Komponenten für Wärmepumpen – Teil 6: Elektronische Einspritzregelung für Verdampfer

Sonntag, 15. Juli 2012

Hersteller und Betreiber von Wärmepumpen sind immer bestrebt, sowohl eine optimale Verdampferfüllung auch bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen aufrechtzuerhalten als auch die Energieeffizienz zu steigern, indem sie die Verdampfungstemperaturen so hoch wie möglich halten. Diesen Anforderungen kann mit den üblichen thermostatischen Expansionsventilen aber oft nicht in ausreichendem Maße Rechnung getragen werden. Elektronische Expansionsventile hingegen sind für diesen Zweck jedoch ideal geeignet.

Niedrige Überhitzung – Höhere Verdampfungsdrücke – Verbesserte COP-Werte

Die Vorteile einer elektronischen Überhitzungsregelung liegen klar auf der Hand. Der Verdampfer ist immer optimal mit Kältemittel gefüllt. Selbst bei starken Temperaturschwankungen, d. h. für einen weiten Umgebungstemperaturbereich, kann die einzuspritzende Kältemittelmenge genau dosiert werden. Dies geschieht, indem der jeweils aktuelle Überhitzungswert im Verdampfer über einen Druckmessumformer (in der Abbildung mit „P“ gekennzeichnet) und einen sensiblen Temperaturfühler („S2“) an den Regeleinheit für Wärmepumpenhersteller „EKD 316“ weitergegeben wird. Dadurch ist die Einheit wiederum in der Lage, Maßnahmen zu ergreifen, um eine möglichst geringe Überhitzung zu erreichen. Diese adaptive Reglung der Kältemitteleinspritzung führt zu einer optimalen Nutzung des Verdampfers und damit zu den höchst möglichen Verdampfungsdrücken, die in dem jeweiligen System realisiert werden können. Dies führt zu besseren COP-Werten und die Energie wird effizienter genutzt.

Permanent optimierte Überhitzung

Der Überhitzungsgrad passt sich immer dem minimal stabilen Signal (MSS) für den Verdampfer an, wodurch ein Abdriften des Signals in den instabilen Bereich verhindert wird. Die Regeleinheit beginnt mit der Auswahl eines beliebigen Überhitzungsziels, z. B. 8 K, und versucht dann, diese 8 K als Sollwert für das System zu verwenden. Da hier alle Informationen, d. h. Überhitzungstemperaturwert „S2“ und momentaner Verdampfungsdruck „P“, zusammenlaufen und außerdem zur Optimierung die kumulierte Historie dieser beiden Werte aufgezeichnet wird, kann der Regler leicht entscheiden, ob dieser aktuelle Sollwert unter den gegebenen Lastbedingungen erreichbar ist. Wenn beispielsweise der Verdampfungsdruck stark schwankt und sich die Überhitzungswerte ständig ändern, bedeutet dies, dass ein höherer Überhitzungswert angestrebt werden sollte. Bleiben allerdings Überhitzung und Verdampfungsdruck weitgehend konstant, so kann mit einem niedrigeren Überhitzungssollwert, z. B. 7 K (dann 6 K, 5 K usw.), fortgefahren werden. Diese permanente Überprüfung der optimalen Überhitzung ist ein entscheidender Vorteil elektronischer Expansionsregelung gegenüber rein thermostatischen Ventilen. Diese müssten vorab auf den maximalen Überhitzungssollwert, der durch die individuelle MSS-Kennlinie des Systems angegeben wird, eingestellt werden. Leider ist dieser Wert nicht so einfach zu ermitteln, sodass Standardsysteme in der Regel mit höheren Überhitzungssollwerten betrieben werden, als sie eigentlich benötigen. Im Hinblick auf die Systemzuverlässigkeit ist das nicht falsch, denn eine etwas höhere Überhitzung ist sicherlich besser als flüssiges Kältemittel, das den Verdichter erreicht. Sie wirkt sich jedoch negativ auf die Energieparameter des Systems aus. Bei dem elektronischen „EKD“- Einspritzsystem entfällt dieses zusätzliche Sicherheitsrisiko, da diese Systeme, wie beschrieben, selbstkorrigierend sind.

Bedienung

Die Bedienung der Regeleinheit erfolgt über zwei Drucktasten auf einem optionalen Display. Damit kann der Wärmepumpenhersteller entscheiden, ob er den Servicezugang zur Regeleinheit vereinfachen möchte (mit einem in die Wärmepumpe integriertes externes Bediendisplay), oder den Regler nur als „Blackbox“ einsetzt, um unbefugte Manipulationen und unerwünschte Programmänderungen zu verhindern. Mit diesen beiden Tasten, kombiniert mit einem dreistelligen Display, lässt sich die Regeleinheit komplett programmieren und alle wichtigen Daten werden angezeigt. Über das Bediener-Display kann der Servicetechniker in den Regelkreis eingreifen oder sich relevante Informationen anzeigen lassen. Über das Menü der Einheit werden nicht nur die grundsätzlich konfigurierbaren Parameter angezeigt, wie z. B. die Art des Kältemittels, sondern hier ist es auch möglich, die Stabilitäts- und Verstärkungsfaktoren so einzustellen, dass sie bestimmte Prozesse präzise beeinflussen. Dies gilt z. B. für die Überhitzungsregelung, durch die Schwankungen beim Überhitzungswerts verhindert werden können. Darüber hinaus kann entweder eine adaptive oder eine lastabhängige Überhitzungsregelung gewählt werden. Die adaptive Überhitzungsregelung wurde hier bereits ausführlich beschrieben. Bei der lastabhängigen Überhitzungsregelung werden bewusst höhere Überhitzungswerte für bestimmte Teillastsituationen verwendet, um z. B. längere Mindestlaufzeiten für den Verdichter zu gewährleisten oder eine Eisbildung am Verdampfer in Luft-Luft- oder Luft-Wasser-Wärmepumpen zu reduzieren. Das wirkt sich wiederum positiv auf die Notwendigkeit des Abtauens aus. Für die Erstprogrammierung der Steuereinheit in der Produktionslinie empfehlen wir das Software-Servicetool (AK-ST500). Diese Software kann über eine optionale Systemeinheit auf die Steuereinheit zugreifen und die Erstprogrammierung in wenigen Augenblicken ausführen. Die gleiche Software kann auch für sonstige Servicezwecke verwendet werden.

