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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe sowie eine Wärmepumpe. insbesondere verhindert das vorgeschlagene Verfahren die Bildung einer Eisschicht auf einem Verdampfer einer Luft-Wasser-Wärmepumpe.
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Moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen zeichnen sich durch ihren hohen Wirkungsgrad aus und können daher unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten besonders attraktiv zum Heizen 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.
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Eine gattungsgemäße Luft-Wasser-Wärmepumpe weist einen Kreislauf für ein Kältemittel auf. An einem Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebungsluft auf. Eine mögliche Störungsursache bei Wärmepumpen ist, dass sich am Verdampfer eine Eisschicht bildet, die den Wärmeübertrag am Verdampfer behindert. Die Eisschicht muss dann in der Regel durch einen Abtauprozess entfernt werden. Die Notwendigkeit des Abtauens führt zu verkürzten Heizzyklen und somit zu einer verringerten Betriebsbereitschaft der Wärmepumpe.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtauregelung einer Wärmepumpe wird beispielsweise in der europäischen Patentanmeldung
EP 0 142 663 A2 beschrieben. Durch Messen der Temperaturdifferenz der Umgebungsluft und des Verdampfers soll vermieden werden, dass unnötig oft abgetaut wird. Wenn die Verdampfertemperatur den Gefrierpunkt (0°C) übersteigt, wird der Abtauvorgang gesperrt.
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Die japanische Offenlegungsschrift
JP 2004 -
61 061 A offenbart eine Kühlvorrichtung, in der CO2 als Kühlmittel verwendet wird. Aus US Patent Nr.
US 5 253 483 A ist ein Kühlkreislauf bekannt, der einen Kompressor mit variabler Drehzahl, einen Kondensator, einen Verdampfer und ein Verdampfergebläse mit variabler Drehzahl zum Bewegen von Luft über den Verdampfer, eine Kompressordrehzahlregelung, einen Überhitzungsmonitor zum Überwachen des Zustands am Einlass des Kompressors und eine primäre Überhitzungsregelung aufweist.
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US Patentanmeldung Nr.
US 2012 / 0 260 688 A1 offenbart ein Wärmepumpensystem mit leistungsvariablem Kompressor, wobei eine Pumpleistung einer Umwälzpumpe in Abhängigkeit der Verdampfungstemperatur gesteuert wird.
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1 illustriert schematisch den Aufbau einer Luft-Wasser-Wärmepumpe 1 für ein Gebäude G. Die Wärmepumpe 1 nutzt die Umgebungsluft als Wärmequelle, um das Gebäude mit Wärme zu versorgen. im Betrieb saugt ein Ventilator 8 Umgebungsluft an und leitet diese über einen Wärmeübertrager beziehungsweise Verdampfer 2, der außerhalb oder auch innerhalb des Gebäudes G angeordnet sein kann, um Wärme aus der Umgebungsluft aufzunehmen. im Verdampfer 2 zirkuliert ein Kältemittel, das aufgrund seiner thermischen Eigenschaften seinen Aggregatzustand bei einer relativ niedrigen
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Temperatur von flüssig zu gasförmig ändert, also verdampft. Eine solche Wärmepumpe ist nicht auf die Verwendung in einem Gebäude beschränkt und könnte beispielsweise auch in einem Fahrzeug verwendet werden.
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Im Verdampfer 2 wird der zugeführten (warmen) Außenluft W Wärme entzogen, so dass sich das Kältemittel erwärmt und verdampft. Die Temperatur des dabei entstehenden Dampfes ist für typische Heizungs- oder Warmwasseranwendungen noch verhältnismäßig niedrig. Dies liegt unter anderem daran, dass die aufgenommenen Wärme als Verdampfungswärme genutzt wird, und nicht zu einem Erwärmen des Kältemittels führt. Vom Verdampfer 2 strömt der Dampf weiter über ein Vierwegeventil 3 zu einem (elektrisch angetriebenen) Verdichter 4. Der Verdichter 4 erhöht den Druck, so dass die Temperatur des Kältemittels auf ein gewünschtes Temperaturniveau ansteigt. in der Folge strömt das erwärmte Kältemittels weiter zu einem weiteren Wärmeübertrager, dem Verflüssiger 5. im Verflüssiger 5 überträgt das Kältemittel seine Wärme auf ein Wärmeträgermedium eines nicht näher dargestellten Heizsystems H des Gebäudes G und verflüssigt sich dabei wieder.
