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Dokumentenidentifikation DE69925389T2 24.11.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0000931989
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Zusatzwärme für eine Wärmepumpe
Anmelder CARRIER Corporation, Syracuse, N.Y., US
Erfinder Liang, Hongmei, Indianapolis, Indiana 46278, US;
Burkhart, Larry J., Indianapolis, Indiana 46214, US;
Wright, Nathan D., Indianapolis, Indiana 46228, US;
Rust, Jr., Raymond A., Gosport, Indiana 47433, US;
Sullivan, Louis J., Indianapolis, Indiana 46228, US;
Perry, Timothy J., Zionsville, Indiana 46077-9729, US
Vertreter Klunker, Schmitt-Nilson, Hirsch, 80797 München
DE-Aktenzeichen 69925389
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, GR, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.01.1999
EP-Aktenzeichen 996300075
EP-Offenlegungsdatum 28.07.1999
EP date of grant 25.05.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.11.2005
IPC-Hauptklasse F24F 11/00

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern von zusätzlicher Wärme bei einer Wärmepumpe, wobei ein steuerbares Heizelement in Kombination mit der Innengebläse-Spule verwendet wird, um die Zuführluft zu erwärmen, sowie in erster Linie auf der Basis der die Innengebläse-Spule verlassenden Luft gesteuert wird, und zwar im Wesentlichen unabhängig von der an dem Innen-Thermostat erfassten Temperatur. Die Temperatur der die Innengebläse-Spule verlassenden Luft kann direkt erfasst werden oder auf der Basis der erfassten Lufttemperatur der Außenumgebung vorhergesagt werden.

Wärmepumpensysteme verwenden ein Kühlmittel zum Übertragen von Wärmeenergie zwischen einer relativ wärmeren Seite eines Zirkulationskreislaufs, wo eine Kompression des Kühlmittels durch einen Kompressor die Temperatur des Kühlmittels erhöht, zu einer relativ kühleren Seite des Kreislaufs, auf der das Kühlmittel expandieren kann, so dass ein Temperaturabfall entsteht. Wärmeenergie wird dem Kühlmittel auf der einen Seite des Kreislaufes zugeführt sowie dem Kühlmittel auf der anderen Seite entzogen, und zwar aufgrund der Temperaturunterschiede zwischen dem Kühlmittel und der Innenluft bzw. der Außenluft, um auf diese Weise die Außenluft als Wärmeenergiequelle zu verwenden.

Beim Heizen und Kühlen von Wohngebäuden verwendete Wärmepumpen arbeiten in zwei Richtungen, indem geeignete Ventil- und Steueranordnungen das Kühlmittel selektiv durch Innen- und Außen-Wärmetauscher hindurch führen, so dass der Innen-Wärmetauscher für den Heizvorgang auf der heißen Seite des Kühlmittel-Zirkulationskreislaufs angeordnet ist und für den Kühlvorgang auf der kühlen Seite angeordnet ist. Ein Zirkulationsgebläse leitet Innenluft über den Innen-Wärmetauscher sowie durch Kanäle, die in den Innenraum führen. Rücklaufkanäle führen Luft aus dem Innenraum ab und bringen die Luft zurück zu dem Innen-Wärmetauscher. Gleichermaßen leitet ein Gebläse Umgebungsluft über den Außen-Wärmetauscher und setzt Wärme an die Umgebungsluft frei oder entzieht dieser verfügbare Wärme.

Diese Arten von Wärmepumpensystemen können nur dann arbeiten, wenn eine angemessene Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und der Luft an dem jeweiligen Wärmetauscher vorhanden ist, um einen Wärmeenergietransfer aufrechtzuerhalten. Für Heizzwecke ist das Wärmepumpensystem wirksam, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Luft und dem Kühlmittel derart ist, dass die verfügbare Wärmeenergie höher ist als die zum Betreiben des Kompressors und der jeweiligen Gebläse erforderliche elektrische Energie. Die Temperaturdifferenz reicht im Allgemeinen für ein effizientes Kühlen aus, sogar an heißen Tagen. Wenn jedoch die Außenlufttemperatur unter ca. 25°F (–4°C) liegt, kann das Wärmepumpensystem für das Heizen möglicherweise nicht in der Lage sein, der Außenluft ausreichend Wärme zu entziehen, um den Wärmeverlust aus dem Raum aufgrund von Konvektionswärme, Leitungswärme und Strahlungswärme aus dem Gebäude nach außen zu kompensieren.

