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Title:
METHOD FOR REGULATING A SORPTION HEAT PUMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1982/003265
Kind Code:
A1
Abstract:
In a heat pump which comprises a separator (1), a burner (4), a condenser (13), a choke member (15), a recycling member, an evaporator (17) and a consumer (24), a regulating device (12) should reduce to the minimum the input of primary energy in the separator as a function of the heat demand and should simultaneously provide a sufficient circulation of solvent and refrigerating fluid to optimize the internal circulation of the heat pump. To this effect, the pressure or the temperature prevailing in the high pressure side of the heat pump is used as a set variable, and the heat demand of the consumer as a disturbance value.

Inventors:
Kantner, Alexander
Application Number:
PCT/DE1982/000044
Publication Date:
September 30, 1982
Filing Date:
March 02, 1982
Export Citation:
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Assignee:
VAILLANT GMBH & CO JOH KANTNER ALEXANDER.
International Classes:
F25B15/00; F25B30/04; F25B49/04; (IPC1-7): F24J3/04; F25B49/00
Foreign References:
DE2854055A11980-07-03
US2272871A1942-02-10
EP0001858B11981-04-01
DE718956C1942-03-26
DE1021389B1957-12-27
EP0010551A11980-05-14
DE2927408A11981-01-08
EP0038990A21981-11-04
US3527061A1970-09-08
DE2838715A11980-03-13
DE1401483A11969-02-06
DE1401548A11968-10-17
DE973197C1959-12-17
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Claims:
Ansprüche
1. Verfahren zum Regeln einer Sorptionswärmepumpe mit einem Austreiber, der von einem über eine mit einem Brennstoffventil versehene Brennstoffzulei ung ge¬ speisten Brenner beheizt wird, einem Kondensator, einem Drosselorgan, einem Rückführorgan für ein Lösungsmittel sowie einem Verdampfer und einem Ver¬ braucher, dessen Kreislauf über Wärmetauscher auf¬ geheizt wird, die dem Kondensator sowie einem Ab¬ sorber zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße der Druck im Hochdruckteil der Sorptionswärmepumpe und als Störgröße die Wärme¬ anforderung durch den Verbraucher vorgesehen sind. Verfahren zum Regeln einer Sorptionswärmepuαpe mit einem Austreiber, der von einem über eine mit einem Brennstoffventil versehene Brennstoff1 eitung ge¬ speisten Brenner beheizt wird, einem Kondensator, einem Drosselorgan, einem Rückführorgan für ein Lösungsmittel sowie einem Verdampfer und einem Ver¬ braucher, dessen Kreislauf über Wärmetauscher aufge¬ heizt wird, die dem Kondensator sowie einem Absorber zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße eine Temperatur im Hochdruckteil der Sorptionswärmepumpe und als Störgröße die Wärmean forderung durch den Verbraucher vorgesehen sind. Verfahren nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß der Sollwert der Regelgröße nach Ma߬ gabe der Außentemperatur in Verbindung mit der sich aus dem Aufstellungsort der Wärmepumpe ergebenden Klimazone und der Verbraucherleistung variabel ge¬ führt wird. Verfahren nach Anspruch . oder 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Störgröße über eine Erfassung der Verbrauchervor und/oder rücklaufte peratureπ* ermittelt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Stellgrößen die Wärmeleistung des Brenners sowie der Durchsatz einer Lösung vor¬ gesehen sind. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Variation der Stellgrößen zuerst die Brennerleistung und anschließend der Durchsatz an Lösung verstellt werden.
2. 7 Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Lösung dann verstellt wird, wenn die Regelabweichung ein Minimum beziehungs¬ weise null erreicht.
3. 8 Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Lösung erst dann verstellt wird, wenn der Gradient der sich ändernden Regel¬ abweichung ein Maximum erreicht.
4. 9 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße der Druck im Kondensator vorge¬ sehen ist.
5. 10 Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Regelgröße die Temperatur im Kondensator vorgesehen ist.
6. 11 Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, da 1 t durch gekennzeichnet, daß der Durchsatz der Lösung erst dann verstellt wird, wenn der Füllstand im Austreiber einen Grenzwert über beziehungsweise unterschreitet. , Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , da¬ durch gekennzeichnet, daß dem Regelverfahrεn über¬ lagert wird eine Steuerung für Kältemitteldurch¬ satz im Verhältnis zu Durchsatz von Lösung. , Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich¬ net, daß die Verhältnissteuerung in Abhängigkeit von der Verbraucherleistung variabel gehalten wird, , Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Verhältnis von Kältemitteldampf¬ durchsatz zum Lösungsdurchsatz als Variation der Verdampfertemperatur gesteuert wird.
Description:
Verfahren zum Regeln einer Sorptioπswärmepu pe

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Regeln einer Sorptionswärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruches.

