[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtauregelung von Wärmepumpen, bei
dem der Abtauvorgang in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfertemperatur
und der Umgebungstemperatur des Verdampfers gesteuert wird.
[0002] Es ist bekannt, daß bei einer mit Umgebungsluft als Energiequelle arbeitenden Wärmepumpe
die Luftfeuchtigkeit auf der Verdampferoberfläche kondensiert und ge
- friert, wenn die Verdampfertemperatur unterhalb 0°C ist. Es ist daher erforderlich
diese Vereisung zu überwachen und gegebenenfalls Abtaumaßnahmen einzuleiten.
[0003] Aus der US-PS 3,950,962 ist eine Abtauregelung bekannt, bei der zur Bestimmung des
Abtaubeginns die Temperatur am Verdampfer und die der Zuluft zum Verdampfer gemessen
und deren Differenz überwacht wird. Wird eine fest vorgegebene Temperaturdifferenz
überschritten, so folgert man, daß dies infolge eines durch Vereisung der Oberflächen
verringerten Warmeüberganges hervorgerufen wird. Es wird somit bei Oberschreitung
des vorgegebenen Soll-Temperaturdifferenzwertes der Abtauvorgang eingeleitet.
[0004] Obwohl diese Methode bei der bekannnten Vorrichtung für eine Wärmepumpe vorgesehen
ist, hat sie sich jedoch nur für die Anwendungsfälle bewährt, bei denen die Zulufttemperatur
nahezu konstant bleibt, wie z.B. in Kühlräumen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß bei
der bekannten Abtaumethode bei höherer Umgebungstemperatur des Verdampfers unnötig
oft abgetaut wird, während bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Abtauung viel zu
spät eingeleitet wird.
[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem der
Abtauvorgang möglichst nahe zum tatsächlich erforderlichen Abtauzeitpunkt erfolgt.
[0006] Die Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.
[0007] Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß bei Außenluft-Wärmepumpen eine Vereisung
von der kältesten Außentemperatur bis zu Temperaturen oberhalb von 0°C auftreten kann.
Aufgrund des etwa konstanten bzw. bei fallender Außentemperatur abnehmenden Volumenstromes
des durch den Verdampfer fließenden Kältemittels tritt bei hoher Außen- bzw. Umgebungstemperatur
bzw. Verdampfungstemperatur wegen der Dampfdichte eine hohe Kälteleistung auf, während
die Kälteleistung bei fallender Umgebungstemperatur stark abfällt. Deshalb ist bei
einem gegebenen Verdampfer schon im nicht vereisten Zustand die Temperaturdifferenz
zwischen Zuluft und Verdampfung bei hohen Umgebungstemperaturen wesentlich höher (zweibis
dreifach) als bei niedrigen.
[0008] Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren wird die Solltemperaturdifferenz entsprechend
der Umgebungstemperatur variiert und damit an das Verdampferverhalten angepaßt. Hierdurch
ist eine zuverlässige Regelung geschaffen, bei der unnötige Abtauvorgänge verhindert
und andererseits zur Wahrung des wirtschaftlichen Betriebes der Wärmepumpe die Abtauvorgänge
rechtzeitig eingeleitet werden. Die Solltemperaturdifferenz wird vorzugsweise kontinuierlich
in Abhängigkeit von der Außentemperatur bzw. der Umgebungstemperatur des Verdampfers
verändert. Es ist aber auch möglich, eine stufenweise Regelung der Solltemperaturdifferenz
anzuwenden.
[0009] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Einleitung des Abtauvorganges
bei Verdampfertemperaturen oberhalb 0°C gesperrt. Hierdurch wird ein unnötiges Abtauen
zuverlässig verhindert, wenn bei derartigen Verdampfertemperaturen die Ist-Temperaturdifferenz
den aus der momentanen Umgebungstemperatur errechneten Sollwert übersteigt.