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Die so gewonnene Wärme W' kann beispielsweise zum Heizen oder zur Warmwasserbereitung genutzt werden. Das verflüssigte Kältemittel sammelt sich zunächst in einem Sammler 6. Anschließend durchströmt das Kältemittel ein Expansionsventil 7, wobei Druck und Temperatur des Kältemittels wieder auf das Ausgangsniveau absinken, so dass der Kreislauf von vorne beginnen kann.
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Im oder am Verdampfer 2, beispielsweise am Austritt des Verdampfers 2, ist ein Temperatursensor 9 angeordnet, der die Temperatur, insbesondere die Verdampfungstemperatur des Kältemittels misst. Eine Regeleinrichtung 10 der Wärmepumpe 1 überwacht die Verdampfungstemperatur und kann eine Drehzahl des Ventilators 8 und/oder einen Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 in Abhängigkeit der gemessenen Verdampfungstemperatur regeln. Ferner kann im oder am Verdampfer 2, beispielsweise am Austritt des Verdampfers 2, ein Drucksensor zum Messen des Drucks, insbesondere des Verdampfungsdrucks des Kältemittels angeordnet sein. Durch Messen der Temperatur und des Drucks des Kältemittels im Verdampfer können die Verdampfungstemperatur und die Überhitzung des Kältemittels ermittelt werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden und eine gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe anzugeben. insbesondere soll das Verfahren die Bildung von Gletschereis am Verdampfer vermeiden.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt durch ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach Anspruch 1 sowie durch eine Wärmepumpe nach Anspruch 7.
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Figurenliste
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.
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Es zeigen schematisch:
- 1 illustriert eine Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
- 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 3 zeigt ein Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf bei Regelung des Überhitzungssollwerts illustriert.
- 4 zeigt ein Diagramm, das einen zeitlichen Verlauf bei Regelung der Lüfterdrehzahl illustriert.
- 5 zeigt ein erstes Regelschema bei Regelung des Überhitzungssollwerts.
- 6 zeigt ein zweites Regelschema bei Regelung der Lüfterdrehzahl.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 illustriert ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe 1, insbesondere für ein Gebäude G. Die Wärmepumpe 1 umfasst einen Verdampfer 2, ein Vier-Wege-Schaltventil 3, einen Verdichter 4, einen Verflüssiger 5, einen Sammler 6, ein regelbares Expansionsventil 7, einen Lüfter 8 und eine Regeleinrichtung 10.
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Der Verdampfer 2 dient zum Wärmeübertrag von der Umgebungsluft auf ein im Kreislauf der Wärmepumpe zirkulierendes Wärmeträgermedium, das im Folgenden als Kältemittel bezeichnet wird. Das Kältemittel nimmt die Wärmeenergie aus der Wärmequelle (Luft, Erdreich oder Wasser) bei der Verdampfung auf und gibt sie an einen Verbraucher (hier Verflüssiger 5) ab, indem es wieder kondensiert. in diesen Phasenübergängen steckt immer Energie, theoretisch ist deshalb jeder Stoff als Kältemittel denkbar. Ein für eine Wärmepumpe geeignetes Kältemittel muss jedoch einige besondere Eigenschaften aufweisen: Es soll einen möglichst niedrigen Siedepunkt, ein kleines Dampfvolumen und eine hohe volumenbezogene Kälteleistung besitzen. Außerdem darf es die Bauteile und eingesetzten Schmierstoffe nicht angreifen, es sollte möglichst ungiftig, nicht explosiv und nicht brennbar sein. Die Auswirkungen auf die Ozonschicht und auf den Treibhauseffekt müssen so klein wie möglich sein. Bekannte Kältemittel für Luft-Wasser-Wärmepumpen umfassen beispielsweise Pentafluorethan, CO2, Propan oder Butan.
