CH620284A5 - Method of heating a building and for water heating - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beheizen eines Gebäudes und zur Warmwasserbereitung.
;o Üblicherweise werden Heizungsanlagen mittels fossiler Energie, also Öl, Kohle oder Gas betrieben. Die Energiekosten hierfür sind gross, d.h. die Wirtschaftlichkeit ist schlecht. Es ist auch bekannt, Heizungsanlagen mit Wärmepumpen zu betreiben, jedoch reicht deren Wärmebereitstellung bei sehr niedri-■!* gen Temperaturen nicht aus, so dass zusätzlich eine konventionelle Heizanlage notwendig ist. Auch hierdurch ergibt sich noch keine optimale wirtschaftliche und energiegünstige Wärmeversorgung.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der ein-!» gangs erwähnten Art zu schaffen, wodurch es möglich wird, eine - Heizungsanlage ausserordentlich wirtschaftlich zu betreiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass als Energiequellen die Sonnenenergie über einen Sonnenkollektor, die Umgebungswärme über einen Luft-Wärmetauscher und Î? fossile Energie über eine Zusatzheizung ausgenützt werden, und dass diese Energiequellen einzeln oder in Kombination, je nach Menge der anfallenden Energie, die Wärmeversorgung übernehmen, wobei auch ein Wärmespeicher und eine Wärmepumpe in den Heizprozess eingeschaltet sind.
4» Auf diese Weise ist es möglich, vor allem die kostenlos vorhandenen Energiearten mit vertretbarem Geräteaufwand primär auszunützen und somit kostengünstig die notwendige Wärme zu liefern.
Besonders vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung 45 ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung wiedergegeben. Diese zeigt in
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Gebäude mit Heizungsanlage;
?» Fig. 2 eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach der Fig. 1;
Fig. 3 eine andere Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ;
Fig. 4 eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels ss nach Fig. 1 ;
Fig. 5 bis 7 einen in der Heizungsanlage vorgesehenen Wärmespeicher.
Auf dem Dach 10 des Gebäudes 11 ist ein üblicher Sonnen-M kollektor 12 angeordnet, während unter dem Dach im Dachboden ein Luft-Wärmetauscher 13 vorgesehen ist. Im Keller 14 befinden sich ein Flüssigkeits-Wärmespeicher 15, eine Wärmepumpe 16 bekannter Bauart, eine mit fossilen Brennstoffen betriebene Zusatzheizung 17 sowie ein Warmwasserboiler 18. 65 Im Gebäude selbst sind noch ein Radiator 19 und eine Dusche 20 zu erkennen. Sämtliche Geräte sind durch Wasserleitungen miteinander verbunden. So führt vom oberen Teil des Sonnenkollektors eine Leitung 21 über ein Ventil 22 zu einem Ventil
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23 im Keller 14. Vom Ventil 23 führt ein Leitungszweig 24 zu einem Ventil 25, von dem eine Leitung 26 zur Wärmepumpe 16 führt. Von der Wärmepumpe führt eine Leitung 27 zu einem Ventil 28, von diesem zum Ventil 25. Vom Ventil 28 führt eine Leitung 29 unmittelbar zu einem Ventil 30. In der Leitung 29 ist ? ein Ventil 31 angeordnet. Dieses wird umgangen von einer von der Leitung 29 ausgehenden Umgehungsleitung 32, welche durch die Zusatzheizung 17 führt und wieder in die Leitung 29 mündet. Vom Ventil 30 führt eine Leitung 33 zum oberen Teil des Radiators 19, während von dessem unteren Teil eine Lei- m tung 34 zum Wärmespeicher 15 führt. Sie ist dort an einen Wärmetauscher 35 angeschlossen, von dessen oberem Teil eine Leitung zum Ventil 23 führt. Im Wärmespeicher 15 ist ein zweiter Wärmetauscher 37 angeordnet, von dessen unterem Teil eine Leitung 38 zu einer Leitung 39 führt, während von i * seinem oberen Teil eine Leitung 40 zur Leitung 21 führt. In der Leitung 40 ist ein Ventil 41 angeordnet. Die Leitung 39 führt von der Leitung 34 zum unteren Teil des Sonnenkollektors 12.