Solche Sorptionswärmepumpen, seien es Absorptions- oder Re¬ sorptionswärmepumpen, werden in zunehmendem Maße zur Beheizung von Wohnhäusern eingesetzt. Hier sollen diese Wärmepumpen Umlaufwasserheizer oder Kessel als Wärmequellen ersetzen. Die Verbraucher solcher Wärmepumpen bestehen in der Regel aus Fußboden-, Radiatoren- oder Konvektorenheizungen, in der Regel mit Thermostatventi'l en ausgerüstet, und Brauchwasser¬ speichern.

Es besteht die Aufgabe, eine Regeleinrichtung für eine sol¬ che Sorptionswärmepumpe anzugeben, die in Abhängigkeit von ' der Verbraucherwärmeanforderung die Einspeisung von Primär¬ energie in den Austreiber auf das unbedingt notwendige Mini¬ mum reduziert und zugleich einen ausreichenden Durchsatz von Lösungs- und Kältemittel sicherstellt, um den internen Kreis¬ lauf der Wärmepumpe zu optimieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäδ bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff durch die in den kennzeichnenden Teilen der Nebenansprüche angegebenen- Maßnahmen gelöst.

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Weitere Ausgestaltungen und besonders vorteilhafte Weiter¬ bildungen der erfiπdungsgemäßen Verfahren sind aus den Un¬ teransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung ersicht¬ lich, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figur der Zeichnung näher erläutern.

Die Figur der Zeichnung stellt eine Priπzipdarstellung einer . Absorptionswärmepumpe dar.

Ein Austreiber oder Koche *9 1 mit gegebenenfalls nachgeschaltetem Rektifikator ist bis zu einem Pegel 2 mit einer reichen Lösung 3, bestehend aus in Wasser gelöstem Ammoniakdampf, gefüllt und wird von einem Gasbrenner 4 beheizt, der über eine mit einem Magnetventil 5 versehene Gasleitung 6 gespeist ist.

Dem Austreiber 1 wird die reiche Lösung über eine Rückleitung 7 zugeführt, unter der Einwirkung der Primärenergie des Brenners 4 wird die reiche Lösung in arme Lösung und Kältemitteldampf getrennt, wobei die arme Lösung über eine Leitung 8, der Kälte¬ mitteldampf über eine Leitung 9 abgeführt werden. Der Hochdruck¬ teil der Sorptionswärmepumpe wird von einem Druckfühler 10 über¬ wacht, der gemäß einer Variante der Erfindung auch ein Tempera¬ turfühler sein kann. Dieser Druckfühler 10 kann an beliebiger Stelle im Hochdruckteil der Sorptionswärmepumpe angeordnet sein, also auch im Kondensator. Der Hochdruckteil reicht vom Lösungs¬ mittel- bis zum Kältemittelexpansionsventil unter Einschluß von Kocher und Kondensator. Der Fühler 10 ist über eine Meßleitung 11 mit einem Regler 12 verbunden. Ein Temperat-urfühler könnte im Kocher oder im Kondensator beziehungsweise der Leitung zwischen beiden angeordnet sein. Die Kältemitteldampfleitung 9 führt zu einem Kondensator 13, der als Wärmetauscher ausgebildet ist und von einer Rohrschlange 14 durchsetzt ist. Stromab des Konden¬ sators 13 setzt sich die Leitung 9 fort und führt zu einem Expansionsventil 15, dessen Ausgang über eine Leitung 16 mit einem Verdampfer 17 verbunden ist. Der Verdampfer ist in bekannte Weise einer Umwelteπergiequelle 18, beispielsweise Luft, aus-

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gesetzt. Vom Verdampfer führt eine Kältemittel dampf1 ei ung 19 zu einem Absorber 20, dessen Innenraum auch mit der Leitung 8 unter Zwischenschaltung eines weiteren Expansionsventils 21 für die arme Lösung verbunden ist. Den Innenraum des Absorbers durchsetzt eine Rohrschlange 22, so daß der Absorber als Wärme¬ tauscher wirkt. An den Ausgang des Absorbers ist die mit einer Umwälzpumpe 23 versehene Leitung 7 angeschlossen.

