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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Heizeinrichtung, insbesondere einen Warmwasserspeicher, sowie ein Verfahren zum Bestimmen eines Verkalkungszustandes einer Heizeinrichtung, insbesondere eines Warmwasserspeichers.
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Genauer betrifft die Erfindung eine Heizeinrichtung, insbesondere einen Warmwasserspeicher, die einen Behälter zur Aufnahme von Wasser, einen in dem Behälter angeordneten Heizflansch zum Erwärmen des Wassers, eine Korrosionsschutzanode zum Vorsehen eines Korrosionsschutzes des Behälters, und eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen eines Verkalkungszustandes der Heizeinrichtung aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines Verkalkungszustandes dieser Heizeinrichtung.
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Aus
DE 10 2004 004 064 A1 geht eine Vorrichtung zur Überwachung des Verbrauchs einer Opferanode hervor. Die Opferanode ist über eine elektrische Leitung mit einer Schaltungseinrichtung verbunden. Die Schaltungseinrichtung ist weiterhin über eine elektrische Leitung mit der Wand des Warmwasserspeichers verbunden. Zwischen den beiden Leitungen ist eine Spannung angelegt und die Schaltungseinrichtung misst den Strom der Spannungsquelle und vergleicht diesen mit einem Grenzwert. Bei einer Unterschreitung des Grenzwertes wird ein Signal abgegeben, dass auf den Verschleiß der Anode hinweist.
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Heizeinrichtungen, insbesondere Warmwassergeräte, unterliegen einem Verkalkungsprozess, da sich bei einem Erwärmen von Wasser Kalk absetzt. Heizeinrichtungen, die nicht über eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen des Verkalkungszustandes verfügen, müssen zyklisch provisorisch entkalkt werden, was einen hohen Wartungsaufwand bedeutet, oder werden erst dann entkalkt, wenn es zu einer Abschaltung durch eine Schutzeinrichtung, wie einen Sicherheitstemperaturbegrenzer, kommt, was einen unerwünschten Nutzungsausfall durch die Sicherheitsabschaltung nach sich zieht.
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Der vorliegenden Erfindung lag somit die Aufgabe zugrunde, eine Heizeinrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Verkalkungszustandes dieser Heizeinrichtung bereitzustellen, die den Verkalkungszustand mit geringem Aufwand zuverlässig zu bestimmen ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der eingangs genannten Heizeinrichtung dadurch gelöst, dass die Heizeinrichtung eine Korrosionsschutzeinheit zum Erfassen einer Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter aufweist und dadurch, dass die Bestimmungseinheit eingerichtet ist, den Verkalkungszustand basierend auf einer von der Korrosionsschutzeinheit erfassten Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter zu bestimmen.
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Vorteilhafterweise bestimmt die erfindungsgemäße Heizeinrichtung den Verkalkungszustand somit ausgehend von einer Spannung, die zwischen bereits vorhandenen Komponenten der Heizeinrichtung anliegt. Dadurch kann der zusätzliche Konstruktions- und Fertigungsaufwand zur Bestimmung des Verkalkungszustandes minimiert werden. Zusätzlich ist es bei der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung somit nicht nötig, eine Entkalkung zyklisch durchzuführen, was einen Wartungsaufwand der Heizeinrichtung minimiert. Ferner kann auch einem Ausfall der Heizeinrichtung vorgebeugt werden, da ein gefährlicher Verkalkungszustand vorteilhafterweise vor Auslösen der Sicherheitsabschaltung bestimmbar ist.
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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung ist vorzugsweise ein Warmwasserspeicher. In anderen Ausführungsformen kann die erfindungsgemäße Heizeinrichtung aber auch ein Durchlauferhitzer, eine Wärmepumpe oder eine andere Heizeinrichtung sein.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist die Korrosionsschutzanode eine Fremdstromanode oder eine Magnesiumanode. Im Falle einer Fremdstromanode ist die Korrosionsschutzeinheit vorzugsweise ferner eingerichtet, eine Spannung zwischen der Fremdstromanode und dem Behälter anzulegen und zu regeln. Im Falle einer Magnesiumanode wird der Korrosionsschutzstrom bereits durch das Magnesium selbst induziert, so dass für die Korrosionsschutzeinheit keine Notwendigkeit besteht, eine zusätzliche Spannung anzulegen.
