DE102006013587A1

DE102006013587A1 - Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102006013587A1
Application number: DE102006013587A
Authority: DE
Inventors: Kai Dr. Schiefelbein; Steffen Smollich; Hartmut Schrader; Karl-Heinz Schrader
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-09-27
Anticipated expiration: 2026-03-23
Also published as: EP1837611A3; EP1837611A2; DE102006013587B4; ATE548616T1; EP1837611B1

Abstract

Bei einer Wärmepumpe (1) mit Luft als Wärmequelle ist eine Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr (6) vorhanden, um den Verdampfer (15) abzutauen. Mit einem Abtaudruckwächter (19) zwischen dem Expansionsventil (14) und der Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr (6) wird das Ende des Abtauvorgangs erkannt. Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe mit Luft wird der Istwert eines Signals eines Drucksensors, der zwischen der Vorrichtung (6) und dem Expansionsventil (14) geschaltet ist, mit einem Wert verglichen und bei Überschreitung des Wertes das Ende des Abtauvorgangs eingeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle, mit einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Expansionsventil, einem Verdampfer, der vom Lüfter mit einem Luftvolumenstrom beaufschlagt wird, und einer Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr, um den Verdampfer abzutauen.

Im Folgenden ist als ein Anwendungsbeispiel eine Wärmepumpe beschrieben, die Wärme an eine Wärmesenke, insbesondere eine Heizungsanlage, abgibt. Bei Wärmepumpen, die Luft als Wärmequelle verwenden, ist bekannt, dass der Verdampfer schon bei Temperaturen über 0°C zur Vereisung neigt, da das verdampfende Kältemittel im Inneren des Verdampfers zu einer Unterkühlung führt, und die in der Luft enthaltenen Wasseranteile kondensieren und auf der Oberfläche des Verdampfers festfrieren. Der Verdampfer würde infolge einer stärkeren Vereisung den Luftdurchsatz, der durch einen Lüfter bewirkt wird, vermindern. Daher ist es erforderlich, die Vereisung entweder zu vermeiden oder den vereisten Verdampfer abzutauen.

Aus DE 35 01 789 C1 ist eine Wärmepumpen-Heizungsanlage bekannt, bei der – um den Abtauvorgang zu beschleunigen – beim Abtaubeginn eine Umwälzpumpe des Wärmeübertragungskreises abgeschaltet wird.

Das Ansprechen eines Überdruckschalters soll dabei nicht dazu führen, dass der Verdichter abgeschaltet wird. Beim Schließen des Schaltventils kann sich der Druck nach dem Verflüssiger nicht so erhöhen, daß der Hochdruckwächter den Verdichter abschaltet. Diese Wärmepumpen-Heizungsanlage arbeitet mit einer Heißgasabtauung.

Bei einem Abtauverfahren für eine Wärmepumpe gemäß DE 10 2004 010 066 A1 erfolgt zum Abtauen eine Kreisumkehr, wenn ein Einfrieren des Verflüssigers droht. Um das Einfrieren nicht entstehen zu lassen, wird vorher vom Kreisumkehr-Betrieb auf Wärmepumpen-Betrieb zurückgeschaltet, und zum weiteren Abtauen wird dem Verdampfer Heißgas zugeführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wärmepumpe und ein Verfahren der eingangs genannten Art vorzuschlagen, bei dem der Abtauzyklus definiert gesteuert wird.

Gelöst ist die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 oder Anspruchs 4. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben. Das Ende des Abtauens einer Wärmepumpe mittels einer Kältemittelkreisumkehr wird durch einen Drucksensor detektiert, der zwischen einem Expansionsventil und einer Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr angeordnet ist. Der Drucksensor ist dazu in vorteilhafter Weise mit einer Schalteinrichtung oder einer Regelung der Wärmepumpe verbunden, die wiederum wenigstens an die Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr angeschlossen ist. In vorteilhafter Weise ist die Steuerung und Regelung auch mit dem Verdichter und dem Expansionsventil verbunden. Sobald der Drucksensor die Überschreitung eines vorgegebenen Wertes während des Abtauens detektiert, wird das Abtauende eingeleitet. In diesem Fall wird wenigstens die Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr von Abtaubetrieb auf Heizbetrieb umgeschaltet und/oder der Verdichter ausgeschaltet.