Wenn die Wärmepumpe nicht in der Lage ist, dem Gebäude ausreichend Wärme zuzuführen (d.h. die Außentemperatur liegt unter dem Ausgleichspunkt zwischen der Gebäudelast und der Wärmepumpenkapazität), wird ein zusätzliches Wärmeelement in dem Zuführluftkanal stromabwärts von dem Innen-Wärmetauscher/Spule vorgesehen, um die zusätzliche Wärme zuzuführen, die zum Aufrechterhalten der gewünschten Innenlufttemperatur erforderlich ist. Die Aktivierung der zusätzlichen Heizeinrichtung wird typischerweise durch ein Innen-Thermostat gesteuert, durch das die Bewohner eine gewünschte Temperatur einstellen, die durch den Betrieb des Heizsystems in dem Raum aufrechterhalten werden soll.

Herkömmliche Wärmepumpensteuersysteme verwenden ein Raumthermostat mit zwei Stufen Heizen und einer Stufe Kühlen. Bei einer ersten Wärmeanforderung von dem Thermostat werden der Wärmepumpenkompressor und Gebläse aktiviert, um Wärme außen zu extrahieren und die Wärme innen freizusetzen. Die Wärmepumpe führt dem Gebäude Luft (typischerweise bei ca. 80°F (27°C)) zu, bis die Innentemperatur den Thermostat-Einstellpunkt (d.h. den ersten Einstellpunkt) erreicht, und wird dann deaktiviert. Wenn der Wärmeverlust des Gebäudes höher ist als die Kapazität der Wärmepumpe, wobei dies bei sinkender Außentemperatur auftritt, kann die Innenlufttemperatur von der Wärmepumpe nicht auf die gewünschte Temperatur erhöht werden. Die Innentemperatur sinkt somit weiter.

Das Raumthermostat weist eine zweite Schalteinrichtung auf, die bei einer Temperatur geringfügig unterhalb der gewünschten Temperatur betätigt wird, bei der die erste Schalteinrichtung betätigt wird. Wenn die Raumtemperatur auf den durch das Thermostat definierten zweiten Einstellpunkt absinkt, wird dem zusätzlichen Heizelement herkömmlicherweise Energie zugeführt. Das zusätzliche Heizelement liefert die zusätzliche Wärme, die erforderlich ist, um die Innentemperatur auf die zweite Einstellpunkt-Temperatur zu bringen (typischerweise hat die Zuführluft ca. 125°F (52°C)), und anschließend arbeitet die Wärmepumpe alleine, um dem Gebäude Wärme zuzuführen, bis die erste Einstellpunkt-Temperatur erreicht ist.

Wie in dem US-Patent 5,367,601 erläutert wird, auf dem der Oberbegriff des Anspruchs 9 basiert, verursachen jedoch herkömmliche zweistufige Wärmesteuerungen große Schwankungen in der Temperatur der Zuführluft, die von dem Wärmepumpensystem in das Gebäude hinein abgegeben wird. Derart hohe Temperaturschwankungen (z.B. 80°F bis 125°F (27°C bis 52°C)) sind für die Bewohner unangenehm und haben einen nachteiligen Einfluss auf die Effizienz des Wärmepumpensystems. In dem Versuch, das Wohlbefinden für die Bewohner zu verbessern, schlägt das '601-Patent ein Steuersystem vor, das eine exaktere Steuerung des Betriebs der zusätzlichen Heizung vorsieht, und zwar durch Erfassen der Zuführlufttemperatur sowie durch anschließendes kontinuierliches Steuern des Ein-/Aus-Zustands der zusätzlichen Heizung. Während dieser Vorschlag Schritte in Richtung auf die Aufrechterhaltung der Zuführlufttemperatur auf einem bestimmten Niveau unternimmt, hat es wenigstens zwei signifikante Nachteile.

Als Erstes wird die zusätzliche Heizung nur dann verwendet, wenn eine zweite Anforderung nach Wärme von dem Innen-Thermostat erfolgt ist. Dies macht es schwieriger, die Luftzuführtemperatur auf einem konstanten, vorbestimmten Niveau zu halten, da die zusätzliche Heizung niemals während der Erststufen-Heizung aktiviert wird.

Zweitens muss der Temperatursensor von dem die Wärmepumpe installierenden Techniker in dem Luftzuführkanal der Gebäude-Arbeitsschächte angebracht werden. Schwankungen in der Position des Sensors können zu Schwankungen in der Temperatur-Erfassungsgenauigkeit führen, wobei dies wiederum zu einer fehlerhaften Steuerung der zusätzlichen Heizung durch die Steuereinrichtung führen kann.

Das US-Patent 4,141,408 offenbart ebenfalls eine Steuereinrichtung zum Steuern von zusätzlichen Heizelementen in einem Wärmepumpensystem. Dieses Patent schlägt die Verwendung von Sensoren vor, die an der Innen-Spule positioniert sind, um die Temperatur der die Spule verlassenden Luft zu messen. Die Sensoren sind mit Relais verbunden, die sich schließen, um ein oder zwei Heizelemente mit feststehender Ausgangsleistung zu betätigen. Dieses System ist nicht in der Lage, große Schwankungen in der Luftzuführtemperatur zu verhindern, da keine Einrichtung zum Betreiben der zusätzlichen Heizelemente während der Erststufen-Heizung vorhanden ist. Ferner ist auch keine Einrichtung zum exakten Steuern des Betriebs der Heizelemente vorgesehen, indem diese einfach ansprechend auf die von den Sensoren erfassten Temperaturen eingeschaltet und ausgeschaltet werden.