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Vorzugsweise ist die Korrosionsschutzeinheit eingerichtet, einen elektrischen Strom zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter zyklisch zu unterbrechen, um eine Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter zu erfassen.
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Die Potentialdifferenz entspricht einer erfassten Spannung, wenn kein elektrischer Strom zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter fließt, mit anderen Worten in Art einer Leerlaufspannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter. Vorzugsweise wird dann der Verkalkungszustand basierend auf der zyklisch erfassten Potentialdifferenz bestimmt.
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Beispielsweise kann, in dem Fall, dass die Korrosionsschutzanode die Fremdstromanode ist, die an die Fremdstromanode angelegte Spannung alle 1 ms bis 1 s für eine Dauer von 0.1 ms bis 10 ms unterbrochen werden. Somit wird ermöglicht, dass sowohl ein zuverlässiger Korrosionsschutz des Behälters sichergestellt bleibt als auch die Potentialdifferenz zur Bestimmung des Verkalkungszustandes erfassbar ist. Besonders bevorzugt wird die Spannung alle 5–20 ms für die Dauer von 0.2 bis 1 ms unterbrochen, wobei in anderen Ausführungsformen auch andere Unterbrechungsdauern und -intervalle vorteilhaft sind.
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Auf ähnliche Weise kann in dem Fall, dass die Korrosionsschutzanode die Magnesiumanode ist, für die oben beispielhaft genannten Unterbrechungsdauern und -intervalle ein elektrischer Strom zwischen Magnesiumanode und Behälter dadurch unterbrochen werden, dass beispielsweise eine elektronische Verbindung zwischen Magnesiumanode und Behälter unterbrochen wird.
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Vorzugsweise ist die Bestimmungseinheit eingerichtet, den Verkalkungszustand beginnend mit einer Zeit zu bestimmen, zu der eine Heizleistung des Heizflansches verändert wird.
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Insbesondere wird bevorzugt, die Zeit direkt nach einem Einschalten eines Aufheizvorgangs der Heizeinrichtung heranzuziehen. Besonders bevorzugt ist der Aufheizvorgang ein Schnellaufheizvorgang mit maximaler Heizleistung. Alternativ wird auch bevorzugt, die Zeit nach dem Abschalten der Heizleistung des Heizflansches heranzuziehen.
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Durch Kalkablagerungen insbesondere am Heizkörper erhöht sich dessen Masse. Zusätzlich ist ein Heizkörper dann thermisch von dem Wasser isoliert. Vorteilhafterweise kann somit eine schnellere oder langsamere Erwärmung des Wassers Rückschlüsse zum Bestimmen des Verkalkungszustands der Heizeinrichtung erlauben.
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Vorzugsweise ist die Bestimmungseinheit eingerichtet, den Verkalkungszustand basierend auf einer Änderung der Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter zu bestimmen.
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Wird das im Behälter befindliche Wasser erwärmt, ändert das Wasser seinen elektrischen Leitwert, was zu einer Veränderung der gemessenen Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter führt. Folglich kann eine schnellere oder langsamere Veränderung der Potentialdifferenz vorteilhafterweise zu einer Bestimmung des Verkalkungszustandes dienen.
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Vorzugsweise ist die Bestimmungseinheit eingerichtet, das Verkalken der Heizeinrichtung zu bestätigen, wenn eine Änderung der Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter je Zeit einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
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Insbesondere kann demnach eine zeitlich definierte Mindeständerung der Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter bestimmt sein, bei deren Unterschreiten die Bestimmungseinheit einen Verkalkungszustand erfasst. Auch können zwei oder mehrere Schwellwerte vorgesehen sein, womit sich ein Verkalkungszustand weiter differenzieren lässt. Beispielsweise können zwei Schwellwerte vorgesehen sein, die Zustände wie beispielsweise „leichte Verkalkung” und „starke Verkalkung” zu unterscheiden ermöglichen.
