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Absorber zur Aufnahme von Umgebungswärme"
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Die Erfindung betrifft einen Absorber zur Aufnahme von Umgebungswärme,
wie Luft und Feuchtigkeitswärme, bzw.
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Strahlungswärme mit einem Leitungssystem für ein Wärmeträgermedium,
welches nach Erwärmung im Absorber einem Wärmeabnehmer bzw. -verbraucher zuführbar
und nach Wärmeabgabe von dort wieder in den Absorber rückführbar ist.
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Derartige Absorber sind bereits in vielfältigen Ausführungsformen
bekannt.
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Beispielsweise gibt es sogenannte Energiefassaden und Energiedächer,
welche aus auf den Außenwänden bzw. Dächern von Gebäuden angeordneten Platten, meistens
aus Metall, bestehen, auf bzw. in denen ein Wärmeträgermedium führende Rohrschlangen
angeordnet sind, die im Kreislauf mit einer Wärmepumpe verbunden sind, welche dem
Wärmeträgermedium unter Abkühlung desselben Wärme entzieht und diese bei erhöhter
Temperatur einem Wärmeverbraucher, beispielsweise einer Heizung, zuführt.
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Aufgrund des Wärmeentzuges wird die Energiefassade bzw.
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das Energiedach beim Wärmepumpenbetrieb unter die Umgebungstemperatur
abgekühlt, wobei der Taupunkt der in der umgebenden Luft enthaltenen Feuchtigkeit
unterschritten und gegebenenfalls auch eine zur Eisbildung führende Abkühlung erreicht
werden kann. Die Außenseite der Gebäude wird deshalb stark durch Feuchtigkeit oder
Eis belastet, so daß die Wände bzw. Dächer eine entsprechend geeignete Struktur
aufweisen müssen, die den großen Temperatur- und Feuchtigkeitsdiffe renzen zwischen
Außenseite und Innenseite standhält, um Bauschäden zu verhindern. Die nachträgliche
Anbringung von Energiefassaden und Energiedächern an älteren Gebäuden ist aus diesem
Grunde schwierig und aufwendig.
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Außerdem sind sogenannte Energiezäune bekannt, deren Gitterkonstruktion
aus Rohrleitungen bestehen, die das Wärmeträgermedium führen. Um hinreichend große
Absorberflächen zu erhalten, müssen die Zäune entsprechende Abmessungen aufweisen,
d.h.
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ein Grundstück mit langer Grenzlinie abgrenzen. Die Leistungsfähigkeit
der Energiezäune ist deshalb im Regelfalle begrenzt.
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Außerdem erleiden Zäune relativ oft Beschädigungen, die bei Energiezäunen
natürlich mit Störungen der angeschlossenen Anlagen verbunden sind.
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Um den Nachteil des großen Raumbedarfes der Energiezäune zu beheben,
wurden sogenannte Energie türme entwickelt. Dabei handelt
es sich
um kompakt aufgebaute Wärmetauscher mit einer durch Fremdkraft angetriebenen Zwangsbelüftung,
um den Wärmeinhalt der zwangsweise durch den Wärmetauscher geführten Luft auf das
in diesem geführte Wärmeträgermedium zu übertragen. Die Anordnung von Gebläsen zur
Zwangsventilation ist jedoch aufwendig und aufgrund der Geräuschentwicklung, welche
nur mit weiter erhöhtem Aufwand gemildert werden kann, unerwünscht.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, einen Absorber zu schaffen,
welcher, ohne eine Zwangsventilation zu erfordern, eine hohe Leistung besitzt und
problemlos auf Freiflächen oder auf Gebäuden aufgestellt werden kann, auch dann,
wenn diese keine einer hohen Temperatur- bzw. Feuchtigkeitsbelastung standhaltenden
Dach- oder Wandstruktur aufweisen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Absorber gelöst, welcher durch einen
pfahlartigen Ständer mit in mehreren Ebenen etwa radial zur Ständerachse angeordneten
Absorberlamellen gekennzeichnet ist, die zur Aufnahme und Erwärmung des Wärmeträgermediums
jeweils einen Hohlraum aufweisen, der an das das Wärmeträger~ medium führende Leitungssystem
angeschlossen ist bzw. einen Teil desselben bildet.
