EP4675200A1 - Sicherheitseinrichtung für wärmepumpenvorrichtung und wärmepumpenvorrichtung - Google Patents
Sicherheitseinrichtung für wärmepumpenvorrichtung und wärmepumpenvorrichtungInfo
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- EP4675200A1 EP4675200A1 EP25181809.2A EP25181809A EP4675200A1 EP 4675200 A1 EP4675200 A1 EP 4675200A1 EP 25181809 A EP25181809 A EP 25181809A EP 4675200 A1 EP4675200 A1 EP 4675200A1
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- pressure
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- F25B47/02—Defrosting cycles
- F25B47/022—Defrosting cycles hot gas defrosting
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Definitions
- the present invention relates to a safety device for a reversible heat pump device and to a reversible heat pump device.
- Heat pumps are characterized by their high efficiency and can therefore be particularly attractive for heating and/or cooling a building from both an ecological and economic perspective. Heating with ambient heat is climate-friendly. Furthermore, many energy suppliers have been offering special heat pump tariffs for several years now, which are financially more attractive than a standard electricity tariff.
- a heat pump of this type has a refrigerant circuit.
- R290 propane
- propane for example, can be used as the refrigerant. Since propane is flammable, any unintentional leakage must be prevented.
- the refrigerant absorbs heat from the surrounding medium and evaporates during heating operation. Accordingly, this heat exchanger is referred to as an evaporator during heating operation.
- This heat exchanger is referred to as an evaporator during heating operation.
- One possible cause of malfunctions in heat pumps is the formation of an ice layer on the evaporator due to moisture in the ambient air, which impedes heat transfer. This ice layer then typically needs to be removed through a defrosting process.
- a heat pump of this type has an additional heat exchanger, often designed as a plate heat exchanger.
- this plate heat exchanger is also referred to as a condenser.
- heat is transferred from the refrigerant, compressed by a compressor, to a heat transfer medium in a heating circuit, with the refrigerant changing from a gaseous to a liquid state.
- the cycle is reversed.
- the condenser (plate heat exchanger) becomes the evaporator, and vice versa. Consequently, low temperatures can occur at the plate heat exchanger.
- the heat transfer medium is usually water, it is essential to prevent the temperature from dropping below freezing to avoid a refrigerant leak in the plate heat exchanger caused by the heat transfer medium in the heating circuit freezing.
- a safety system for refrigeration compressors in refrigeration systems is known.
- This computer-controlled system monitors the operating conditions of the refrigeration system. Simultaneously, it monitors and evaluates, among other things, a high-pressure safety limiter and a high-pressure switch.
- Each safety device in the refrigeration system influences the function of the refrigeration compressor(s). In the event of a malfunction, the high-pressure safety limiter immediately shuts off the compressor, and automatic reset is not possible. The high-pressure switch immediately shuts off the compressor in the event of a malfunction, and multiple automatic resets are possible.
- This safety system can be used in all refrigeration systems with at least one refrigeration compressor, including heat pumps, drying systems, ice machines, and dehumidification systems with one or more compressors.
- the DE 10 2020 112 376 A1 Disclosing a heat pump system with a plate heat exchanger and a low-pressure switch arranged on the plate heat exchanger, which is intended to switch off the compressor of the heat pump system when a predetermined low-pressure cut-off level is reached or undershot.
- the known safety devices can lead to the heat pump being switched off unintentionally under certain conditions. This This can be prevented, for example, by monitoring operations through a complex control system.
- an improved safety device for a reversible heat pump device is to be provided, which is particularly simple in design and which, in addition to preventing the heat transfer medium from freezing on the heat exchanger, can also prevent the heat pump device from being switched off unintentionally during heating or defrosting operation.
- the safety device comprises a first pressure switch and a temperature switch.
- the first pressure switch is configured to monitor the refrigerant pressure in the refrigerant circuit of the heat pump device. In other words, the first pressure switch measures the refrigerant pressure in the refrigerant circuit or in a line (e.g., supply or return) of the refrigerant circuit.
- the first pressure switch includes a first switch that is configured to open when the measured refrigerant pressure is less than a predefined first pressure limit. The first pressure switch can therefore also be referred to as a low-pressure switch.
- the first pressure limit can be specified depending on characteristic parameters of the heat pump device used. In particular, it can depend on the design and dimensioning of the heat pump device. Furthermore, the first pressure limit can depend on characteristic properties of the refrigerant used, such as... For example, the evaporation pressure.
- the first pressure limit is specifically set to prevent the heat transfer medium from freezing in the heating circuit and is therefore based on the freezing point of the heat transfer medium, which is usually water.
- the first pressure limit corresponds to the evaporation pressure of propane, which is 4.71 bar(a).
- the pressure switch is configured accordingly so that the first switch opens when the measured pressure is ⁇ 4.71 bar(a).
- the pressure switch is positioned in the refrigerant circuit in such a way that the first switch is not expected to open during normal heating operation, as a higher pressure always prevails at that point.
- the temperature switch is configured to monitor the temperature of the refrigerant in the refrigerant circuit of the heat pump device. In other words, the temperature switch measures the temperature of the refrigerant in the refrigerant circuit or in a line (e.g., supply or return) of the refrigerant circuit.
- the temperature switch includes a second switch that is configured to open when the refrigerant temperature exceeds a predefined temperature limit. The temperature switch can therefore also be referred to as a safety temperature switch.
- the temperature switch is preferably located near the second heat exchanger. Depending on the operating state of the heat pump, the temperature switch at this location measures approximately the evaporation temperature (heating mode) or the condensation temperature (cooling mode) of the refrigerant.