Der Drucksensor ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform mit der Schalteinrichtung direkt verbunden; Drucksensor und Schalteinrichtung sind hierbei auch einteilig ausführbar. Ein elektrischer Kontakt wird hierbei vom Drucksensor angesteuert, und ein elektrisches Schaltsignal wird an die Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr weitergeleitet.

Das Ausführungsbeispiel beschreibt eine Luft/Wasser-Wärmepumpe, an die ein Heizkreislauf angeschlossen ist. In der Zeichnung zeigen
1 einen Kältemittelkreislauf einer Luft/Wasser-Wärmepumpe im Heizbetrieb und
2 einen Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe im Umkehr-Betrieb zur Abtauung.
Im Heizbetrieb der Wärmepumpe 1 wird ein Kältemittel vom Verdichter 2 im Kältemittelkreislauf umgetrieben. Hinter dem Verdichter 2 ist ein Heißgaswächter 3, ein Schraderventil 4 und ein Hochdruckwächter 5 angeordnet. Danach folgt auf der sogenannten Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs eine Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr 6, die im Ausführungsbeispiel ein 4-2-Wegeventil ist. Im Heizbetrieb ist die Vorrichtung 6 so geschaltet, dass das Kältemittel zum Verflüssiger 7 geleitet wird. Im Verflüssiger 7 gibt das Kältemittel Wärme an eine Wärmesenke, im Ausführungsbeispiel ein Heizungskreislauf 40, ab. Die Wärmesenke kann aber auch eine Warmwasserbereitung, Luftheizung oder ähnliches sein. Das Kältemittel wird dann durch ein Rückschlagventil 8, einen Flüssigkeitssammler 9 und einen Filtertrockner 10 weitergeleitet zu einem internen Wärmetauscher 11. Der interne Wärmetauscher 11 ist im Ausführungsbeispiel durch verlötete oder verschweißte Kältemittelleitungen realisiert. Die Kältemittelleitung ist dabei vor einer Heizschlange 12, die durch die Kondensatwanne des Verdampfers 15 geführt ist, mit einem Teil der Kältemittelleitung in wärmeleitender Verbindung, die aus einem Verdampfer 15 kommt und wieder zur Vorrichtung 6 führt.
Hinter dem Wärmetauscher 11 wird das Kondensat an die Heizschlange 12 der Kondensatwanne geleitet. Im weiteren folgt ein Schauglas 13 und ein Expansionsventil 14. Das Expansionsventil 14 ist mit einem Sensor 18 verbunden, der in Kältemittel-Fließrichtung bei Heizbetrieb hinter dem Verdampfer 15 angeordnet ist. Der Verdampfer 15 in vorteilhafter Weise mit einem Lüfter 16 ausgestattet, der die Luft als Wärmequelle durch den Verdampfer 15 fördert. Mittels eines Differenzdrucksensors 17, der zum einen saugseitig vor dem Verdampfer 15 und in Strömungsrichtung der Luft hinter dem Verdampfer 15 die Luftdrücke misst, wird die Vereisung detektiert und bei einer durch eine vorgegebene Druckdifferenz ermittelte Vereisung das Abtauen eingeleitet. Hierzu können auch andere Sensoren, wie Eismelder oder Temperaturfühler dienen. Hinter dem Verdampfer 15 ist der bereits angesprochene Sensor 18 angeordnet, der in vorteilhafter Weise ein Temperatursensor ist, mit dem das Expansionsventil 14 gesteuert wird. Hierauf folgt nun der Abtaudruckwächter 19, der im Heizbetrieb üblicherweise keine Funktion hat. Handelt es sich bei dem Abtaudruckwächter 19 nicht um einen Zweipunkt-Druckwächter, sondern um einen Sensor, der ein dem Druck des Kältemittels entsprechend proportionales Signal abgeben kann, so ist mit dem Abtaudruckwächter 19 im Heizbetrieb eine Niederdruck-Überwachung des Kältemittels möglich.
In Kältemittel-Flußrichtung im Heizbetrieb folgt nun wieder die Vorrichtung 6, die so geschaltet ist, dass das Kältemittel zum Flüssigkeitsabscheider 20 geführt ist. Hierauf folgt der Niederdruckwächter 21. Auf der Saugseite 23 in einer Kältemittelleitung 24 vor dem Verdampfer 15 ist das Schraderventil 22 angeordnet.
