ersten Zustandswerts einer ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer ersten, zwischen der Verdampfungsvorrichtung und der Verdichtungsvorrichtung befindlichen Position im Arbeitskreislauf, wobei es sich bei der ersten thermodynamischen Zustandsgröße vorliegend um einen Druck des Arbeitsmediums handelt
  • In Schritt S2 erfolgt ein Bestimmen eines zweiten Zustandswerts der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer zweiten, zwischen der Verdichtungsvorrichtung und der Kondensationsvorrichtung befindlichen Position im Arbeitskreislauf.
  • In Schritt S3 erfolgt ein Bestimmen eines den Öffnungsgrad des steuerbaren Expansionsventils beschreibenden Ventilparameters.
  • In Schritt S4 erfolgt ein Bestimmen einer Füllmengenkenngröße FM, die die Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf der Wärmepumpenanlage beschreibt, auf Basis des bestimmten ersten Zustandswerts und des bestimmten zweiten Zustandswerts sowie des bestimmten Ventilparameters, wobei die Füllmengenkenngröße FM von einer Summe aus dem bestimmten ersten und dem bestimmten zweiten Zustandswert abhängt.
  • Die Füllmengenkenngröße FM wird im exemplarischen Fall auf Basis oben genannter Gleichung 1 bestimmt, die nachfolgend nochmals aufgeführt ist, soll aber nicht darauf beschränkt sein. Die Füllmengenkenngröße FM sei im vorliegenden Beispiel auf Basis eines in Schritt S1 bestimmten Drucks p1 vor der Verdichtungsvorrichtung und einem im Schritt S2 bestimmten Drucks p2 nach der Verdichtungsvorrichtung sowie von dem in Schritt S3 bestimmten, einen Öffnungsgrad des Expansionsventils beschreibenden Ventilparameters VP gemäß FM = VP p 1 + p 2
    Figure imgb0002
     (siehe auch Gleichung 1) definiert.
  • In Schritt S5 erfolgt ein Detektieren einer kritischen Füllmenge des Arbeitsmediums, im Zuge dessen die bestimmte Füllmengenkenngröße FM aus Schritt S4 mit einem vordefinierten ersten Grenzwert G verglichen wird. Fällt diese größer aus, fällt ein Detektionsergebnis negativ aus (entspricht e=0 in Fig. 2a) und es besteht vorerst kein Handlungsbedarf. Fällt diese allerdings kleiner aus, so liegt ein positives Detektionsergebnis vor (entspricht e=1 in Fig. 2a) und es wird in Schritt S6 eine Warnmitteilung ausgegeben, die einen Bediener oder einem Wartungsarbeiter über die zu niedrige Füllmenge informiert.
  • Nach Schritt S5 erfolgt nach Ablauf eines vorgegeben zeitlichen Abstands T ein erneutes Durchführen der Schritte S1 bis S5 bzw. S6.
  • Aufbauend auf dem Ablaufdiagramm in Fig. 3a zeigt Fig. 3b ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Steuern einer Wärmepumpenanlage, bei dem die Schritte S1 bis S4 den bereits im Zuge von Fig. 3a beschriebenen Schritten S1 bis S4 entsprechen, weswegen an dieser Stelle keine erneute Erläuterung erfolgt Um Missverständnisse im Hinblick auf Fig. 3a zu vermeiden, erfolgt dabei ausgehend von Schritt S4 in Fig. 3b die Fortführung der Bezeichnung der Schritte mit Sternschreibweise, also z.B. Schritt S5*.
  • Ausgehend von Schritt S4 erfolgen die Schritte S5* und S6*, im Zuge derer ein Betriebsparameter der Wärmepumpenanlage in Abhängigkeit der in Schritt S4 bestimmten Füllmengenkenngröße FM eingestellt werden kann.
  • Hierzu umfasst der exemplarische und nicht beschränkende Fall in Fig. 3b in Schritt S5* einen Vergleich der bestimmten Füllmengenkenngröße FM mit einem weiteren Grenzwert G*, der unabhängig aber auch gleich dem Grenzwert G aus Schritt S5 in Fig. 3a gewählt werden kann.
  • Steigt die Füllmengenkenngröße FM über den vordefinierten Grenzwert G*, so wird in Schritt S6* ein Leistungsparameter der Wärmepumpenanlage auf einen reduzierten Wert (Sparmodus) eingestellt, um so einen übermäßigen Energieverbrauch der Wärmepumpenanlage durch einen Betrieb bei hoher Leistung (Standardmodus) und niedriger Füllmenge zu vermeiden.
