AT14941U1

AT14941U1 - Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetauschers einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf

Info

Publication number: AT14941U1
Application number: ATGM8010/2016U
Authority: AT
Original assignee: Vaillant Group Austria Gmbh
Priority date: 2010-03-04
Filing date: 2010-03-04
Publication date: 2016-09-15
Also published as: DE102011012109B4; CH702828A2; DE102011012109A1; AT509739A1; CH702828B1

Abstract

Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetauschers (3) einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf (4), in dem sich eine Umwälzpumpe (5) befindet, wobei der Solekreislauf (4) mit dem Verdampfer (6) der Wärmepumpe verbunden ist, einer Erfassung der Umgebungslufttemperatur Tu mittels eines ersten Temperatursensors (1) und einer Erfassung der Temperatur der Sole TS,w stromab des Luft-Sole- Wärmetauschers (3) mittels eines zweiten Temperatursensors (2), wobei der Luft-Sole- Wärmetauscher (3) über ein Gebläse (7) zur Förderung von Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher (3) verfügt, wobei beim Betrieb der Umwälzpumpe (5), frühestens jedoch nach einer vorbestimmten Zeit tmin nach dem Start der Umwälzpumpe (5) die Temperaturdifferenz ΔT zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu und der Temperatur der Sole TS,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers (3) erfasst wird und in den Fall, in dem die Temperaturdifferenz ΔT einen vorbestimmten Betrag ΔTmax übersteigt, ein Abtauvorgang eingeleitet wird.

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetau-schers einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf.

[0002] Mittels Luft-Sole-Wärmetauschern kann Wärmepumpen Umweltwärme selbst von sehr niedrigem Temperaturniveau zur Verfügung gestellt werden. Bei Kompressionswärmepumpen wird das Kältemittel im Wärmepumpenkreislauf auf Temperaturen bis kleiner -15°C abgekühlt. Somit kann selbst bei einer Außentemperatur von -15°C der Umwelt Wärme entzogen und im Verdampfer auf den Wärmepumpenkreislauf übertragen werden.

[0003] Hierbei kann es jedoch zur Verreifung beziehungsweise Vereisung des Luft-Sole-Wär-metauschers kommen, insbesondere dann, wenn warme, feuchte Luft am kalten Luft-Sole-Wärmetauscher abgekühlt wird. Diese Vereisung verringert den Luftvolumenstrom und verschlechtert den Wärmeübergang im Wärmetauscher, so dass bei übermäßiger Vereisung der Luft-Sole-Wärmetauscher enteist werden muss. Dies sollte vorzugsweise selbsttätig geschehen.

[0004] DE 10 2006 003 827 A1 zeigt eine Wärmepumpe ohne gesonderten Solekreislauf, bei welcher das Verdampfungsaggregat des Wärmepumpenkreises mittels eines elektrischen Außenlüfters unmittelbar von Umgebungsluft durchströmt wird. Beim Entfrostungsbetrieb bleibt der Kompressor aktiviert und somit der Wärmepumpenprozess findet weiterhin statt.

[0005] DE 102 15 586 A1 zeigt ebenfalls eine Wärmepumpe ohne Solekreislauf, bei welcher der Verdampfer von Umgebungsluft durchströmt wird. Ein Heizelement ist im Kältemittelkreislauf stromauf des Verflüssigers angeordnet, so dass zunächst vom Heizelement Wärme auf den Verflüssiger übertragen wird, bevor Restwärme zum Verdampfer gelangt. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum sicheren Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetau-schers zu generieren, das die Notwendigkeit des Enteisens erkennt und entsprechende Maßnahmen einleitet.

[0006] Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. Dementsprechend werden bei einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf, in dem sich ein Luft-Sole-Wärmetauscher und eine Umwälzpumpe befinden, die Umgebungstemperatur der Luft und die Temperatur der Sole stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers erfasst. Überschreitet die Temperaturdifferenz dieser beiden Temperaturen im Betrieb eine bestimmte Differenz, so ist dies ein sicheres Indiz für einen vereisten Luft-Sole-Wärmetauscher, so dass ein Abtau- beziehungsweise Enteisungsvorgang eingeleitet wird.