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Der Verdampfer 2 kann beispielsweise außerhalb eines Gebäudes G angeordnet sein, beziehungsweise über eine Luftzufuhr mit Umgebungsluft versorgt werden. Die zugeführte Luftmenge kann über den Lüfter 8 (Ventilator) geregelt werden. Für einen effizienten Wärmeübertrag von der Umgebungsluft auf das Kältemittel kann der Verdampfer 2 eine Vielzahl von Lamellen aufweisen, welche die Oberfläche des Verdampfers vergrößern. Durch den Wärmeübertrag von der Umgebungsluft auf den Verdampfer 2 wird das Kältemittel zum Verdampfen gebracht.
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Das Kältemittel strömt vom Verdampfer 2 zunächst zum Vier-Wege-Schaltventil 3 und von dort weiter zum Verdichter 4. Das Ventil 3 sorgt dafür, dass ausschließlich überhitzter Dampf in den Verdichter 4 gelangt. Der Verdichter 4 ist beispielsweise ein elektrisch angetriebener Scroll-Verdichter und dient zum Verdichten des Kältemittels. Durch das Verdichten erhöht sich die Temperatur des gasförmigen Kältemittels, so dass es für Anwendungen wie Heizen oder Warmwasseraufbereitung nutzbar wird.
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Das verdichtete Kältemittel fließt weiter zum Verflüssiger 5, in dem ein Wärmeübertrag vom Kältemittel auf ein Wärmeträgermedium (zum Beispiel Wasser), beispielsweise ein Heizsystem H des Gebäudes G stattfindet. Bei diesem Wärmeübertrag verflüssigt sich das Kältemittel, so dass auch die dabei freiwerdende Kondensationswärme als nutzbare Wärme für das Heizsystem H übertragen wird. Der Verflüssiger 5 kann beispielsweise ein Plattenwärmetauscher sein.
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Das verflüssigte Kältemedium sammelt sich zunächst im Sammler 6. Von hier strömt es durch das regelbare Expansionsventil 7. Das Expansionsventil 7 hat im Wärmepumpenkreislauf die Aufgabe, nach der Übergabe der Wärme an das Heizsystem H das flüssige, aber noch unter hohem Druck stehende Kältemittel zu entspannen. Das Kältemittel wird so in einen Zustand versetzt, der die erneute Aufnahme von Umweltwärme ermöglicht. Um zu verhindern, dass Flüssigkeit in den Verdichter 2 gelangt, regelt das Expansionsventil 7 die Kältemittelmenge (Kältemittelmassenstrom) so, dass nur so viel Kältemittel in den Verdampfer 2 gelangt, wie dort vollständig verdampfen kann. Das geregelte Expansionsventil 7 kann insbesondere Schwankungen der Quellentemperatur und der Leistung ausgleichen.
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Die Regeleinrichtung 10 regelt einen Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 und/oder eine Drehzahl des Lüfters 8. Die Regelgröße ist die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer 2. Zum Messen der Verdampfungstemperatur ist im Verdampfer 2 ein Temperatursensor 9 angeordnet, der einen Messwert an die Regeleinrichtung 10 ausgibt. Die Stellgrößen im Regelkreis sind somit der Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 und/oder die Drehzahl des Lüfters 8. Ferner wird ein Istwert der Überhitzung (Überhitzungsistwert) des Kältemittels im Verdampfer gemessen.
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Als Sollgröße wird ein Überhitzungssollwert vorgegeben. insbesondere kann durch Senken der Drehzahl des Lüfters 8 die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 2 gesenkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 2 über den Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 geregelt werden, da die Verdampfungstemperatur unter anderem vom Druck des Kältemittels im Verdampfer 2 abhängt.
