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Die
Erfindung betrifft ein Klimagerät
mit einem Kältekreis
zur Ausführung
eines Verdichtungsbetriebs, bei dem ein Kältemittel über einen Verdichter auf Hochdruckniveau
verdichtet wird sowie in einem Verflüssiger geleitet und dort abgekühlt wird, wobei
Wärmeenergie
an eine Umgebung abgegeben wird und anschließend über ein Expansionsventil entspannt
wird, wobei das Kältemittel
im Verdampfer unter Aufnahme von Wärme verdampft.
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Zur
Wärmeabfuhr
bei Schaltschränken
ist es bekannt, Klimageräte
der genannten Art einzusetzen. Bei diesem Klimabetrieb erfolgt eine
Kühlung nahezu
unabhängig
von der Umgebungstemperatur, so dass auch eine Kühlung erfolgen, wenn die Umgebungstemperatur
höher ist
als die gewünschte Schaltschranktemperatur.
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Durch
die Wärmeabgabe
an die Umgebung nach diesem Prinzip entsteht jedoch durch die relativ hohe
aufzuwendende Energie für
den Verdichtungsprozess des Kältemittels
hohe Energieverbräuche.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Klimagerät für Schaltschränke der
genannten Art zu schaffen, das insgesamt weniger elektrische Energie
verbraucht.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass ein alternativer Pumpbetrieb erfolgt, bei dem das Kältemittel
ohne Druckveränderung
umgepumpt wird, so dass ein Wärmetransport
nach einem Wärmetauscherprinzip
erfolgt.
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Die
Erfindung beruht auf den Gedanken, dass bei geringerer Umgebungstemperatur
und höherer
Schaltschranktemperatur ein Wärmeaustausch durch
Pumpen des Kältemittels
erfolgt. Die im Schaltschrank aufgenommene Wärmeleistung wird im internen
Wärmetauscher
an das Fluid übertragen,
erwärmt
das Fluid und wird zu dem äußeren Wärmetauscher
gefördert.
Hier wird die aufgenommene Wärmeleistung
an die kühlere
Umgebungsluft abgegeben. Wärmeabgebende
Schaltschrankkomponenten können
sein sowohl Elektronikkomponenten, wie speicherprogrammierbare Steuerungen,
andere Steuerungen, Computer, Server, Geräte für die Telekommunikation und
dergleichen als auch elektromechanische Komponenten, wie Schaltgeräte. In der Regel
sind Schaltschränke
häufig
in speziellen Räumen
für Schaltanlagen
oder in anderen Räumen
untergebracht, in denen eine Umgebungstemperatur von etwa 20° relativ
häufig
vorkommt. Bei dieser Temperatur ist ein Wärmetausch nach dem Prinzip eines
Wärmetauschers
günstig.
Im Pumpbetrieb wird vorzugsweise nämlich kein Verdichter eingesetzt.
Ein Hochdruck ist im Pumpbetrieb nicht erforderlich. Für die Bereitstellung
des Hochdrucks ist eine hohe Leistung erforderlich. Elektrische
Energie wird lediglich benötigt,
um die erforderliche Pumpe bzw. zusätzliche Lüfter zu betreiben. Dieser Energiebedarf
ist jedoch verhältnismäßig gering.
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Ein
erheblicher Vorteil der Erfindung ist, dass Schaltschränke mit
sehr hoher IP-Schutzklasse ausgeführt sein können, denn der Pumpbetrieb
nach dem Wärmetauscherprinzip
erlaubt ein geschlossenes Schaltschranksystem ohne direkte Lufteintrittsöffnungen,
wie es für
die Klimatisierung mit z. B. Filterlüftern notwendig wäre.
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Ein
anderer Vorteil des erfindungsgemäßen Klimagerätes ist,
dass Komponenten, wie Verflüssiger
oder Wärmetauscher,
für beide
Betriebsarten genutzt werden können,
wodurch die Anzahl der erforderlichen zusätzlichen Komponenten relativ
gering ist.
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Das
im Kreislauf eingesetzte Kältemittel
Fluid erfüllt
praktisch verschiedene Funktionen.