  • Andernfalls endet der gegenwärtige Durchlauf und es startet ein neuer Durchlauf nach einem vorgegebenen zeitlichen Abstand T beginnend ab Schritt S1, ebenso wie nach dem erfolgten Einstellen des Leistungsparameters in Schritt S6*.
  • Es wird erneut darauf hingewiesen, dass die Füllmengenkenngröße (Bezeichnung über FM) in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beispielhaft und nicht darauf beschränkend gemäß Gleichung 1 definiert wurde, sodass eine sinkende Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf einem Anstieg der Füllmengenkenngröße entspricht.
  • Vorstehend wurden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sowie deren Vorteile detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
  • Abschließend wird erneut hervorgehoben, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele und deren Ausführungsmerkmale begrenzt ist Die Erfindung umfasst weiterhin Modifikationen der genannten Ausführungsbeispiele, insbesondere diejenigen, die aus Modifikationen und/oder Kombinationen einzelner oder mehrerer Merkmale der beschriebenen Ausführungsbeispiele im Rahmen des Schutzumfanges der unabhängigen Ansprüche hervorgehen.
    • Liste der Bezugszeichen
    • 10
    Arbeitskreislauf
    11
    Verdichter
    12
    Verflüssiger
    13
    Expansionsvorrichtung
    13*
    Expansionsventil
    14
    Verdampfer
    15
    Leitungen für Arbeitsmedium
    21
    erster Drucksensor
    22
    zweiter Drucksensor
    23
    Öffnungsgradsensor für Expansionsventil
    30
    Überwachungsvorrichtung
    30a, 30b
    Komponenten der Überwachungsvorrichtung
    40
    Steuervorrichtung
    50
    Netzwerkkopplung
    100
    Wärmepumpenanlage
    200
    Wärmquellenanlage
    300
    Klimatisierungssystem für Gebäude
    400
    Leitungssystem für Energietransport
    500
    externes Datenverarbeitungssystem
    501
    Speichermedium
    FM
    Füllmengenkenngröße
    MFM
    Mittelwert der Füllmengenkenngröße
    p1
    Druck des Arbeitsmediums (erster Zustandswert)
    p2
    Druck des Arbeitsmediums (zweiter Zustandswert)

Claims (15)

  1. Verfahren zum Überwachen einer Füllmenge eines Arbeitsmediums in einer Wärmepumpenanlage (100), die in einem Arbeitskreislauf (10) für das Arbeitsmedium angeordnet umfasst:
    - eine Verdichtungsvorrichtung (11) zum Verdichten des Arbeitsmediums;
    - eine Kondensationsvorrichtung (12) zum Verflüssigen des Arbeitsmediums;
    - eine Expansionsvorrichtung (13) zum Expandieren des Arbeitsmediums; und
    - eine Verdampfungsvorrichtung (14) zum Verdampfen des Arbeitsmediums;
    wobei das Verfahren umfasst:
    - Bestimmen eines ersten Zustandswerts (p1) einer ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer ersten, zwischen der Verdampfungsvorrichtung (14) und der Verdichtungsvorrichtung (11) befindlichen Position im Arbeitskreislauf (10);
    - Bestimmen eines zweiten Zustandswerts (p1) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer zweiten, zwischen der Verdichtungsvorrichtung (11) und der Kondensationsvorrichtung (12) befindlichen Position im Arbeitskreislauf (10);
    - Bestimmen einer Füllmengenkenngröße (FM), die die Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf (10) der Wärmepumpenanlage (100) beschreibt, zumindest auf Basis des bestimmten ersten Zustandswerts (p1) und des bestimmten zweiten Zustandswerts (p2);
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die bestimmte Füllmengenkenngröße (FM) von einer Summe oder einer gewichteten Summe aus dem bestimmten ersten Zustandswert (p1) und dem bestimmten zweiten Zustandswert (p2) abhängt
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Expansionsvorrichtung (13) der Wärmepumpenanlage zum Expandieren des Arbeitsmediums ein steuerbares Expansionsventil (13*) mit einem veränderlichen Öffnungsgrad umfasst,
    und das Verfahren weiterhin umfasst:
    - Bestimmen eines den Öffnungsgrad des steuerbaren Expansionsventils (13*) betreffenden Ventilparameters (VP);
    und das Bestimmen der Füllmengenkenngröße (FM) zusätzlich auf Basis des bestimmten Ventilparameters (VP) des steuerbaren Expansionsventils (13*) erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
    die bestimmte Füllmengenkenngröße (FM) von einem Verhältnis aus dem bestimmten Ventilparameter (VP) des steuerbaren Expansionsventils (13*) und der Summe oder der gewichteten Summe aus dem ersten und dem zweiten Zustandswert (p1, p2) abhängt.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei der ersten thermodynamischen Zustandsgröße um einen Druck des Arbeitsmediums handelt.
