DE2429748A1 - Vorrichtung zur klimatisierung eines raumes - Google Patents

Vorrichtung zur klimatisierung eines raumes

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Description

Trier, den Hf.6.
PÄTENTANWALT ^ WOLFGANG SCHONHERR V 11b
P 55TRlER-HAWSTiASSE ΪΘ TEl. 06 51 -3 48 88
Maurice Vignal
und
Henri Chapuis Craponne sur Arzon / Frankreich
Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes
Die Erfindung betrifft.eine Vorrichtung zur Klimatisierung (Heizung oder Kühlung-) eines Raumes, eines Großraumbehälters und insbesondere eines Wohnraumes.·
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Es sind elektrische Heizgeräte mit stromgespeisten Widerständen bekannt. Diese Geräte verbrauchen eine große Menge elektrischer Energie und verursachen sehr hohe Betriebskosten. Weiterhin können diese Geräte nur heizen und sind nicht in der Lage, auch zu kühlen.
Es gibt außerdem Klimaanlagen, die aus einem Kompressor bestehen, der ein Fluid durch einen geschlossenen, mit einem Kondensator verbundenen Kreislauf drückt. Diese Anlagen haben eine relativ geringe Heiz- oder Kühlleitung im Verhältnis zur verbrauchten elektrischen Energie. Ihre Betriebskosten sind daher außerordentlich hoch. Weiterhin verhindert die Vereisung des Kühlteils eine gute Leistung der Anlage.
Darüber hinaus ist es bekannt j die Enteisung des Verdampfers einer Kühlanlage für einen Kühlraum mit Hilfe eines elektrischen Widerstandes längs des Verdampfers vorzunehmen. Sobald der Verdampfer vereist, wird der Widerstand ait Strom gespeist, damit er den Verdampfer aufheizt und das Eis zum Schmelzen bringt.
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Diese Vorrichtung zur Enteisung hat den Nachteil, daß eine Wärmemenge in den Kühlraum gebracht wird, die anschließend wieder entzogen werden muß.
Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, diese Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zur umkehrbaren Klimatisierung (Heizung oder Kühlung) zu schaffen, deren Enteisungseinrichtung die Zuführung zusätzlicher Wärmemengen in den Kühlraum vermeidet und deren gesamter Verbrauch an elektrischer Energie außerordentlich gering ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß mindestens eine Wärmepumpe zwischen einer warmen und einer kalten Quelle arbeitet, wobei sich die eine der beiden Quellen in dem zu klimatisierenden Raum, Großraumbehälter od.dgl. befindet, während die andere Quelle durch das Erdreich gebildet ist, in das ein Teil des Fluid-Kreislaufes der Wärmepumpe ragt.
Bekanntlich ist die Temperatur in der Tiefe eines einige Meter in die Erde gebohrten Loches sehr genau konstant. Am Grund eines 10m tiefen Loches bleibt beispielsweise die Temperatur im Sommer wie im Winter konstant 10° C.
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Bei einer ersten Ausführungsform, bei der die Vorrichtung zum Heizen eines Raumes benutzt wird, entnimmt die Wärmepumpe die Wärme dem Boden und verteilt sie in dem zu heizenden Raum.
Bei einer anderen Ausführungsform, die zur Kühlung eines Raumes benutzt wird, senkt die Wärmepumpe die Lufttemperatur des Raumes und- gibt die Wärme in das Innere des Erdloches ab.
Die Vorrichtung zur Klimatisierung nach der Erfindung ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe aus in einem geschlossenen Kreislauf angeordneten Elementen besteht, in dem ein Fluid in flüssigem und gasförmigem. Zustand zirkuliert, wobei die Elemente als Kompressor, der kaltes gasförmiges Fluid erhält und warmes gasförmiges Fluid abgibt, als Austauscher, in den das gasförmige Fluid mit verschiedaBn Temperaturen ein- und austritt und der sich in der Luft des zu klimatisierenden Raumes befindet, als Kapillarrohr, das das Fluid durchströmt, um vom flüssigen in den gasförmigen Zustand oder vom gasförmigen in den flüssigen Zustand überzugehen, als U-Rohr, das sich im Irreren eines tief in das Erdreich gebohrten Loches befindet, ausgebildet sind.
