WO2023170218A1 - Verfahren zum betreiben eines wärmeerzeugers - Google Patents

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WO2023170218A1
WO2023170218A1 PCT/EP2023/056033 EP2023056033W WO2023170218A1 WO 2023170218 A1 WO2023170218 A1 WO 2023170218A1 EP 2023056033 W EP2023056033 W EP 2023056033W WO 2023170218 A1 WO2023170218 A1 WO 2023170218A1
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heat
heating
temperature
heat pump
heating circuit
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PCT/EP2023/056033
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Arno EGGERT
Markus Neumeier
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Viessmann Climate Solutions Se
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    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/12—Heat pump

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a heat generator.
  • a thermal mass of a hydraulic circuit should be determined in order to provide an amount of heat required to defrost a heat pump.
  • Modern heat pumps are characterized by their high efficiency and can therefore be used particularly attractively from an ecological and economic point of view for heating and/or cooling a building.
  • heating with environmental heat is climate-friendly.
  • energy suppliers have been offering special heat pump tariffs for several years that are financially more attractive than a normal electricity tariff.
  • a generic heat pump has a circuit for a refrigerant.
  • the refrigerant absorbs heat from the environment.
  • a layer of frost and/or ice can form on the heat pump's evaporator, which can hinder the heat transfer to the evaporator and thus impair the efficiency of the heat pump.
  • the ice layer then usually has to be removed through a defrosting process.
  • the German patent application DE 10 2018 102 670 A1 describes a heat pump 1 with an integrated buffer storage 3, which is shown schematically in Fig. 1.
  • the heat pump system 10 shown in FIG. In a first operating mode, referred to as normal operation or heating operation, ambient heat is transferred from the heat pump 1 to the heat sink 2.
  • the buffer storage 3 can be loaded with heat in a second operating mode known as buffer loading mode.
  • the buffer storage 3 stores heat for defrosting the heat pump 1 and is therefore also referred to as a defrost buffer.
  • defrosting mode heat is transferred from the buffer storage 3 to the heat pump 1 for defrosting.
  • the refrigerant circuit of the heat pump 1 is operated in reverse operation.
  • the heat pump system 10 has a heat exchanger 6 that works as a condenser and has a heating circuit medium flowing through it.
  • An output 3.2 of the buffer storage 3 is connected upstream of an input 6.2 of the heat exchanger 6 as seen in the flow direction of the heating circuit medium.
  • the heating circuit medium flows via a return line RL from the heat sink 2 or from the output 3.2 of the buffer storage 3 in the direction of the heat pump 1, which is indicated in FIG. 1 by an arrow pointing to the left. Accordingly, the heating circuit medium flows via a flow VL from the heat pump to the heat sink 2 or to the input 3.1 of the buffer storage 3, which is indicated in FIG. 1 by an arrow pointing to the right.
  • the heat pump system 10 shown in FIG. 1 consists of two interconnected system parts, one of which is arranged in the building and one outside the building. Such a configuration is also known as a split heat pump.
  • the two parts of the system are usually referred to as the outdoor unit (ODU) and the indoor unit (IDU).
  • the refrigerant circulates between the ODU outdoor unit and the IDU indoor unit.
  • the buffer memory 3 is also arranged in the indoor unit IDU.
  • a heating circuit pump 7 for circulating the heating circuit medium is arranged between the input 6.2 of the heat exchanger 6 on the return RL and the buffer storage s. Furthermore, a temperature sensor 11 for measuring the return temperature of the heating circuit medium is arranged in the return RL.
  • the refrigerant of the heat pump 1 absorbs ambient heat at a comparatively low temperature level via the outdoor unit ODU (the evaporator 5 with fan 8 is shown schematically in FIG. 1).
  • the refrigerant is then transported via a compressor 9.1 to the heat exchanger 6, which works as a condenser, in order to release the heat to the heating circuit medium.
  • the refrigerant is then expanded in a known manner via an expansion valve 9.2 before it returns to the evaporator 5.
  • the heating circuit medium From the heat exchanger 6, the heating circuit medium first reaches a valve 4 via the flow VL, which is designed, for example, as a 4/3-way valve. Depending on requirements, the heating circuit medium is then directed to the heating circuit 2.1 with the radiators 2.3 and/or to the hot water tank 2.2. The cooled heating circuit medium returns to the heat exchanger 6 via the return RL through the inlet 6.2 to close the circuit.
  • VL which is designed, for example, as a 4/3-way valve.
  • the heating circuit medium is then directed to the heating circuit 2.1 with the radiators 2.3 and/or to the hot water tank 2.2.
  • the cooled heating circuit medium returns to the heat exchanger 6 via the return RL through the inlet 6.2 to close the circuit.
  • the evaporator of the outdoor unit ODU of such a heat pump system 10 tends to ice up under appropriate weather conditions, it is necessary to defrost it every now and then. This is done by reversing the heat pump cycle, i.e. H. the evaporator 5 is now operated as a condenser and the heat exchanger 6 as an evaporator.
  • the heat required for the defrosting process is not withdrawn from the heat sink 2, but is provided by the buffer storage 3 provided for this purpose.
  • the heat for the defrosting process can be supplied to the buffer storage 3 during normal operation or alternatively only during buffer loading operation become.
  • the buffer storage 3 serves as a heat source for defrosting the evaporator 5, which then works as a condenser.
  • the buffer storage 3 can be arranged very close to the heat exchanger 6, so that the amount of heat held for the defrosting process depends mainly on the volume of the buffer storage 3.
  • the buffer storage 3 can be arranged comparatively far away from the heat exchanger 6, so that the volume of the lines between the buffer storage 3 and the heat exchanger 6 as well as the heat capacity of the lines themselves and of internals, such as sensors, valves and the like are in thermal exchange with the heating circuit medium and cannot be neglected.
  • the present invention is therefore based on the object of overcoming the problems known in the prior art and of specifying a method for operating a heat generator that is improved compared to the prior art. Furthermore, a heating system that is improved compared to the prior art should be provided.
  • a heating system has a heat generator or a plurality of heat generators.
  • a preferred embodiment of the heating system includes a heat pump as a heat generator, whereby the heat pump can also be the load at the same time.
  • the heat pump's refrigerant circuit can be viewed as a load.
  • the concept of burden generally refers to a heat sink. In the example of the heat pump as a load, it absorbs heat during a defrosting process and can therefore be operated as a load or heat sink.
  • the heating system can have at least one additional heat generator.
  • additional heat generators include a gas condensing boiler, an oil boiler, a combined heat and power plant, a fuel cell, a solar heater or other devices that can provide heat to the heating circuit medium.
  • the additional heat generator can also be referred to as an external heat generator because it is not part of the heat pump.
  • the heat pump can have an electric heat generator such as a heating element as an auxiliary heat generator, for example in the event that the heat pump cannot generate sufficient heat at low outside temperatures.
  • a heat pump with an additional electrical heating element is described, for example, in DE 699 25389 T2. If the outside temperature is below a limit value, the additional electrical heating element is activated to heat supply air to the heat pump.
  • the auxiliary heat generator can heat the heating circuit medium and/or the coolant directly.
  • a heating system according to the invention is preferably used to heat a building.
  • the heating system can have a heating circuit with a large number of radiators and/or underfloor heating and/or a heat storage as a heat sink.
  • control device of the heating system which in particular regulates and/or controls the heat generator and/or other components of the heating system, for example one or more valves.
  • functions of the Control devices can be carried out in whole or in part by a geographically remote device, for example a cloud or a server.
  • a local control device of the heating system can be connected to a network, for example the Internet, via a suitable interface.
  • the at least one heat generator heats the fluid heating circuit medium that circulates in a hydraulic circuit.
  • Water in particular can be used as the heating circuit medium.
  • the hydraulic circuit includes lines for the heating circuit medium and connects a load, a buffer storage and the heat generator.
  • the heating circuit medium can preferably also be supplied to the heating circuit via a valve.
  • Hydraulic lines that are part of the heat sink of the heating system are preferably not part of the hydraulic circuit under consideration.