[0010] Es ist ferner für den kontinuierlichen Betrieb einer Wärmepumpe wünschenswert, daß
der Abtäuvorgang möglichst rasch durchgeführt wird, um somit die Abschaltpausen der
Wärmepumpe möglichst klein zu halten. Hierzu wird vorgeschlagen, daß nach einem vorbestimmten
Kriterium wählbare unterschiedliche Abtausignale abgegeben werden, mit denen unterschiedliche
Abtauprozesse eingeleitet werden können. Die Abtausignale können vorzugsweise von
der Umgebungs- bzw. Zulufttemperatur des Verdampfers abhängig gemacht werden. Gemäß
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Kriterium so gewählt werden, daß
bei einer Umgebungstemperatur oberhalb etwa 3 - 5
*C eine Abtauung durch Umgebungsluft eingeleitet wird,
[0011] wobei lediglich der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe entweder abgeschaltet oder
umgeleitet wird und die Verdampferlüfter weiter in Betrieb bleiben, während bei Temperaturen
unterhalb 5°C ein Abtausignal abgegeben wird, mit dem Heißgas an die Verdampfer geleitet
wird.
[0012] Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens,
mit den im Anspruch 6 gekennzeichneten Merkmalen.
[0013] Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen
schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 ein Temperaturdiagramm,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und
Fig. 4 eine detaillierte Schaltung zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3.
[0014] In Fig. 1 ist der Heizkreis einer Kompressions-Wärmepumpe 10 dargestellt, die aus
einem Verdampfer 11 zur Aufnahme der Energie Q aus der Umgebungsluft 12, einem Verdichter
13, der den Kältemitteldampf aus den Verdampfer 11 verdichtet und einem Verflüssiger
14 zuleitet, an dem ein Verbraucher 15 angeschlossen ist.
[0015] Es ist bekannt, daß ein der Außenluft 12 ausgesetzter Verdampfer aufgrund der Luftfeuchtigkeit
an der Außenflache vereist, wenn die
Verdampfertemperatur T
k bzw. die Temperatur der Verdampferoberfläche einen Wert unterhalb des Gefrierpunktes
hat. Um einen Abtauvorgang bei Bedarf automatisch einzuleiten, ist bei dem Ausführungbeispiel
gemäß Fig. 1 ein Abtauregler 16 vorgesehen, der die Signale eines Verdampfer-Temperaturfühlers
17 und eines Umgebungstemperaturfühlers 18 empfängt und bei Abtaubedarf ein Signal
an ein Stellglied 19 ausgibt. Mit dem Stellglied 19 wird der Verdichter 13 ausgeschaltet
und damit der Abtauvorgang eingeleitet. Der Abtauvorgang kann auch auf andere Weise
eingeleitet werden, wie z.B. durch Umkehrung oder Umleitung des Kältemittelstromes.
[0016] Der Abtauregler 16 enthält einen Differenzbildner 20, mit dem die Temperatudifferenz
ΔT=T
a-T
k gebildet wird, wobei T
a die Umgebungstemperatur ist. In einem hysteresebehafteten Komparator 21 wird das
so gebildete Ist--Temperaturdifferenz-Signal ΔT mit einem Soll-Temperaturdifferenz-Signal
A T verglichen, das von einem Sollwertbildner 22 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur
erzeugt wird. Ist die gemessene Temperaturdifferenz ΔT höher als der entsprechend
errechnete Sollwerte! , dann gibt der Komparator 21 ein Signal 23 aus, mit dem zur
Einleitung des Abtauvorganges das Stellglied 19 aktiviert wird. Bei Fortschreiten
des Abtauvorganges wird der Abtauvorgang beendet, wenn die Temperaturdifferenz ΔT
entsprechend abgesunken ist.
[0017] Aufgrund von Messungen und Rechnungen konnte die Funktion ΔT=f(T
a) der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungs-und Außentemperatur in Abhängigkeit
von der Außentemperatur ermittelt werden, die einen in Fig. 2 mit der Ziffer 30 gekennzeichneten
Verlauf hat. Diese Funktion ΔT=f(T
a) kann in erster Näherung durch eine Gerade 31 a (ΔT'=kT
a) ersetzt werden. Die Gerade 31 entspricht somit etwa der Funktion ΔT=f(T
a), wenn keine Vereisung am Verdampfer 11 stattfindet. Durch Bereifung des Verdampfers
vergrößert sich jedoch die Temperaturdifferenz ΔT um einen Wert a, der in etwa auch
linear mit der Umgebungstemperatur T
a ansteigt. Damit kann eine lineare Änderung des Sollwertes T mit der Außentemperatur
T
a vorgesehen werden, die gegenüber der Geraden 31 um einen Temperaturdifferenzwert
a verschoben ist und gegebenenfalls eine größere Steigerung hat. Diese Gerade ist
mit Ziffer 32 in Fig. 2 dargestellt.
