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Die
Erfindung betrifft eine Solaranlage zur Warmwasseraufbereitung mittels
eines Solarkollektors gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Bei
steigenden Energiepreisen sind regenerative Energiequellen zur Warmwasseraufbereitung sehr
gefragt. Thermische Solaranlangen sind kostenintensiv, die Amortisationszeiten
dementsprechend hoch.
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Ein
spezieller Solarspeicher ist in einer klassischen Solaranlage zur
Warmwasseraufbereitung nötig.
In solch einem Speicher sind zwei Heizspiralen vorhanden. In der
ersten Heizspirale zirkuliert warmes Wasser, das aus einer Heiztherme
gewonnen wird. In der Zweiten Heizspirale zirkuliert ein spezielles
Glykolfluid, das durch einen Solarkollektor erwärmt wird. Die Verwendung von
einem Glykolfluid als Zirkulationsmedium innerhalb des Solarkollektors ist
nötig,
um im Winter Frostschäden
an der Anlage zu vermeiden.
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Die
für den
Betrieb mit zwei unterschiedlichen Zirkulationsmedien geeigneten
Speicher benötigen
zwei Wärmetauscher
oder zumindest einen Wärmetauscher
und eine elektrische Heizspirale. Zudem werden diese aufwändig in
kleinen oder mittleren Chargen gefertigt. Bei kleineren Anlagen
entfallen durch die aufwendige Konstruktion bis zu 50% der Anschaffungskosten
der gesamten Solaranlage auf den Speicher.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, diese und weitere Nachteile des Standes der
Technik zu vermeiden und eine Solaranlage zur Warmwassererzeugung mittels
eines Solarkollektors und einem Speicher bereitzustellen, die auf
die Verwendung eines speziellen ausgebildeten Solarspeichers verzichtet
und im Winterbetrieb befüllt
und betrieben werden kann.
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Hauptmerkmale
der Erfindung sind im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegeben.
Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 10.
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Bei
einer Solaranlage zur Warmwasseraufbereitung mit mindestens einem
Solarkollektor, der über
einen Vorlauf und einen Rücklauf
mit einem Speicher verbunden ist, und wobei der Rücklauf an eine
Speiseleitung einer Wasserversorgung anschließbar ist, und wobei eine Zirkulationspumpe
im Rücklauf
angeordnet ist, sieht die Erfindung vor, dass der Solarkollektor
direkt mit Wasser aus der Wasserversorgung durchströmbar ist.
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Auf
ein separates Medium zum Durchfluss durch den Solarkollektor kann
verzichtet werden. Vielmehr fließt das Trinkwasser direkt durch
den Solarkollektor.
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Vom
Solarkollektor erwärmtes
Wasser gelangt mittels Zirkulationspumpe über den Vorlauf in den Warmwasserspeicher
und strömt
dort in den unteren Speicherbereich. Im Warmwasserspeicher schichtet
sich das durch die Solaranlage erwärmte Wasser in der entsprechenden
Höhe ein. Über den Rücklauf fließt abgekühltes Wasser
aus dem Warmwasserspeicher zurück
zum Solarkollektor. Die sich je nach Wassertemperatur einstellende
Schichtung gewährleistet,
dass stets nur das kühlste
Wasser dem Speicher entnommen und zum Solarkollektor geführt wird.
Dadurch wird ein maximaler Anlagenwirkungsgrad erreicht. Die Zirkulationspumpe
ist erfindungsgemäß im Rücklauf angeordnet.
Dampfblasen, die durch Überhitzung
des Solarkollektors entstehen können,
werden somit von der Zirkulationspumpe ferngehalten. Von besonderer
Bedeutung ist zudem, dass beim Zapfen von Warmwasser der Solarkollektor
mit Trinkwasser direkt durchströmt
wird. So werden auch Entlüftungs-
und Dampfbildungsprobleme vermieden.
