DE2922614A1

DE2922614A1 - PROCEDURE FOR OPERATING A HEAT PUMP

Info

Publication number: DE2922614A1
Application number: DE19792922614
Authority: DE
Inventors: Werner Ing Putz; Gerhard Ing Vogel
Original assignee: Pumpenfabrik Ernst Vogel GmbH
Current assignee: Xylem Water Solutions Austria GmbH
Priority date: 1978-06-07
Filing date: 1979-06-02
Publication date: 1979-12-20
Also published as: ATA412278A; AT374914B; CH643348A5

Abstract

The number of revolutions of the drive motor of the heat pump is varied, making it possible on the one hand to adapt better to instantaneous heat requirements and on the other hand to exert less load on and improve utilisation of heat emission media. The regulating variable for varying the number of revolutions is derived both from the heat requirements and from the temperature of the heat-emitting medium. Curve (2) illustrates the heat and/or coldness supplied by a non-regulated heat pump, while curve (3) shows the heat and/or coldness supplied by a regulated heat pump as a percentage of the nominal output of the system, depending in each case on the difference between the desired inside temperature and the given outside temperature. According to curve (3), substantial adaptation of the heat supplied to the heat requirements is guaranteed, while taking into account the delivery capacity of the medium supplying the heat and with optimum utilisation of the change in the difference in performance due to the temperature difference. <IMAGE>

Description

6900" Augsburg 22, 14. August 1979 PATENTANWALT ^J_v'iO861 2922614 6900 "Augsburg 22, 14 August 1979 PATENTANWALT ^ J_v'iO861 2922614

DIPL. ING. G. HEBAU amtliches AktenzeichenDIPL. ING. G. HEBAU official file number

IHtKENSTRASSE 39 ■ ΤΕΙΕΓΟΝ 96096 ρ OQ OOIHtKENSTRASSE 39 ■ ΤΕΙΕΓΟΝ 96096 ρ OQ OO

8900 AUGSBURG 22 i¹ ^ ^8900 AUGSBURG 22 i ¹ ^ ^

j NACHG£.f-:i-lC>4TJ j AFTER £ .f-: i-lC> 4TJ

Spezialfabrik moderner PumpenSpecial factory for modern pumps

Ernst Vogel, Stockerau. Prager Straße 6Ernst Vogel, Stockerau. Prager Strasse 6

Stockerau (Niederösterreich)Stockerau (Lower Austria)

Verfahren zum Betrieb einer WärmepumpeProcedure for operating a heat pump

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe zur Gewinnung von thermischer Energie mit höherem Temperaturniveau aus in der Natur bzw. der Umgebung vorhandenen Medien mit niedrigerem Temperaturniveau.The invention relates to a method for operating a heat pump for the generation of thermal energy with a higher temperature level from existing in nature or the environment Media with a lower temperature level.

Wärmepumpen dienen dazu, zur Verfügung stehenden Medien, wie Außen- bzw. Abluft, Grundwasser, Bächen oder Flüssen, Kühlwässern und Abwässern, durch Absenkung von deren Temperatur thermische Energie zu entziehen und diese auf ein Temperaturniveau anzuheben, das für die Raumheizung bzw. für die Brauchwassererwärmung geeignet ist. Die bekannten Maßnahmen zur Leistungsregelung von Wärmepumpen stoßen insofern« auf Schwierigkeiten, als einerseits durch Änderung der Außentemperatur und durch einen unterschiedlichen Bedarf an Brauchwasser der Bedarf an thermischer Energie sich ständig ändert und andererseits-als'·si-ch^a-ueit-die Temperatur-de^r* die·-· Wä-Frae--abgebenden · Medien ändert.Heat pumps are used to make available media, such as Outside or exhaust air, groundwater, streams or rivers, cooling water and waste water, by lowering their temperature To extract thermal energy and raise it to a temperature level that is necessary for space heating or for domestic water heating suitable is. The known measures for regulating the output of heat pumps encounter "difficulties, than on the one hand by changing the outside temperature and by a different demand for domestic water Demand for thermal energy is constantly changing and on the other hand - as' · si-ch ^ a-ueit-die Temperatur-de ^ r * the · - · Wä-Frae - emitting · Media changes.

