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Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungseinrichtung zum Konditionieren eines in einem Zuluftkanal geführten Zuluftstroms zur Klimatisierung eines Raums sowie ein entsprechendes Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. den Merkmalen des Anspruchs 12.
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Es ist heute bereits in vielen Bereichen der Technik üblich, energetische Prozesse zu optimieren, um unnötigen Energieverbrauch zu vermeiden. Auch im Bereich der Klimatisierung von Räumen gibt es hier verschiedene Ansätze.
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Klimatisierungseinrichtung zum Konditionieren eines in einem Zuluftkanal geführten Zuluftstroms zur Klimatisierung eines Raums noch in energetischer Weise zu verbessern. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren angegeben werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit einer Klimatisierungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. einem Verfahren nach den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind hierbei in den Unteransprüchen angegeben.
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Eine Kernüberlegung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dem in den Zuluftkanal eintretenden Luftstrom zunächst Wärme zu entziehen und diese Wärme dann sowohl einer Wärmerückgewinnungseinrichtung insbesondere zur Erzielung von Verdunstungskälte als auch einem Nacherwärmer im Zuluftkanal zur Verfügung zu stellen, wobei über ein Einstellorgan die Aufteilung der aus dem eintretenden Zuluftstrom gewonnenen Wärmemenge auf die Wärmerückgewinnungseinrichtung einerseits und den Nacherwärmetauscher andererseits einstellbar ist.
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Konkret wird insofern eine Klimatisierungseinrichtung zum Konditionieren eines in einem Zuluftkanal geführten Zuluftstroms zur Klimatisierung eines Raums vorgeschlagen, wobei der Zuluftkanal ein einlassseitiges Ende und ein auslassseitiges Ende aufweist, umfassend
- - einen zwischen einlassseitigem Ende und auslassseitigem Ende angeordneten Hauptwärmetauscher, der Anschlüsse zum Durchleiten eines Kältefluids aufweist,
- - einen im Zuluftkanal zwischen einlassseitigem Ende und Hauptwärmetauscher angeordneten Vorwärmetauscher,
- - eine Wärmerückgewinnungseinrichtung zur Bereitstellung von aus einem Abluftstrom rückgewonnener Wärme oder Kälte, und
- - einem Nachwärmetauscher im Zuluftkanal, der zwischen Hauptwärmetauscher und auslassseitigem Ende angeordnet ist,
wobei Leitungen vorgesehen sind, um an den Vorwärmetauscher sowohl die Wärmerückgewinnungseinrichtung als auch den Nachwärmetauscher in Parallelschaltung zueinander anzuschließen, und wobei ein Einstellorgan vorgesehen ist, über das der Anteil des vom Vorwärmetauscher ausgegebenen Fluidstroms, der über die Wärmerückgewinnungseinrichtung und der über den Nachwärmetauscher geführt wird, eingestellt werden kann.
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Es wird auch eine Wärmerückgewinnungseinrichtung vorgeschlagen, umfassend einen Abluftkanal, der von einem aus einem Raum abgezogenen Abluftstrom durchströmt wird, umfassend einen ersten abluftseitigen Düsenstock zur Befeuchtung des Abluftstroms, der zur Erzeugung einer Feinstvernebelung des Abluftstroms umfassend ultrakleine Befeuchtungspartikel in Form eines Aerosolnebels ausgebildet ist, einen ersten abluftseitigen Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher, welcher dem ersten abluftseitigen Düsenstock nachgeschaltet ist und zwischen dem Abluftstrom und einem Fluid wechselwirkt und eine Verdunstung der in dem ersten abluftseitigen Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher mitgerissenen Befeuchtungspartikel bewirkt, wenigstens einen zweiten abluftseitigen Düsenstock zur Befeuchtung des Abluftstroms, der zur Erzeugung einer Feinstvernebelung des Abluftstroms umfassend ultrakleine Befeuchtungspartikel in Form eines Aerosols ausgebildet ist, sowie wenigstens einen zweiten abluftseitigen Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher, welcher dem zweiten abluftseitigen Düsenstock nachgeschaltet ist, zwischen dem Abluftstrom und dem Fluid wechselwirkt und eine Verdunstung der in den zweiten abluftseitigen Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher mitgerissenen Befeuchtungspartikel bewirkt, wobei der erste abluftseitige Düsenstock, der erste abluftseitige Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher, der zweite abluftseitige Düsenstrom und der zweite abluftseitige Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher in dieser Reihenfolge geschaltet sind.
