DEFROST CONTROL METHOD AND DEVICE FOR HEAT PUMPS

Abstract: 1. A defrosting control method for heat pumps, a defrosting operation being controlled in dependence upon the temperature difference between the evaporator temperature and the ambient or supply air temperature of the evaporator, the actual temperature difference (DELTA T) being compared with a set-value temperature difference (DELTA Tm ) which varies in dependence upon the ambient or supply air temperature (Tm ), a defrosting signal being delivered on the basis of such comparison when the actual temperature difference exceeds the set-value temperature difference, characterised in that the continuously detected actual value signals of the ambient or supply air temperature (Tm ) and the evaporator temperature (Tk ) are supplied to a subtractor (60) determining the temperature difference DELTA T = Tm -Tk , the actual value signal (Tm ) is also supplied to a function former (62) which forms the set-value temperature difference (DELTA Tm ) from the actual-value signal (Tm ) and an adjusted temperature difference signal (Uv ), the actual-temperature difference signal (DELTA T) output by the subtractor (60) and the set-value temperature difference signal (DELTA Tm ) output by the function former (62) are supplied to a hysteretic comparator (61) which when DELTA T > DELTA Tm produces an output signal transmitted as first instruction signal (54) to a facility (65, 66) for triggering different defrosting signals, the actual value signal (Tm ) is also supplied to a hysteretic comparator (72) and compared therein with a signal (Uk ) corresponding to a fixed temperature above 0 degree C, more particularly 5 degrees C, and an output signal supplied as second instruction signal (56, 57 respectively) to the facility (65, 66) is produced, the actual value signal (Tk ) is supplied to a hysteretic comparator (71) and compared therein with a signal (Uo ) corresponding to a temperature of 0 degree C, and only when (Tk ) is below 0 degree C is an output signal produced which is supplied as third instruction signal (55) to the facility (65, 66) and when the first instruction signal (54) and the third instruction signal (55), the latter signalling a temperature Tk < 0 degree C, are present, the facility (65, 66) : a) if the second instruction signal (56, 57 respectively) signals a temperature Tm < Tuk , triggers a switching process whereby the heat pump drive is stopped and accelerated defrosting with heating gas is started or b) if the second instruction signal (56, 57 respectively) signals a temperature Tm > Tuk triggers a switching process whereby the heat pump drive is stopped and a normal defrosting process started.

Description: Verfahren und Vorrichtung zur Abtauregelung von Wärmepumpen Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtauregelung von Warmepumpen, bei dem der Abtauvorgang in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfertemperatu r und der Umgebungstemperatur des Verdampfers gesteuert wird. Es ist bekannt, dass bei einer mit Umgebungsluft als Energiequelle arbeitenden Wärmepumpe die Luftfeuchtigkeit auf der Verdampferoberfläche kondensiert und gefriert, wenn die Verdampfertemperatur unterhalb O.C ist. Es ist daher erforderlich diese Vereisung zu überwachen und gegebenenfalls Abtaumassnahmen einzuleiten. Aus der US-PS 3,950,962 ist eine Abtauregelung bekannt, bei der zur Bestimmung des Abtaubeginns die Temperatur am Verdampfer und die der Zuluft zum Verdampfer gemessen und deren Differenz überwacht wird. Wird eine fest vorgegebene Temperaturdifferenz überschritten, so folgert man, dass dies infolge eines durch Vereisung der Oberflächen verringerten Warmeüberganges hervorgerufen wird. Es wird somit bei Oberschreitung des vorgegebenen Soll-Temperaturdifferenzwertes der Abtauvorgang eingeleitet. Obwohl diese Methode bei der bekannnten Vorrichtung für eine Wärmepumpe vorgesehen ist, hat sie sich jedoch nur für die Anwendungsfälle bewährt, bei denen die Zulufttemperatur nahezu konstant bleibt, wie z.B. in Kühlräumen. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei der bekannten Abtaumethode bei höherer Umgebungstemperatur des Verdampfers unnötig oft abgetaut wird, während bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Abtauung viel zu spät eingeleitet wird. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, bei dem der Abtauvorgang möglichst nahe zum tatsächlich erforderlichen Abtauzeitpunkt erfolgt. Die Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Massnahmen gelöst. Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei Aussenluft-Wärmepumpen eine Vereisung von der kältesten Aussentemperatur bis zu Temperaturen oberhalb von O.C auftreten kann. Aufgrund des etwa konstanten bzw. bei fallender Aussentemperatur abnehmenden Volumenstromes des durch den Verdampfer fliessenden Kältemittels tritt bei hoher Aussen- bzw. Umgebungstemperatur bzw. Verdampfungstemperatur wegen der Dampfdichte eine hohe Kälteleistung auf, während die Kälteleistung bei fallender Umgebungstemperatur stark abfällt. Deshalb ist bei einem gegebenen Verdampfer schon im nichtvereisten'Zustand die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Verdampfung bei hohen Umgebungstemperaturen wesentlich höher (zweibis dreifach) als bei niedrigen. Bei dem erfindungsgemassen Verfahren wird die Solltemperaturdifferenz entsprechend der Umgebungstemperatur variiert und damit an das Verdampferverhalten angepasst. Hierdurch ist eine zuverlassige Regelung geschaffen, bei der unnötige Abtauvorgänge verhindert und andererseits zur Wahrung des wirtschaftlichen Betriebes der Wärmepumpe die Abtauvorgänge rechtzeitig eingeleitet werden. Die Solltemperaturdifferenz wird vorzugsweise kontinuierlich in Abhängigkeit von der Aussentemperatur bzw. der Umgebungstemperatur des Verdampfers verändert. Es ist aber auch möglich, eine stufenweise Regelung der Solltemperaturdifferenz anzuwenden. Gemass einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Einleitung des Abtauvorganges bei Verdampfertemperaturen oberhalb O.C gesperrt. Hierdurch wird ein unnötiges Abtauen zuverlassig verhindert, wenn bei derartigen Ver dampfertemperaturen die Ist-Temperaturdifferenz den aus der momentanen Umgebungstemperatur errechneten Sollwert übersteigt. Es ist ferner für den kontinuierlichen Betrieb einer Wärmepumpe wünschenswert, dass der Abtauvorgang möglichst rasch durchgeführt wird, um somit die Abschaltpausen der Wärmepumpe möglichst klein zu halten. Hierzu wird vorgeschlagen, dass nach einem vorbestimmten Kriterium wahlbare unterschiedliche Abtausi gnale abgegeben werden, mit denen unterschiedliche Abtauprozesse eingeleitet werden können. Die Abtausi gnale können vorzugsweise von der Umgebungs- bzw. Zulufttemperatur des Verdampfers ab hängi g gemacllt werden Gemäss einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Kriterium so gewählt werden, dass bei einer Umgebungstemperatur oberhalb etwa 3 - 5 C eine Abtauung durch Umgebungsluft eingeleitet wird, wobei lediglich der Kaltemittelkreislauf der Wärmepumpe entweder abgeschaltet oder umgeleitet wird und die Verdampferlüfter weiter in Betrieb bleiben, während bei Temperaturen unterhalb 5'C ein Abtausignal abgegeben wird, mit dem