909851/06 8-3909851/06 8-3

V-V-

Zudem besteht das Problem, daß die Wärmeentnahme aus in der Natur zur Verfügung stehenden Medien durch die Gefahr der Vereisung des Verdampfers der Wärmepumpe begrenzt ist. Bei Eintritt der Vereisung, die schlagartig erfolgt, fällt infolge des stark verschlechterten Wärmeüberganges die Wärmepumpe vollständig aus.In addition, there is the problem that the removal of heat from media available in nature through the The risk of the heat pump evaporator icing up is limited. When the icing occurs, the sudden occurs, the heat pump fails completely due to the severely impaired heat transfer.

üblicherweise werden Wärmepumpen durch Ein- und Ausschaltung geregelt, wobei die Anpassung an die Außentemperatur und damit an den Wärmebedarf durch unterschiedliche Betriebsbzw. Stillstandszeiten erfolgt. Es ist auch bekannt, dadurch eine Anpassung an den Bedarf zu erzielen, daß zwei oder mehrere Wärmepumpen vorgesehen werden, die nach Bedarf einzeln zu- oder abgeschaltet werden. Hierdurch werden jedoch erhebliche Anlagekosten bedingt.Usually heat pumps are switched on and off regulated, whereby the adjustment to the outside temperature and thus to the heat demand by different operating or Downtime takes place. It is also known by this to achieve an adaptation to the need that two or more heat pumps are provided as required can be switched on or off individually. However, this entails considerable investment costs.

Das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge zur Antriebsleistung des Kompressors einer Wärmepumpe wird als Leistungsziffer ε bezeichnet. Die Leistungsziffer fällt mit steigender Temperaturdifferenz an der Wärmepumpe ab. Wenn die Heizungsanlage nicht stark überdimensioniert sein soll und die Wärmepumpe thermische Energie mit einem Temperaturniveau von mindestens 50⁰C zur Verfügung stellen soll, liegt die theoretisch mögliche Leistungsziffer e bei einem Wert zwischen 3 und h. Höhere Werte sind auch im Ein- Aus—betrieb nicht zu erreichen, weil dann auch die Heizungsanlage im Ein-Aus-betrieb arbeitet und die Vorlauftemperatur wieder nicht abgesenkt werden kenn.The ratio of the amount of heat emitted to the drive power of the compressor of a heat pump is referred to as the performance figure ε. The performance figure drops as the temperature difference at the heat pump increases. If the heating system is not to be overdimensioned and the heat pump is to provide thermal energy with a temperature level of at least 50 ^° C., the theoretically possible performance figure e is between 3 and h. Higher values cannot be achieved in on-off mode either, because the heating system then also works in on-off mode and the flow temperature cannot be reduced again.

909851/0683909851/0683

29226U29226U

Da bei der Heizung eines Gebäudes nur während ca. 15£ der Betriebszeit der maximale Wärmebedarf benötigt wird, wogegen in der übrigen Zeit der Wärmebedarf bei 60% bis 9OJ? des maximalen Wertes liegt, wurde auch schon vorgeschlagen, die Wärmepumpenheizung entsprechend schwächer auszulegen und in den Fällen des maximalen Wärmebedarfes, z.B. elektrisch, zuzuheizen. Dies bedingt jedoch ebenfalls zusätzliche Anlagekosten. Since when heating a building, the maximum heat demand is only required during approx. £ 15 of the operating time, whereas in the rest of the time the heat demand is 60% to 9OJ? of the maximum value, it has already been suggested that the heat pump heating should be designed to be correspondingly weaker and, in the cases of maximum heat demand, for example electrically, to be added. However, this also entails additional investment costs.

Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, stellt beim Betrieb einer Wärmepumpe die Vereisung des Verdampfers ein großes Problem dar. Es ist hierbei zu berücksichtigen, daß gerade zu Zeiten des maximalen Wärmebedarfes naturgemäß die Temperatur der wärmeabgebenden Medien am niedrigsten und damit die Ve reis ungs ge fahr am größten ist. So-ferne eine Wärmepumpe nur ein- und ausgeschaltet wird, belastet sie die wärmeabgebenden Medien während der Laufzeit immer voll jedocti\während der Standzeit überhaupt nicht. Dabei kann während der Laufzeit in kurzer Zeit Vereisung eintreten, wodurch die Wärmepumpe ausfällt, wogegen während der Standzeit die wärmeabgebenden Medien nicht abgekühlt und damit nicht ausgenützt werden.As already mentioned above, when a heat pump is operated, the icing of the evaporator is a major factor Problem. It must be taken into account here that the temperature naturally occurs precisely at times of maximum heat demand the heat-emitting media is lowest and therefore the risk of travel is greatest. Far away a heat pump is switched on and off, it always loads the heat-emitting media fully during the running time, but during the Not service life at all. During the runtime, icing can occur in a short time, which means that the heat pump fails, whereas during the idle time the heat-emitting media are not cooled down and therefore not used.

