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Die Erfindung betrifft einen Speicherbehälter aus thermoplastischem Kunststoff für ein erwärmtes flüssiges Medium. Der Speicherbehälter weist eine Faserverstärkung auf und umfasst ein Fußteil, ein Mittelteil, ein Kopfteil und wenigstens einen Anschluss.
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Derartige Speicherbehälter sind bereits aus
EP 2 592 361 A1 bekannt. Diese Speicherbehälter weisen kopf- bzw. fußseitige Montageöffnungen auf, welche mit Deckeln bzw. Böden geschlossen werden. Nur die Deckel bzw. Böden enthalten Anschlüsse, welche der Zu- bzw. Abführung von Wasser dienen oder aber das Einführen von wendelförmigen Wärmetauschern ermöglichen. Die Anordnung der Anschlüsse an den Böden und Deckeln erlaubt die Verlagerung der Komplexität auf verhältnismäßig kleine Bauteile, so dass die großen Mantelflächen der Speicherbehälter nur verhältnismäßig geringen Anforderungen genügen müssen. Dies verringert den Aufwand bei der Herstellung der Speicherbehälter.
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Nachteilig an den Anschlüssen an den Deckeln und Böden ist jedoch, dass der Montageaufwand vor Ort an den in der Regel mannshohen Speicherbehältern sehr hoch ist und mitunter die Kostenvorteile bei der Herstellung der Speicherbehälter kompensiert. Außerdem sind die Anschlüsse an den Deckeln bzw. Böden nicht für jeden Einsatzzweck vorteilhaft.
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Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, einen Speicherbehälter der eingangs genannten Art anzugeben, der den Montageaufwand verringert und gleichzeitig verschiedenen Einsatzzwecken gerecht wird.
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Zur Lösung des technischen Problems lehrt die Erfindung einen Speicherbehälter aus thermoplastischem Kunststoff für ein flüssiges Medium, wobei der Speicherbehälter eine Faserverstärkung aufweist, wobei der Speicherbehälter ein Fußteil, ein Mittelteil, ein Kopfteil und wenigstens einen Anschluss umfasst, und wobei der wenigstens eine Anschluss im Mittelteil des Speicherbehälters angeordnet ist.
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Der Begriff "Speicherbehälter" meint eine flüssigkeitsdichte Aufnahme mit mehr als 100 l Fassungsvermögen für insbesondere Wasser bzw. wässrige Lösungen als Wärmespeichermedien.
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Dabei entspricht der Mittelteil einem Abschnitt, welcher im Wesentlichen senkrechte Seitenwände aufweist. Der Bereich mit senkrechten Seitenwänden erstreckt sich von 5 bis 95 % der Gesamthöhe des Speicherbehälters, vorzugsweise von 7 bis 90 % und besonders vorzugsweise von 10 bis 85 %.
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Der Ausdruck "Anschluss" meint hydraulische und/oder elektrische und/oder Wärmetauscheranschlüsse. Der Unterschied zwischen hydraulischen Anschlüssen und Wärmetauscheranschlüssen besteht darin, dass das flüssige Medium, welches in den Speicherbehälter gelangt, nur im Falle von hydraulischen Anschlüssen sich mit dem Inhalt des Speicherbehälters vermischt. Im Falle von Wärmetauscheranschlüssen findet keine Vermischung statt, weil das flüssige Medium nur durch den Wärmetauscher, beispielsweise in Form eines wendelförmigen Rohres, geführt wird und daher nicht in direkten Kontakt mit dem Inhalt des Speicherbehälters tritt.
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Der wenigstens eine Anschluss ist vorzugsweise auf einer Höhe zwischen 10 und 80 % der Gesamthöhe des Speicherbehälters, weiter vorzugsweise zwischen 10 und 70 % und besonders vorzugsweise zwischen 10 und 60 % angeordnet. "Gesamthöhe" meint die Höhe des zur Benutzung aufgestellten Speicherbehälters von dem unteren Fußende bis zum oberen Kopfende.
