Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Leistungszahl einer Kältemaschine, insbesondere einer Wärmepumpe, die einen ein Kältemittel aufweisenden geschlossenen Kreislauf umfasst, in dem ein Verdampfer, ein Verdichter, ein Verflüssiger und ein Expansionsventil angeordnet sind.

Als Leistungszahl (COP) einer Kältemaschine wird der Quotient aus Heizleistung der Kältemaschine und aufgenommener elektrischer Leistung der Kältemaschine bezeichnet. Herkömmlicherweise wird die elektrische Leistungsaufnahme der Kältemaschine über einen Stromzähler erfasst, während die Heizleistung der Kältemaschine durch eine Temperatur- und Volumenstrommessung auf der Wasserseite des Kältemittelkreislaufs, d.h. also hinter dem Verflüssiger, ermittelt wird.

Bekannt ist auch ein Verfahren, bei dem mit Hilfe von zwei Drucksensoren und drei Temperatursensoren die Temperaturen und Drücke des Kältemittels an verschiedenen Stellen des Kreislaufs erfasst und zur Berechnung der Leistungszahl herangezogen werden. Mittels eines Stromzählers wird außerdem die elektrische Leistungsaufnahme der Kältemaschine erfasst. Durch Multiplikation der Leistungszahl mit der aufgenommenen elektrischen Leistung kann dann die Heizleistung der der Kältemaschine errechnet werden.

Als problematisch erweist sich bei den bekannten Verfahren bzw. Kältemaschinen, dass sowohl der Stromzähler als auch die Drucksensoren einen nicht unerheblichen Kostenfaktor darstellen.

Die EP 0 100 210 A2 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung einer Leistungszahl einer ein Kältemittel aufweisenden Klimaanlage, bei dem mit Hilfe von mindestens vier Temperatursensoren vier Temperaturen des Kältemittels ermittelt werden, aus welchen Enthalpien des Kreislaufs berechnet werden können, die zur Bestimmung der Leistungszahl COP der Kältemaschine verwendet werden.

Die US 5,735,134 A lehrt ein Verfahren zum Optimieren einer Leistungszahl einer Klimaanlage mittels eines einzigen gemessenen Temperatur- oder Druckwertes. Dieses Verfahren setzt voraus, dass die maximale Leistungskennzahl schon bekannt ist, so dass bei Messung des Temperatur- oder Druckwertes der ideale Betriebspunkt der Klimaanlage anhand von vorbekannten Werten eingestellt werden kann.

Die EP 1 914 481 A2 beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überprüfen eines Kältekreislaufs. In diesem Verfahren wird ein so genannter "figure of merit" berechnet, der an die Effizienz, d.h. die Leistung eines solchen Systems gekoppelt ist. In dem Kältekreislauf werden mittels Temperatur- und Drucksensoren Temperaturen und Drücke des Kältemittels ermittelt. Aus den ermittelten Temperatur- und Druckwerten können Enthalpien des Kreislaufs bestimmt werden, aus welchen dann ein Effizienzfaktor der Kältemaschine ermittelt wird.

Die JP 2004 176938 A offenbart ein Verfahren zum Steuern der Leistungszahl eines Kühlsystems, bei dem die Leistungszahl mittels zweier Temperatursensoren und zweier Drucksensoren bestimmt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstigeres Verfahren zur Bestimmung der Leistungszahl einer Kältemaschine zu schaffen.

Zur Lösung der Aufgabe ist ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 werden zur Bestimmung der Leistungszahl einer Kältemaschine, insbesondere einer Wärmepumpe, die einen ein Kältemittel aufweisenden geschlossenen Kreislauf umfasst, in dem ein Verdampfer, ein Verdichter, ein Verflüssiger und ein Expansionsventil angeordnet sind, mit Hilfe von genau drei Temperatursensoren, die in dem Kreislauf angeordnet sind, drei Temperaturen des Kältemittels ermittelt. Aus den ermittelten Kältemitteltemperaturen werden Enthalpien und Drücke des Kreislaufs berechnet, und aus Differenzen der berechneten Enthalpien werden sowohl die Heizleistung als auch die aufgenommene elektrische Leistung der Kältemaschine berechnet. Aus dem Quotienten der berechneten Heizleistung und der berechneten aufgenommenen elektrischen Leistung wird schließlich die Leistungszahl der Kältemaschine bestimmt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1 wird die Leistungszahl der Kältemaschine mit anderen Worten ausschließlich anhand von Temperaturwerten ermittelt, die von drei in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Temperatursensoren geliefert werden, wobei eine gewisse Kenntnis der thermodynamischen Eigenschaften des Systems, insbesondere des Kältemittels und des Verdichters, vorausgesetzt wird. Durch die Messung der Kältemitteltemperaturen an drei verschiedenen Stellen des Kältemittelkreislaufs wird ein Minimum von Information über den Kältemittelkreislauf ermittelt, der erforderlich ist, um die Leistungszahl der Kältemaschine bestimmen zu können.

Eine Verwendung von zusätzlichen Sensoren, z.B. weiteren Temperatursensoren oder Drucksensoren, die typischerweise etwa zehnmal teurer als Temperatursensoren sind, ist somit grundsätzlich nicht erforderlich. Insbesondere kann auf den Einsatz eines kostspieligen Stromzählers verzichtet werden. Die erfindungsgemäße Verwendung einer minimalen Anzahl von Temperatursensoren ermöglicht es also, die Leistungszahl einer Kältemaschine mit einem minimalen Kostenaufwand zu ermitteln.

Gemäß der Erfindung wird eine erste Temperatur im Bereich des Eingangs des Verdichters, eine zweite Temperatur im Bereich des Ausgangs des Verflüssigers und eine dritte Temperatur im Bereich des Ausgangs des Expansionsventils gemessen. Die an diesen Stellen des Kältemittelkreislaufs gemessenen Kältemitteltemperaturen reichen grundsätzlich aus, um die Enthalpien des Kreislaufs zu ermitteln und hieraus letztlich die Leistungszahl der Kältemaschine zu bestimmen.

Weiterer Gegenstand der Erfindung ist außerdem eine Kältemaschine nach Anspruch 2. Mit Hilfe dieser Kältemaschine lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders gut durchführen und die voranstehenden Vorteile entsprechend erreichen.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kältemaschine;

Fig. 2

ein Log p, H - Diagram des Kältemittels der Kältemaschine von Fig. 1 und den zugehörigen Kreisprozess;

Fig. 3

eine schematische Darstellung einer Variante einer Kältemaschine;

Fig. 4

eine schematische Darstellung einer weiteren Variante einer Kältemaschine;

Fig. 5

eine schematische Darstellung einer weiteren Variante einer Kältemaschine;

Fig. 6

eine schematische Darstellung einer weiteren Variante einer Kältemaschine; und

Fig. 7

eine schematische Darstellung einer weiteren Variante einer Kältemaschine.

In Fig. 1 ist eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kältemaschine dargestellt. Die Kältemaschine umfasst einen ein Kältemittel aufweisenden geschlossenen Kreislauf 10, in dem ein Verdampfer 12, ein Verdichter 14, ein Verflüssiger 16 und ein Expansionsventil 18 angeordnet sind.

Zur Ermittlung der Kältemitteltemperatur ist ein Temperatursensor 28 im Bereich des Eingangs des Verdichters 14, ein Temperatursensor 30 im Bereich des Ausgangs des Verflüssigers 16 und ein Temperatursensor 32 im Bereich des Ausgangs des Expansionsventils 18 angeordnet. Die Tem-peratursensoren 28, 30, 32 sind mit einer Auswerteeinheit 26 verbunden, die in eine Steuerung der Kältemaschine integriert sein kann.

Die Kältemaschine wird hier in ihrer Funktion als Wärmepumpe beschrieben. Fig. 2 zeigt zu diesem Zweck ein Log p, H - Diagramm des in der Kältemaschine verwendeten Kältemittels, wobei der Druck p des Kältemittels logarithmisch als Funktion der Enthalpie H aufgetragen ist. Eingezeichnet sind außerdem die Grenzen gesättigter Flüssigkeit 20 und gesättigten Gases 22.

Der Punkt E in Fig. 2 bezeichnet den Zustand des Kältemittels nach der Expansion durch das Expansionsventil 18. In dem Verdampfer 12 findet eine Verdampfung (E-A) und Überhitzung (A-B) des Kältemittels statt.

Der Verdichter 14 sorgt für eine Verdichtung (B-C) des Kältemittels, die mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung einhergeht. Beispielsweise kann die Temperatur des Kältemittels von etwa +10°C am Ausgang des Verdampfers 12 durch den Verdichter 14 bis auf etwa +90°C erhöht werden.

