Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer Sorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches, entsprechend dem Hauptanspruch des Haupt¬ patents.

Solche Sorptionswärmepumpen, seien es Absorptions- oder Resorp¬ tionswärmepumpen, werden in zunehmendem Maße zur Beheizung von Wohnhäusern eingesetzt. Hier sollen diese Wärmepumpen Umlauf asserheizer oder Kessel als Wärmequellen ersetzen. Die Verbraucher solcher Wärmepumpen bestehen in der Regel aus Fußboden-, Radiatoren- oder Konvektorenheizungen, in der Regel mit Thermostatventilen ausgerüstet, und Brauchwasser- 'speichern.

Gegenstand des Hauptpatents ist ein Regelverfahren, das in Abhängigkeit von der Verbraucherwärmeanforderung die Einspei¬ sung von Primärenergie in den Austreiber auf das unbedingt notwendige Minimum reduziert und zugleich einen ausreichen¬ den Durchsatz an Lösungs- und Kältemitteln sicherstellt, um den internen Kreislauf der Wärmepumpe zu optimieren.

Dieses Verfahren arbeitet einwandfrei, hat jedoch den Nachteil, daß es Einflüsse aus dem Bereich der Umweltenergie nicht be¬ rücksichtigt. Die Erfindung gemäß dem Hauptpatent soll dem¬ gemäß aufgabenmäßig so weiterentwickelt werden, daß auch eine Berücksichtigung des Wärmeinhalts der auf den Verdampfer ein¬ wirkenden Umweltenergiequelle nach Temperatur und Durchsatz berücksichtigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff durch die im kennzeichnenden Teil des Ξaupt- anspruchs .angegebenen Maßnahmen gelöst.

Weitere" Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiter¬ bildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind aus den Un¬ teransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung ersicht¬ lich, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutert.

Ein Austreiber 1 ist in seinem Innenraum 2 bis zu einem Pe¬ gel 3 mi einer armen Lösung 4 eines Gemisches Ammoniak- Wasser gefüllt, der Austreiber wird von einem Gasbrenner 5 gespeist, der über eine mit einem Magnetventil 6 versehene Gasleitung 7 mit Brennstoff versorgt wird. In den Innenraum 2 ragt ein Kiveaufμhler 8, der an eine Meßleitung- 9 angeschlos¬ sen ist.

Im mittleren Bereich des Austreibers sind Überlaufböden 10 vorgesehen, im Kopf des Austre.ibers ist ein Kondensator 11 angeordnet, der aus einer Wärmetauscherrohrschlange 12 mit darunter befindlicher Auffangschale 13 besteht. Von der Auf¬ fangschale führt eine Kondensatleitung 14 zu einem Dreiwege¬ ventil 15 _» dessen einer Anschluß über eine Kondensatrücklauf¬ leitung 16 wieder in den Innenrauia 2 führt, und zwar mündet die Leitung 16 oberhalb des obersten Überlaufbodens 10. Das Dreiwegeventil 15 weist einen Antriebsmotor 17 auf, der über eine Stelleitung 18 mit einer Druck-/Temperaturregeleinheit 19 für den Druck oder die Temperatur im Hochdruckteil der Sorptionswärmepumpe verbunden ist, an die auch die Leitung 9 angeschlossen ist.

Der zweite Anschluß des Dreiwegeventils 15 ist an einer Kon¬ densatleitung 20, die von einem Druck- oder Temperaturfühler als Meßwertgeber für die Regeleinheit 19 abgeführt ist, ange¬ schlossen, die zu einem Kältewechsler 21 führt. Hinter dem Kältewechsler setzt sich die Leitung 20 fort und führt zu

