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Die
Erfindung betrifft eine Kälte-Wärme-Kopplungsanlage,
die zumindest einen mit einem Kälteaggregat gekoppelten
Kältespeicher sowie einen mit einem Wärmeerzeuger
gekoppelten Wärmespeicher umfasst.
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In
bau- und haustechnischen Großanlagen, von beispielsweise
Krankenhäusern, Universitäten, Sporthallen oder
Hotels, werden sowohl Kälteanlagen zum Zwecke der Klimatisierung,
insbesondere Kühlung der Raumluft oder zur Erzeugung von
Eis, als auch Wärmeerzeugeranlagen mit einer daran angeschlossenen Warmwasserversorgungsanlage
benötigt.
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Da
in vorgenannten Großanlagen ein verhältnismäßig
großer Bedarf an Warmwasser besteht, bietet es sich an,
einen Teil der Abwärme der Kälteanlage für
die Warmwasserversorgung bzw. Warmwasserbereitung zu nutzen.
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Im
Stand der Technik wird die bei der Kälteerzeugung über
den Kondensator der Kälteanlage abgegebene Wärme
in der Regel als Abwärme an die Umgebung abgegeben. Bei
wenigen ausgewählten Anwendungen wird die über
den Kondensator abgegebene Wärme jedoch auch für
die Luft- oder Wassererwärmung, beispielsweise unter Verwendung
eines Wärmeträgers genutzt. Nachteilig bei letztgenannter
Anwendung ist jedoch, dass das kondensatorseitige Temperaturniveau
für eine effiziente Brauchwassererwärmung zu gering ist.
Darüber hinaus ist dieses Temperaturniveau in Abhängigkeit
des Betriebs der Kälteanlage nicht konstant, mit der Folge,
dass auch das für die Brauchwassererwärmung zur
Verfügung stehende Temperaturniveau des Wärmeträgers
unterschiedlich ist.
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Die
DE 2945529 A1 lehrt
der Fachwelt einen Warmwasserbereiter, mit einem Zu- und Ablaufanschlüsse
aufweisenden Warmwasserbehälter und mit einer als Wärmepumpe
arbeitenden Kältemaschine, die einen Verdichter, zumindest
einen Verdampfer, dessen Abgang an den Verdichter angeschlossen
ist, und zumindest einen eingangsseitig an den Verdichter und ausgangsseitig
an den Eingang des Verdampfers angeschlossenen Kondensator aufweist,
der als das Arbeitsmittel des Kältekreislaufs führender
Wärmeaustauscher ausgebildet und innerhalb des Warmwasserbehälters
angeordnet ist. Kennzeichnend für diese Erfindung ist,
dass ein als Kaltwasserbehälter ausgebildeter zweiter Behälter
vorgesehen ist, welcher als Kältespeicher dient. Dieser
Kaltwasserbehälter weist eigene Zulauf und Ablaufanschlüsse
auf, an die man einen als Heiz- und/oder Kühlkreislauf
wirksamen Zusatzkreis, welcher dem Kaltwasserbehälter Kaltwasser
entnimmt und Wasser höherer Temperatur zurückführt,
anschließen kann. Ferner ist vorgesehen, dass der Verdampfer
der Kältemaschine als vom Arbeitsmittel des Kältekreislaufs
durchströmter Wärmeaustauscher ausgebildet und
in das Innere des Kaltwasserbehälters eingetaucht ist.
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Aus
dem Stand der Technik ist ferner die
DE 3619016 A1 vorbekannt, welche ein Verfahren
zur Energieerzeugung mittels einer Arbeitsmaschine unter Verwendung
mindestens eines als Wärmetauschers ausgebildeten Druckbehälters
offenbart, in dem ein inkompressibles Fluid mit hoher Wärmeausdehnung
und guten Gleit- und Schmiereigenschaften als Arbeitsmedium abwechselnd
erwärmt und gekühlt und dessen Ausdehnungs- und
Kontraktionskräfte auf einen in einem Zylinder hin- und
herbewegbaren Arbeitskolben wirken und dieser über eine
Kolbenstange Arbeit leistet, wobei zur taktweisen Erwärmung
bzw. Abkühlung des Arbeitsmediums abwechselnd warme oder
kalte Flüssigkeit durch im Wärmeaustauscher angeordnete
Wärmeaustauschrohre geleitet wird und die dem Wärmeaustauscher
zugeführte warme Flüssigkeit durch eine von Abwärme
oder durch einen Sonnenkollektor oder durch eine Wärmepumpe
gespeicherte Wärmequelle aufbereitet wird. Kennzeichnend
für diese Erfindung ist, dass die kalte Flüssigkeit
durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmedium aufbereitet
wird.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Kälte-Wärme-Kopplungsanlage
vorzuschlagen, bei der die bei der Erzeugung von Kälte
anfallende Wärme zumindest teilweise für die Erzeugung
von Warmwasser genutzt werden kann.