Im Verflüssiger 16 erfolgt eine Verflüssigung (C-D) des Kältemittels, wobei die Verflüssigungstemperatur zum Beispiel +50°C betragen kann. Das nunmehr flüssige und nur noch 50°C warme Kältemittel wird anschließend durch das Expansionsventil 18 entspannt (D-E), wobei es beispielsweise bis auf etwa 0°C abkühlt.

Nachfolgend wird als T1 die Temperatur des gasförmigen Kältemittels am Eingang des Verdichters 14, als T2 die Temperatur des flüssigen Kältemittels am Ausgang des Verflüssigers 16, als T3 die Temperatur des expandierten Kältemittels am Ausgang des Expansionsventils 18 und als T4 die Temperatur des gasförmigen Kältemittels am Ausgang des Verdichters 14 bezeichnet.

Als P1 wird der Verdampfungsdruck, d.h. also der Druck des gasförmigen Kältemittels am Ausgang des Verdampfers 12, und als P2 der Verflüssigungsdruck, d.h. also der Druck des flüssigen Kältemittels am Ausgang des Verflüssigers 16 bezeichnet.

Zur Bestimmung der Leistungszahl der Kältemaschine wird zunächst die Enthalpie H1 am Ausgang des Verflüssigers 16, die Enthalpie H2 am Eingang des Verdichters 14 und die Enthalpie H3 am Ausgang des Verdichters 14 ermittelt.

Dabei ist die Enthalpie H 1 eine Funktion der Kältemitteltemperatur T2 am Ausgang des Verflüssigers, die Enthalpie H2 eine Funktion der Kältemitteltemperatur T1 am Eingang des Verdichters 14 und des Kältemitteldrucks P1 am Ausgang des Verdampfers 12 und die Enthalpie H3 eine Funktion der Kältemitteltemperatur T4 am Ausgang des Verdichters 14 und des Kältemitteldrucks P2 am Ausgang des Verflüssigers 16: $$\mathrm{H}\mathrm{1}=\mathrm{f}\left(\mathrm{T}\mathrm{2}\right)$$ $$\mathrm{H}\mathrm{2}=\mathrm{f}\left(\mathrm{P}\mathrm{1},\mathrm{T}\mathrm{1}\right)$$ $$\mathrm{H}\mathrm{3}=\mathrm{f}\left(\mathrm{P}\mathrm{2},\mathrm{T}\mathrm{4}\right)$$

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform erfolgt die Ermittlung der der Temperaturen T1, T2, T3 durch Messung mit Hilfe der Temperatursensoren 28, 30 bzw. 32. Die von den Temperatursensoren 28, 30, 32 erfassten Temperaturwerte T1, T2, T3 werden an die Auswerteeinheit 26 übermittelt.

Die Auswerteeinheit 26 berechnet unter Verwendung der Druckgleichung des verwendeten Kältemittels aus dem empfangenen Wert für die Temperatur T2 am Ausgang des Verflüssigers 16 den Druck P2 und aus dem Temperaturwert T3 am Ausgang des Expansionsventils 18 den Druck P1. Als Druckgleichung kann beispielsweise die allgemein bekannte Clausius-Clapeyron-Gleichung verwendet werden.

In Kenntnis der Temperaturen T1 und T2 sowie des Druckes P1 lassen sich nun durch die Gleichungen (1) und (2) die Enthalpien H1 und H2 bestimmen.

Die Enthalpie H3 wird, da die Temperatur T4 nicht bekannt ist, aus dem Verdichtermodell berechnet.

Hierzu wird angenommen, dass etwa 95 % der von dem Verdichter 14 aufgenommenen elektrischen Leistung in den Kältekreislauf induziert werden. Die von dem Verdichter 14 aufgenommene elektrische Leistung Qel wird dabei nicht durch einen Stromzähler ermittelt, sondern durch ein die thermodynamischen Eigenschaften des Verdichters 14 beschreibendes Modell berechnet, z.B. ein 10-Koeffizienten-Modell.

Mit Hilfe dieses Modells kann nicht nur die von dem Verdichter 14 aufgenommene elektrische Leistung, sondern auch die Kälteleistung Q0 des Verdichters 14, der von dem Verdichter 14 aufgenommene elektrische Strom I und der Massenstrom m° des durch den Verdichter 14 strömenden Kältemittels berechnet werden.

Dabei gelten die berechneten Werte nur für den dokumentierten Arbeitspunkt des Verdichters 14 bei entweder konstanter Überhitzung oder konstanter Sauggastemperatur, d.h. konstanter Temperatur T1 des Kältemittels am Verdichtereingang. Um die Werte des realen Betriebspunkts zu berechnen, müssen die Werte in Abhängigkeit von der realen Verdichtereingangstemperatur T1 korrigiert werden.