  • the heating circuit medium in the hydraulic circuit as well as the associated lines and thermal losses, etc. form a total thermal mass of the hydraulic circuit. This total thermal mass of the circuit can be determined using the present method, so that a predetermined target amount of heat Q S0 H can be introduced into the hydraulic circuit as efficiently as possible.
  • the target heat quantity Q S0 n can be used in particular to remove frost or ice from an evaporator of a heat pump during a defrosting process.
  • the target heat quantity Q S0 H can depend in particular on the type and size of the load on the heat pump, as well as on an outside temperature.
  • a temperature lift AT is first determined as the difference between a first actual temperature TI of the heating circuit medium at a first time tl and a second actual temperature T2 of the heating circuit medium at a second time t2, which is at a predetermined period At after the first time tl is determined.
  • the temperature swing AT results from the following equation:
  • the amount of heat Q introduced into the hydraulic circuit by the heat generator during the period At is recorded . This can be done, for example, by integrating the applied heating power over the period At. It should be noted that more than one heat generator can be used to introduce heat into the hydraulic circuit. In this case, the sum of the integrated heating outputs is used below as the amount of heat Q introduced.
  • the desired total thermal mass of the hydraulic circuit results from the quotient of the amount of heat Q introduced and the temperature swing AT:
  • n denotes the total mass of the hydraulic circuit including heating circuit medium, lines and installations.
  • c denotes the total heat capacity.
  • the product (m ⁇ c)tot denotes the total thermal mass of the hydraulic circuit.
  • a heating circuit is separated from the supply of heating circuit medium before carrying out the process.
  • a controllable valve can be arranged in the heating system.
  • a target temperature T so n of the heating circuit medium can be calculated based on the target heat quantity Qsoii using the following equation:
  • Tmin represents a specified minimum temperature of the heating circuit medium.
  • the minimum temperature T m in can be specified in particular depending on the operating mode.
  • the minimum temperature T m in in heating mode can be approximately 5°C.
  • An increased minimum temperature Tmin of, for example, approx. 35°C can be specified for defrosting operation.
  • the minimum temperature Tmin for the defrosting mode can in particular ensure that the heat exchanger working as an evaporator in the defrosting mode does not freeze.
  • the minimum temperature Tmin also serves as the zero level for determining the target temperature T so ii of the heating circuit medium. If the amount of heat required for defrosting is determined with sufficient precision and then released during defrosting, in the most energy-efficient case, exactly the zero level of the minimum temperature Tmin can be reached after defrosting.
  • the minimum temperature Tmin can in particular be a default value provided by the heat pump.
  • the heat generator is operated depending on the determined target temperature T S0 n. This can mean, for example, that the heat generator is operated with maximum heating output until the actual temperature of the heating circuit medium is equal to or greater than the target temperature T S0 n.
  • the actual temperature of the heating circuit medium is preferably measured between the buffer tank and the load.
  • the temperature sensor is preferably arranged between the buffer storage and the load, i.e. in the return line. With such an arrangement, the measured temperature is also referred to as the return temperature.
  • the load is a refrigerant circuit of a heat pump.
  • the heat exchanger of the heat pump functions as an evaporator in reverse operation.
  • the heat flows from the buffer storage tank via the return line to the heat pump.
  • the heat from the heating circuit medium is transferred to the refrigerant via the condenser of the refrigeration circuit, which operates as an evaporator, and can then heat the evaporator of the heat pump, which operates as a condenser during defrosting, so that ice or frost formed on it defrosts.
  • the buffer storage is loaded until a current actual temperature of the heating circuit medium is equal to or greater than the target temperature T S0 n. Since the actual temperature is preferably measured downstream of the buffer storage, i.e. in the return line, the measured temperature can be used Actual temperature can be inferred from the storage temperature of the buffer storage. In preferred embodiments, at least one additional temperature sensor can be arranged in the buffer storage, which measures the storage temperature.
  • a predetermined state of charge of the buffer storage can be reached, for example, when the buffer storage or the heating circuit medium has reached the target temperature T S0 n at the temperature sensor.
  • the circuit As soon as the target temperature T S0 n in the heating circuit medium is reached, the circuit has the specified target heat quantity Q S0 H. Accordingly, a defrosting process can then be carried out to defrost the evaporator of the heat pump.
  • the specified target heat quantity Q S0 n can preferably be determined depending on an outside temperature and a heat pump device type.
  • the outside temperature can, for example, be measured by an outside temperature sensor or received by the control device of the heating system.
  • the heat generator is operated with maximum heating output when loading the buffer storage until the actual temperature of the heating circuit medium is equal to or greater than the target temperature T S0 H.
  • a heating output that is required to reach the target temperature T S0 n can preferably be determined in advance. If the required heating output is greater than the maximum heating output of the heat generator, a second heat generator can also be operated to heat the heating circuit medium.
  • the control device can preferably have an interface.
  • the interface of the control device for issuing messages to a user or operator of the heating system can generally be understood as a human-machine interface (HMI), via which the Users or operators can preferably also make entries.
  • 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. In particular, access to data in the cloud or on the server can be made possible via an Internet browser, whereby control-related interventions can also be made possible.
  • the heat pump can be operated in a first operating state as a heat generator for heating the building.
  • the first operating state corresponds to normal operation or heating operation of the heat pump.
  • a user or operator can put the heat pump into the first operating state via the interface.
  • the heat pump can be operated in a second operating state for defrosting the heat pump. The methods described here are carried out in particular when the heat pump is operated in the second operating state for defrosting the heat pump.
  • Figure 1 illustrates a generic heat pump system
  • Figure 2 illustrates a heat pump system according to a first
  • Figure 3 illustrates a heat pump system according to a second
  • Figure 4 shows a diagram that describes a dependence of the defrosting energy on the outside temperature.
  • Fig. 2 illustrates an exemplary embodiment of a heating system 10 according to the invention for a building.
  • the heating system 10 according to the invention is constructed similarly to the known heat pump system 10 of FIG. 1.
  • the same reference numbers indicate the same or similar components here.
  • the heating system 10 of FIG. 2 includes a heat pump 1, which is designed as a monoblock heat pump.
  • the individual components of the heat pump 1 such as the evaporator 5, the refrigerant circuit and the heat exchanger 6 are arranged in the outdoor unit ODU of the heat pump 1 and are not shown in Fig. 2.
  • the heating system 10 can in particular be operated in one of three operating modes.
  • a first operating mode is normal operation or heating operation, in which the heat pump 1 provides heat for the heat sink 2.
  • a second operating mode is buffer charging mode, in which the heat pump 1 supplies heat Loading the buffer memory 3 provides.
  • a third operating mode is defrosting mode, in which the heat pump 1 is operated in reverse mode for defrosting and absorbs the heat stored in the buffer storage 3.
  • the buffer storage 3 can also be loaded in parallel to the heating operation. This can also be seen as a fourth operating mode, in which the heat pump 1 is preferably operated with maximum heating output.
  • the length of the flow line VL and the return line RL between the buffer storage 3 and the heat pump 1 can be approximately 2 meters to 25 meters, preferably approximately 6 meters to approximately 20 meters, in typical arrangements of monoblock heat pumps outside of buildings. Note that the length of the lines in Fig. 2 is not shown to scale.
  • the capacity of the buffer storage 3, which is preferably used exclusively to store heat for the defrosting process, is approximately 10 liters to approximately 20 liters. Due to the total length of the lines between buffer 3 and heat exchanger 6 of the heat pump 1 of approximately 4 meters to approximately 50 meters, preferably from approximately 12 meters to approximately 40 meters, the thermal mass of the heating circuit medium in the lines as well as the thermal The mass of the lines and the internals themselves should not be neglected compared to the volume of the buffer 3. The total thermal mass of the hydraulic circuit can also include heat losses that cannot be precisely quantified a priori.
  • the heating system 10 is operated in an operating state for defrosting the heat pump 1, the hydraulic circuit including the buffer storage 3 is first loaded with the required target amount of heat Q S0 H. To do this, in a first step, the heat sink 2 with the heating circuit 2.1 and the hot water tank 2.2 can be separated from the hydraulic circuit via the valve 4.