Das US-Patent 5,332,028 offenbart ebenfalls ein Wärmepumpensystem mit zusätzlicher Heizung für die Anwendung an der Zuführluft während Perioden des Enteisungsbetriebs, um einen „Kälteschlag"-Zustand zu vermeiden, während die Wärmepumpe im Enteisungsmodus arbeitet. Dieses Patent macht den Vorschlag, ein zusätzliches Heizelement ansprechend auf die erfasste Temperatur der Zuführluft während der Enteisung einzuschalten und darauf ansprechend zusätzliche Wärme in Stufen nach Bedarf einzuschalten, um das Temperaturniveau der Zuführluft während der Enteisung auf einem angenehmen Niveau zu halten. Jedoch ist es auch bei diesem System erforderlich, dass der Monteur den Luftzuführtemperatursensor positioniert, so dass sich der gleiche Nachteil ergibt, wie dies vorstehend erläutert wurde. Ferner ist keine Einrichtung vorhanden, durch die die zusätzlichen Heizelemente exakt gesteuert werden, um die vorstehend genannten großen Temperaturschwankungen in der Zuführluft zu vermeiden. Ferner werden die zusätzlichen Heizelemente nicht während der Erststufen-Heizung in Betrieb genommen, um zu allen Zeiten eine konstante Luftzuführtemperatur zu gewährleisten.

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Temperatur der von einem Wärmepumpensystem abgegebenen Zuführluft auf einem im Wesentlichen konstanten Niveau zu halten, indem eine exakte Steuerung der zusätzlichen Heizelemente vorgesehen ist, während gleichzeitig die Möglichkeit eines Montagefehlers hinsichtlich der Position des Temperatursensors stromabwärts von der Innen-Spule eliminiert ist.

Gemäß einem ersten Gesichtspunkt schafft die Erfindung ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist, und gemäß einem zweiten Gesichtspunkt schafft die Erfindung eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 9 beansprucht ist.

Die vorliegende Erfindung schafft in ihren offenbarten Ausführungsformen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufrechterhalten einer im Wesentlichen konstanten Zuführlufttemperatur in einem Wärmepumpensystem unter Schaffung einer exakten Steuerung der zusätzlichen Wärme, die dem von einer Innen-Spule zu einem Luftzuführkanal des Wärmepumpensystems strömenden Luftstrom zugeführt wird. Bei dem Wärmepumpensystem handelt es sich um eines des Typs mit einen Innen-Thermostat, das einen ersten Einstellpunkt zum Initiieren einer Wärmezufuhr durch die Innen-Spule sowie einen zweiten Einstellpunkt zum Initiieren einer zusätzlichen Wärmezufuhr durch zusätzliche Heizelemente aufweist. Das Verfahren beinhaltet die Schritte der Bereitstellung eines Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung stromabwärts von der Innengebläse-Spule zum Erwärmen der Luft, die von der Innen-Spule zu dem Luftzuführkanal strömt. Eine Steuerung auf Mikroprozessorbasis erfasst die Außenlufttemperatur oder die Spulenaustrittstemperatur des von der Innen-Spule erwärmten Luftstroms an einer Stelle zwischen der Innen-Spule und dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung und nimmt dann eine selektive Aktivierung des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur vor, und zwar unabhängig von dem zweiten Einstellpunkt des Innen-Thermostats. Wenn das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung alleine die Innen-Spule beim Aufrechterhalten der Luftzuführtemperatur auf einer vorbestimmten Basistemperatur nicht unterstützen kann, können auch ein oder mehrere Heizelemente mit feststehender Ausgangsleistung verwendet werden.

Die vorliegende Erfindung basiert auf der Erkenntnis der Erfinder, dass zum Aufrechterhalten einer Luftzuführtemperatur auf einer vorbestimmten Basistemperatur von beispielsweise 105°F (40°C) es gelegentlich erforderlich sei, der Zuführluft zusätzliche Wärme hinzuzufügen, wenn das Wärmepumpensystem nur in der ersten Stufe arbeitet (d.h. ansprechend auf die erste Anforderung von dem Innen-Thermostat). Die Erfinder haben auch erkannt, dass die Verwendung von Heizelementen mit feststehender Ausgangsleistung, selbst wenn diese während der ersten Stufe der Wärmepumpenaktivität verwendet werden, häufig dazu führt, dass der Zuführluft zu viel Wärme zugeführt wird, so dass wiederum das bei früheren Systemen auftretende Problem der hohen Temperaturschwankungen entsteht.