Im Abtaubetrieb nach 2 hat der Differenzdrucksensor 17 eine Vereisung am Verdampfer 15 dadurch festgestellt, dass die Druckdifferenz vor und insbesondere hinter dem Verdampfer 15 oder dem Wärmetauscher 11 zu groß ist und eine vorgeschriebene Druckdifferenz überschritten ist. Der Differenzdrucksensor 17 ist vorteilhafterweise mit einer Schalteinrichtung, Steuerung oder Regelung 30 verbunden. Im Ausführungsbeispiel sind weiterhin der Heißgaswächter 3, der Hochdruckwächter 5, der vorhandene Niederdruckwächter 21 sowie weitere Sensoren verbunden. Ebenfalls ist es von Vorteil, das Expansionsventil 14 mit der Steuer- und Regeleinrichtung 30 zu verbinden. In vorteilhafter Weise wird von der Regelung 30 auch die Steuerung der Wärmesenke bzw. des von der Wärmesenke angeforderten Wärmebedarfs gesteuert oder geregelt sowie der Durchlauferhitzer 41 angesteuert. Der Durchlauferhitzer 41 weist wenigstens einen Durchlauferhitzer-Temperatursensor 42 auf, der ebenfalls mit der Schalt-, Steuer- oder Regeleinrichtung 30 verbunden ist. Seitens des Heizungskreislaufs 40 ist ein Temperaturfühler 43 am Ausgang des Verflüssigers 7 sowie ein Temperaturfühler 44 des Vorlaufs verbunden.
Der Heizungskreislauf 40 weist weiterhin einen Filter 45 und einen Füll- oder Entnahmehahn 46 auf. Im Falle einer Warmwasserbereitungsanlage ist ebenfalls ein Filter 45 in den Wasserfluß geschaltet, um im Wasser enthaltene Schwebepartikel herauszufiltern oder auch eine Verkalkung oder Verkeimung zu vermeiden.
Stellt nun der Differenzdrucksensor 17 eine Vereisung fest, wird die Vorrichtung zur Kältemittelkreis-Umkehr 6 umgeschaltet, dass das Kältemittel vom Verdichter 2 vorbei am Abtaudruckwächter 19 zum Verdampfer 15, der ja abgetaut werden soll, geführt. Dort gibt das Kältemittel Wärme ab und wird erst dann über ein Rückschlagventil 25, den Flüssigkeitssammler 9, den Filtertrockner 10 und ein weiteres Rückschlagventil 26 zum Verflüssiger 7 geführt, da bei diesen Druckverhältnissen das Rückschlagventil 8 verschlossen ist. Anstelle von Rückschlagventilen können alternativ Magnetventile, die mit der Einrichtung 30 verbunden sind, verwendet werden. Auch ist eine geänderte Leitungsführung möglich, die die Kältemittelkreisumkehr ermöglicht.
Mit dem Abtaudruckwächter 19 wird im Abtaubetrieb der Wärmepumpe 1 detektiert, wann der Verdampfer 15 nicht mehr vereist ist bzw. sich die Vereisung gelöst hat. In diesem Fall steigt der Druck des Kältemittels schnell an, was mit dem Abtaudruckwächter 19 verzögerungsfrei erfasst wird, da der Druck unmittelbar und ohne Verzögerung auf den Sensor wirkt.
Zur Beschleunigung des Abtauens kann das Kältemittel zusätzlich im Verflüssiger 7 Wärme aus dem Heizungskreislauf 40 aufnehmen, die vorher im Heizbetrieb auf sehr effiziente Weise auf die Wärmesenke, in diesem Fall den Heizungskreislauf 40, übertragen wurde. Ist die geringfügige Wärmeentnahme zur Abtauunterstützung aus dem Heizungskreislauf 40, der im Falle des Abtauens als Wärmequelle dienen würde, nicht gewünscht, wird der Heizungskreislauf 40 entweder abgeschaltet oder der Verflüssiger 7 kältemittelseitig mit einem Bypaß oder mit einem Bypaß auf der Heizungsseite umgangen, was mit nicht dargestellten Bypässen und entsprechenden Ventilen, die von der Schalt-, Regel- oder Steuereinrichtung 30 angesteuert werden, eingestellt wird. Eine Pumpe des Heizkreises, die das Wärmeträgermedium umtreibt, wird abgeschaltet oder ein Ventil im Heizkreis geschlossen, um die Wärmeübertragung zu unterbinden.
Nach dem Verflüssiger 7 erreicht das Kältemittel wieder die Vorrichtung 6, die es weiter an den Flüssigkeitsabscheider 20 bis hin zum Verdichter 2 führt.