  5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bestimmen des ersten Zustandswerts (p1) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße umfasst:
    - Messen der ersten thermodynamischen Zustandsgröße an der ersten Position im Arbeitskreislauf;
    und/oder das Bestimmen des zweiten Zustandswerts (p2) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße umfasst:
    - Messen der ersten thermodynamischen Zustandsgröße an der zweiten Position im Arbeitskreislauf.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bestimmen des ersten Zustandswerts (p1) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße umfasst:
    - Messen einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße an der ersten Position im Arbeitskreislauf; und
    - Ermitteln des ersten Zustandswerts (p1) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße auf Basis eines Messergebnisses an der ersten Position und einer bereitgestellten ersten Umrechnungsvorschrift;
    und/oder das Bestimmen des zweiten Zustandswerts (p2) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße umfasst:
    - Messen einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße an der zweiten Position im Arbeitskreislauf; und
    - Ermitteln des zweiten Zustandswerts (pz) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße auf Basis des Messergebnisses an der zweiten Position und einer bereitgestellten zweiten Umrechnungsvorschrift, die insbesondere der ersten Umrechnungsvorschrift entspricht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
    es sich bei der zweiten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums um eine Temperatur, ein Volumen oder eine Dichte des Arbeitsmediums handelt
  8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Bestimmen des ersten Zustandswerts (p1), das Bestimmen des zweiten Zustandswerts (pz) sowie das auf deren Basis erfolgende Bestimmen der Füllmengenkenngröße (FM) in vordefinierten zeitlichen Abständen kontinuierlich wiederholt wird, um so zumindest einen zeitlichen Verlauf der Füllmengenkenngröße (FM) bereitzustellen.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin umfasst:
    - Detektieren einer kritischen Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf (10) der Wärmepumpenanlange (100), umfassend:
    - Erfassen eines ersten kritischen Falls, in dem die bestimmte Füllmengenkenngröße (FM) einen ersten vorgegebenen Grenzwert (G1) überschreitet;
    und/oder
    - Erfassen eines zweiten kritischen Falls, in dem ein über einen festgelegten Zeitraum gebildetes Mittel eines zeitlichen Verlaufs der Füllmengenkenngröße (FM) einen zweiten vorgegebenen Grenzwert überschreitet
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin umfasst:
    - Abschalten der Wärmepumpenanlage (100) in Abhängigkeit eines Detektionsergebnisses des Detektierens einer kritischen Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf (10) der Wärmepumpenanlange (100).
  11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmepumpenanlage (100) über eine Netzwerkkopplung (50) mit einem externen Datenverarbeitungssystem (500), insbesondere einem Cloud basierten Datenverarbeitungssystem (500), verbunden ist, wobei im Zuge des Verfahrens notwendige Berechnungen ganz oder zumindest teilweise durch das externe Datenverarbeitungssystem (500) durchgeführt werden.
  12. Verfahren zum Steuern einer Wärmepumpenanlage (100), die in einem Arbeitskreislauf (10) für ein Arbeitsmedium angeordnet umfasst:
    - eine Verdichtungsvorrichtung (11) zum Verdichten des Arbeitsmediums;
    - eine Kondensationsvorrichtung (12) zum Verflüssigen des Arbeitsmediums;
    - eine Expansionsvorrichtung (13) zum Expandieren des Arbeitsmediums; und
    - eine Verdampfungsvorrichtung (14) zum Verdampfen des Arbeitsmediums;
    wobei das Verfahren umfasst:
    - Überwachen einer Füllmenge des Arbeitsmediums in der Wärmepumpenanlage (100) gemäß eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11;
    - Steuern der Wärmepumpenanlage (100) durch Einstellen ein oder mehrerer Betriebsparameter der Wärmepumpenanlage (100) zumindest in Abhängigkeit der im Zuge des Überwachens der Füllmenge des Arbeitsmediums bestimmten Füllmengenkenngröße (FM).