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Um
eine Überhitzung
zu vermeiden, wird die Zirkulationspumpe, sobald der Warmwasserspeicher eine
Maximaltemperatur erreicht, abgeschaltet. Verbrühungen können dadurch ausgeschlossen
werden. Dadurch, dass der Solarkollektor einfach mit Wasser und
nicht mit einem Glykolfluid durchströmt wird, kann bei nicht in
Betrieb befindlicher Zirkulationspumpe, der im Solarkollektor entstehende
Dampf, das Wasser aus dem Kollektor schieben. Ein weiterer Druckanstieg
im System und damit Schäden
werden vermieden, da im Kollektor nur noch überhitzter Dampf verbleibt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung sieht die Erfindung zudem vor,
dass Vorlauf und Rücklauf über einen
gemeinsamen Anschluss am Speicher angeschlossen sind. So können auch
handelsübliche Warmwasserspeicher,
insbesondere Elektro-Boiler, die sehr spartanisch mit Anschlüssen versehen
sind, für
eine Solaranlage verwendet werden.
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Warmwasserspeicher,
insbesondere Elektroboiler, werden im Gegensatz zu speziellen Solarspeichern,
wesentlich preiswerter hergestellt, da es sich um einen Massenmarkt
handelt. Warmwasserspeicher werden in Großserien vollautomatisiert gefertigt
und sind dadurch sehr preiswert. In vielen Mittelmeerländern sind
diese Boiler beispielsweise typische Warmwasserbereiter und dadurch
häufig
in vielen Haushalten bereits vorhanden.
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Der
gemeinsame Anschluss ist in der Regel am Kaltwasserzulauf des Elektroboilers
angeordnet und ermöglicht
die Verwendung eines handelsüblichen
Warmwasserspeichers mit einer Solaranlage. Eine Warmwasseraufbereitung
mittels Solarkollektor ist somit einfach, schnell und unkompliziert
umzusetzen.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass
der gemeinsame Anschluss aus einem Außenrohr und einem fluiddichten Innenrohr
gebildet ist. Das mit kleinerem Durchmesser ausgestaltete Innenrohr
ist dabei im Außenrohr geführt. Der
zwischen Innenrohr und Außenrohr
verbleibende Zwischenraum dient als Rücklaufquerschnitt, während der
Durchmesser des Innenrohrs den Vorlaufquerschnitt festlegt. Dadurch
können
die Durchflussmengen des Vor- und Rücklaufs optimal aufeinander
abgestimmt werden.
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Vorzugsweise überragt
das das Innenrohr das Außenrohr
innerhalb des Speichers, da dadurch die Einschichtung des Wassers
entsprechend dem Temperaturgradienten noch beschleunigt wird. Das wärmere Wasser
aus dem Vorlauf wird somit über den
Bereich mit der niedrigsten Wassertemperatur im Speicher geführt. Dadurch
wird sichergestellt, dass nur das Wasser mit der niedrigsten Temperatur
durch den Rücklauf
erneut zum Solarkollektor geführt
wird.
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Vorteilhafterweise
sind Außenrohr
und Innenrohr als Koaxialrohr ausgebildet. Der gemeinsame Anschluss
für Vor-
und Rücklauf
kann dann mittels einfacher Schraubverbindung des Außenrohrs auf
den genormten und bereits vorhandenen Kaltwasseranschluss des Warmwasserspeichers
aufgeschraubt werden.
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Erfindungsgemäß ist an
dem gemeinsamen Anschluss, besonders bevorzugt am Außenrohr,
ein Temperaturfühler
angebracht. Der Temperaturfühler misst
durch seine Anordnung am Außenrohr
nahezu direkt die Temperatur des Wassers im unteren Speicherbereich.
Für noch
genauere Messergebnisse können
besonders wärmeleitfähige Materialien
für den
Teil des Außenrohrs
verwendet werden, auf dem der Temperaturfühler nachträglich montiert ist. Durch die
Anordnung des Temperaturfühlers
für die
Ermittlung der Speicherwassertemperatur am Außenrohr kann auf eine komplizierte
und teure Nachrüstung des
Speichers mit einem Innentemperaturfühler verzichtet werden.
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An
dem Solarkollektor ist bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung
ein weiterer Temperaturfühler
angebracht. Dieser misst ständig
die Temperatur innerhalb des Solarkollektors.
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Die
Solaranlage weist zudem vorteilhafterweise eine Regeleinrichtung
auf. Diese empfängt
die von den Temperaturfühlern
gemessenen Temperaturen und regelt bei Bedarf die Pumpleistung bzw.
den Betriebszustand der Zirkulationspumpe.