[0018] In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Abtaureglers
40 dargestellt. Der Abtauregler 4o wird von einer Gleichstromquelle 41 gespeist, deren
Ausgangsspannung in einem Referenzspannungs-Erzeuger 42 stabilisiert und gefiltert
wird. Ferner ist der Abtauregler 40 an den Umgebungstemperatur-Sensor 18 sowie den
Verdampfertemperatur-Sensor 17 angeschlossen. Die Sensoren 17 und 18 werden von einer
Spannungsquelle 47 gespeist, die die Referenzspannung U in eine vorbestimmte Sensorspannung
U transformiert.
[0019] Die von den Meßfühlern 17, 18 erzeugten Temperatursignale 43 und 45 werden jeweils
in Verstärkern 50 bzw. 51 dem Spannungsniveau der Schaltung angepaßt und normiert.
Die verstärkten Spannungssignale 52 und 53 werden zur Bildung von vier Kommandosignalen
54 bis 57 im Abtauregler 40 verareitet. Zum einen wird, wie in Beispiel gemäß Fig.
1, mit einem Differenzbildner 60 die Temperaturdifferenz ΔT=T
a-T
k gebildet, die zur Erzeugung des ersten Kommandosignales 54 mittels eines hysteresebehafteten
Komparators 61 mit der Soll-Temperaturdifferenz ΔT
s verglichen. Die Soll-Temperatur- differenzΔT
s wird von einem Funktionsbildner 62 erzeugt und zwar aus dem momentanen Umgebungstemperatursignal
52 und einem extern einstellbaren Spannungswert 63 aus einem Potentiometer 64, der
der für den jeweiligen Anwendungsfall angepaßten Temperaturrdifferenz entspricht.
[0020] Die Soll-Temperaturdifferenz wird in erster Naherung als eine lineare Funktion gemäß
Kurve 32 gebildet. Die Steigung K dieser Funktion ist hierbei variabel. Das so erzeugte
Kommandosignal 54 gibt die Befehle "Abtauvorgang einschalten" bzw. "Abtauvorgang beenden".
[0021] Der Schaltprozeß für den Abtauvorgang wird jedoch mittels zwei Logisch-UND-Verknüpfungen
65 und 66 in Abhängigkeit von weiteren Signalen, nämlich den Kommmandosignalen 55
bis 57 ausgegeben.
[0022] Die Kommandosignale 55 geben an, ob die Verdampfertemperatur größer oder kleiner
als 0°C ist, und sie werden durch Vergleich des Verdampfertemperatur-Signales 53 mit
einer dem 0°C entsprechenden Spannungswert U in einem ebenfalls hysteresebehafteten
Komparator 71 erzeugt.
[0023] Die Kommandosignale 56 und 57 sind äußentemperaturabhängige Signale, die durch den
Vergleich des Umgebungstemperatursignales 52 mit einer einer entsprechenden Temperatur
zugeordneten Spannung U
k in einem dritten hysteresebehafteten Komparator 72 erzeugt werden und mittels eines
Nicht-Gliedes 73 gegeneinander umgekehrt werden. Mit diesen außentemperaturäbhängigen
Kommandosignalen 56 und 57, die jeweils einer der Logisch-UND-Verknüpfung 65 bzw.
66 eingegeben werden, können unterschiedliche Abtauvorgänge eingleitet werden. So
läßt sich beispielsweise bei unterschiedlichen Außentemperaturen entweder lediglich
der Wärmepumpenbetrieb ausschalten und bei einer anderen Temperatur zusätzlich ein
Heißluftgebläse einschalten. Für diesen Fall kann U
k für eine Außentemperatur T
uk=5°C entsprechend ausgelegt werden.
[0024] Die Außentemperatur T
a und die Verdampfertemperatur T
k werden kontinuierlich gemessen und der Sollwert T
s kontinuierlich berechnet.
[0025] Obersteigt die Temperaturdifferenz AT zwischen den Meßwerten den SollwertΔT
s so gibt der Komparator 61 das Abtausignal 54 ab, das in beiden Verknüpfungen 65 und
66 eingeht. Die Logisch-UND-Verknüfung 65 wird jedoch nur dann ein Schaltsignal 74
ausgeben, wenn sie gleichzeitig das Signal 55 T
k<0°C sowie das Signal 56 nämlich T
a<T
uk (beispielsweise T
a kleiner als 5'C) erhält. Hierdurch wird ein erster Schaltprozeß durchgeführt, z.B.