  • a first return temperature TI of the heating circuit medium is recorded at a first time tl.
  • a second return temperature T2 of the heating circuit medium is recorded at a second time t2.
  • the predetermined period At can be, for example, 60 to 600 seconds, preferably 60 to 180 seconds. More preferably, the predetermined period At is approximately 120 seconds.
  • a return temperature sensor 11 is arranged in the return RL between the buffer tank 3 and the heat pump 1.
  • further temperature sensors can be arranged in the heating system 10 (not shown), for example in the buffer storage 3 and/or in the flow VL.
  • a temperature swing AT is then calculated using equation (1) as the difference between the second return temperature T2 and the first return temperature Tl.
  • a target temperature T S0 n of the heating circuit medium can then be calculated using equations (2) and (3).
  • the target temperature T S0 n is preferably determined again before each defrosting process or at the beginning of each loading process of the buffer storage 3.
  • the heat losses of the hydraulic circuit can change depending on the outside temperature, so that the total thermal mass can also change.
  • the heating system 10 of FIG. 2 includes the heat pump 1 itself as the only heat generator. This means that the heat pump 1 generates the heat when the buffer storage 3 is loaded. In the defrosting process, however, the heat pump 1 is the load to which the heat is transferred from the buffer storage 3 or from the entire hydraulic circuit. Thus, when loading the buffer storage 3, the heat pump 1 first generates the heat, which is later used to defrost the heat pump 1.
  • the heat pump 1 can have an additional auxiliary heat generator, for example an internal electric heating element (not shown), which can also be arranged in the outdoor unit ODU.
  • an additional auxiliary heat generator for example an internal electric heating element (not shown), which can also be arranged in the outdoor unit ODU.
  • the process of loading the buffer storage 3 is completed when the measured return temperature is equal to or greater than the calculated target temperature T S0 n.
  • a limit value can also be set that is 1 or 2 K above the target temperature T S0 n. As soon as the limit value is reached, the defrosting process can be started.
  • the heating system 10 of the second exemplary embodiment comprises, in addition to the heat pump 1, at least one second heat generator 12.
  • the second heat generator 12 can, for example, be an external peak load boiler that is operated with gas as fuel.
  • Alternative examples of the second heat generator 12 include a gas condensing boiler, an oil boiler, a combined heat and power plant, a fuel cell, a solar heater or other devices that can provide heat to the heating medium.
  • the additional heat generator can also be referred to as an external heat generator because it is not an internal component of the heat pump.
  • the second heat generator 12 can be an electrical heat generator such as a heating element or the like.
  • two additional heat generators 12 can also be provided in the heating system 10.
  • the second heat generator 12 can be used when loading the buffer storage 3 to provide additional heat in the event that the heat pump 1 alone cannot provide sufficient heat to achieve the predetermined target temperature T S0 n. During the defrosting process, the second heat generator 12 can thus support the loading of the buffer storage 3 with heat.
  • the second heat generator 12 can be controlled to provide additional heat.
  • the second heat generator 12 can be operated, for example, with a predetermined heating output, preferably with maximum heating output.
  • the heating output of the second heat generator 12 can be calculated or specified depending on a predetermined loading time of the buffer storage 3.
  • the second heat generator 12 is operated with a minimally necessary heating output.
  • a slope of a temperature development of the buffer storage 3 can be specified.
  • the actually occurring rise in temperature can be measured when loading the buffer storage 3 and compared with the target rise. If the measured gradient is lower than the specified gradient, the second heat generator 12 can be switched on accordingly.
  • Reaching the limit value or the target temperature T S0 n can be checked, for example, after a predetermined period of time has elapsed.
  • the heating power required to reach the limit value or the target temperature T S0 n can be calculated in advance, so that this heating power can be applied for a calculated period of time.
  • the applied heating power dQzu/dt can be known, for example, as a default value of the heat pump 1 and/or the second heat generator 12. In this case, knowledge of the fluid used as the heating circuit medium is not necessary.
  • the applied heating output dQ to /dt can be calculated based on the mass of the heating circuit medium.
  • the thermodynamic properties such as the density and heat capacity of the fluid used as the heating circuit medium, must be known.
  • water is used as the heating circuit medium.
  • the mass flow dm/dt can be determined using a flow meter 13, which is arranged in the flow upstream of the second heat generator 12.
  • the temperature difference AT* is determined as the difference between the return temperature measured by the temperature sensor 11 and a temperature measured by a second temperature sensor 11, which is located upstream of the valve 4.
  • the thermal output dQ introduced into the heating circuit medium can be calculated as /dt based on the total thermal mass.
  • Fig. 4 shows a diagram that describes a dependence of the defrosting energy on the outside temperature.
  • the defrosting energy is the amount of heat required to defrost the evaporator 5 and corresponds to the target amount of heat Q SO H. Based on Fig. 4 it can be seen that the defrosting energy Qsoii required for defrosting increases as the outside temperature decreases. For example, at an outside temperature TI, a defrosting energy Ql is required that is higher than the defrosting energy Q2 at an outside temperature T2 > TI.
  • Fig. 4 is just an example of how the amount of heat can depend on the outside temperature.
  • the amount of heat can, for example, also depend on the humidity, the location of the ODU, the wind speed, etc.
  • the functional relationship can therefore also look different than in FIG. 4 and in particular does not have to be a straight line.
  • the target heat quantity Q S0 H can depend on the device type of the heat pump 1.
  • the defrosting energy or target heat quantity Q S0 H can be dependent on the dimensions of the components of the heat pump, in particular the evaporator 5, the heat exchanger 6 and/or the refrigerant circuit and the like.
  • the target heat quantity Q so n can be dependent on the heat capacity or on the total thermal mass of the refrigerant or the refrigerant circuit.
  • the magnitude of the target amount of heat Q S0 H can, for example, be in the range of a few megajoules.

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Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers (1, 12) umfasst Vorgeben einer Sollwärmemenge Qsoll in einem hydraulischen Kreislauf; Erfassen einer ersten Isttemperatur T1 eines Heizkreismediums im Kreislauf; Erfassen einer zweiten Isttemperatur T2 zu einem zweiten Zeitpunkt t2, Ermitteln eines Temperaturhubs ΔT als Differenz zwischen zweiter Isttemperatur T2 und erster Isttemperatur T1; Erfassen einer in den hydraulischen Kreislauf eingebrachten Wärmemenge Qzu; Ermitteln einer Solltemperatur Tsoll des Heizkreismediums in Abhängigkeit der Sollwärmemenge Qsoll, des Temperaturhubs ΔT und der eingebrachten Wärmemenge Qzu; und Betreiben des Wärmeerzeugers (1, 12) in Abhängigkeit der ermittelten Solltemperatur Tsoll.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers. Insbesondere soll dabei eine thermische Masse eines hydraulischen Kreislaufs ermittelt werden, um eine zum Abtauen einer Wärmepumpe benötigte Wärmemenge bereitzustellen.
Moderne Wärmepumpen zeichnen sich durch ihren 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. An einem Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Begünstigt durch tiefe Außentemperaturen ab ca. 7 bis 10°C abwärts kann sich am Verdampfer der Wärmepumpe eine Reif- und/oder Eisschicht bilden, die den Wärmeübertrag am Verdampfer behindern und somit die Effizienz der Wärmepumpe beeinträchtigen kann. Die Eisschicht muss dann in der Regel durch einen Abtauprozess entfernt werden.