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Sobald
das im Solarkollektor erwärmte
Wasser wärmer
ist als das im Warmwasserspeicher, startet die Zirkulationspumpe.
Das erwärmte
Wasser strömt über den
Vorlauf in den unteren Speicherbereich und schichtet sich in der
entsprechenden Höhe ein.
Abgekühltes
Wasser aus dem Warmwasserspeicher fließt gleichzeitig durch durch
den Rücklauf
in den Solarkreislauf zurück.
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Die
Regeleinrichtung verfügt
zudem über eine
spezielle Schaltung, die bereits bei geringem Temperaturanstieg
im Solarkollektor während
einem kurzen Zeitintervall die Zirkulationspumpe kurz einschaltet.
Dadurch wandert Wasser aus dem Warmwasserspeicher direkt zur Messstelle
des Temperaturfühlers
am Außenrohr.
Die Speicherinnentemperatur kann somit noch genauer ermittelt werden.
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Vorteilhafterweise
wird die Zirkulationspumpe ebenfalls betrieben, wenn die Kollektortemperatur unter
0°C absinkt.
Diese Frostschutzschaltung verhindert bei der erfindungsgemäßen Lösung Frostschäden. Das
direkt durch den Solarkollektor fließende Wasser kann somit nicht
gefrieren, da es direkt aus dem Warmwasserspeicher entnommen wird.
Die Regeleinrichtung ist dabei so geschaltet, dass nur die Wassermenge
gefördert
wird, die ein Einfrieren verhindert. Die Wärmeverluste sind dadurch recht
gering. In Gegenden mit wenig Frost kann so auf ein Entleeren des
Solarkollektors im Winter verzichtet werden. Alternativ könnte anstelle
eines normalen Solarkollektors auch ein Heat-Pipe-Solarkollektor verwendet
werden. In diesem Fall wird bei Frost lediglich ein im Solarkollektor
angeordnetes Wärmetauscherrohr
durchströmt,
das nur den direkten Bereich des Headers mit Wasser aus dem Speicher
erwärmt.
Die Wärmeverluste
durch die Frostschutzschaltung werden somit nahezu eliminiert.
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Der
Solarkollektor besitzt bevorzugt Füll- und Absperrventile. In
Gegenden mit höherer
Frostwahrscheinlichkeit und längeren
Niedrigtemperaturen kann der Kollektor dann einfach über die
Wasserleitung entleert werden. Für
das Wiederbefüllen
des Kollektors sind keine Förderpumpen
und Entlüftungsmaßnahmen
notwendig. Zudem bieten die Füll- und Absperrventile
den Vorteil, dass der Solarkollektor besonders leicht entkalkt werden
kann. Die Absperrventile trennen dann den Solarkollektor vom Wasserkreislauf. Über die
Füllventile
wird der Solarkollektor (nur ca. 1,5 Liter Füllvolumen) direkt mit dem Entkalkungsmittel
befüllt,
entleert und anschließend
mit Wasser gespült.
Während
konventionelle Solaranlagen mit Frostschutzflüssigkeit, z. B. bei Ferienhäusern außerhalb
der Saison, nicht entleert werden sollen (wegen Korrosion in den
Rohrleitungen), ist das bei dem hier beschriebenen wasserbetriebenen
System problemlos möglich.
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Im
Rücklauf
befindet sich vorteilhafterweise auch ein Rückfluss- und/oder Überströmventil.
Dieses Rückflussventil
verhindert beim Zapfen von Warmwasser, dass Wasser aus der Speiseleitung
der Trinkwasserversorgung direkt in den Warmwasserspeicher gelangt.
Nach oder während
der Entnahme von warmen Wasser über
eine Entnahmeleitung aus dem Warmwasserspeicher wird dieser befüllt, indem Wasser
aus der Trinkwasserspeiseleitung nur durch den Solarkollektor in
den Speicher geleitet wird. Das durch den warmen Solarkollektor
in den Speicher gelangte Wasser ist damit bereits vorgewärmt. Ferner wird
damit vermieden, dass im Kollektor abgeschiedene Luft, wie sie immer
bei einem Wasserumwälzbetrieb
auftritt, die Zirkulationspumpe außer Kraft setzt. Das durch
die Befüllung
des Speichers direkt durch den Kollektor mit hoher Strömungsgeschwindigkeit
fließende
Wasser verhindert eine Luftblasenbildung und damit eine Fehlfunktion
der Zirkulationspumpe, weil durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit und den
Strömungsdruck
Luft- oder auch Dampfblasen problemlos aus dem Solarkollektor geschoben
werden.