Vom Ventil 22 geht eine Leitung 42 aus, welche durch den Luft-Wärmetauscher 13 führt, diesen durchdringt und dann in die Leitung 39 mündet. In der Leitung 21 ist kurz hinter dem Ventil 23 in ihrem im Keller liegenden Teil ein Ventil 43 angeordnet. Von der Leitung 34 verläuft eine Leitung 45 zum unteren Teil des Verdampfers 16' der Wärmepumpe, während vom unteren Teil des Kondensators 16" der Wärmepumpe eine -5 Leitung 46 ebenfalls zur Leitung 34 verläuft. Zwischen den Mündungsstellen der Leitungen 45, 46 in die Leitung 34 ist ein Ventil 47 angeordnet. Vom Ventil 30 führt eine Heizleistung 48 durch den Warmwasserboiler 18 und mündet in die Leitung 34. In den unteren Teil des Boilers 18 führt eine Kaltwasserleitung 50, während vom oberen Teil des Boilers eine Leitung 51 zur Dusche 20 führt. In den Leitungen sind noch diverse Pumpen angeordnet, die aber nicht weiter bezeichnet sind, da nicht erfindungswesentlich.
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Die oben beschriebenen Wasserleitungen sind mit einer Frostschutzmittel-Wasserlösung gefüllt. Die beschriebenen und dargestellten Ventile sind zweckmässigerweise Magnetventile, die von einem Regelgerät her elektrisch angesteuert werden.
Der Heizbetrieb wird immer mit der jeweils günstigsten, d.h. billigsten Wärmeenergie durchgeführt. Sonnenenergie wird also über den Sonnenkollektor 12 so weit möglich zur Heizung benutzt bzw. über den Wärmetauscher 37 in den Wärmespeicher 15 eingespeist. Durch das Sonnenlicht wird im Kollektor das in der Leitung 39 im Pumpbetrieb aufsteigende kühle Wasser erhitzt und über die Leitung 21 sowie die Leitung 40 und das geöffnete Ventil 41 in den Wärmespeicher geleitet. Warmes bzw. heisses Wasser aus der Leitung 21 gelangt bei Benutzung des Kollektors für die Direktheizung über die Ventile 22, 23 und den Leitungszweig 24 sowie das Ventil 25, die Leitung 27 und die Ventile 28 und 31 in die Leitung 29 und von dort über das Ventil 30 zum Radiator 19. Von dort strömt es abgekühlt über die Leitung 34, das Ventil 47 und die Leitung 39 wieder zurück zum Kollektor. Wahlweise gelangt warmes Wasser vom Ventil 30 noch in den Warmwasserboiler 18 und heizt diesen auf. Daraus ist also zu erkennen, dass durch entsprechende Ventilstellungen der Radiator 19 oder die Warmwasseranlage versorgt werden und ausserdem der Wärmespeicher 15,
falls noch überschüssige Wärme zur Verfügung steht. Ist das nicht der Fall, so wird das Ventil 41 geschlossen.
Ist die Sonneneinstrahlung zu gering, der Wärmespeicher 15 jedoch auf einem ausreichenden Temperaturniveau, so können die Raumheizung oder der Warmwasserboiler 18 durch enstpre-chendes Einstellen der Ventile direkt mit Wärme aus dem Wärmespeicher 15 versorgt werden.
