DE202004015819U1 - Wärmepumpensystem - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Wärmepumpensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Die Nutzung von fossilen Energien gewinnt in der Bundesrepublik Deutschland immer mehr an Bedeutung, da der Treibhauseffekt der Atmosphäre im wesentlichen auf das Verbrennen fossiler Primärenergieträger (Kohle, Erdöl, Erdgas) zurückzuführen ist. Durch den verstärkten Einsatz regenerativer und geothermischer Energien kann eine Verminderung der Kohlendioxidemission in die Atmosphäre erreicht werden.
- Die Bundesrepublik Deutschland verwendet für Gebäudeheizungen etwa ein Drittel ihrer gesamten Endenergie in einem Temperaturbereich unter 100°C. In diesem Temperaturbereich ist die Arbeitsfähigkeit der Wärme, der so genannte Exergiegehalt gering. Das führt dazu, dass herkömmliche Verbrennungsheizungen auf Erdgas- bzw. Erdölbasis eine erhebliche Entwertung der als Exergie gespeicherten chemischen Brennstoffenergie durch Verbrennung und anschließenden Wärmeübergang auf die genannten tieferen Temperaturen vornehmen, was zu exergetischen Primärenergie-Nutzungsgraden von nur ca. 6 % führt.
- Kesselsysteme, beispielsweise im Betrieb mit Heizöl oder Erdgas sind praktisch am Ende ihrer technischen Entwicklung angekommen. Derartige Systeme erreichen einen Nutzungsgrad, der geringfügig unter dem physikalischen Maximum liegt.
- Wärmepumpen als thermodynamische Heizung können exergetische Primärenergienutzungsgrade von etwa dem vierfachen erreichen, da sie Wärme aus der Umgebung aufnehmen und diese auf die für die Beheizung erforderliche Temperatur pumpen. Als Energieträger kommen dabei beispielsweise die Energie der Umgebungsluft, der Oberflächengewässer oder Oberflächen naher Bodenschichten in Frage. Geothermische Energie zur Beheizung von Gebäuden kann durch Nutzung warmer hydrothermaler Tiefengewässer direkt verwendet werden, bei der Anwendung von Erdwärmesonden bis ca. 100 m Tiefe jedoch nur indirekt mit Wärmepumpenanlagen, die Erdwärme im Temperaturbereich von 8°C bis 12°C auf ein für die Gebäudebeheizung nutzbares Temperaturniveau (35°C oder höher) anheben.
- Etwa zwei Drittel aller in Deutschland im Jahr 2001 installierten Wärmepumpen nutzen Erdwärme als Wärmequelle, wobei bei 46 % der Anlagen vertikale Erdwärmesonden zur Nutzung der Erdwärme verwendet wurden.
- Als Wärmeträger für diese Erdwärmetauscher werden gegenwärtig häufig einphasige Arbeitsstoffe, wie Wasser-Glykol oder Wasser-Salzmischungen verwendet, die durch die Sonden zum Verdampfer der Wärmepumpe gepumpt werden (Solesonden). Nachteilig bei derartigen Sonden ist, dass diese Solen in die Wassergefährdungsklasse 1 eingestuft sind, was eine wasserrechtliche Genehmigung erforderlich macht. Des weiteren ist bei diesen Anlagen eine Pumpe zum Umwälzen der einphasigen Flüssigkeit erforderlich, wodurch der Energiebedarf und der vorrichtungstechnische Aufwand der Anlage erheblich erhöht ist. Eine derartige Solesonde ist beispielsweise aus www.hakagerodur.ch bekannt.