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Eine
erste Funktion ist die Verwendung als konventionelles Kältemittel
in einem Kompressions-Kältekreislauf
mit den thermodynamischen Prozessen Verdichten und Expandieren,
Verdampfen und Verflüssigen.
Durch das Verdichten von einem Niederdruck auf einem Hochdruck ist
das Kältemittel in
der Lage, Wärme
bei niedriger Verdampfungstemperatur aufzunehmen und danach bei
hohem Druck und hoher Temperatur im Verflüssiger an die Umgebung abzugeben.
Bei der anschließenden
Expansion des Kältemittels über das
Expansionsventil wird der Hochdruck auf Niederdruck gebracht. Das
Kältemittel expandiert,
verdampft und entzieht dem Schaltschrank erneut Wärme.
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Eine
zweite Funktion des Fluids ist die des reinen Wärmeenergietransports im Pumpbetrieb, und
zwar ohne Druckänderung.
Das Fluid nimmt im Wärmetauscher
die von den Schaltschrankkomponenten erzeugte Verlustwärme auf
und transportiert sie nach außen.
Verdampfungs- und Kondensationsprozesse finden hier nicht zwingend
statt, können aber
Bestandteil des Wärmeaustausches
sein.
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In überraschender
Weise kann bei einer Schaltschrankkühlung für beide Kühlarten dasselbe Kühlmittel
eingesetzt werden, so dass der Kühlprozess
im Wesentlichen bzw. über
weite Teile des Kreises über
einen gemeinsamen Kreislauf erfolgen kann.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine Kombination von einem
Standard-Kältekreislauf
im Klimabetrieb mit einem Pumpbetrieb ohne Druckänderung eines Fluids eine effiziente Kühlung bei
geringerem Energiebedarf schafft. Die Erfindung beruht also auf
einer Erweiterung eines Standard-Kältekreislaufs.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Klimagerätes ist
vorgesehen, dass parallel zum Verdichter eine Bypassleitung angeschlossen
ist, durch welche im Pumpbetrieb das Kältemittel gefördert wird.
Durch die Bypassleitung kann ein Fluid, ohne den Verdichter zu durchfließen und ohne
Druckunterschied im Pumpbetrieb, transportiert werden. Die Bypassleitung
kann beispielsweise über einen
Absperrventil geschlossen werden.
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Eine
kostengünstige
Lösung,
um das Fluid zu pumpen, ist dadurch gegeben, dass parallel zum Expansionsventil
eine Pumpe angeschlossen ist, durch welche im Pumpbetrieb das Kältemittel
gefördert
wird. Durch den Parallelanschluss erfolgt ein Abzweig, bei dem im
Pumpbetrieb das Expansionsventil geschlossen werden kann, so dass
das Fluid nur über
die Pumpe fließen
kann.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird im
Pumpbetrieb das Kältemittel über den
Verflüssiger
gepumpt. Der Verflüssiger
erfüllt
dann zwei Funktionen. Die erste Funktion ist die Verflüssigung
des gasförmigen
Kältemittels
durch die Wärmeabgabe
an die Umgebung. Die andere Funktion ist die einer Wärmeabgabe
für den
Pumpbetrieb.
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Von
besonderem Vorteil ist es, wenn nach dem Verflüssiger ein Sammelbehälter für das flüssige Kältemittel
angeschlossen ist. Dadurch kann einerseits das Kühlsystem ohne den Einsatz der
Pumpe analog einer Schwerkraftheizung arbeiten, was den Energiebedarf
reduziert und einen Aufbau mit wenigen Komponenten schafft. Andererseits
wirkt der Sammelbehälter
als Puffer, so dass ein störungsfreier
Betrieb bei Umschaltung von einer zur anderen Betriebsart gegeben
ist. Zweckmäßigerweise
ist der Sammelbehälter
zwischen dem Abzweig zur Pumpe bzw. dem Expansionsventil und dem
Verflüssiger
angeordnet.
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Eine
weitere Reduzierung von Baugruppen wird in einfacher Weise dadurch
realisiert, dass sowohl im Verdichtungsbetrieb als auch im Pumpbetrieb
für beide
Betriebe ausgeführter
Wärmetauscher vorgesehen
sind.