Heissgas an die Verdampfer geleitet wird. Die Erfindung erstreckt sich auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, mit den im Anspruch 6 gekennzeichneten Merkmalen. Das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung wird anhand der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbei spiel, Fig. 2 ein Temperaturdiagramm, Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel und Fig. 4 eine detaillierte Schaltung zum Ausführungs bei spiel gemäss Fig. 3. In Fig. 1 ist der Heizkreis einer Kompressions-Wärmepumpe 10 dargestellt, die aus einem Verdampfer 11 zur Aufnahme der Energie QO aus der Umgebungsluft 12, einem Verdichter 13, der den Kältemittel dampf aus den Ver dmp'fer :11 verdichtet und einem Verflüssiger 14 zuleitet, an dem ein Verbraucher 15 angeschlossen ist. Es ist bekannt, dass ein der Aussenluft 12 ausgesetzter Verdampfer aufgrund der Luftfeuchtigkeit an der Aussenflache vereist, wenn die Verdampfertemperatur Tk bzw. die Temperatur der Verdampferoberflache einen Wert unterhalb des Gefrierpunktes hat. Um einen Abtauvorgang bei Bedarf automatisch einzuleiten, ist bei dem Ausführungbeispiel gemäss Fig. 1 ein Abtauregler 16 vorgesehen, der die Signale eines Verdampfer-Temperaturfühlers 17 und eines Umgebungstemperaturfühlers 18 empfängt und bei Abtaubedarf ein Signal an ein Stellglied 19 ausgibt. Mit dem Stellglied 19 wird der Verdichter 13 ausgeschaltet und damit der Abtauvorgang eingeleitet. Der Abtauvorgang kann auch auf andere Weise eingeleitet werden, wie z.B. durch Umkehrung oder Umleitung des Kältemittel stromes. Der Abtauregler 16 enthält einen Differenzbildner 20, mit dem die Temperatudifferenz AT=Ta-Tk gebildet wird, wobei T a die Umgebungstemperatur ist. In einem hysteresebehafteten Komparator 21 wird das so gebildete Ist -Temperaturdifferenz-Signal tT mit einem Soll-Temperatur differenz-Signal t T verglichen, das von einem Sollwert- bildner 22 in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur erzeugt wird. Ist die gemessene Temperaturdifferenz dT höher als der entsprechend errechnete Sollwert tTs, dann gibt der Komparator 21 ein Signal 23 aus, mit dem zur Einleitung des Abtauvorganges das Stellglied 19 aktiviert wird. Bei Fortschreiten des Abtauvorganges wird der Abtauvorgang beendet, wenn die Temperaturdifferenz tT entsprechend abgesunken ist. Aufgrund von Messungen und Rechnungen konnte die Funktion AT=f(Ta) der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungsund Aussentemperatur in Abhängigkeit von der Aussentempe ratur ermittelt werden, die einen in Fig. 2 mit der Ziffer 30 gekennzeichneten Verlauf hat. Diese Funktion tT=f(Ta) kann in erster Näherung durch eine Gerade 31 (4T'=kTa) ersetzt werden. Die Gerade 31 entspricht somit etwa der Funktion /iT=f(Ta), wenn keine Vereisung am Ver dampfer 11 stattfindet. Durch Bereifung des Verdampfers vergrössert sich jedoch die Temperaturdifferenz tT um einen Wert a, der in etwa auch linear mit der Umgebungstemperatur Ta ansteigt. Damit kann eine lineare Anderung des Sollwertes T5 mit der Aussentemperatur Ta vorgesehen werden, die gegenüber der Geraden 31 um einen Temperaturdifferenzwert a verschoben ist und gegebenenfalls eine grössere Steigerung hat. Diese Gerade ist mit Ziffer 32 in Fig. 2 dargestellt. In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispieles eines Abtaureglers 40 dargestellt. Der Abtauregler 40 wird von einer Gleichstromquelle 41 gespeist, deren Ausgangsspannung in einem Referenzspannungs-Erzeuger 42 stabilisiert und gefiltert wird. Ferner ist der Abtauregler 40 an den Umgebungstemperatur Sensor 18 sowie den Verdampfertemperatur-Sensor 