Abschalten des Wärmepumpenbetriebes und Einschalten der Heißgasabtauung.
[0026] Ist hingegen die Außentemperatur T
a höher als der gegebene Wert T
uk so wird die zweite Verknüpfung 66 ein Schaltsignal 75 ausgeben, mit dem beispielsweise
lediglich der Wärmepumpenbetrieb ausgeschaltet wird.
[0027] Wenn die Verdampfertemperatur den Gefrierpunkt überschreitet, dann besteht keine
Gefahr einer Vereisung des Verdampfers 11. In diesem Fall werden keine Signale 55
ausgegeben, so daß die Verknüpfungen 65 und 66 nicht durchgeschaltet werden und ein
Abtauvorgang unterbleibt, auch wenn die TemperaturdifferenzΔT größer ist alsΔT
s.
[0028] Der Abtauregler 40 kann beispielsweise, wie in Fig. 4 dargestellt, ausgebildet werden,
wobei mit entsprechend ausgelegten Spannungsteilern die jeweils erforderlichen Spannungssignale
bestimmt werden. Für die Umschaltung zwischen den vor den Abtausignalen 74 oder 75
einleitbaren Abtauprozessen ist ein vom Komparator 72 ansteuerbares Relais 80 vorgesehen,
der über einen Schalter 81 die Leitung für das Kommandosignal 54 je nach der Umgebungstemperatur
an den Ausgang 74 oder 75 für die Schaltsignale anschließt.
[0029] Das Kommandosignal 55 für die 0°C Verdampfertemperatur-Umschaltung wird mit dem Sollwert-Signal
ΔT
s verknüpft und im Komparator 61' zur Bildung des Kommandosignales 54' mit dem IstwertΔT
verglichen.
1. Verfahren zur Abtauregelung von Wärmepumpen, bei dem der Abtauvorgang in Abhängigkeit
der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfertemperatur und der Umgebungstemperatur
bzw. Zulufttemperatur des Verdampfers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
die Ist-Temperaturdifferenz (ΔT) mit einem Soll-Temperaturdifferenzwert (ΔTs) verglichen wird, der in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur (Ta) und gegebenenfalls der Verdampfertemperatur (Tk) verändert wird, und daß aufgrund des Vergleiches ein Abtausignal abgegeben wird,
wenn die Ist-Temperaturdifferenz die Soll-Temperaturdifferenz übersteigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einleitung des Abtauvorganges
bei Verdampfertemperaturen oberhalb 0°C gesperrt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem vorbestimmten
Kriterium wählbare unterschiedliche Abtausignale (74, 75) abgegeben werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtausignale (74, 75)
in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur variiert werden.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Umgebungstemperaturen
unterhalb 3 - 5°C ein Abtausignal abgegeben wird, mit dem eine Heißgasabtauung eingeschaltet
wird.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1, mit einem Temperaturmeßfühler
für die Verdampfertemperatur und einem Temperaturmeßfühler für die Umgebungsluft des
Verdampfers, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit den beiden Meßfühlern (17, 18) verbundener
Differenzbildner (20, 60) und mit dem Umgebungsluft-Temperaturfühler (18) verbundener
Sollwertbildner (22, 62) vorgesehen sind, deren Ausgänge an einem hysteresebehafteten
Komparator (21, 61) angeschlossen sind, dessen Ausgang (23, 54) mit einem Stellglied
(19) zur Einleitung des Abtauvorganges verbindbar ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Komparator
(71) vorgesehen ist, der das Signal (53) des Verdampfer-Temperaturfühlers (17) mit
einem der Temperatur 0°C entsprechenden Signal (70) vergleicht, und daß eine Logisch-UND-Verknüpfung
(65 bzw. 66) vorgesehen ist, die die Ausgangssignale der beiden Komparatoren (61,
71) empfängt, und bei logisch gleichen Komparatorsignalen (54, 55) ein Abtausignal
(74, 75) abgibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Komparator
(72) vorgesehen ist, der das Signal (52) des UmgebungsTemperaturfühlers (18) mit einem
Signal (Uk) vergleicht, das einer konstanten Temperatur, insbesondere etwa 5°C entspricht.