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Eine Überstromfunktion
des Ventils kann zudem Druckspitzen während des Füllvorgangs vermeiden, da es
bei Überschreiten
eines Grenzwerts öffnet
und so zusätzlich
Wasser aus der Speiseleitung über
den Rücklauf
in den Speicher gelangen kann.
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Das
Prinzip der Zwangsdurchströmung
des Solarkollektors beim Zapfen ist auch nach Anlagenstagnation
von Vorteil. Wenn nämlich
eine bestimmte Speichertemperatur z. B. 80°C überschritten ist, schaltet
die Solarregelung zur Temperaturbegrenzung des Speichers die Zirkulationspumpe
ab, der Kollektor heizt sich weiter auf, bis gegebenenfalls Dampfblasen
entstehen. Ein Wiedereinschalten der Pumpe erfolgt erst, wenn zum
einen die Speichertemperatur unter ca. 80°C und zum anderen die Kollektortemperatur
unter ca. 125°C
sinkt.
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Bei
nicht mit Speisewasser (Trinkwasser) direkt durchströmten Solaranlagen
würde in
jedem Fall ein Start der Umwälzpumpe
erst nach Abschwächen der
Solarstrahlung erfolgen.
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Hier
jedoch wird mit dem Zapfen nicht nur die Speicher- sondern auch
die Solarkollektortemperatur gesenkt, sodass Neustart der Solarkreispumpe
sofort möglich
ist und mehr Energie gewonnen wird.
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Weiterhin
stellt dieses Ventil sicher, dass bei entleerter Solaranlage, oder
wenn ein optionaler Absperrhahn im Kollektor geschlossen ist, der
Warmwasserspeicher direkt über
die Rücklaufleitung
befüllt
werden kann. Eine gewünschte
Bypass-Steuerung wird dadurch erzielt und der Speicher kann auch ohne
Solarkreislauf verwendet werden. Beispielsweise durch elektrische
Heizspiralen oder einen Wärmetauscher
im Winter.
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Wenn
sich in der Zulaufleitung ein Rückflussventil
befindet, ist zur Aufnahme des rückströmenden Wassers
aus dem Solarkollektor vor dem Rückfluss- ein
TW-Ausdehnungsgefäß angeordnet.
Bei Druckanstieg kann das durch den Dampf aus dem Solarkollektor
gedrückte
Wasser in dem Ausdehnungsgefäß aufgefangen
werden. Einmal im Speicher oder im Kollektor befindliches Wasser
gelangt damit nicht mehr zurück
in die Trinkwasserversorgung.
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Weitere
Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
dem Wortlaut der Ansprüche
sowie aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Zeichnungen.
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1 Ansicht
der Solaranlage
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2 Ansicht
Anschlussstück
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Die
in 1 allgemein mit 10 bezeichnete Solaranlage
zur Warmwassererzeugung besteht aus mindestens einem Solarkollektor 20 und
einem Speicher 30, der vorliegend ein handelsüblicher
Elektro-Warmwasserspeicher ist. Der Solarkollektor 20 besitzt
einen Rücklauf 22,
der an die Speiseleitung 40 einer Trinkwasserversorgung
angeschlossen ist. Im Bereich des Kollektorrücklaufs 22 ist eine
Zirkulationspumpe 24 angeordnet.
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Ein
gemeinsamer Anschluss 50 verbindet Vorlauf 23 und
Speicherrücklauf 27 mit
dem Speicher. Der Solarkollektor 20 ist dabei über den
Rücklauf 22, 27 und
den Vorlauf 23 mit dem Speicher 30 verbunden.
Solarkollektor 20, Zirkulationspumpe 24, Vorlauf 23 und
Rücklauf 22, 27 bilden
zusammen mit dem Speicher 30 einen Solarkreislauf.
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Der
Solarkollektor 20 verfügt über einen Temperaturfühler 26,
der über
eine Regeleinrichtung 25 mit der Zirkulationspumpe 24 und
einem, an dem speziellen Anschlussstück 50, angeordneten,
in 2 näher
beschriebenen, Temperaturfühler 54 an verbunden
ist.