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Die Messung der Verdampfungstemperatur kann auch über eine Messung des Drucks im Verdampfer 1 erfolgen. Ferner kann eine Temperatur der Umgebungsluft gemessen und von der Regeleinrichtung 10 zum Ermitteln der Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer verwendet werden. Hierzu kann die Wärmepumpe 1 zusätzlich oder alternativ zum dargestellten Temperatursensor 9 geeignete Sensoren aufweisen.
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Damit ein Wärmeübertrag von der Umgebungsluft auf das Kältemittel stattfinden kann, muss das Kältemittel stets kälter als die Umgebungsluft sein. Dies kann dazu führen, dass Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft auf den Oberflächen des Verdampfers 2 kondensiert. Wenn der Verdampfer 2 eine Temperatur von 0°C oder weniger aufweist, kann dieses Kondensat gefrieren, so dass sich eine Reif- oder Eisschicht auf den Oberflächen des Verdampfers 2 bilden kann. Da eine Reif- oder Eisschicht negative Wirkungen auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe 1 haben kann, wird das Eis regelmäßig abgetaut. Hierbei entsteht flüssiges Wasser, das aufgrund der Schwerkraft von oben nach unten über Lamellen des Verdampfers 2 fließt.
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Im Idealfall würde der Verdampfer 2 gleichmäßig über seine gesamte Fläche bereifen. in der Realität ist dies jedoch meist nicht der Fall. Ein Grund hierfür können Fertigungstoleranzen und Regelmethodik sein. Der Verdampfer 2 kann daher eine ungleichmäßige Temperaturverteilung an seiner Oberfläche aufweisen. in der Regel ist der in Strömungsrichtung als erstes durchströmte Teil des Verdampferkreises kälter als der zuletzt durchströmte Teil. Beispielsweise kann bei entsprechender Anordnung der untere Teil des Verdampfers 2 kälter als der obere Teil sein. Es kann somit geschehen, dass im oberen (wärmeren) Teil des Verdampfers 2 Feuchtigkeit der Umgebungsluft kondensiert und dann an den Lamellen des Verdampfers 2 entlang zum unteren Bereich des Verdampfers 2 fließt. Der untere (kältere) Bereich des Verdampfers 2 bereift hingegen schneller. Zusätzlich friert das vom oberen Bereich herunterlaufende Kondensat im unteren Bereich fest, so dass sich nach und nach eine feste Eisschicht ausbilden kann. Diese aus Kondensat gebildete Eisschicht wird als Gletschereis bezeichnet. Die Bildung von Gletschereis kann insbesondere durch herkömmliche Abtauverfahren zum Entfernen einer Reifschicht auf dem Verdampfer 2 begünstigt werden.
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Ein wesentliches Problem bei Bildung von Gletschereis ist, dass es durch herkömmliche Abtauprozesse nicht entfernt werden kann und sich sogar weiter aufbauen kann. Bei einer unvollständigen Abtauung kann das beim Abtauvorgang entstehende flüssige Wasser über das noch vorhandene Gletschereis laufen und beim Wiederanlaufen der Wärmepumpe 1 anfrieren. Hierdurch können sehr groß Eispanzer entstehen, so dass die Wärmepumpe 1 nicht mehr effizient betrieben werden kann, bzw. in einen Störbetrieb übergeht, zum Beispiel Niederdruckabschaltungen.
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Erfahrung hat gezeigt, dass Gletschereis hauptsächlich bei Verdampfungstemperaturen zwischen -4,5 °C und -2 °C gebildet wird. Diese Verdampfungstemperaturen ergeben sich in der Regel bei einer Außentemperatur (Temperatur der Umgebungsluft) von 5 bis 7 °C. Bei diesen Bedingungen ist noch relativ viel Feuchtigkeit in der Luft, was eine starke Kondenswasserbildung begünstigt.