- the temperature switching point i.e., the temperature limit, is selected to be characteristic of stable cooling operation. For example, the initial phase of a defrost cycle in the heat pump is considered unstable cooling operation.
- the temperature limit is generally dependent on The design and dimensioning of the heat pump device must be determined accordingly through testing. The temperature limit is chosen so that it is not reached during normal operation (heating mode) of the heat pump device.
- a safety device comprises a second pressure switch instead of the temperature switch.
- the position of the second pressure switch can correspond to the position of the temperature switch.
- the second pressure switch is configured like the first pressure switch to monitor the refrigerant pressure in the refrigerant circuit of the heat pump device.
- the second pressure switch measures the refrigerant pressure in the refrigerant circuit or in a line (e.g., supply or return) of the refrigerant circuit.
- the second pressure switch includes a secondary switch that is configured to open when the measured refrigerant pressure exceeds a predefined second pressure limit.
- the second pressure limit is determined by the condensing pressure of the refrigerant during cooling operation of the heat pump unit. If the refrigerant pressure at the second pressure switch is higher than the second pressure limit, it can be assumed that the heat pump unit is not in the initial phase of a defrost cycle, but rather in stable cooling operation.
- the second pressure limit generally depends on the design and dimensioning of the heat pump unit and must therefore be determined through testing.
- the first switch is arranged in parallel to the second switch, so that if both the first and second switches are open, the power supply to the heat pump device is interrupted.
- the first pressure switch, the second pressure switch, and the temperature switch are preferably safety-related switching devices that, upon reaching, falling below, or exceeding their respective limit values, can open a (preferably electromechanical) switch, in particular to interrupt the power supply to the compressor and thus shut down the heat pump device. All or some of the three switching devices can preferably be self-resetting, so that the corresponding switches close again as soon as the respective limit value is again fallen below or exceeded.
- the first pressure switch may preferably have an automatic (self-resetting) and/or a manual reset device.
- the temperature switch may preferably only have an automatic reset device.
- the second pressure switch may particularly preferably only have an automatic reset device.
- the preferred safety-related switching devices described here can preferably be implemented without a control or regulating device and are preferably not connected to any control or regulating device of the heat pump system. Therefore, no complex and potentially fault-prone electronic components are necessary to shut down the heat pump system. Only the opening of both parallel-connected switches is required to interrupt the power supply. Thus, due to the simple design using basic electromechanical components, a high reliability of the safety shutdown by the safety device can be ensured.
- the heat pump device further comprises a refrigerant circuit in which a refrigerant circulates, a compressor arranged in the refrigerant circuit for compressing the refrigerant, a four-way valve for reversing the cycle, a first heat exchanger for coupling the refrigerant circuit with a heat transfer circuit in which a heat transfer medium circulates, an expansion valve in the refrigerant circuit for expanding the refrigerant, and a second heat exchanger for transferring heat from an ambient medium to the refrigerant or vice versa.
- the heat pump device may include a manifold, an internal heat exchanger, an additional expansion valve, and pressure and temperature sensors. Since these components are not necessary to explain the safety device, they will not be described in detail below.
- the temperature switch or the second pressure switch is preferably arranged between the expansion valve and the second heat exchanger.
- the temperature switch or the second pressure switch can be arranged between the second heat exchanger and the four-way valve.
- the temperature switch or the second pressure switch is preferably arranged in the flow or return line of the second heat exchanger.
- the first heat exchanger is a plate heat exchanger.
- the first pressure switch is arranged between the first heat exchanger and the expansion valve.
- the first pressure switch can also be arranged between the four-way valve and the first heat exchanger.
- the first pressure switch can be arranged in the supply or return line of the first heat exchanger to maintain a characteristic refrigerant pressure at the first heat exchanger. measure.
- the first pressure switch can therefore switch when an evaporation pressure of the refrigerant is reached at the first heat exchanger (cooling operation).
- a heat pump system comprises a heat transfer medium.
- the heat transfer medium transports heat for heating or cold for cooling the building.
- water circulating in a heating circuit of the building can be used as the heat transfer medium for heating.
- air circulating, for example, in an open circuit can be used for cooling or heating.
- the heat pump system can thus be a component of a heating, ventilation, air conditioning, and/or refrigeration system (HVAC system).
- HVAC system heating, ventilation, air conditioning, and/or refrigeration system
- the heat pump system can be designed for both cooling and heating the building. Accordingly, separate heating circuits or cooling lines and/or ventilation ducts can be provided for suitable heat transfer media.
- the heating circuits or cooling lines and/or ventilation ducts can include a circulation device suitable for the respective heat transfer medium, for example, a pump and/or a fan.
- the heat pump device preferably includes a control unit for regulating and/or controlling the heat pump device.
- a control unit for regulating and/or controlling the heat pump device.
- the control unit can output corresponding control signals to the heat pump device, in particular to the compressor of the heat pump device, via a suitable interface and suitable signal lines.
- the control device may have an interface for outputting information.
- the interface may transmit a message to a mobile device of a user or operator of the
- the heat pump device can be used.
- the control unit can have a display device, e.g., a screen, for outputting information, such as an error message.
- the interface between the control system and the user or operator for outputting messages can generally be understood as a human-machine interface (HMI), through which the user or operator can preferably also input data.
- HMI human-machine interface
- the HMI can be an application ("app") on the user's or operator's mobile device.
- the cloud or server can also be used as an interface. This allows access to data in the cloud or on the server, particularly via a web browser, which can also enable control system interventions.
- FIG. 1 shows a simplified representation of an embodiment of a heat pump device 10 according to the invention for heating and/or cooling a building or a part thereof.
- the heat pump device 10 comprises a compressor 11, a four-way valve 12, a first heat exchanger 13, an expansion valve 14, and a second heat exchanger 15. Further optional components are not shown.