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Nach
der Konzeption der Erfindung umfasst die Kälte-Wärme-Kopplungsanlage
zumindest einen mit einem Kälteaggregat gekoppelten Kältespeicher
sowie einen mit einem Wärmeerzeuger gekoppelten Wärmespeicher.
Erfindungsgemäß ist eine Wärmepumpe vorgesehen,
die an Ihrer Verdampferseite unter Verwendung eines ersten Medienkreislaufs
mit dem Kältespeicher und an Ihrer Kondensatorseite unter
Verwendung eines zweiten Medienkreislaufs mit dem Wärmespeicher
verbunden ist, wobei die Vorlauftemperatur des Medium des ersten
Medienkreislaufs etwa 12°C beträgt und nach Wärmeabgabe
an der Verdampferseite der Wärmepumpe eine Rücklauftemperatur
von etwa 6 bis 9°C aufweist, und das Medium des zweiten
Medienkreislaufs nach Wärmeaufnahme an der Kondensatorseite
der Wärmepumpe eine Vorlauftemperatur in einem Bereich
zwischen 30 bis 60°C aufweist, mit welcher der Wärmespeicher
beladen wird.
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Die
im Kältespeicher bevorrate Energie wird hierbei zumindest
partiell unter Verwendung der Wärmepumpe zur Energiegewinnung
und Energieübertragung auf den Wärmespeicher genutzt.
Als Wärmepumpe ist vorzugsweise eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe
vorgesehen.
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Als
Medium für den ersten Medienkreislauf und den zweiten Medienkreislauf
wird jeweils Wasser eingesetzt. Das Wasser des ersten Medienkreislaufs
entspricht dabei demjenigen Wasser, welches als Kühlwasser
für einen an den Kältespeicher angeschlossenen
Kühllastverbraucher dient. Das von dem Kühllastverbraucher
in den Kältespeicher rückläufige erwärmte
Kühlwasser weist ein Energiepotential auf, welches erfindungsgemäß effizient
genutzt wird.
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Die
Temperaturdifferenz zwischen der Vorlauftemperatur und der Rücklauftemperatur
des Medium des ersten Medienkreislaufs, respektive die des Kühlwassers,
beträgt etwa 5 Kelvin.
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Bei
einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Wärmepumpe
kaskadenartig aus mindestens zwei Wärmepumpen oder Wärmepumpenstufen
aufgebaut. Die kaskadenartige Zuschaltung der einzelnen Wärmepumpen
oder Wärmepumpenstufen erfolgt dabei in Abhängigkeit
von Steuersignalen, welche über im Kältespeicher
in unterschiedlicher Höhe platzierte Sensoren zur Temperaturerfassung
in Verbindung mit einer Steuerung bzw. Regelung generiert werden.
Optimalerweise entspricht hierbei die Anzahl der Sensoren zur Temperaturerfassung
der Anzahl der Wärmepumpen oder Wärmepumpenstufen.
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Der
Kältespeicher ist bevorzugt als Pufferspeicher ausgebildet,
in welchem sich das Kühlwasser naturgemäß schichtet.
Entsprechend den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten
ist in Richtung der Längsachse des Kältespeichers
ein Temperaturgradient zu verzeichnen, wobei das der Wärmepumpe
zugeführte Kühlwasser aus dem oberen, „warmen” Bereich
des Kältespeichers entnommen wird und das in den Kältespeicher von
der Wärmepumpe zurückgeführte Kühlwasser
in den unteren „kalten” Bereich des Kältespeichers
strömt.
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Der
sowohl für Heizungszwecke als auch für die Warmwasserbereitungszwecke
nutzbare Wärmespeicher umfasst vorzugsweise einen oberen
Wärmeübertrager und einen unteren Wärmeübertrager,
von denen der obere Wärmeübertrager mit dem Wärmeerzeuger
gekoppelt und der untere Wärmeübertrager mit der
Wärmepumpe gekoppelt ist.