[0007] Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.

[0008] Wird während des Abtauvorgangs der Wärmepumpenprozess ausgeschaltet, so wird dem Solekreislauf keine Wärme entzogen, so dass er sich leichter aufheizt.

[0009] Durch das Fördern von Luft mittels Gebläse durch den Luft-Sole-Wärmetauscher wird der Solekreislauf auf Umgebungstemperatur erwärmt. Reicht dies für die Abtauung nicht aus, so kann ein Heizelement im Solekreislauf zugeschaltet werden. Dies kann stufenweise (zuerst nur das Gebläse, dann Gebläse plus Heizelement) geschehen. Das Einschalten des Heizelements kann dabei nach einer vorbestimmten Zeit nach Beginn des Abtauvorgangs oder beim Erreichen einer bestimmten Temperaturdifferenz, die kleiner als erstgenannte Temperaturdifferenz ist, erfolgen.

[0010] Der Abtauvorgang wird beendet, sobald die Temperatur der Sole stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers einen vorgegebenen Wert oder eine errechnete Temperatur, die um eine bestimmte Differenz über der Temperatur zu Beginn des Abtauvorgangs liegt, übersteigt. Alternativ wird der Abtauvorgang beendet, sobald der Temperaturgradient signifikant ansteigt.

[0011] Die Erfindung wird nun anhand der Figuren erläutert. Hierbei zeigen [0012] Figur 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und [0013] Figur 2 den Temperaturverlauf beim erfindungsgemäßen Verfahren.

[0014] Figur 1 zeigt einen Solekreislauf 4 einer Wärmepumpe 12 mit einem Luft-Sole- Wärmetauscher 3, der über ein Gebläse 7 zur Förderung von Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher 3 verfügt. In dem Solekreislauf 4 befindet sich ferner eine Umwälzpumpe 5. Der Solekreislauf 4 ist über einen Verdampfer 6 mit der Wärmepumpe 12 verbunden. Ein erster Temperatursensors 1 zur Erfassung der Umgebungslufttemperatur Tu ist auf der Lufteintrittsseite des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 angeordnet. Ein zweiter Temperatursensors 2 ist im Solekreislauf 4 zur Erfassung der Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 positioniert. Ein Heizelement 8 ist unmittelbar stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 im Solekreislauf 4 angeordnet.

[0015] Die Wärmepumpe 12 ist in einem Haus aufgestellt. Durch die Hauswand 11 hindurch führt der Solekreislauf 4 zum Luft-Sole-Wärmetauscher 3. Im Solekreislauf 4 sind ferner stromab und stromauf des Verdampfers 6 jeweils ein dritter und ein vierter Temperatursensor 9, 10 angeordnet.

[0016] Beim Betrieb der Wärmepumpe 12 ist unter anderem die Umwälzpumpe 5 in Betrieb. Es wird zumindest temporär die Umgebungslufttemperatur Tu und die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 erfasst. Ist der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 nicht vereist, so kann die Sole Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Im Idealfall würde die Sole die Umgebungstemperatur annehmen; bedingt durch die endliche Wärmetauscherfläche bleibt die Sole jedoch stets etwas kälter. Kommt es zu einer Vereisung des Luft-Sole- Wärmetauschers 3, so nimmt die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu und die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole- Wärmetauschers 3 zu. Je vereister der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 ist, desto größer wird die Temperaturdifferenz ΔΤ.

[0017] Beim Stillstand der Umwälzpumpe 5 kann es zu großen Temperaturdifferenzen ΔΤ kommen. Daher muss die Umwälzpumpe 5 für das erfindungsgemäße Verfahren für eine vorbestimmte Zeit tmin, die einen stattgefundenen Temperaturausgleich zwischen der Umgebungsluft und der Sole am zweiten Temperatursensors 2 gewährleistet, eingeschaltet sein. Die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu und die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 wird dann erfasst. Übersteigt die Temperaturdifferenz ΔΤ einen vorbestimmten Betrag ATmax von beispielsweise 7 K, so muss davon ausgegangen werden, dass der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 nicht nur geringfügig vereist ist und ein Abtauvorgang notwendig ist.