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Wenn
das Wasser im Solarkollektor 20 wärmer als das Wasser im Speicher 30 ist,
startet die Zirkulationspumpe 24 und das erwärmte Wasser
strömt durch
den Vorlauf 23, über
den gemeinsamen Anschluss 50, in den unteren Speicherbereich.
Das im Speicher 30 abgekühlte Wasser fließt über den
gemeinsamen Anschluss 50 in den Speicherrücklauf 27 zurück in den
Solarkreislauf und damit zum Solarkollektor 20.
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Zwischen
Speiseleitung 40 und Speicherrücklauf 27 ist ein
Rückschlag-
und/oder ein Überstromventil 42 angeordnet.
Bei angeordnetem Rückschlagventil 42 ist
gegebenenfalls ein Ausdehnungsgefäß (hier nicht dargestellt)
vorgesehen.
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Der
Speicher 30 weist zwei Anschlüsse auf, einen Kaltwasser-Eingang 31 und
einen Warmwasser-Ausgang 32. Am Kaltwassereingang sind über den
gemeinsamen Anschluss Vorlauf 23 und Rücklauf 22, 27 des
Solarkreislaufs angeordnet, während am
Warmwasser-Ausgang eine Entnahmeleitung 60 anschließt. Das
Innenrohr 53 überragt
dabei das Außenrohr 52.
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In 2 ist
dargestellt, dass der gemeinsame Anschluss 50 aus einem
Koaxialrohr 51, mit vorzugsweise einem Durchmesser von
ca. 8 bis 10 mm, besteht. Letzteres wird aus einem Außenrohr 52 und einem
hermetisch fluiddicht angeordneten Innenrohr 53, das in
den Speicher 30 hineinragt, gebildet. Erkennbar ist zudem,
dass das Innenrohr 53 das Außenrohr 52 überragt.
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Das
Außenrohr 52 ist
mit einem Schraubanschluss 56 an den Kaltwasser-Eingang 31 des
Speichers 30 angeschlossen. Das Innenrohr 53 tritt
an einer Durchdringung 57 aus dem Außenrohr 52 aus diesem
heraus. Vorzugsweise ist das Innenrohr 53 an der Durchdringung 57 mit
dem Außenrohr 52 verschweißt. Alternativ
kann die Stelle der Durchdringung 57 aber auch mit Dichtungsmaterial
abgedichtet sein. Das Außenrohr 52 verfügt neben
dem Schraubanschluss 56 zum Anschluss an den Kaltwasser-Eingang 31 des
Speichers 30 auch über
einen weiteren Schraubanschluss 58 zur Verbindung mit dem
Speicherrücklauf 27.
Ebenfalls besitzt das Innenrohr 53 eine Schraubverbindung 59 zum
Anschluss an den Vorlauf 23.
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Die
Erfindung ist nicht auf eine der vorbeschriebenen Ausführungsformen
beschränkt,
sondern in vielfältiger
Weise abwandelbar. So kann die Verbindungsstelle 55 eine
Schraub- oder Muffenverbindung sein. Auch alle Schraubanschlüsse 56, 58, 59 können Muffenverbindungen
sein.
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Sämtliche
aus den Ansprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile,
einschließlich
konstruktiver Einzelheiten, räumlicher
Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als
auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Solaranlage
- 20
- Solarkollektor
- 22
- Kollektorrücklauf
- 23
- Vorlauf
- 24
- Zirkulationspumpe
- 25
- Regeleinrichtung
- 26
- Temperaturfühler
- 27
- Speicherrücklauf
- 30
- Speicher
- 31
- Kaltwasser-Eingang
- 32
- Warmwasser-Ausgang
- 40
- Speiseleitung
- 42
- Rückfluss-
und/oder Überstromventil
- 50
- gemeinsamer
Anschluss
- 51
- Koaxialrohr
- 52
- Außenrohr
- 53
- Innenrohr
- 54
- Temperaturfühler
- 55
- Verbindungsstelle
- 56
- Schraubanschluss
- 57
- Durchdringung
- 58
- Schraubverbindung
Rücklauf
- 59
- Schraubverbindung
Vorlauf
- 60
- Entnahmeleitung