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Die Erfindung ist nicht hierauf beschränkt und weitere Kombinationen aus Schwellwerten und Verkalkungszuständen werden für die Erfindung in Erwägung gezogen. In einer anderen Ausführungsform kann auch eine kontinuierliche Beziehung zwischen Änderung der Spannung und Verkalkungszustand der Heizeinrichtung vorteilhaft hergestellt werden.
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Der Verkalkungszustand kann dem Benutzer in der Heizeinrichtung auf verschiedenste Weisen kommuniziert werden. Vorzugsweise wird dem Benutzer der Verkalkungszustand in einer Anzeige oder Ähnlichem dargestellt. In einer anderen Ausführungsform wird dem Benutzer der Verkalkungszustand akustisch mitgeteilt. Weiter vorzugsweise kann in einer anderen Ausführungsform der Verkalkungszustand, beispielsweise drahtgebunden oder drahtlos (z. B. W-LAN), an eine weitere Kommunikationsvorrichtung, beispielsweise ein Smartphone, einen Server oder Ähnliches, übertragen werden.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner bei dem eingangs genannten Verfahren dadurch gelöst, dass das Verfahren die Schritte aufweist: Erfassen einer Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter und Bestimmen des Verkalkungszustandes der Heizeinrichtung basierend auf der erfassten Spannung.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein elektrischer Strom zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter zyklisch unterbrochen, um eine Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter zu erfassen. Vorzugsweise beginnt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Bestimmen des Verkalkungszustandes mit einer Zeit, zu der sich eine Heizleistung des Heizflansches ändert.
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Vorzugsweise erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Bestimmen des Verkalkungszustandes der Heizeinrichtung basierend auf einer Änderung der Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter.
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Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt, dass die Heizeinrichtung verkalkt ist, wenn eine Änderung der Spannung zwischen Korrosionsschutzanode und Behälter je Zeit einen vorbestimmten Schwellwert unterschreitet.
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Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, die oben ausgeführten Vorteile, die durch einen Betrieb der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung erreicht werden, zu erzielen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen werden im Folgenden durch Bezugnahme auf die Zeichnungen verdeutlicht, wobei
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1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung zeigt,
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2 eine beispielhafte erste Spannungskurve, die von einer erfindungsgemäßen Korrosionsschutzeinheit erfasst wird, und
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3 eine beispielhafte zweite Spannungskurve, die von der erfindungsgemäßen Korrosionsschutzeinheit erfasst wird.
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1 zeigt schematisch und exemplarisch einen Warmwasserspeicher 1, der ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist. Der Warmwasserspeicher 1 weist einen Behälter 2 zur Aufnahme von Wasser auf. Kaltes Wasser gelangt über einen Kaltwassereinlauf 3 in den Behälter 2 und verlässt als warmes Wasser über einen Warmwasserauslauf 4 den Warmwasserspeicher 1. In dem Behälter 2 wird das Wasser über einen Heizkörper 5 aufgeheizt.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Heizkörper 5 beispielsweise ein Heizflansch mit drei 2 kW Heizkörpern und weist zusätzlich einen Sicherheitstemperaturbegrenzer 6 auf, von dem in der Zeichnung ein Schutzrohr gezeigt ist, in das eine Fühlerbirne eingesetzt wird. Löst der Sicherheitstemperaturbegrenzer 6 aus, kann der Warmwasserspeicher 1 kein warmes Wasser mehr bereitstellen und muss erst durch einen Kundendiensttechniker freigegeben werden.
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Ein Betrieb des Warmwasserspeichers 1 wird durch eine Steuereinheit 10, die unter anderem eine Regelungseinheit zur Ansteuerung des Heizkörpers 5, eine Korrosionsschutzeinheit sowie eine Bestimmungseinheit zum Bestimmen eines Verkalkungszustandes umfasst, gesteuert.