Weiters sind für die volle Heizung eines Objektes Antriebsleistungen des Kompressors der Wärmepumpe erforderlich, die . im Ein- und Ausbetrieb besondere Vorkehrungen erfordern. Wenn beispielsweise der Antrieb durch einen Elektromotor erfolgt,Furthermore, drive powers of the compressor of the heat pump are required for the full heating of an object. require special precautions during commissioning and disconnection. For example, if the drive is provided by an electric motor,

909851/0683909851/0683

müssen beim Einschalten unzulässige Belastungen im Versorgungsnetz vermieden werden.must have inadmissible loads in the supply network when switching on be avoided.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das die dem bekannten Betrieb von Wärmepumpen anhaftenden Nachteile vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erzielt, daß der Antriebsmotor der Wärmepumpe in seiner Drehzahl variiert wird. Durch eine Variation der Drehzahl kann in einfacher Weise eine Anpassung der Förderleistung des Kompressors an den Bedarf der zu übertragenden Wärmemenge erzielt werden. Bei nicht maximalem Wärmebedarf, der bei ca. 85% der Laufzeit einer Heizungsanlage besteht, wird die Leistung der Wärmepumpe auch im Dauerlauf abgesenkt. Hierdurch tritt eine geringere Vorlauftemperatur in der Heizung und dadurch auch eine geringere Abkühlung des wärmeabgebenden Mediums und damit ein geringerer Unterschied im Temperaturniveau auf den beiden Seiten der Wärmepumpe, was eine verbesserte Leistungsziffer gewährleistet, auf.The invention is therefore based on the object of creating a method by which the known operation of Heat pumps inherent disadvantages are avoided. This is achieved according to the invention in that the drive motor the speed of the heat pump is varied. An adjustment can be made in a simple manner by varying the speed the delivery rate of the compressor to the demand for the amount of heat to be transferred. If the heat demand is not maximum, that for approx. 85% of the running time of a heating system exists, the output of the heat pump is also reduced in continuous operation. This results in a lower flow temperature in the heating and thus also a lower cooling of the heat-emitting medium and thus a smaller difference in the temperature level on both sides of the heat pump, which ensures an improved coefficient of performance.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnung, in der die Leistungsziffer ε, also das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge zur Antriebsleistung, in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz ΔΤ auf beiden Seiten der Wärmepumpe dargestellt ist, ersichtlich ist, hängt die Leistungsziffer ε der Wärmepumpe sehr stark von der Temperaturdifferenz ΔΤ ab. Im drehzahlgeregelten Betrieb kann die Leistungsziffer ε über lange Betriebszeiten Werte zwischen 6As from Fig. 1 of the drawing, in which the figure of merit ε, i.e. the ratio of the amount of heat given off to the drive power, depending on the temperature difference ΔΤ on both Side of the heat pump is shown, it can be seen that the coefficient of performance ε of the heat pump depends very much on the temperature difference ΔΤ from. In speed-controlled operation, the coefficient of performance ε can reach values between 6

909851 /0683909851/0683

und 9 erreichen. Dadurch ist eine erhebliche Einsparung an Antriebsenergie für den Motor der Wärmepumpe erzielbar. Dieser zusätzliche Vorteil der Regelung der Wärmepumpe tritt weder bei der Ein- und Ausregelung noch beim Teilbetrieb einer Mehrzahl von Wärmepumpen auf, da in diesen Fällen während der Betriebszeit an der Wärmepumpe immer die maximal mögliche Temperaturdifferenz ΔΤ auftritt, weswegen nur eine kleinere Leistungsziffer erzielbar ist.and reach 9. As a result, a considerable saving in drive energy for the motor of the heat pump can be achieved. This additional advantage of regulating the heat pump does not occur either during on / off regulation or during partial operation a plurality of heat pumps, since in these cases the maximum during the operating time of the heat pump possible temperature difference ΔΤ occurs, which is why only a smaller coefficient of performance can be achieved.

