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Dokumentenidentifikation DE102004011357B4 13.07.2006
Titel Auswerteeinheit für eine Wärmepumpe einer Heizungsanlage
Anmelder Kohlsch, Oliver, 33129 Delbrück, DE;
Wiesing, Friedbert, 33129 Delbrück, DE
Erfinder Kohlsch, Oliver, 33129 Delbrück, DE;
Wiesing, Friedbert, 33129 Delbrück, DE
Vertreter Ostermann, T., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 33106 Paderborn
DE-Anmeldedatum 05.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004011357
Offenlegungstag 22.09.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.07.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.07.2006
IPC-Hauptklasse F25B 49/02(2006.01)A, F, I, 20060116, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01K 17/06(2006.01)A, L, I, 20060116, B, H, DE   F25B 30/02(2006.01)A, L, I, 20060116, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Auswerteeinheit für eine Wärmepumpe einer Heizungsanlage mit einer Messeinrichtung zur Ermittlung von ausgangsseitig der Kältemaschine vorliegenden leistungsausgaberelevanten Größen.

Aus der DE 41 19 454 A1 ist eine Auswerteeinheit für eine Heizungsanlage bekannt, bei der leistungsausgaberelevante Größen wie die Vorlauftemperatur, die Rücklauftemperatur und der Volumenstrom/Massenstrom des Wärmeträgers gemessen werden zur Ermittlung eines Wirkungsgrades der Heizungsanlage. Bei dieser Kenngrößenbestimmung fließen jedoch nur den Wärmeträger unmittelbar betreffende Größen, nämlich beispielsweise der Massenstrom, ein. Nachteilig an der bekannten Auswerteeinheit ist, dass nicht alle wesentlichen Größen, insbesondere elektrische Größen, bei der Kenngrößenbestimmung berücksichtigt werden.

Im Gegensatz dazu wird in der Druckschrift US 6,505,475 B1, in der auch ein Verfahren zur Ermittlung einer Leistungskennzahl beschrieben wird, lediglich die Stromaufnahme des Kompressors erfasst. Darüber hinaus zeigt diese Druckschrift nur einen Kältekreislauf und keinen Wärmepumpenkreislauf mit Energiequellenkreis.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Auswerteeinheit für Kältemaschinen derart weiterzubilden, dass einem Benutzer komfortabel Kenngrößen der Kältemaschine unter Berücksichtigung aller leistungsrelevanter Größen bereitgestellt werden.

Die Aufgabe Erfindung wird mit den merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der besondere Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass dem Benutzer der Kältemaschine durch die erfindungsgemäß ausgebildete Auswerteeinheit eine vollständige und genaue Angabe von Kenngrößen bereitgestellt wird.

Grundgedanke der Erfindung ist es, alle leistungsrelevanten Größen einer Kältemaschine, also zum einen die leistungsausgaberelevanten und zum anderen die leistungseingaberelevanten Größen messtechnisch zu ermitteln, in einer Recheneinrichtung zu verarbeiten und anschließend in einer Anzeigeeinrichtung für den Benutzer zur Anzeige zu bringen. Dabei ermittelt die Messeinrichtung ausschließlich die von kältemaschinen- bzw. wärmepumpenrelevanten Bauteilen abgegebenen bzw. aufgenommenen Leistungsgrößen, so dass die kältemaschinenspezifischen Kenngrößen identifiziert und gesondert angezeigt werden können.

Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Kältemaschine als eine Wärmepumpe ausgebildet, die einen Bestandteil einer Heizungsanlage bildet. Neben leistungsausgaberelevanten Größen der Vorlauftemperatur, der Rücklauftemperatur und des Volumenstromes werden auch leistungseingaberelevante Verbrauchsgrößen, wie z. B. die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe, gemessen und in der Recheneinrichtung weiterverarbeitet. Vorteilhaft ermöglicht die Auswerteeinheit die Berechnung und Anzeige einer Leistungszahl &egr;, die die Effizienz der Wärmepumpe wiedergibt. Weiterhin kann die Arbeitszahl &egr;a bezogen auf einen Tag oder eines Jahres oder eines frei bestimmbaren Zeitraumes berechnet und dargestellt werden. Bei Einsatz einer elektrischen Wärmepumpe kann der aktuelle Energieverbrauch (elektrische Wirkleistung), die aktuellen Temperaturwärme, die Nutzwärmemenge etc. angezeigt werden.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Auswerteeinheit einen Mikrokontroller auf, der über einen Speicher und ein Kenngrößenprogramm verfügt, so dass alle relevanten Kennwerte ermittelt, abgespeichert, weiterverarbeitet, mit abgespeicherten Kennwerten verglichen und dann angezeigt werden können.