- the arrows illustrate the direction in which the refrigerant circulates through the refrigerant circuit during heating operation of the heat pump device 10.
- a reversal of the cycle can be effected to operate the heat pump device 10, for example, in cooling or defrosting mode.
- the first heat exchanger 13 serves to transfer heat between the refrigerant in the refrigerant circuit and a heat transfer medium in a heating circuit 20 of the building.
- the operating principle of the heat pump device 10 corresponds to the known operating principle of a heat pump.
- the first heat exchanger 13 serves as a condenser and the second heat exchanger 15 serves as an evaporator.
- the first heat exchanger 13 serves as an evaporator and the second heat exchanger 15 serves as a condenser.
- a plate heat exchanger is preferably used as the first heat exchanger 13. By monitoring the evaporation pressure at the plate heat exchanger, In particular, freezing of the heat transfer medium in the plate heat exchanger must be prevented.
- Fig. 2 illustrates a circuit diagram of the safety device according to the invention, consisting of a first pressure switch and a temperature switch or of a first pressure switch and a second pressure switch, each of which is assigned to a first switch S1 and a second switch S2.
- Fig. 3 corresponds to the design of the safety device with a low-pressure switch (first pressure switch with first switch S1) and a safety temperature switch (temperature switch with second switch S2).
- Figs. 3a to 3d A total of eight diagrams are shown, each presented in pairs. The two diagrams in Fig. 3a This concerns the case where the heat pump device 10 is operated in heating mode.
- the temperature limit is selected such that no exceedance of the temperature limit is expected during heating operation. Since the temperature switch is located in the flow line to the second heat exchanger 15 and after the expansion valve 14, the temperature of the refrigerant at this point is always low during heating operation and is, for example, in the range of -20 to +30°C.
- the pressure switch (low-pressure switch) is located in the return line of the first heat exchanger 13 and thus measures the pressure during heating operation. Refrigerant at the condenser. It can happen that the pressure drops below the first pressure limit, causing the first switch S1 to open (top right in the Fig. 3 However, since the second switch S2 of the temperature switch remains closed, the power supply is not interrupted.
- Fig. 3c This illustrates operation after the initial defrosting phase.
- the temperature at the temperature switch has risen above the temperature limit. If the pressure at the first pressure switch also falls below the pressure limit, the power supply to the heat pump device 10 is interrupted (right image).
- the two diagrams in Fig. 3d This illustrates a cooling operation.
- the temperature at the temperature switch can rise above the temperature limit. If the pressure at the first pressure switch also falls below the pressure limit, the power supply to the heat pump device 10 is interrupted (right image). This prevents the plate heat exchanger (first heat exchanger) from freezing.
- FIGs. 3a to 3d corresponding representation of the operating states for the implementation of the safety device with a first pressure switch
- the low-pressure switch and a second pressure switch are achieved by replacing the temperature switch with the second pressure switch. Instead of a temperature limit, a second pressure limit is then used, and the second switch S2 opens when the second pressure limit is reached or exceeded.
- Determining the pressure limit can be done analogously to determining the temperature limit, since pressure and temperature in the wet vapor and liquid regions of the refrigerant are more or less directly related. In other words, the pressure limit can be determined based on the physical properties of the respective refrigerant.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für eine reversible Wärmepumpenvorrichtung (10) mit einem Kältemittelkreislauf, der über einen ersten Wärmeübertrager (13) mit einem Wärmeträgerkreislauf (20) gekoppelt ist. Die Sicherheitseinrichtung umfasst einen ersten Druckschalter zum Überwachen eines Drucks eines Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung (10) und einen Temperaturschalter zum Überwachen einer Temperatur des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung (10). Der erste Druckschalter umfasst einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zu öffnen, wenn der Druck des Kältemittels kleiner als ein erster vorgegebener Druckgrenzwert ist. Der Temperaturschalter umfasst einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zu öffnen, wenn die Temperatur des Kältemittels größer als ein vorgegebener Temperaturgrenzwert ist. Der erste Schalter (S1) ist parallel zum zweiten Schalter (S2) angeordnet, so dass eine Stromversorgung der Wärmepumpenvorrichtung (10) unterbrochen wird, falls der erste Schalter (S1) und der zweite Schalter (S2) offen sind.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung für eine reversible Wärmepumpenvorrichtung sowie eine reversible Wärmepumpenvorrichtung.
- Wärmepumpen zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus und können daher unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten besonders attraktiv zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes verwendet werden. Das Heizen mit Umweltwärme ist einerseits klimafreundlich. Andererseits bieten viele Energieversorger seit einigen Jahren spezielle Wärmepumpentarife an, die finanziell attraktiver sind als ein normaler Stromtarif.
- Eine gattungsgemäße Wärmepumpe weist einen Kreislauf für ein Kältemittel auf. Als Kältemittel kann beispielsweise R290 (Propan) verwendet werden. Da Propan brennbar ist, muss ein ungewolltes Austreten verhindert werden.
- An einem Wärmeübertrager im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe nimmt das Kältemittel im Heizbetrieb Wärme aus einem Umgebungsmedium auf und verdampft. Entsprechend wird dieser Wärmeübertrager im Heizbetrieb als Verdampfer bezeichnet Eine mögliche Störungsursache bei Wärmepumpen ist, dass sich am Verdampfer aufgrund von Feuchtigkeit in der Umgebungsluft eine Eisschicht bilden kann, die den Wärmeübertrag am Verdampfer behindert. Die Eisschicht muss dann in der Regel durch einen Abtauprozess entfernt werden.
- Ferner weist eine gattungsgemäße Wärmepumpe einen weiteren Wärmeübertrager auf, der oft als Plattenwärmeübertrager ausgebildet ist. Im Heizbetrieb wird dieser Plattenwärmeübertrager auch als Verflüssiger bezeichnet. Hier wird Wärme von dem durch einen Verdichter komprimierten Kältemittel auf ein Wärmeträgermedium in einem Heizkreis übertragen, wobei das Kältemittel vom gasförmigen in den flüssigen Zustand übergeht.
- Im Abtaubetrieb bzw. im Kühlbetrieb der Wärmepumpe findet eine Kreislaufumkehr statt. Der Verflüssiger (Plattenwärmeübertrager) wird nun zum Verdampfer und der Verdampfer wird entsprechend zum Verflüssiger. Entsprechend können niedrige Temperaturen am Plattenwärmeübertrager auftreten. Da es sich beim dem Wärmeträgermedium meist um Wasser handelt, muss ein Unterschreiten des Gefrierpunkts verhindert werden, um ein Kältemittelleck im Plattenwärmeübertrager durch Ausfrieren des Wärmeträgermediums des Heizkreises zu vermeiden.
- Aus der
DE 10 2007 052 532 A1 ist ein Sicherheitssystem für Kälteverdichter in Kälteanlagen bekannt. Das Sicherheitssystem erfasst computergesteuert Zustände in der Kälteanlage. Dabei werden gleichzeitig unter anderem ein Sicherheitshochdruckbegrenzer und ein Hochdruckschalter erfasst und ausgewertet. Jede Sicherheitseinrichtung der Kälteanlage hat Einfluss auf die Funktion des Kälteverdichters bzw. der Kälteverdichter. Der Sicherheitshochdruckbegrenzer schaltet bei Störung den Verdichter sofort ab und eine automatische Rückschaltung ist nicht möglich. Der Hochdruckschalter schaltet bei Störung den Verdichter sofort ab und eine mehrmalige automatische Rückschaltung ist möglich. Das Sicherheitssystem kann bei allen Kälteanlagen mit mindestens einem Kälteverdichter, d.h. auch bei Wärmepumpen, Trocknungsanlagen, Eismaschinen und Entfeuchtungsanlagen mit einem oder mehreren Verdichtern eingesetzt werden. - Die
DE 10 2020 112 376 A1 offenbart eine Wärmepumpenanlage mit einem Plattenwärmeübertrager und einem am Plattenwärmeübertrager angeordneten Niederdruckschalter, der den Verdichter der Wärmepumpenanlage abschalten soll, wenn ein vorgegebener Abschalt-Niederdruck erreicht oder unterschritten wird. - Die bekannten Sicherheitseinrichtungen können jedoch zu einem ungewollten Abschalten der Wärmepumpe unter bestimmten Voraussetzungen führen. Dies kann beispielsweise durch Überwachen des Betriebs durch ein komplexes Steuersystem verhindert werden.
- Ausgehend vom Stand der Technik, soll eine verbesserte Sicherheitseinrichtung für eine reversible Wärmepumpenvorrichtung bereitgestellt werden, die besonders einfach aufgebaut ist, und die neben dem Einfrieren des Wärmeträgermediums am Wärmeübertrager auch ein ungewolltes Abschalten der Wärmepumpenvorrichtung im Heizbetrieb bzw. im Abtaubetrieb verhindern kann.
- Die Lösung der Aufgabe gelingt durch eine Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 sowie durch eine Wärmepumpenvorrichtung nach Anspruch 3. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche, der Zeichnungen sowie der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
- Die erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung gemäß einem ersten Aspekt umfasst einen ersten Druckschalter und einen Temperaturschalter.
- Der erste Druckschalter ist konfiguriert, einen Druck des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung zu überwachen. Mit anderen Worten, der erste Druckschalter misst den Druck des Kältemittels im Kältemittelkreislauf bzw. in einer Leitung (z.B. Vorlauf oder Rücklauf) des Kältemittelkreislaufs. Der erste Druckschalter umfasst einen ersten Schalter, der konfiguriert ist zu öffnen, wenn der gemessene Druck des Kältemittels kleiner als ein vorgegebener erster Druckgrenzwert ist. Der erste Druckschalter kann entsprechend auch als Niederdruckschalter bezeichnet werden.
- Der erste Druckgrenzwert kann in Abhängigkeit von charakteristischen Parametern der verwendeten Wärmepumpenvorrichtung vorgegeben werden. Er kann insbesondere von der Auslegung und Dimensionierung der Wärmepumpenvorrichtung abhängig sein. Ferner kann der erste Druckgrenzwert von charakteristischen Größen des verwendeten Kältemittels abhängig sein, wie z.B. vom Verdampfungsdruck. Der erste Druckgrenzwert wird insbesondere so vorgegeben, um ein Einfrieren des Wärmeträgermediums um Heizkreis zu verhindern und richtet sich somit nach dem Gefrierpunkt des Wärmeträgermediums, wobei es sich meist um Wasser handelt.
- Werden beispielweise Wasser als Wärmeträgermedium (Gefrierpunkt 0°C) und Propan als Kältemittel (Verdampfungstemperatur 0°C) verwendet, so entspricht der erste Druckgrenzwert dem Verdampfungsdruck von Propan von 4,71 bar(a). Der Druckschalter wird entsprechend so konfiguriert, dass der erste Schalter öffnet, wenn der gemessene Druck ≤ 4,71 bar(a) beträgt. Der Druckschalter wird so im Kältemittelkreislauf positioniert, dass im normalen Heizbetrieb kein Öffnen des ersten Schalters zu erwarten ist, da an der Stelle immer ein höherer Druck herrscht.
