Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers. Insbesondere soll dabei eine thermische Masse eines hydraulischen Kreislaufs ermittelt werden, um eine zum Abtauen einer Wärmepumpe benötigte Wärmemenge bereitzustellen.

Moderne Wärmepumpen zeichnen sich durch ihren hohen Wirkungsgrad aus und können daher unter ökologischen und ökonomischen Gesichtspunkten besonders attraktiv zum Heizen und/oder Kühlen eines Gebäudes verwendet werden. Das Heizen mit Umweltwärme ist einerseits klimafreundlich. Andererseits bieten viele Energieversorger seit einigen Jahren spezielle Wärmepumpentarife an, die finanziell attraktiver sind als ein normaler Stromtarif.

Eine gattungsgemäße Wärmepumpe weist einen Kreislauf für ein Kältemittel auf. An einem Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärme aus der Umgebung auf. Begünstigt durch tiefe Außentemperaturen ab ca. 7 bis 10°C abwärts kann sich am Verdampfer der Wärmepumpe eine Reif- und/oder Eisschicht bilden, die den Wärmeübertrag am Verdampfer behindern und somit die Effizienz der Wärmepumpe beeinträchtigen kann. Die Eisschicht muss dann in der Regel durch einen Abtauprozess entfernt werden.

Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2018 102 670 Al beschreibt eine Wärmepumpe 1 mit einem integrierten Pufferspeicher 3, welche in Fig. 1 schematisch dargestellt ist. Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpenanlage 10 besteht in bekannter Weise zunächst aus einer Wärmepumpe 1 und einer Wärmesenke 2. Als Wärmesenke 2 sind in Fig. 1 beispielhaft ein Heizkreis 2.1 mit einer Vielzahl von Heizkörpern 2.3 als auch ein Warmwasserspeicher 2.2 dargestellt. In einer ersten, als Normalbetrieb oder Heizbetrieb bezeichneten Betriebsart wird Umgebungswärme von der Wärmepumpe 1 an die Wärmesenke 2 übertragen. Zusätzlich kann der Pufferspeicher 3 in einer zweiten, als Pufferladebetrieb bezeichneten Betriebsart mit Wärme beladen werden. Der Pufferspeicher 3 speichert Wärme zum Abtauen der Wärmepumpe 1 und wird daher auch als Abtaupuffer bezeichnet. In einer dritten, als Abtaubetrieb bezeichneten Betriebsart wird Wärme aus dem Pufferspeicher 3 zum Abtauen an die Wärmepumpe 1 übertragen. Hierbei wird der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe 1 im Umkehrbetrieb betrieben.

Die Wärmepumpenanlage 10 weist einen als Kondensator arbeitenden und von einem Heizkreismedium durchströmten Wärmetauscher 6 auf. Ein Ausgang 3.2 des Pufferspeichers 3 ist in Strömungsrichtung des Heizkreismediums gesehen einem Eingang 6.2 des Wärmetauschers 6 vorgeschaltet. Das Heizkreismedium fließt über einen Rücklauf RL von der Wärmesenke 2 bzw. vom Ausgang 3.2 des Pufferspeichers 3 in Richtung Wärmepumpe 1, was in Fig. 1 durch einen nach links zeigenden Pfeil angedeutet ist. Entsprechend fließt das Heizkreismedium über einen Vorlauf VL von der Wärmepumpe zur Wärmesenke 2 bzw. zum Eingang 3.1 des Pufferspeichers 3, was in Fig. 1 durch einen nach rechts zeigenden Pfeil angedeutet ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Wärmepumpenanlage 10 besteht aus zwei miteinander verbundenen Anlagenteilen, von denen einer im Gebäude und einer außerhalb des Gebäudes angeordnet ist. Eine solche Konfiguration wird auch als Split- Wärmepumpe bezeichnet. Die beiden Anlagenteile werden üblicherweise als Außeneinheit („Outdoorunit“, ODU) und Inneneinheit („Indoorunit“, IDU) bezeichnet. Zwischen Außeneinheit ODU und Inneneinheit IDU zirkuliert hier das Kältemittel. Der Pufferspeicher 3 ist bei dieser Ausführung ebenfalls in der Inneneinheit IDU an geordnet. Zwischen dem Eingang 6.2 des Wärmetauschers 6 am Rücklauf RL und dem Pufferspeicher s ist eine Heizkreispumpe 7 zum Umwälzen des Heizkreismediums angeordnet. Ferner ist im Rücklauf RL ein Temperatursensor 11 zum Messen der Rücklauftemperatur des Heizkreismediums angeordnet.