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Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Konditionieren eines in einem Zuluftkanal geführten Zuluftstroms zur Klimatisierung eines Raums, insbesondere zur Entfeuchtung des Zuluftstroms vorgeschlagen, wobei dem durch ein einlassseitiges Ende des Zuluftkanals in den Zuluftkanal eintretenden Luftstrom zunächst Wärme über einen Vorwärmetauscher entzogen wird und diese Wärme nachfolgend einem Nachwärmetauscher zugeführt wird, um den zu Entfeuchtungszwecken in einem Hauptwärmetauscher auf eine Temperatur gleich oder unterhalb des Taupunkts abgekühlten Luftstrom wieder zu erwärmen, wobei vorzugsweise über ein Einstellorgan ein Anteil der aus dem vom Vorwärmetauscher gewonnenen Wärmemenge auch einer Wärmerückgewinnungseinrichtung zuführbar ist, so dass je nach gegebener Betriebssituation die aus dem Vorwärmetauscher gewonnene Wärme zu einem festgelegten Anteil der Wärmerückgewinnungseinrichtung bzw. dem Nachwärmetauscher zur Verfügung steht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Einstellorgan derart ausgebildet, dass es eine kontinuierliche Einstellung der Fluidanteile erlaubt, einschließlich einer ausschließlichen Führung des Fluids über die Wärmerückgewinnungseinrichtung, einer ausschließlichen Führung des Fluids über die Nachwärmetauscher und allen dazwischenliegenden Mischpositionen. Eine kontinuierliche Einstellbarkeit ermöglicht eine besonders feingliedrige Aufteilung des Fluidstroms auf die beiden Teilströme. Das Einstellorgan kann beispielsweise als stufenlos einstellbares Dreiwege-Ventil ausgestaltet sein.
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Nach einem besonders bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung erfolgt die kontinuierliche Einstellung der Fluidanteile derart, dass die Wärmerückgewinnungseinrichtung im Abluftstrom immer die volle zur Verfügung stehende Leistung abgeben kann. Die von der Wärmerückgewinnungseinrichtung rückgewonnene Leistung wird insofern bevorzugtermaßen stets abgerufen.
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In einer ersten Ausgestaltung ist es möglich, das Einstellorgan im Zulauf des Vorwärmetauschers anzuordnen. Alternativ ist es aber auch möglich, das Einstellorgan im Ablauf des Vorwärmetauschers anzuordnen. Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugtermaßen als stufenlos einstellbares Dreiwege-Ventil ausgebildet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Klimatisierungseinrichtung weiterhin noch einen zwischen Vorwärmetauscher und Hauptwärmetauscher angeordneten Düsenstock zur bedarfsweisen Befeuchtung des Luftstroms umfassen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Hauptwärmetauscher zur Ausübung mindestens zwei der folgenden, vorzugsweise mindestens drei der folgenden, weiter vorzugsweise mindestens vier der folgenden, besonders vorzugsweise aller fünf folgenden Funktionen ausgebildet:
- - Nachverdunstung von im Luftstrom mitgerissener Befeuchtungspartikel (Befeuchtungsbetrieb),
- - Aufheizen des Luftstroms (Heizbetrieb),
- - Abkühlung des Luftstroms (Kühlbetrieb),
- - Entfeuchtung des Luftstroms (Entfeuchtungsbetrieb),
- - Abtrocknung befeuchteter oder nasser Flächen (Entkeimungsbetrieb).
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Insbesondere im Entfeuchtungsbetrieb muss der Zuluftstrom auf die Taupunkttemperatur oder sogar darunter gekühlt werden, so dass es energetisch äußerst sinnvoll ist, im Vorwärmetauscher eine Vorkühlung des Luftstroms vorzunehmen und zwar über Kälteenergie, die einerseits dem Zuluftstrom durch den Nachwärmetauscher wieder entnommen wird bzw. über in der Wärmerückgewinnungseinrichtung gewonnener Kälteenergie.
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Nach einem bevorzugten Aspekt bildet der Hauptwärmetauscher gleichzeitig auch einen Tropfenabscheider, so dass in dieser Ausgestaltung ein separater Tropfenabscheider, der einen weiteren Strömungsverlust für den Zuluftstrom darstellen würde, entfallen kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung kann das Einstellorgan mit einer Steuerungseinrichtung in Wirkverbindung stehen, die das Einstellorgan zur Aufteilung der Fluidströme ansteuert.