17 angeschlossen. Die Sensoren 17 und 18 werden von einer Spannungsquelle 47 gespeist, die die Referenzspannung U r in eine vorbestimmte Sensorspannung Us transformiert. Die von den Messfühlern 17, 18 erzeugten Temperatursignale 43 und 45 werden jeweils in Verstärkern 50 bzw. 51 dem Spannungsniveau der Schaltung angepasst und normiert. Die verstärkten Spannungssignale 52 und 53 werden zur Bildung von vier Kommandosignalen 54 bis 57 im Abtauregler 40 verareitet. Zum einen wird, wie in Beispiel gemäss Fig. 1, mit einem Differenzbildner 60 die Temperaturdifferenz AT=TaTk gebildet, die zur Erzeugung des ersten Kommandosignales 54 mittels eines hysteresebehafteten Komparators 61 mit der Soll-Tempe raturdifferenz A Ts verglichen. Die Soll-Temperatur differenz tT5 wird von einem Funktionsbildner 62 erzeugt und zwar aus dem momentanen Umgebungstemperatur signal 52 und einem extern einstellbaren Spannungswert 63 aus einem Potentiometer 64, der der für den jeweiligen Anwendungsfall angepassten Temperaturrdifferenz entspricht. Die Soll-Temperaturdifferenz wird in erster Naherung als eine lineare Funktion gemass Kurve 32 gebildet. Die Steigung K dieser Funktion ist hierbei variabel. Das so erzeugte Kommandosignal 54 gibt die Befehle Abtauvorgang einschalten" bzw. "Abtauvorgang beenden". Der Schaltprozess für den Abtauvorgang wird jedoch mittels zwei Logisch-UND-Verknüpfungen 65 und 66 in Abhängigkeit von weiteren Signalen, nämlich den Kommmandosignalen 55 bis 57 ausgegeben. Die Kommandosignale 55 geben an, ob die Verdampfertemperatur grösser oder kleiner als O.C ist, und sie werden durch Vergleich des Verdampfertemperatu r-Signales 53 mit einer dem O.C entsprechenden Spannungswert U in einem ebenfalls hysteresebehafteten Komparator 71 erzeugt. Die Kommandosignale 56 und 57 sind aussentemperaturab gängige Signale, die durch den Vergleich des Umgebungstemperatursignales 52 mit einer einer entsprechenden Temperatur zugeordneten Spannung Uk in einem dritten hysteresebehafteten Komparator 72 erzeugt werden und mittels eines Nicht-Gliedes 73 gegeneinander umgekehrt werden. Mit diesen aussentemperaturabhängi gen Kommandosignalen 56 und 57, die jeweils einer der Logisch-UND-Verknüpfung 65 bzw. 66 eingegeben werden, können unterschiedliche Abtauvorgänge eingleitet werden. So lässt sich beispielsweise bei unterschiedlichen Aussentemperaturen entweder lediglich der Wärmepumpenbetrieb ausschalten und bei einer anderen Temperatur zusätzlich ein Heissluftgebläse einschalten. Für diesen Fall kann Uk für eine Aussentemperatur Tuk=5-C entsprechend ausgelegt werden. Die Aussentemperatur Ta und die Verdampfertemperatur Tk werden kontinuierlich gemessen und der Sollwert T5 kontinuierlich berechnet. übersteigt die Temperaturdifferenz tT zwischen den Messwerten den Sollwert8Ts so gibt der Komparator 61 das Abtausignal 54 ab, das in beiden Verknüpfungen 65 und 66 eingeht. Die Logisch-UND-Verknüfung 65 wird jedoch nur dann ein Schaltsignal 74 ausgeben, wenn sie gleichzeitig das Signal 55 TkVO-c sowie das Signal 56 nämlich T taXTUk (beispielsweise Ta kleiner als 5-C) erhält. Hierdurch wird ein erster Schaltprozess durchgeführt, z.B. Abschalten des Wärmepumpenbetriebes und Einschalten der Heissgasabtauung. Ist hingegen die Aussentemperatur Ta höher als der gegebene Wert Tuk so wird die zweite Verknüpfung 66 ein Schaltsignal 75 ausgeben, mit dem beispielsweise lediglich der Wärmepumpenbetrieb ausgeschaltet wird. Wenn die Verdampfertemperatu r den Gefrierpunkt überschreitet, dann besteht keine Gefahr einer Vereisung des Verdampfers 11. In diesem Fall werden keine Signale 55 ausgegeben, so