Bei Kollektor- bzw. Wärmespeichertemperaturen, die für eine zuletzt beschriebene Direktheizung nicht mehr ausreichen, wird die Wärmepumpe 16 eingeschaltet, wobei wieder alternativ der Boiler Î 8 oder der Radiator 19 mit Wärme versorgt werden. Der Wärmespeicher 15 wird als Wärmequelle für die Wärmepumpe 16 herangezogen, wenn seine Temperatur höher als die der Aussenluft ist. Wasser aus dem Wärmespeicher fliesst dann über die Leitungen 36, 26 zur Wärmepumpe 16 und wird vom Verdampfer 16' abgekühlt. Das über die Wärmepumpe aufgeheizte Wasser fliesst von deren Kondensator 16" über die Leitungen 27, 29 zum Radiator bzw. zum Warmwasserboiler, je nach Stellung der Ventile. Während des Wärmepumpenheizbe-triebs besteht die Möglichkeit, je nach Temperaturverhältnissen am Kollektor 12 und Wärmespeicher 15 Kollektorwärme in letzteren einzuspeisen.
Ist beim Betrieb mit Wärmepumpe die Temperatur der Aussenluft höher als die des Wärmespeichers 15, so wird der Luft-Wärmetauscher 13 in Betrieb genommen. Das aus dem Tauscher 13 austretende Wasser fliesst dann von der Leitung 42 zur Wärmepumpe, die dann die Wärmeversorgung übernimmt. Der Wärmespeicher 15 kann bei diesen Temperaturverhältnissen unabhängig davon, ob die Wärmepumpe eingeschaltet ist oder nicht, gegebenenfalls noch aufgeladen werden.
Die Zusatzheizung 17 wird hinzugeschaltet, wenn die Heizleistung der Wärmepumpe nicht ausreicht, den vollen Wärmebedarf zu decken.
Verlangt das Elektrizitätsversorgungsunternehmen über Rundsteuerbefehl eine Abschaltung der Wärmepumpe oder wird bei extrem niedrigen Aussentemperaturen und vollständig vereistem Wärmespeicher ein Wärmepumpenbetrieb unwirtschaftlich, so ist die Deckung des Wärmebedarfs ausschliesslich durch die Zusatzheizung 17 vorgesehen. Eine Aufladung des Wärmespeichers durch den Sonnenkollektor oder Luft-Wärme-tauscher 13 ist gegebenenfalls möglich.
Bei Vereisung des Luft-Wärmetauschers 13 ist eine Abtauphase vorgesehen, bei der warmes Wasser aus dem Heizungssystem direkt durch den Luft-Wärmetauscher gepumpt wird. Die Zusatzheizung kann dabei eventuelle Temperatursenkungen im Heizungskreis ausgleichen.
In der vorgeschlagenen Anlage zirkuliert Frostschutzmittellösung durch den gesamten Kreislauf einschliesslich der Radiatoren. Wird als Speichermedium des Wärmespeichers 15 nicht auch dieselbe Frostschutzmittellösung verwendet, so sind die beiden dargestellten Wärmetauscher 35, 37 erforderlich, sonst nicht.
Das Ausführungsbeispiel nach der Figur 2 unterscheidet sich vom zuvor beschriebenen dadurch, dass zwischen Kollektorkreislauf und Heizungskreislauf ein zusätzlicher Wärmetauscher 52 vorgesehen ist. Das hat den Vorteil, dass nur der Kollektorkreislauf mit Frostschutzmittellösung gefüllt sein muss, während der Heizungskreislauf normales Wasser enthalten kann. Der Wärmetauscher 16' der Wärmepumpe 16 ist nun über eine Leitung 45' und eine Leitung 26' an die eine Rohrschlange 52' des Wärmetauschers 52 angeschlossen, während der andere Wärmetauscher 16" der Wärmepumpe 16 über eine Leitung 27' und eine Leitung 46' an die andere Rohrschlange 52" des Wärmetauschers 52 angeschlossen ist.