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Der Begriff "Faserverstärkung" kann sich auf gerichtete und/oder ungerichtete, auf natürliche und/oder künstliche Fasern beziehen. Es kann sich hierbei um Fasern mit endlicher Länge aber auch um sogenannte Endlosfasern handeln. Vorzugsweise sind die Fasern gerichtet und folgen dem Querschnittsumfang des Speicherbehälters. Besonders vorzugsweise sind die Fasern in einer Faserbahn angeordnet, welche eine ausreichende Länge aufweist, um die Wände des Speicherbehälters zu umwickeln bzw. zu umhüllen. Vorteilhafterweise ist die Faserbahn auf die Oberfläche des thermoplastischen Kunststoffs mittels Aufschmelzen eingebettet. Bevorzugt weist die Faserverstärkung Glasfasern und/oder Kohlensstofffasern und/oder Aramidfasern und/oder Kunststofffasern und/oder Metallfasern auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Speicherbehälter einen abgerundeten Querschnitt auf. Hierbei bedeutet "abgerundet", dass die Seitenwände des Speicherbehälters nur abschnittsweise in einer waagerechten Ebene geradlinig sein dürfen. Vorzugsweise weist der Speicherbehälter einen ovalen Querschnitt auf, worunter beispielsweise auch Kreise oder unsymmetrische Eikurven fallen. Besonders vorzugsweise hat der Speicherbehälter einen elliptischen oder kreisrunden Querschnitt.
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Vorteilhafterweise ist der wenigstens eine Anschluss Teil einer hydraulischen Kopplung. Demzufolge ist in diesem Fall der wenigstens eine Anschluss ein hydraulischer Anschluss, welcher beispielsweise mit einem weiteren Speicherbehälter und/oder mit einem Be-/Entladesystem verbunden ist. Im Falle eines weiteren Speicherbehälters wird die Wärmespeicherkapazität entsprechend vergrößert, wohingegen das Be-/Entladesystem zum Beispiel bereits etwas abgekühltes Wasser aus dem Speicher mit warmem Wasser, etwa von einer thermischen Solaranlage, austauschen kann. Folglich wird mit einem hydraulischen Anschluss die Einsatzflexibilität des Speicherbehälters erhöht.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass ein Elektroheizelement in dem Speicherbehälter angeordnet ist. Hiermit können beispielsweise Stromspitzen von volatilen Energieerzeugern, z. B. von Windrädern und Photovoltaikanlagen, mit hohen Wirkungsgraden in Wärmeenergie umgewandelt und im Speicherbehälter auch gespeichert werden. Dies führt einerseits zur Entlastung der Stromnetze und andererseits wird ermöglicht, dass ohnehin nicht benötigte überschüssige elektrische Energie zwischengespeichert und später wieder abgerufen werden kann. Das Elektroheizelement ist vorzugsweise ein Elektroheizstab, welcher deutlich in den Speicherbehälter hineinragt und so eine zufriedenstellende Übertragung der Wärmeenergie von dem Elektroheizstab auf das flüssige Medium bewirkt. Besonders vorzugsweise ist der Elektroheizstab in Form einer Wendel ausgebildet, um so die Kontaktfläche mit dem flüssigen Medium und damit auch die Energieübertragungsrate zu vergrößern.
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Es empfiehlt sich, dass das Elektroheizelement an dem wenigstens einen Anschluss im Mittelteil angeordnet ist. Dies ermöglicht es dem flüssigen Medium, über eine verhältnismäßig große Höhe innerhalb des Speicherbehälters aufzusteigen, wodurch eine zufriedenstellende Konvektion erreicht wird. Bevorzugterweise weist das Elektroheizelement eine im Wesentlichen waagerechte Ausrichtung auf. Dies führt zu einer besseren, weil "flächigeren" Verteilung der Wärmeenergie und ermöglicht eine größere Wärmeübertragung. So können auch große Stromspitzen vom Speicherbehälter aufgenommen und zwischengespeichert werden.