Die Erfindung überwindet dieses Problem unter Verwendung eines Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung in Kombination mit der Innen-Spule während der ersten Stufe des Wärmepumpenbetriebs. Das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung wird unabhängig von dem zweiten Einstellpunkt des Innen-Thermostats betrieben, indem keine Anforderung von zusätzlicher Wärme von dem Thermostat vorliegen muss, bevor das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung aktiviert wird. Auf diese Weise kann das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung zusammen mit der von der Innen-Spule gelieferten Erststufenwärme betrieben werden, um die Zuführluft auf einer im Wesentlichen konstanten, vorbestimmten Basistemperatur (z.B. 105°F (40°C)) zu halten. Wenn die Anforderungen an das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung deren Ausgangskapazität übersteigen, dann können auch die Heizelemente mit feststehender Ausgangsleistung jeweils einzeln aktiviert werden, um die Gebäudelast zu erfüllen. Und wenn die Last dazu führt, dass das Thermostat zusätzliche Wärme anfordert, kann der Betrieb des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung bei Bedarf entkoppelt werden, so dass die volle Leistung so vielen zusätzlichen Heizelementen (einschließlich dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung) zugeführt werden kann, wie dies zum Erfüllen der zweiten Anforderung von dem Thermostat erforderlich ist.

Die vorliegende Erfindung überwindet ferner die vorstehend erläuterten Sensorpositionierprobleme durch Verwendung eines in der Fabrik installierten Sensors auf der stromabwärtigen Seite der Innenluft-Spule oder alternativ durch Verwendung eines Außen-Sensors. In beiden Fällen wird kein Kalibrierfehler in das System eingebracht, da keine Notwendigkeit besteht, dass der Monteur den Sensor an einer exakten Stelle in dem Luftzuführ-Arbeitsschacht des zu beheizenden Gebäudes zu positionieren.

Diese und weitere Ziele der vorliegenden Erfindung werden bei Lektüre der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung noch besser verständlich. In den Zeichnungen zeigen:

1 eine bildliche Darstellung eines Innenraum-Spulenbereichs eines Wärmepumpensystems, in das die vorliegende Erfindung integriert ist;

2 eine Perspektivansicht des elektrischen Heizmodulbereich eines Wärmepumpensystems, in das die vorliegende Erfindung integriert ist; und

3 eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Wärmepumpenkapazität und der Gebäude-Lastanforderungen im Hinblick auf die Außentemperatur und die Zuführlufttemperatur.

Unter Bezugnahme auf 1 ist die Erfindung allgemein bei dem Bezugszeichen 10 dargestellt, und zwar integriert in einen Innenraum- bzw. Innen-Spulenbereich 11, der eine Rücklaufluftkammer 12, eine Zuführluftkammer 13 und eine Gebläsemotoranordnung 14 zum Ansaugen der Luft in die Rücklaufluftkammer 12 sowie zum Zuführen derselben über die Zuführluftkammer 13 zurück zu dem zu klimatisierenden Raum aufweist. Eine Innen-Spule 16 ist in dem System angeordnet und wird von Kühlmittel durchströmt, um die die über die Spule 16 strömende Luft bei ihrer Zirkulation durch das System zu kühlen oder zu erwärmen. Die Innen-Spule 16 wirkt im Kühlmodus als Verdampfer, um der Innenluft Wärme zu entziehen, sowie im Heizmodus als Kondensator, um der Innenluft Wärme zuzuführen. Während des Enteisungsmodus schaltet das System von dem Heizmodus auf einen Kühlmodus um, um eine Übertragung der Wärme aus der Innenluft mittels des Kühlmittels auf die Außen-Spule zu ermöglichen, um das Enteisen von dieser zu erleichtern.

Ein elektrisches Heizmodul 17 ist unmittelbar stromabwärts von der Gebläsemotoranordnung 14 vorgesehen. Herkömmlicherweise werden die elektrischen Widerstandsheizelemente in dem Modul 17 mit Energie versorgt, um die Wärmepumpe bei Bedingungen mit niedriger Außentemperatur (z.B. weniger als 32°F (0°C)) zu ergänzen. Dieses Modul wird auch während des Enteisungsmodus verwendet, um die dem klimatisierten Raum zugeführte Luft zu erwärmen, während der Rücklaufluft Wärme entzogen wird, um auf diese Weise die Außen-Spule zu enteisen. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird dieses Modul auch während der ersten Stufe des Wärmepumpenbetriebs in Betrieb genommen (d.h. wenn die Innen-Spule normalerweise alleine wirksam ist, um die erwärmte Zusatzluft zur Verfügung zu stellen). Dieser Gesichtspunkt der Erfindung wird im Folgenden noch ausführlicher erläutert.