Vorzugsweise ist der Mikrokontroller reprogrammierbar ausgebildet, so dass Programmänderungen möglich sind.

Vorteilhaft kann die Auswerteeinheit in eine vorhandene Heizungsanlage integriert werden, in der beispielsweise eine Wärmepumpe installiert ist. Es brauchen lediglich Messwertaufnehmer an den entsprechenden Verbindungsleitungen des Wärmeträgers bzw. des Energieträgers (elektrischer Strom) eingerichtet werden, die über entsprechende Messleitungen an die Auswerteeinheit angekoppelt sind. Vorteilhaft kann eine vorhandene Heizungsanlage mit einer erfindungsgemäßen Auswerteeinheit nachgerüstet werden.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.

Wärmeübertrager 5, 5' aufweist. Ein erster Wärmeüberträger 5 ist mit einem Energiequellenkreis 7' gekoppelt, der zweite Wärmeübertrager 5' ist mit einem Heizkreis 2 gekoppelt. Der Wärmeübertrager 5 ermöglicht beispielsweise die in der Erde gespeicherte Wärmeenergie auf ein Kältemittel zu übertragen und mittels eines (oder mehrerer) elektrischer Verdichter 3' auf ein zum Heizen nutzbares Temperaturniveau zu heben, um dann über den Wärmeüberträger 5' auf den Wärmeträger des Heizkreises 2 zu übertragen indem der Wärmeträger mittels einer Umwälzpumpe 9 zu einem Heizkörper 10 oder mittels einer Umwälzpumpe 11 zu einem Brauchwasserspeicher 12 gefördert wird. Zur Umwälzung des Wärmeträgers in den Bodenspeicher 7 ist eine weitere Umwälzpumpe 13 vorgesehen.

Die Umwälzpumpen 9 und 11 werden mittels eines Relais' 14 betätigt, wobei lediglich dessen Steueranschluss 15 genauso wie die Anschlüsse 16, 17, 18 des Motors 4 von einem Energieeingang 19 einer Auswerteeinheit 20 abgegriffen werden. Der Arbeitsstrom der Umwälzpumpen 9 und 11 wird durch die Auswerteeinheit nicht erfasst. Der Steuerstrom des Relais' 14 ist vernachlässigbar klein, so dass lediglich die Verbrauchsgrößen der unmittelbar wärmepumpenrelevanten Bauteile erfasst werden.

Die Auswerteeinheit 20 weist zum einen eine Messeinrichtung 21, eine Recheneinrichtung 22 und eine Anzeigeeinrichtung 23 auf, so dass leistungsausgabe- und leistungseingaberelevante Größen der Wärmepumpe 3 stets ermittelt, verarbeitet und ausgegeben werden können.

Wie besser aus 2 zu ersehen ist, umfasst die Messeinrichtung 21 zum einen eine Wirkleistungsmessanordnung 24, mittels derer die Wirkleistung der Wärmepumpe 3 sowie der Umwälzpumpen 9, 11, 13 sowie des Relais 14 ermittelt werden kann. Zu diesem Zweck wird in üblicher Weise der elektrische Strom bzw. der Spannungsfall an den jeweiligen Phasen L1, L2, L3 abgegriffen. über den Energieeingang 19 werden die leistungseingaberelevanten Größen der Wärmepumpe 3 ermittelt. Sie stellen Verbrauchsgrößen für die wärmepumpenrelevanten Bauteile, nämlich für die Wärmepumpe 3, für die Umwälzpumpen 9, 11, 13 und für das Relais 14 dar. Gegebenenfalls können noch weitere Verbrauchsgrößen ermittelt werden, wenn weitere Bauteile vorgesehen sind.