Die von dem Verdichter 14 aufgenommene elektrische Leistung Qel wird durch den Massenstrom m⁰ geteilt, um die Enthalpiedifferenz H3-H2 zu bestimmen: $$\mathrm{Qel}/\mathrm{m°}=\mathrm{H}\mathrm{3}-\mathrm{H}\mathrm{2}$$

Da die Enthalpie H2 aus Gleichung (2) bekannt ist, lässt sich aus der Enthalpiedifferenz H3-H2 leicht die Enthalpie H3 berechnen.

Zur Kontrolle wird die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang aus dem Schnittpunkt der Linie der Enthalpie H3 mit der Linie des Druckes P2 in dem Log p, H - Diagramm von Fig. 2 berechnet.

Aus der Differenz der berechneten Enthalpien H3 und H 1 wird anschließend gemäß der Gleichung $$\mathrm{Qh}={\mathrm{m}}^{\mathrm{°}}*\left(\mathrm{H}\mathrm{3}-\mathrm{H}\mathrm{1}\right)$$
die Heizleistung Qh der Kältemaschine berechnet. Die von dem Verdichter 14 aufgenommene elektrische Leistung Qel wurde bereits mit Hilfe des Verdichtermodells ermittelt und ist gemäß Gleichung (4) proportional zu der Differenz der Enthalpien H3 und H2.

Zur Bestimmung der Leistungszahl COP bzw. des Wirkungsgrades der Kältemaschine braucht abschließend nur noch der Quotient aus der Heizleistung Qh und der elektrischen Leistung Qel gebildet zu werden: $$\mathrm{COP}=\mathrm{Qh}/\mathrm{Qel}=\left(\mathrm{H}\mathrm{3}-\mathrm{H}\mathrm{1}\right)/\left(\mathrm{H}\mathrm{3}-\mathrm{H}\mathrm{2}\right)$$

Durch eine Integration der Leistungszahl über die Zeit kann aus der Leistungszahl außerdem die Jahresarbeitszahl der Kältemaschine ermittelt werden. Entsprechend können die Heizleistung Qh und die elektrische Leistung Qel über die Zeit integriert werden, um die Heizenergie und die aufgenommene elektrische Energie anzuzeigen. Die Leistungsaufnahme von Zusatzgeräten, wie z.B. Pumpen, Elektronik, etc., kann dabei durch geeignete Parameter in die Berechnung einfließen.

In Fig. 3 ist eine Kältemaschine dargestellt, die nicht zur Erfindung gehört und sich von der voranstehend beschriebenen Ausführungsform darin unterscheidet, dass ein mit der Auswerteeinheit 26 verbundener vierter Temperatursensor 34 im Bereich des Ausgangs des Verdichters 14 angeordnet ist, um die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang zu ermitteln. Bei dieser Kältemaschine braucht die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang also nicht mit Hilfe eines Verdichtermodells abgeschätzt zu werden, sondern sie wird direkt gemessen.

Entsprechend der voranstehenden Ausführungsform berechnet die Auswerteeinheit 26 unter Verwendung der Druckgleichung des verwendeten Kältemittels aus dem empfangenen Wert für die Temperatur T2 am Ausgang des Verflüssigers 16 den Druck P2 und aus der Temperatur T3 am Ausgang des Expansionsventils 18 den Druck P1. Anschließend werden gemäß den Gleichungen (1) bis (3) aus den gemessenen Temperaturen T1, T2, T4 und den berechneten Drücken P1, P2 die Enthalpien H1, H2 und H3 bestimmt und hieraus nach Gleichung (6) die Leistungszahl ermittelt. In Fig. 4 ist eine weitere Kältemaschine dargestellt, die nicht zur Erfindung gehört und sich von der unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform darin unterscheidet, dass anstelle des dritten Temperatursensors 32 ein Drucksensor 36 im Bereich des Ausgangs des Verdampfers 12 angeordnet ist, um dort den Druck P1 des Kältemittels zu messen. Der Drucksensor 36 ist mit der Auswerteeinheit 26 verbunden, um dieser den gemessenen Kältemitteldruck P1 zu übermitteln.

