DE102012100554B4

DE102012100554B4 - Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe mit Einbindung eines Kühlmittelkreislaufes

Info

Publication number: DE102012100554B4
Application number: DE102012100554.0A
Authority: DE
Inventors: Marc Graaf; Tobias Haas
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2012-01-24
Filing date: 2012-01-24
Publication date: 2018-03-01
Anticipated expiration: 2032-01-25
Also published as: DE102012100554A1; JP2013152072A; US20130188936A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe mit Einbindung eines Kühlmittelkreislaufes als Wärmequelle für die Beheizung von Kraftfahrzeugen bei niedrigen Umgebungstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines elektrischen Heizelementes im Kühlmittelkreislauf die Kühlmitteltemperatur zur Erhöhung des Saugdruckes derart angehoben wird, dass sich ein Niederdruck am Kältemittelverdichter von größer oder gleich 1,5 bar einstellt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe mit Einbindung eines Kühlmittelkreislaufes als Wärmequelle für die Beheizung von Kraftfahrzeugen bei niedrigen Umgebungstemperaturen.
In Fahrzeugen mit modernen Verbrennungsmotoren, Hybridfahrzeugen oder Elektrofahrzeugen besteht das im Stand der Technik bekannte Problem, dass bei diesen Antriebssystemen zu geringe Abwärmemengen für die Beheizung der Fahrzeuge zur Verfügung gestellt werden. Es ist bekannt, bei dieser Konstellation Zusatzheizsysteme vorzusehen, die teilweise dadurch realisiert werden, dass die zumeist vorhandenen Kälteanlagen in einem Wärmepumpenmodus betreibbar sind.
Nach der DE 10 2006 026 359 A1 ist beispielsweise eine Klimaanlage für den kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenbetrieb für Fahrzeuge bekannt, bei welcher der gesamte Kältemittelmassenstrom, je nach Betriebsweise der Anlage, durch den Kälteanlagen-Kondensator beziehungsweise durch den Wärmepumpenverdampfer geleitet wird.
Aus der DE 198 50 829 C1 geht ein Kühl-Heiz-Kreis für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle, hervor, wobei zumindest zwei die Temperatur des Kühl-Heiz-Kreises erhöhende Einrichtungen und zumindest zwei die Temperatur des Kühl-Heiz-Kreises senkende Einrichtungen und zumindest eine Pumpe vorgesehen sind. Die temperaturerhöhenden und/oder die temperatursenkenden Einrichtungen sind zumindest teilweise ihren Betriebszuständen entsprechend, insbesondere ihren Temperaturen entsprechend, dem Kühl-Heiz-Kreis zugeordnet. Zur verbesserten Nutzung der Abwärme kann dem Kühl-Heiz-Kreis ein Wärmepumpenkreislauf zugeordnet sein.
Aus der DE 10 2009 039 681 A1 ist ein Heizsystem für ein elektrisch antreibbares Fahrzeug und ein Betriebsverfahren bekannt, wobei ein Wärmespeicher, der auch als Kühlwasserkreislauf ausgeführt sein kann, während des Ladevorgangs der Batterie mittels einer elektrischen Heizung aufgeladen wird. Dabei wird die Temperatur des Speichers so gewählt, dass für die geplante Fahrzeit mittels einer Wärmepumpe aus dem Speicher der Innenraum des Kraftfahrzeuges beheizbar ist.
Die DE 10 2010 026 353 A1 beschreibt eine Regelung für ein Fahrzeugklimatisierungssystem mit einer Kältemaschine, die als Wärmepumpe arbeiten kann und auf einem Dampfkompressionskreislauf basiert.
Die DE 198 50 829 C1 zeigt ein weiteres System für einen Kühl-Heiz-Kreis, für ein Fahrzeug mit zumindest zwei die Temperatur des Kühl-Heiz-Kreises erhöhenden Einrichtungen und zumindest zwei die Temperatur des Kühl-Heiz-Kreises senkenden Einrichtungen und zumindest einer Pumpe.
Dem Stand der Technik haften diverse Nachteile an. Beispielsweise führt die Verschaltung nach der DE 10 2006 026 359 A1 zu hohen Druckverlusten im Kälteanlagen-Kondensator im Wärmepumpenbetrieb. Hierdurch wird das Vereisungsrisiko erhöht. Die Leistung einer Luftwärmepumpe wird geringer bei fallender Umgebungstemperatur, wohingegen der Wärmebedarf steigt. Die geforderte Heizleistung kann bei Umgebungstemperaturen von weniger als –10°C mit einer reinen Luftwärmepumpe nicht mehr erzielt werden und es müssen andere Wärmequellen in den Kreislauf zur Sicherung des Wärmebedarfes mit eingebunden werden. Die im Stand der Technik bekannten Ansätze zur Einbindung weiterer Wärmequellen im Wärmepumpenbetrieb, wie beispielsweise nach der DE 10 2009 039 681 A1 , werden parallel mit Kältemittel durchströmt. Dies birgt die Gefahr der unkontrollierten Kältemittelverlagerung in den Parallelsträngen, die nicht aktiv durchströmt werden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Effizienz der Wärmepumpe beim Betrieb bei sehr geringen Umgebungstemperaturen zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe mit Einbindung eines Kühlmittelkreislaufes als Wärmequelle für die Beheizung von Kraftfahrzeugen bei niedrigen Umgebungstemperaturen dadurch gelöst, dass mittels eines elektrischen Heizelementes im Kühlmittelkreislauf die Kühlmitteltemperatur zur Erhöhung des Saugdruckes derart angehoben wird, dass sich ein Niederdruck am Kältemittelverdichter von größer oder gleich 1,5 bar einstellt. Besonders bevorzugt liegt der Niederdruck bei größer oder gleich 1,8 bar.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung besteht das Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe darin, dass die Kühlmitteltemperatur mittels eines elektrischen Heizelementes auf ein minimales Temperaturniveau von –10°C zur Effizienzsteigerung für die Wärmepumpe angehoben wird und dass die Kühlmitteltemperatur mittels eines elektrischen Heizelementes nur bis zu einem maximalen Temperaturniveau von 0°C angehoben wird, wobei die Kühlmitteltemperatur nur maximal 10 K über die Umgebungstemperatur mit dem elektrischen Heizelement angehoben wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das elektrische Heizelement erst ab einer Umgebungstemperatur von weniger als –10°C eingesetzt wird.
Bevorzugt wird als Kühlmittel ein Glykol-Wasser-Gemisch eingesetzt.
Die Ausgestaltung der Kälteanlage wird bevorzugt dadurch weitergebildet, dass die Wärmepumpe als zusätzliche Schaltung der Kälteanlage des Kraftfahrzeuges in diese integriert ausgeführt ist.
Die erfindungsgemäße Regelstrategie findet besonders vorteilhaft für die folgenden Kältemittel Anwendung: R134a, R1234yf oder vergleichbare unterkritische Kältemittel.
Bevorzugt wird der Saugdruck des Kältemittelverdichters auf 1,5 bar oder darüber angehoben.
Besonders vorteilhaft ist, wenn als elektrisches Heizelement ein PTC-Heizelement eingesetzt wird.
Die Konzeption der Erfindung besteht somit darin, dass durch die erfindungsgemäße Regelung der Wassertemperatur auf ein minimales Temperaturniveau mit einem elektrischen Heizelement die effizienteste Weise für den Betrieb der Wärmepumpe durch eine Anhebung des Saugdruckes möglich wird.
Damit ist eine Boostfunktion der Wärmepumpe für niedrige Umgebungstemperaturen in die Betriebsvarianten der Wärmepumpe integrierbar. Dies führt zu einem reduzierten Kraftstoffverbrauch und insbesondere zu einem reduzierten Energiebedarf im Vergleich zur rein elektrischen Heizung, weil die vorhandene Abwärme zusätzlich durch die Wärmepumpe genutzt werden kann. Insgesamt lässt sich somit die Reichweite für Elektrofahrzeuge erhöhen und die Batteriekapazität kann besser ausgenutzt werden.