Die Messeinrichtung 21 weist weiterhin einen Temperatureingang 25 auf, an dem die aktuelle Vorlauftemperatur 26 und die aktuelle Rücklauftemperatur 27 des Heizkreises 2 anliegen. Zu diesem Zweck sind in einem Vorlauf 29 des Heizkreises 2 und in einem Rücklauf 30 desselben ein Messwertaufnehmer T1 bzw. T2 sowie entsprechende Verbindungsleitungen 31, 32 vorgesehen, so dass stets die aktuellen Vorlauf- bzw. und Rücklauftemperaturen an dem Temperatureingang 25 anliegen. Eine Temperaturdifferenzmessanordnung ist vorgesehen, um die Temperaturdifferenz in digitaler Form einem Eingang eines Mikrokontrollers 33 der Recheneinrichtung 22 bereitzustellen.

Ferner umfasst die Messeinrichtung 21 eine Volumenstrommessanordnung 34, an dessen Eingang 35 ein mittels eines an dem Vorlauf bzw. Rücklauf 29 angeordneten Messwertaufnehmers 36 ermittelten Volumenstromsignal 37 anliegt.

Bei den Temperatursignalen 26, 27 und dem Volumenstromsignal 37 handelt es sich um leistungsausgaberelevante Größen der Wärmepumpe 3, die in digitaler Form aufbereitet an dem Eingang des Mikrokontrollers 33 zur Verfügung stehen. Die Wirkleistungsmessanordnung 24 stellt dem Mirkokontroller 33 ein Wirkleistungsmesssignal 38 zur Verfügung, so dass mittels eines in dem Mirkokontroller 33 implementierten Kenngrößenprogramms Kenngrößen der Wärmepumpe 3 berechnet und dann in einer LCD-Anzeige 39 der Anzeigeeinrichtung 23 visualisiert werden können.

Vorzugsweise ist der Mikrokontroller 33 reprogrammierbar ausgebildet, so dass Änderungen an dem Programm leicht vorgenommen werden können.

Der Mikrokontroller 33 ermöglicht die Berechnung folgender Kennwerte:

  • – Ermittlung der Leistungskennzahl &egr; als Quotient aus der abgegebenen Wärmeleistung zu der erforderlichen elektrischen Antriebsleistung;
  • – Ermittlung einer Arbeitskennzahl &egr;a als Quotient aus der von der Heizungsanlage 1 abgegebenen Wärme in einem Zeitintervall zu der elektrisch aufgenommenen Antriebsenergie bezogen auf einen Zeitintervall. Bei dem Zeitintervall kann es sich um einen Tag, ein Jahr oder einer anderen Zeiteinheit handeln;
  • – Ermittlung des aktuellen Energieverbrauchs (Wirkleistungsverbrauch);
  • – Anzeige der aktuellen Temperaturwerte (Vorlauftemperatur, Rücklauftemperatur);
  • – Ermittlung der aktuellen Nutzwärmemenge;
  • – Ermittlung eines Summen-Verbrauchszählers der elektrischen Energie;
  • – Ermittlung eines Summennutz-Wärmemengenzählers;
  • – Ermittlung einer durchschnittlichen Arbeitskennzahl der Heizungsanlage 1;
  • – Betriebsstundenzähler des Elektromotors (Motorverdichters)

Die ermittelten Kennzahlen können in der LCD-Anzeige 39 angezeigt werden. Mittels Bedientasten 40 kann der Mikrokontroller 33 von außen gesteuert werden. Durch Betätigung der Bedientasten 40 können beispielsweise die entsprechenden Kennzahlen abgerufen und zur Darstellung gebracht werden. Weiterhin können auch Parameteränderungen eingegeben werden.

Der Mikrokontroller 33 ist mittels einer V24-Schnittstelle 41 mit einem externen Rechner, beispielsweise mit einem Notebook oder einem Personal Computer, verbindbar, so dass Programmänderungen auf einfache Weise extern vorgenommen und zu dem Mikrokontroller 33 übertragen werden können.

Dem Mikrokontroller 33 kann ein Messdatenspeicher 42 zugeordnet sein, in dem die ermittelten Messdaten zu Dokumentations- bzw. Protokollzwecken abgespeichert werden können.

Darüber hinaus ist der Mikrokontroller 33 mit einem Netzteil 43 und einem RTC 44 verbunden.

Nach einer alternativen Ausführungsform kann die Heizungsanlage auch eine anders ausgestaltete Wärmepumpe aufweisen. Es ist auch möglich, die Auswerteeinheit 20 für Kühlanlagen einzusetzen. Als Wärmeträger kann neben Wasser auch ein Wasserfrostschutzgemisch oder Luft eingesetzt werden. Die Auswerteeinheit beschränkt sich auf die Anwendung eines flüssigkeitsgeführten Heiz- oder Kühlkreises.