- Der Temperaturschalter ist konfiguriert, eine Temperatur des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung zu überwachen. Mit anderen Worten, der Temperaturschalter misst die Temperatur des Kältemittels im Kältemittelkreislauf bzw. in einer Leitung (z.B. Vorlauf oder Rücklauf) des Kältemittelkreislaufs. Der Temperaturschalter umfasst einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist zu öffnen, wenn die Temperatur des Kältemittels größer als ein vorgegebener Temperaturgrenzwert ist. Der Temperaturschalter kann entsprechend auch als Sicherheitstemperaturschalter bezeichnet werden.
- Der Temperaturschalter wird vorzugsweise an einer Position in der Nähe des zweiten Wärmeübertragers angeordnet. Je nach Betriebszustand der Wärmepumpenvorrichtung misst der Temperaturschalter an dieser Stelle annähernd die Verdampfungstemperatur (Heizbetrieb) oder die Verflüssigungstemperatur (Kühlbetrieb) des Kältemittels. Der Temperaturschaltpunkt, also der Temperaturgrenzwert, wird so gewählt, dass er charakteristisch für einen stabilen Kühlbetrieb ist. Beispielsweise wird eine Anfangsphase eines Abtaubetriebs der Wärmepumpenvorrichtung als instabiler Kühlbetrieb betrachtet. Der Temperaturgrenzwert ist im Allgemeinen abhängig von der Auslegung und Dimensionierung der Wärmepumpenvorrichtung und muss entsprechend anhand von Versuchen ermittelt werden. Dabei wird der Temperaturgrenzwert so gewählt, dass er im Normalbetrieb (Heizbetrieb) der Wärmepumpenvorrichtung nicht erreicht wird.
- Eine Sicherheitseinrichtung gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst anstelle des Temperaturschalters einen zweiten Druckschalter. Die Position des zweiten Druckschalters kann der Position des Temperaturschalters entsprechen.
- Der zweite Druckschalter ist wie der erste Druckschalter konfiguriert, einen Drucks des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung zu überwachen. Mit anderen Worten, der zweite Druckschalter misst den Druck des Kältemittels im Kältemittelkreislauf bzw. in einer Leitung (z.B. Vorlauf oder Rücklauf) des Kältemittelkreislaufs. Der zweite Druckschalter umfasst den zweiten Schalter, der konfiguriert ist zu öffnen, wenn der gemessene Druck des Kältemittels größer als ein vorgegebener zweiter Druckgrenzwert ist.
- Der zweite Druckgrenzwert richtet sich nach dem Verflüssigungsdruck des Kältemittels im Kühlbetrieb der Wärmepumpenvorrichtung. Ist der Druck des Kältemittels am zweiten Druckschalter größer als der zweite Druckgrenzwert, kann davon ausgegangen werden, dass sich die Wärmepumpenvorrichtung nicht in der Anfangsphase eines Abtaubetriebs befindet, sondern im stabilen Kühlbetrieb ist. Der zweite Druckgrenzwert ist im Allgemeinen abhängig von der Auslegung und Dimensionierung der Wärmepumpenvorrichtung und muss entsprechend anhand von Versuchen ermittelt werden.
- Der erste Schalter ist parallel zum zweiten Schalter angeordnet ist, so dass eine Stromversorgung der Wärmepumpenvorrichtung unterbrochen wird, falls der erste Schalter und der zweite Schalter offen sind.
- Der erste Druckschalter, der zweite Druckschalter und der Temperaturschalter sind vorzugsweise jeweils sicherheitsbezogene Schalteinrichtungen, die bei Erreichen, Unterschreiten bzw. Überschreiten des jeweiligen Grenzwerts einen (vorzugsweise elektromechanischen) Schalter öffnen können, insbesondere um eine Stromzufuhr zum Verdichter zu unterbrechen, und somit die Wärmepumpenvorrichtung abzuschalten. Alle oder einige der drei Schalteinrichtungen können vorzugsweise jeweils selbstrücksetzend sein, so dass die entsprechenden Schalter wieder schließen, sobald der jeweilige Grenzwert wieder unterschritten bzw. überschritten wird.
- Der erste Druckschalter kann vorzugsweise eine automatischen Rückstelleinrichtung (selbstrücksetzend) und/oder eine manuellen Rückstelleinrichtung aufweisen. Der Temperaturschalter kann vorzugsweise nur eine automatische Rückstelleinrichtung aufweisen. Der zweite Druckschalter kann besonders vorzugsweise nur eine automatische Rückstelleinrichtung aufweisen.
- Die hier beschriebenen bevorzugten sicherheitsbezogenen Schalteinrichtungen können vorzugsweise ohne Regel- bzw. Steuereinrichtung ausgeführt sein und sind vorzugsweise auch mit keiner Regel- bzw. Steuereinrichtung der Wärmepumpenvorrichtung verbunden. Es sind somit keine komplexen und möglicherweise fehleranfälligen elektronische Komponenten notwendig, um ein Ausschalten der Wärmepumpenvorrichtung zu bewirken. Es müssen lediglich beide parallel geschaltete Schalter öffnen, um die Stromversorgung zu unterbrechen. Somit kann aufgrund der einfachen Ausgestaltung unter Verwendung einfacher elektromechanischer Komponenten eine hohe Zuverlässigkeit der Sicherheitsabschaltung durch die Sicherheitseinrichtung gewährleistet werden.
- Eine erfindungsgemäße reversible Wärmepumpenvorrichtung zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes umfasst eine Sicherheitseinrichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
- Die Wärmepumpenvorrichtung umfasst ferner einen Kältemittelkreislauf in dem ein Kältemittel zirkuliert, einen im Kältemittelkreislauf angeordneten Verdichter zum Verdichten des Kältemittels, ein Vierwegeventil zum Bewirken einer Kreislaufumkehr, einen ersten Wärmeübertrager zum Koppeln des Kältemittelkreislaufs mit einem Wärmeträgerkreislauf, in dem ein Wärmeträgermedium zirkuliert, ein Expansionsventil im Kältemittelkreislauf zum Entspannen des Kältemittels, und einen zweiten Wärmeübertrager zum Übertragen von Wärme eines Umgebungsmediums auf das Kältemittel oder umgekehrt.
- Ferner kann die Wärmepumpenvorrichtung einen Sammler, einen internen Wärmeübertrager, ein weiteres Expansionsventil sowie Druck- und Temperatursensoren aufweisen. Da diese Komponenten nicht notwendig zum Erklären der Sicherheitseinrichtung sind, werden diese im Folgenden nicht näher beschrieben.
- Der Temperaturschalter bzw. der zweite Druckschalter ist vorzugsweise zwischen dem Expansionsventil und dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet. Alternativ kann der Temperaturschalter bzw. der zweite Druckschalter zwischen dem zweiten Wärmeübertrager und dem Vierwegeventil angeordnet sein. Mit anderen Worten, der Temperaturschalter bzw. der zweite Druckschalter ist vorzugsweise im Vorlauf oder Rücklauf des zweiten Wärmeübertragers angeordnet.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführung handelt es sich beim ersten Wärmeübertrager um einen Plattenwärmeübertrager.
- Vorzugsweise ist der erste Druckschalter zwischen dem ersten Wärmeübertrager und dem Expansionsventil angeordnet. Gemäß einer alternativen Ausführung kann der erste Druckschalter auch zwischen dem Vierwegeventil und dem ersten Wärmeübertrager angeordnet sein. Mit anderen Worten, der erste Druckschalter kann im Vorlauf oder im Rücklauf des ersten Wärmeübertragers angeordnet sein, um einen charakteristischen Druck des Kältemittels am ersten Wärmeübertrager zu messen. Insbesondere kann der erste Druckschalter somit bei Erreichen eines Verdampfungsdruck des Kältemittels am ersten Wärmeübertrager (Kühlbetrieb) schalten.
- Ein erfindungsgemäßes Wärmepumpensystem umfasst ein Wärmeträgermedium. Das Wärmeträgermedium transportiert Wärme zum Heizen oder Kälte zum Kühlen des Gebäudes. Als Wärmeträgermedium zum Heizen kann beispielsweise Wasser verwendet werden, das in einem Heizkreis des Gebäudes zirkuliert. Alternativ oder zusätzlich kann zum Kühlen oder Heizen Luft verwendet werden, die beispielsweise in einem offenen Kreislauf zirkuliert. Das Wärmepumpensystem kann somit Bestandteil einer Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und/oder Kältetechnik-Anlage (HLKK-Anlage sein).
- In einer bevorzugten Ausführung kann das Wärmepumpensystem sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen des Gebäudes ausgelegt sein. Entsprechend können getrennte Heizkreise bzw. Kühlleitungen und/oder Lüftungsleitungen für jeweils geeignete Wärmeträgermedien vorhanden sein. Die Heizkreise bzw. Kühlleitungen und/oder Lüftungsleitungen können eine für das jeweilige Wärmeträgermedium geeignete Umwälzeinrichtung aufweisen, beispielsweise eine Pumpe und/oder einen Ventilator.
- Die Wärmepumpenvorrichtung umfasst vorzugsweise eine Regeleinrichtung zum Regeln und/oder Steuern der Wärmepumpenvorrichtung. Im Folgenden wird der Begriff Regeln sowohl für Regel- als auch Steuerverfahren verwendet. Die Regeleinrichtung kann über eine geeignete Schnittstelle sowie geeignete Signalleitungen entsprechende Regelsignale an die Wärmepumpenvorrichtung, insbesondere an den Verdichter der Wärmepumpenvorrichtung ausgeben.
- Die Regeleinrichtung kann eine Schnittstelle zum Ausgeben von Informationen aufweisen. Die Schnittstelle kann insbesondere das Übertragen einer Nachricht an ein mobiles Endgerät eines Benutzers oder Betreibers der Wärmepumpenvorrichtung ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ kann die Regeleinrichtung eine Anzeigeeinrichtung, z.B. einen Bildschirm, zum Ausgeben von Informationen, beispielsweise einer Fehlermeldung, aufweisen.
- Als Schnittstelle der Regeleinrichtung zum Ausgeben von Meldungen an einen Benutzer oder Betreiber kann im Allgemeinen eine Mensch-Maschine-Schnittstelle ("Human-Machine-Interface", HMI) verstanden werden, über die der Benutzer oder Betreiber vorzugsweise auch Eingaben machen kann. Das HMI kann in einer bevorzugten Ausführung eine Anwendung ("App") auf dem mobilen Endgerät des Benutzers oder Betreibers sein. Auch die Cloud oder der Server können als Schnittstelle verwendet werden. So kann insbesondere über einen Internetbrowser ein Zugriff auf Daten in der Cloud oder auf dem Server ermöglicht werden, wobei hierdurch auch regelungstechnische Eingriffe ermöglicht werden können.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
- Es zeigen schematisch:
- Figur 1
-
Fig. 1 illustriert eine Wärmepumpenvorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel. - Figur 2
-
Fig. 2 illustriert eine Sicherheitseinrichtung mit zwei parallel geschalteten Schalteinrichtungen. - Figur 3
-
Fig. 3a bis Fig. 3d illustrieren Zustände der Sicherheitseinrichtung für verschiedene Betriebszustände der Wärmepumpenvorrichtung. - Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
-
Fig. 1 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Wärmepumpenvorrichtung 10 zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäude oder eines Teilbereichs des Gebäudes. Die Wärmepumpenvorrichtung 10 umfasst einen Verdichter 11, ein Vierwegeventil 12, einen ersten Wärmeübertrager 13, ein Expansionsventil 14 und einen zweiten Wärmeübertrager 15. Weitere optionale Komponenten sind nicht dargestellt. Die Pfeile illustrieren die Richtung, in der das Kältemittel im Heizbetrieb der Wärmepumpenvorrichtung 10 durch den Kältemittelkreislauf zirkuliert. Durch Betätigen des Vierwegeventils 12 kann eine Kreislaufumkehr bewirkt werden, um die Wärmepumpenvorrichtung 10 beispielsweise im Kühlbetrieb oder im Abtaubetrieb zu betreiben. - Der erste Wärmeübertrager 13 dient zum Übertragen von Wärme zwischen dem Kältemittel im Kältemittelkreislauf und einem Wärmeträgermedium in einem Heizkreis 20 des Gebäudes.