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Vorteilhaft hat das in das Erdreich gebohrte Loch einen Innendurchmesser von 20 cm und eine Mindesttiefe von 9 m.
Nach einer Weiterentv/icklung der Erfindung ist die Vorrichtung als Heizung ausgebildet, wobei der Kompressor das Gas warm (z.B. mit i+0 bis 80° C) an den Austauscher-Kondensator abgibt, das Gas den Kondensator kalt (z.B. mit 20 bis 30 C) verläßt und das Kapillarrohr durchströmt, aus dem es flüssig (z.B. mit -20° C) austritt, die Flüssigkeit in das in das Brdreich ragende U-Rohr mit großem Innendurchmesser gelangt, gasförmig wird und im Erdreich eine genaue konstante Temperatur von z.B. 8 bis 10° C annimmt, bevor sie zum Eingang'des Kompressors kommt. '
Bei einer Weiterentwicklung ist die Vorrichtung als Kühlanlage ausgebildet, wobei der Kompressor das zwischen 50 und 80°.C warme Gas in das in das Erdreich ragende U-Rohr drückt, das Gas sich im Erdreich abkühlt und sich vor dem Austritt aus dem Loch bei -20° C entspannt und verflüssigt, die Flüssigkeit in dem Kapillarrohr verdampft, sich erwärmt und mit einer Temperatur von 10 C zum Austauscher gelangt und den Austauscher durchströmt, indem sie sich erwärmt und dann zum Eingang des Kompressors kommt.
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Vorteilhaft ist ein Steuerschieber zwischen dem Kreislauf und dem Ein- und Ausgang des Kompressors angeordnet, der derart umschaltbar ist, daß die Vorrichtung wahlweise als-Heizung οderwKühlung arbeitet.
Beim Betrieb der Vorrichtung als Heizung läßt sich die Vereisung des in das Erdreich ragenden TJ-Rohres dadurch verhindern, daß in demselben Erdloch heizende Teile von anderen Wärmepumpen, die über andere Löcher arbeiten, eingebracht werden.
Beim Betrieb der Vorrichtung zur Kühlung eines Kühlraumes wird die Einrichtung zur Enteisung des Hauptverdampfers in dem Kühlraum untergebracht. Sie besteht aus einem zweiten Kühlkreis aus Kondensator und Verdampfer im Kühlraum und einem Kompressor, wobei der Kondensator so im Kühlraum untergebracht ist, daß er den Hauptver- ' dämpfer erwärmen kann.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Erfindung als Heizungsanlage,
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Fig. 2 eine entsprechende schematische Darstellung als Kühlanlage,
Fig. 3 eine andere Ausführungsform einer Heizungsanlage mit einem Ent froster., der durch die Wirkung des Erdreiches arbeitet,
Fig. k und 5 zwei andere Ausführungsformen einer Heizungsanlage ,
Fig. 6 einen Kühlraum mit einer Vorrichtung zum Ent-. frosten des Verdampfers.
Die Vorrichtung nach Fig. 1 ist ein geschlossener Kreislauf, in dem ein Fluid, z.B. ein Kältemittel wie Freon, zirkuliert. Das Fluid kann in bestimmten Zonen des Kreislaufes flüssig und in anderen Zonen gasförmig sein.
Der Kreislauf umfaßt einen Kompressor 1, der durch einen Elektromotor angetrieben ist, einen Umkehrschieber 2, einen Kondensator 3 in Form eines Radiators, durch den ein Gebläse if die Umgebungsluft bläst, je eine Trockenpatrone 5» die z.B. mit einem Kieselsäuregel gefüllt ist,
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an beiden Enden eines Kapillarrohres 6, das relativ lang ist und einen geringen Innendurchmesser hat, ein U-ßohr 7 mit relativ großem Innendurchmesser, das in ein in das Erdreich gebohrtes Loch 8 ragt, und eine Rohrleitung 9»' die zurück zum Schieber 2 führt.