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Es
hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn der Wärmeerzeuger
eine Regelung aufweist, um eine vorrangige Beladung des Warmwasserspeichers
durch das Medium des zweiten Medienkreislaufs mittels der Wärmepumpe
unter Verwendung des unteren Wärmeübertragers
sicherzustellen.
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Als
Wärmeerzeuger können jedwede zentrale oder dezentrale
Wärmeerzeuger eingesetzt werden, die als Fernwärme-Hausanschlussstationen,
Kessel, Thermen und dgl. ausgebildet sind.
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Der
Kältespeicher dient zur Pufferung der durch die Kälteanlage
erzeugten Kälte, die zum Betrieb beispielsweise eines als
Lüftungsanlage ausgebildeten Kühllastverbrauchers
benötigt wird. In der Praxis ist dazu der Kühllastverbraucher
mit dem Kältespeicher hydraulisch gekoppelt.
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Bei
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zusätzlich
ein mit dem Kälteaggregat gekoppelter Rückkühler
als Kondensator vorgesehen werden, der nur im Bedarfs- bzw. Spitzenfall
zur Abkühlung des Kühlwassers entsprechend beaufschlagt
wird. Dieser Bedarfs- bzw. Spitzenfall tritt üblicherweise
dann auf, wenn das im Kältespeicher zu verzeichnende Temperaturniveau
auf Grund mangelnden Warmwasserbedarfs zu hoch wird, das heißt
eine kritische Temperatur überschreitet.
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Es
versteht sich für den Fachmann, dass die Auslegung der
Kälte-Wärme-Kopplungsanlage, insbesondere die
Auslegung der Wärmepumpe sowie der zugehörigen
Regelung aller Komponenten, einer fachgerechten Planung bedarf.
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Die
signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber
dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- • effiziente
Nutzung des Energiepotential des rückläufigen „warmen” Kühlwassers
des Kühllastverbrauchers, beispielsweise eine Lüftungsanlage,
zum Zwecke der Beladung des Warmwasserspeichers mittels der Wärmepumpe,
- • effiziente Abkühlung des rückläufigen „warmen” Kühlwassers
des Kühllastverbrauchers mittels der Wärmepumpe,
- • Einsparung von zur Aufheizung des Wärmespeichers
benötigter Primärenergie, insbesondere fossiler Brennstoffe,
und damit CO2-Reduzierung,
- • kurze Amortisationszeiten der erfindungsgemäßen
Kälte-Wärme-Kopplungsanlage,
- • einfache Nachrüstung bzw. thermische Kopplung
von bestehenden Kälteanlagen und Wärmeerzeugeranlagen,
- • kaskadenartig ausgebildete Wärmepumpe sichert
eine effiziente Betriebsweise der Kälte-Wärme-Kopplungsanlage
mit stets hohen Leistungszahlen sowie
- • die zum Betrieb der Wärmepumpe benötigte
elektrische Energie entspricht dabei derjenigen „eingesparten” Energie,
die ohnehin zur wärmeerzeugerseitigen Beladung des Wärmespeichers
notwendig wäre.
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Die
Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem
Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der
hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltung
der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu
verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung einer Kälteanlage mit Lüftungsbetrieb
aus dem Stand der Technik,
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2 eine
schematische Darstellung einer Heizungsanlage mit Warmwasserbetrieb
aus dem Stand der Technik und
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3 eine
erfindungsgemäße Kälte-Wärme-Kopplungsanlage.
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung einer konventionellen Kälteanlage
zum Betrieb einer Lüftungsanlage aus dem Stand der Technik.
Die Kälteanlage umfasst im dargestellten Beispiel ein Kälteaggregat 2,
welches einerseits mit einer mittels Kaltwasser betriebenen Lüftungsanlage
als Kühllastverbraucher 4 gekoppelt und andererseits
mit einem außerhalb des Gebäudes platzierten Rückkühler 5 verbunden
ist. Der Rückkühler 5 ist hierbei vorzugsweise
auf dem Dach eines Gebäudes platziert. Das Kälteaggregat 2 erzeugt Kaltwasser,
welches über entsprechend isolierte Vor- und Rücklaufleitungen
zum Kühllastverbraucher 4 hin- bzw. zurückgeführt
wird. Der Kühllastverbraucher 4 seinerseits umfasst
zumindest einen Wärmeübertrager, mittels dem die
Raumluft durch das Kaltwasser abgekühlt wird. Die von dem
Kälteaggregat 2 erzeugte Kälte, welche
nicht vom Kühllastverbraucher 4 verbraucht wird,
wird regelmäßig über den Rückkühler 5 nutzlos
an die Umgebung abgegeben, was sich nachteilig auf die Effizienz
der Kälteanlage auswirkt.