- Das Funktionsprinzip der Wärmepumpenvorrichtung 10 entspricht der bekannten Wirkungsweise einer Wärmepumpe. Im Heizbetrieb dient der erste Wärmeübertrager 13 als Verflüssiger und der zweite Wärmeübertrager 15 dient als Verdampfer. Im Kühlbetrieb dient der erste Wärmeübertrager 13 als Verdampfer und der zweite Wärmeübertrager 15 dient als Verflüssiger. Als erster Wärmeübertrager 13 wird vorzugsweise ein Plattenwärmeübertrager verwendet. Durch das Überwachen des Verdampfungsdrucks am Plattenwärmeübertrager kann insbesondere ein Einfrieren des Wärmeträgermediums im Plattenwärmeübertrager verhindert werden.
-
Fig. 2 illustriert ein Schaltbild der erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung, bestehend aus einem ersten Druckschalter und einem Temperaturschalter oder aus einem ersten Druckschalter und einem zweiten Druckschalter, die jeweils einem ersten Schalter S1 und einem zweiten Schalter S2 zugeordnet sind. - Durch paralleles Schalten der beiden Schalter S1 und S2 wird eine Stromversorgung zwischen den Punkten 1 und 2 in
Fig. 2 nur dann unterbrochen, wenn beide Schalter S1 und S2 öffnen. Solange der Schaltkreis zwischen Punkten 1 und 2 geschlossen ist, wird die Wärmepumpenvorrichtung 10 (insbesondere der Verdichter 11) mit Strom versorgt. - Im Folgenden wird anhand von
Fig. 3 erläutert, unter welchen Bedingungen die Stromversorgung der Wärmepumpenvorrichtung unterbrochen werden kann.Fig. 3 entspricht der Ausführung der Sicherheitseinrichtung mit einem Niederdruckschalter (erster Druckschalter mit erstem Schalter S1) und einem Sicherheitstemperaturschalter (Temperaturschalter mit zweitem Schalter S2). -
Fig. 3a bis 3d zeigen insgesamt acht Diagramme, die jeweils paarweise dargestellt sind. Die beiden Diagramme inFig. 3a betreffen den Fall, dass die Wärmepumpenvorrichtung 10 im Heizbetrieb betrieben wird. Der Temperaturgrenzwert wird so gewählt, dass im Heizbetrieb kein Überschreiten des Temperaturgrenzwerts zu erwarten ist. Da der Temperaturschalter im Vorlauf zum zweiten Wärmeübertrager 15 und nach dem Expansionsventil 14 angeordnet ist, ist die Temperatur des Kältemittels im Heizbetrieb an dieser Stelle stets niedrig und liegt beispielsweise in einem Bereich von -20 bis +30°C. - Der Druckschalter (Niederdruckschalter) ist im Rücklauf des ersten Wärmeübertragers 13 angeordnet und misst somit im Heizbetrieb den Druck des Kältemittels am Verflüssiger. Es kann vorkommen, dass der Druck unter den ersten Druckgrenzwert abfällt, so dass der erste Schalter S1 öffnet (oben rechts in
Fig. 3 ). Da der zweite Schalter S2 des Temperaturschalters aber geschlossen bleibt, wird die Stromversorgung nicht unterbrochen. - Die beiden Schaltbilder in
Fig. 3b betreffen die Anfangsphase eines Abtaubetriebs. Im Vergleich zum Heizbetrieb, der inFig. 3a dargestellt ist, hat somit eine Kreislaufumkehr stattgefunden. In der Anfangsphase bleibt die Temperatur kleiner als der Temperaturgrenzwert. Der Schalter S2 bleibt somit geschlossen. Selbst wenn der Druck am ersten Druckschalter unter den ersten Druckgrenzwert fällt (rechtes Bild), wird die Stromversorgung nicht unterbrochen. - Somit kann durch das Parallelschalten des ersten Druckschalters mit dem Temperaturschalter ein ungewolltes Abschalten der Wärmepumpenvorrichtung 10 verhindert werden.