Die Arbeitsweise ist folgende:
Der Kompressor 1 saugt das gasförmige Fluid bei 10 an, das an dieser Stelle z. B. eine Temperatur von 10° C hat. Der Kompressor verdichtet das Gas bei 11, das dort eine Temperatur -von ZfO bis 80° C hat. Das Gas durchströmt den Kondensator 3j indem es sich ungefähr auf 20 bis 30 C abkühlt. So kann das Gebläse If eine genügend v/arme Luft zur Erwärmung eines Raumes liefern.
Das gasförmige Fluid gelangt in die Trockenpatrone 5 und verflüssigt sich beim Durchgang durch das Kapillarrohr 6. Bei 12 hat die Flüssigkeit dann eine Temperatur von ungefähr -20 C.
Beim Durchfluß durch das U-Rohr 7 erwärmt sich das
Fluid, wird in rer Zone I3 gasförmig und nimmt dann die konstante Temperatur des Erdreichnc am Grund des
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-Q-
Lo dies. 8 an. Bei U|- tritt das Gas ait einer Temperatur von ungefähr 10 C aus dem Loch 8 aus, das dann dem Ansaugstutzen 10 des Kompressors zugeführt wird.
Die Anlage verhält sich wie eine "Wärmepumpe ", die die Wärme aus dem Erdreich (Loch 18) entnimmt und sie an die Luft des Raumes durch das Gebläse k abgibt.
Durch Umkehrung der Stellung des Schiebers 2 kann die Vorrichtung als Kühlung arbeiten (Fig. 2). In diesem Falle liefert das Gebläse 1+ kalte Luft, während sich das Gas durch das U-Rohr 7 im Erdloch 8 wieder erwärmt.
Der Kreislauf des Fluids ist umgekehrt, d.h. der Kompressor T ■ fördert in die Rohrleitung 9-, während der Austauscher 3 direkt mit dem Ansaugstutzen 10 des Kompressors T verbunden ist.
Wenn die Anlage als Heizung arbeitet (Fig. 1), besteht die Gefahr, daß die Wandungen des U-Rohres 7 im Loch 8 vereisen. Um dies zu vermeiden, ist in Fig. 3 eine Variante gezeigt, die noch zwei weitere U-Rohre 15 und im selben Loch .8 enthält. Die beiden U-Rohre 15 und 16 dienen als Vorwärmer.
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- ίο -
Das U-pLohr ]lj> ist im geschlossenen Kreislauf mit einem Kompressor 17 und einem weiteren U-Rohr 18 in einem Erdloch 19 verbunden. Ebenso ist das U-Rohr 16 im geschlossenen Kreislauf mit einem Kompressor 20 und einoni weiteren U-Rohr 21 in einem Erdloch 22 verbunden.
Die geschlossenen Kreisläufe 15, 17, 18 und 16, 20, sind mit einem Fluid, z.B. einem Kältemittel wie Freon, gefüllt.
Der Kreislauf 15» 17» 18 arbeitet wie eine Wärmepumpe, die Wärmeenergie aus der Erde des Loches 19 entnimmt und sie ins Innere des Loches 8 abgibt.
Ebenso nimmt der Kreislauf 16, 20, 21 Wärme im Erdloch 22 auf und liefert sie in das Loch 8.
Die Zahl und die Dimensionierung der Hilfsanordnungen 1>, 17, 18 oder 16,'20, 21 kann je nach der notwendigen Stärke der Enteisung im Loch 8 beliebig sein.
Gleichfalls können automatische elektrische Schalter die Elektromotoren der Kompressoren 1, 17» 20 und des Ge-
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biases M-so steuern, daß sie nur in Abhängigkeit von der laufend gemessenen Temperatur des zu klimatisierenden Luftvolumens arbeiten.