Es versteht sich, dass die Auswerteeinheit für das Heizungssystem 1 auf Basis der Wärmepumpe nicht nur zu Heizzwecken, sondern auch zu Kühlzwecken genutzt werden kann.


Anspruch[de]
  1. Auswerteeinheit für eine Wärmepumpe einer Heizungsanlage

    – mit einer Messeinrichtung (21) zum Messen von einer Vorlauftemperatur (26), einer Rücklauftemperatur (27) und einem Volumenstrom (36, 37) des umlaufenden Heizungswassers als leistungsausgaberelevante Größen und zum Messen von der elektrischen Leistungsaufnahme der Wärmepumpe (3) und der Umwälzpumpe (13), ohne Berücksichtigung der elektrischen Leistungsaufnahme der im Heizkreis vorhandenen Pumpen (9, 11) als leistungseingaberelevante Größen,

    – mit einer Recheneinrichtung (22) zum Ermitteln zumindest einer Leistungskennzahl (&egr;) als Quotient aus der durch die leistungsausgaberelevanten Größe bestimmten abgegebenen Wärmeleistung der Wärmepumpe (3) zu der durch die leistungseingangsrelevanten Größen bestimmten elektrischen Antriebsleistung der Wärmepumpe (3) und einer daraus auf eine Zeiteinheit bezogenen Arbeitskennzahl (&egr;a) der Wärmepumpe (3),

    – mit einer Anzeigeeinrichtung (23) zum Anzeigen der Leistungskennzahl (&egr;, &egr;a) und

    – mit einem in der Recheneinrichtung (22) integrierten Mikrokontroller (33) mit einem Messdatenspeicher (42), in dem die durch die Messeinrichtung (21) ermittelten Messdaten zu Protokollzwecken abgespeichert sind.
  2. Auswerteeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (21) an einer Heizungsanlage (1) enthaltend die Wärmepumpe (3) mit einem Elektromotor (4) anschließbar ist und als Verbrauchsgrößen die elektrische Leistungsaufnahme der Wärmepumpe (4) gemessen wird, so dass in der Recheneinrichtung (22) als Kenngröße zumindest eine Leistungskennzahl (&egr;) und eine auf eine Zeiteinheit bezogene Arbeitskennzahl (&egr;a) berechenbar sowie in der Anzeigeneinrichtung (23) visuell darstellbar ist.
  3. Auswerteeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizungsanlage (1) mit einem flüssigen Wärmeträger (2) betreibbar ist und einen mit fossilen Brennstoffen befeuerten Wärmeerzeuger und/oder eine Solaranlage und/oder einen Wärmeenergiespeicher (7, 12) umfasst.
  4. Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messeinrichtung (21) als Verbrauchsgröße die elektrische Leistungsaufnahme einer in einem Energiequellenkreis (7) eingangsseitig der Wärmepumpe (3) angeordnete Umwälzpumpe (13) und im Heizkreis ausgangsseitig der Wärmepumpe (3) lediglich der Steuerstrom eines Relais' (14), mittels dessen die Umwälzpumpen (9, 11) des Heizkreises betrieben werden, messbar ist und dass der ermittelte Messwert in die durch die Recheneinrichtung (22) bewirkte Berechnung der Kenngröße einfließt.
  5. Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Recheneinrichtung (22) einen Mikrokontroller (33) umfasst mit mindestens einem Speicher und/oder einem Analog-Digital-Wandler und/oder Schnittstellen zu externen Datengeräten.
  6. Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokontroller (33) reprogrammierbar ist.
  7. Auswerteeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mikrokontroller (33) ein Kenngrößenprogramm zur Steuerung eines Auswerteprozesses aufweist, mittels dessen die zur Berechnung der Kenngröße erforderlichen Messgrößen ermittelt, berechnet und dann in der Anzeigeeinrichtung (23) angezeigt werden.
  8. Verwendung der Auswerteeinheit (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Integration in einer vorhandenen Heizungsanlage (1), wobei Eingangsgrößen der Auswerteinheit (20) durch Anschluss derselben an vorhandene Verbindungsleitungen der Bauteile (3, 10, 12) der Heizungsanlage (1) erfolgt.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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