OMPI

einem Expansionsventil 22, dessen Drosselquerschnitt von ei¬ nem Stellglied 23 gesteuert werden kann, das über eine Lei¬ tung 24 mit einem Durchsatzregler 25 verbunden ist. Dem Ex- pansiόnsventil 22 nachgeschaltet ist ein Verdampfer 26, der von* einer Umweltenergiequelle 27, beispielsweise Umgebungs¬ luft, beaufschlagt wird. Die Temperatur dieser Umweltenergie¬ quelle kann über einen Temperaturfühler 28 erfaßt werden, der über eine Meßleitung 29 mit der Regeleinheit 19 verbun¬ den ist. Da der Durchsatz von Luft durch den Verdampfer auch über ein Gebläse erfolgen kann, kann auch ein Durchsatzmesser . im Luftkanal vorgesehen sein, der mit einer entsprechenden Meßleitung mit der Regeleinheit 19 zu verbinden wäre.

Stromab des Verdampfers ist im Kältemittelkreis eine mit ei¬ nem Temperaturfühler 30 versehene Kältemitteldampfleitung 31 vorgesehen, die zum Kältewechsler 21 führt. Der Tempera¬ turfühler 30 ist über eine Leitung 32 mit dem Durchsatzreg¬ ler 25 verbunden, im Bereich des Verdampfers kann ein wei¬ terer Temperaturfühler 33 vorgesehen sein, der der Luft ausge¬ setzt ist und der über eine Leitung 34 mit dem Durchsatzreg¬ ler 25 in Verbindung steht.

Vom Kältewechsler 21 führt eine Kältemitteldampfleitung 35 als Fortsetzung der Leitung 31 zu einem Absorber 36.

Den Innenraum 37 des Absorbers 36 durchsetzt eine Wärmetau¬ scherrohrschlange 38, die über eine Leitung 39 mit der Rohr¬ schlange 12 verbunden ist.

An den Innenraum des Absorbers ist eine Leitung -40 angeschlossen, i der ein Expansionsventil 41 vorgesehen ist, das über ein Stell¬ glied 42 und eine Stelleitung 43 ansteuerbar ist, die ihrer¬ seits mit der Regeleinheit 19 verbunden ist. Im Zuge der Lei¬ tung 40 ist weiterhin ein Wärmetauscher 44 vorgesehen. Die Leitung ist schlußendlich mit dem Austreiber 1 verbunden, sie mündet in den Innenraum 2 des Austreibers 1 unterhalb des Pegels 3 für arme Lösung. An der Leitung 40 liegt ein

OMPI

Temperaturfühler 45 an _» der über eine Meßleitung 46 mit der Regeleinheit 19 verbunden ist.

An den Absorber 3 ist im Bereich des unteren Endes eine Lei¬ tung 47 ^* für reiche Lösung angeschlossen, in der eine Umwälz¬ pumpe 48 vorgesehen ist, deren Motor über ein Stellglied 49 im Sinne einer Durchsatzänderung ansteuerbar ist, wobei das Stellglied 49 über die Stelleitung 50 mit der Regeleinheit 19 verbunden ist.

Die Leitung 47 führt hinter der Pumpe 48 zum Wärmetauscher 44 und von dort in einen mittleren Bereich der Höhe des Aus¬ treibers 1 oberhalb eines Überlaufbodens 10.

Das Magnetventil 6 ist über eine Leitung 51 gleichfalls mit der Regeleinheit 19 verbunden.

Ein Verbraucher 52 der Wärmepumpe, dies kann eine Fußboden¬ heizung eines Wohn- oder Geschäftshauses ebenso sein wie eine Radiatoren- oder Konvenktorenheizung oder ein Brauchwasser¬ speicher oder auch eine Parallel- oder Serienschaltung mehre¬ rer solcher Verbraucher, ist mit seiner Rücklaufleitung 53 unmittelbar mit der Rohrschlange 38 im Absorber 36 verbunden. Das Wärmetauscherrohr 12 steht über einer Wasserleitung 54 mit dem Färmetauscher 44 in Verbindung, von wo die mit einer Um¬ wälzpumpe 55 versehene Vorlaufleitung 58 den Verbraucher 52 speist. Der Motor der Umwälzpumpe 55 ist ein Stellglied 56, im Sinne einer DurchsatzVariation beaufschlagt. Zu dem Stell¬ glied 56 führt eine von der Regeleinheit 19 kommende Stell- leitung 57.