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In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung sind Temperatursensoren am Eingang/Ausgang des Vorwärmetauschers und/oder Eingang/Ausgang der Wärmerückgewinnungseinrichtung und/oder am Eingang/Ausgang des Nachwärmetauschers angeordnet, die mit der Steuerungseinrichtung in Wirkverbindung stehen. Hierdurch ist es möglich, das Einstellorgan basierend auf den Temperaturniveaus der maßgeblichen Stoffströme anzusteuern und einzustellen.
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Der Vorwärmetauscher kann in einer möglichen Ausgestaltung in zwei separate, seriell hintereinander geschaltete Vorwärmetauscher aufgeteilt sein, weiter vorzugsweise kann einer dieser beiden Vorwärmetauscher stromauf eines im Zuluftkanal ebenfalls angeordneten Zuluftventilators und der andere Vorwärmetauscher stromabwärts dieses Zuluftventilators angeordnet sein.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Wärmerückgewinnungseinrichtung wird das Fluid zunächst über den zweiten Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher und von dort über eine Verbindungsleitung an den ersten Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher geführt derart, dass das Fluid entgegen der Strömungsrichtung der Abluft zunächst den zweiten Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher und dann erst den ersten Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher durchströmt.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausgestaltung weist der Abluftkanal noch einen Abluftventilator auf, der bevorzugtermaßen bezogen auf die Strömungsrichtung der Abluft stromaufwärts des ersten abluftseitigen Düsenstocks angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens wird über das Einstellorgan eine stufenlose Aufteilung des Fluids in Fluidströme, die jeweils über die Wärmerückgewinnungseinrichtung bzw. über den Nachwärmetauscher geführt werden, ermöglicht.
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Nach einem weiteren fakultativen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann der Nachwärmetauscher statt in einem Hauptkanal des Zuluftkanals auch in einem Bypassarm des Zuluftkanals untergebracht sein. Auf diese Weise kann der Nachwärmetauscher im Entfeuchtungsbetrieb bedarfsweise „zugeschaltet“ werden, indem über eine Klappe die Strömung durch den Hauptkanal des Zuluftkanals eingeschränkt oder blockiert wird. Bei dieser möglichen Ausgestaltung besteht der Vorteil darin, dass in Betriebszuständen, in denen der Nachwärmetauscher nicht benötigt wird, der durch den Strömungswiderstand des Nachwärmetauschers bedingte Energieverlust vermieden werden kann.
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In einer weiterhin vorteilhaften Ausgestaltung stellt das Einstellorgan eine Aufteilung der Fluidströme zur Führung über die Wärmerückgewinnungseinrichtung bzw. zur Führung über den Nachwärmetauscher aufgrund elektronischer Steuersignale ein. In einer bevorzugten Weiterbildung werden die Temperaturen der Fluidströme erfasst und auf dieser Grundlage die Steuersignale zur Ansteuerung des Einstellorgans erzeugt.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale der Beschreibung eines in 1 veranschaulichten Ausführungsbeispiels näher erläutert:
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Klimatisierungseinrichtung, die auch zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist, näher beschrieben. In einem Zuluftkanal 11, der von einem einlassseitigen Ende 12 einerseits und einem auslassseitigen Ende 13 andererseits begrenzt wird, sind in Strömungsrichtung der Zuluft folgende Komponenten angeordnet:
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Ein erster Vorwärmetauscher 15, ein Zuluftventilator 30 zum Fördern des Zuluftstroms, ein zweiter Vorwärmetauscher 15', ein Düsenstock 25, ein Hauptwärmetauscher 14 sowie ein Nachwärmetauscher 17. Die im Zuluftkanal 11 konditionierte Luft wird in einem Raum (nicht gezeigt) geführt und aus diesem Raum über einen Abluftkanal 31 abgeführt. Dieser weist ein einlassseitiges Ende 32 sowie ein auslassseitiges Ende 33 auf. Ausgehend vom einlassseitigen Ende 32 sind in Strömungsrichtung des Abluftstroms mindestens folgende Elemente im Abluftkanal angeordnet:
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Ein Abluftventilator 34, ein erster abluftseitiger Düsenstock 35, ein erster abluftseitiger Wärmerückgewinnungswärmetauscher 36, ein zweiter abluftseitiger Düsenstock 37 sowie ein zweiter abluftseitiger Wärmerückgewinnungswärmetauscher 38.