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Eine
gemeinsame Nutzung von Verflüssiger und
Verdampfer ist dadurch möglich,
wenn im Pumpbetrieb das Kältemittel über Verflüssiger und
Verdampfer ohne Druckveränderung
gepumpt wird, so dass durch den Verflüssiger eine Wärmeabgabe
an die Umgebung stattfindet bzw. im Verdampfer die Wärmeaufnahme.
Dadurch ist eine kostengünstige Realisierung
der Erfindung möglich.
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Zweckmäßigerweise
können
die verschiedenen Betriebsarten dadurch wahlweise betrieben werden,
dass eine Umschaltung vom Verdichtungsbetrieb auf Pumpbetrieb und
umgekehrt über
Absperrventile erfolgt.
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Eine
Regelung kann in einfachster Weise durch eine Zwei- oder Dreipunktregelung
erfolgen. Es können
beispielsweise drei Temperaturfenster vorhanden sein. Das erste
Temperaturfenster mit einem niedrigen Temperaturbereich definiert,
dass weder ein Klimabetrieb noch ein Pumpbetrieb erfolgt. Hier ist
keine Kühlung
erforderlich. Das zweite Temperaturfenster mit einem mittleren Temperaturbereich
definiert, dass nur ein Pumpbetrieb erfolgt. Das dritte Temperaturfenster
mit einem höheren
Temperaturbereich definiert, dass nur ein Klimabetrieb erfolgt.
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Anstatt
einer Mehrpunktregelung können auch
dynamische Regelstrukturen, wie P-, I-, IP-, PID-Regler und dergleichen
eingesetzt werden.
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Zusätzlich oder
alternativ zur von der Innentemperatur abhängigen Regelung kann die Regelvorrichtung
durch einen bezüglich
einer Umgebungstemperatur temperaturabhängigen Pumpbetrieb erfolgen.
Möglich
ist also, dass die Umgebungstemperatur als Parameter im Regelkreis
vorhanden ist. Dies wird durch einen an die Regelvorrichtung angeschlossenen
Um gebungstemperatur-Sensor erreicht. Die Berücksichtigung der Umgebungstemperatur
bringt in einfacher Weise die gewünschte Energieeinsparung mit
sich. Indem die Umgebungstemperatur bei der Regelung als Parameter
berücksichtigt
wird, kann nämlich
bei relativ niedriger Umgebungstemperatur ein Pumpbetrieb eingesetzt
werden, der völlig
ausreichend wäre.
Es ist auch klar, dass wenn die Umgebungstemperatur gleich oder höher der
Innentemperatur ist, allenfalls nur ein Klimabetrieb in Frage kommt,
da im Pumpbetrieb keine Kühlung
erfolgen wird.
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Ein
Ausführungsbeispiel
wird anhand der Zeichnungen näher
erläutert,
wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile
derselben beschrieben sind.
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Es
zeigen:
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1 eine
Darstellung eines Standard-Kältekreislaufs
nach dem Stand der Technik,
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2 eine
Darstellung eines erfindungsgemäßen Kältekreislaufs,
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3 eine
perspektivische Darstellung eines Schaltschrankes mit einem Kühlmodul,
und
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4 ein
Blockschaltbild einer Regelvorrichtung des erfindungsgemäßen Kältekreislaufs.
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1 veranschaulicht
einen Standard-Kältekreislauf
eines Klimagerätes
zur Verwendung bei einem Schaltschrank. Das Klimagerät umfasst
einen Kältekreis
mit Kühlmittelleitungen
L1 bis L4. Dieser Kreis dient zur Ausführung eines Verdichtungsbetriebs.
Ein Kältemittel
wird durch die Leitung L1 über einen
Verdichter 11 auf Hochdruckniveau verdichtet. Dabei steigt
die Temperatur des Kältemittels
an. Danach wird das Kältemittel über die
Leitung L2 einem Verflüssiger 12 zugeführt. Indem
das Kältemittel
dort Wärmeenergie
an die Umgebung abgibt, kondensiert es, so dass es einen flüssigen Zustand
erreicht. Die Wärmeabgabe
an die Umgebung ist durch den Pfeil A gekennzeichnet. Der Verflüssiger 12 steht
in Kontakt mit der Außenluft.
