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Die Erfindung bezieht sich auf ein Klima-Aggregat, insbesonders für ein Eisenbahnfahrzeug, bei dem im Strom der einem Raum zur Klimatisierung zuführbaren Luft zumindest ein Wärmetauscher angeordnet ist und das eine Kältemaschine sowie eine Heizeinrichtung aufweist, welche beide mit konstanter Leistung arbeiten, abhängig von der gewünschten Temperatur der zugeführten Luft und thermostatgesteuert ein-bzw. ausschaltbar sind und mit dem Wärmetauscher bzw. den Wärmetauschern zusammenarbeiten.
Bekannte Klima-Aggregate der genannten Art beinhalten in der Hauptsache. zur Deckung des Kälte- bzw. Wärmebedarfes eine luftbeaufschlagte Kältemaschine, beispielsweise in Form eines im Strom der zur Klimatisierung dienenden Luft angeordneten Kältemittelverdampfers, und einen elektrischen Lufterhitzer, der als Kombination von Heizeinrichtung und Wärmetauscher unabhängig von dem mit der Kältemaschine zusammenarbeitenden Wärmetauscher ebenfalls im Strom der zu klimatisierenden Luft angeordnet ist. Je nach Ausführungsart der vom Klima-Aggregat beschickten Klimaanlage, beispielsweise als Ein- oder Zweikanalanlage, sind auch noch Ausbildungen mit entsprechenden Unterteilungen der genannten Elemente bekannt.
Infolge der geringen spezifischen Wärmekapazität der zu klimatisierenden Luft weisen die bekannten Klima-Aggregate im praktischen Betrieb jedoch wesentliche Nachteile auf. So ist beispielsweise bei einer für eine bestimmte Maximalleistung ausgelegten Kältemaschine eine Regelung bzw. Steuerung erforderlich, um die im Bereich eines geringeren Kühlbedarfes notwendige Absenkung der am zugehörigen Wärmetauscher an die zu klimatisierende Luft abgegebenen Kälteleistung durchführen zu können. Dazu sind Ausführungen von Kältemittel-Kompressoren bekannt, welche es bei einem geringeren Kühlbedarf erlauben, einzelne Zylinder abzuschalten bzw. durch speziell gesteuerte Umgehungsventile eine entsprechende Absenkung der Kälteleistung ermöglichen.
Speziell im Bereich des geringen Kühlbedarfs resultieren aus diesen Regelungsarten nur kurze Steuerimpulse, da die zu klimatisierende Luft infolge ihrer geringen spezifischen Wärmekapazität in diesem Bereich sehr rasch den geforderten Sollwert erreicht. Die häufigen Ein- und Ausschaltimpulse sind aber sehr nachteilig für den Kältemittel-Kompressor, wobei ausserdem die Gefahr besteht, dass Flüssigkeitsteilchen in den Kompressor gelangen, die infolge der auftretenden Flüssigkeitsschläge zu Schäden am Kompressor führen können. Weiters handelt es sich bei dieser Art von Regelung um eine sogenannte Verlustleistungsregelung, da die erforderliche Antriebsleistung für den Motor des Kältemittel-Kompressors dabei nahezu unverändert bleibt.
In der AT-PS Nr. 318698 ist eine Klimaanlage mit einem kombinierten Heiz- und Kühlmittelkreislauf beschrieben, bei der der über Heizelemente beheizte Wärmetauscher für den Heizkreislauf auch gleichzeitig als Kältemittelverdampfer in den Kühlkreislauf eingeschaltet ist. Im Heizkreislauf wirken die Heizelemente nur indirekt über den Wärmeträger im Kaltdampfkessel auf die Wärmetauscher im Luftstrom der Klimaanlage ein. Bezüglich des Kühlkreislaufes zeigt dieser Vorhalt jedoch keinen derartigen "Primär-Wärmetauscher", da der Kaltdampfkessel hier lediglich als Kältemittelverdampfer dient, also unmittelbar für die Abkühlung des Kühlmediums selbst benötigt wird.
Im Bereich eines geringeren Kühlbedarfes arbeitet der Kältemittel-Kompressor mit verminderter Drehzahl, was jedoch eine entsprechend aufwendige elektrische Ausstattung erfordert.