Mit dem Ausführungsbeispiel nach der Figur 3 ist ein gleichzeitiger Betrieb von Direktheizung (Wärmequelle sind Sonnenkollektor oder Wärmespeicher) und Wärmepumpe (Wärmequellen sind der Wärmespeicher oder der Luft-Wärmetauscher) möglich. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von demjenigen nach der Fig. 1 dadurch, dass die Wasserleitungen des Luft-Wärmetauschers 13 nicht an diejenigen des Sonnenkollektors 12 angeschlossen sind. Gleiche Teile wie im Ausführungsbeispiel nach der Figur 1 sind mit denselben Ziffern bezeichnet. Vom Sonnenkollektor 12 verläuft eine Leitung 53 zum Kondensator 16" der Wärmepumpe 16 und mündet in eine Leitung 53', die zum Warmwasserboiler 18 führt, oder in eine Leitung 54, die zum Radiator 19 führt. Eine weitere Leitung 55
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führt vom unteren Teil des Sonnenkollektors ebenfalls zum Radiator, wobei die Leitung 53' ebenfalls an die Leitung 55 angeschlossen ist.
Vom Wärmetauscher 13 führt eine Leitung 56 zum Wärmespeicher 15, während ein Leitungszweig 55' zum Verdampfer 16' der Wärmepumpe 16 führt. Weiterhin führt vom Luft-Wärmetauscher 13 eine Leitung 57 zu einer Leitung 58, die ebenfalls einerseits mit dem Wärmespeicher 15 in Verbindung steht, andererseits dem Verdampfer 16' der Wärmepumpe.
Mit dieser Ausführungsform wird erreicht, dass die Direktheizung einen möglichst grossen Teil der Wärmegrundlast deckt und die Wärmepumpe also nur noch die zusätzlich erforderliche Wärme liefert. Damit ergibt sich gewissermassen ein Parallelbetrieb von Direktheizung und Wärmepumpe. Auf diese Weise verbraucht die Wärmepumpe weniger elektrische Antriebsenergie als beim Ausführungsbeispiel nach der Figur 1.
Durch die getrennten Leitungssysteme von Sonnenkollekotr und Luft-Wärmetauscher ist ein gleichzeitiger Betrieb von Direktheizung und Wärmepumpe möglich. Die Wärmequelle für die Direktheizung kann sein: der Sonnenkollektor und für die Direktheizung kann sein: der Sonnenkollktor und der Wärmespeicher, während die Wärmequelle für die Wärmepumpe der Wärmespeicher ist oder der Luft-Wärmetauscher. Es ergeben sich folgende Kombinationsmöglichkeiten: Direktheizung mit Sonnenkollektor; Wärmepumpenbetrieb mit Wärmespeicher als Wärmequelle; Sonnenkollektor-Direktheizung und Wärmepumpenbetrieb mit Luft als Wärmequelle; Wärmespeicher Direktheizung und Wärmepumpenbetrieb mit Wärmequelle Luft.
Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 4 besitzt im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 3 wiederum einen zusätzlichen Wärmetauscher 52. Damit wird dasselbe erreicht wie beim Ausführungsbeispiel nach der Fig. 2, nämlich den Heizungskreislauf mit normalem Wasser zu füllen, den Kollektorkreislauf mit Frostschutzmittellösung.
Die Ausführungsbeispiele nach den Figuren 5 bis 7 zeigen den als Latentwärmespeicher ausgebildeten Wärmespeicher 15. Er besteht aus einem offenen oder geschlossenen Gefäss 60, das mit einem Wärmeträgermedium 61, vorzugsweise Wasser- oder Frostschutzmittellösung, gefüllt ist. Das Medium fliesst über ein Eingangsrohr 62 zu einer doppelwandigen Platte 63, die eine grössere Anzahl von Löchern 64 besitzt, dann in das Innere des Gefässes und durch dieses hindurch zu einer zweiten doppelwandigen Platte 65 mit Löchern 66 und verlässt diese Platte über ein Abflussrohr 67. Auf diese Weise fliesst das Medium gleichmässig verteilt durch das Gefäss hindurch. Dabei ist darauf zu achten, dass die natürliche Wärmeschichtung in der Flüssigkeit (unterer Teil kälter, oberer Teil wärmer) nicht gestört wird.