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Über einen Temperatursensor 7, der beispielsweise als Domsensor und/oder als Integralsensor ausgebildet ist, wird eine Wassertemperatur des Wassers in dem Behälter 2 erfasst und an die Steuereinheit 10 übermittelt. Die Wassertemperatur kann beispielsweise als Durchschnittstemperatur des Wassers des Behälters 2 und/oder als eine Temperatur im oberen Bereich des Behälters 2 bestimmt werden, was in etwa einer Auslauftemperatur des Wassers aus dem Behälter 2 entspricht, da der Warmwasserauslauf 4 im oberen Bereich des Behälters 2 angeordnet ist.
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Der Behälter 2 des Warmwasserspeichers 1 ist vorzugsweise ein emaillierter Stahlbehälter, der in der Regel Fehlstellen aufweist, weshalb ein Korrosionsschutz erforderlich ist. Hierfür weist der Warmwasserspeicher 1 eine Korrosionsschutzanode 9 auf, die in dem Behälter 2 vorgesehen ist. Die Steuereinheit 10 steuert einen elektrischen Strom zwischen der Korrosionsschutzanode 9 und dem Behälter 2, der der herrschenden Korrosionsspannung entgegenwirkt.
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Die Korrosionsschutzanode 9 ist im Beispiel der 1 eine von der Steuereinheit 10 geregelte Fremdstromanode, bei der eine Spannung zwischen Fremdstromanode und Behälter 2 angelegt und die angelegte Spannung zyklisch unterbrochen wird, um die Potentialdifferenz zwischen Fremdstromanode 9 und Behälter 2 zu erfassen. In diesem Beispiel wird die angelegte Spannung alle 10 ms unterbrochen, um die Potentialdifferenz für die Dauer von 0,4 ms zu messen. Die Korrosionsschutzeinheit der Steuereinheit 10 erfasst die Potentialdifferenz, um sicherzustellen, dass sich eine Behälterspannung in einem zulässigen Bereich befindet. Anderenfalls passt die Korrosionsschutzeinheit der Steuereinheit 10 die Spannung zwischen Korrosionsschutzanode 9 und Behälter 2 entsprechend an. Vorzugsweise setzt die Korrosionsschutzeinheit allerdings die Anpassung der Spannung zwischen Korrosionsschutzanode 9 und Behälter 2 während eines Zeitraumes aus, in dem eine Bestimmung des Verkalkungszustandes wie unten beschrieben durchgeführt wird, um zu vermeiden, dass das Bestimmungsergebnis verfälscht wird.
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Es ist zu beachten, dass die erfindungsgemäße Korrosionsschutzanode 9 in diesem Ausführungsbeispiel als Fremdstromanode umgesetzt ist. Auch andere Korrosionsschutzanoden 9, wie beispielsweise eine Magnesiumanode, können in anderen Ausführungsbeispielen vorteilhaft eingesetzt werden, wobei in diesem Fall die Notwendigkeit für die Korrosionsschutzeinheit entfällt, eine Spannung zwischen Korrosionsschutzanode 9 und Behälter 2 anzulegen und/oder zu regeln. In diesem Fall ist es ausreichend, zur Erfassung der Potentialdifferenz zwischen Magnesiumanode und Behälter 2 einen elektrischen Strom zwischen Magnesiumanode und Behälter 2 zu unterbrechen. In anderen Beispielen kann die erfasste Potentialdifferenz weiter für eine Verschleißbestimmung der Magnesiumanode herangezogen werden.
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Aus der zyklisch erfassten Potentialdifferenz bestimmt die Bestimmungseinheit der Steuereinheit 10 ferner einen Verkalkungszustand des Warmwasserspeichers 1, was mit Verweis auf 2 und 3 exemplarisch beschrieben wird.
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Die Steuereinheit 10 ist weiter in Verbindung mit einer Bedieneinheit 8, die zur Eingabe von Benutzereingaben und zur Ausgabe von Information, beispielsweise optisch mittels eines Bildschirms, akustisch oder anderweitig, ausgestaltet ist.