Schliesslich ist in "Eisenbahnwagen" von Dipl. Ing. Werner Deinert, Transpress Verlag für Verkehrswesen, Berlin 1967, auf S. 215, eine Flüssigkeitsheizung erläutert, bei der die als Wärmeträger dienende Flüssigkeit mit Hilfe einer Pumpe in einem geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird.
Dabei kann ein Unterflur-Wärmetauscher bei Dampf- oder Diesellokbetrieb während der Fahrt mit Heizdampf aus einer durchgehenden Dampfheizleitung oder bei elektrischer Zugförderung mit Elektroenergie aus einer durchgehenden Hauptheizleistung versorgt werden. Eine vollautomatische Umschalteinrichtung für Mehrspannungsheizung ermöglicht die Verwendung aller üblichen Heizspannungen, also 1000,1500 oder 3000 V. Eine Einrichtung zum Kühlen des Eisenbahnfahrzeuges wurde bei dieser Anlage nicht vorgesehen ; über die Art der Regelung ist nichts ausgesagt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die genannten Nachteile der bekannten Einrichtungen zu beseitigen und ein Klima-Aggregat der eingangs genannten Art zu schaffen, welches auf einfache und insbesondere für den Eisenbahnbetrieb geeignete Weise eine energiesparende Regelung auch in Bereichen mit geringem Heiz- bzw. Kühlbedarf ermöglicht. Dabei sollen aber auf alle Fälle durch die Regelung verursachte Temperaturschwankungen, welche die Gefahr von Schwingungen in den Regelkreisen ergeben, vermieden werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss vor allem dadurch gelöst, dass im thermischen Kreislauf zwischen Heizeinrichtung und/oder Kältemaschine einerseits und dem zugehörigen Wärmetauscher anderseits, in an sich bekannter Weise, ein zusätzlicher Primär-Wärmetauscher eingeschaltet ist und dass dieser Primär-Wärmetauscher als thermischer Speicher ausgebildet ist, dessen Speichertemperatur als Steuergrösse für die Ein- bzw. Ausschaltung der Kältemaschine bzw. Heizeinrichtung dient. Auf diese sehr einfache Weise können insbesondere im Bereich von kleinen erforderlichen Heiz- bzw. Kühlleistungen nachteilige Schwankungen in der Temperatur der zu kühlenden bzw. aufzuheizenden Luft weitgehend vermieden werden, da die im Strom der zu klimatisierenden Luft angeordneten Wärmetauscher nur indirekt über den thermischen Speicher mit der Kältemaschine bzw.
Heizeinrichtung zusammenarbeiten. Die Speichertemperatur wird dabei thermostatisch überwacht, wobei aber ohne weiteres ein gewisser Temperaturbereich zugelassen werden kann, dessen Grenzen durch entsprechend eingestellte Thermostate, welche bei Über- bzw. Unterschreitung die zugehörige Einrichtung aus-bzw. einschalten, bestimmt sind.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung zwischen dem thermischen Speicher und dem Eingang des Wärmetauschers ein stufenlos verstellbares Mischventil eingeschaltet ist, welches eingangsseitig sowohl mit dem thermischen Speicher als auch mit dem Ausgang des Wärmetauschers verbunden ist und dessen beide Eingänge thermostatisch, vorzugsweise vom zu klimatisierenden Raum aus, steuerbar sind.
Durch dieses Mischventil ist der Einfluss der Speichertemperatur auf die tatsächliche Leistungsabgabe im Wärmetauscher sehr einfach zu kontrollieren, wobei durch die Mischung des vom thermischen Speicher kommenden Mediums mit dem vom Wärmetauscher rückfliessenden Medium und Zuführung dieses der jeweils gewünschten Lufttemperatur angepassten Gemisches zum Eingang des Wärmetauschers Schwankungen in der Temperatur der klimatisierten Luft praktisch vollständig vermieden werden können.
Ferner sieht die Erfindung vor, dass der thermische Speicher, in an sich bekannter Weise, flüssigkeitsgefüllt ist, wobei die Speicherflüssigkeit unmittelbar dem Wärmetauscher als Wärmetransportmedium zugeführt ist. Da Flüssigkeiten naturgemäss eine sehr viel höhere spezifische Wärmekapazität als beispielsweise Luft aufweisen, wirkt sich diese Massnahme sehr günstig auf die erforderliche Speichergrösse sowie auf die einfache Konstanthaltung der Lufttemperatur aus. Durch die unmittelbare Verwendung der Speicherflüssigkeit als Wärmetransportmedium ist auch ein günstiger Wirkungsgrad der Anlage sichergestellt.
Nach einer insbesondere im Zusammenhang mit einer Verwendung des erfindungsgemässen Klima- - Aggregates in sehr heissen bzw. sehr kalten Gegenden besonders vorteilhaften weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der thermische Speicher zumindest zwei hinsichtlich ihrer Speicherkapazität unterschiedlich grosse Speicherteile aufweist, die über zusätzliche Regelventile verbunden und in den Kreislauf des Wärmetransportmediums des Wärmetauschers einschaltbar sind, wobei der grössere Speicherteil dem Kreislauf des Wärmetauschmediums erst nach Erreichen einer vorbestimmten Speichertemperatur zuschaltbar ist.
Damit ist beispielsweise zu Beginn der Klimatisierung eines Raumes sichergestellt, dass bereits innerhalb kurzer Zeit Kälteleistung am Wärmetauscher abgegeben werden kann, da sich der kleinere Speicherteil relativ rasch auf die erforderliche Temperatur abkühlen lässt. Die gesamte Speicherkapazität, welche nach wie vor natürlich auf den maximal anfallenden Leistungsbedarf auszulegen ist, ist also ohne Einfluss auf den Beginn der eigentlichen Klimatisierung.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung die Fig. 1 bis 3 jeweils ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Klima-Aggregates, Fig. 4 einen teilweisen Schnitt durch ein in den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 bis 3 nur schematisch angedeutetes Mischventil und die Fig. 5 bis 7 einen Schaltplan für einige ausgewählte Betriebszustände des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2.
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Klima-Aggregat weist ein Gebläse-l-auf, welches die einem hier nicht dargestellten zu klimatisierenden Raum zuzuführende Luft in zwei Luftführungs- kanäle --2, 3-- fördert. Am Beginn des die klimatisierende Luft führenden Kanals --3-- sind zwei
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Wärmetauscher --4, 5-- angeordnet, die eine voneinander unabhängige Kühlung bzw. Heizung des im Luftführungskanal --3-- entlang des Pfeiles 6 strömenden Luftstroms ermöglichen. Der Wärmetauscher --4-- ist einer Kältemaschine --7-- zugeordnet ; der Wärmetauscher-S-ist unmittelbar von einer im Luftstrom angeordneten elektrischen Heizeinrichtung gebildet.
Die Kältemaschine --7-- besteht im wesentlichen aus einem über einen Antriebsmotor --8-angetriebenen Kältemittel-Kompressor --9-- sowie einem gebläsebelüfteten Verdampfer --10-- und ist über Leitungen --11, 12-- mit einer Kühlschlange --13-- verbunden. Die Kühlschlange --13-- ist in einem thermischen Speicher --14-- angeordnet, wobei die Durchströmung derselben über ein Regelventil -15-- einstellbar ist.
Die Temperatur des im thermischen Speicher --14-- befindlichen Speichermediums wird über Thermostate --16, 17-- überwacht, wobei einer der Thermostaten auf eine untere Grenztemperatur, bei der die Kältemaschine auf hier nicht dargestellte Weise abgeschaltet wird, und der andere Thermostat auf eine obere Grenztemperatur, bei welcher die Kältemaschine wieder anspringt, eingestellt ist.
Die Speicherflüssigkeit im thermischen Speicher --14-- dient gleichzeitig als Wärmetransportmedium zum bzw. vom der Kältemaschine --7-- zugeordneten Wärmetauscher --4--, dessen Eingang - 18- und Ausgang -19- in einen Kreislauf mit dem thermischen Speicher --14-- geschaltet sind.
Dem Eingang --18-- des Wärmetauschers --4-- ist ein kontinuierlich verstellbares Mischventil - vorgeschaltet, welches seinerseits eingangsseitig über eine Leitung-21-mit dem thermischen Speicher --14-- und über eine Leitung --22-- und eine Pumpe --23-- mit dem Ausgang --19-- des Wärmetauschers --4-- verbunden ist. Schematisch angedeutet und mit -24-- bezeichnet ist eine thermostatisch Regelung für das Mischventil --20-, welche vorzugsweise vom zu klimatisierenden Raum aus steuerbar ist.
Die Wirkungsweise der dargestellten Einrichtung ist wie folgt : Der thermische Speicher - wird über die Kühlschlange-13-bzw. die Kältemaschine -7-- auf einen über den unteren Grenzwertthermostaten --16-- bestimmten minimalen Temperaturwert tmin gekühlt. Wird dieser Wert erreicht, so schaltet die Kältemaschine --7-- unter dem Einfluss des Signals des Thermostaten - ab. Der eigentliche Kühlkreislauf des Klima-Aggregates besteht nun aus dem Wärmetauscher
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den, bereits erwärmten Wärmetransportmedium in einem derartigen Verhältnis erfolgt, dass die erhal- tene Mischtemperatur, kontrolliert über die Regelung --24--, jene Kühlwirkung ergibt, die durch Thermostate oder andere Einstelleinrichtungen im zu klimatisierenden Raum gefordert wird.
Die restliche aus dem Wärmetauscher --4-- rückfliessende Menge an Wärmetransportmedium strömt über die Leitung -25-- wieder in den thermischen Speicher --14-- zurück. Sofern die Temperatur des Wärmetransportmediums im thermischen Speicher --14-- den über den Thermostaten --17-- bestimmten oberen Grenzwert überschreitet, wird die Kältemaschine --7-- wieder eingeschaltet, was über die Kühlschlange --13-- zur neuerlichen Abkühlung führt. Die Differenz zwischen t. und tmax (untere 'oin nax Grenztemperatur und obere Grenztemperatur) wird dabei so gewählt, dass sich eine maximale Spei- cherwirkung unter Berücksichtigung von im praktischen Betrieb günstigen Werten ergibt.
Bei erforderlicher maximaler Kühlung befindet sich das Mischventil-20- (s. a. Fig. 4 und zugehörige Beschreibung) in einer Position, die nur den Durchgang des aus dem thermischen Spei- cher --14-- kommenden Wärmetransportmediums gestattet, d. h., es ist der direkte Rückfluss vom Ausgang--19--zumEingang--18--desWärmetauschers--4--unterbunden.
Der wesentliche Vorteil eines derartigen Klima-Aggregates besteht darin, dass die Kälte- maschine --7-- auch bei Temperaturverhältnissen, bei denen nur sehr wenig Kühlung gefordert wird, in vorbestimmten Schaltimpulsen, die abhängig sind von der Grösse des gewählten Volumens bzw. der damit gegebenen Kapazität des thermischen Speichers --14--, arbeitet. Damit sind keine speziellen Regelungselemente - wie Zylinderabschaltung oder Umgehungsventile - am Kompressor - erforderlich, da bei voller Leistung der Kältemaschine das Speichervermögen lediglich so zu wählen ist, dass die kürzesten Einschaltimpulse keine nachteiligen Wirkungen auf die Kälte- maschine selbst haben.
Damit kann einerseits mit wesentlich billigeren Kompressoren für die Kälte-
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maschine das Auslangen gefunden werden und anderseits wird die Lebensdauer der Kältemaschine verlängert.
Ein weiterer entscheidender Vorteil besteht darin, dass es in der im Luftführungskanal - -3- strömenden gekühlten Luft zu keinen Temperaturschwankungen kommt, da durch das Mischventil die am Wärmetauscher --4-- zur Verfügung stehende Kälteleistung genau dem jeweils auftretenden Kühlbedarf angepasst werden kann. Damit werden die bei bekannten Anlagen mit unmittelbar im Strom der zu kühlenden Luft angeordneten Verdampfern auftretenden Temperaturschwankungen, welche zu Schwingungen der Regelkreise führen können, vermieden.
Im Zusammenhang mit der Verwendung eines derartigen Klima-Aggregates im Eisenbahnbetrieb ergibt sich noch der entscheidende Vorteil, dass beim Ausfall der Stromversorgung für den Kompressor --9-- der Kältemaschine --7--, wie dies beispielsweise beim Lokwechsel der Fall ist, es zu keinen Betriebsunterbrechungen in der Funktion des Klima-Aggregates kommt, da für eine beschränkte Zeit auch über den thermischen Speicher --14-- allein gekühlt werden kann. Als zusätzlicher Vorteil wäre noch die insbesondere in Bereichen schwacher Kühlung auftretende Verminderung der erforderlichen Leistung an der Kältemaschine zu erwähnen.
Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der gemäss Fig. 1 im wesentlichen nur dadurch, dass der thermische Speicher --14-- hier aus zwei hinsichtlich ihrer Speicherkapazität unterschiedlich grossen Speicherteilen --26, 27-- besteht, die über zusätzliche Regelventile - -28, 29, 30-- verbunden bzw. in den Kreislauf des Wärmetransportmediums des Wärmetauschers - eingeschaltet sind.
Dieses Klima-Aggregat ist insbesondere geeignet für die Anwendung in heissen Ländern, da die gesamte Speicherkapazität des thermischen Speichers --14-- wesentlich grösser sein kann, als bei der Ausführung nach Fig. l, ohne dass Nachteile am Beginn der Klimatisierung infolge eines zu grossen erst abzukühlenden Speichervolumens auftreten können.
Die Arbeitsweise der in Fig. 2 dargestellten Einrichtung sei im folgenden an Hand der in den Fig. 5 bis 7 schematisch dargestellten Schaltbilder näher erläutert ; zur Vereinfachung der Darstellung sind hier zur Erläuterung der Wirkungsweise nicht unbedingt erforderliche Details weggelassen-die Numerierung entspricht der in Fig. 2 vorgenommenen.
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Damit die Klima-Anlage in einem derartigen Fall schnellstens eine Kühlwirkung zeigt, sind die Ventile-29 und 30-- geschlossen und es ist lediglich der kleinere Speicherteil -26-- in den Kreislauf des Wärmetransportmediums über den Wärmetauscher --4-- eingeschaltet. Die tatsächlich am Wärmetauscher --4-- zur Verfügung stehende Kälteleistung wird in beschriebener Weise über das Mischventil --20-- gesteuert.
Bei dem in Fig. 6 dargestellten Betriebsfall ist auch der grössere Speicherteil --27-- bereits auf einer Temperatur zwischen t min und t erwärmt. Es sind nun die Ventile-28 und 30-- ge- mon maux schlossen und der Kreislauf des Wärmetransportmediums schliesst sowohl den kleineren Speicherteil - als auch den grösseren Speicherteil-27-ein, was die zur Verfügung stehende Kälteleistung erhöht. Wird in diesem Betriebszustand nur ein geringer oder überhaupt kein Kühlbedarf erforderlich, so arbeitet die hier nicht dargestellte Kältemaschine so lange weiter, bis in beiden Speicher- teilen-26, 27-die untere Grenztemperatur t min erreicht ist und der Kompressor abschaltet.
Durch entsprechend grosse Ausbildung der Speicherteile --26, 27-- hinsichtlich ihrer Speicherkapazität kann eine Speicherwirkung erzielt werden, welche ohne weiteres bis zu einer Stunde der maximal erforderlichen Kühlleistung erreicht.
In Fig. 7 ist der Betriebszustand dargestellt, in welchem vom zu klimatisierenden Raum überhaupt keine Kühlung gefordert wird, wo jedoch der grössere Speicherbehälter --27-- noch nicht
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Zirkulation des Wärmetransportmediums zwischen Eingang und Ausgang des Wärmetauschers. Die Ventile --30 und 29-- sind geöffnet, was zu einem über die Pumpe --23-- geförderten Kreislauf über die beiden Speicherteile --26, 27-- führt, der solange weitergeht, bis über die entweder in
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beiden Speicherteilen oder-wie in Fig. 2 dargestellt-nur in einem der Speicherteile vorgesehene Kühlschlange die erforderliche Abkühlung des Wärmetransportmediums erreicht ist.
Eine derartige Einrichtung mit zumindest zwei hinsichtlich ihrer Speicherkapazität unterschiedlich grossen Teilen des thermischen Speichers hat den Vorteil, dass in Zeiten, in denen keine Maximalkühlung erforderlich ist, die überschüssige Leistung der Kältemaschine gespeichert und bei extremem Kühlbedarf dem Aggregat entsprechend zugepuffert werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit, mit Kompressoren kleinerer Leistung auszukommen, was den Gesamtleistungsbedarf der Klima-Anlage sehr günstig beeinflusst.
Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung entspricht hinsichtlich des Kühlteiles völlig der in Fig. 1 dargestellten Ausführung. Zusätzlich ist hier noch ein weiterer thermischer Speicher --31-- vorgesehen, welcher über einen elektrisch beheizten Wärmetauscher -5'-- auf einer durch Thermostate --16'', 17''-begrenzten Temperatur gehalten wird. Ober steuerbare Ventile --32, 33-- ist hier die Möglichkeit gegeben, wahlweise den für die Kühlung dienenden thermischen Speicher --14-oder den für die Heizung verwendeten thermischen Speicher --31-- in den Kreislauf des Wärmetransportmediums zum Wärmetauscher --4-- einzuschalten, womit der Wärmetauscher --4-- eine zweifache Funktion erfüllt.
Die übrigen der dargestellten Elemente sowie auch die Regelung über das Mischventil -20-- sind bereits zu den vorigen Ausführungsformen ausführlich besprochen worden.
Zu erwähnen wäre hier noch, dass durch die thermische Speicherwirkung des Speichers - der Vorteil auftritt, dass bei kurzzeitigem Ausfall der elektrischen Heizung für den Wärmetauscher-5'--wie er beispielsweise beim Lokwechsel eintritt-der Heizbetrieb mit einer derartigen Anordnung ungestört aufrecht gehalten werden kann.
In Fig. 4 ist das Mischventil --20-- in einer möglichen Ausführungsform näher dargestellt.
Eingangsseitig ist über eine Leitung --21-- der hier nicht dargestellte thermische Speicher und über eine Leitung --22-- der ebenfalls nicht dargestellte Ausgang des im Strom der zu klimatisierenden Luft angeordneten Wärmetauschers angeschlossen. Die Ausgangsleitung --34-- führt zum Eingang des Wärmetauschers.
Ober einen Steuerschieber-35-, der von einem Stellmotor -36-- betätigbar ist, werden die Mischungsverhältnisse der in den Leitungen-21, 22-fliessenden Wärmetransportmedium entsprechend eines über die Regelung --24-- gelieferten Sollwertes eingestellt, wobei die Durchflussrate in der Ausgangsleitung -34-- konstant bleibt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Klima-Aggregat, insbesondere für ein Eisenbahnfahrzeug, bei dem im Strom der einem Raum zur Klimatisierung zuführbaren Luft zumindest ein Wärmetauscher angeordnet ist und das eine Kältemaschine sowie eine Heizeinrichtung aufweist, welche beide mit konstanter Leistung arbeiten, abhängig von der gewünschten Temperatur der zugeführten Luft und thermostatgesteuert ein-bzw. ausschaltbar sind und mit dem Wärmetauscher bzw.
den Wärmetauschern zusammenarbeiten, dadurch gekennzeichnet, dass im thermischen Kreislauf zwischen Heizeinrichtung (5') und/oder Kältemaschine (7) einerseits und dem zugehörigen Wärmetauscher (4) anderseits in an sich bekannter Weise ein zusätzlicher Primär-Wärmetauscher eingeschaltet ist und dass dieser Primär-Wärmetauscher als thermischer Speicher (14,31) ausgebildet ist, dessen Speichertemperatur als Steuergrösse für die Ein- bzw. Ausschaltung der Kältemaschine (7) bzw. Heizeinrichtung (5') dient.