Eine Steuerung 18 auf Mikroprozessorbasis ist zum Steuern des gesamten Wärmepumpensystems in Abhängigkeit von Signalen vorgesehen, die von einem Innenraum- bzw. Innenthermostat (nicht gezeigt) und einem Temperatursensor 19, wie z.B. einem Thermistor oder dergleichen, empfangen werden. Der Thermistor 19 hat eine Funktion zum Erfassen der Temperatur der die Innen-Spule verlassenden Luft. Der Thermistor 19 kann auch zum Erfassen der Temperatur der Außenluft verwendet werden, wobei in beiden Fällen diese Temperatursignale während des Betriebs der Wärmepumpe über Leitungen 21 an die Steuerung 18 geliefert werden.

Die Innen-Spule 16 ist mit einem standardmäßigen, einen geschlossenen Kreis bildenden Kühlkreislauf verbunden, der einen Kompressor 22, ein Vierwegventil 23, eine Außen-Spule 24 mit einem Gebläse 26 sowie Expansionsventile 27 und 28 beinhaltet. Das Vierwegventil 23 wird von der Steuerung 18 selektiv betätigt, um in dem jeweiligen Kühlmodus, Heizmodus oder Enteisungsmodus zu arbeiten, wobei entweder das Expansionsventil 28 eine dosierte Zufuhr des Stroms zu der Innen-Spule 16 bewirkt oder das Expansionsventil 27 eine dosierte Zufuhr des Kühlmittelstroms zu der Außen-Spule 24 bewirkt. Die Steuerung 18 kann zur selektiven Betätigung sowohl des Kompressors 22 als auch des Gebläses 26 ausgelegt werden.

Das elektrische Heizmodul 17 ist in 2 detaillierter dargestellt und beinhaltet eine Mehrzahl von elektrischen Widerstandsheizelementen 29, die über ein von der Steuerung 18 gesteuertes Relais (nicht gezeigt) mit einem Paar Stromleitungen 31 verbunden sind. Die Heizelemente 29 erstrecken sich nach hinten in die Zuführluftkammer 13 hinein und sind in Vertikalrichtung durch eine Mehrzahl von Abstützstangen 32 abgestützt, wie dies dargestellt ist. Jedes der Heizelemente hat vorzugsweise eine Nennleistung von 5 kW, obwohl auch Elemente mit anderen Nennleistungen verwendet werden können. Eines der Heizelemente ist einstellbar, und zwar in Schritten von nur 100 W von 0 bis 5 kW. Die übrigen Elemente, und zwar vorzugsweise bis zu drei zusätzliche Elemente, sind alle festgelegt, und zwar vorzugsweise auf das gleiche Ausgangs-Nennleistungsniveau. 2 zeigt eine Ausführungsform mit nur zwei Elementen.

3 zeigt eine grafische Darstellung der Außentemperatur gegenüber der Zuführlufttemperatur und beinhaltet ein Diagramm HPC zur Veranschaulichung der Wärmepumpenkapazität (die bestimmt wird durch die Parameter des eigentlichen Wärmepumpensystems) sowie eine Darstellung BL zur Veranschaulichung der Gebäude-Heizerfordernisse (Gebäudelast). 3 zeigt, dass bei sinkender Außentemperatur die Wärmepumpenkapazität abnimmt und die Gebäudelast zunimmt, und zwar beides im Wesentlichen in linearer Weise. Bei dem Ausgleichspunkt handelt es sich um den Ort, an dem sich die beiden Linien kreuzen. Herkömmlicherweise wird die erste Stufe eines Wärmepumpensystems typischerweise dazu verwendet, die Erfordernisse der Last bei Außentemperaturen über dem Ausgleichspunkt zu erfüllen, während eine Erwärmung in einer zweiten Stufe (zusätzliche Erwärmung) zusätzlich zu der Luftzufuhr des Systems bei Außentemperaturen unterhalb des Ausgleichspunkts verwendet wird. Der Ausgleichspunkt für das in 3 grafisch dargestellte System beträgt ca. 34°F (1°C).

Zum Aufrechterhalten einer grundlegenden Zuführlufttemperatur von beispielsweise ca. 105°F (40°C) (die horizontale Linie BT in 3) führt die vorliegende Erfindung selektiv eine Steuerung der dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung zugeführten Energie durch, und zwar auf der Basis der nachfolgenden Formel: kW = Konstante × CFM × (T2 – T1) dabei bedeuten:

T2
die Ziel-Basistemperatur (BT) der Zuführluft,
T1
die Temperatur der die Innen-Spule verlassenden Luft, und
CFM
der Luftstrom durch das System (der bei einigen Gebläsemodellen bekannt ist und bei anderen Gebläsemodellen angenähert wird).