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Die 2 zeigt
eine schematische Darstellung einer Wärmeerzeugeranlage
mit einem Wärmeerzeuger 7 mit Warmwasserbetrieb
aus dem Stand der Technik. Der Wärmeerzeuger 7 umfasst
beispielhaft einen Gaskessel, der mit einem als Warmwasserbereiter
ausgebildeten Wärmespeicher 8 gekoppelt ist. Der
Warmwasserbereiter weist einen mit dem Wärmeerzeuger 7 gekoppelten
Wärmeübertrager 8.1 auf, mittels dem
die vom Wärmeerzeuger 7 bereitgestellte Wärme
auf das im Wärmespeicher 8 bevorrate Wasser erwärmt
wird. Der Wärmespeicher 8 weist im Bereich seiner
oberen Stirnseite einen Anschluss für eine zum Verbraucher, den
Warmwasserzapfstellen, geführte Warmwasserleitung auf.
Im mittleren Bereich des Wärmespeichers 8 ist ein
Anschluss für eine Zirkulationsleitung vorgesehen, welche
sicherstellt, dass an den entsprechenden Zapfstellen stets Warmwasser
mit einer gewünschten Temperatur anliegt.
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Die 3.
zeigt eine erfindungsgemäße Kälte-Wärme-Kopplungsanlage 1,
umfassend ein Kälteaggregat 2 gemäß 1,
jedoch mit einem zusätzlichen Kältespeicher 3,
sowie einen Wärmeerzeuger 7 mit einem Wärmespeicher 8 gemäß 2.
Erfindungsgemäß ist zur Kopplung des Kälteaggregats 2 mit
dem Wärmeerzeuger 7 eine Wärmepumpe 6 vorgesehen,
die an Ihrer Verdampferseite 6.1 unter Verwendung eines
ersten Medienkreislaufs 9 mit dem Kältespeicher 3 des
Kälteaggregats 2 und an Ihrer Kondensatorseite 6.2 unter Verwendung
eines zweiten Medienkreislaufs 10 mit dem Wärmespeicher 8 des
Wärmeerzeugers 7 gekoppelt ist. Die im Kältespeicher 3 bevorrate
Energie wird einerseits unter Verwendung der Wärmepumpe 6 zur
Energiegewinnung und Energieübertragung auf den Wärmespeicher 8 und
andererseits zur Rückkühlung des rückläufigen „warmen” Kaltwassers
aus dem Kühllastverbraucher 4, beispielsweise
eine Lüftungsanlage, genutzt. Als Medium für den
ersten Medienkreislauf 9 und den zweiten Medienkreislauf 10 ist
jeweils Wasser vorgesehen. Die als Wasser/Wasser-Wärmepumpe
ausgebildete Wärmepumpe 6 umfasst im dargestellten
Beispiel drei kaskadenartig miteinander verschaltete Wärmepumpenstufen;
jeweils mit einer Leistung von etwa 50 kW. Die Leistungszahl einer
Wärmepumpenstufe beträgt etwa 3,6 bei einer Stromaufnahme
von 14,1 kW. Die Stromkosten für die Erzeugung einer Heizleistung
von 50,4 kW betragen bei einem angenommenen Strompreis von 0,18
EUR/kWh etwa 2,54 EUR/h. Gegenüber der Darstellung gemäß 1 ist
das Kälteaggregat 2 nicht unmittelbar mit dem
als Lüftungsanlage ausgebildeten Kühllastverbraucher 4,
sondern nur mittelbar über den Kältespeicher 3 mit
der Lüftungsanlage gekoppelt. Im Kältespeicher 3 schichtet
sich das Kaltwasser naturgemäß entsprechend seinen
unterschiedlichen Temperaturniveaus in Längsachse des Kältespeichers 3. Der
Kaltwasservorlauf für die Lüftungsanlage ist deshalb
im unteren Bereich – die Temperatur beträgt dort
etwa 6 bis 9°C – und der Kaltwasserrücklauf
im oberen, wärmeren Bereich – die Temperatur beträgt
dort etwa 12°C – des Kältespeichers 3 platziert.
