[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
[0002] Wärmepumpen sind Maschinen, die unter Zufuhr von technischer Arbeit Wärme von einem
niedrigeren zu einem höheren Temperaturniveau überführen. Bei Wärmepumpenheizungen
wird die auf dem hohen Temperaturniveau anfallende Verflüssigungswärme zum Heizen
von Räumen oder zur Warmwasserbereitung genutzt. Die Wärmeabgabe wird mit einem Drei-Wege-Umschaltventil
gesteuert. Elektromotorisch angetriebene Kompressionswärmepumpen stellen den Hauptanwendungsfall
von Wärmepumpen dar. Der Wärmepumpenprozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess,
wobei ein Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf geführt wird. Das Kältemittel
wird von einem Kompressor angesaugt, verdichtet und einem Verflüssiger, dem Kondensator,
zugeführt. Der Verflüssiger ist ein Wärmeübertrager, in dem die bei der Verflüssigung
anfallende Wärme an ein Fluid, zum Beispiel an einen Heizkreislauf oder an Raumluft,
abgegeben wird. Das dabei sich verflüssigende Kältemittel wird dann zu einer Entspannungseinrichtung
geführt. Üblicherweise ist dies ein thermisches Expansionsventil. Durch die Entspannung
kühlt das Kältemittel ab. In einem nachgeschalteten Verdampfer wird Wärme von einer
auf einem niedrigen Temperaturniveau befindlichen Wärmequelle an das Kältemittel übertragen
und führt zum Verdampfen des Kältemittels. Als Wärmequelle kann die Umgebungsluft
oder ein Solekreis genutzt werden, der die Wärme aus dem Erdreich aufnimmt. Das verdampfte
Kältemittel wird dann wieder von dem Kompressor angesaugt. Eine Regeleinrichtung steuert
den Wärmepumpenprozess, indem sie auf das Verhalten der Komponenten einwirkt.
[0003] Bevor die Verdichtung beginnt, muss dem Kältemitteldampf - in Form von Nassdampf
oder Sattdampf - noch Energie zugeführt werden, damit der Dampf überhitzt wird. Die
Überhitzung ist technisch erforderlich, da nur gasförmiges Kältemittel verdichtet
werden darf. Die Verdichtung eines Gemisches aus Kältemitteldampf und Kältemitteltröpfchen
dagegen führt zu sehr hohen Drücken, die an einem charakteristischen Geräusch zu erkennen
sind. Daraus kann die mechanische Überlastung und baldige Zerstörung des Verdichters
und auch von Ventilen resultieren. Die Überhitzungsenergie wird über den Verdampfer
bzw. Verdichtermotor zugeführt. Oftmals werden auch Flüssigabscheider vor dem Kompressor
eingebaut.
[0004] Aus dem Stand der Technik kennt man Expansionsventile, welche die Überhitzung regeln.
Das Stellsignal kommt dabei von der Regeleinrichtung und ergibt sich dann zum Beispiel
aus einem Vergleich von Temperatur und Druck des Kältemittels am Verdampferaustritt.
[0005] Eine Wärmepumpe mitsamt Komponenten ist normalerweise für optimalen Betrieb mit üblichen
Quellentemperaturen und üblichen Wärmeabgabetemperaturen ausgelegt. Die Quellentemperatur
kann im Fall von Erdwärmepumpen stärker fallen, wenn zum Beispiel das Bohrloch relativ
klein ausgelegt ist und die Wärmeentnahme über einen langen Zeitraum recht stark.
Dann bleibt die natürliche Regeneration aus. Bei Luft-Wärmepumpen fällt die Wärmeabgabeleistung
durch die niedrige Ansauglufttemperatur an kalten Wintertagen.
[0006] Beim kontinuierlichen Heizbetrieb zur Abgabe von Wärme an ein Heizungssystem macht
sich das kaum bemerkbar, weil dieser normalerweise den größten Anteil an der Betriebszeit
hat und die Wärmepumpe darauf ausgelegt ist. Auch das angeschlossene, Wärme abgebende
Heizungssystem hat im Optimalfall eine Auslegungstemperatur von beispielsweise nur
35°C, so dass durch eine verhältnismäßig geringe Temperaturspreizung insgesamt gute
Wirkungsgrade erreicht werden.
[0007] Anders sieht üblicherweise die Situation im Warmwasserbereitungsbetrieb aus, weil
dabei Vorlauftemperaturen über 55°C benötigt werden, um beispielsweise Trink- oder
Brauchwasser in einem angeschlossenen Warmwasserspeicher auf praxisübliche Temperaturen
aufzuheizen. Diese relativ hohen Temperaturen sind normalerweise problemlos erreichbar.
Entweder mit entsprechenden Quellentemperaturen oder mit relativ hohem Druck des Kältemittels
im internen Rohrleitungskreislauf. Gemessen wird dieser in der Regel mit einem Drucksensor
im Leitungsabschnitt zwischen Kompressor und Entspannungseinrichtung.