Ein Verbraucher 24, der aus einer Vielzahl parallel oder in Serie liegender Heizkörper mit gegebenenfalls jeweils vorge¬ schalteten Thermos ' tatventilen und/oder einem Brauchwasserbe¬ reiter bestehen kann, ist mit einer mit einer Umwälzpumpe 25 versehenen Rücklaufleitung 26 an die Rohrschlange 14 des Kondensators 13 angeschlossen, wobei die Rückl aufteπperatur über einen Temperaturfühler 27 erfaßt wird, der über eine Meßleitung 28 mit dem Regler 12 verbunden ist. Von der Rohr¬ schlange 14 führt eine Leitung 29 zur Rohrschlange 22 des Absorbers 20, an den eine zum Verbraucher 24 führende, mit einem Temperaturfühler 30 versehene Vorl auf1 ei tung 31 führt, wobei der Temperaturfühler 30 über eine Meßleitung 32 mit dem Regler 12 verbunden ist.

Das Brennstoffmagnetventil 5 ist über eine Stell eitung 33 mit dem Ausgang des Reglers verbunden, die Pumpe 23 weist einen Motor 34 auf, der über eine Stelleituπg 35 auch mit dem Ausgang des Reglers 12 verbunden ist.

Dem Regler 12 ist über eine Leitung 36 ein Sollwertgeber 37 zugeordnet, auf den ein Auδente peraturfühl er 33 geschaltet ist.

Das Regelverfahren weist folgende Funktionen auf: Für die Funktionsweise wird zunächst davon ausgegangen, d≥3 die Außen¬ temperatur konstant ist, das heißt, der Temperaturfühler 38 gibt denselben beziehungsweise nahezu den gleichen Keß-

wert ab, und die Temperatur TO der Umwelteπergiequelle 18 ist gleichfalls konstant, so daß der Verdampfer 17 die glei¬ che Energiemenge in der Zeiteinheit aufnimmt. Somit wird auch* der Verbraucher, insbesondere im Falle thermostatventilge¬ steuerter Heizkörper, die gleiche Wärmeanforderuπg aufweisen. Diese Wärmeanforderung kann ermittelt werden aus der Höhe der Rücklauftemperatur, die über den Rücklauftemperaturfüh- ler 27 beziehungsweise die Meßleitung 28 auf den Regler 12 gegeben wird. Ergänzend kann auch hierzu die Vorlauftempera¬ tur herangezogen werden, die über den Temperaturfühler 30 beziehungsweise die Meßleitung 32 dem Regler 12 zur Verfü¬ gung steht. Zusätzlich könnte.hier die Stellung eines Misch¬ ventils oder auch der Durchsatz erfaßt werden, beispielsweise, indem ein von der Pumpendrehzahl der Umwälzpumpe 25 abhängi¬ ges Signal auf den Regler 12 geschaltet wird. Somit wird der Verbraucher 24 über die Wärmetauscher 14 beziehungsweise 22 dem Kältemittel kreis der Sorptionswärmepumpe eine bestimmte Wärmeleistung entziehen. Diese Wärmeleistung hängt in wesent¬ lichen von der Außentemperatur und dem Aufstellungsort der Wärmepumpe ab, wobei man die sogenannten Klimazonen zu Hilfe nehmen kann, in die das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland beziehungsweise bei Aufstellungsorten in anderen Ländern diese eingeteilt sind. Man kann somit dem Sollwertgeber 37 des Reg¬ lers eine Heizkurve vorgeben, das heißt einen bestimmten Wär¬ mebedarf für den Verbraucher, ausgedrückt in Werten cer Vorlauf¬ oder Rücklauftemperatur beziehungsweise der Differenz zwischen beiden, die normalerweise etwa den Bedürfnissen des Verbrauchers gerecht wird. Bei abweichenden Bedürfnissen müßte man hier einen abweichenden Sollwert im Sollwertgeber 37 ein¬ stellen. Der " Sollwert des Druckes beziehungsweise der Tempe¬ ratur im Hochdruckteil der Wärmepumpe ist somit in Abhängig¬ keit vom Betr.iebsort und der Außentemperatur geführt. Er wird weiterhin variabel geführt nach der Art und gegebenen alls Änderung der Heizungsanlage. Unter Berücksichtigung dieser