(Die Konstante gewährleistet einfach eine Harmonisierung unter den verschiedenen Einheiten). Wenn der Wert T1 an dem Ausgang der Innen-Spule erfasst wird, wird dieser Ablesewert in der vorstehend genannten Formel direkt verwendet. Wenn jedoch die Außentemperatur erfasst wird, wird T1 durch Extrapolation aus der in 3 gezeigten grafischen Darstellung vorhergesagt. Dies kann vollständig innerhalb der Steuerung 18 unter Verwendung allgemein bekannter Nachschlagetechniken stattfinden.

Gemäß der Erfindung und unter Bezugnahme auf 3 greift die Steuerung periodisch auf den Sensor 19 zu, um eine Temperaturablesung (T1) zu erhalten. Die Steuerung berechnet dann den Betrag der kW-Leistung, die von dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung geliefert werden muss. Wenn eine Bedarfsanforderung von dem Innen-Thermostat für Erststufenwärme vorliegt, jedoch T1 gleich T2 ist, arbeitet das System mit einem zyklischen Durchlauf nur der Erststufenwärme, wie dies in dem Bereich „NUR HP" der grafischen Darstellung in 3 veranschaulicht ist. Wenn jedoch T1 geringer als T2 ist, berechnet die Steuerung den Betrag der dem Heizelement mit der einstellbaren Ausgangsleistung zuzuführenden Energie unter Verwendung der vorstehend genannten Formel, wobei die Steuerung dann die dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung zugeführte Energie unter Verwendung eines Festkörper-Relais steuert.

Das bevorzugte Verfahren zum Zuführen von Energie zu dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung wird nun anhand eines Beispiels erläutert. Es sei angenommen, dass der berechnete Leistungsbedarf für das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung 2 kW beträgt und die volle Nennleistung des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung 5 kW beträgt. Dies bedeutet, dass 40% der vollen Leistung des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung erforderlich sind, um T1 auf die Basistemperatur T2 (BT) zu erhöhen. Dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung wird Energie über eine feststehende Anzahl von Leitungszyklen zugeführt, wobei es sich z.B. um 100 Leitungszyklen handelt. Wenn die Berechnung ergibt, dass für das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung 40% Leistung erforderlich sind, dann wird die Leistung für dieses Element für 40 Leitungszyklen eingeschaltet und dann für 60 Leitungszyklen ausgeschaltet. Dies führt zur Produktion der erforderlichen Ausgangsleistung von 2 kW von dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung. Diese zyklische Zufuhr von Energie zu dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung wird kontinuierlich wiederholt, so lange die Steuerung (über den Sensor 19) feststellt, dass T1 geringer ist als T2.

Vorzugsweise wird die Energiezufuhr zu dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung in Inkrementen verändert, beispielsweise in Inkrementen von nur 2% der vollen Leistung, um eine exakte Steuerung der Luftzuführtemperatur zu ermöglichen. Wenn nun 40% Leistung bei der erstmaligen Erfassung von T1 erforderlich sind, jedoch T1 bei dem nächsten Ablesezyklus geringer geworden ist und die Steuerung nun berechnet, dass 45% Leistung (d.h. 2,25 kW) notwendig sind, um T1 auf T2 zu erhöhen, dann wird die Energiezufuhr zu dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung um 5% erhöht (d.h. kontinuierlich für 45 und 55 Leitungszyklen eingeschaltet bzw. ausgeschaltet), bis T1 gleich T2 beträgt. Obwohl unter Verwendung der vorliegenden Erfindung Inkremente von 2% verwirklicht werden können, sind Inkremente von 5% der vollen Leistung wahrscheinlich niedrig genug, um Schwankungen bei T1 bewältigen zu können.

Wenn die berechnete Leistung die Nennausgangsleistung des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung (z.B. 5 kW) übersteigt, wird eines der zusätzlichen Heizelemente mit feststehender Ausgangsleistung (z.B. je 5 kW) von der Steuerung aktiviert, und die Energiezufuhr zu dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung wird dann kontinuierlich verändert, um den Leistungsbedarf über 5 kW zu erfüllen.

Das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung wird vorzugsweise durch ein Festkörper-Relais eingeschaltet und ausgeschaltet, während die übrigen Elemente unter Verwendung elektromechanischer Relais eingeschaltet und ausgeschaltet werden. Das Festkörper-Relais wird von einer Relais-Treiberschaltung angesteuert, die in die Steuerung 18 integriert ist. Das Festkörper-Relais weist Nulldurchgangs-Schaltungseinrichtungen auf, die das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung nur dann ein- und ausschalten, wenn der Leitungszyklus 0 V kreuzt. Die Ein-/Aus-Verzögerung eines halben Leitungszyklus begrenzt somit die kürzeste Einschaltzeit für das Heizelement auf zwei Leitungszyklen. Im Fall eines Heizelements mit einer Nennleistung von 5 kW, das auf einer zeitlichen Basis von 100 Leitungszyklen arbeitet, würde somit die niedrigste Leistungsabgabe 100 W betragen.