[0008] Prinzipbedingt sind dem Kältemitteldruck im Hochdruckteil einer Wärmepumpe allerdings
Grenzen gesetzt. Die Druck-Obergrenze kann daher eventuell erreicht werden, wenn die
Quellentemperatur relativ niedrig und die Wärmeabgabetemperatur relativ hoch ist.
Durch Drucksteigerung wird dabei versucht, die abgabeseitigen Temperatursollwerte
zu erreichen. Wird dabei die Druck-Obergrenze überschritten, liegt eine sogenannte
Hochdruckstörung vor und die Wärmepumpe wird dann abgeschaltet. Eine Inspektion du
Wiederinbetriebnahme durch eingewiesenes Fachpersonal ist nötig. Bei der Warmwasserbereitung
kann dieser spezielle Betriebszustand somit am ehesten auftreten.
[0009] Wichtig für einen wirkungsgradoptimierten Betrieb ist daher generell eine möglichst
geringe Temperaturspreizung zwischen Wärmequelle und der Wärmeabgabeseite. Dann arbeitet
insbesondere der Kompressor in einem günstigen Druckbereich. Trotzdem sollen die vorstehend
beschriebenen Betriebszustände und -anforderungen möglichst gut beherrscht werden.
[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe
zu schaffen, mit dem Störabschaltungen vermieden werden und ein optimierter Betrieb
erreicht wird.
[0011] Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
[0012] Das erfindungsgemäße Verfahren ist
dadurch gekennzeichnet, dass mindestens während des Warmwasserbereitungsbetriebes aktuelle Messwerte am Drucksensor
ausgewertet und mit vorgebbaren Werten für einen optimalen Arbeitsdruck des Kompressors
verglichen werden. Erfindungsgemäß erfolgt vor Erreichen einer vorgebbaren Druck-Obergrenze
eine Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes. Die Wärmepumpe schaltet ab, wenn
zum Beispiel in der Sommerzeit keine Wärmeanforderung für Heizbetrieb vorliegt. Oder
es erfolgt ein Wechsel vom Warmwasserbereitungsbetrieb in den Heizbetrieb, bevor eventuell
die Druck-Obergrenze erreicht worden wäre.
[0013] In einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist dafür ein Abschaltdruck-Wert
für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen, welcher kleiner als eine vorgebbare
Druck-Obergrenze ist. Alternativ dazu ist bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante
ein Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen, welcher an
eine vorgebbare Druck-Obergrenze mit einem festen Abstandsbetrag gekoppelt ist. Vor
der Abschaltung wird somit eine zusätzliche Umschaltschwelle installiert. Vorzugsweise
sind Abschaltdruck-Werte werksseitig voreingestellt und können vom Inbetriebnahmepersonal
bei Bedarf noch verändert werden, beispielsweise um auf spezifische Anlagensituationen
einzugehen.
[0014] Wurde der Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb erreicht und hat
das Drei-Wege-Umschaltventil den Übergang in den Heizbetrieb veranlasst, so wird der
Warmwasserbereitungsbetrieb erfindungsgemäß erneut gestartet, wenn nach einer vorgebbaren
Zeitdauer eine Anforderung für Warmwasserbereitung weiterhin ansteht. Vorteilhafterweise
wird nach Erreichen des Abschaltdruck-Wertes und Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes
bei Vorhandensein einer weiteren Wärmequelle im angeschlossenen Warmwasserbereitungssystem
auf diese umgeschaltet, um bei einer weiter anstehenden Wärmeanforderung des Warmwasserbereitungssystems
dieses dann beispielsweise mit einem Elektroheizstab schnell auf die geforderte Temperatur
zu bringen. Dabei handelt es sich meist nur um einen kurzzeitigen Betrieb des Elektroheizstabes
für das Erreichen des vom Nutzer vorgegebenen Warmwasser-Sollwertes, denn die größte
Energiemenge wurde bereits vorher in das System, insbesondere in einen angeschlossenen
Warmwasserspeicher, eingebracht.
[0015] Mit dieser Erfindung steht ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe zur Verfügung,
mit dem Störabschaltungen vermieden werden und ein optimierter Betrieb erreicht wird.
Die Rückkehr in den Heizbetrieb erfolgt beispielsweise schneller als bei herkömmlichen
Systemen, so dass Komforteinbußen für Raum- bzw. Gebäudenutzer durch sehr lange Warmwasserbereitungsphasen
vermieden werden. Erfindungsgemäß wird insgesamt der Warmwasserbereitungsbetrieb verbessert
und mit einer Sicherheitsschwelle, nämlich der rechtzeitigen Rückkehr in den Heizbetrieb
zum Vermeiden einer Hochdruckstörung, versehen.