Das Speichermedium 68 - vorzugsweise Salzhydrate oder Wasser - wird in vielem kleine verschweisste Folienschläuche 69 oder andere dehnungsfähige Behälter abgefüllt und in das
Wärmeträgermedium 61 hineingehängt, oder es schwimmt aufgrund des Dichteunterschieds selbst oder kann durch einen am Boden befestigten Faden 70 in Position gehalten werden. Als Wärmeträgermedium kann Wasser oder eine Frostschutzmittel-s lösung dienen, in den Beuteln kann sich dann auch Wasser bzw. Eis befinden.
Normales bzw. leicht verschmutztes Wasser als Speichermedium neigt bei Erstarren nicht zu Unterkühlung. Anders bei den Salzhydraten (Natriumazetat, Natriumthiosulfat oder andere). Hierzu müssen im geschlossenen Gefäss Impfkristalle vorhanden sein, damit der Kristallisationsprozess bei der Umwandlungstemperatur eingeleitet wird. Das Salzhydrat 68' (siehe Fig. 7) wird daher in einen Plastikbeutel 69' oder ähnliches gefüllt, an dem sich an einer Seite ein dünner, schlauchartiger Fortsatz 71 befindet, der mit kristallisierter Speichermasse 68' gefüllt ist. Die Beutel mit dem Schlauchfortsatz können zum Beispiel durch Folienschweissen leicht erzeugt werden. Die Beutel werden so angebracht, dass sich die Enden 73 der Schlauchfortsätze ständig in einer Umgebung befinden, die kälter als die Umwandlungstemperatur der Speichermasse ist. Das Speichermedium im Beutel kann dann durch Aufschmelzen geladen werden, ohne dass sich die kristallisierte Substanz im Schlauchfortsatz verändert. Bei der Entladung bzw. Abkühlung des Beutels wirkt der kristallisierte Rest der Substanz im Schlauch-fortsatz als Impfkristall.
Die Beutel oder Gefässe werden entsprechend Fig. 6 in den Speicherbehälter hineingehängt. Die Schlauchfortsätze 71 führen alle durch eine im Gefäss zusätzlich angeordnete Wärmeisolationsschicht 72 des Gefässes 60' hindurch und befinden sich 1,1 zum Beispiel auf Zimmertemperatur. Die Beutel 68 sollten so in das Gefäss hineingehängt werden, dass sich der Schlauchfortsatz beim Entladen des Gefässes auf der jeweils kälteren Seite befindet.
Der Wärmespeicher wird geladen, indem man durch das 15 Rohr 62 erwärmtes Wärmeträgermedium zuführt und durch das Rohr 67 das abgekühlte abführt. Das Gefäss wird entladen, wenn man durch das Rohr 67 kaltes Wärmeträgermedium zuführt und das erwärmte am Rohr 62 abführt.
Da die Speichersubstanzen von Latentwärmespeichern im 4,1 kristallisierten Zustand nur eine geringe Wärmeleitfähigkeit besitzen, sind insbesondere für den Entladezyklus relativ grosse Wärmetauscherflächen erforderlich. Bei üblichen Wärmetauschern aus Metall wird dadurch das Gewichts- sowie das Volumenverhältnis von Wärmetauscher zu Speichermasse relativ 45 ungünstig. Beim vorgeschlagenen Wärmespeicher wirkt die gesamte umspülte Oberfläche der Plastikbeutel oder Schläuche als wirksame Wärmetauscherfläche. Die Wärmetauscherkosten reduzieren sich. Korrosionsprobleme treten, insbesondere bei den aggresiven Salzhydraten, nicht auf. Die Volumenänderung 50 bei der Erstarrung kann durch die Beweglichkeit der Beutel untereinander leicht ausgeglichen werden, ohne dass es zu einem Bersten der Tanks kommt.