- Aus der
DE 42 115 76 A1 sind auch zweiphasige Systeme bekannt, bei denen ein Wärmeträger verwendet wird der in einer Heizzone verdampft und in einer -Kühlzone kondensiert wird. Derartige zweiphasige Systeme weisen eine höhere energetische Effizienz auf, da keine Umwälzpumpe benötigt wird. Bei der Wärmeübertragung vom Wärmeträger der Erdwärmesonde auf das Kältemittel einer Wärmepumpe haben die einphasigen Wärmeträger des weiteren den Nachteil, dass in Folge der nicht kongruenten Temperaturverläufe des Wärmeträgers und des Kältemittels im Kältemittelverdampfer der Wärmepumpen Wärmetauscherverluste entstehen, da das Kältemittel bei im wesentlichen konstanter Temperatur verdampft und der Wärmeträger von der Eintrittstemperatur auf die Austrittstemperatur abgekühlt wird. Dieser Nachteil besteht bei zweiphasigen Wärmeträgern nicht. - In der
DE 298 24 676 U1 der Anmelderin wird eine Erdwärmesonde beschrieben, bei der als Wärmeträger CO2 verwendet wird. Der wesentliche Vorteil dieses Wärmeträgers liegt in der guten Umweltverträglichkeit, so dass bei einer Leckage des Erdwärmerohres keine Umweltgefährdung zu befürchten ist. Des weiteren weist CO2 gegenüber den herkömmlichen Kältemitteln ein vernachlässigbares Treibhauspotential auf. Diese Erdwärmesonde ist thermodynamisch mit einem Verdampfer eines Wärmepumpensystems verbunden, das darüber hinaus eine Verdichteranordnung, einen Kondensator und eine Entspannungseinrichtung für das im Kreislauf geführte Kältemittel hat. - In der
DE 31 15 743 A1 ist ein Wärmepumpensystem gezeigt, bei dem ebenfalls die Kondensationswärme aus dem Kreislaufprozess der Erdwärmesonde zum Verdampfen des Kältemittels einer Wärmepumpe ausgenutzt wird. Bei dieser bekannten Lösung ist die Wärmepumpe im Abstand zur Erdwärmesonde angeordnet, so dass die thermodynamische und mechanische Ankopplung insbesondere im Hinblick auf Wärmeverluste problematisch ist. - Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wärmepumpensystem zu schaffen, das bei geringem vorrichtungsttechnischen Aufwand kompakt aufgebaut ist.
- Diese Aufgabe wird durch ein Wärmepumpensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Erfindungsgemäß wird sowohl bei der Erdwärmesonde als auch im Wärmepumpenkreislauf CO2 als Wärmeträger/Kältemittel verwendet. Die Bauelemente der Wärmepumpe, d.h. eine Verdichteranordnung, ein Kondensator, eine Entspannungseinrichtung und ein Verdampfer sind in einem kompakten Wärmepumpenkopf aufgenommen, der thermisch und mechanisch mit der CO2-Erdwärmesonde gekoppelt ist. Dieser Wärmepumpenkopf lässt sich vergleichsweise einfach im Werk vormontieren und kann dann vor Ort mit geringem Montageaufwand mit der in den Erdboden eingesetzten Erdwärmesonde verbunden werden. Aufgrund der kompakten Ausführung lassen sich auch die Wärmeverluste der Wärmepumpe auf ein Minimum reduzieren.
- Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat die Erdwärmesonde kopfseitig einen Kondensationsraum, in dem der Verdampfer der Wärmepumpe aufgenommen ist. Das heißt, bei dieser Lösung ist der Kondensationsraum der Erdwärmesonde ebenfalls in den Wärmepumpenkopf integriert.
- Dieser ist besonders kompakt aufgebaut, wenn der Kondensator der Wärmepumpe den Kondensationsraum der Erdwärmesonde umgreift.
- Die Verdichteranordnung wird vorzugsweise an einer Kopfplatte des Wärmepumpenkopfs montiert, wobei ein Druckanschluss der Verdichteranordnung mit dem von der Kopfplatte überdeckten Kondensator und ein Sauganschluss der Verdichteranordnung mit dem ebenfalls von der Kopfplatte überdeckten Verdampfer verbunden ist, so dass die Rohrleitungsabschnitte zwischen diesen Bauelementen mit minimaler Länge und damit mit minimalem Wärmeverlust ausgeführt werden können.