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2 zeigt eine beispielhafte erste Spannungskurve, die von einer erfindungsgemäßen Korrosionsschutzeinheit erfasst wird, und 3 zeigt eine beispielhafte zweite Spannungskurve, die von der erfindungsgemäßen Korrosionsschutzeinheit erfasst wird. Insbesondere zeigt 2 eine Spannungskurve 20 einer neuen, unverkalkten Heizeinrichtung und 3 eine Spannungskurve 30 einer verkalkten Heizeinrichtung.
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2 und 3 zeigen lediglich beispielhaft in einer horizontalen Auftragung die Zeit t und in einer vertikalen Auftragung eine Potentialdifferenz U, die zwischen Korrosionsschutzanode 9 und Behälter 2 anliegt, wenn kein Strom zwischen Korrosionsschutzanode 9 und Behälter 2 fließt.
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Zum Zeitpunkt t1 schaltet die Steuereinrichtung 10 dem Heizkörper 5 die Heizleistung zu. In den dargestellten Beispielen ist ein Ende der Beaufschlagung der Heizleistung nicht dargestellt. Dies erfolgt regelmäßig dann, wenn die Steuereinrichtung 10 erfasst, dass eine Temperatur des Wassers in dem Behälter 2 einem voreingestellten Regelungswert entspricht. Für die Bestimmung des Verkalkungszustandes ist in diesem Beispiel vor allem die Zeit beginnend mit dem Zeitpunkt t1, ab dem die Heizleistung beaufschlagt wird, von Interesse.
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Zur Bestimmung des Verkalkungszustandes werden Werte des Verlaufs der Potentialdifferenz 20, 30 zu zwei Zeitpunkten verglichen und die Änderung der Potentialdifferenz zwischen den zwei Zeitpunkten als ein Maß für den Verkalkungszustand herangezogen. Beispielhaft wird als Anfangswert der Zeitpunkt t2, an dem die Heizleistung zugeschaltet wird, festgelegt und die Potentialdifferenz 21, 31 zu diesem Zeitpunkt bestimmt. Als zweiter Zeitpunkt wird ein Zeitpunkt t2, der beispielsweise fünf Sekunden nach Einschalten der Heizleistung zum Zeitpunkt t1 liegt, festgelegt und die Potentialdifferenz 22, 32 zu diesem Zeitpunkt bestimmt. Die Werte der Potentialdifferenz 20, 30 an den zwei Zeitpunkten t1 und t2 werden dann verglichen, was im Ergebnis einem Vergleich der Steigung der gezeigten Verläufe der Potentialdifferenz 20, 30 entspricht. In 2 und 3 ist die Änderung der Potentialdifferenz zwischen dem Wert 21 bzw. 31 zum Zeitpunkt t1 und dem Wert 22 bzw. 32 zum Zeitpunkt t2 exemplarisch als durchschnittliche Steigung 24 bzw. 34 gezeigt. Die durchschnittliche Steigung 24 der Potentialdifferenz 20 ist steiler als die durchschnittliche Steigung 34 der Potentialdifferenz 30. Nachdem der Leitwert des Wassers und somit auch die gemessene Potentialdifferenz temperaturabhängig sind, erfolgt eine schnellere Erwärmung des Wassers in dem in 2 gezeigten Fall. Folglich weist die Heizeinrichtung, deren Potentialdifferenz 20 in 2 gezeigt ist, wenig bzw. keine Kalkablagerungen auf, während die Heizeinrichtung aus 3 verkalkt ist. Dies kann einem Benutzer durch die Bedieneinheit 8 oder auf anderen Wegen kommuniziert werden.
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Die Auswahl des ersten Zeitpunktes und des zweiten Zeitpunktes sind hierbei beliebig festlegbar, vorzugsweise allerdings während eine Heizleistung anliegt. Die dargestellten zeitlichen Dauern und Abläufe sind somit beispielhaft zu verstehen und können in anderen Ausführungsformen abweichen. Auch können Messwerte zu mehr als zwei Zeitpunkten und insbesondere die Veränderung von Messwerten zwischen mehr als zwei Zeitpunkten zur Bestimmung des Verkalkungszustandes herangezogen werden.