Bei der Ausführungsform nach Fig. Zf ist neben dem U-ltohr 7 ein weiteres U-Rohr 16 der vorher beschriebenen Art im Loch 8 untergebracht. Weiterhin ist das Loch 8, in dem sich die beiden U-Rohre 7 und 16 befinden, mit einem Frostschutzmittel 23 gefüllt.
Wie vorhergehend ist das U-Rohr 16 im geschlossenen Kreislauf mit einem weiteren U-Rohr 21 in einem Erdloch 22 verbunden. Das Loch 22 ist mit einem Frostschutzmittel gefüllt, das durch ein Zirkulationsorgan 25 im geschlossenen Kreislauf bewegt wird. Dazu verbinden Rohrleitungen 26, 27, 28, 29 die drei nebeneinander angeordneten Erdlöcher 22, J>0, J>\. Das Zirkulationsorgan 25 drückt das Frostschutzmittel durch die-Rohrleitung 28 in das Erdloch 31» wo es sich in Berührung mit der Erde erwärmt, durch die Rohrleitung Zr,7 im Loch 30, wo es vollständig erwärmt wird, und durch die Rh^leitung 26 im Loch 22, wo es sich bei der Ent-
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eisung der Rohrleitung 7 über die Rohrleitung 16, 21 wieder abkühlt. Schließlich kehrt die Flüssigkeit Zh, zum Zirkulationsorgan 25 zurück und schließt damit den Kreislauf.
Die Zahl der Hilfslöeher 22, 30 und 31 kann je nach der gewünschten Stärke der Enteisung verschieden sein.
Die Ausführungsform nach Fig. 5 hat den gleichen Aufbau wie die nach Fig. Zj., jedoch unter Hinzufügung eines Verdampfers 36, der parallel zu dem U- Rohr 7 im Kreislauf und in der Luft des zu klimatisierenden Raumes angeordnet ist.
Im Kreislauf sind ferner vier Elektroschieber 32, 33» 3k und 35 angeordnet*- nämlich der Elektroschieber 32 in der Rohrleitung 38 zwischen dem Verdampfer 36 und dem Kapillarrohr 6, der Elektroschieber 33 in. der Robpleitung 37 zwischen dem Verdampfer 36 und der Rückleitung 9s der Elektroschieber 34 zwischen der Rohrleitung 38 und dem Kapillarrohr 6 in Reihe mit dem Kapillarrohr und der Elektroschieber 35 in der Rohrleitung 9 zwische» dem U-Rohr 7 und dem Anschluß der Rohrleitung 37.
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Arbeitet die Anlage als Heizung, wird die Enteisung des U-Sohres 7 durch die Kreisläufe wie im Fall der Fig. if gewährleistet.
Wenn die Wandungen ,des Verdampfers 36 zu vereisen drohen, während die" Temperatur der Umgebungsluft höher ist, werden durch einen Thermostatbefehl automatisch die Schieber 3k und 35 geöffnet und die Schieber 32 und 33 geschlossen, um den Verdampfer 36 aus dem Kreislauf zu nehmen. Die Ziiulation erfolgt dann durch das Ü-Bohr 7» das sich im Erdreich befindet, bis der Verdampfer 36 enteist ist. Dann wird die Umschaltung bewirkt, wobei sich die Schieber 32 und 33 öffnen und die Schieber 3k- und 35 sich wieder schließen.
In Fig. 6 ist ein Kühlkreislauf zur Kühlung, und Enteisung eines Kühlraumes gezeigt, der mit Hilfe eines Hauptkreislaufes 107, bestehend aus einem Kompressor 101, einem Hauptverdampfer 102 und einem Kondensator 103 gekühlt wird, wobei sich der Verdampfer im Kühlraum befindet.
Der Verdampfer 102 wird mit Hilfe eines zweiten Kühlkreislaufes 108 enteist, der aus einem Kompressor 104,
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einem Kondensator 105 und einem Verdampfer 106 besteht. Der Kondensator 105'und der Verdampfer 106 befinden sich im Kühlraum. Der Kondensator 105 hat die Aufgabe, den Hauptverdampfer 102 zu erwärmen. Der Verdampfer ist mehr oder weniger entfernt vom Hauptverdampfer angeordnet.
Eine nicht dargestellte Steuereinrichtung setzt automatisch einen Hilfskreislauf 108 in Betrieb,, wenn der Hauptverdampfer 102 vereist.
Als Folge entnimmt der zweite Verdampfer 106 aus seiner unmittelbaren Umgebung die Wärmemenge, die der zweite Kondensator 105 an seine unmittelbare Umgebung abgibt. Der Kondensator 105 ist sehr nahe beim Hauptverdampfer 102, der durch die vom zweiten Kondensator 105 abgegebene Wärmemenge aufgewärmt wird, angeordnet. Der Hauptverdampfer wird enteist.
Der zweite Verdampfer 106 kann dagegen nicht vereisen, da en nur für sehr kurze Zeit benutzt wird.
Die Vorrichtung bietet den wesentlichen Vorteil, die Vereisung eines Kühlkreislaufes zu verhindern, ohne
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Wärmemengen in den Kühlraum zu bringen. Die Vorrichtung kann bei einer Kühlanlage klassischer Bauart benutzt werden.
Schließlich arbeitet die Anlage erfindungsgemäß.gleichgut als Heizung wie als Kühlung, bei einem minimalen Verbrauch an elektrischer Energie. Weiterhin stellt die im zu klimatisierenden Raum untergebrachte Enteisung des Verdampfers sicher, daß der Raum dauernd erwärmt. (Pig*· 5) oder dauernd gekühlt (Fig. 6) werden kann.
Die Kühlflüssigkeit kann auch durch einen gut wärmeleitenden festen Stoff ersetzt werden, der einen guten Wärmeaustausch mit dem zirkulierenden Fluid gewährleistet. *
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. !Vorrichtung zur Klimatisierung eines Raumes od.dgl. mit
    einer Wärmepumpe, die zwischen der Luft des zu klimatisierenden Baumes oder Großraumbehälters und dem Inneren eines in das Erdreich gebohrten Loches arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmepumpe aus in einem geschlossenen Kreislauf angeordneten Elementen besteht, in dem ein Fluid in flüssigem und gasförmigem Zustand zirkuliert, wobei die Elemente als Kompressor (1), der kites gasförmiges Fluid erhält und warmes gasförmiges Fluid abgibt, als Austauscher-Kondensator (3)» in dem das gasförmige Fluid mit verschiedenen Temperaturen ein- und austritt und der sich in der Luft des zu klimatisierenden Baumes befindet, als Kapillarrohr (6), das das Fluid durchströmt, um vom flüssigen in den gasförmigen Zustand oder vom gasförmigen in den flüssigen Zustand überzugehen, und als U-Bohr (7), das sich im Inneren eines tief*in das Erdreich gebohrten Loches (8) befindet, ausgebildet sind.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das in das Erdreich gebohrte Loch (8) einen Innendurchmesser von 20 cm und eine Mindesttiefe von 9 m hat.
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    3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Heizung ausgebildet ist, wobei der Kompressor (1) das Gas warm (z.B. mit ZfO bis 80° C) an den Austauscher-Kondensator (3) abgibt, das Gas den Kondensator kalt (z.B. mit 20 bis 30° C) verläßt und das Kapillarrohr (6) durchströmt, aus dem es flüssig (z.B. mit -20° C) austritt, die Flüssigkeit in das in das Erdreich ragende U-Rohr (7) mit großem Innendurchmesser gelangt, gasförmig wird und im Erdreich eine genaue konstante Temperatur von z.B. 8 bis 10° C annimmt, bevor sie zum Eingang (10) des Kompressors kommt. · ·
    k-, Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Kühlanlage ausgebildet ist, wobei der Kompressor (1) das zwischen 40 und 80 C warme Gas in das in das Erdreich ragende U-Rohr (7) drückt, das Sas sich im Erdreich abkühlt und sich vor dem Austritt aus dem Loch bei -20° C entspant und verflüssigt, die Flüssigkeit, in dem Kapillarrohr (6) verdampft, sich erwärmt und mit einer Temperatur von 10 C zum Austauscher (3) gelangt und den Austauscher druchströmt, indem sie sich erwärmt und dann zum Eingang (10) des Kompressors kommt.
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    5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und.2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuerschieber (2) zwischen dem Kreislauf und dem Ein- und Ausgang (10, 11) des Kompressors (1) angeordnet ist, der derart umschaltbar ist, daß die Vorrichtung wahlweise als Heizung oder als Kühlung arbeitet.
    6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im gleichen Erdloch (8) mindestens zwei U-Rohre (7, 15) angeordnet sind, von denen das eine U-Bohr in einem geschlossenen Fluid-Kreis über mindestens eine weitere Wärmepumpe mit einem weiteren U-Rohr (18) in einem anderen Erdloch (19) verbunden ist.
    7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Erdlöcher (8, 22) mit -einer Frostschutzflüssigkeit gefüllt sind. ■
    8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine erste Hilfswärmepumpe, bei der zur Zirkulation eines Fluids im geschlossenen Kreis zwischen zwei in das Erdreich ragende U-Rohre (I5i 18) ein Zirkulationsorgan- (17) vorgesehen ist, wobei das eine U-Rohr (1
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    im Haupterdloch (8), in dem sich das Haupt-U-Rohr (7) befindet, und das andere U-Rohr (18) in einem zweiten unabhängigen Loch (19) angeordnet ist, und eine zweite Hilfswärmepumpe, bei der zur Zirkulation eines Fluids im geschlossenen Kreis zwischen zwei in das Erdreich ragende U-Bohre (16, 21) ein Zirkulationsorgan (20) vorgesehen ist, wobei das eine U-Rohr (16) im Haupterdloch (8) und das andere U-Rohr (21) in einem dritten unabhängigen Loch (22) angeordnet ist.
    9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch einen Verdampfer (36) in der Umgebungsluft, der mit dem geschlossenen Kreislauf des Fluids verbunden ist, im Kreislauf parallel zu dem in das Erdreich ragenden U-Rohr angeordnet ist und durch thermostatische Schieber (32, 33 bzw. 3A·» 35) automatisch derart gesteuert ist, daß der atmosphärische Verdampfer aus dem Kreislauf genommen wird, sobald er zu vereisen beginnt, und das in das Erdreich ragende U-Rohr (7) in den Kreislauf eingeschaltet wird, sowie das in das Erdreich ragende U-Rohr vom Kreislauf getrennt wird und der atmosphärische Verdampfer für die Zeiten, in denen er nicht vereist ist, in Betrieb genommen wird.
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    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das U-Rohr aus mehreren in das Erdreich ragenden Bohren besteht, in denen das Fluid im Gegenstrom zwischen Ein- und Ausgang an der Erdoberfläche des Loches zirkuliert.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gdennzeichnet, daß der Hauptkühlkreislauf (100 einen Hauptverdampfer (102) in dem zu kühlenden Raum oder Kühlraum aufweist, während ein zweiter klassischer Kühlkreis (108) einen Kondensator (105), einen Verdampfer (106) und einem Kompressor hat, wobei der Kondensator im Kühlraum in der Nähe des Hauptverdampfers angeordnet ist, um diesen zu erwärmen» und der Verdampfer in genügender Entfernung vom Hauptverdampfer angeordnet ist, um das Vereisen zu vermeiden und den zweiten Kreislauf automatisch in Betrieb mehmen zu können, sobald der Hauptverdampfer zu vereisen beginnt.
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DE2429748A 1973-07-04 1974-06-21 Wärmepumpen-Heizungsanlage Expired DE2429748C3 (de)

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DE2429748B2 DE2429748B2 (de) 1979-12-06
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