Bei dieser Kältemaschine braucht der Druck P1also nicht aus der Kältemitteltemperatur T3 am Ausgang des Expansionsventils 18 berechnet zu werden, sondern er wird direkt gemessen. Lediglich der Druck P2 ist unter Verwendung der Druckgleichung des verwendeten Kältemittels aus der Temperatur T2 am Ausgang des Verflüssigers 16 zu berechnen, und die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang ist wie anhand von Fig. 1 erläutert mit Hilfe eines Verdichtermodells zu berechnen, damit gemäß den Gleichungen (1) bis (3) die Enthalpien H 1, H2 und H3 und hieraus nach Gleichung (6) die Leistungszahl der Kältemaschine bestimmt werden können.

In Fig. 5 ist eine weitere Kältemaschine dargestellt, die nicht zur Erfindung gehört und sich von der in Fig. 4 gezeigten Kältemaschine darin unterscheidet, dass ein mit der Auswerteeinheit 26 verbundener vierter Temperatursensor 34 im Bereich des Ausgangs des Verdichters 14 angeordnet ist, um die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang zu ermitteln. Anders als bei der Kältemaschine der Fig. 4 braucht die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang bei dieser Kältemaschine also nicht mit Hilfe eines Verdichtermodells berechnet zu werden, sondern sie wird ähnlich wie bei der in Fig. 3 gezeigten Kältemaschine direkt gemessen. Wie bei den voranstehend beschriebenen Kältemaschinen wird auch hier der Druck P2 aus der Kältemitteltemperatur T2 am Ausgang des Verflüssigers 16 berechnet.

Aus den gemessenen Temperaturen T1, T2, T4 und dem gemessenen Druck P1 sowie dem berechneten Druck P2 werden anschließend die Enthalpien H1, H2 und H3 gemäß den Gleichungen (1) bis (3) berechnet und daraus nach Gleichung (6) die Leistungszahl bestimmt.

In Fig. 6 ist eine weitere Kältemaschine dargestellt, die nicht zur Erfindung gehört und sich von der in Fig. 4 gezeigten Kältemaschine darin unterscheidet, dass ein mit der Auswerteeinheit 26 verbundener zweiter Drucksensor 38 im Bereich des Ausgangs des Verflüssigers 16 angeordnet ist, um den Kältemitteldruck P2 am Verflüssigerausgang zu ermitteln.

Anders als bei der Kältemaschine der Fig. 4 braucht der Druck P2 bei dieser Kältemaschine also nicht unter Verwendung der Druckgleichung des verwendeten Kältemittels aus der Temperatur T2 am Ausgang des Verflüssigers 16 berechnet zu werden, sondern er wird direkt gemessen. Lediglich die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang wird bei dieser Kältemaschine wie anhand von Fig. 1 beschrieben mit Hilfe eines Verdichtermodells berechnet.

Aus den gemessenen Temperaturen T1, T2 und den gemessenen Drücken P1, P2 sowie der berechneten Temperatur T4 werden anschließend gemäß den Gleichungen (1) bis (3) die Enthalpien H1, H2 und H3 berechnet und daraus nach Gleichung (6) die Leistungszahl bestimmt.

In Fig. 7 ist eine weitere Kältemaschine dargestellt, die nicht zur Erfindung gehört und sich von der in Fig. 6 gezeigten Kältenaschine darin unterscheidet, dass ein mit der Auswerteeinheit 26 verbundener dritter Temperatursensor 34 im Bereich des Ausgangs des Verdichters 14 angeordnet ist, um die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang zu ermitteln. Anders als bei der Kältemaschine der Fig. 6 braucht die Kältemitteltemperatur T4 am Verdichterausgang bei dieser Kältemaschine also nicht mit Hilfe eines Verdichtermodells abgeschätzt zu werden, sondern sie wird direkt gemessen.

Aus den gemessenen Temperaturen T1, T2, T4 und den gemessenen Drücken P1, P2 werden anschließend die Enthalpien H1, H2 und H3 gemäß den Gleichungen (1) bis (3) berechnet und daraus nach Gleichung (6) die Leistungszahl bestimmt.

10

Kreislauf

12

Verdampfer

14

Verdichter

16

Verflüssiger

18

Expansionsventil

20

Grenzen gesättigter Flüssigkeit

22

Grenzen gesättigten Gases

26

Auswerteeinrichtung

28

Temperatursensor

30

Temperatursensor

32

Temperatursensor

34

Temperatursensor

36

Drucksensor

38

Drucksensor

H 1

Enthalpie

H2

Enthalpie

H3

Enthalpie

T1

Temperatur

T2

Temperatur

T3

Temperatur

T4

Temperatur

P1

Druck

P2

Druck