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An dem pfahlartigen Ständer können praktisch beliebig viele Absorberlamellen
angeordnet werden, so daß außerordentlich
große Absorberflächen
und damit eine hohe Wärmeleistung erreichbar sind. Die Anordnung des Ständers auf
Gebäuden erfordert lediglich eine hinreichende statische Festigkeit der Tragkonstruktion
des Gebäudes, während dessen Wand-und Dachstruktur beliebig ausgestaltet sein kann,
da die Absorberlamellen aufgrund ihrer Anordnung am Ständer einen hinreichenden
Abstand von der Gebäudeaußenfläche haben.
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Die Absorberlamellen können mit geringer gegenseitiger Überdeckung
am Ständer angeordnet werden, so daß sich eine durch Hilfskraft betriebene Zwangsventilation
erübrigt.
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Vorzugsweise sind die Absorberlamellen axial und radial zueinander
schraubenförmig versetzt am Ständer angeordnet, um bei größtmöglicher Gesamt-Absorberfläche
eine möglichst geringe gegenseitige Abschattung der Absorberlamellen zu erreichen.
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Zur weiteren Verringerung einer gegenseitigen Abschättung bei Sonneneinstrahlung
sollen in Achsrichtung des Ständers zumindest annähernd hintereinander angeordnete
Lamellen einen hinreichenden Abstand aufweisen, welcher in Gebieten der gemäßigten
Klimazone geringer als die Länge der Lamellen in Radialrichtung sein kann.
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Die Absorberlamellen können jeweils paarweise einander etwa gleichachsig
gegenüberliegend am Ständer angeordnet sein und
somit eine Doppelschraube
bilden. Außerdem können die Absorberlamellen eines Paares jeweils zu einem Teil
zusammengefaßt sein, so daß die Ständerachse durch den Schwerpunkt dieses Teiles
hindurchgeht und, abgesehen von Windkräften, von den Lamellen eines Paares keine
Kippmomente auf den Ständer ausgeübt werden.
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Gegebenenfalls ist es vorteilhaft, die Lamellen unter einer für Wärmestrahlen
durchlässigen Abdeckung, z.B. einer Kuppel anzuordnen, so daß die Temperatur bei
Sonneneinstrahlung innerhalb der Abdeckung, d.h. die Temperatur in der Umgebung
der Lamellen. erheblich über die Temperatur der die Abdeckung umgebenden Atmosphäre
ansteigen kann. Mit Abdeckung bildet der Absorber einen sogenannten Sonnenkollektor,
welcher bei Schönwetterperioden eine außerordentliche hohe Leistung hat und deshalb
insbesondere für sonnenreiche Klimazonen geeignet ist.
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In Klimazonen mit häufiger Bewölkung und entsprechenden Niederschlägen
ist es dagegen in aller Regel vorteilhaft, auf eine Abdeckung der Absorberlamellen
zu verzichten, um den Wärmeinhalt von Luftfeuchtigkeit und Niederschlägen, denen
die Absorberlamellen dann vorteilhaft direkt ausgesetzt sind, ausnutzen zu können.
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Zum Anschluß der Absorberlamellen an das das Wärmeträger~ medium führende
Leitungssystem sind zweckmäßigerweise am bzw. im Ständer zumindest eine Vorlaufleitung,
von der die Hohlräume der Absorberlamellen abzweigen, und zumindest eine Rücklaufleitung
angeordnet, in die die Hohlräume einmünden.
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Vorlauf- und Rücklaufleitung können als konzentrische, den Ständer
bildende Rohre angeordnet sein.