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kriterien ist es somit einleuchtend, daß bei einer bestimmten Leistungsaufnahme im Verdampfer 17 dem Austreiber oder Kocher 1 über den Brenner 4 eine bestimmte Energiemenge- in der Zeitein¬ heit zugeführt werden muß, um die Wärmebilaπz des Kältemit¬ telkreislaufes der Wärmepumpe aufrechtzuerhalten . • Glei cher a- ßen muß der Motor 34 der Lösungsmittel Umwälzpumpe 23 entspre¬ chend gestellt werden, um den der Wärmebilanz entsprechenden Lösungsumlauf sicherzustellen. Es hat sich gezeigt, daß zu einer bestimmten Wärmelieferung an den Verbraucher ein be¬ stimmter Druck im Hochdruckteil der Wärmepumpe oder eine be¬ stimmte Temperatur im Kocher beziehungsweise Kondensator ein¬ zuhalten wesentlich ist, um die der Wärmepumpe über den Bren¬ ner 4 zuzuführende Primärenergie zu minimi eren . Somit wird über den Druck- beziehungsweise Temperaturfühler 10 der Kon¬ densatordruck überwacht und gemessen und auf den Regler 12 gegeben. Dieser Kondensatordruck beziehungsweise die Konden¬ satortemperatur wird mit dem Sollwert verglichen, was die Regelabweichung ergibt. Die Regelabweichung wird nunmehr zu Null gebracht, indem die Stellglieder des Reglers, nämlich das Ventil 5 beziehungsweise der Pumpenmotor 34, entsprechend verstellt werden. Hierbei ist vorgesehen, zunächst die Stell¬ größe des Brennstoffdurchsatzes zu verstellen und anschließend den Durchsatz der Lösungsmittel pumpe nachzuführen. Bei fallendem Druck beziehungsweise fallender Temperatur im Äus- treiber 1 wird der Brennstoffdurchsatz erhöht und der Durch¬ satz von reicher Lösung durch die Lösungsmi ttel pumpe 23 er¬ höht und umgekehrt.

Der Regler 12 hat Proportional- beziehungsweise Proportional - Integral verhalten. Proportionalverhalten könnte man im Bereich des Brennstoffventils 5 durch ein stetiges Offnen und Schließen des Ventils in Abhängigkeit von der Reπelab- weichung beziehungsweise von einer Erhöhung der Spannung des

Lösungsmittelpurapeπmotors 34 erreichen. Integralverhalten ließe sich erreichen, wenn dem Brennstoffventil 5 ein Stell- motor zugeordnet wird, der bei Auftreten einer Regelabweichung zu laufen beginnt und eine Verstellung so lange vornimmt, wie die Regelabweichung vorhanden ist. Integralverhalten für die Stellbewegung des Motros 34 ließe sich beispielsweise über einen dem Lösungsmittelpumpeπmotor 34 zugeordneten Re¬ geltransformator erreichen, dessen Schleifer von einem Motor betätigt ist, der gleichermaßen bei Auftreten der Regelab¬ weichung mit konstanter Geschwindigkeit anläuft und erst zur Ruhe kommt, wenn die Regelabweichung gegen null geht.

Auf den Regelkreis - Kondensatordruck - beziehungsweise - tem¬ peraturfühler, Regler 12 und Stellglieder 5 beziehungsweise 23 - wirkt aber wenigstens eine Störgröße in Gestalt des Ver¬ brauchers ein: Ändert nämlich der Verbraucher seine Wärmean- forderuπg, beispielsweise durch verstärktes öffnen eines oder mehrerer Ther ostatventile o.der deren Schließen beziehungs¬ weise durch zusätzliche Wärmeanforderung durch den Brauch¬ wasserspeicher, so werden bei erhöhter Wärmeanforderung der Kondensatordruck beziehungsweise die Kondensatortemperatur sinken beziehungsweise umgekehrt. Ober die Meßfühler 27 und 30 wird diese Störgröße sofort erfaßt und an den Regler 12 gegeben. Eine verstärkte Wärmeanforderung bedeutet bei ther- raostatventilgesteuertem Verbraucher einen größeren Durchla߬ querschnitt vor dem Heizkörper und somit einen größeren Durch¬ satz durch den oder die Heizkörper. Die Folge davon ist eine verkleinerte Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf. Bei Handventilen wirkt sich eine erhöhte Wärmeanforderung in einer absinkenden Rück auftemperatur aus, die erst einige Zeit später die Vorlauftemperatur nach unten zeiht. Hierbei bleibt der Durchsatz konstant. Auch dieser Vorgang führt aber zu einer Vergrößerung der Spreizung. Auch wenn ein Brauchwas¬ serspeicher nachgeladen werden muß, findet eine Absenkung der Rücklauftemperatur statt, also eine Erhöhung der Sprei-