- Bei einem besonders bevorzugten Ausführungbeispiel ist die Verdichteranordnung mit drei Verdichtern ausgeführt, die miteinander gekoppelt sind und gemeinsam oder getrennt voneinander ansteuerbar sind.
- Die Antriebselemente der Verdichter, wie beispielsweise Elektrostarteinheiten, Elektromotoren etc. sind dann vorzugsweise ebenfalls an der Kopfplatte befestigt.
- Es wird dabei bevorzugt, die Verdichter entlang eines gemeinsamen Teilkreises auf der Kopfplatte anzuordnen und ein Füllventil für die Erdwärmesonde in der Mittelachse dieses Teilkreises anzuordnen.
- Der Verdampfer und der Kondensator können beispielsweise als koaxial zueinander angeordnete Schlangenrohrwärmetauscher ausgeführt sein, die vorzugsweise in der Achse der Erdsonde angeordnet sind. Bei einer Weiterbildung ist die Rohrwicklung des Kondensators als Innenrohr einer Wendel eines Wärmetauschers eines Heizkreislaufs vorgesehen.
- Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Wärmepumpenkopf ein etwa zylinderförmiges Gehäuse, das den Verdampfer, den Kondensator, die Expansionseinrichtung und den Kondensationsraum der Erdwärmesonde umgreift und das durch- die Kopfplatte abgedeckt ist.
- Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
- Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 ein stark vereinfachtes Schaltschema eines erfindungsgemäßen Wärmepumpensystems; -
2 einen Schnitt durch einen Wärmepumpenkopf des Wärmepumpensystems aus1 und -
3 eine Draufsicht auf den Wärmepumpenkopf aus2 . - In
1 ist schematisch ein Wärmepumpensystem1 dargestellt, wie es beispielsweise für eine Heizanlage eines Wohnhauses eingesetzt werden kann. Bei einem derartigen Wärmepumpensystem1 wird ein Kältemittel, im vorliegenden Fall CO2 über einen Verdichter2 isentrop verdichtet und einem Kondensator4 zugeführt. In diesem wird das verdichtete Kältemittel kondensiert, wobei die Kondensationswärme im Wärmeaustausch mit der Umgebung zum Aufheizen eines Mediums, beispielsweise dem Wasser eines Heizkreislaufs oder der Umgebung ausgenutzt wird. Das kondensierte Kältemittel wird in einer Drossel6 oder einer anderen geeigneten Expansionseinrichtung entspannt und in einem Verdampfer8 verdampft, so dass an dessen Ausgang des Kältemittel entspannt und gasförmig vorliegt. Die für die Verdampfung des Kältemittels erforderliche Verdampfungswärme muss dem Verdampfer8 extern zugeführt werden. Erfindungsgemäß erfolgt dies über eine CO2-Erdwärmesonde10 , die in das Erdreich eingesetzt ist und mit einem Wärmepumpenkopf12 verbunden ist, in den die Ver dichteranordnung2 , der Kondensator4 , die Drossel6 und der Verdampfer8 integriert sind. -
2 zeigt einen Schnitt durch den Wärmepumpenkopf12 . Demgemäß hat dieser ein etwa zylinderförmiges Gehäuse14 , das von einer Kopfplatte16 abgedeckt ist. - In dieses Gehäuse