Der Kältespeicher 3 weist eine der Anzahl der
Wärmepumpenstufen entsprechende Anzahl von als Temperatursensoren
ausgebildeten Sensoren 11 auf. Zusätzlich ist
ein im unteren Bereich des Kältespeichers 3 angeordneter
Sensor 11 zur Erfassung der Temperatur vorgesehen, der über
eine nichtdargestellte Regelung mit dem Rückkühler 5 gekoppelt
ist. Der Wärmespeicher 8 umfasst gegenüber
der Darstellung gemäß
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2 einen
zusätzlichen zweiten Wärmeübertrager 8.2,
der unterhalb des ersten Wärmeübertragers 8.1 platziert
ist. Dieser zweite, untere Wärmeübertrager 8.2 ist
mit dem Kondensator 6.2 der Wärmepumpe 6 gekoppelt,
so dass die von der Wärmepumpe 6 bereitgestellte
Energie über den zweiten Medienkreislauf 10 zum
unteren Wärmeübertrager 8.2 des Wärmespeichers 8 transportiert
und dort auf das im Wärmespeicher 8 bevorrate
und zu erwärmende Wasser übertragen wird. An der
Kondensatorseite 6.2 der Wärmepumpe 6 wird folglich
Heizenergie für die Warmwasserbereitung in Form von Wasser
mit einer Temperatur von etwa +50°C bereitgestellt.
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Die
oben erwähnte Heizleistung der Wärmepumpe
6 von
50,4 KW, die an der Kondensatorseite
6.2 der Wärmepumpe
auf den zweiten Medienkreislauf
10 übertragen
wird, kann effektiv im Wärmeerzeuger
7 zur Erzeugung
von Warmwasser eingespart werden. Den weiteren Wirtschaftlichkeitsberechnungen
wird eine durch Fernwärme versorgte Hausanschlussstation
zugrunde gelegt. Der Wirkungsgrad dieser Hausanschlussstation beträgt
100% bei der Annahme von etwa 2% Wärmeverteilungsverlusten.
Die erforderliche Energiemenge aus der Fernwärme ermittelt
sich bei einem Bedarf von 50,4 KW Warmwasser zu 51,43 KW. Bei einer Annahme
von 0,0650 Euro/kWh Kosten für den Arbeitspreis werden
3,34 EUR/h Primärenergie eingespart. Bei einer Laufzeit
von 360 Tagen im Jahr und 17 Stunden Laufzeit der Wärmepumpe
täglich ergibt sich eine Kosteneinsparung von etwa 20.440,80
EUR mit 360 Tage/Jahr × 17 Std./Tag × 3,34 EUR
pro 50 KW/Wärmepumpe. Den nachfolgenden überschlägigen
Wirtschaftlichkeitsberechnungen liegt der Einsatz einer Wärmepumpe mit
etwa 50 kW zugrunde.
| Geschätzte Investitionskosten,
umfassend: | 36.800 EUR |
| – Wärmepumpe
komplett | 19.500 EUR |
| – Wärmetauscher | 2.000 EUR |
| – Rohrleitungen,
Armaturen, DAG | 6.700 EUR |
| – Umwälzpumpe | 1.100 EUR |
| – Planung | 2.500 EUR |
| – Pufferspeicher | 5.000 EUR |
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Bei
einer Einsparung von ca. 20.440,80 EUR/Jahr ergibt sich somit eine
Amortisationszeit von 1,8 Jahren für die Kälte-Wärme-Kopplungsanlage.
Grundsätzlich ist die erfindungsgemäße
Kälte-Wärme-Kopplungsanlage jedoch für
den Einsatz von mehreren Jahren konzipiert, so dass sich bei der
Betrachtung von etwa 25 Jahren Laufzeit ein Einsparpotential von
etwa 400.000 EUR gegenüber einer Kälteanlage und
einer Wärmeerzeugeranlage, die jeweils im Singlebetrieb
arbeiten, ergibt.
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- 1
- Kälte-Wärme-Kopplungsanlage
- 2
- Kälteaggregat
- 3
- Kältespeicher
- 4
- Kühllasterbraucher
- 5
- Rückkühler
- 6
- Wärmepumpe
- 6.1
- Verdampferseite
- 6.2
- Kondensatorseite
- 7
- Wärmeerzeuger
- 8
- Wärmespeicher
- 8.1
- oberer
Wärmeübertrager
- 8.2
- unterer
Wärmeübertrager
- 9
- erster
Medienkreislauf
- 10
- zweiter
Medienkreislauf
- 11
- Sensoren
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 2945529
A1 [0005]
- - DE 3619016 A1 [0006]