Im Normalbetrieb sowie im Pufferladebetrieb nimmt das Kältemittel der Wärmepumpe 1 über die Außeneinheit ODU (in Fig. 1 ist schematisch der Verdampfer 5 mit Ventilator 8 dargestellt) Umgebungswärme auf vergleichsweise niedrigem Temperaturniveau auf. Das Kältemittel wird dann über einen Verdichter 9.1 zum als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher 6 transportiert, um dort die Wärme an das Heizkreismedium abzugeben. Das Kältemittel wird dann in bekannter Weise über ein Expansionsventil 9.2 entspannt, bevor es zum Verdampfer 5 zurück gelangt.

Vom Wärmetauscher 6 gelangt das Heizkreismedium dabei zunächst über den Vorlauf VL zu einem Ventil 4, das beispielsweise als 4/3-Wegenventil ausgeführt ist. Je nach Bedarf wird dann das Heizkreismedium zum Heizkreis 2.1 mit den Heizkörpern 2.3 und/oder zum Warmwasserspeicher 2.2 geleitet. Über den Rücklauf RL gelangt das abgekühlte Heizkreismedium durch den Eingang 6.2 in den Wärmetauscher 6 zurück, um den Kreislauf zu schließen.

Da der Verdampfer der Außeneinheit ODU einer solchen Wärmepumpenanlage 10 bei entsprechenden Witterungsbedingungen zum Vereisen neigt, ist es hin und wieder erforderlich, diese abzutauen. Dies geschieht durch Umkehren des Wärmepumpenkreislaufs, d. h. der Verdampfer 5 wird nun als Kondensator und der Wärmetauscher 6 als Verdampfer betrieben.

Die für den Abtauprozess benötigte Wärme wird dabei nicht der Wärmesenke 2 entzogen, sondern wird durch den dafür vorgesehenen Pufferspeicher 3 bereitgestellt. Die Wärme für den Abtauprozess kann dem Pufferspeicher 3 bereits während des Normalbetriebs oder alternativ nur beim Pufferladebetrieb zugeführt werden. Der Pufferspeicher 3 dient im Abtaubetrieb als Wärmequelle zum Abtauen des dann als Kondensator arbeitenden Verdampfers 5.

Bei der beschriebenen Ausführung der Wärmepumpe 1 mit einer Außeneinheit ODU und einer Inneneinheit IDU kann der Pufferspeicher 3 sehr nah am Wärmetauscher 6 angeordnet sein, so dass die für den Abtauprozess vorgehaltene Wärmemenge hauptsächlich vom Volumen des Pufferspeichers 3 abhängt. Bei einer Monoblock- Wärmepumpe kann der Pufferspeicher 3 jedoch vergleichsweise weit vom Wärmetauscher 6 entfernt angeordnet sein, so dass das Volumen der Leitungen zwischen Pufferspeicher 3 und Wärmetauscher 6 sowie die Wärmekapazität der Leitungen selbst und von Einbauten, wie z.B. Sensoren, Ventile und dergleichen, die im thermischen Austausch mit dem Heizkreismedium stehen, nicht vernachlässigbar sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik bekannten Probleme zu überwinden und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers anzugeben. Ferner soll ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Heizungssystem bereitgestellt werden.

Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeerzeugers nach Anspruch 1 sowie durch ein Heizungssystem nach Anspruch 9. Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der angehängten Zeichnungen und der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen.

Ein erfindungsgemäßes Heizungssystem weist einen Wärmeerzeuger oder eine Vielzahl von Wärmeerzeugern auf. Eine bevorzugte Ausgestaltung des Heizungssystems umfasst eine Wärmepumpe als Wärmeerzeuger, wobei die Wärmepumpe auch gleichzeitig die Last sein kann. Insbesondere kann der Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe als Last angesehen werden. Der Begriff Last bezeichnet allgemein eine Wärmesenke. Im Beispiel der Wärmepumpe als Last nimmt diese bei einem Abtauprozess Wärme auf und kann somit als Last bzw. Wärmesenke betrieben werden.

Zusätzlich zur Wärmepumpe kann das Heizungssystem mindestens einen weiteren Wärmeerzeuger aufweisen. Beispiele für den weiteren Wärmeerzeuger umfassen einen Gasbrennwertkessel, einen Ölkessel, ein Blockheizkraftwerk, eine Brennstoffzelle, eine Solartherme oder andere Vorrichtungen, die Wärme an das Heizkreismedium bereitstellen können. Der weitere Wärmeerzeuger kann auch als externer Wärmeerzeuger bezeichnet werden, da er kein Bestandteil der Wärmepumpe ist.

Ferner kann die Wärmepumpe einen elektrischen Wärmeerzeuger wie z.B. einen Heizstab als Hilfswärmeerzeuger aufweisen, z.B. für den Fall, dass die Wärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen nicht ausreichend Wärme erzeugen kann. Eine Wärmepumpe mit zusätzlichem elektrischem Heizelement wird beispielsweise in der DE 699 25389 T2 beschrieben. Liegt die Außentemperatur unter einem Grenzwert wird hier das zusätzliche elektrische Heizelement aktiviert, um eine Zuführluft der Wärmepumpe zu erwärmen. In alternativen Ausführungen kann der Hilfswärmeerzeuger das Heizkreismedium und/oder das Kältemittel direkt erhitzen.

Ein erfindungsgemäßes Heizungssystem dient vorzugsweise zum Heizen eines Gebäudes. Das Heizungssystem kann als Wärmesenke einen Heizkreis mit einer Vielzahl Heizkörpern und/oder eine Fußbodenheizung und/oder einen Wärmespeicher aufweisen.

Die im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritte können vorzugsweise von einer Regeleinrichtung des Heizungssystems ausgeführt werden, welche insbesondere den Wärmeerzeuger und/oder andere Bestandteile des Heizungssystems, beispielsweise ein oder mehrere Ventile regelt und/oder steuert. Funktionen der Regeleinrichtung können ganz oder teilweise durch eine geographisch entfernte Einrichtung, beispielsweise eine Cloud oder einen Server ausgeführt werden. Hierzu kann eine lokale Regeleinrichtung des Heizungssystems über eine geeignete Schnittstelle mit einem Netzwerk, beispielsweise dem Internet verbunden sein.

Der mindestens eine Wärmeerzeuger erhitzt das fluide Heizkreismedium, das in einem hydraulischen Kreislauf zirkuliert. Als Heizkreismedium kann insbesondere Wasser verwendet werden. Der hydraulische Kreislauf umfasst Leitungen für das Heizkreismedium und verbindet eine Last, einen Pufferspeicher und den Wärmeerzeuger. Über ein Ventil kann das Heizkreismedium vorzugsweise auch dem Heizkreis zugeführt werden.

Hydraulische Leitungen, die zur Wärmesenke des Heizungssystems gehören, sind vorzugsweise kein Bestandteil des betrachteten hydraulischen Kreislaufs. Das Heizkreismedium im hydraulischen Kreislauf sowie die dazugehörigen Leitungen und thermische Verluste, usw. bilden eine thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs. Durch das vorliegende Verfahren kann diese thermische Gesamtmasse des Kreislaufs bestimmt werden, so dass eine vorgegebene Sollwärmemenge Q _S0 H möglichst effizient in den hydraulischen Kreislauf eingebracht werden kann.

Die Sollwärmemenge Q _S0 n kann gemäß einer bevorzugten Ausführung insbesondere dazu dienen, einen Verdampfer einer Wärmepumpe bei einem Abtauvorgang von Bereifung bzw. Eis zu befreien. Die Sollwärmemenge Q _S0 H kann insbesondere von der Art und Größe der Last der Wärmepumpe, sowie von einer Außentemperatur abhängig sein.

Um die thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs zu bestimmen, wird zunächst ein Temperaturhub AT als Differenz zwischen einer ersten Isttemperatur TI des Heizkreismediums zu einem ersten Zeitpunkt tl und einer zweiten Isttemperatur T2 des Heizkreismediums zu einem zweiten Zeitpunkt t2, der um einen vorgegebenen Zeitraum At nach dem ersten Zeitpunkt tl liegt, ermittelt. Der Temperaturhub AT ergibt sich somit aus folgender Gleichung:

AT = T2 - Tl (1)

Ferner wird die während dem Zeitraum At vom Wärmeerzeuger in den hydraulischen Kreislauf eingebrachte Wärmemenge Q _zu erfasst. Dies kann beispielsweise durch Integrieren der anliegenden Heizleistung über den Zeitraum At erfolgen. Hierbei ist zu beachten, dass mehr als ein Wärmeerzeuger verwendet werden kann, um Wärme in den hydraulischen Kreislauf einzubringen. In diesem Fall wird im Folgenden die Summe der integrierten Heizleistungen als eingebrachte Wärmemenge Q _zu verwendet.

Die gesuchte thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs ergibt sich als Quotient aus der eingebrachten Wärmemenge Q _zu und dem Temperaturhub AT:

(m ■ c)tot ⁼ Q _Z u / AT (2)

Hierbei bezeichnet m die Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs einschließlich Heizkreismedium, Leitungen und Einbauten. Ferner bezeichnet c die gesamte Wärmekapazität. Das Produkt (m ■ c)tot bezeichnet die thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs.

Damit sich die eingebrachte Wärmemenge Q _zu nur auf den hydraulischen Kreislauf bezieht, wird vorm Durchführen des Verfahrens ein Heizkreis von der Versorgung mit dem Heizkreismedium getrennt. Hierzu kann ein steuerbares Ventil im Heizungssystem angeordnet sein.

Bei der eingangs beschriebenen Wärmepumpenanlage gemäß dem Stand der Technik, die in Fig. 1 dargestellt ist, können Leitungen, Behälter und dergleichen beim Berechnen der thermischen Gesamtmasse vernachlässigt werden, da hier im Wesentlichen nur das Volumen des Pufferspeichers 3 ausschlaggebend ist. Bei vergleichsweise langen Leitungen zwischen Pufferspeicher s und Wärmetauscher 6 muss jedoch auch das darin enthaltene Volumen des Heizkreismediums sowie die Wärmekapazität der Leitungen selbst berücksichtigt werden. Da es insbesondere schwierig ist, den Beitrag von Leitungen, Einbauten und dergleichen analytisch zu bestimmen, kann durch Ermitteln des Temperaturhubs AT und Vergleichen mit der eingebrachten Wärmemenge Q _zu eine relativ genaue Messung der thermischen Gesamtmasse durchgeführt werden, ohne genaue Kenntnis der Anlagenkonfiguration zu haben. Durch das hier beschriebene Verfahren kann somit durch Messen der Temperatur des Heizkreismediums die thermische Gesamtmasse des gesamten betrachteten Kreislaufs ermittelt werden.

Mit den oben ermittelten Größen kann anhand der folgenden Gleichung eine Solltemperatur T _so n des Heizkreismediums in Abhängigkeit der Sollwärmemenge Qsoii berechnet werden:

Tsoll ^— Qsoll / (m ■ C)tot + Tmin (3)

Hierbei repräsentiert Tmin eine vorgegebene Mindesttemperatur des Heizkreismediums.

Die Mindesttemperatur T _m in kann insbesondere in Abhängigkeit der Betriebsart vorgegeben werden. Beispielsweise kann die Mindesttemperatur T _m in im Heizbetrieb bei ca. 5°C liegen. Für den Abtaubetrieb kann eine erhöhte Mindesttemperatur Tmin von beispielsweise ca. 35°C vorgegeben werden. Die Mindesttemperatur Tmin für den Abtaubetrieb kann insbesondere sicherstellen, dass der als Verdampfer im Abtaubetrieb arbeitende Wärmetauscher nicht einfriert. In Gleichung (3) dient die Mindesttemperatur Tmin zudem als Nullniveau zum Bestimmen der Solltemperatur T _so ii des Heizkreismediums. Wird die zum Abtauen notwendige Wärmemenge hinreichend exakt bestimmt und dann beim Abtaubetrieb abgegeben, kann im energieeffizientesten Fall nach dem Abtauen genau das Nullniveau der Mindesttemperatur Tmin erreicht werden. Die Mindesttemperatur Tmin kann insbesondere ein Vorgabewert sein, der von der Wärmepumpe bereitgestellt wird.

Gemäß dem Verfahren wird der Wärmeerzeuger in Abhängigkeit der ermittelten Solltemperatur T _S0 n betrieben. Das kann beispielsweise bedeuten, dass der Wärmeerzeuger mit maximaler Heizleistung betrieben wird, bis die Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur T _S0 n ist.

Die Isttemperatur des Heizkreismediums wird vorzugsweise zwischen Pufferspeicher und Last gemessen. Mit anderen Worten, der Temperatursensor ist vorzugsweise zwischen dem Pufferspeicher und der Last, also im Rücklauf angeordnet. Bei einer solchen Anordnung wird die gemessene Temperatur auch als Rücklauftemperatur bezeichnet.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung ist die Last ein Kältemittelkreislauf einer Wärmepumpe. Dies entspricht dem eingangs beschriebenen Fall gemäß dem Stand der Technik aus Fig. 1, wobei der Wärmetauscher der Wärmepumpe im Umkehrbetrieb als Verdampfer funktioniert. Dabei fließt die Wärme vom Pufferspeicher über den Rücklauf zur Wärmepumpe. Die Wärme vom Heizkreismedium wird über den als Verdampfer betriebenen Kondensator des Kältekreises an das Kältemittel abgegeben und kann dann den beim Abtauen als Kondensator betriebenen Verdampfer der Wärmepumpe erwärmen, so dass darauf gebildetes Eis oder Reif abtauen.

Bei einem bevorzugten Abtauverfahren, wird der Pufferspeicher beladen bis eine aktuelle Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur T _S0 n ist. Da die Isttemperatur vorzugsweise stromabwärts vom Pufferspeicher, also im Rücklauf gemessen wird, kann von der gemessenen Isttemperatur auf die Speichertemperatur des Pufferspeichers geschlossen werden. In bevorzugten Ausführungen kann im Pufferspeicher mindestens ein zusätzlicher Temperatursensor angeordnet sein, der die Speichertemperatur misst.

Ein vorgegebener Ladezustand des Pufferspeichers kann beispielsweise dann erreicht sein, wenn der Pufferspeicher oder das Heizkreismedium am Temperatursensor die Solltemperatur T _S0 n erreicht hat.

Sobald die Solltemperatur T _S0 n im Heizkreismedium erreicht ist, weist der Kreislauf die vorgegebene Sollwärmemenge Q _S0 H auf. Entsprechend kann dann ein Abtauvorgang zum Abtauen des Verdampfers der Wärmepumpe durchgeführt werden.

Die vorgegebene Sollwärmemenge Q _S0 n kann vorzugsweise in Abhängigkeit einer Außentemperatur und eines Gerätetyps der Wärmepumpe ermittelt werden. Die Außentemperatur kann beispielsweise durch einen Außentemperatursensor gemessen werden oder von der Regeleinrichtung des Heizungssystems empfangen werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird der Wärmeerzeuger beim Beladen des Pufferspeichers mit maximaler Heizleistung betrieben, bis die Isttemperatur des Heizkreismediums gleich groß wie oder größer als die Solltemperatur T _S0 H ist. Hierbei kann vorzugsweise vorab eine Heizleistung ermittelt werden, die erforderlich ist, um die Solltemperatur T _S0 n zu erreichen. Falls die erforderliche Heizleistung größer als die maximale Heizleistung des Wärmeerzeugers ist, kann zusätzlich ein zweiter Wärmeerzeuger zum Erhitzen des Heizkreismediums betrieben werden.

Die Regeleinrichtung kann vorzugsweise eine Schnittstelle aufweisen. Als Schnittstelle der Regeleinrichtung zum Ausgeben von Meldungen an einen Benutzer oder Betreiber des Heizungssystems kann im Allgemeinen eine Mensch-Maschine- Schnittstelle („Human-Machine-Interface“, HMI) verstanden werden, über die der Benutzer oder Betreiber vorzugsweise auch Eingaben machen kann. Das HMI kann in einer bevorzugten Ausführung eine Anwendung („App“) auf dem mobilen Endgerät des Benutzers oder Betreibers sein. Auch die Cloud oder der Server können als Schnittstelle verwendet werden. So kann insbesondere über einen Internetbrowser ein Zugriff auf Daten in der Cloud oder auf dem Server ermöglicht werden, wobei hierdurch auch regelungstechnische Eingriffe ermöglicht werden können.

Vorzugsweise kann die Wärmepumpe in einem ersten Betriebszustand als Wärmeerzeuger zum Heizen des Gebäudes betrieben werden. Der erste Betriebszustand entspricht einem Normalbetrieb bzw. Heizbetrieb der Wärmepumpe. Vorzugsweise kann ein Benutzer oder Betreiber die Wärmepumpe über die Schnittstelle in den ersten Betriebszustand versetzen. Weiter vorzugsweise kann die Wärmepumpe in einem zweiten Betriebszustand zum Abtauen der Wärmepumpe betrieben werden. Die hier beschriebenen Verfahren werden insbesondere dann ausgeführt, wenn die Wärmepumpe im zweiten Betriebszustand zum Abtauen der Wärmepumpe betrieben wird.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels, auf welches die Erfindung jedoch nicht beschränkt ist, näher beschrieben.

Es zeigen schematisch:

Figur 1 illustriert ein gattungsgemäßes Wärmepumpensystem.

Figur 2 illustriert ein Wärmepumpensystem gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Figur 3 illustriert ein Wärmepumpensystem gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Figur 4 zeigt ein Diagramm, das eine Abhängigkeit der Abtauenergie von der Außentemperatur beschreibt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG ANHAND VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN

Bei der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

Fig. 2 illustriert ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizungssystems 10 für ein Gebäude. Das erfindungsgemäße Heizungssystem 10 ist ähnlich aufgebaut wie die bekannte Wärmepumpenanlage 10 der Fig. 1. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen hier gleiche oder ähnliche Bestandteile.

Das Heizungssystem 10 der Fig. 2 umfasst eine Wärmepumpe 1, die als Monoblock- Wärmepumpe ausgeführt ist. Die einzelnen Komponenten der Wärmepumpe 1 wie z.B. der Verdampfer 5, der Kältemittelkreislauf und der Wärmetauscher 6 sind in der Außeneinheit ODU der Wärmepumpe 1 angeordnet und in Fig. 2 nicht dargestellt.

Im Unterschied zur Wärmepumpe 1 der Fig. 1, bei welcher der Wärmetauscher 6 in der Inneneinheit IDU angeordnet ist, befindet sich diese Komponente bei der Wärmepumpe 1 der Fig. 2 in der Außeneinheit ODU. Ansonsten ist der Aufbau des Heizungssystems 10 in Fig. 2 im Wesentlichen identisch mit Fig. 1.

Das Heizungssystem 10 kann insbesondere in einem von drei Betriebsarten betrieben werden. Eine erste Betriebsart ist der Normalbetrieb bzw. Heizbetrieb, in dem die Wärmepumpe 1 Wärme für die Wärmesenke 2 bereitstellt. Eine zweite Betriebsart ist der Pufferladebetrieb, bei dem die Wärmepumpe 1 Wärme zum Beladen des Pufferspeichers 3 bereitstellt. Eine dritte Betriebsart ist der Abtaubetrieb, bei dem die Wärmepumpe 1 zum Abtauen im Umkehrbetrieb betrieben wird und die im Pufferspeicher 3 gespeicherte Wärme aufnimmt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann das Beladen des Pufferspeichers 3 auch parallel zum Heizbetrieb durchgeführt werden. Dies kann auch als vierte Betriebsart aufgefasst werden, bei der die Wärmepumpe 1 vorzugsweise mit maximaler Heizleistung betrieben wird.

Die Länge der Vorlaufleitung VL und der Rücklaufleitung RL zwischen Pufferspeicher 3 und Wärmepumpe 1 kann bei typischen Anordnungen von Monoblock- Wärmepumpen außerhalb von Gebäuden ungefähr 2 Meter bis 25 Meter, bevorzugt ungefähr ca. 6 Meter bis ca. 20 Meter betragen. Man beachte, dass die Länge der Leitungen in Fig. 2 nicht maßstabsgetreu dargestellt ist.

Das Fassungsvolumen des Pufferspeichers 3, der vorzugsweise ausschließlich zum Speichern von Wärme für den Abtauprozess dient, beträgt ca. 10 Liter bis ca. 20 Liter. Durch die Gesamtlänge der Leitungen zwischen Puffer 3 und Wärmetauscher 6 der Wärmepumpe 1 von ca. 4 Metern bis ca. 50 Metern, bevorzugt von ca. 12 Metern bis ca. 40 Metern, können die thermische Masse des in den Leitungen befindlichen Heizkreismediums sowie die thermische Masse der Leitungen und der Einbauten selbst gegenüber dem Volumen des Puffers 3 nicht vernachlässigt werden. Die thermische Gesamtmasse des hydraulischen Kreislaufs kann darüber hinaus auch Wärmeverluste umfassen, die sich a priori nicht genau quantifizieren lassen.

Um einen Abtauprozess der Wärmepumpe 1 möglichst effizient durchführen zu können, ist es vorteilhaft, die dafür benötigte Sollwärmemenge Q _S0 H möglichst genau zu kennen. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die in den hydraulischen Kreislauf eingebrachte Wärmemenge möglichst genau auf die Sollwärmemenge Q _S0 H einzustellen. Wenn das Heizungssystem 10 in einem Betriebszustand zum Abtauen der Wärmepumpe 1 betrieben wird, wird zunächst der hydraulische Kreislauf einschließlich Pufferspeicher 3 mit der benötigten Sollwärmemenge Q _S0 H beladen. Dazu kann in einem ersten Schritt die Wärmesenke 2 mit dem Heizkreis 2.1 und dem Warmwasserspeicher 2.2 über das Ventil 4 vom hydraulischen Kreislauf getrennt werden.

In einem nächsten Schritt wird eine erste Rücklauftemperatur TI des Heizkreismediums zu einem ersten Zeitpunkt tl erfasst. Nach einem vorgegebenen Zeitraum At wird zu einem zweiten Zeitpunkt t2 eine zweite Rücklauftemperatur T2 des Heizkreismediums erfasst. Der vorgegebene Zeitraum At kann beispielsweise 60 bis 600 Sekunden, bevorzugt 60 bis 180 Sekunden betragen. Weiter vorzugsweise beträgt der vorgegebene Zeitraum At ca. 120 Sekunden.

Zum Erfassen der Rücklauftemperaturen ist im Rücklauf RL zwischen Pufferspeicher 3 und Wärmepumpe 1 ein Rücklauftemperatursensor 11 angeordnet. Zusätzlich können weitere Temperatursensoren im Heizungssystem 10 angeordnet sein (nicht dargestellt), beispielsweise im Pufferspeicher 3 und/oder im Vorlauf VL.

Anschließend wird über Gleichung (1) ein Temperaturhub AT als Differenz zwischen zweiter Rücklauftemperatur T2 und erster Rücklauftemperatur Tl berechnet. Über Gleichungen (2) und (3) kann dann eine Solltemperatur T _S0 n des Heizkreismediums berechnet werden.

Da sich die Verluste sowie das Gesamtvolumen an Heizkreismedium im hydraulischen Kreislauf ändern können, wird die Solltemperatur T _S0 n vorzugsweise vor jedem Abtauvorgang, bzw. zu Beginn jedes Beladevorgangs des Pufferspeichers 3 erneut bestimmt. Insbesondere die Wärmeverluste des hydraulischen Kreislaufs können sich beispielsweise in Abhängigkeit der Außentemperatur ändern, so dass sich somit auch die thermische Gesamtmasse ändern kann.

Als einzigen Wärmeerzeuger umfasst das Heizungssystem 10 der Fig. 2 die Wärmepumpe 1 selbst. Das heißt, dass die Wärmepumpe 1 beim Beladen des Pufferspeichers 3 die Wärme erzeugt. Im Abtauvorgang dagegen ist die Wärmepumpe 1 die Last, auf welche die Wärme vom Pufferspeicher 3, bzw. vom gesamten hydraulischen Kreislauf übertragen wird. Somit erzeugt die Wärmepumpe 1 beim Beladen des Pufferspeichers 3 zunächst die Wärme, welche später zum Abtauen der Wärmepumpe 1 verwendet wird.

In bevorzugten Ausführungen kann die Wärmepumpe 1 einen zusätzlichen Hilfswärmeerzeuger aufweisen, beispielsweise einen internen elektrischen Heizstab (nicht dargestellt), der ebenfalls in der Außeneinheit ODU angeordnet sein kann.

Der Vorgang des Beladens des Pufferspeichers 3 ist dann vollendet, wenn die gemessene Rücklauftemperatur gleich groß wie oder größer als die berechnete Solltemperatur T _S0 n ist. Zur Sicherheit kann zusätzlich ein Grenzwert festgelegt werden, der um 1 oder 2 K über der Solltemperatur T _S0 n liegt. Sobald der Grenzwert erreicht wird, kann der Abtauvorgang gestartet werden.

Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Heizungssystem 10. Das Heizungssystem 10 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst zusätzlich zur Wärmepumpe 1 mindestens einen zweiten Wärmeerzeuger 12. Der zweite Wärmeerzeuger 12 kann beispielsweise ein externer Spitzenlastkessel sein, der mit Gas als Brennstoff betrieben wird. Alternative Beispiele für den zweiten Wärmeerzeuger 12 umfassen einen Gasbrennwertkessel, einen Ölkessel, ein Blockheizkraftwerk, eine Brennstoffzelle, eine Solartherme oder andere Vorrichtungen, die Wärme an das Heizungsmedium bereitstellen können. Der weitere Wärmeerzeuger kann auch als externer Wärmeerzeuger bezeichnet werden, da er kein interner Bestandteil der Wärmepumpe ist.

Der zweite Wärmeerzeuger 12 kann gemäß einer bevorzugten Ausführung ein elektrischer Wärmeerzeuger wie z.B. ein Heizstab oder ähnliches sein. In bevorzugten Ausführungen können auch zwei zusätzliche Wärmeerzeuger 12 im Heizungssystem 10 vorgesehen sein.

Der zweite Wärmeerzeuger 12 kann beim Beladen des Pufferspeichers 3 zum Bereitstellen zusätzlicher Wärme für den Fall verwendet werden, dass die Wärmepumpe 1 allein nicht ausreichend Wärme bereitstellen kann, um die vorgegebene Solltemperatur T _S0 n zu erreichen. Beim Abtauvorgang kann der zweite Wärmeerzeuger 12 somit die Beladung des Pufferspeichers 3 mit Wärme unterstützen.

Werden zum Beispiel der Grenzwert oder die Solltemperatur T _S0 n beim Laden des Pufferspeichers 3 nicht erreicht, so kann der zweite Wärmeerzeuger 12 angesteuert werden, um zusätzliche Wärme bereitzustellen. Hierbei kann der zweite Wärmeerzeuger 12 beispielsweise mit einer vorgegebenen Heizleistung, vorzugsweise mit maximaler Heizleistung betrieben werden. Gemäß einer bevorzugten Ausführung kann die Heizleistung des zweiten Wärmeerzeugers 12 in Abhängigkeit einer vorgegebenen Beladedauer des Pufferspeichers 3 berechnet bzw. vorgegeben werden.

Vorzugsweise wird der zweite Wärmeerzeuger 12 mit einer minimal notwendigen Heizleistung betrieben. Um diese Heizleistung zu bestimmen, kann eine Steigung einer Temperaturentwicklung des Pufferspeichers 3 vorgegeben werden. Die tatsächlich auftretende Steigung der Temperatur kann beim Beladen des Pufferspeichers 3 gemessen und mit der Sollsteigung verglichen werden. Sollte die gemessene Steigung niedriger als die vorgegebene Steigung sein, kann der zweite Wärmeerzeuger 12 entsprechend zugeschaltet werden. Das Erreichen des Grenzwerts oder der Solltemperatur T _S0 n kann beispielsweise nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums überprüft werden. Alternativ kann die zum Erreichen des Grenzwerts oder der Solltemperatur T _S0 n notwendige Heizleistung vorab berechnet werden, so dass diese Heizleistung für einen berechneten Zeitraum angelegt werden kann.

Durch Integrieren der Heizleistung kann die während dem Zeitintervall At eingebrachte Wärmemenge Q _zu bestimmt werden. Die anliegende Heizleistung dQzu/dt kann beispielsweise als Vorgabewert der Wärmepumpe 1 und/oder des zweiten Wärmeerzeugers 12 bekannt sein. In diesem Fall ist eine Kenntnis des als Heizkreismedium verwendeten Fluids nicht notwendig.

Alternativ kann die anliegende Heizleistung dQ _zu /dt anhand der Masse des Heizkreismediums berechnet werden. Hierzu müssen die thermodynamischen Eigenschaften, wie z.B. die Dichte und die Wärmekapazität des als Heizkreismedium verwendeten Fluids bekannt sein. Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird Wasser als Heizkreismedium verwendet. Die Heizleistung kann dann durch folgende Formel ausgedrückt werden: dQ _Z u/dt = 8 (c - dm/dt - AT*) (4)

Der Massenstrom dm/dt kann mithilfe eines Durchflussmessers 13 bestimmt werden, der im Vorlauf stromaufwärts vorm zweiten Wärmeerzeuger 12 angeordnet ist. Die Temperaturdifferenz AT* wird als Differenz zwischen der vom Temperatursensor 11 gemessenen Rücklauftemperatur und einer durch einen zweiten Temperatursensor 11, der stromaufwärts vorm Ventil 4 abgeordnet ist, gemessenen Temperatur bestimmt.

Anhand von Gleichung (4) kann über die Wärmekapazität c und den gemessenen Massenstrom dm/dt sowie die gemessene Temperaturdifferenz AT* und einen empirisch bestimmten Koeffizienten s die in das Heizkreismedium eingebrachte Wärmeleistung dQ _zu /dt bezogen auf die thermische Gesamtmasse berechnet werden.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, das eine Abhängigkeit der Abtauenergie von der Außentemperatur beschreibt. Die Abtauenergie ist die zum Abtauen des Verdampfers 5 benötigte Wärmemenge und entspricht der Sollwärmemenge Q _SO H. Anhand Fig. 4 kann man erkennen, dass die zum Abtauen benötigte Abtauenergie Qsoii mit sinkender Außentemperatur höher wird. Beispielsweise wird bei einer Außentemperatur TI eine Abtauenergie Ql benötigt, die höher ist als die Abtauenergie Q2 bei einer Außentemperatur T2 > TI.

Fig. 4 ist lediglich ein Beispiel, wie die Wärmemenge von der Außentemperatur abhängen kann. Die Wärmemenge kann beispielsweise auch von der Luftfeuchtigkeit, dem Aufstellort der ODU, der Windgeschwindigkeit etc abhängig sein. Der funktionale Zusammenhang kann somit auch anders als in Fig. 4 aussehen und muss insbesondere keine Gerade sein.

Im Allgemeinen kann die Sollwärmemenge Q _S0 H vom Gerätetyp der Wärmepumpe 1 abhängig sein. Insbesondere kann die Abtauenergie bzw. Sollwärmemenge Q _S0 H von den Dimensionen der Komponenten der Wärmepumpe, insbesondere des Verdampfers 5, des Wärmetauschers 6 und/oder des Kältemittelkreislaufs und dergleichen abhängig sein. Ferner kann die Sollwärmemenge Q _so n von der Wärmekapazität bzw. von der thermischen Gesamtmasse des Kältemittels bzw. des Kältemittelkreislaufs abhängig sein.

Die Größenordnung der Sollwärmemenge Q _S0 H kann beispielsweise im Bereich einiger Megajoule liegen.

Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.