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Über eine Hochdruckpumpe 39 können dem Düsenstock 25 im Zuluftkanal über eine zuluftseitige Hochdruckleitung 40 und den Düsenstöcken 35, 37 im Abluftkanal 31 über eine abluftseitige Hochdruckleitung 41 Befeuchtungsfluid, insbesondere Wasser, unter hohem Druck zugeführt werden. Über entsprechend ausgebildete Düsen kann das Befeuchtungsfluid unter hohem Druck an den Düsenstöcken 25, 35, 37 ausgetragen werden, so dass das Befeuchtungsfluid feinstvernebelt, insbesondere als Aerosolnebel in den Zuluftstrom bzw. in den Abluftstrom ausgetragen wird und aufgrund der großen spezifischen Oberfläche eine sehr effiziente Verdunstung erzielt wird. Bevorzugte Tröpfchengrößen des erzeugten Aerosolnebels liegen im Bereich von 10 µm bis 50 µm.
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Vorwärmetauscher 15, 15', Nachwärmetauscher 17 und Wärmerückgewinnungseinrichtung 16 sind wie nachstehend beschrieben hydraulisch miteinander verbunden: Über eine abstromseitige Leitung 18 gelangt Wärmefluid aus dem Vorwärmetauscher 15 an einen Verzweigungspunkt 42. Vom Verzweigungspunkt 42 gehen die Zuleitungen 19 und 20 aus. Die Zuleitung 19 verbindet den Verzweigungspunkt 42 mit der Wärmerückgewinnungseinrichtung 16, konkret mit dem zweiten abluftseitigen Düsenstock 37. Die Zuleitung 20 verbindet den Verzweigungspunkt 42 mit dem Nachwärmetauscher 17. Über eine Ableitung 21 gelangt vom Nachwärmetauscher in seinem Temperaturniveau verändertes, insbesondere abgekühltes Fluid an einem zweiten Verzweigungspunkt 43. Am zweiten Verzweigungspunkt 43 werden die Ableitung 21 vom Nachwärmetauscher und eine von der Wärmerückgewinnungseinrichtung 16 kommende Ableitung 22 vereinigt zu einer Zuleitung 23 in dem Vorwärmetauscher. In der vorliegenden, konkret dargestellten Ausführungsform ist der Vorwärmetauscher in zwei Vorwärmetauscher 15, 15' unterteilt, die über eine Verbindungsleitung 44 miteinander verbunden sind. Die Vorwärmetauscher 15, 15' werden entgegen der Strömungsrichtung des Zuluftstroms angeordnet und durchströmt. Insofern gelangt das vom Nachwärmetauscher 17 bzw. der Wärmerückgewinnungseinrichtung 16 rückgeführte Fluid zunächst in den bezogen auf den Zuluftstrom stromabwärts des Zuluftventilators 30 angeordneten Vorwärmetauscher 15'. Über eine Verbindungsleitung 44 wird das aus dem Vorwärmetauscher 15' ausströmende Wärmefluid in den Vorwärmetauscher 15 überführt, der stromaufwärts des Zuluftventilators 30 angeordnet ist.
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Auch die Wärmerückgewinnungseinrichtung weist, wie bereits erwähnt, zwei seriell zueinander angeordnete Wärmerückgewinnungswärmetauscher 36, 38 auf, wobei das von dem bzw. den Vorwärmetauschern 15, 15' über die Zuströmleitung 19 einströmende Fluid zunächst in den zweiten abluftseitigen Wärmerückgewinnungswärmetauscher 38 eintritt und über eine Verbindungsleitung 46 an den ersten abluftseitigen Wärmerückgewinnungswärmetauscher 36 geführt wird und von dort über die Ableitung 22 an den zweiten Verzweigungspunkt 42 strömt. Am zweiten Verzweigungspunkt 42 ist ein als stufenlos einstellbares Dreiwege-Ventil ausgebildetes Einstellorgan 24 vorgesehen. Über dieses Einstellorgan lassen sich die Anteile des Fluids, die ausgehend vom Vorwärmetauscher 15 über die Wärmerückgewinnungseinrichtung 16 bzw. über den Nachwärmetauscher 17 geführt werden, stufenlos einstellen und so eine möglichst optimale Kühlleistung für den Vorwärmetauscher 15', 15 eingemischt. Insofern erfolgt eine Einstellung der jeweiligen Fluidmengen über das Einstellorgan.