- Die beiden Diagramme in
Fig. 3c illustrieren einen Betrieb nach der Anfangsphase der Abtauung. Die Temperatur am Temperaturschalter ist über den Temperaturgrenzwert angestiegen. Falls nun auch der Druck am ersten Druckschalter unter den Druckgrenzwert fällt, wird die Stromversorgung der Wärmepumpenvorrichtung 10 unterbrochen (rechtes Bild). - Die beiden Diagramme in
Fig. 3d illustrieren einen Kühlbetrieb. Die Temperatur am Temperaturschalter kann hier über den Temperaturgrenzwert ansteigen. Falls nun auch der Druck am ersten Druckschalter unter den Druckgrenzwert fällt, wird die Stromversorgung der Wärmepumpenvorrichtung 10 unterbrochen (rechtes Bild). Hierdurch kann ein Einfrieren des Plattenwärmeübertragers (erster Wärmeübertrager) verhindert werden. - Eine der
Fig. 3a bis 3d entsprechende Darstellung der Betriebszustände für die Ausführung der Sicherheitseinrichtung mit einem ersten Druckschalter (Niederdruckschalter) und einem zweiten Druckschalter ergibt sich durch Ersetzen des Temperaturschalters durch den zweiten Druckschalter. Statt eines Temperaturgrenzwerts wird dann ein zweiter Druckgrenzwert herangezogen und der zweite Schalter S2 öffnet, wenn der zweite Druckgrenzwert erreicht bzw. überschritten wird. - Das Ermitteln des Druckgrenzwerts kann analog zum Ermitteln des Temperaturgrenzwerts erfolgen, da Druck und Temperatur im Nassdampf- und Flüssiggebiet des Kältemittels mehr oder weniger direkt voneinander abhängen. Mit anderen Worten, der Grenzwert für den Druck kann anhand physikalischer Eigenschaften des jeweiligen Kältemittels ermittelt werden.
- Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
-
- 10
- Wärmepumpenvorrichtung
- 11
- Verdichter
- 12
- Vierwegeventil
- 13
- erster Wärmeübertrager
- 14
- Expansionsventil
- 15
- zweiter Wärmeübertrager
- S1
- erster Schalter
- S2
- zweiter Schalter
Claims (8)
- Sicherheitseinrichtung für eine reversible Wärmepumpenvorrichtung (10) mit einem Kältemittelkreislauf, der über einen ersten Wärmeübertrager (13) mit einem Wärmeträgerkreislauf (20) gekoppelt ist, wobei die Sicherheitseinrichtung umfasst:einen ersten Druckschalter zum Überwachen eines Drucks eines Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung (10),wobei der erste Druckschalter einen ersten Schalter (S1) umfasst, der konfiguriert ist zu öffnen, wenn der Druck des Kältemittels kleiner als ein erster vorgegebener Druckgrenzwert ist;einen Temperaturschalter zum Überwachen einer Temperatur des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung (10),wobei der Temperaturschalter einen zweiten Schalter (S2) umfasst, der konfiguriert ist zu öffnen, wenn die Temperatur des Kältemittels größer als ein vorgegebener Temperaturgrenzwert ist;wobei der erste Schalter (S1) parallel zum zweiten Schalter (S2) angeordnet ist, so dass eine Stromversorgung der Wärmepumpenvorrichtung (10) unterbrochen wird, falls der erste Schalter (S1) und der zweite Schalter (S2) offen sind.
- Sicherheitseinrichtung für eine reversible Wärmepumpenvorrichtung (10) mit einem Kältemittelkreislauf, der über einen ersten Wärmeübertrager (13) mit einem Wärmeträgerkreislauf (20) gekoppelt ist, wobei die Sicherheitseinrichtung umfasst:einen ersten Druckschalter zum Überwachen eines Drucks eines Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung (10),wobei der erste Druckschalter einen ersten Schalter (S1) umfasst, der konfiguriert ist zu öffnen, wenn der Druck des Kältemittels kleiner als ein erster vorgegebener Druckgrenzwert ist;einen zweiten Druckschalter zum Überwachen des Drucks des Kältemittels im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpenvorrichtung (10),wobei der zweite Druckschalter einen zweiten Schalter (S2) umfasst, der konfiguriert ist zu öffnen, wenn der Druck des Kältemittels größer als ein zweiter vorgegebener Druckgrenzwert ist;wobei der erste Schalter (S1) parallel zum zweiten Schalter (S2) angeordnet ist, so dass eine Stromversorgung der Wärmepumpenvorrichtung (10) unterbrochen wird, falls der erste Schalter (S1) und der zweite Schalter (S2) offen sind.
- Sicherheitseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Druckschalter eine automatische Rückstellungeinrichtung und/oder eine manuelle Rückstellung aufweist.
- Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Temperaturschalter eine automatische Rückstellungeinrichtung aufweist.
- Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zweite Druckschalter eine automatische Rückstellungeinrichtung aufweist.
- Reversible Wärmepumpenvorrichtung (10) zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes, wobei die Wärmepumpenvorrichtung (10) umfasst:einen Kältemittelkreislauf in dem ein Kältemittel zirkuliert;einen im Kältemittelkreislauf angeordneten Verdichter (11) zum Verdichten des Kältemittels;ein Vierwegeventil (12) zum Bewirken einer Kreislaufumkehr;einen ersten Wärmeübertrager (13) zum Koppeln des Kältemittelkreislaufs mit einem Wärmeträgerkreislauf (20), in dem ein Wärmeträgermedium zirkuliert;ein Expansionsventil (14) im Kältemittelkreislauf zum Entspannen des Kältemittels;einen zweiten Wärmeübertrager (15) zum Übertragen von Wärme eines Umgebungsmediums auf das Kältemittel oder umgekehrt; undeine Sicherheitseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
- Wärmepumpenvorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei
der Temperaturschalter oder der zweite Druckschalter zwischen dem Expansionsventil (14) und dem zweiten Wärmeübertrager (15) angeordnet ist. - Wärmepumpenvorrichtung (10) nach Anspruch 6 oder 7, wobeider erste Wärmeübertrager (13) ein Plattenwärmeübertrager ist; undder erste Druckschalter zwischen dem ersten Wärmeübertrager (13) und dem Expansionsventil (14) angeordnet ist
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