Da weiters, wie schon erwähnt wurde, beim drehzählgeregelten Betrieb das wärmeabgebende Medium weniger abgekühlt wird, wird der Vereisungspunkt der Wärmepumpe seltener erreicht. Damit kann die Wärmepumpe aufgrund der Drehzahlregelung auch bei extrem niedrigen Außentemperaturen den in der Natur zur Verfügung stehenden Medien noch Energie entziehen, insbesondere dajin, wenn nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Drehzahlregelung nicht nur nach dem Wärmebedarf, sondern auch nach der Temperatur des Verdampfers der Wärmepumpe erfolgt. Eine Anlage mit einer Wärmepumpe im Ein- und -Ausbetrieb bzw. mit Teilbetrieb einer Mehrzahl von Wärmepumpen würde bei diesen extremen Verhältnissen sofort durch Vereisung ausfallen.Furthermore, as already mentioned, with the rev counter controlled Operation the heat-emitting medium is cooled less, the icing point of the heat pump is reached less often. This means that the heat pump can also use the speed control At extremely low outside temperatures, in particular, withdraw energy from the media available in nature dajin if, according to a further feature of the invention, the speed control takes place not only according to the heat demand, but also according to the temperature of the evaporator of the heat pump. One plant with one heat pump in on and off operation or with partial operation of a plurality of heat pumps would be extreme with these Conditions immediately fail due to icing.

Die verminderte Heizleistung kann in diesen Fällen durch eine zusätzliche Wärmequelle, beispielsweise durch Entnahme aus einem Erdspeicher, ausgeglichen werden. Da die drehzahlgeregelte Wärmepumpe auch in Extremfällen noch Energie abgibt,In these cases, the reduced heating output can be achieved by an additional heat source, for example by removing it an underground storage tank. Since the speed-controlled heat pump still emits energy even in extreme cases,

909851/0683909851/0683

29226 H29226 H.

kann eine solche zusätzliche Wärmequelle kleiner gehalten sein, als dies bei einer Wärmepumpe im Ein-Aus-Betrieb notwendig wäre, wodurch ebenfalls Anlagekosten eingespart werden. Schon allein dadurch erscheint der höhere Aufwand zur Erzielung der Regelbarkeit der Wärmepumpe gerechtfertigt. such an additional heat source can be kept smaller than with a heat pump in on-off operation would be necessary, which also saves investment costs. This alone makes the higher effort appear justified to achieve controllability of the heat pump.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Drehzahlregelung stufenlos. Dies kann durch Regelwiderstände, Frequenzumformung, thyristorgesteuerte Gleichstrommotoren oder direkt drehzahlregelbare Antriebe, wie Gas- und Hydromotoren (Turbinen), sowie schließlich durch regelbare Getriebe zwischen der Antriebsmaschine und dem Kompressor erzielt werden. Es ist zwar auch eine stufenweise Regelung der Drehzahl denkbar, jedoch bedingt eine Drehzahlabsenkung auf die Hälfte, wie sie z.B. durch Dahlanderschaltung eines Drehstrommotors bewirkt wird, bereits eine derartige Verminderung der Kompressorleistung, daß damit allein nicht das Auslangen gefunden ist. Bei stufenweiser Drehzahlregelung müßte immer zusätzlich noch eine Ein-Aus-Regelung vorgesehen werden, wodurch alle eingangs erwähnten Probleme fast im ganzen Ausmaß wieder eintreten würden. Auch kann bei der stufenweisen Drehzahlregelung nur in geringem Ausmaß die mögliche Erhöhung der Leistungsziffer ausgenützt werden.The speed control is expediently stepless. This can be done through variable resistors, frequency conversion, thyristor-controlled DC motors or directly variable-speed drives, such as gas and hydraulic motors (turbines), and finally can be achieved by adjustable gears between the prime mover and the compressor. It is Although a step-by-step control of the speed is also conceivable, it requires a speed reduction to half as it does E.g. by Dahlander connection of a three-phase motor, such a reduction in compressor performance is already achieved, that this alone is not enough. In the case of step-by-step speed control, an on-off control would always have to be added should be provided, whereby all the problems mentioned at the beginning would recur almost to the full extent. Even With the step-by-step speed control, the possible increase in the performance factor can only be used to a small extent will.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann die drehzahlgeregelte Wärmepumpe einen Turbokompressor enthalten. DiesAccording to a further feature of the invention, the speed-controlled Heat pump contain a turbo compressor. this