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Eine Fluidpumpe 45 zum Antrieb des Fluidstroms ist entweder, wie konkret dargestellt, in der Zuleitung 23 stromaufwärts des Vorwärmetauschers 15' oder in der Ableitung 18 stromabwärts des Vorwärmetauschers 15 angeordnet, um das Wärmefluid umzuwälzen. Vorzugsweise ist die Fluidpumpe 45 in ihrer Förderleistung stufenlos einstellbar, um so die Fluidmenge und damit die zugeführte Wärme- bzw. Kältemenge einstellen zu können.
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Eine Steuerungseinrichtung 26 steht mit einer Mehrzahl von Temperatursensoren 27, 28, 29 in Wirkverbindung, die die Temperaturniveaus der maßgeblichen Stoffströme erfassen. Konkret können beispielsweise ein Temperatursensor 27 in der Ableitung 18 des Vorwärmetauschers 15, ein Temperatursensor 28 in der Ableitung der Wärmerückgewinnungseinrichtung 16 und ein Temperatursensor 29 in der Ableitung des Nachwärmetauschers vorgesehen sein. Die Temperatursensoren 27, 28, 29 stehen mit der Steuerungseinrichtung 26 in Wirkverbindung. Basierend auf den erfassten Messwerten der Temperatursensoren 27, 28, 29 und ggf. weiterer Parameter steuert die Steuerungseinrichtung 26 einerseits das als stufenlos einstellbares Dreiwege-Ventil ausgebildete Einstellorgan 24 an. Darüber hinaus kann die Steuerungseinrichtung 26 auch die Hochdruckpumpe 39 ansteuern, sofern diese in ihrer Förderleistung einstellbar, insbesondere stufenlos ausgebildet ist. Der Nachwärmetauscher wird, wie bereits erwähnt, im Entfeuchtungsbetrieb als Aufheizung des Zuluftstroms eingesetzt. Insbesondere im Sommer wird eine Aufheizung des Zuluftstroms im Nachwärmetauscher auf 17 °C bis 19 °C bevorzugt, um insofern kühle, aber nicht kalte Luft in den Raum einbringen zu können. Bei der Entfeuchtung wird der Zuluftstrom im Hauptwärmetauscher auf je nach gewünschter Entfeuchtung (Taupunkt) auf eine geeignete Temperatur abgekühlt. Wie sich ohne weiteres aus dem Molier-HX-Diagramm entnehmen lässt, wird bei einer tieferen Temperatur eine entsprechend höhere Entfeuchtung erreicht. Somit wird das Fluid im Nachwärmetauscher annähernd auf diese Temperatur abgekühlt und anschließend dem Vorwärmetauscher 15', 15 zugeführt, um eine Vorabkühlung des Zuluftstroms zu erwirken. Gleichzeitig wird das aus dem Vorwärmetauscher 15', 15 abströmende Kaltfluid in die Wärmerückgewinnungseinrichtung 16 rückgeführt, sodass eine nahezu 100%ige Rückgewinnung der im Nachwärmetauscher gewonnenen Kälte ermöglicht wird.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Zuluftkanal
- 12
- einlassseitiges Ende (Zuluftkanal)
- 13
- auslassseitiges Ende (Zuluftkanal)
- 14
- Hauptwärmetauscher
- 15, 16
- Anschlüsse (Hauptwärmetauscher)
- 15, 15'
- Vorwärmetauscher
- 16
- Wärmerückgewinnungseinrichtung
- 17
- Nachwärmetauscher
- 18 bis 23
- Leitungen
- 24
- Einstellorgan
- 25
- Düsenstock
- 26
- Steuerungseinrichtung
- 27, 28, 29
- Temperatursensor
- 30
- Zuluftventilator
- 31
- Abluftkanal
- 32
- einlassseitiges Ende (Abluftkanal)
- 33
- auslassseitiges Ende (Abluftkanal)
- 34
- Abluftventilator
- 35
- erster abluftseitiger Düsenstock
- 36
- erster abluftseitiger Wärmerückgewinnungs-WT
- 37
- zweiter abluftseitiger Düsenstock
- 38
- zweiter abluftseitiger Wärmerückgewinnungs-WT
- 39
- Hochdruckpumpe
- 40
- zuluftseitige Hochdruckleitung
- 41
- abluftseitige Hochdruckleitung
- 42
- erster Verzweigungspunkt
- 43
- zweiter Verzweigungspunkt
- 44
- Verbindungsleitung
- 45
- Fluidpumpe
- 46
- Verbindungsleitung