zung. Diese Verbältnisse treten unabhängig davon auf, ob der Verbraucher unmittelbar durch Vor- und Rücklauf angesteuert ist oder ob eine Mischerschaltung verwendet ist. Bei Verwen¬ dung eines Mischers führt eine erhöhte Wärmeanforderung vom Verbraucher zu einem Drosseln der Mischerbypaßstrecke, die gleichermaßen als Störgröße erfaßbar ist. Man könnte auch einer erhöhten Wärmeanforderung im Verbraucher über eine Steu¬ erung des Durchsatzes der Heizungsumwälzpumpe 25 begegnen, wobei dann als Störgröße die Varia ion der Motordrehzahl des Antriebsmotors für diese Pumpe ist. In jedem Fall führt eine erhöhte Wärmeanforderung zu einer Regelabweichung, da die erhöhte Wärmeanforderung ein Absinken des Kondensatordrucks beziehungsweise der Kondensatortemperatur nach sich zieht. Der Regelabweichung wird durch Erfassen der Störgröße vorab durch Erhöhen der Brennerleistung entgegengewirkt, indem das Magnetventil 5 weiter geöffnet wird. Die Folge dieser Stellbe- 1 wegung ist eine vermehrte Energiezufuhr in den Kocher, die sich in einem Ansteigen des Kondensatordrucks beziehungsweise der Kondensatortemperatur auswirkt. Der Gradient des Anstiegs beziehungsweise der Kondensatortemperatur wird üb er den Meßfüh¬ ler 11 dem Regler aufgedrückt, und bei Annähern der Regelabwei¬ chung an den Nullwert oder bei Oberschreiten des Nullwertes wird auch der Durchsatz der Lösungsmittel pumpe 23 in Richtung auf Mehrdurchsatz nachgeführt, indem beispielsweise der Motor 34 in seiner Drehzahl erhöht wird ' .

Bei fallender -Wärmeanforderung im Verbraucher laufen die Erfas¬ sungen der Störgröße und die Beaufschlagungen der Stellglieder in umgekehrter Richtung.

Die eben beschriebene Regelung mit Störgrößenaufschal tung könnte man analog auch dem Verdampfer zuordnen. Eine Änderung der vom Verdampfer aufgenommenen Leistung (fallende Außen¬ temperatur TO) wirkt sich nämlich etwa gleich aus wie eine erhöhte Wärmeanforderung durch den Verbraucher. Somit könnte über einen dem Verdampfer zugeordneten Temperaturfühler die

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Verdampfertemperatur gemessen werden und darüber indirekt die vom Verdampfer aufgenommene Wärmeleistung bestimmt wer¬ den. Diese Wärmeleistung wäre dann die Störgröße, die dem Regler aufgeschaltet wird. Unabhängig davon, ob man das Re¬ gelverfahren in Abhängigkeit von Zustandsänderungen im Ver¬ braucher oder im Verdampfer- oder von beiden durchführt, ist es zweckmäßig, den Kältemittεldurchsatz durch das Expansions¬ ventil beziehungsweise durch den Verdampfer anzupassen an die vom Verdampfer aufgenommene Leistung beziehungsweise an die vom * Verbraucher abgenommene Leistung. Hierzu könnte ein Ven¬ til in der Kältemittelleitung zum Expansioπsventil vorgesehen werden, das in einem Puls-Pausen-Verhältnis geöffnet und ge¬ schlossen wird, wobei das Puls-Pausen-Verhältnis den Kälte¬ mitteldampfdurchsatz diktiert.

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