[0018] Beim Abtauvorgang wird der Wärmepumpenprozess entweder ausgeschaltet oder auf niedriger Modulation betrieben, so dass über den Verdampfer 6 dem Solekreislauf 4 keine beziehungsweise kaum Wärme entzogen wird. Die Umwälzpumpe 5 bleibt eingeschaltet. Das Gebläse 7 fördert Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher 3, so dass Wärme aus der Umgebung auf den Luft-Sole-Wärmetauscher 3 übertragen wird.

[0019] Ein Abtauen beziehungsweise Enteisen kann durch zwei Effekte erreicht werden: Die Zufuhr von Schmelzwärme und die Abgabe von Feuchte des Eises an die Umgebungsluft. Für letztgenannten Effekt ist es notwendig, dass die Umgebungsluft nicht gesättigt ist. Da das Sättigungsvermögen von Luft temperaturabhängig ist, wird letztendlich eine bestimmte Mindesttemperatur der Umgebungsluft benötigt.

[0020] Das Enteisen mittels Zufuhr von Schmelzwärme setzt voraus, dass das wärmenden Medium eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur von Eis (0°C) besitzt.

[0021] Hieraus folgt, dass in dem Fall, in dem die Umgebungstemperatur Tu oberhalb eines vorgegebenen Wertes Tu,min, beispielsweise 5°C, liegt, das Enteisen nur mittels Betrieb des Gebläses 7 und der Umwälzpumpe 5 erfolgen kann.

[0022] Unterschreitet die mittels des ersten Temperatursensors 1 erfasste Umgebungslufttem- peratur Tu diesen vorgegebenen Wert Tu,min, so wird das Heizelement 8, das stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 im Solekreislauf 4 angeordnet ist, zeitversetzt oder unmittelbar eingeschaltet.

[0023] Wird das Heizelement 8 mit konstanter Leistung betrieben, so kann die Temperatur stromab des Heizelements 8 durch die Variation des Volumenstroms mittels einer drehzahlgeregelten Umwälzpumpe 5 eingestellt werden.

[0024] Solang sich Eis am Luft-Sole-Wärmetauscher 3 befindet, steigt die Temperatur der Sole Ts.w am zweiten Temperatursensor 2 im Solekreislauf 4 stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers 3 nicht signifikant an.

[0025] Der Abtauvorgang wird beendet, sobald die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole- Wärmetauschers 3 einen vorgegebenen Wert Ts,w,max oder eine Temperatur, die um eine bestimmte Differenz ATS über der Temperatur zu Beginn des Abtauvorgangs liegt, übersteigt oder der Temperaturgradient dTs/dt signifikant ansteigt. Letzteres ist beispielsweise dann der Fall, wenn während des Enteisens der Temperaturanstieg unter 0,1 K/min liegt und plötzlich der Temperaturanstieg auf einen Betrag größer 1 K/min ansteigt.