Service

Das Servicemenü der elektronischen Überhitzungsregeleinheit ist für Servicetechniker sowohl für die Inbetriebnahme des Systems als auch für die anschließende Wartung besonders nützlich. Alle Parameterwerte, die mit einem „u“ beginnen, zeigen die aktuellen Werte des Systems an, die für die Diagnose von Fehlern aller Art und für die Bewertung des Systemzustands unerlässlich sind. Dabei sind besonders die Werte der drei angezeigten Parameter „Überhitzung“, „Temperatur am S2- Fühler“ (bedeutet am Verdampferausgang) und „Verdampfungstemperatur“ zu beachten. Diese Werte geben zusammen Aufschluss über den aktuellen Systemzustand. Zum einen sind sie gut ablesbar und müssen nicht aufwändig mit einem Servicemanometer und einem Temperaturmessgerät des Technikers ermittelt werden, zum anderen ist es möglich, sofort zu sehen, welche Werte vom Regler verwendet werden. So gehört es zur Standardvorgehensweise eines erfahrenen Monteurs, bei elektronischen Systemen vor der eigentlichen Inbetriebnahme zunächst alle Fühler zu überprüfen (bei den üblichen Widerstandsfühlern ist dies recht einfach mit einem Ohm-Messgerät möglich. So hat ein PT1000-Fühler bei 0 °C einen Widerstand von 1000 Ω). Damit wird verhindert, das bei der Arbeit mit elektronischen Systemen mühsam Fehler aufgespürt werden müssen, die durch Fühler verursacht werden, die falsche Istwerte ablesen. Durch einen Blick in das Servicemenü entfällt diese Vorgehensweise, denn hier kann direkt beurteilt werden, ob der Wert realistisch ist oder nicht (und im Zweifelsfall kann selbst mit Thermometer oder Manometer nachgemessen werden).

Manuelle Überprüfung der Ausgänge

Die Ausgänge der Regeleinheit sind natürlich genauso wichtig wie ihre Eingänge. Um speziell diesen Punkt bei der Inbetriebnahme des Systems zu vereinfachen, bietet das Reglermenü die Möglichkeit, die Ausgänge für das „ETS“-Ventil und den Alarmausgang manuell zu übersteuern. Ein typisches Problem bei Regelgeräten ist die Frage, ob die Regeleinheit den Ausgang nicht schaltet, weil sie dies aus irgendwelchen Gründen nicht für erforderlich hält, oder weil er z. B. wegen eines Defekts nicht geschaltet werden kann. Dieses Problem hat selbst schon erfahrene Monteure viele Stunden an Fehlersuche gekostet. Aus diesem Grund empfehlen wir, bei der Inbetriebnahme eines Systems grundsätzlich die entsprechenden Ausgänge einmal gezielt einzeln zu überprüfen. Auf diese Weise können Verdrahtungs- und Zuordnungsfehler schnell behoben werden.

Analoge elektronische Ventile

Die Einheit „ETS“ ist ein analoges Ventil, das gerne eingesetzt wird, wenn jedes Grad an Überhitzung zählt und selbst geringste Abweichungen des Verdampfungsdrucks vermieden werden sollen. Die Einheit kann als P-, PI- oder PID-Regler eingesetzt werden. Bei der P-Regelung handelt es sich um eine Standardregelung gemäß der Abweichung (z. B. wenn die Überhitzung zu groß wird, wird die Ventilöffnung immer mit der gleichen Geschwindigkeit vergrößert). Bei der PI-Regelung kann die Nachstellzeit („I-Anteil“) separat geändert werden. Das bedeutet, dass die Reaktionsgeschwindigkeit des Reglers verändert werden kann, mit anderen Worten, die Regelung wird sensibler oder träger. Beides kann notwendig sein. Bei einem PID-Regler werden durch den „D-Anteil“ die Regeleigenschaften auch bei plötzlichen Sollwertänderungen optimiert. Beim Einsatz eines „ETS“-Ventils sollte zusätzlich eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) vorgesehen werden. Das ist unbedingt notwendig, da ein „ETS“ im Fall eines plötzlichen Spannungsabfalls in seiner momentanen Öffnungsstellung stehen bleibt und damit weiter Kältemittel in den Verdampfer eingespritzt wird, was zu erheblichen Schäden oder gar zum Totalausfall der Verdichtereinheit führen kann. Mit einer USV kann das Ventil selbst in einer solchen Situation immer noch geschlossen werden.

Perspektiven

Die elektronische Steuerung der Flüssigkeitseinspritzung ist für jede Art von Wärmepumpe von Vorteil und setzt sich mehr und mehr am Markt durch. Dies gilt nicht nur für Luft-Luft- und Luft-Wasser-Wärmepumpen, bei denen der Umgebungsluft die Wärme entzogen wird. Es gilt auch für Plattenwärmeübertrager-Verdampfer in Wasser (Sole)-Wasser-Systemen, mit denen insbesondere im Betrieb mit analogen elektronischen „ETS“-Ventilen erstaunliche Energieeinsparungen erzielt werden können.