[0016] Man vermeidet mit der Umschaltung sicher eine Hochdruckstörung im Warmwasserbereitungsbetrieb,
welche ansonsten auch durch die thermische Trägheit des Systems möglicherweise auftreten
konnte, wenn sich der Kältekreis im Druck-Grenzbereich bewegte. Im gesamten Wärmepumpensystem
enthaltene Energie geht bei der Umschaltung vom Warmwasserbereitungsbetrieb auf hohem
Temperatur- und Druckniveau zum Heizbetrieb nicht verloren, da diese thermische Energie
dann in den Heizkreislauf gelangt.
[0017] Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer
einzigen Figur schematisch den Aufbau eines Heizungs- und Warmwasserbereitungssystems
mit einer Wärmepumpe.
[0018] Die Wärmepumpe besteht aus einem Kompressor 1, einem Verflüssiger 2, einer Entspannungseinrichtung
3, einem Verdampfer 4, einem geschlossenen Rohrleitungskreislauf zur Verbindung dieser
Kältekreislauf-Komponenten, einem durch den Rohrleitungskreislauf zirkulierenden Kältemittel,
einem Drucksensor 5 im Leitungsabschnitt zwischen Kompressor 1 und Entspannungseinrichtung
3 sowie einer Regeleinrichtung 6 zur Steuerung des Wärmepumpenprozesses.
[0019] Die Wärmeabgabe erfolgt über den Verflüssiger 2 an einen angeschlossenen Heizkreislauf
7 mit integrierter Umwälzpumpe 8 an ein Heizungssystem 9. Mit einem Drei-Wege-Umschaltventil
10 in der Rücklaufleitung wird in den Warmwasserbereitungsbetrieb umgeschaltet, so
dass das Heizwasser über die Warmwasseranschlussleitung 11 in einen Warmwasserspeicher
12 bzw. dessen Wärmetauscher geleitet wird. Ein Temperatursensor 13 ist im unteren
Bereich des Warmwasserspeichers 12 vorgesehen, um nach dessen Messwerten die Warmwasserbereitung
zu regeln.
[0020] Als Wärmequelle ist eine Erdsondenbohrung 14 dargestellt, wobei eine Solepumpe 15
die Sole über die Soleleitung 16 durch den Verdampfer 4 fördert.
[0021] Mindestens während des Warmwasserbereitungsbetriebes werden aktuelle Messwerte am
Drucksensor 5 ausgewertet und mit vorgebbaren Werten für einen optimalen Arbeitsdruck
des Kompressors 1 verglichen. Vor Erreichen einer vorgebbaren Druck-Obergrenze im
Hochdruckteil des Kältekreises, also zwischen Kompressor 1 und Entspannungseinrichtung
3, erfolgt eine Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes.
1. Verfahren zum Betreiben einer Wärmepumpe mit mindestens einem Kompressor (1), welcher
vorgebbare Werte für einen optimalen Arbeitsdruck aufweist, mindestens einem Verflüssiger
(2), mindestens einer Entspannungseinrichtung (3), mindestens einem Verdampfer (4),
einem geschlossenen Rohrleitungskreislauf zur Verbindung der vorgenannten Komponenten,
einem durch den Rohrleitungskreislauf und die vorgenannten Komponenten zirkulierenden
Kältemittel, einem Drucksensor (5) im Leitungsabschnitt zwischen Kompressor (1) und
Entspannungseinrichtung (3), einer Regeleinrichtung (6) zur Steuerung des Wärmepumpenprozesses
sowie mindestens einem angeschlossenen Heizkreislauf (7) zur Warmwasserbereitung und/oder
Abgabe von Wärme an ein Heizungssystem (9), wobei die Wärmeabgabe mit einem Drei-Wege-Umschaltventil
(10) gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens während des Warmwasserbereitungsbetriebes aktuelle Messwerte am Drucksensor
(5) ausgewertet und mit vorgebbaren Werten für einen optimalen Arbeitsdruck des Kompressors
(1) verglichen werden, und dass vor Erreichen einer vorgebbaren Druck-Obergrenze der
Warmwasserbereitungsbetrieb beendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen ist, welcher
kleiner als eine vorgebbare Druck-Obergrenze ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Abschaltdruck-Wert für den Warmwasserbereitungsbetrieb vorgesehen ist, welcher
an eine vorgebbare Druck-Obergrenze mit einem festen Abstandsbetrag gekoppelt ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Warmwasserbereitungsbetrieb erneut gestartet wird, wenn nach einer vorgebbaren
Zeitdauer eine Anforderung für Warmwasserbereitung weiterhin ansteht.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen des Abschaltdruck-Wertes und Beendigung des Warmwasserbereitungsbetriebes
bei Vorhandensein einer weiteren Wärmequelle im angeschlossenen Warmwasserbereitungssystem
auf diese umgeschaltet wird.