Claims

Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe mit Einbindung eines Kühlmittelkreislaufes als Wärmequelle für die Beheizung von Kraftfahrzeugen bei niedrigen Umgebungstemperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines elektrischen Heizelementes im Kühlmittelkreislauf die Kühlmitteltemperatur zur Erhöhung des Saugdruckes des Kältemittelkreislaufes der Wärmepumpe derart angehoben wird, dass sich ein Niederdruck am Kältemittelverdichter von größer oder gleich 1,5 bar einstellt, wobei im Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe unterkritische Kältemittel, wie R134a oder R1234yf, eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruck am Kältemittelverdichter auf größer oder gleich 1,8 bar einstellt wird.
Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe mit Einbindung eines Kühlmittelkreislaufes als Wärmequelle für die Beheizung von Kraftfahrzeugen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kühlmitteltemperatur mittels eines elektrischen Heizelementes auf ein minimales Temperaturniveau von –10°C zur Leistungssteigerung für die Wärmepumpe angehoben wird und dass – die Kühlmitteltemperatur mittels eines elektrischen Heizelementes nur bis zu einem maximalen Temperaturniveau von 0°C angehoben wird, wobei – die Kühlmitteltemperatur nur maximal 10 K über die Umgebungstemperatur mit dem elektrischen Heizelement angehoben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement erst ab einer Umgebungstemperatur von niedriger als –10°C eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel ein Glykol-Wasser-Gemisch eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe als zusätzliche Schaltung der Kälteanlage des Kraftfahrzeuges in diese integriert ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrisches Heizelement ein PTC-Heizelement eingesetzt wird.