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Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Bildung von Gletschereis zu vermeiden. Ein Aspekt der Erfindung wird daher als Funktion der Gletschereisvermeidung bezeichnet. Ziel des Verfahrens ist es, eine Oberflächentemperatur des Verdampfers 2 zu erreichen, die überall außerhalb des oben genannten kritischen Bereichs ist, was zu einer gleichmäßigen Bereifung des Verdampfers 2 führen soll, so dass kein Kondenswasser mehr am Verdampfer herunterläuft. Die gleichmäßige Bereifung des Verdampfers 2 kann somit die Gletschereisbildung verhindern.
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Im Folgenden wird die Wirkungsweise der Regeleinrichtung 10 anhand des in 2 dargestellten Ablaufdiagramms beschrieben.
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Das Verfahren beginnt in Schritt S1 mit dem Normalbetrieb der Wärmepumpe 1. Dieser Normalbetrieb wird im Folgenden auch als erster Betriebszustand B1 bezeichnet. im ersten Betriebszustand regelt die Regeleinrichtung 10 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 auf einen vorgegebenen ersten Überhitzungssollwert ÜS.
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Die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer 2 sowie der Istwert der Überhitzung des Kältemittels werden kontinuierlich gemessen. Außerdem wird die gemessene Verdampfungstemperatur mit einem oberen ersten Grenzwert T1 und einem unteren zweiten Grenzwert T2 verglichen.
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In Schritt S2 wird geprüft, ob die Verdampfungstemperatur unter den ersten Grenzwert T1 fällt, und ob sie über dem zweiten Grenzwert T2 liegt. Der obere erste Grenzwert T1 beträgt beispielsweise -2 °C. Der untere zweite Grenzwert T2 beträgt beispielsweise -4,5 °C. Der erste und zweite Grenzwert definieren somit einen Bereich, in dem die Gletschereisvermeidung aktiv sein soll.
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Falls die Verdampfungstemperatur des Kältemittels größer als der erste Grenzwert ist, wird die Wärmepumpe 1 weiter im ersten Betriebszustand B1 betrieben (Normalbetrieb). Die Funktion der Gletschereisvermeidung bleibt inaktiv (Schritt S8).
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Falls sich beim Vergleich der Verdampfungstemperatur mit den Grenzwerten T1 und T2 in Schritt S2 ergibt, dass die Verdampfungstemperatur des Kältemittels gleich groß wie oder kleiner als der erste Grenzwert T1 und gleich groß wie oder größer als der zweiter Grenzwert T2 ist - dass also die Verdampfungstemperatur innerhalb des kritischen Bereichs liegt, wird die Wärmepumpe 1 in einem zweiten Betriebszustand B2 betrieben und die Funktion der Gletschereisvermeidung wird aktiviert (Schritt S3).
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In Schritt S4 regelt die Regeleinrichtung 10 im zweiten Betriebszustand B2 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 in Abhängigkeit einer Abweichung zwischen dem vorgegebenen Überhitzungssollwert ÜS und dem gemessenen Überhitzungsistwert. Ferner wird eine Abweichung zwischen der gemessenen Verdampfungstemperatur zum zweiten Grenzwert T2 ermittelt und der Überhitzungssollwert ÜS um einen variablen Versatz Δ erhöht, wobei der Versatz Δ in Abhängigkeit der Abweichung zwischen der gemessenen Verdampfungstemperatur zum zweiten Grenzwert T2 bestimmt wird. Die Regeleinrichtung 10 kann den variablen Versatz Δ in Abhängigkeit der Änderung der Verdampfungstemperatur bis zu einem maximalen Versatz Δmax erhöhen.
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In Schritt S5 prüft die Regeleinrichtung 10, ob die Verdampfungstemperatur des Kältemittels kleiner als der zweite Grenzwert T2 ist. Falls die Verdampfungstemperatur des Kältemittels kleiner als der zweite Grenzwert T2 ist, so wird die Wärmepumpe 1 in einem dritten Betriebszustand B3 betrieben. im dritten Betriebszustand B3 ist die Funktion der Gletschereisvermeidung inaktiv (S8).
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Ergibt sich in Schritt S5, dass die Verdampfungstemperatur größer ist als (oder gleich groß wie) der zweite Grenzwert T2 und kleiner als (oder gleich groß wie) der erste Grenzwert T1), so kann die Regeleinrichtung 10 den variablen Versatz Δ in Schritt S6 in Abhängigkeit der Änderung der Verdampfungstemperatur weiter anheben (bis zum maximalen Versatz Δmax). in Schritt S7 prüft die Regeleinrichtung 10 kontinuierlich, ob die Verdampfungstemperatur des Kältemittels kleiner oder größer als der zweite Grenzwert T2 ist. Solange die Verdampfungstemperatur des Kältemittels größer als der zweite Grenzwert T2 bleibt wiederholen sich die Schritte S6 und S7.
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Ergibt sich in Schritt S5 oder S7, dass die Verdampfungstemperatur kleiner als der zweite Grenzwert T2 ist, so wird die Funktion der Gletschereisvermeidung inaktiv (S8). Die Regeleinrichtung 10 kann im dritten Betriebszustand B3 den variablen Versatz Δ in Abhängigkeit der Änderung der Verdampfungstemperatur bis auf null reduzieren. Dies wird früher oder später dazu führen, dass die Verdampfungstemperatur wieder ansteigt, so dass nach einer gewissen Zeit wieder der zweite Betriebszustand B2 erreicht wird.
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3 illustriert einen zeitlichen Verlauf der Verdampfungstemperatur VT im Verdampfer 1. Die horizontale Achse ist eine Zeitachse t. Die vertikale Achse bezeichnet die Temperatur T. T1 ist der erste Grenzwert der Verdampfungstemperatur, beispielsweise -2 °C, und T2 ist der zweite Grenzwert der Verdampfungstemperatur, beispielsweise -4,5 °C.
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Zunächst wird die Wärmepumpe 1 im ersten Betriebszustand B1 betrieben. Hier regelt die Regeleinrichtung 10 die Überhitzung des Kältemittels im Verdampfer 2 über den Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 auf den Überhitzungssollwert ÜS. Beispielsweise aufgrund sinkender Außentemperatur kann die Verdampfungstemperatur VT absinken und im Zeitpunkt t1 unter den ersten Grenzwert T1 fallen, so dass nun die Wärmepumpe 1 wie oben beschrieben im zweiten Betriebszustand B2 betrieben wird. Dies hat zur Folge, dass der Überhitzungssollwert ÜS um einen Versatz Δ in Abhängigkeit der Abweichung der Verdampfungstemperatur vom zweiten Grenzwert T2 angehoben wird. im zweiten Betriebszustand regelt die Regeleinrichtung 10 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 in Abhängigkeit der Abweichung zwischen Überhitzungssollwert ÜS und Überhitzungsistwert.
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Trotz Anheben des Überhitzungssollwerts kann die Verdampfungstemperatur weiter absinken und zum Zeitpunkt t2 unter den zweiten Grenzwert T2 fallen, so dass die Wärmepumpe 1 im dritten Betriebszustand B3 betrieben wird. im dritten Betriebszustand B3 regelt die Regeleinrichtung 10 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 7, wobei die Regeleinrichtung 10 den variablen Versatz Δ in Abhängigkeit der Änderung der Verdampfungstemperatur bis auf null reduziert.
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Zwischen Zeitpunkt t2 und t3 fängt die Verdampfungstemperatur wieder an zu steigen und überschreitet im Zeitpunkt t3 wieder den zweiten Grenzwert, so dass die Wärmepumpe 1 wieder im zweiten Betriebszustand B2 betrieben wird. Nun vergrößert die Regeleinrichtung 10 den variablen Versatz Δ bis zum maximalen Versatz Δmax.
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Sobald die Verdampfungstemperatur wieder über den ersten Grenzwert T1 steigt (Zeitpunkt t4), wird die Wärmepumpe wieder im ersten Betriebszustand B1 betrieben, wobei die Regeleinrichtung 10 den Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 wieder auf den ursprünglichen Überhitzungssollwert ÜS regelt.