909851/0683909851/0683

kann besonders bei größeren Einheiten von Vorteil sein, weil ein Turbokompressor eine steilere Regelkennlinie aufweist, also mit einer geringeren Drehzahlvariation der volle Regelbereich erfaßt wird. Dies erbringt besonders bei großen Einheiten insofeme einen Vorteil, als der drehzahlbedingte Wirkungsgradabfall der Antriebsmaschine vermindert wird. Zusätzlich kann bei einem Turbokompressor die Leitschaufeleinrichtung entsprechend der Drehzahlvariation nachgeregelt werden. Hierdurch kann der drehzahlbedingte Druckabfall ausgeglichen werden, sodaß sich die Variation der Drehzahl wie beim Kolben- oder Verdrängerverdichter nur in einer Variation der Fördermenge auswirkt.can be particularly advantageous for larger units, because a turbo compressor has a steeper control characteristic, i.e. with a lower speed variation of the full control range is covered. This has an advantage, especially with large units, as the speed-related one Decrease in efficiency of the prime mover is reduced. In addition, in the case of a turbo compressor, the guide vane device be readjusted according to the speed variation. In this way, the pressure drop caused by the speed can be compensated so that the variation of the speed as with the piston or displacement compressor is only in a variation of the Flow rate affects.

Nachstehend ist die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Leistungsregelung einer Wärmepumpe an Hand der Diagramme der Fig. 2 und 3 näher erläutert:The following is the mode of operation of the power regulation of a heat pump according to the invention with reference to the diagrams 2 and 3 explained in more detail:

In Fig. 2 ist der Wärme- bzw. Kältebedarf 1 einer Heizungsbzw. Kühlanlage in Prozenten ihrer Nennleistung in Abhängigkeit der Differenz zwischen der gewünschten Innentemperatur und der bestehenden Außentemperatur dargestellt. Der linke Diagrammteil 4 betrifft den Heizungsbereich und der rechte Diagrammteil 5 betrifft den Kühlungsbereich der Anlage.In Fig. 2, the heat or cold demand 1 of a Heizungsbzw. Cooling system as a percentage of its nominal output depending on the difference between the desired indoor temperature and the existing outdoor temperature. The left part of the diagram 4 relates to the heating area and the right part of the diagram 5 relates to the cooling area of the system.

In der Fig. 3 stellen die Kurve 2 das Wärme- bzw. Kälteangebot einer ungeregelten Wärmepumpe und die Kurve 3 das Wärme- bzw.In FIG. 3, curve 2 represents the supply of heat or cold an uncontrolled heat pump and curve 3 the heat or

90 9 851/068390 9 851/0683

j NACHGEReiqht] j SEQUENCE t]

Kälteangebot einer geregelten Wärmepumpe in Prozenten der Nennleistung der Anlage, jeweils in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der gewünschten Innentemperatur und der gegebenen Außentemperatur dar.Cooling offered by a regulated heat pump as a percentage of the nominal output of the system, in each case depending on the temperature difference between the desired indoor temperature and the given outdoor temperature.

Wie aus der Kurve 3 ersichtlich ist, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Regelung einer Wärmepumpe eine weitgehende Anpassung des Wärmeangebots an den Wärmebedarf unter Beachtung der Abgabefähigkeit des die Wärme liefernden Mediums und bei bester Ausnützung der LeistungsZifferänderung aufgrund der Temperaturdifferenz gewährleistet.As can be seen from curve 3, the inventive A method for regulating a heat pump largely adjusts the heat supply to the heat demand Consideration of the ability of the medium supplying the heat to be released and with the best use of the change in performance ratio due to the temperature difference guaranteed.

909851/0683909851/0683

Claims

Method for operating a heat pump to generate thermal energy with a higher temperature level of in the nature or media present in the environment with a lower temperature level, characterized in that the drive motor of the heat pump, in particular the compressor, is varied in its speed, whereby on the one hand a better adaptation to the current heat demand and, on the other hand, a lower load and better utilization of the Heat release media is achievable.

2. The method according to claim 1, characterized in that the variation of the speed, for example by means of control resistors, Frequency conversion, thyristor-fed direct current motors or gas or hydraulic motors, is carried out continuously.

3. The method according to any one of claims 1 and 2, characterized in that that the heat pump contains a turbo compressor,

90 9 8 51/068390 9 8 51/0683

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the controlled variable for the variation of the speed of heat demand, for example from a room thermostat and / or from the temperature of the heat emitting
Medium is derived.

5. The method according to claim 3, characterized in that
that the turbo compressor is adjusted in its guide vanes.

909851/0 683