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 102 670 Al beschreibt eine Wärmepumpe 1 mit einem integrierten Pufferspeicher 3, welche in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpenanlage 10 besteht in bekannter Weise zunächst aus einer Wärmepumpe 1 und einer Wärmesenke 2. Als Wärmesenke 2 sind in Fig. 1 beispielhaft ein Heizkreis 2.1 mit einer Vielzahl von Heizkörpern 2.3 als auch ein Warmwasserspeicher 2.2 dargestellt. In einer ersten, als Normalbetrieb oder Heizbetrieb bezeichneten Betriebsart wird Umgebungswärme von der Wärmepumpe 1 an die Wärmesenke 2 übertragen. Zusätzlich kann der Pufferspeicher 3 in einer zweiten, als Pufferladebetrieb bezeichneten Betriebsart mit Wärme beladen werden. Der Pufferspeicher 3 speichert Wärme zum Abtauen der Wärmepumpe 1 und wird daher auch als Abtaupuffer bezeichnet. In einer dritten, als Abtaubetrieb bezeichneten Betriebsart wird Wärme aus dem Pufferspeicher 3 zum Abtauen an die Wärmepumpe 1 übertragen. Hierbei wird der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 1 im Umkehrbetrieb betrieben.
Die Wärmepumpenanlage 10 weist einen als Kondensator arbeitenden und von einem Heizkreismedium durchströmten Wärmetauscher 6 auf. Ein Ausgang 3.2 des Pufferspeichers 3 ist in Strömungsrichtung des Heizkreismediums gesehen einem Eingang 6.2 des Wärmetauschers 6 vorgeschaltet. Das Heizkreismedium fließt über einen Rücklauf RL von der Wärmesenke 2 bzw. vom Ausgang 3.2 des Pufferspeichers 3 in Richtung Wärmepumpe 1, was in Fig. 1 durch einen nach links zeigenden Pfeil angedeutet ist. Entsprechend fließt das Heizkreismedium über einen Vorlauf VL von der Wärmepumpe zur Wärmesenke 2 bzw. zum Eingang 3.1 des Pufferspeichers 3, was in Fig. 1 durch einen nach rechts zeigenden Pfeil angedeutet ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpenanlage 10 besteht aus zwei miteinander verbundenen Anlagenteilen, von denen einer im Gebäude und einer außerhalb des Gebäudes angeordnet ist. Eine solche Konfiguration wird auch als Split- Wärmepumpe bezeichnet. Die beiden Anlagenteile werden üblicherweise als Außeneinheit („Outdoorunit“, ODU) und Inneneinheit („Indoorunit“, IDU) bezeichnet. Zwischen Außeneinheit ODU und Inneneinheit IDU zirkuliert hier das Kältemittel. Der Pufferspeicher 3 ist bei dieser Ausführung ebenfalls in der Inneneinheit IDU an geordnet. Zwischen dem Eingang 6.2 des Wärmetauschers 6 am Rücklauf RL und dem Pufferspeicher s ist eine Heizkreispumpe 7 zum Umwälzen des Heizkreismediums angeordnet. Ferner ist im Rücklauf RL ein Temperatursensor 11 zum Messen der Rücklauftemperatur des Heizkreismediums angeordnet.
Im Normalbetrieb sowie im Pufferladebetrieb nimmt das Kältemittel der Wärmepumpe 1 über die Außeneinheit ODU (in Fig. 1 ist schematisch der Verdampfer 5 mit Ventilator 8 dargestellt) Umgebungswärme auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau auf. Das Kältemittel wird dann über einen Verdichter 9.1 zum als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher 6 transportiert, um dort die Wärme an das Heizkreismedium abzugeben. Das Kältemittel wird dann in bekannter Weise über ein Expansionsventil 9.2 entspannt, bevor es zum Verdampfer 5 zurück gelangt.
Vom Wärmetauscher 6 gelangt das Heizkreismedium dabei zunächst über den Vorlauf VL zu einem Ventil 4, das beispielsweise als 4/3-Wegenventil ausgeführt ist. Je nach Bedarf wird dann das Heizkreismedium zum Heizkreis 2.1 mit den Heizkörpern 2.3 und/oder zum Warmwasserspeicher 2.2 geleitet. Über den Rücklauf RL gelangt das abgekühlte Heizkreismedium durch den Eingang 6.2 in den Wärmetauscher 6 zurück, um den Kreislauf zu schließen.
Da der Verdampfer der Außeneinheit ODU einer solchen Wärmepumpenanlage 10 bei entsprechenden Witterungsbedingungen zum Vereisen neigt, ist es hin und wieder erforderlich, diese abzutauen. Dies geschieht durch Umkehren des Wärmepumpenkreislaufs, d. h. der Verdampfer 5 wird nun als Kondensator und der Wärmetauscher 6 als Verdampfer betrieben.
Die für den Abtauprozess benötigte Wärme wird dabei nicht der Wärmesenke 2 entzogen, sondern wird durch den dafür vorgesehenen Pufferspeicher 3 bereitgestellt. Die Wärme für den Abtauprozess kann dem Pufferspeicher 3 bereits während des Normalbetriebs oder alternativ nur beim Pufferladebetrieb zugeführt werden. Der Pufferspeicher 3 dient im Abtaubetrieb als Wärmequelle zum Abtauen des dann als Kondensator arbeitenden Verdampfers 5.
Bei der beschriebenen Ausführung der Wärmepumpe 1 mit einer Außeneinheit ODU und einer Inneneinheit IDU kann der Pufferspeicher 3 sehr nah am Wärmetauscher 6 angeordnet sein, so dass die für den Abtauprozess vorgehaltene Wärmemenge hauptsächlich vom Volumen des Pufferspeichers 3 abhängt. Bei einer Monoblock- Wärmepumpe kann der Pufferspeicher 3 jedoch vergleichsweise weit vom Wärmetauscher 6 entfernt angeordnet sein, so dass das Volumen der Leitungen zwischen Pufferspeicher 3 und Wärmetauscher 6 sowie die Wärmekapazität der Leitungen selbst und von Einbauten, wie z.B. Sensoren, Ventile und dergleichen, die im thermischen Austausch mit dem Heizkreismedium stehen, nicht vernachlässigbar sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers anzugeben. Ferner soll ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Heizungssystem bereitgestellt werden.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers nach Anspruch 1 sowie durch ein Heizungssystem nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der angehängten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Ein erfindungsgemäßes Heizungssystem weist einen Wärmeerzeuger oder eine Vielzahl von Wärmeerzeugern auf. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Heizungssystems umfasst eine Wärmepumpe als Wärmeerzeuger, wobei die Wärmepumpe auch gleichzeitig die Last sein kann. Insbesondere kann der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe als Last angesehen werden. Der Begriff Last bezeichnet allgemein eine Wärmesenke. Im Beispiel der Wärmepumpe als Last nimmt diese bei einem Abtauprozess Wärme auf und kann somit als Last bzw. Wärmesenke betrieben werden.
Zusätzlich zur Wärmepumpe kann das Heizungssystem mindestens einen weiteren Wärmeerzeuger aufweisen. Beispiele für den weiteren Wärmeerzeuger umfassen einen Gasbrennwertkessel, einen Ölkessel, ein Blockheizkraftwerk, eine Brennstoffzelle, eine Solartherme oder andere Vorrichtungen, die Wärme an das Heizkreismedium bereitstellen können. Der weitere Wärmeerzeuger kann auch als externer Wärmeerzeuger bezeichnet werden, da er kein Bestandteil der Wärmepumpe ist.
Ferner kann die Wärmepumpe einen elektrischen Wärmeerzeuger wie z.B. einen Heizstab als Hilfswärmeerzeuger aufweisen, z.B. für den Fall, dass die Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen nicht ausreichend Wärme erzeugen kann. Eine Wärmepumpe mit zusätzlichem elektrischem Heizelement wird beispielsweise in der DE 699 25389 T2 beschrieben. Liegt die Außentemperatur unter einem Grenzwert wird hier das zusätzliche elektrische Heizelement aktiviert, um eine Zuführluft der Wärmepumpe zu erwärmen. In alternativen Ausführungen kann der Hilfswärmeerzeuger das Heizkreismedium und/oder das Kältemittel direkt erhitzen.
Ein erfindungsgemäßes Heizungssystem dient vorzugsweise zum Heizen eines Gebäudes. Das Heizungssystem kann als Wärmesenke einen Heizkreis mit einer Vielzahl Heizkörpern und/oder eine Fußbodenheizung und/oder einen Wärmespeicher aufweisen.