14 taucht von unten her (Ansicht nach2 ) die Erdwärmesonde10 ein, die in eine Erdbohrung18 eingesetzt ist. Ein aus der Erdbohrung18 hervorstehender Endabschnitt der Erdwärmesonde10 ist über einen Anschluss20 mit einem von einer Kondensationskammer22 umgebenen Kondensationsraum24 verbunden. In diesem Kondensationsraum24 wird das gasförmig aus der Erdwärmesonde10 austretende CO2 kondensiert und strömt als Kondensatfilm an den Innenumfangswandungen der Erdwärmesonde10 zurück nach unten zu deren Fuß. Dieser Kreislauf ist im Detail in derDE 289 24 676 U1 und derDE 103 27 602 A1 der Anmelderin offenbart, so dass hinsichtlich der Funktion der Erdwärmesonde10 auf diese Ausführungen verwiesen werden kann. - In der Kondensationskammer
22 ist der Verdampfer8 aufgenommen, der beim dargestellten Ausführungsbeispiel als Schlangenrohrwärmetauscher26 ausgeführt ist. Ein Eingangsanschluss28 des Schlangenrohrwärmetauschers26 ist kopfseitig aus der Kondensationskammer22 herausgeführt und an eine nach unten verlaufende Verbindungsleitung30 angeschlossen, in der ein die Expansionseinrichtung ausbildendes Regelventil (Drosselventil)32 und ein Rückschlagventil34 angeordnet sind. Dieses Rückschlagventil34 ermöglicht eine Kältemittelströmung nach oben zum Eingangsanschluss28 des Schlangenrohrwärmetauschers26 . Die Verbindungsleitung30 ist stromaufwärts des Regelventils mit dem Kondensator4 verbunden, der bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ebenfalls durch eine schlangenrohrförmige Rohrwicklung36 gebildet ist, die im Inneren eines Wendels38 geführt ist, das vom Heizwasser eines Heizkreislaufs durchströmt wird, das über einen Heizwassereintritt40 zuströmt und über einen Heizwasseraustritt42 abgeführt wird. Das heißt, bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind der Wärmetauscher des Heizkreislaufs und der Kondensator4 des Wärmepumpensystems1 durch ein wendelförmiges Doppelrohrsystem ausgebildet, wobei das Innenrohr durch die Rohrwicklung36 gebildet ist, die von der schlangenförmigen Wendel38 des Heizwasserkreislaufs umgeben ist. Heizwasser strömt somit im Ringraum zwischen der Wendel38 und der Rohrwicklung36 , das kondensierende CO2 im Innenraum der Rohrwicklung36 . - Wie in
2 angedeutet, sind die Kondensationskammer22 und die Doppelrohrwendel in einem isolierten Raum44 aufgenommen. Die Verdichteranordnung2 ist auf der Kopfplatte16 montiert und besteht gemäß der Draufsicht in3 im wesentlichen aus drei Verdichtern50 ,52 ,54 , deren Eingangs- und Ausgangsanschlüsse derart miteinander verbunden sind, dass sie gemeinsam oder in Teilkombination CO2 verdichten können. Ein mit einem Kondensatoreingang des Kondensators46 verbundener Druckanschluss48 der Verdichteranordnung ist über eine Ringleitung62 sowie jeweils einer Druckleitung56 ,58 ,60 mit den jeweiligen Druckanschlüssen der Verdichter50 ,52 ,54 verbunden. Deren Sauganschlüsse sind über Saugleitungen64 ,66 ,68 mit einer Saugringleitung70 verbunden, die in einem Sauganschluss72 der Verdichteranordnung2 mündet. Die drei Verdichter50 ,52 ,54 sind beispielsweise handelsübliche Hubkolbenverdichter, die für CO2 geeignet sind. Diese werden mittels Öl gekühlt/geschmiert, das über eine ringförmige, die Ölsümpfe verbindende Ölleitung74 zirkuliert. - Die drei Verdichter
50 ,52 ,54 gemäß3 sind an der Oberseite der Kopfplatte16 angeflanscht. An der in2 sichtbaren unteren Großfläche der Kopfplatte16 , d.h. im Inneren des Gehäuses sind Antriebseinheiten76 ,78 ,80 der drei Verdichter50 ,52 ,54 mit den Elektromotoren und den Elektrostarteinheiten befestigt. Durch das Anbringen der Verdichter50 ,52 ,54 außerhalb des Wärmepumpenkopfs12 wird deren Überhitzung verhindert, die vergleichsweise empfindlichen Antriebseinheiten sind jedoch im Inneren des Gehäuses14 gegen Umwelteinflüsse geschützt. - Der Sauganschluss
72 der Verdichteranordnung2 ist über eine Rohrleitung mit einem Ausgangsanschluss82 des Schlangenrohrwärmetauschers26 des Verdampfers8 verbunden. - Das aus diesem Verdampfer
8 über Kopf abströmende gasförmige CO2 tritt über den Sauganschluss72 in die Verdichteranordnung2 ein, wird dort auf den erforderlichen Systemdruck verdichtet und über den Druckanschluss48 zurück in den Wärmepumpenkopf12 geführt. Das verdichtete, gasförmige CO2 tritt dann über den Kondensatoreingang46 in den Kondensator4 ein, der durch die innen liegende Rohrwicklung36 gebildet ist. Durch Wärmeaustausch mit dem die Wendel38 durchströmenden Heizwasser wird das CO2 kondensiert. Das Kondensat tritt dann von unten in die Verbindungsleitung30 ein, durchströmt das Rückschlagventil34 und wird über das Regelventil32 entspannt. Das entspannte, flüssige CO2 strömt dann durch den Eingangsanschluss28 in das Innere der Kondensatkammer22 und tritt in den Schlangenrohrwärmetauscher26 ein. Im Kondensationsraum24 befindet sich das über die Erdwärmesonde10 verdampfte CO2, das durch Wärmeaustausch mit dem den Schlangenrohrwärmetauscher26 durchströmenden CO2 kondensiert wird und dann als Kondensatfilm wieder nach unten abströmt. Die frei werdende Kondensationswärme verdampft das im Schlangenrohrwärmetauscher26 strömende flüssige CO2, so dass dieses gasförmig über den Ausgangsanschluss82 des Verdampfers8 zum Sauganschluss72 der Verdichteranordnung2 zurückströmt – der Kreislauf beginnt von Neuem. - Das vorbeschriebene Wärmepumpensystem zeichnet sich durch einen äußerst kompakten Aufbau bei minimalen Wärmeverlusten aus, so dass dessen Wirkungsgrad herkömmlichen Anlagen überlegen ist.
- Wie insbesondere
3 entnehmbar ist, liegen die drei Verdichter50 ,52 ,54 auf einem gemeinsamen Teilkreis. Im Mittelpunkt dieses Teilkreises ist an der Kopfplatte16 ein CO2-Füllventil84 montiert, dessen Ausgangsanschluss über eine Füllleitung86 mit dem Kondensationsraum24 verbunden ist. Dieses CO2-Füllventil84 ermöglicht eine einfache Füllung der Erdwärmesonde10 . - Offenbart ist ein Wärmepumpensystem, bei dem eine Wärmepumpe mit einer Verdichteranordnung, einem Kondensator, einer Expansionseinrichtung und einem Verdampfer thermisch mit einer CO2-Erdwärmesonde gekoppelt ist. Die Wärmepumpe verwendet ebenfalls CO2 als Kältemedium, wobei der Verdampfer, der Kondensator, die Verdichteranordnung und die Expansionseinrichtung als kompakte Einheit in oder an einem Wärmepumpenkopf aufgenommen sind, der thermisch und mechanisch mit der CO2-Erdwärmesonde gekoppelt ist.