  13. Wärmepumpenanlage (100), die in einem Arbeitskreislauf (10) für ein Arbeitsmedium angeordnet umfasst:
    - eine Verdichtungsvorrichtung (11) zum Verdichten des Arbeitsmediums;
    - eine Kondensationsvorrichtung (12) zum Verflüssigen des Arbeitsmediums;
    - eine Expansionsvorrichtung (13) zum Expandieren des Arbeitsmediums; und
    - eine Verdampfungsvorrichtung (14) zum Verdampfen des Arbeitsmediums;
    wobei die Wärmepumpenanlage (100) ferner umfasst:
    - eine erste Messvorrichtung (21), die zum Messen einer ersten oder einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer ersten, zwischen der Verdampfungsvorrichtung (14) und der Verdichtungsvorrichtung (11) befindlichen Position im Arbeitskreislauf (10) eingerichtet ist;
    - eine zweite Messvorrichtung (22), die zum Messen einer ersten oder einer zweiten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums an einer zweiten, zwischen der Verdichtungsvorrichtung (11) und der Kondensationsvorrichtung (12) befindlichen Position im Arbeitskreislauf (20) eingerichtet ist; und
    - eine zum Überwachen einer Füllmenge des Arbeitsmediums in der Wärmepumpenanlage eingerichtete Überwachungsvorrichtung (30);
    wobei die Überwachungsvorrichtung (30) zumindest mit der ersten und der zweiten Messvorrichtung (21, 22) gekoppelt ist und ferner zumindest dazu eingerichtet ist,
    basierend auf einem Messergebnis der ersten Messvorrichtung (21) einen ersten Zustandswert (p1) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums zu bestimmen,
    basierend auf einem Messergebnis der zweiten Messvorrichtung (22) einen zweiten Zustandswert (p2) der ersten thermodynamischen Zustandsgröße des Arbeitsmediums zu bestimmen,
    und eine die Füllmenge des Arbeitsmediums im Arbeitskreislauf (10) der Wärmepumpenanlage (100) beschreibende Füllmengenkenngröße (FM) auf Basis des bestimmten ersten Zustandswerts (p1) und des bestimmten zweiten Zustandswertes (p2) zu bestimmen,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Überwachungsvorrichtung (30) eingerichtet ist, die Füllmengenkenngröße (FM) auf Basis einer Summe oder einer gewichteten Summe aus dem ersten Zustandswert (p1) und dem zweiten Zustandswert (p2) zu bestimmen.
  14. Wärmepumpenanlage (100) nach Anspruch 13, wobei eine Steuervorrichtung (40) der Wärmepumpenanlage (100) mit der Überwachungsvorrichtung (30) gekoppelt ist und ferner dazu eingerichtet ist, zum Steuern der Wärmepumpenanlage (100) ein oder mehrere Betriebsparameter der Wärmepumpenanlage (100) in Abhängigkeit der durch die Überwachungsvorrichtung (300) bestimmten Füllmengenkenngröße (FM) einzustellen.
  15. Überwachungsvorrichtung (30) zum Einsatz in einer Wärmepumpenanlage (100) nach einem der Ansprüche 13 oder 14.
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102024200808A1 (de) 2024-01-30 2025-07-31 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren, Recheneinheit und Computerprogramm zum Ermitteln einer physikalischen Größe eines Kältemittels

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060144059A1 (en) * 2005-01-05 2006-07-06 Carrier Corporation Method and control for determining low refrigerant charge
GB2546657A (en) * 2014-11-04 2017-07-26 Mitsubishi Electric Corp Refrigeration cycle device and abnormality detection system for refrigeration cycle device
DE112018001918T5 (de) * 2017-04-05 2019-12-19 Denso Corporation Kältemittelleckageerfassungsvorrichtung und Kältemittelkreislaufvorrichtung

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3668882A (en) 1970-04-29 1972-06-13 Exxon Research Engineering Co Refrigeration inventory control
DE102007021874B4 (de) 2007-05-10 2015-12-17 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Verfahren zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung
JP4975052B2 (ja) 2009-03-30 2012-07-11 三菱電機株式会社 冷凍サイクル装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060144059A1 (en) * 2005-01-05 2006-07-06 Carrier Corporation Method and control for determining low refrigerant charge
WO2006073814A2 (en) 2005-01-05 2006-07-13 Carrier Corporation Method and control for determining low refrigerant charge
GB2546657A (en) * 2014-11-04 2017-07-26 Mitsubishi Electric Corp Refrigeration cycle device and abnormality detection system for refrigeration cycle device
DE112018001918T5 (de) * 2017-04-05 2019-12-19 Denso Corporation Kältemittelleckageerfassungsvorrichtung und Kältemittelkreislaufvorrichtung

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