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Wenn ein zweites Elektroheizelement in dem Speicherbehälter angeordnet ist, wird die mögliche Übertragungsrate weiter vergrößert. Dies gilt insbesondere für Elektroheizelemente, welche an einem zweiten Anschluss in dem Mittelteil angeordnet sind. Dadurch sind die Anforderungen an die thermische Isolation zwischen Elektroheizelement und dem thermoplastischen Kunststoff der Seitenwände des Speicherbehälters geringer. Weiter vorzugsweise weist das zweite Elektroheizelement eine waagerechte Ausrichtung auf. Das zweite Elektroheizelement ist gemäß einer Ausführungsform an einer dem ersten Elektroheizelement gegenüberliegenden Seitenwand angeordnet. Dies verbessert die Konvektion dahingehend, dass diese über einen größeren Flächenbereich stattfindet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Anschluss in einem Bereich stärkerer Wandkrümmung angeordnet. Dabei bezieht sich der Ausdruck "stärkere Wandkrümmung" auf die Krümmung der Seitenwände des Speicherbehälters in einer waagerechten Ebene. Beispielsweise im Falle eines elliptischen Querschnitts liegen die Bereiche stärkerer Wandkrümmung räumlich weiter auseinander als die Bereiche mit geringerer Wandkrümmung. Aufgrund dieser Anordnung des wenigstens einen Anschlusses in dem Bereich stärkerer Wandkrümmung wird im Falle von Elektroheizelementen und/oder Wärmetauschern eine größere Stabilität erzielt. Dies ist darin begründet, dass stärker gekrümmte Wände stabiler gegenüber Verbiegungen sind. Insbesondere können waagerecht an den Anschlüssen gehaltene Elemente auf diese Weise besser dauerhaft in der Waagerechten gehalten werden. Im Falle von einem ovalen Querschnitt und zwei Elektroheizelementen wird gemäß einer Ausführungsform je ein Elektroheizelement in einem der beiden Bereiche stärkerer Wandkrümmung angeordnet. Dabei ist die schmale Form einer Ellipse vorteilhaft, weil die von den Elektroheizelementen weiter entfernten Bereiche an den Seitenwänden geringerer Wandkrümmung nicht soweit von den Elektroheizstäben entfernt sind, wie dies beispielsweise bei einem kreisrunden Querschnitt der Fall wäre. Im Falle der Anordnung lediglich eines Elektroheizstabes ist es vorteilhaft, dass sich der Elektroheizstab über die gesamte Länge der Ellipsenlängsachse zieht. Dadurch werden die Anschlüsse an den gegenüberliegenden Seitenwänden stärkerer Wandkrümmung in ihren Halteeigenschaften deutlich verbessert. Schließlich ist es denkbar, dass zwei oder mehrere durchgängige Elektroheizstäbe mit jeweils zwei zugehörigen Anschlüssen vorgesehen werden. Dabei können die Elektroheizelemente auf unterschiedlichen Höhen so angeordnet werden, dass sie in der Projektion in etwa ein Kreuz bilden.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der wenigstens eine Anschluss integraler Bestandteil des Speicherbehälters ist. Folglich ist der wenigstens eine Anschluss nicht nur flüssigkeitsdicht und einstückig mit dem Speicherbehälter verbunden, sondern wurde beim Formen des Speicherbehälters gleichzeitig mit den Seitenwänden und aus dem gleichen Material wie die Seitenwände erstellt. Solcherart erzeugte Anschlüsse sind mit den ihnen umgebenden Seitenwänden sprichwörtlich aus einem Guss. Dies bietet sowohl Kostenvorteile in der Herstellung als auch eine größere Stabilität. Alternativ weist der wenigstens eine Anschluss einen Flansch zum Anordnen an dem Speicherbehälter auf. Der Flansch kann beispielsweise genutzt werden, um an den Seitenwänden des Speicherbehälters angeordnet zu werden. Dadurch wird eine größere Flexibilität bei der Auswahl von Anschlüssen ermöglicht. Weiter alternativ kann der wenigstens eine Anschluss in die Wand des Speicherbehälters eingeschweißt sein. Dies bietet eine größere Stabilität bei größerer Flexibilität unter Inkaufnahme von größeren Stückkosten.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der wenigstens eine Anschluss von der Faserverstärkung umfasst. Somit schützt die Faserverstärkung den Speicherbehälter insgesamt nicht nur vor unerwünschter Ausdehnung/Ausbeulung, sondern auch vor undichten Stellen im Bereich des wenigstens einen Anschlusses. Vorteilhafterweise wird insbesondere der Flansch von der Faserverstärkung umfasst.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der wenigstens eine Anschluss ein metallisches Gewindeteil aufweist. Das metallische Gewindeteil kann ein Innen- und/oder Außengewinde sein, mit welchem deutlich festere und damit auch deutlich dichtere Schraubverbindungen erreicht werden können. Das metallische Gewindeteil ist vorzugsweise als Insert mit angeformt und/oder geht mit dem Anschluss eine Pressverbindung ein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Speicherbehälter eine bis zehn, vorzugsweise eine bis sechs und besonders vorzugsweise zwei bis vier Quersicken, welche jeweils in einer waagerechten Ebene umlaufen. Die Quersicken dienen der weiteren Verstärkung der Seitenwände des Speicherbehälters und definieren Bereiche zwischen den Quersicken. Die Breite der Bereiche zwischen den Quersicken misst 5 bis 30 % der Gesamthöhe des Speicherbehälters, vorzugsweise 7 bis 25 % und besonders vorzugsweise 10 bis 20 %. Dabei entspricht die Breite der Quersicken 5 bis 40 %, vorzugsweise 10 bis 30 % und besonders vorzugsweise 15 bis 25 % der Breite der Bereiche zwischen den Quersicken. Die Tiefe der Einbuchtungen der Quersicken entspricht 30 bis 70 %, vorzugsweise 40 bis 60 % und besonders vorzugsweise 45 bis 55 % der Breite der Quersicken.