Die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte können vorzugsweise von einer Regeleinrichtung des Heizungssystems ausgeführt werden, welche insbesondere den Wärmeerzeuger und/oder andere Bestandteile des Heizungssystems, beispielsweise ein oder mehrere Ventile regelt und/oder steuert. Funktionen der Regeleinrichtung können ganz oder teilweise durch eine geographisch entfernte Einrichtung, beispielsweise eine Cloud oder einen Server ausgeführt werden. Hierzu kann eine lokale Regeleinrichtung des Heizungssystems über eine geeignete Schnittstelle mit einem Netzwerk, beispielsweise dem Internet verbunden sein.
Der mindestens eine Wärmeerzeuger erhitzt das fluide Heizkreismedium, das in einem hydraulischen Kreislauf zirkuliert. Als Heizkreismedium kann insbesondere Wasser verwendet werden. Der hydraulische Kreislauf umfasst Leitungen für das Heizkreismedium und verbindet eine Last, einen Pufferspeicher und den Wärmeerzeuger. Über ein Ventil kann das Heizkreismedium vorzugsweise auch dem Heizkreis zugeführt werden.
Hydraulische Leitungen, die zur Wärmesenke des Heizungssystems gehören, sind vorzugsweise kein Bestandteil des betrachteten hydraulischen Kreislaufs. Das Heizkreismedium im hydraulischen Kreislauf sowie die dazugehörigen Leitungen und thermische Verluste, usw. bilden eine thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs. Durch das vorliegende Verfahren kann diese thermische Gesamtmasse des Kreislaufs bestimmt werden, so dass eine vorgegebene Sollwärmemenge QS0H möglichst effizient in den hydraulischen Kreislauf eingebracht werden kann.
Die Sollwärmemenge QS0n kann gemäß einer bevorzugten Ausführung insbesondere dazu dienen, einen Verdampfer einer Wärmepumpe bei einem Abtauvorgang von Bereifung bzw. Eis zu befreien. Die Sollwärmemenge QS0H kann insbesondere von der Art und Größe der Last der Wärmepumpe, sowie von einer Außentemperatur abhängig sein.
Um die thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs zu bestimmen, wird zunächst ein Temperaturhub AT als Differenz zwischen einer ersten Isttemperatur TI des Heizkreismediums zu einem ersten Zeitpunkt tl und einer zweiten Isttemperatur T2 des Heizkreismediums zu einem zweiten Zeitpunkt t2, der um einen vorgegebenen Zeitraum At nach dem ersten Zeitpunkt tl liegt, ermittelt. Der Temperaturhub AT ergibt sich somit aus folgender Gleichung:
AT = T2 - Tl (1)
Ferner wird die während dem Zeitraum At vom Wärmeerzeuger in den hydraulischen Kreislauf eingebrachte Wärmemenge Qzu erfasst. Dies kann beispielsweise durch Integrieren der anliegenden Heizleistung über den Zeitraum At erfolgen. Hierbei ist zu beachten, dass mehr als ein Wärmeerzeuger verwendet werden kann, um Wärme in den hydraulischen Kreislauf einzubringen. In diesem Fall wird im Folgenden die Summe der integrierten Heizleistungen als eingebrachte Wärmemenge Qzu verwendet.
Die gesuchte thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs ergibt sich als Quotient aus der eingebrachten Wärmemenge Qzu und dem Temperaturhub AT:
(m ■ c)tot = QZu / AT (2)
Hierbei bezeichnet m die Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs einschließlich Heizkreismedium, Leitungen und Einbauten. Ferner bezeichnet c die gesamte Wärmekapazität. Das Produkt (m ■ c)tot bezeichnet die thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs.
Damit sich die eingebrachte Wärmemenge Qzu nur auf den hydraulischen Kreislauf bezieht, wird vorm Durchführen des Verfahrens ein Heizkreis von der Versorgung mit dem Heizkreismedium getrennt. Hierzu kann ein steuerbares Ventil im Heizungssystem angeordnet sein.
Bei der eingangs beschriebenen Wärmepumpenanlage gemäß dem Stand der Technik, die in Fig. 1 dargestellt ist, können Leitungen, Behälter und dergleichen beim Berechnen der thermischen Gesamtmasse vernachlässigt werden, da hier im Wesentlichen nur das Volumen des Pufferspeichers 3 ausschlaggebend ist. Bei vergleichsweise langen Leitungen zwischen Pufferspeicher s und Wärmetauscher 6 muss jedoch auch das darin enthaltene Volumen des Heizkreismediums sowie die Wärmekapazität der Leitungen selbst berücksichtigt werden. Da es insbesondere schwierig ist, den Beitrag von Leitungen, Einbauten und dergleichen analytisch zu bestimmen, kann durch Ermitteln des Temperaturhubs AT und Vergleichen mit der eingebrachten Wärmemenge Qzu eine relativ genaue Messung der thermischen Gesamtmasse durchgeführt werden, ohne genaue Kenntnis der Anlagenkonfiguration zu haben. Durch das hier beschriebene Verfahren kann somit durch Messen der Temperatur des Heizkreismediums die thermische Gesamtmasse des gesamten betrachteten Kreislaufs ermittelt werden.
Mit den oben ermittelten Größen kann anhand der folgenden Gleichung eine Solltemperatur Tson des Heizkreismediums in Abhängigkeit der Sollwärmemenge Qsoii berechnet werden:
Tsoll — Qsoll / (m ■ C)tot + Tmin (3)
Hierbei repräsentiert Tmin eine vorgegebene Mindesttemperatur des Heizkreismediums.
Die Mindesttemperatur Tmin kann insbesondere in Abhängigkeit der Betriebsart vorgegeben werden. Beispielsweise kann die Mindesttemperatur Tmin im Heizbetrieb bei ca. 5°C liegen. Für den Abtaubetrieb kann eine erhöhte Mindesttemperatur Tmin von beispielsweise ca. 35°C vorgegeben werden. Die Mindesttemperatur Tmin für den Abtaubetrieb kann insbesondere sicherstellen, dass der als Verdampfer im Abtaubetrieb arbeitende Wärmetauscher nicht einfriert. In Gleichung (3) dient die Mindesttemperatur Tmin zudem als Nullniveau zum Bestimmen der Solltemperatur Tsoii des Heizkreismediums. Wird die zum Abtauen notwendige Wärmemenge hinreichend exakt bestimmt und dann beim Abtaubetrieb abgegeben, kann im energieeffizientesten Fall nach dem Abtauen genau das Nullniveau der Mindesttemperatur Tmin erreicht werden. Die Mindesttemperatur Tmin kann insbesondere ein Vorgabewert sein, der von der Wärmepumpe bereitgestellt wird.
Gemäß dem Verfahren wird der Wärmeerzeuger in Abhängigkeit der ermittelten Solltemperatur TS0n betrieben. Das kann beispielsweise bedeuten, dass der Wärmeerzeuger mit maximaler Heizleistung betrieben wird, bis die Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur TS0n ist.
Die Isttemperatur des Heizkreismediums wird vorzugsweise zwischen Pufferspeicher und Last gemessen. Mit anderen Worten, der Temperatursensor ist vorzugsweise zwischen dem Pufferspeicher und der Last, also im Rücklauf angeordnet. Bei einer solchen Anordnung wird die gemessene Temperatur auch als Rücklauftemperatur bezeichnet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Last ein Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe. Dies entspricht dem eingangs beschriebenen Fall gemäß dem Stand der Technik aus Fig. 1, wobei der Wärmetauscher der Wärmepumpe im Umkehrbetrieb als Verdampfer funktioniert. Dabei fließt die Wärme vom Pufferspeicher über den Rücklauf zur Wärmepumpe. Die Wärme vom Heizkreismedium wird über den als Verdampfer betriebenen Kondensator des Kältekreises an das Kältemittel abgegeben und kann dann den beim Abtauen als Kondensator betriebenen Verdampfer der Wärmepumpe erwärmen, so dass darauf gebildetes Eis oder Reif abtauen.
