Beispielprojekt Tuning einer Wärmepumpe

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1 Bergstraße Burtenbach Beispielprojekt Tuning einer Wärmepumpe Inhalt 1. Wärmepumpenbaukasten Systemkomponenten Geschichte Das Projekt sollte weiterverfolgt werden Jahresarbeitszahl 2, Technik, Geräteplan Elektronik, Funktionsmuster Mikrocontrollersoftware, Visualisierung und Bedienung mit LabVIEW Wärmepumpenbaukasten Viele Systemkomponenten dieser Luft-Wasser-Wärmepumpe sind Kaufteile. Dazu gehört die gesamte Kältemitteltechnik mit Klimagerät und Elektronik. Auch der Pufferspeicher ist ein Kaufteil. Als Sonderteile bleiben der Wärmetauscher (Kältemittel / Wasser) und die Heizkreis-Elektronik. Eine Heiztechnikfirma kann nach diesem Vorbild ihre eigene Wärmepumpe entwickeln und auf den Markt bringen. Die Elektronikentwicklung bis zur Serienreife kann mein Ingenieurbüro leisten. Der Anfang ist schon gemacht. Die Wärmepumpe läuft gut mit meiner Elektronik und ich habe reichlich Erfahrung damit gesammelt. ist ein erfahrener Elektronik Ingenieur, der viele qualitativ hochwertige Produkte von der Idee bis zur Serie entwickelt hat. Dazu gehört der Heizkörperverstärker, ein Anti-Schleuder-System für Wohnwagen, ein Farbliniensensor und eine Kuvertiermaschine zum Versenden großer Mengen Post. Es wird die komplette Dienstleistung rund um die Elektronik angeboten. Auch Firmen ohne eigene Elektronikabteilung können ihre eigene Elektronik verwirklichen! Als Geschäftspartner und Elektronik-Fachfirma bietet Harald Heim alles, was dazu nötig ist. Elektronik Entwicklung von Steuerungen mit Mikrocontrollern Kundenspezifische Komplettlösungen EMS Electronic Manufacturing Service Eingänge für Sensoren: Lichtschranken Temperatur Kraft Weg Beschleunigung Druck Lambda Ausgänge für Aktoren Relais Elektromagnet DC-Motor Mikrocontroller Software-Entwicklung Hardwarenah Echtzeit DSP Digitale Signalverarbeitung Digitale Filter LabVIEW Programmierung Visualisierung der Vorgänge im Mikrocontroller Bedienoberflächen Automatische Funktionstester Tel.: Fax.: Mobil Sparkasse Günzburg Bankleitzahl Konto-Nr WP-Projekt-Heim 1 von 7 UStIDNr. DE

2 2. Systemkomponenten Luft-Wasser-Wärmepumpe mit 14kW Klimagerät. Die Wärmepumpe besteht aus folgenden Systemkomponenten: Kältemitteltechnik von Mitsubishi Außengerät einer Klimaanlage, Steuerung und Regelung des Kältemittelkreislaufes durch Elektronik von Mitsubishi mit Schnittstelle zur Heizkreis-Elektronik. Heiztechnik Wärmetauscher (Kältemittel / Wasser), Pufferspeicher, Pumpen und Verrohrung. Heizkreis-Elektronik Mikrocontroller-Steuerung von Schnittstelle zur Mitsubishi-Elektronik, Steuerung und Regelung der Heiztechnik, Schnittstelle zu Bedienoberfläche (LabVIEW) Graphische Bedienoberfläche Auf Windows XP-Rechner, mit LabVIEW programmiert. Mit 8-Kanal Datenlogger (8000 Messungen pro Tag) und Visualisierung der Temperaturverläufe. Kaufteile: Sonstige Teile: komplette Kältemitteltechnik, Pufferspeicher und Pumpen. Wärmetauscher und Heizkreis-Elektronik 1308WP-Projekt-Heim 2 von 7

3 3. Geschichte Die Wärmepumpe lief bei mir zuhause. Kurz nach dem ich sie gekauft hatte, stellte sich heraus, dass sie doppelt so viel Strom brauchte wie angegeben. Ohne Tuning wäre der Betrieb unrentabel gewesen. Ich einigte mich mit dem Heizungsbauer: er hat Nachbesserungen durchgeführt. Der Erfolg hat die Erwartungen übertroffen! Was wir gemacht haben um das System zu tunen: Einbau einer Ladepumpe Nachrüstung eines zweiten Wärmetauschers. Auswechseln der gesamten Elektronik des Innengerätes Diese Maßnahmen ermöglichten es, die Heißwassertemperatur von 60 C auf 40 C zu reduzieren. Durch dieses Tuning, die Entwicklung der Mikrocontrollersteuerung und die Datenerfassung habe ich mich tief in die Wärmepumpe hineingedacht. Dabei habe ich auch den Heizkörperverstärker erfunden. Das Patent wurde am erteilt. Nachrüstbare Gebläse an den Heizkörpern sorgen dafür, dass auch bei 40 C Niedertemperatur genügend Wärme in das Haus abgegeben werden kann. So konnten die alten Rippenheizkörper bleiben. Kennen Sie schon meinen neuen Heizkörperverstärker? Wie ein Turbolader für Ihre Heizkörper: mehr Leistung, schneller hochheizen, und dann ist es komfortabel warm. 4. Das Projekt sollte weiterverfolgt werden Die Wärmepumpe lief sehr gut. Wenn wir ein paar Dinge ändern, kann sie noch weiter verbessert werden. Meine Rolle dabei ist die Beratung, die Elektronik-Entwicklung, die Steuerungs- und die Regelungstechnik. Das sind meine Kernkompetenzen. Die Wärmepumpe als Gesamtprodukt müsste ein Heizungshersteller übernehmen. Wärmepumpe: Luft-Wasser-Wärmepumpe mit guter Leistung und Arbeitszahl. Mir sind konkrete Ansätze für weitere Verbesserungen bekannt, mit denen die Arbeitszahl noch weiter gesteigert werden kann. Entwicklung einer neuen Wärmepumpe nach diesem Vorbild möglich. Das Know How dazu kann ich verkaufen. Die Freiheit von Schutzrechten kann ich jedoch nicht garantieren. Bei einer Patentrecherche kann ich unterstützen. Heizkreis-Elektronik Lauffähiges Funktionsmuster mit kostengünstigen Temperatur-Sensoren. Der Mikrokontroller kann frei programmiert werden und übernimmt die gesamte Steuerung und Regelung. Bedienoberfläche auf einem Standard PC. Zur Serie weiter entwickelt ergibt sich eine kostengünstige, leistungsfähige Heizungssteuerung. Es kann daraus eine Standardsteuerung für verschiedene Heizsysteme werden. Elektronik Entwicklung und Serieneinführung kann mein Ingenieurbüro ausführen. 1308WP-Projekt-Heim 3 von 7

4 5. Jahresarbeitszahl 2,6 Das Ergebnis mit der Jahresarbeitszahl 2,6 kann sich sehen lassen: Das ist für eine Luft-Wasser-Wärmepumpe mit Heizkörpern ein super Wert. Diese Jahresarbeitszahl wurde bei realem Betrieb in meinem Haus gemessen. Details: Reiheneckhaus Baujahr 1972, 159qm, neue Fenster, kein Vollwärmeschutz. Luftwärmepumpe für komplett Heizung und Warmwasser (kein Holzofen, kein Solar) Heizkörper mit Heizkörperverstärker, C Vorlauftemperatur, C Rücklauftemperatur. Stromrechnung eingescannt: 1308WP-Projekt-Heim 4 von 7

5 6. Technik, Geräteplan Luftwärmepumpe mit Mitsubishi Außengerät PUHZ-RP140YKA. Geräteplan Innengerät Innengerät: Slave-Steuerung von Mitsubishi PAC-IF021B-E (FTC Controller) mit Zieltemperatursensor am Wärmetauscher. bauseitig: Wärmetauscher, Pufferspeicher und übergeordnete Steuerung Die Mitsubishi Geräte regeln den gesamten Kühlmittelkreislauf, sowie die Wassertemperatur in der Nähe des Wärmetauscher- Ausgangs (Zieltemperatur). Die übergeordnete Steuerung von gibt Befehle an den FTC und steuert die Heizwasserkreisläufe. Das Herz dieser Steuerung ist ein Mikrocontroller: Evaluationboard von der Fa. Glyn mit dem SH7125 Mikrocontroller von Renesas. Ein Evaluationboard ist ideal zum Ausprobieren eines Mikrocontrollers. Man kann damit in kurzer Zeit ein Funktionsmusters aufbauen. 1308WP-Projekt-Heim 5 von 7

6 7. Elektronik, Funktionsmuster Das Evaluationboard wurde auf eine Trägerplatine gesetzt. Auf der Trägerplatine befindet sich die Peripherie-Elektronik: NTC-Eingänge PT1000-Eingänge Batteriegepufferte Echtzeituhr serielle Schnittstelle Spannungsregeler Digitale Eingänge Digitale Optokoppler Ausgänge Relaisausgänge ESD-Schutzbeschaltung Mit dem Funktionsmuster betrieb ich meine Heizung. Es ist voll funktionsfähig. Es wurde von Hand in kurzer Zeit gebaut. Nutzen eines solchen Funktionsmusters: Test der Elektronik-Schaltungen Softwareentwicklung und Softwaretest möglich. Durchführung von Versuchen Praktischer Einsatz Bestätigung der Machbarkeit 1308WP-Projekt-Heim 6 von 7

7 8. Mikrocontrollersoftware, Visualisierung und Bedienung mit LabVIEW Der Mikrocontroller wurde über die serielle Schnittstelle mit einem PC verbunden. Das LabVIEW Programm zeigt Zustände, Uhrzeit sowie die Ein- und Ausgangssignale der Steuerung sehr übersichtlich an. In der Mikrocontrollersoftware wurden mehrere Zustandsautomaten programmiert: Einen übergeordneten sys_automat(), einen load_automat(), und einen heat_automat(). Der sys_automat() steuert das Hoch- und Herunterfahren der Anlage, setzt Betriebsarten der anderen Automaten, kann den Heizstab aktivieren, usw. Der load_automat() steuert die Pufferaufladung. Der heat_automat() steuert den Heizkreis, außerdem stellt er eine Sommer- / Winterautomatik zur Verfügung. Fünf Temperaturen kommen von NTC-Sensoren und drei von PT1000 Sensoren. Die krummen Kennlinien der Sensoren werden von der Software gemittelt und linearisiert. Die Tasten über dem Diagramm öffnen Menüs für die Bedienung. Das Diagramm zeigt die Ereignisse und Temperaturverläufe des zurückliegenden Tages an. Diese Datenerfassung liefert Erkenntnisse und praktische Felderfahrung. Das ist nützlich für: Weiterentwicklung zum Testen Inbetriebnahme zum Parameter setzten Optimierung 1308WP-Projekt-Heim 7 von 7