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Das
Kältemittel
hat in der Leitung L3 noch einen hohen Druck. Anschließend wird
es über
ein Expansionsventil 13 entspannt. Über die Leitung L4 wird das
Kältemittel
dem Verdampfer 14 zugeführt, der
mit der Luft des Schaltschrankes in Kontakt steht. Hier erfolgt
eine Wärmeaufnahme
der abzuführenden
Verlustwärme
im Schaltschrank, was durch den Pfeil B gekennzeichnet ist, das
Kältemittel
verdampft.
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Dieses
Prinzip wird ebenfalls durch die Erfindung genutzt. Zusätzlich ist
jedoch noch ein weiteres Kühlprinzip
vorgesehen. Erfindungsgemäß ist ein
zusätzlicher
Pumpbetrieb vorhanden, der in 2 veranschaulicht
ist. Hierbei wird das Kältemittel
ohne Druckveränderung
umgepumpt, so dass ein Wärmetransport
nach einem Wärmetauscherprinzip
erfolgt. Das Kältemittel
zirkuliert im Kreis. Ohne Pumpe arbeitet das System analog einer
Schwerkraftheizung. Bei hohen übertragenen
Leistungsdichten und geeigneten Temperaturverhältnissen kann es bei den Wärmeaustauschvorgängen auch
zu Verdampfungs- bzw. Kondensationsvorgängen kommen, was die Effizienz
des Prozesses weiter erhöht.
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Analog
zum Kreis gemäß 1 sind
der Verflüssiger 12 und
das Wärmeaufnahmemittel 14,
welches als Wärmetauscher 15 ausgeführt ist,
angeordnet. Die Wärmetauscher 15 und 12 sind
sowohl für den
Verdichtungsbetrieb als auch für
den Pumpbetrieb ausgeführt.
Im Pumpbetrieb wird das Kältemittel über den
Verflüssiger 12 ohne
Druckveränderung
gepumpt, so dass durch den Verflüssiger
die Wärmeabgabe
an die Umgebung stattfindet.
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Wie 2 zeigt,
ist parallel zum Verdichter eine Bypassleitung L5 angeschlossen.
In dieser Leitung L5 liegt kein Verdichter. Im Pumpbetrieb wird das
Kältemittel über diese
Leitung L5 gefördert.
Die Leitung L5 ist einer seits an die Leitungen L1a und L1b und andererseits
mit den Leitungen L2a und L2b verbunden. Parallel zum Expansionsventil 13 ist
eine Pumpe 16 angeschlossen, durch welche im Pumpbetrieb
das Kältemittel
gefördert
wird. Im Pumpbetrieb wird das Kältemittel über den
Verflüssiger 12 gepumpt,
und zwar über
die Leitungen L6 bzw. L6a, L6b sowie L4b, L1a, L5, L2b, L3a und
L3b.
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Wie
weiterhin 1 veranschaulicht, ist nach
dem Verflüssiger 12 ein
Sammelbehälter 17 für das darin
aufgefangene flüssige
Kältemittel
angeschlossen. Der Sammelbehälter 17 liegt
zwischen den Leitungen L3a und L3b bzw. zwischen dem Verflüssiger 12 und
dem Abzweig zum Expansionsventil 13 oder der Pumpe 16.
Die Pumpe 16 saugt aus dem Sammelbehälter 17 flüssiges Kältemittel.
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Vorzugsweise
sind der Verdichtungsbetrieb und der Pumpbetrieb umschaltbar ausgeführt. Eine Umschaltung
vom Verdichtungsbetrieb auf Pumpbetrieb und umgekehrt erfolgt über Absperrventile.
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3 zeigt
einen Schaltschrank 18 mit einem Klimagerät 19.
Dieser kann als Kühlmodul 20 zur
modulartigen Erweiterung des Schaltschrankes ausgeführt sein.