-
- 1
- Wärmepumpensystem
- 2
- Verdichteranordnung
- 4
- Kondensator
- 6
- Drossel
- 8
- Verdampfer
- 10
- Erdwärmesonde
- 12
- Wärmepumpenkopf
- 14
- Gehäuse
- 16
- Kopfplatte
- 18
- Erdbohrung
- 20
- Anschluss
- 22
- Kondensationskammer
- 24
- Kondensationsraum
- 26
- Schlangenrohrwärmetauscher
- 28
- Eingangsanschluss
- 30
- Verbindungsleitung
- 32
- Regelventil
- 34
- Rückschlagventil
- 36
- Rohrwicklung
- 38
- Wendel
- 40
- Heizwassereintritt
- 42
- Heizwasseraustritt
- 44
- Raum
- 46
- Kondensatoreingang
- 48
- Druckanschluss
- 50
- Verdichter
- 52
- Verdichter
- 54
- Verdichter
- 56
- Druckleitung
- 58
- Druckleitung
- 60
- Druckleitung
- 62
- Ringleitung
- 64
- Saugleitung
- 66
- Saugleitung
- 68
- Saugleitung
- 70
- Saugringleitung
- 72
- Sauganschluss
- 74
- Ölleitung
- 76
- Antriebseinheit
- 78
- Antriebseinheit
- 80
- Antriebseinheit
- 82
- Ausgangsanschluss
- 84
- CO2-Füllventil
- 86
- Füllleitung
Claims (11)
- Wärmepumpensystem mit einem im Kreislauf geführten Kältemittel und einer Verdichteranordnung (
2 ), einem Kondensator (4 ), einer Expansionseinrichtung (6 ) und einem Verdampfer (8 ), der durch Energiekopplung mit einer CO2-Erdwärmesonde (10 ) betrieben ist, wobei Kondensationswärme des Kältemittels zum Beheizen eines Mediums verwendbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel ebenfalls CO2 ist und Verdampfer (8 ), Kondensator (4 ), Verdichteranordnung (2 ) und Expansionseinrichtung (6 ) als Einheit in einem Wärmepumpenkopf (12 ) aufgenommen sind, der thermisch und mechanisch mit der CO2-Erdwärmesonde (10 ) gekoppelt ist. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 1, wobei die CO2-Erdwärmesonde (
10 ) kopfseitig einen Kondensationsraum (24 ) hat, in dem der Verdampfer (8 ) aufgenommen ist. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 2, wobei der Kondensator (
4 ) den Kondensationsraum der Erdwärmesonde (10 ) umgreift. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 2 und 3, wobei die Verdichteranordnung (
2 ) an einer Kopfplatte (16 ) des Wärmepumpenkopfes (12 ) angeordnet ist, wobei ein Druckanschluss (48 ) der Verdichteranordnung (2 ) mit dem von der Kopfplatte (16 ) überdeckten Kondensator (4 ) und ein Sauganschluss (72 ) der Verdichteranordnung (2 ) mit dem ebenfalls von der Kopfplatte (16 ) überdeckten Verdampfer (8 ) verbunden ist. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 4, wobei die Verdichteranordnung (
2 ) drei Verdichter (50 ,52 ,54 ) hat, die miteinander gekoppelt sind und gemeinsam oder getrennt voneinander ansteuerbar sind. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 4 oder 5, wobei Antriebseinheiten (
76 ,78 ,80 ) der Verdichter (50 ,52 ,54 ) ebenfalls an der Kopfplatte (16 ) befestigt sind. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 6, wobei die Verdichter (
50 ,52 ,54 ) entlang eines gemeinsamen Teilkreises auf der Kopfplatte (16 ) verteilt sind. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 6, wobei ein CO2-Füllventil (
84 ) für die Erdwärmesonde (10 ) in der Mittelachse des Teilkreises angeordnet ist. - Wärmepumpensystem nach Anspruch 2 und 3, wobei Verdampfer (
8 ) und Kondensator (2 ) als koaxial zueinander angeordnete Schlangenrohrwärmetauscher (26 ,36 ) ausgeführt sind, die vorzugsweise in der Achse der Erdsonde (10 ) angeordnet sind. - Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Rohrwicklung (
36 ) des Kondensators (4 ) als Innenrohr in einer Wendel (38 ) eines Heizwasserkreislaufs angeordnet ist. - Wärmepumpensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Wärmepumpenkopf (
12 ) ein zylinderförmiges Gehäuse (14 ) hat, das durch die Kopfplatte (16 ) abgedeckt ist.
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Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202004015819U DE202004015819U1 (de) | 2004-10-12 | 2004-10-12 | Wärmepumpensystem |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
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Family
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Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE202004015819U Expired - Lifetime DE202004015819U1 (de) | 2004-10-12 | 2004-10-12 | Wärmepumpensystem |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE202004015819U1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE202008008351U1 (de) | 2008-05-16 | 2008-08-21 | Brugg Rohrsysteme Gmbh | Wärmepumpensystem |
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