[0026] Figur 2 zeigt den Verlauf des Abtauens. Bis zum Zeitpunkt L verlaufen die Umgebungslufttemperatur Tu sowie die Temperatur der Sole Ts,w am zweiter Temperatursensors 2 parallel. Ab dem Zeitpunkt L sinkt die Temperatur der Sole Ts,w da der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 vereist. Zum Zeitpunkt t2 ist die Temperaturdifferenz ATmax zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu sowie die Temperatur der Sole Ts,w erreicht. Der Wärmepumpenkreislauf wird abgeschaltet, während die Umweltpumpe 5 und das Gebläse 7 weiterlaufen. Die Temperatur der Sole Ts,w steigt durch die Aufnahme von Umgebungswärme und gleicht sich der Umgebungslufttemperatur Tu an. Eine vorbestimmt Zeit At nach Erreichen der Temperaturdifferenz ATmax wird das Heizelements 8 zum Zeitpunkt t3 eingeschaltet. Alternativ kann das Heizelement 8 eingeschaltet werden, wenn die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu sowie die Temperatur der Sole Ts,w eine vorgegebene Temperaturdifferenz ATmin, die kleiner als ATmax ist, erreicht. So kann beispielsweise das Heizelement 8 eingeschaltet werden, sobald die Sole nur noch 1 bis 2 K kälter als die Umgebung ist. Nun wird die Sole auf eine Temperatur größer der Umgebungstemperatur Tu erhitzt. Da die Wärme als Schmelzwärme an den Luft- Sole-Wärmetauscher 3 abgegeben wird, verharrt die Temperatur der Sole Ts,w nach einem kurzen Temperaturanstieg bei einer Temperatur knapp oberhalb der Schmelztemperatur. Diese Temperatur ergibt sich im Gleichgewicht dadurch, dass sich in einem Wärmetauscher stets ein Temperaturgefälle einstellt und der Luft-Sole-Wärmetauscher 3 durch den Schmelzprozess selbst bei 0°C verbleibt. Erst wenn das Eis geschmolzen ist, steigt die Temperatur der Sole Ts,w signifikant an. Anhand des gemessenen Anstiegs (Gradienten) der Temperatur der Sole Ts,w oder anhand des Überschreitens einer Absoluttemperatur, beispielsweise 4°C, wird die Eisfreiheit festgestellt, so dass der Abtauvorgang zum Zeitpunkt t4 beendet wird.

[0027] Die Erfindung ist nicht nur auf Kompressionswärmepumpen beschränkt. So kann erfindungsgemäß beispielsweise auch ein Luft-Sole-Wärmetauscher einer Sorptionswärmepumpe enteist werden.

Claims

Ansprüche

1. Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetauschers (3) einer Wärmepumpe mit einem Solekreislauf (4), in dem sich eine Umwälzpumpe (5) befindet, wobei der Solekreislauf (4) mit dem Verdampfer (6) der Wärmepumpe verbunden ist, einer Erfassung der Umgebungslufttemperatur Tu mittels eines ersten Temperatursensors (1) und einer Erfassung der Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole- Wärmetauschers (3) mittels eines zweiten Temperatursensors (2), wobei der Luft- Sole-Wärmetauscher (3) über ein Gebläse (7) zur Förderung von Umgebungsluft durch den Luft-Sole-Wärmetauscher (3) verfügt, dadurch gekennzeichnet, dass beim Betrieb der Umwälzpumpe (5), frühestens jedoch nach einer vorbestimmten Zeit tmin nach dem Start der Umwälzpumpe (5) die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Umgebungslufttemperatur Tu und der Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers (3) erfasst wird und in den Fall, in dem die Temperaturdifferenz ΔΤ einen vorbestimmten Betrag ATmax übersteigt, ein Abtauvorgang eingeleitet wird und beim Abtauvorgang der Wärmepumpenprozess ausgeschaltet wird, während das Gebläse (7) Luft fördert.
2. Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetauschers (3) einer Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Fall, in dem die Umgebungstemperatur Tu,min einen vorgegebenen Wert unterschreitet, ein Heizelement (8), das unmittelbar stromauf des Luft-Sole-Wärmetauschers (3) im Solekreislauf (4) angeordnet ist, eingeschaltet wird, wobei das Einschalten des Heizelements (8) vorzugsweise erst nach einer vorbestimmten Zeit At nach Erreichen der Temperaturdifferenz ATmax oder beim Erreichen einer Temperaturdifferenz ATmin, die kleiner als ATmax ist, erfolgt.
3. Verfahren zum Abtauen eines Luft-Sole-Wärmetauschers (3) einer Wärmepumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtauvorgang beendet wird, sobald die Temperatur der Sole Ts,w stromab des Luft-Sole-Wärmetauschers (3) einen vorgegebenen Wert Ts,w,max oder eine Temperatur, die um eine bestimmte Differenz ATS über der Temperatur zu Beginn des Abtauvorgangs liegt, übersteigt oder der Gradient der Temperatur der Sole Ts,w signifikant zunimmt. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen