CH643348A5

CH643348A5 - Method for operating a heat pump

Info

Publication number: CH643348A5
Application number: CH532679A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Vogel; Werner Putz
Original assignee: Vogel Pumpen
Priority date: 1978-06-07
Filing date: 1979-06-07
Publication date: 1984-05-30
Also published as: ATA412278A; AT374914B; DE2922614A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe.

Wärmepumpen dienen dazu, zur Verfügung stehenden Medien, wie der Aussen- bzw. Abluft, dem Grundwasser, Bächen oder Flüssen, Kühlwässern u. d. gl., durch Absenkung von deren Temperatur thermische Energie zu entziehen und diese Wärme auf ein Temperaturnieveau 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 bzw. durch einen unterschiedlichen Bedarf an Brauchwasser sich der Bedarf an thermischer Energie ständig ändert und als andererseits sich auch die Temperatur der die Wärme abgebenden Medien ändert.

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.

Üblicherweise werden Wärmepumpen durch Ein- und Ausschaltung geregelt, wobei die Anpassung an die Aussentemperatur und damit an den Wärmebedarf durch unterschiedliche Betriebs- bzw. 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 Anlagekosten bedingt.

Das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge zur Antriebsleistung des Kompressors einer Wärmepumpe wird als Leistungsziffer e bezeichnet. Die Leistungsziffer fällt mit steigender Temperaturdifferenz an der Wärmepumpe ab. Wenn die Heizungsanlage nicht stark überdimensioniert sein soll und weiters die Wärmepumpe thermische Energie mit einem Temperaturniveau von mindestens 50°Czur Verfügung stellen soll, liegt die theoretisch mögliche Leistungsziffer e bei einem Wert zwischen 3 und 4. Höhre 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 kann. Da bei der Heizung eines Gebäudes nur während ca. 15 % der Betriebszeit der maximale Wäremebedarf benötigt wird, wogegen in der übrigen Zeit der Wärmebedarf bei 60 % bis 90% des maximalen Wertes liegt, wurde auch schon vorgeschlagen, die Wärmepumpenanlage entsprechend schwächer auszulegen und in den Fällen des maximalen Wärmebedarfes, z. B. elektrisch, zuzuheizen. Dies bedingt jedoch ebenfalls zusätzliche Anlagekosten.

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 Vereisungsgefahr am grössten ist. Sofern eine Wärmepumpe nur ein- und ausgeschaltet wird, belastet sie die wärmeabgebenden Medien während der Laufzeit immer voll jedoch 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.

Weiters sind für die volle Heizung eines Objektes Antriebsleistungen des Kompressors der Wärmepumpe erforderlich, die im Ein-Aus-Betrieb besondere Vorkehrungen erfordern. Wenn beispielsweise der Antrieb durch einen Elektromotor erfolgt, müssen beim Einschalten unzulässige Belastungen im Versorgungsnetz vermieden werden.

Der Erfingung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das die dem bekannten Betrieb von Wärmepumpen anfhaftenden Nachteile vermieden werden. Dies wird erfindungsgemäss dadurch erzielt, dass die Drehzahl des Antriebsmotors der Wärmepumpe 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 geringerer Unterschied im Temperaturniveau auf den beiden Seiten der Wärmepumpe, was eine verbesserte Leistungsziffer gewährleistet, auf.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnung, in der die Leistungziffer s, also das Verhältnis der abgegebenen Wärmemenge zur Antriebsleistung, in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz AT auf beiden Seiten der Wärmepumpe dargestellt ist, ersichtlich ist, hängt die Leistungsziffer s der Wärmepumpe sehr stark von derTempera-turdifferenz A Tab. Im drehzahlgeregelten Betrieb kann die Leistungsziffer e über lange Betriebszeiten Werte zwischen 6 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-Aus-Regelung noch beim Teilbetrieb einer Mehrzahl von Wärmepumpen auf, da in diesen Fällen während der Betriebszeit an der Wärmepumpe immer die maximal mögliche Temperaturdifferenz AT auftritt, weswegen nur eine kleinere Leistungsziffer erzielbar ist.

Da weiters, wie schon erwähnt wurde, beim drehzahlgeregelten 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 dann, wenn 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.

Die verminderte Heizleistung kann in diesen Fällen durch eine zusätzliche Wärmequelle, beispielsweise durch Entnahme aus einem Erdspeicher, ausgeglichen werden. Da die drehzahlgere2

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gelte Wärmepumpe auch in Extremfällen noch Energie abgibt, kann eine solche zusätztliche 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.

Zweckmässigerweise erfolgt die Drehzahlregelung stufenlos. Dies kann durch Regel widerstände, Frequenzumformung, tyhri-storgesteuerte 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-AusRegelung 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.

Schliesslich kann die drehzahlgeregelte Wärmepumpe einen Turbokompressor enthalten. Dies 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 insoferne einen Vorteil, als der

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drehzahlbedingte Wirkungsgradabfall der Antriebsmaschine vermindert wird.

Zusätzlich kannn bei einem Turbokompressor die Leitschaufeleinrichtung entsprchend der Drehzahlvariation nachgeregelt 5 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.

Nachstehend ist die Wirkungsweise der erfindungsgemässen io Leistungsregelung einer Wärmepumpe an Hand der Diagramme der Fig. 2 und 3 näher erläutert:

In Fig. 2 ist der Wärme- bzw. Kältebedarf 1 einer Heizungsbzw. Kühlanlage in Prozenten ihrer Nennleistung in Abhängigkeit der Differenz zwischen der gewünschten Innentemperatur 15 und der bestehendenf Aussentemperatur dargestellt. Der linke Diagrammteil 4 betrifft den Heizungsbereich und der rechte Diagrammteil 5 betrifft den Kühlungsbereich der Anlage.

In der Fig. 3 stellen die Kurve 2 das Wärme- bzw. Kälteangebot einer ungeregelten Wärmepumpe und die Kurve 3 das Wärme-2ü bzw. Kälteangebot einer geregelten Wärmepumpe in Prozenten der Nennleistung der Anlage, jeweils in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der gewünschten Innentemperatur und der gegebenen Aussentemperatur dar.

Wie aus der Kurve 3 ersichtlich ist, wird durch das erfindungs-25 gemässe 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 Leistungszifferände-rüng aufgrund der Temperaturdifferenz gewährleistet.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

643348 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Betrieb einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Antriebsmotors der Wärmepumpe variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrösse für die Variation der Drehzahl vom Wärmebedarf, beispielsweise von einem Raumthermostaten, hergleitet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrösse für die Variation der Drehzahl von der Temperatur des wärmeabgebenden Mediums hergeleitet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgrösse für die Variation der Drehzahl sowohl vom Wärmebedarf als auch von der Temperatur des wärmeabgebenden Mediums hergeleitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Wärmepumpe Regelwiderstände, thyristorgespeiste Gleichstrommotoren, Gas- oder Hydromotoren umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Drehzahl des Antriebsmotors stufenlos erfolgt und mittels Regelwiderständen, Frequenzumformung oder thyristorgespeisten Gleichstrommotoren bzw. durch Gas- oder Hydromotoren vorgenommen wird.