Bei einem bevorzugten Abtauverfahren, wird der Pufferspeicher beladen bis eine aktuelle Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur TS0n ist. Da die Isttemperatur vorzugsweise stromabwärts vom Pufferspeicher, also im Rücklauf gemessen wird, kann von der gemessenen Isttemperatur auf die Speichertemperatur des Pufferspeichers geschlossen werden. In bevorzugten Ausführungen kann im Pufferspeicher mindestens ein zusätzlicher Temperatursensor angeordnet sein, der die Speichertemperatur misst.
Ein vorgegebener Ladezustand des Pufferspeichers kann beispielsweise dann erreicht sein, wenn der Pufferspeicher oder das Heizkreismedium am Temperatursensor die Solltemperatur TS0n erreicht hat.
Sobald die Solltemperatur TS0n im Heizkreismedium erreicht ist, weist der Kreislauf die vorgegebene Sollwärmemenge QS0H auf. Entsprechend kann dann ein Abtauvorgang zum Abtauen des Verdampfers der Wärmepumpe durchgeführt werden.
Die vorgegebene Sollwärmemenge QS0n kann vorzugsweise in Abhängigkeit einer Außentemperatur und eines Gerätetyps der Wärmepumpe ermittelt werden. Die Außentemperatur kann beispielsweise durch einen Außentemperatursensor gemessen werden oder von der Regeleinrichtung des Heizungssystems empfangen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird der Wärmeerzeuger beim Beladen des Pufferspeichers mit maximaler Heizleistung betrieben, bis die Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur TS0H ist. Hierbei kann vorzugsweise vorab eine Heizleistung ermittelt werden, die erforderlich ist, um die Solltemperatur TS0n zu erreichen. Falls die erforderliche Heizleistung größer als die maximale Heizleistung des Wärmeerzeugers ist, kann zusätzlich ein zweiter Wärmeerzeuger zum Erhitzen des Heizkreismediums betrieben werden.
Die Regeleinrichtung kann vorzugsweise eine Schnittstelle aufweisen. Als Schnittstelle der Regeleinrichtung zum Ausgeben von Meldungen an einen Benutzer oder Betreiber des Heizungssystems 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.
Vorzugsweise kann die Wärmepumpe in einem ersten Betriebszustand als Wärmeerzeuger zum Heizen des Gebäudes betrieben werden. Der erste Betriebszustand entspricht einem Normalbetrieb bzw. Heizbetrieb der Wärmepumpe. Vorzugsweise kann ein Benutzer oder Betreiber die Wärmepumpe über die Schnittstelle in den ersten Betriebszustand versetzen. Weiter vorzugsweise kann die Wärmepumpe in einem zweiten Betriebszustand zum Abtauen der Wärmepumpe betrieben werden. Die hier beschriebenen Verfahren werden insbesondere dann ausgeführt, wenn die Wärmepumpe im zweiten Betriebszustand zum Abtauen der Wärmepumpe betrieben wird.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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 illustriert ein gattungsgemäßes Wärmepumpensystem.
Figur 2 illustriert ein Wärmepumpensystem gemäß einem ersten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Figur 3 illustriert ein Wärmepumpensystem gemäß einem zweiten
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Figur 4 zeigt ein Diagramm, das eine Abhängigkeit der Abtauenergie von der Außentemperatur beschreibt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Fig. 2 illustriert ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizungssystems 10 für ein Gebäude. Das erfindungsgemäße Heizungssystem 10 ist ähnlich aufgebaut wie die bekannte Wärmepumpenanlage 10 der Fig. 1. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen hier gleiche oder ähnliche Bestandteile.
Das Heizungssystem 10 der Fig. 2 umfasst eine Wärmepumpe 1, die als Monoblock- Wärmepumpe ausgeführt ist. Die einzelnen Komponenten der Wärmepumpe 1 wie z.B. der Verdampfer 5, der Kältemittelkreislauf und der Wärmetauscher 6 sind in der Außeneinheit ODU der Wärmepumpe 1 angeordnet und in Fig. 2 nicht dargestellt.
Im Unterschied zur Wärmepumpe 1 der Fig. 1, bei welcher der Wärmetauscher 6 in der Inneneinheit IDU angeordnet ist, befindet sich diese Komponente bei der Wärmepumpe 1 der Fig. 2 in der Außeneinheit ODU. Ansonsten ist der Aufbau des Heizungssystems 10 in Fig. 2 im Wesentlichen identisch mit Fig. 1.
Das Heizungssystem 10 kann insbesondere in einem von drei Betriebsarten betrieben werden. Eine erste Betriebsart ist der Normalbetrieb bzw. Heizbetrieb, in dem die Wärmepumpe 1 Wärme für die Wärmesenke 2 bereitstellt. Eine zweite Betriebsart ist der Pufferladebetrieb, bei dem die Wärmepumpe 1 Wärme zum Beladen des Pufferspeichers 3 bereitstellt. Eine dritte Betriebsart ist der Abtaubetrieb, bei dem die Wärmepumpe 1 zum Abtauen im Umkehrbetrieb betrieben wird und die im Pufferspeicher 3 gespeicherte Wärme aufnimmt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann das Beladen des Pufferspeichers 3 auch parallel zum Heizbetrieb durchgeführt werden. Dies kann auch als vierte Betriebsart aufgefasst werden, bei der die Wärmepumpe 1 vorzugsweise mit maximaler Heizleistung betrieben wird.
Die Länge der Vorlaufleitung VL und der Rücklaufleitung RL zwischen Pufferspeicher 3 und Wärmepumpe 1 kann bei typischen Anordnungen von Monoblock- Wärmepumpen außerhalb von Gebäuden ungefähr 2 Meter bis 25 Meter, bevorzugt ungefähr ca. 6 Meter bis ca. 20 Meter betragen. Man beachte, dass die Länge der Leitungen in Fig. 2 nicht maßstabsgetreu dargestellt ist.
Das Fassungsvolumen des Pufferspeichers 3, der vorzugsweise ausschließlich zum Speichern von Wärme für den Abtauprozess dient, beträgt ca. 10 Liter bis ca. 20 Liter. Durch die Gesamtlänge der Leitungen zwischen Puffer 3 und Wärmetauscher 6 der Wärmepumpe 1 von ca. 4 Metern bis ca. 50 Metern, bevorzugt von ca. 12 Metern bis ca. 40 Metern, können die thermische Masse des in den Leitungen befindlichen Heizkreismediums sowie die thermische Masse der Leitungen und der Einbauten selbst gegenüber dem Volumen des Puffers 3 nicht vernachlässigt werden. Die thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs kann darüber hinaus auch Wärmeverluste umfassen, die sich a priori nicht genau quantifizieren lassen.
Um einen Abtauprozess der Wärmepumpe 1 möglichst effizient durchführen zu können, ist es vorteilhaft, die dafür benötigte Sollwärmemenge QS0H möglichst genau zu kennen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die in den hydraulischen Kreislauf eingebrachte Wärmemenge möglichst genau auf die Sollwärmemenge QS0H einzustellen. Wenn das Heizungssystem 10 in einem Betriebszustand zum Abtauen der Wärmepumpe 1 betrieben wird, wird zunächst der hydraulische Kreislauf einschließlich Pufferspeicher 3 mit der benötigten Sollwärmemenge QS0H beladen. Dazu kann in einem ersten Schritt die Wärmesenke 2 mit dem Heizkreis 2.1 und dem Warmwasserspeicher 2.2 über das Ventil 4 vom hydraulischen Kreislauf getrennt werden.
In einem nächsten Schritt wird eine erste Rücklauftemperatur TI des Heizkreismediums zu einem ersten Zeitpunkt tl erfasst. Nach einem vorgegebenen Zeitraum At wird zu einem zweiten Zeitpunkt t2 eine zweite Rücklauftemperatur T2 des Heizkreismediums erfasst. Der vorgegebene Zeitraum At kann beispielsweise 60 bis 600 Sekunden, bevorzugt 60 bis 180 Sekunden betragen. Weiter vorzugsweise beträgt der vorgegebene Zeitraum At ca. 120 Sekunden.