Den Bereich des Kältemitteldampfteils vom Innenraum 2 des Austreibers 1 über das Dreiwegeventil, die Leitung 20 bis zum Expansions entil 22 kann man als Hochdruckteil der An¬ lage auffassen. Gleichzeitig erstreckt sich der Hochdruck¬ teil auch noch im Bereich der armen Lösung, das heißt über die. Leitung 40, den Wärmetauscher 44 bis zum lösungsmittel-

seitigen Expansionsventil 41 •

Die bislang beschriebene Wärmepumpe samt ihrer Regelkompo¬ nenten weist folgende Funktionen auf: Für die Funktionsweise wird zunächst davon ausgegangen, daß die Außentemperatur im Bereich der Umweltenergiequelle und ihr Durchsatz durch den Verdampfer konstant sind. Das heißt, der Temperaturfühler 28 gibt denselben beziehungsweise nahezu den gleichen Me߬ wert ab. Das bedeutet, daß der Verdampfer 26 laufend die glei¬ che Energiemenge in der Zeiteinheit aufnimmt. Somit wird auch der Verbraucher, insbesondere im Falle thermostatventilge¬ steuerter Heizkörper, die gleiche Wärmeanforderung aufweisen. Diese Wärmeanforderung kann ermittelt werden aus der Höhe der Rücklauftemperatur, also mittels eines an der Leitung 53 angebrachten Temperaturfühlers. Ergänzend hierzu kann auch die Vorlauftemperatur herangezogen werden, beispielsweise über einen dort an der Leitung 56 angebrachten Temperatur¬ fühler. Beide Temperaturmeßwerte könnte man auf die Regel¬ einheit 19 über Meßleitungen aufschlagen. Da der Durchsatz des Heizungsfluids aufgrund des Fördervolumens und der Dreh¬ zahl der Umwälzpumpe 55 bekannt ist, kann damit die vom Ver¬ braucher der Wärmepumpe entzogene Leistung ermittelt werden. Somit wird der Verbraucher 52 über die Färmetauscher 38, 12 und 44 dem Kältemittelkreis der Sorptionswärmepumpe eine be¬ stimmte Wärmeleistung entziehen. Diese Wärmeleistung hängt im wesentlichen von der Außentemperatur, dem Aufstellungs¬ ort der Wärmepumpe und dem Verbraucherverhalten ab, das bei¬ spielsweise eine gewünschte Innenräumtemperatur vorgeben kann. Über den Aufstellungsort kann man im Rahmen von Klimazonen -Angaben entnehmen, so daß man dem Sollwertgeber im Bereich der Regeleinheit 19 eine Heizkurve vorgeben kann, das heißt einen bestimmten Wärmebedarf für den Verbraucher, ausgedrückt in Werten der Verlauf- oder Rücklauftemperatur beziehungs¬ weise der Differenz zwischen beiden und dem Durchsatz. Bei abweichenden Bedürfnissen des Verbrauchers (besonders hohe Raumtemperatur) müßte man einen abweichenden Sollwert im Soll¬ wertgeber der Regeleinheit einstellen. Der Sollwert des Druckes

IsUREAlT

0MP1

im Hochdruckteil der Wärmepumpe ist somit in Abhängigkeit vom Betriebsort, der Außentemperatur und der gewünschten Raum¬ temperatur beziehungsweise Speichertemperatur eines Brauch¬ wasserspeichers geführt. Der Druck beziehungsweise die Tem¬ peratur im Hochdruckteil der Färmepumpe ist weiterhin variabel nach der Art und gegebenenfalls der Änderung der Heizungs¬ anlage geführt, beispielsweise, wenn zu der Heizungsanläge ein Brauchwasserspeicher parallel in Betrieb geht..

Unter Berücksic tigung dieser Kriterien ist somit einleuch¬ tend, daß bei einer bestimmten Leistungsaufnahme im Verdamp¬ fer 26 dem Austreiber oder Kocher 1 über den Brenner 5 eine bestimmte Energiemenge in der Zeiteinheit zugeführt werden muß, um die Frmebilanz des Kältemittelkreislaufs der Färme¬ pumpe aufrechtzuerhalten. Gleichermaßen muß der Motor der Lösungsmittelumwälzpumpe 48 entsprechend über das Stellglied 49 gestellt werden, um den der Färmebilanz entsprechenden Lösungsmittelumlauf sicherzustellen.

Es hat sich gezeigt, daß zu einer bestimmten Wärmelieferung an den Verbraucher ein bestimmter Druck im Hochdruckteil der Färmepumpe oder eine bestimmte Temperatur im Kocher bezie¬ hungsweise im Kondensator einzuhalten wesentlich ist, um die der Wärmepumpe über den Brenner 5 zugeführte Primärenergie zu minimieren. Somit wird über einen Druck- beziehungsweise Temperaturfühler im Hochdruckteil beziehungsweise im Konden¬ sator oder Kocher der Kondensatordruck überwacht und gemes¬ sen und auf die Regeleinheit 19 gegeben. Dieser Kondensator¬ druck beziehungsweise die Kondensatortemperatur wird mit dem -Sollwert verglichen, der dem Sollwertgeber der Regeleinheit 19gleitend beziehungsweise justiert vorgegeben ist. Somit ergibt sich die Regelabweichung aus Kondensatordruck und Kon¬ densatortemperatur beziehungsweise Sollwert, die zu Null ge¬ bracht wird, indem die Stellglieder des Reglers, nämlich das Stellglied 49 und das Gasmagnetventil 6, entsprechend ver¬ stellt werden. Hierbei ist vorzusehen, zunächst die Stell¬ größe des Brennstoffdurchsatzes über das Magnetventil 6 zu

verstellen und anschließend* en Durchsatz der Lösungsmittel¬ pumpe nachzuführen. Bei fallendem Druck beziehungsweise fal¬ lender Temperatur im Austreiber 1 wird der Brennstoffdurch¬ satz zuerst erhöht und der Durchsatz von reicher Lösung durch die Lösungsmittelpumpe erhöht und umgekehrt.

. Der Regler für die Wärmepumpenanlage führt somit bei konstan¬ tem Temperaturverhalten der Umweltenergiequelle und konstantem Verbraucherverhalten zu einem stationären Zustand.

Dieser stationäre Zustand ändert sich einmal bei einem ab¬ weichenden Verbraucherverhalten (gewünschte andere Raumtem¬ peratur beziehungsweise zusätzliche Belastung der Wärmepum¬ pe durch parallelgeschalteten Speicher, der nach einem Dusch¬ vorgang nachzuladen ist), der stationäre Zustand kommt aber auch aus dem Gleichgewicht, wenn sich die Temperatur der Um¬ weltenergiequelle oder ihr Durchsatz durch den Verdampfer ändert. Sinkt beispielsweise bei einem stationären Zustand der Wärmepumpenanlage unter einstweiliger Beibehaltung des Verbraucherzustands die Temperatur Ta der Außenluft, so hat dies ein entsprechendes fallendes Signal des Fühlers 28 zur Folge, das über die Meßleitung 29 der Regeleinheit 19 mit¬ geteilt wird.

Eine Temperaturabnahme im Luftstrom 27 hat zur Folge, daß dem Verdampfer 26 ein kleinerer Energiestrom von der Umwelt¬ energiequelle zugeführt wird, das heißt, der.Durchsatz an verdampftem Kältemittel in der Leitung 3 - nimmt ab. Gleich¬ zeitig sinken die Temperatur und der Druck des verdampften Kältemittels. Da aber zunächst über das Expansionsventil 22 unverändert Kältemittel in flüssiger Form in den Verdampfer über die Leitung 20 nachgeschoben wird, so daß der Verdampfer sich mit flüssigem Kältemittel anreichert, wird seine Ver¬ dampfungsfähigkeit noch weiter herabgesetzt. Wenn der im Ver¬ dampfer angeordnete Niveaufühler 33 ein Ansteigen des flüs¬ sigen Kältemittels im Verdampfer über eine bestimmte Grenze anzeigt, resultiert ein entsprechendes Signal auf der Leitung

O PI

34 zum Regler 25- Gleichermaßen resultiert eine fallende Tem¬ peratur in der Kältemitteldampfleitung 31. Das entsprechende Signal wird vom Temperaturfühler 30 ermittelt und über die Leitung 32 auf den Regler 25 weitergegeben. Aus der Tempera¬ turdifferenz zwischen den Meßwerten der Fühler ^" 30 und 28 ist es nun möglich, dem Querschnitt des Expansionsventils 22 eine optimale Öffnung über das Stellglied 23 vom Regler 25 zu ge¬ ben, damit gerade ein solcher Kältemitteldurchsatz im Ver¬ dampfer 26 aufrechterhalten wird, der gerade noch verdampft werden kann, ohne daß das Kältemittelniveau im Verdampfer steigt.

Es wäre weiterhin möglich, den Durchlaßquerschnitt des Expan¬ sionsventils 22 im Zuge der Kältemitteldampfleitung 20 in Abhängigkeit vom Druck und von der Temperatur im Niederdruck¬ teil der Sorptionswärmepumpe zu.verstellen. Der Niederdruck¬ teil der Sorptionswärmepumpe ist hierbei der Teil im Kälte¬ mittelweg stromab des Expansionsventils 22 bis zur Lösungs¬ mittelpumpe, im Zuge d'es Lösungsmittelweges der Teil strom¬ ab des Expansionsventils 41 gleichermaßen bis zur Lösungs- mittelpumpe.

Weiterhin wäre es auch möglich, den Durchlaß des Kältemittel- expansionsventils 22 als Funktion des Drucks und der 2empera- tur im Hochdruckteil der Anlage zu führen.

Fällt also demgemäß die Temperatur der Umweltenergiequelle, so wird zunächst im Regelkreis 30, 32, 33, 34, 25, 23, 22 ,der Kältemitteldamp -Durchsatz nachgestellt. Ein Drosseln des Kältemitteldampf-Durchsatzes durch den Verdampfer hat aber einen Rückstau flüssigen Kältemittels in der Leitung 20 zur Folge. Das bedeutet, daß die Regeleinheit 19 a s dem Differenztemperatursignal zwischen den Meßwerten der rühler 28 und 30 ein Stellsignal über die Leitung 18 auf das Stell¬ glied 17 gibt, um einen größeren Anteil von flüssigem Kälte¬ mittel aus der Leitung 14 direkt zurück in den Austreiber

0MPI_

über die Leitung 16 zu geben. Hithin wird in die Leitung 20 soviel flüssiges Kältemittel eingespeist, als auch bei vor¬ gegebener.Temperatur und vorgegebenem Durchsatz der Umwelt¬ energiequelle sicher im Verdampfer stetig verdampft werden kann.

Da zu einem gedrosselten Kältemitteldurchsatz, das Kältemit¬ tel gelangt schließlich in den Absorber 36, auch eine ent¬ sprechend angepaßte Menge von armer Lösung in der Zeitein¬ heit gehört, resultiert auch auf das Stellglied 4 »nachdem der Niv fühler 8 angesprochen hat,über die Leitung- 50 ein Stellbefehl der geleinheit 19, aß der Lösungsmitteldurchsatz erhöht wird.Im Bereic .dieser beiden Stellgrößen,Kältemittelrückführung beziehungsweise E hung des Durchsatzes an Lösungsmittel, ann der Regler 19 die Wärme pumpenanlage über einen großen Bereich optimal fahren. Sinkt die Temperatur der Umweltenergiequelle zu tief oder nimmt der Luftdurchsatz durch den Verdampfer ab und können jetzt stationäre Zustände durch Betätigen der Stellglieder 17 und 49 nicht geschaffen werden, so wird zusätzlich noch über das Stellglied 42 das Expansionsventil 41 beaufschlagt, um den dem Absorber zugeführten Durchsatz an armer Lösung aus dem Austreiber 1 zu erhöhen. Es wird demgemäß der Drosselquer¬ schnitt des Expansionsventils 41 vergrößert. Die Änderung von Durchsatz an armer Lösung durch den Absorber 3 isτ im¬ mer invers zur Änderung des Kältemitteldampf-Durchsatzes bei Änderung der Temperaturen der Umveltenergiequelle.

Dieses Regelspiel kann so weit gehen, daß bei weiterem Ab¬ sinken der Temperatur der Umweltenergiequelle die Zufuhr von -Kältemittel in den Verdampfer durch das Expansionsventil gänz¬ lich unterbrochen werden kann. Die Färmepumpe arbeitet dann in einem kesselähnlichen Betrieb, indem nämlich nur arme Lö¬ sung über den Absorber und den Wärmetauscher 44 umgewälzt wird.

Bei steigender Temperatur der Umweltenergiequelle arbeitet die Wärmepumpenanlage in umgekehrter Richtung.

IJO REAZT

OMPI_

Die Punktion im Bereich des Austreibers ist so, daß die vom Gasbrenner 5 erwärmte Lösungsmenge 4 erhitzt wird und Kälte¬ mitteldampf austreibt. Der Kältemitteldampf zieht nach oben ab und -kondensiert an der Wärmetauscherrohrschlange 12 des

Kondensators 11. Flüssiges Kältemittel tropft auf die Auf¬ fangschale 13 und wird über die Leitung 14 abgeführt. Nicht benötigtes Kältemittel wird je nach einer der stetigen Zwi¬ schenstellungen des Dreiwegeventils 15 auf die Kondensatlei¬ tung 16 zurückgegeben und fließt von Stufe zu Stufe über die Überlaufböden 10 nach unten. Hierbei findet eine Mitnahme von Kältemitteldampf nach oben durch den aufsteigenden Dampf statt. Je tiefer der Bereich ist, den man im Bereich des Aus¬ treibers 1 betrachtet, um so höher ist der Gehalt an armer Lösung. In der Hahe des Bodens beziehungsweise der Einmün¬ dung der Leitung 40 liegt also der größte Yerarmungszustand der Lösung an Kältemittel vor.

Verbraucherseitig ist die Wärmepumpenanlage so geschaltet, daß das Yerbraucherfluid zuerst im Absorber und dann im Kon¬ densator aufgeheizt wird. Die letzte Aufheizung findet im Bereich des Wärmetauschers 44 statt. Mit dieser Ausgestal¬ tung ist einmal eine Maximierung der Vorlau emperatur des Verbrauchers erzielbar, zum zweiten sind die erzielbaren End¬ temperaturen im Verbraucherfluid den Temperaturgegebenheiten der Wärmepumpenanlage angepaßt.

Ändert unabhängig von Änderungen der Temperatur der Umwelt- energie der Verbraucher 52 seine Wärmeanforderung, so resul¬ tieren über die Regeleinheit 19 Stellbefehle an das Gasmag¬ netventil 6, den Motor der LösungsmitteIpumpe und an die Heizungsum pumpe 55. Einer steigenden Verbraucherwärroeanforderuπg ist ein größ

Durchsatz an Gas zum Brenner 5 zugeordnet, gleichermaßen ein größer

Durchsatz von Fluid durch den Verbraucher 52. Regelgröße ist in jedem Fall, gleichgültig ob die Störung vo Verbraucher oder von der Umweltenergie herrührt, der Druck im Eochdruck- teil beziehungsweise die Temperatur im Hochdruckteil der Fär-

OMPI . WIPO

mepumpenanlage. Dies ist, ausgehend vom Expansionsventil 41 , die Leitung 40, der Kocher 1 , die Leitung 20 bis zum Expah- sionsventil 22.