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4 zeigt eine alternative Ausführung des Verfahrens, wobei die Regeleinrichtung 10 statt dem Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 die Drehzahl des Lüfters 8 regelt. 4 entspricht im Wesentlichen der 3, wobei statt dem Überhitzungssollwert die Lüfterdrehzahl gegen die Zeit aufgetragen ist. Um die Verdampfungstemperatur im Verdampfer 2 zu senken regelt die Regeleinrichtung 10 die Lüfterdrehzahl von einem vorgegeben Sollwert (Max) bis auf einen Minimalwert (Lüfter aus, Drehzahl gleich null) herunter.
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Durch eine niedrigere Verdampfungstemperatur kann ein oberer (wärmerer) Bereich des Verdampfers 2 abgekühlt werden. Die hat zur Folge, dass auch der obere Bereich des Verdampfers 2 bereift. Insgesamt kann also eine gleichmäßigere Temperaturverteilung der Oberfläche des Verdampfers 2 und somit eine gleichmäßige Bereifung erreicht werden. Die gleichmäßige Bereifung verhindert, dass Kondensat vom oberen Bereich nach unten abläuft.
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Das erfindungsgemäße Regelverfahren lässt sich folgendermaßen zusammenfassen: Die Wärmepumpe wird zunächst normal betrieben (erster Betriebszustand B1). Sobald die Verdampfungstemperatur unter den ersten Grenzwert T1 (z.B. -2 °C) fällt, wird der Überhitzungssollwert angehoben (zweiter Betriebszustand B2). Der Überhitzungssollwert wird so lange angehoben, bis die Verdampfungstemperatur unter den zweiten Grenzwert T2 (z.B. -4,5 °C) fällt (dritter Betriebszustand B3).
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Der erste Betriebszustand kann zum Beispiel durch eine steigende Außentemperatur erreicht werden. Sinkt die Außentemperatur, so kann der Überhitzungssollwert wieder gesenkt werden. Auch hier kann sich ein normaler Betrieb im ersten Betriebszustand einstellen.
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5 illustriert das Regelschema beim Regeln des Öffnungsgrads des Expansionsventils 7 in Abhängigkeit der Überhitzung bzw. der Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer 2. Das Expansionsventil 7 dient somit als Aktor der Regelschleife, die zwei Regler aufweist, die entweder als getrennte Regeleinrichtungen oder gemeinsam in der Regeleinrichtung 10 vorliegen.
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Die erste Regelschleife hat die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer 2 als Führungsgröße. Die gemessene Verdampfungstemperatur wird mit den Grenzwerten T1 und T2 wie oben beschrieben verglichen. Liegt die Verdampfungstemperatur im kritischen Bereich zwischen T1 und T2 wird die zweite Regelschleife zum Vermeiden der Gletschereisbildung aktiv.
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Die zweite Regelschleife hat den Überhitzungssollwert mit dem variablen Versatz Δ als Führungsgröße. Als Stellgröße wird weiter dar Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 verwendet. Hierbei wird der Überhitzungsistwert mit dem variablen Überhitzungssollwert verglichen und der Öffnungsgrad des Expansionsventils 7 wird in Abhängigkeit der Abweichung zwischen Überhitzungsistwert und Überhitzungssollwert eingestellt.
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6 illustriert das Regelschema beim Regeln der Lüfterdrehzahl. Hier wird wieder die Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer 2 als Führungsgröße verwendet. Als Aktor dient der Lüfter 8. Die Verdampfungstemperatur als Regelgröße wird gemessen und in Abhängigkeit einer Abweichung zwischen der gemessenen Verdampfungstemperatur und dem zweiten Grenzwert T2 wird die Drehzahl des Lüfters 8 geregelt.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmepumpe
- 2
- Verdampfer
- 3
- Vier-Wege-Ventil
- 4
- Verdichter
- 5
- Verflüssiger
- 6
- Sammler
- 7
- Expansionsventil
- 8
- Lüfter
- 9
- Temperatursensor
- 10
- Regeleinrichtung