Zum Erfassen der Rücklauftemperaturen ist im Rücklauf RL zwischen Pufferspeicher 3 und Wärmepumpe 1 ein Rücklauftemperatursensor 11 angeordnet. Zusätzlich können weitere Temperatursensoren im Heizungssystem 10 angeordnet sein (nicht dargestellt), beispielsweise im Pufferspeicher 3 und/oder im Vorlauf VL.
Anschließend wird über Gleichung (1) ein Temperaturhub AT als Differenz zwischen zweiter Rücklauftemperatur T2 und erster Rücklauftemperatur Tl berechnet. Über Gleichungen (2) und (3) kann dann eine Solltemperatur TS0n des Heizkreismediums berechnet werden.
Da sich die Verluste sowie das Gesamtvolumen an Heizkreismedium im hydraulischen Kreislauf ändern können, wird die Solltemperatur TS0n vorzugsweise vor jedem Abtauvorgang, bzw. zu Beginn jedes Beladevorgangs des Pufferspeichers 3 erneut bestimmt. Insbesondere die Wärmeverluste des hydraulischen Kreislaufs können sich beispielsweise in Abhängigkeit der Außentemperatur ändern, so dass sich somit auch die thermische Gesamtmasse ändern kann.
Als einzigen Wärmeerzeuger umfasst das Heizungssystem 10 der Fig. 2 die Wärmepumpe 1 selbst. Das heißt, dass die Wärmepumpe 1 beim Beladen des Pufferspeichers 3 die Wärme erzeugt. Im Abtauvorgang dagegen ist die Wärmepumpe 1 die Last, auf welche die Wärme vom Pufferspeicher 3, bzw. vom gesamten hydraulischen Kreislauf übertragen wird. Somit erzeugt die Wärmepumpe 1 beim Beladen des Pufferspeichers 3 zunächst die Wärme, welche später zum Abtauen der Wärmepumpe 1 verwendet wird.
In bevorzugten Ausführungen kann die Wärmepumpe 1 einen zusätzlichen Hilfswärmeerzeuger aufweisen, beispielsweise einen internen elektrischen Heizstab (nicht dargestellt), der ebenfalls in der Außeneinheit ODU angeordnet sein kann.
Der Vorgang des Beladens des Pufferspeichers 3 ist dann vollendet, wenn die gemessene Rücklauftemperatur gleich groß wie oder größer als die berechnete Solltemperatur TS0n ist. Zur Sicherheit kann zusätzlich ein Grenzwert festgelegt werden, der um 1 oder 2 K über der Solltemperatur TS0n liegt. Sobald der Grenzwert erreicht wird, kann der Abtauvorgang gestartet werden.
Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizungssystem 10. Das Heizungssystem 10 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst zusätzlich zur Wärmepumpe 1 mindestens einen zweiten Wärmeerzeuger 12. Der zweite Wärmeerzeuger 12 kann beispielsweise ein externer Spitzenlastkessel sein, der mit Gas als Brennstoff betrieben wird. Alternative Beispiele für den zweiten Wärmeerzeuger 12 umfassen einen Gasbrennwertkessel, einen Ölkessel, ein Blockheizkraftwerk, eine Brennstoffzelle, eine Solartherme oder andere Vorrichtungen, die Wärme an das Heizungsmedium bereitstellen können. Der weitere Wärmeerzeuger kann auch als externer Wärmeerzeuger bezeichnet werden, da er kein interner Bestandteil der Wärmepumpe ist.
Der zweite Wärmeerzeuger 12 kann gemäß einer bevorzugten Ausführung ein elektrischer Wärmeerzeuger wie z.B. ein Heizstab oder ähnliches sein. In bevorzugten Ausführungen können auch zwei zusätzliche Wärmeerzeuger 12 im Heizungssystem 10 vorgesehen sein.
Der zweite Wärmeerzeuger 12 kann beim Beladen des Pufferspeichers 3 zum Bereitstellen zusätzlicher Wärme für den Fall verwendet werden, dass die Wärmepumpe 1 allein nicht ausreichend Wärme bereitstellen kann, um die vorgegebene Solltemperatur TS0n zu erreichen. Beim Abtauvorgang kann der zweite Wärmeerzeuger 12 somit die Beladung des Pufferspeichers 3 mit Wärme unterstützen.
Werden zum Beispiel der Grenzwert oder die Solltemperatur TS0n beim Laden des Pufferspeichers 3 nicht erreicht, so kann der zweite Wärmeerzeuger 12 angesteuert werden, um zusätzliche Wärme bereitzustellen. Hierbei kann der zweite Wärmeerzeuger 12 beispielsweise mit einer vorgegebenen Heizleistung, vorzugsweise mit maximaler Heizleistung betrieben werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann die Heizleistung des zweiten Wärmeerzeugers 12 in Abhängigkeit einer vorgegebenen Beladedauer des Pufferspeichers 3 berechnet bzw. vorgegeben werden.
Vorzugsweise wird der zweite Wärmeerzeuger 12 mit einer minimal notwendigen Heizleistung betrieben. Um diese Heizleistung zu bestimmen, kann eine Steigung einer Temperaturentwicklung des Pufferspeichers 3 vorgegeben werden. Die tatsächlich auftretende Steigung der Temperatur kann beim Beladen des Pufferspeichers 3 gemessen und mit der Sollsteigung verglichen werden. Sollte die gemessene Steigung niedriger als die vorgegebene Steigung sein, kann der zweite Wärmeerzeuger 12 entsprechend zugeschaltet werden. Das Erreichen des Grenzwerts oder der Solltemperatur TS0n kann beispielsweise nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums überprüft werden. Alternativ kann die zum Erreichen des Grenzwerts oder der Solltemperatur TS0n notwendige Heizleistung vorab berechnet werden, so dass diese Heizleistung für einen berechneten Zeitraum angelegt werden kann.
Durch Integrieren der Heizleistung kann die während dem Zeitintervall At eingebrachte Wärmemenge Qzu bestimmt werden. Die anliegende Heizleistung dQzu/dt kann beispielsweise als Vorgabewert der Wärmepumpe 1 und/oder des zweiten Wärmeerzeugers 12 bekannt sein. In diesem Fall ist eine Kenntnis des als Heizkreismedium verwendeten Fluids nicht notwendig.
Alternativ kann die anliegende Heizleistung dQzu/dt anhand der Masse des Heizkreismediums berechnet werden. Hierzu müssen die thermodynamischen Eigenschaften, wie z.B. die Dichte und die Wärmekapazität des als Heizkreismedium verwendeten Fluids bekannt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird Wasser als Heizkreismedium verwendet. Die Heizleistung kann dann durch folgende Formel ausgedrückt werden: dQZu/dt = 8 (c - dm/dt - AT*) (4)
Der Massenstrom dm/dt kann mithilfe eines Durchflussmessers 13 bestimmt werden, der im Vorlauf stromaufwärts vorm zweiten Wärmeerzeuger 12 angeordnet ist. Die Temperaturdifferenz AT* wird als Differenz zwischen der vom Temperatursensor 11 gemessenen Rücklauftemperatur und einer durch einen zweiten Temperatursensor 11, der stromaufwärts vorm Ventil 4 abgeordnet ist, gemessenen Temperatur bestimmt.
Anhand von Gleichung (4) kann über die Wärmekapazität c und den gemessenen Massenstrom dm/dt sowie die gemessene Temperaturdifferenz AT* und einen empirisch bestimmten Koeffizienten s die in das Heizkreismedium eingebrachte Wärmeleistung dQzu/dt bezogen auf die thermische Gesamtmasse berechnet werden.
Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das eine Abhängigkeit der Abtauenergie von der Außentemperatur beschreibt. Die Abtauenergie ist die zum Abtauen des Verdampfers 5 benötigte Wärmemenge und entspricht der Sollwärmemenge QSOH. Anhand Fig. 4 kann man erkennen, dass die zum Abtauen benötigte Abtauenergie Qsoii mit sinkender Außentemperatur höher wird. Beispielsweise wird bei einer Außentemperatur TI eine Abtauenergie Ql benötigt, die höher ist als die Abtauenergie Q2 bei einer Außentemperatur T2 > TI.