Die Teillinien F1, F2 und F3 in 3, die parallel zu der Heizpumpen-Kapazitätslinie verlaufen, veranschaulichen den Effekt der Energieversorgung von Heizelementen mit einer festen Ausgangsleistung von 5 kW. Der dreieckige schraffierte Bereich R1 veranschaulicht die zusätzliche Kapazität als Ergebnis der Energieversorgung des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung in der vorstehend beschriebenen Weise. Der dreieckige schraffierte Bereich R2 veranschaulicht die zusätzliche Kapazität als Ergebnis der Energieversorgung des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung, während ein erstes zusätzliches Heizelement mit einer feststehenden Ausgangsleistung von 5 kW von der Steuerung aktiviert wird. Diese Bereiche R1 und R2 sind von der BT-Temperaturlinie (105°F (40°C) in 3) begrenzt. Der Schnittpunkt der Linie BT mit den Linien BL und HPC gibt den Außentemperaturbereich vor, in dem das Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung (Bereich R1) und bei Bedarf eines der zusätzlichen Heizelement mit fester Ausgangsleistung (Bereich R2) mittels der von der Innen-Spule zugeführten Erststufen-Heizwärme zyklisch aktiviert werden. Links von dem Schnittpunkt der Linie BT mit der Linie BL ist die Wärmepumpenkapazität so niedrig, dass das System die Innen-Spule kontinuierlich betreibt und die Mehrzahl der Heizelemente (einschließlich des Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung, wie dies durch schraffierten Bereiche R3, R4 und R5 dargestellt ist) zyklisch betreibt, um den Lastbedarf des Gebäudes zu erfüllen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Luftzuführtemperatur auf einer im Wesentlichen konstanten Temperatur gehalten werden, und zwar sowohl während der Erststufen-Heizung als auch während der Zweitstufen-Heizung, und zwar unter Verwendung eines Heizelements mit einstellbarer Ausgangsleistung in Kombination mit zusätzlichen Heizelementen mit fester Ausgangsleistung.

Darüber hinaus kann die Möglichkeit für durch den Monteur verursachte Fehler vermieden werden, indem ein in der Fabrik installierter Temperatursensor an der stromabwärtigen Seite der Innen-Spule oder ein üblicher Außentemperatursensor verwendet werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zum Steuern von zusätzlicher Wärme, die einem von einer Innen-Schlange (16) zu einem Luftzuführkanal eines Wärmepumpensystems strömenden Luftstrom zugeführt wird, wobei es sich bei dem Wärmepumpensystem um eines des Typs mit einem Innen-Thermostat handelt, das einen ersten Einstellpunkt zum Initiieren einer Wärmezufuhr durch die Innen-Schlange (16) sowie einen zweiten Einstellpunkt zum Initiieren einer zusätzlichen Wärmezufuhr durch eine zusätzliche Heizeinrichtung (17) aufweist, wobei die zusätzliche Heizeinrichtung (17) stromabwärts von der Innen-Schlange (16) vorgesehen ist, um von der Innen-Spule (16) zu dem Luftzuführkanal strömende Luft zu erwärmen, sowie ein Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung aufweist, wobei das Verfahren den Schritt beinhaltet, in dem die Schlangenaustrittstemperatur des von der Innen-Schlange (16) erwärmten Luftstroms an einer Stelle zwischen der Innen-Schlange (16) und dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung bestimmt wird, wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch den Schritt, in dem das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Spulenaustrittstemperatur unabhängig von dem zweiten Einstellpunkt des Innen-Thermostats selektiv aktiviert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spulenaustrittstemperatur durch eine Temperatur-Erfassungseinrichtung (19) bestimmt wird, die zwischen den Innen-Spule (16) und dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung positioniert ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Spulenaustrittstemperatur durch Vorhersage auf der Basis eines Ablesewertes von einer Außentemperatur-Erfassungseinrichtung bestimmt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung aktiviert wird, wenn die Spulenaustrittstemperatur unter eine vorbestimmte Basistemperatur für die Zuführluft absinkt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin gekennzeichnet durch den Schritt, in dem die zu dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung zuzuführende Energiemenge auf der Basis der Spulenaustrittstemperatur berechnet wird und dann das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung selektiv aktiviert wird, um die Luftzuführtemperatur auf die Basistemperatur anzuheben.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung eine maximale Ausgangsleistung aufweist, die dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung zuzuführende Energiemenge als erster prozentualer Anteil der maximalen Menge berechnet wird und dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung Energie für einen prozentualen Anteil auf Zeitbasis, der in seiner Größe dem ersten prozentualen Anteil entspricht, zyklisch zugeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung eine maximale Ausgangsleistung aufweist und die dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung zuzuführende Energiemenge in Inkrementen auf der Basis der während des Berechnungsschrittes berechneten Energiemenge verändert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei die zusätzliche Heizeinrichtung (17) ferner mindestens ein Heizelement mit feststehender Ausgangsleistung beinhaltet, das zusätzlich zu dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung aktiviert wird, wenn die während des Berechnungsschrittes berechnete Energiemenge ein vorbestimmtes Niveau übersteigt.
  9. Heizpumpensystem, aufweisend:

    Außen- und Innen-Wärmetauscherschlangen (24, 16) mit zugeordneten Gebläsen;

    einen Kompressor (22);

    eine Expansionsvorrichtung (27);

    eine Einrichtung zum Umkehren des Kühlmittelstroms, um zwischen Heizbetriebsmodus, Kühlbetriebsmodus und Enteisungsbetriebsmodus auszuwählen;

    eine zusätzliche Heizeinrichtung (17) zum Erwärmen eines von der Innen-Schlange zu einem Luftzuführkanal strömenden Luftstroms, wobei die zusätzliche Heizeinrichtung ein Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung aufweist;

    ein Innen-Thermostat mit einem ersten Einstellpunkt zum Initiieren einer Wärmezufuhr von der Innen-Schlange und mit einem zweiten Einstellpunkt zum Initiieren einer zusätzlichen Wärmezufuhr von der zusätzlichen Heizeinrichtung;

    dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmepumpensystem Folgendes aufweist:

    eine Einrichtung (19) zum Bestimmen der Schlangenaustrittstemperatur des von der Innen-Schlange erwärmten Luftstroms an einer Stelle zwischen der Innen-Schlange (16) und der zusätzlichen Heizeinrichtung (17); und

    eine Steuereinrichtung (18) zum selektiven Aktivieren des Heizelements (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung in Abhängigkeit von der Schlangenaustrittstemperatur unabhängig von dem zweiten Einstellpunkt des Innen-Thermostats.
  10. Wärmepumpensystem nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung (19) zum Bestimmen der Spulenaustrittstemperatur gekennzeichnet ist durch eine Temperatur-Erfassungseinrichtung (19), die zwischen der Innen-Spule (16) und dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung angeordnet ist.
  11. Wärmepumpensystem nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zum Bestimmen der Spulenaustrittstemperatur gekennzeichnet ist durch eine Außentemperatur-Erfassungseinrichtung und die Spulenaustrittstemperatur auf der Basis eines Ablesewertes von der Außentemperatur-Erfassungseinrichtung vorhergesagt wird.
  12. Wärmepumpensystem nach Anspruch 9, 10 oder 11, wobei das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung aktiviert wird, wenn die Spulenaustrittstemperatur unter eine vorbestimmte Basistemperatur für die Zuführluft absinkt.
  13. Wärmepumpensystem nach Anspruch 12, weiterhin gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Berechnen der dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung zuzuführenden Energiemenge auf der Basis der Spulenaustrittstemperatur, sowie dadurch, dass die Steuereinrichtung das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung selektiv aktiviert, um die Luftzuführtemperatur auf die Basistemperatur anzuheben.
  14. Wärmepumpensystem nach Anspruch 13, wobei das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung eine maximale Ausgangsleistung aufweist, die Berechnungseinrichtung die dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung zuzuführende Energiemenge als ersten prozentualen Anteil der maximalen Menge berechnet und die Steuereinrichtung dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung Energie für einen prozentualen Anteil auf Zeitbasis, der in seiner Größe dem ersten prozentualen Anteil entspricht, zyklisch zuführt.
  15. Wärmepumpensystem nach Anspruch 13, wobei das Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung eine maximale Ausgangsleistung aufweist und die Steuereinrichtung den Betrag der dem Heizelement (17) mit einstellbarer Ausgangsleistung zugeführten Energie auf der Basis der von der Berechnungseinrichtung berechneten Energiemenge in Inkrementen ändert.
  16. Wärmepumpensystem nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die zusätzliche Heizeinrichtung (17) weiterhin gekennzeichnet ist durch mindestens ein Heizelement mit feststehender Ausgangsleistung, und wobei die Steuereinrichtung (18) das Heizelement mit feststehender Ausgangsleistung zusätzlich zu dem Heizelement mit einstellbarer Ausgangsleistung aktiviert, wenn die von der Berechnungseinrichtung berechnete Energiemenge ein vorbestimmtes Niveau übersteigt.
  17. Wärmepumpensystem nach Anspruch 10 oder einem der Ansprüche 12 bis 16 bei deren Abhängigkeit von Anspruch 10, wobei es sich bei der Temperatur-Erfassungseinrichtung (19) um einen Thermistor handelt, der in der Nähe des der Innen-Spule (16) zugeordneten Gebläses vorgesehen ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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