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Es empfiehlt sich, dass der Speicherbehälter eine Quetschnaht aufweist. Folglich wurde der Speicherbehälter mittels Extrusionsblasformen hergestellt, wodurch er sehr schnell und damit kostengünstig geformt werden kann.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass der Speicherbehälter eine oder mehrere Bandagen vorsieht. Die Bandagen sind gurtförmig und weisen entsprechende Zugfestigkeit auf. Vorzugsweise sind die Bandagen in querliegenden Bandagensicken geführt, was die Bandagen vor einem Verrutschen sichert. Durch diese Verstärkungsmaßnahme werden die Seitenwände stabilisiert und dadurch können Elemente in dem wenigstens einen Anschluss im Mittelteil besser dauerhaft gehalten werden.
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Bei der Herstellung eines Speicherbehälters, insbesondere eines erfindungsgemäßen Speicherbehälters, wird ein thermoplastischer Kunststoff als Ausgangsmaterial für den Speicherbehälter ausgewählt, wobei der thermoplastische Kunststoff mittels Blasformens, insbesondere mittels Extrusionsblasformens, geformt wird, wobei der geformte Speicherbehälter ein Fußteil, ein Mittelteil und ein Kopfteil umfasst, wobei wenigstens ein Anschluss in dem Mittelteil angeordnet wird, und wobei der Speicherbehälter durch Umwickeln mit einer Faserverstärkung verstärkt wird. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform wird der wenigstens eine Anschluss als separates Bauteil in die Blasform eingelegt. Vorzugsweise wird das separate Bauteil bei dem Blasformen an den Speicherbehälter angeformt.
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Dem erfindungsgemäßen Speicherbehälter liegt die Erkenntnis zugrunde, dass mit der Anordnung des wenigstens einen Anschlusses im Mittelteil des Speicherbehälters die Installations- und Wartungskosten verringert werden. Dadurch wird insbesondere die Attraktivität von nachträglich installierten Speicherbehältern gesteigert, weil hier der Materialwert im Vergleich zu einer Heizung verhältnismäßig gering ist. Ferner können die Anschlüsse in dem Mittelteil dazu genutzt werden, sehr schnell eine hydraulische Kopplung zwischen erfindungsgemäßen Speicherbehältern zu installieren, wodurch die Energiespeicherkapazität entsprechend vergrößert wird. Die erfindungsgemäße Anordnung begünstigt zudem die Verwendung von Elektroheizelementen, weil diese so eine für die Konvektion günstigere Position innerhalb des Speicherbehälters einnehmen können. Die Elektroheizstäbe dienen vor allem der Aufnahme von sonst überschüssiger und damit letzten Endes überflüssiger elektrischer Energie aus volatilen regenerativen Energiequellen. Somit steigert die Erfindung die Attraktivität von dezentralen regenerativen Energiequellen. Weiterhin liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass die Stabilität des wenigstens einen Anschlusses im Mittelteil auf vielerlei Weisen vergrößert werden kann. Dies betrifft die Anordnung in einem Bereich stärkerer Wandkrümmung, die Ausführung des Anschlusses als integraler Bestandteil des Speicherbehälters, das Einschweißen des wenigstens einen Anschlusses in die Wand des Speicherbehälters, die Faserverstärkung, die Quersicken und die Bandagen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung detailliert erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
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1: eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Speicherbehälters,
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2: eine Aufsicht eines erfindungsgemäßen Speicherbehälters.