Fig. 4 ist lediglich ein Beispiel, wie die Wärmemenge von der Außentemperatur abhängen kann. Die Wärmemenge kann beispielsweise auch von der Luftfeuchtigkeit, dem Aufstellort der ODU, der Windgeschwindigkeit etc abhängig sein. Der funktionale Zusammenhang kann somit auch anders als in Fig. 4 aussehen und muss insbesondere keine Gerade sein.
Im Allgemeinen kann die Sollwärmemenge QS0H vom Gerätetyp der Wärmepumpe 1 abhängig sein. Insbesondere kann die Abtauenergie bzw. Sollwärmemenge QS0H von den Dimensionen der Komponenten der Wärmepumpe, insbesondere des Verdampfers 5, des Wärmetauschers 6 und/oder des Kältemittelkreislaufs und dergleichen abhängig sein. Ferner kann die Sollwärmemenge Qson von der Wärmekapazität bzw. von der thermischen Gesamtmasse des Kältemittels bzw. des Kältemittelkreislaufs abhängig sein.
Die Größenordnung der Sollwärmemenge QS0H kann beispielsweise im Bereich einiger Megajoule liegen.
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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zum Betreiben eines Heizungssystems (10) zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes mit einer Wärmepumpe (1), die ein fluides Heizkreismedium erhitzt, das in einem hydraulischen Kreislauf zirkuliert, wobei der Kreislauf eine Last (1), einen Pufferspeicher (3) und die Wärmepumpe (1) aufweist, die über Leitungen miteinander verbunden sind, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Vorgeben einer Sollwärmemenge Qsoii im hydraulischen Kreislauf;
Erfassen einer ersten Isttemperatur TI des Heizkreismediums zu einem ersten Zeitpunkt tl;
Erfassen einer zweiten Isttemperatur T2 des Heizkreismediums zu einem zweiten Zeitpunkt t2, der um einen vorgegebenen Zeitraum At nach dem ersten Zeitpunkt tl liegt;
Ermitteln eines Temperaturhubs AT als Differenz zwischen zweiter Isttemperatur T2 und erster Isttemperatur Tl;
Erfassen einer während dem Zeitraum At von der Wärmepumpe (1) in den hydraulischen Kreislauf eingebrachten Wärmemenge Qzu;
Ermitteln einer Solltemperatur TS0n des Heizkreismediums in Abhängigkeit der Sollwärmemenge QS0n, des Temperaturhubs AT und der eingebrachten Wärmemenge Qzu; und
Betreiben der Wärmepumpe (1) in Abhängigkeit der ermittelten Solltemperatur Tsoii.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Isttemperatur des Heizkreismediums zwischen Pufferspeicher (3) und Last (1) gemessen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei: die Last ein Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe (1) ist; und das Heizkreismedium durch einen Wärmetauscher (6) der Wärmepumpe (1) fließt, um Wärme auf das Kältemittel zu übertragen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, ferner umfassend:
Durchführen eines Ladevorgangs des Pufferspeichers (3) bis eine aktuelle Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur Tsoii ist; und Durchführen eines Abtauvorgangs zum Abtauen eines Verdampfers (5) der Wärmepumpe (1).
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die vorgegebene Sollwärmemenge Qsoii in Abhängigkeit einer Außentemperatur und eines Gerätetyps der Wärmepumpe (1) ermittelt wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Wärmepumpe (1) mit maximaler Heizleistung betrieben wird, bis die Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur TS0n ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, ferner umfassend:
Ermitteln einer Heizleistung, die erforderlich ist, um die Solltemperatur Tsoii zu erreichen; und falls die erforderliche Heizleistung größer als die maximale Heizleistung der Wärmepumpe (1) ist, Betreiben eines zusätzlichen Wärmeerzeugers (12) zum Erhitzen des Heizkreismediums.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: Vorgeben einer Minimaltemperatur Tmin für das Heizkreismedium; und Ermitteln der Solltemperatur Tsoii des Heizkreismediums in Abhängigkeit der
Minimaltemperatur Tmin.
9. Heizungssystem (10) zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes, umfassend: einen hydraulischen Kreislauf mit einer Last (1) und einem Pufferspeicher (3), die über Leitungen miteinander verbunden sind, wobei ein fluides Heizkreismedium im hydraulischen Kreislauf zirkuliert; eine im Kreislauf angeordneten Wärmepumpe (1), die konfiguriert ist, das Heizkreismedium zu erhitzen; einen im hydraulischen Kreislauf angeordneten Temperatursensor (11), der konfiguriert ist, einer Isttemperatur des Heizkreismediums zu erfassen; und eine Regeleinrichtung zum Regeln und/oder Steuern der Wärmepumpe (1), wobei die Regeleinrichtung konfiguriert ist: eine Sollwärmemenge Qsoii im hydraulischen Kreislauf vorzugeben; eine erste Isttemperatur TI des Heizkreismediums zu einem ersten Zeitpunkt tl zu erfassen; eine zweiten Isttemperatur T2 des Heizkreismediums zu einem zweiten Zeitpunkt t2 , der um einen vorgegebenen Zeitraum At nach dem ersten Zeitpunkt tl liegt, zu erfassen; einen Temperaturhub AT als Differenz zwischen zweiter Isttemperatur T2 und erster Isttemperatur Tl zu ermitteln; eine während dem Zeitraum At von der Wärmepumpe (1) in den hydraulischen Kreislauf eingebrachte Wärmemenge Qzu zu erfassen; eine Solltemperatur Tsoii des Heizkreismediums in Abhängigkeit der Sollwärmemenge QS0n, des Temperaturhubs AT und der eingebrachten Wärmemenge Qzu zu ermitteln; und die Wärmepumpe (1) in Abhängigkeit der ermittelten Solltemperatur TS0n zu betreiben.
10. Heizungssystem (10) nach Anspruch 9, wobei der Temperatursensor (11) zwischen dem Pufferspeicher (3) und der Last (1) angeordnet ist.
11. Heizungssystem (10) nach Anspruch 9 oder 10, wobei: die Last ein Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe (1) im Heizungssystem (10) ist; und das Heizkreismedium durch einen Wärmetauscher (6) der Wärmepumpe fließt, um Wärme auf das Kältemittel zu übertragen.
12. Heizungssystem (10) nach Anspruch 11, wobei die Regeleinrichtung ferner konfiguriert ist: einen Ladevorgang des Pufferspeichers (3) durchzuführen, bis eine aktuelle Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur
Tsoii ist; und einen Abtauvorgang zum Abtauen eines Verdampfers (5) der Wärmepumpe (1) durchzuführen.
13. Heizungssystem (10) nach Anspruch 11 oder 12, ferner umfassend einen Außentemperatursensor zum Messen einer Außentemperatur, wobei die Regeleinrichtung konfiguriert ist, die vorgegebene Sollwärmemenge Qsoii in Abhängigkeit der Außentemperatur und eines Gerätetyps der Wärmepumpe (1) zu ermitteln.
14. Heizungssystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Regeleinrichtung konfiguriert ist, die Wärmepumpe (1) mit maximaler Heizleistung zu betreiben, bis die Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur TS0n ist.
15. Heizungssystem (10) nach Anspruch 14, ferner umfassend: einen zusätzlichen Wärmeerzeuger (12) zum Erhitzen des Heizkreismediums, wobei die Regeleinrichtung ferner konfiguriert ist: eine Heizleistung zu ermitteln, die erforderlich ist, um die Solltemperatur Tsoii zu erreichen; und falls die erforderliche Heizleistung größer als die maximale Heizleistung der Wärmepumpe (1) ist, den zusätzlichen Wärmeerzeuger (12) zum Erhitzen des Heizkreismediums zu betreiben.
16. Heizungssystem (10) nach einem der Ansprüche 9 bis 15, wobei die Regeleinrichtung ferner konfiguriert ist: eine Minimaltemperatur Tmin für das Heizkreismedium vorzugeben; und die Solltemperatur TS0n des Heizkreismediums in Abhängigkeit der
Minimaltemperatur Tmin zu ermitteln.
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