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5 Blatt Zeichnungen
Claims (15)
1. Verfahren zum Beheizen eines Gebäudes und zur Warmwasserbereitung, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiequellen die Sonnenenergie über einen Sonnenkollektor ( 12), die Umgebungswärme über einen Luft-Wärmetauscher (13) und fossile Energie über eine Zusatzheizung (17) ausgenützt werden, und dass diese Energiequellen einzeln oder in Kombination, je nach Menge der anfallenden Energie, die Wärmeversorgung übernehmen, wobei auch ein Wärmespeicher (15) und eine Wärmepumpe (16) in den Heizprozess eingeschaltet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sonnenkollektor (12) derart vorrangig gegenüber den beiden anderen Energiequellen (13, 17) geschaltet wird, dass er bei ausreichender Sonneneinstrahlung unmittelbar die Warmwasserbereitung oder die Beheizung besorgt und bei Energieüberangebot zusätzlich den Wärmespeicher (15) auflädt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der durch den Sonnenkollektor aufgeheizte Wärmespeicher (15) die gesamte Wärmeversorgung übernimmt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (16) vom Wärmespeicher (15) mit Wärme beliefert wird, wenn dessen Temperatur höher ist als die Temperatur der Aussenluft, und wenn eine unmittelbare Wärmeversorgung durch den Sonnenkollektor oder den Speicher nicht mehr möglich ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe über den Luft-Wärme-tauscher (13) der Aussenluft Wärme entzieht und auf diese Weise die Wärmeversorgung übernimmt, wenn die Temperatur der Aussenluft höher ist als die des Wärmespeichers, und Direktheizung mit Kollektor oder Speicher ausscheidet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeversorgung von der Zusatzheizung (17) übernommen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzheizung nur dann zugeschaltet wird, wenn die Heizleistung der Wärmepumpe nicht ausreicht, um den vollen Wärmebedarf zu decken.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während des Betriebs mit der Wärmepumpe und/oder der Zusatzheizung der Wärmespeicher (15) bei Sonneneinstrahlung vom Sonnenkollektor (12) beheizt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vereisung des Luft-Wärmetauschers (13) warmes Wasser aus dem Heizungssystem durch den Wärmetauscher gepumpt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Direktheizung und eine Wärmepumpenheizung gleichzeitig erfolgen, wobei für die Direktheizung der Sonnenkollektor oder der Wärmespeicher als Wärmequelle dienen und für die Wärmepumpe der Wärmespeicher und der Luft-Wärmetauscher die Wärmequellen bilden.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmespeicher (15) ein Latentwärmespeicher, insbesondere ein Eisspeicher oder ein Salzhydratspeicher, verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmespeicher ein offenes oder geschlossenes Gefäss
(60) verwendet wird, durch welches ein Wärmeträgermedium
(61), insbesondere Wasser oder Frostschutzmittellösung, über in doppelwandigen Platten (63, 65) ausgebildete Löcher (64, 66) hindurchgeführt wird, und dass das Speichermedium (68), insbesondere Salzhydrat oder Wasser, in einer grösseren Anzahl geschlossener, beutelartiger Behälter (69) im Wärmeträgermedium angeordnet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als beutelartige Behälter (69) verschweisste Folienschläuche oder andere dehnungsfähige Behälter verwendet, in das Wärmeträgermedium (61 ) hineingehängt und durch am Boden s des Gefässes befestigte Fäden in Position gehalten werden.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass Folienbeutel mit einem dünnen, schlauchartigen Fortsatz (71) verwendet werden, der mit demselben kristallisierten Speichermedium, z.B. Salzhydrat, gefüllt ist, wie der Beutel.
m
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienbeutel derart in das Gefäss (60) hineingehängt werden, dass sich die schlauchartigen Fortsätze (71 ) ständig in einer Umgebung befinden, die kälter als die Umwandlungstemperatur des Speichermediums ist.
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