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In den 1 und 2 ist ein erfindungsgemäßer Speicherbehälter 1 abgebildet, der in dem Ausführungsbeispiel ein Volumen von rund 1000 l für Wasser aufweist. Wie der Aufsicht aus 2 zu entnehmen ist, ist der Querschnitt des Speicherbehälters elliptisch; der Speicherbehälter 1 hat aus diesem Grunde Bereiche mit stärkerer Wandkrümmung 7. Der Speicherbehälter 1 umfasst ein Fußteil 2, ein Mittelteil 3 und ein Kopfteil 4. Das Fußteil 2 und das Kopfteil 4 verjüngen sich jeweils nach unten bzw. oben. Das Mittelteil 3 mit den im Wesentlichen senkrecht ausgebildeten Seitenwänden weist drei Quersicken 8 und zwei Anschlüsse 5 auf. Dabei liegen die zwei an dem Mittelteil 3 angeordneten Anschlüsse 5 in den Wandbereichen zwischen den Quersicken bzw. darunter. Der untere Anschluss 5 dient der Aufnahme eines Elektroheizelementes 6, welches in der Aufsicht aus 2 gestrichelt zu sehen ist.
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Der obere Anschluss 5 innerhalb des Mittelteils 3 ist für eine hydraulische Kopplung vorgesehen. Die hydraulische Kopplung ermöglicht insbesondere den Wärmeaustausch zwischen dem Speicherbehälter 1 und einem weiteren, hier nicht dargestellten Speicherbehälter. Bei diesem weiteren Speicherbehälter entfällt dann die Notwendigkeit der Installation eines Elektroheizelementes.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Speicherbehälter 1 mit einer bahnartigen Faserverstärkung umwickelt worden. Die Faserverstärkung stabilisiert gleichzeitig die in dem Mittelteil 3 angeordneten Anschlüsse 5 als integrale Bestandteile des Speicherbehälters 1. Der Boden des Speicherbehälters 1 weist zwar eine Quetschnaht vom Extrusionsblasformen auf, doch wird auch der Boden von der Faserverstärkung aus Aramidfasern ausreichend gefestigt.
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Die stabilisierenden Maßnahmen der Faserverstärkung sowie der Quersicken 8 sind auch deswegen zweckmäßig, weil neben einer Aufnahme des Wassersäulendrucks zudem auch aufgrund der Erwärmung des Wassers ein Gasdruck jenseits des atmosphärischen Drucks von den Seitenwänden aufgefangen werden muss. Insbesondere wird dieser zusätzliche Gasdruck auch von den integral ausgebildeten Anschlüssen 5 aufgefangen.
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Nicht abgebildet innerhalb des Speicherbehälters 1 ist ein an einem Deckel 9 angeordneter Heizungskörper-Wärmetauscher in Form eines wendelförmigen Rohres. Der Wärmetauscher sorgt dafür, dass kaltes Heizungswasser von Heizkörpern die Wärme des erwärmten Wassers aus dem Speicherbehälter 1 aufnimmt. Das auf diese Weise erwärmte Heizungswasser wird sodann über einen Rücklauf des Wärmetauschers wieder den Heizkörpern zugeführt.
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Neben dem Elektroheizelement 6 dient ein weiterer, nicht dargestellter Wärmetauscher der Erwärmung des flüssigen Mediums innerhalb des Speicherbehälters 1. Dieser weitere Wärmetauscher ist fußseitig im Speicherbehälter 1 angeordnet und mit einem nicht dargestellten Heizkessel einer Heizungsanlage verbunden. Im Gegensatz zu den Elektroheizstäben liefert der fußseitig angeordnete Wärmetauscher Wärmeenergie bei Bedarf. Aufgrund der Wärmespeicherfähigkeit des Wassers im Speicherbehälter 1 sowie einer nicht dargestellten schrankartigen Isolierung des Speicherbehälters 1 kann die volatil zugeführte Wärme durch das Elektroheizelement 6 über längere Zeiträume hinweg gespeichert und abgerufen werden. Dies verringert deutlich den Bedarf an zusätzlich über den Wärmequelle-Wärmetauscher zuzuführender Wärmeenergie.
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In einem anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst ein Wärmespeicher zwei über eine hydraulische Kopplung verbundene Speicherbehälter. Dabei sind in dem ersten Speicherbehälter ein oberer Heizungskörper- und ein unterer Heizkessel-Wärmetauscher angeordnet. Dies ermöglicht eine schnelle bedarfsgerechte Erhitzung des Heizungswassers. Ein Elektroheizelement ist aus Platzgründen in dem zweiten Speicherbehälter vorgesehen.
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In weiteren, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen ist an Stelle des Elektroheizelements ein mit einer thermischen Solaranlage verbundener Wärmetauscher angeordnet, bzw. ist der untere Wärmetauscher anstelle mit dem Heizkessel mit der thermischen Solaranlage verbunden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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