dass die Verknüpfungen 65 und 66 nicht durchgeschaltet werden und ein Abtauvorgang unterbleibt, auch wenn die Temperaturdifferenz T grösser ist alsT5. Der Abtauregler 40 kann beispielsweise, wie in Fig. 4 dargestellt, ausgebildet werden, wobei mit entsprechend ausgelegten Spannungsteilern die jeweils erforderlichen Spannungssignale bestimmt werden. Für die Umschaltung zwischen den vor den Abtausignalen 74 oder 75 einleitbaren Abtauprozessen ist ein vom Komparator 72 ansteuerbares Relais 80 vorgesehen, der über einen Schalter 81 die Leitung für das Kommandosignal 54 je nach der Umgebungstemperatur an den Ausgang 74 oder 75 für die Schaltsignale anschliesst. Das Kommandosignal 55 für die 0 C Verdampfertemperatur Umschaltung wird mit dem Sollwert-Signal aTs verknüpft und im Komparator 61' zur Bildung des Kommandosignales 54' mit dem Istwert #T verglichen.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zur Abtauregelung von WÅarmepumpen, bei dem der Abtauvorgang in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen der Verdampfer temperatur und der Umgebungstemperatur bzw. Zulufttemperatur des Verdampfers gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Temperatur differenz (T) mit einem Soll-Temperaturdiffe renzwert (Ts) verglichen wird, der in Ab hängigkeit der Umgebungstemperatur (Ta) und gegebenenfalls der Verdampfertemperatur (Tk) verändert wird, und dass aufgrund des Vergleiches ein Abtausignal abgegeben wird, wenn die Ist Temperaturdifferenz die Soll-Temperaturdifferenz übersteigt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einleitung des Abtauvorganges bei Ver dampfertemperaturen oberhalb O C gesperrt wird. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass nach einem vorbestimmten Kriterium wählbare unterschiedliche Abtausignale (74, 75) abgegeben werden. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtausignale (74, 75) in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur variiert werden. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass bei Umgebungstemperaturen unterhalb 3 - 5 C ein Abtausignal abgegeben wird, mit dem eine Heissgasabtauung eingeschaltet wird. 6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Anspruch 1, mit einem Temperaturmessfühler für die Verdampfertemperatur und einem Temperaturmessfühler für die Umgebungsluft des Verdampfers, dadurch ge kennzeichnet, dass ein mit den beiden Messfühlern (17, 18) verbundener Differenzbildner (20, 60) und mit dem Umgebungsluft-Temperaturfühler (18) verbundener Sollwertbildner (22, 62) vorgesehen sind, deren Ausgang an einem hysteresebehafteten Komparator (21, 61) angeschlossen sind, dessen Ausgang (23, 54) mit einem Stellglied (19) zur Einleitung des Abtauvorganges verbindbar ist. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass ein zweiter Komparator (71) vor gesehen ist, der das Signal (53) des Verdampfer Temperaturfühlers (17) mit einem der Temperatur O.C entsprechenden Signal (70) vergleicht, und dass eine Logisch-UND-Verknüpfung (65 bzw. 66) vorge sehen ist, die die Ausgangssignale der beiden Komparatoren (61, 71) empfängt, und bei logisch gleichen Komparatorsignalen (54, 55) ein Abtau signal (74, 75) abgibt. 8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Komparator (72) vorgesehen ist, der das Signal (52) des Umgebungs Temperaturfühlers (18) mit einem Signal (Uk) ver gleicht, das einer konstanten Temperatur, insbe sondere etwa 5*C entspricht.

Inventors: JOBST, FRIEDRICH, MOTZ, KARL, ING. GRAD., Mötz, Karl, Ing. grad.
Applicants: M A N  TECHNOLOGIE GMBH
Application year: 1984
Main classification: F25D21
IPC codes: F25D21