Claims

Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle, einem Verdichter, einem Verflüssiger, einem Expansionsventil, einem Verdampfer, der vom Lüfter mit einem Luftvolumenstrom beaufschlagt wird und einer Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr, um den Verdampfer abzutauen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abtaudruckwächter (19) zwischen dem Expansionsventil (14) und der Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr (6) angeordnet ist und mit einer Schalteinrichtung oder Regelung (30) der Wärmepumpe (1) verbunden ist, die wenigstens an die Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr (6) angeschlossen ist und diese steuert, und dass ein Signal entsprechend dem Kältemitteldruck zur Beendigung des Abtauens an die Schalteinrichtung oder Regelung (30) übertragen wird.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Niederdruckwächter (21) zum Schutz des Verdichters (2) auf der Saugseite (23) vor dem Verdichter (2) in der Kältemittelleitung (24) angeordnet ist.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtaudruckwächter (19) ein dem Druck proportionales Signal erzeugt und als Sensor für das Abtauende und als Niederdruckwächter (21) an die Steuerung und Regelung (30) angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, die mit Luft als Wärmequelle betrieben wird, wobei die Luft mit einem Lüfter über einen Verdampfer gefördert wird, eine Regelung oder Steuerung einen Verdichter einschaltet, wenn Wärme für einen Heizkreis oder eine Warmwasserbereitung angefordert ist, wobei die Regelung oder Steuerung über einen Sensor ein Signal für den Vereisungszustand des Verdampfers erhält, enthaltend den Verfahrensschritt, dass ein Istwert eines Signals des Abtaudruckwächters (19), der zwischen einer Vorrichtung zur Kältemittelkreisumkehr (6) und einem Expansionsventil (14) geschaltet ist, mit einem Wert verglichen wird, und dass bei Überschreitung des Wertes das Ende des Abtauzyklus einleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert bei Verwendung des Kältemittels R407C zwischen 8 und 15 bar liegt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert zwischen 10,5 und 12,5 bar liegt, insbesondere bei ca. 11,5 bar.
Verfahren nach den Ansprüchen 4–6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtauen von einem Differenzdrucksensor (17) bei Überschreiten eines maximalen Differenzdrucks eingeleitet wird, wobei der Differenzdruck aus den Drücken im Luftstrom vor und hinter dem Verdampfer (15) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Drucksensors (19) ein dem Druck proportionales Signal erzeugt und im Heizbetrieb als Niederdruckwächter (21) arbeitet und den Verdichter (2) bei Unterschreiten eines vorgegebenen Niederdruckwertes ausschaltet.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckwert 1,5–3 bar beträgt.