Das Kühlmodul 20 kann
zum Beispiel auf dem Schrank angeordnet sein und ihm gegenüber abgedichtet
sein, so dass ein Eindringen von Wasser und Staub in dem Schaltschrank
ausgeschlossen wird. Dadurch kann eine hohe IP-Schutzklasse realisiert
werden. Das Gerät 19 kann
mit Lufteintrittsöffnungen 21 und
Luftaustrittsöffnungen 22, wobei
die Pfeile C, D einen externen Luftstrom veranschaulichen sollen,
versehen sein. Dieser Luftstrom kann durch Konvektion und/oder durch
mindestens einen Lüfter
erfolgen. In 3 ist beispielhaft eine zu kühlende Komponente
K dargestellt.
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Im
Schaltschrank 18 zirkuliert ein geschlossener Luftstrom
E, der ebenfalls durch Konvektion und/oder durch mindestens einen
Lüfter
erfolgen kann.
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Vorzugsweise
steht die Außenluft
nicht in Kontakt mit der Luft des Schaltschrankes, um die hohe IP-Schutzklasse
zu erreichen. Der Schaltschrank ist praktisch hermetisch abgedichtet.
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In 4 ist
eine Regelvorrichtung 23 dargestellt. An diese sind ein
Innentemperatur-Sensor S1 und/oder ein Umgebungstemperatur-Sensor
S2, der Verdichter 11, die Pumpe 16, sowie ein
oder mehrere Absperrventile V1 bis Vn bzw. das Expansionsventil 13 angeschlossen.
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Durch
den Innentemperatur-Sensor S1 wird eine bezüglich des Schaltschrank-Innenraumes
temperaturabhängige
Regelung oder Umschaltung vom Verdichtungsbetrieb auf Pumpbetrieb
und umgekehrt erreicht. Ein Pumpbetrieb kann zum Beispiel bei einer
niedrigen Umgebungstemperatur eingeschaltet werden. Ein Pumpbetrieb
kann auch bei geringer Soll-Ist-Wert-Regelabweichung
eingeschaltet werden, während
bei hoher Soll-Ist-Wert-Regelabweichung
der Klimabetrieb eingeschaltet werden kann. Im Pumpbetrieb kann
zum Beispiel die Schaltschranktemperatur 35° sein, während die Umgebungstemperatur
20° ist.
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Durch
den Umgebungstemperatur-Sensor S2 wird ein bezüglich der Umgebungstemperatur temperaturabhängiger Kühlbetrieb
geschaffen. Dies ist insbesondere im Pumpbetrieb günstig.
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Um
auszuschließen,
dass Wärme
von außen nach
innen gepumpt wird, ist es zweckmäßig, dass ein Pumpbetrieb nur
erfolgt, wenn die Umgebungstemperatur niedriger als die Innentemperatur
ist.
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Die
Regelvorrichtung 23 kann so ausgeführt sein, dass eine konstante
Temperatur gemäß eines einstellbaren
oder festen Sollwertes von zum Beispiel 35° geregelt wird. Bedarfsweise
kann die Regelung bei Regelab weichungen den Verdichter 11 oder die
Pumpe 16 einschalten bzw. entsprechende Ventile 13,
V1 bis Vn ansteuern.
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Die
Erfindung ist nicht auf dieses Beispiel beschränkt, so kann anstatt eines
Schaltschrankes analog ein anderes Gehäuse eingesetzt werden. Als Hochdruck
im Sinne der Beschreibung ist jede Druckänderung zu verstehen, bei dem
eine signifikante Temperaturerhöhung
des Kältemittels
eintritt. Denkbar sind auch Ausführungen
ohne zusätzliche Pumpe,
wobei der Verdichter die Aufgabe einer Pumpfunktion ohne Druckveränderung übernehmen könnte.
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- 11
- Verdichter
- 12
- Verflüssiger
- 13
- Expansionsventil
- 14
- Wärmeaufnahmemittel
- 15
- Wärmetauscher
- 16
- Pumpe
- 17
- Sammelbehälter
- 18
- Schaltschrank
- 19
- Klimagerät
- 20
- Kühlmodul
- 21
- Lufteintrittsöffnungen
- 22
- Luftaustrittsöffnungen
- 23
- Regelvorrichtung
- 25
- Bypassleitungen
- L1–L6
- Kühlmittelleitungen
- S1
- Innenraumtemperatur-Sensor
- S2
- Umgebungstemperatur-Sensor
- V1–Vn
- Absperrventile