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Konstruktiv besonders einfach ist es, den Ständer als ein Rohr auszubilden
und dessen Innenraum mittels einer schraubenförmig, mit der Schraubenanordnung der
Lamellen entsprechender Steigung, verwundenen Wand in Vorlauf- und Rücklaufleitung
zu unterteilen. In diesem Falle genügen schraubenförmig angeordnete Bohrungspaare
auf der Wandung des Ständers, um die Lamellen mit der Vorlauf- und der Rücklaufleitung
verbinden zu können.
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Die Lamellen lassen sich in nahezu beliebiger Weise ausbilden, beispielsweise
als U-förmig gebogene Rohre.
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Herstellungsmäßig besonders zweckmäßig ist es, die Lamellen aus Halbschalen
herzustellen, deren Konkavseiten zur Bildung der Hohlräume einander zugewandt sind,
wie es beispielsweise
für die Lamellen eines Heizkörpers einer
herkömmlichen Warmwasserheizung bekannt ist.
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Zur einfachen Aufstellung des erfindungsgemäßen Absorbers kann am
Fuß des Ständers ein Sockel angeordnet sein, vorzugsweise mit einem für einen stabilen
Stand des Absorbers ausreichenden Gewicht. Die Gewichtsstabilisierung ermöglicht
eine Aufstellung auf praktisch beliebigem Untergrund. Beispielsweise genügt es,
den Sockel etwas in den Erdboden einzusenken.
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Zweckmäßigerweise ist am Absorber, vorzugsweise am Fuß des Ständers
oder am bzw. im Sockel, ein Gehäuse angeordnet bzw.
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ausgebildet, welches eine Umschaltvorrichtung aufnimmt, die eine zur
Vorlaufleitung führende Leitung direkt, unter Umgehung des Absorbers, mit einem
Anschluß zu verbinden gestattet, der an die Rücklaufleitung angeschlossen ist und
zu einem Wärmespeicher bzw. einem Wärmeverbraucher oder einer Wärmepumpe führt.
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Zwischen der Rücklaufleitung des Absorbers und dem das Wärmeträgermedium
zumWärmespeicher führenden Anschluß bzw. dem das Wärmeträgermedium zu einer Wärmepumpe
führenden Anschluß sind im Gehäuse Umschaltventile angeordnet, die das aus der Rück
laufleitung kommende Wärmeträgermedium ganz oder teilweise
e inem
Dire kt-Wärmeverbrauche r zuzuführen gestatten. Beispielsweise reicht im Sommer
die Temperatur des aus dem Absorber kommenden Wärmeträgermediums aus, ein Schwimmbad
zu erwärmen.
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Um zu ermöglichen, daß die mit dem Absorber zusammenwirkenden Wärmespeicher
und Wärmeverbraucher bzw. die Wärmepumpe ohne individuelle Planung eines entsprechenden
Leitungsnetzes einfach nur an entsprechende Anschlüsse am Absorber angeschlossen
zu werden brauchen, ist es somit ausreichend, wenn die Umschaltvorrichtung mehrere
aus jeweils einem Anschluß zur Ausleitung und einem Anschluß zur Einleitung des
Wärmeträger~ mediums bestehende Anschlußpaare aufweist, die zwischen Rücklauf- und
Vorlaufleitung und zwischen deren Anschlüsse zumindest teilweise miteinander verbindbare
Umschaltorgane angeordnet sind, die eine Sperrung der Aus- und Einleitung und direkte
Weiterführung des Wärmeträgermediums von Umschaltorgan zu Ums chaltorgan gestatten.
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Gegebenenfalls kann im Gehäuse eine Umwälzpumpe angeordnet sein.
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Außerdem nimmt das Gehäuse zweckmäßigerweise eine Regelanordnung auf,
welche die Umschaltvorrichtung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und/oder
der Temperatur des Wärmeträgermediums steuert, um die vom Absorber gelieferte Wärme
unterschiedlichen Verbrauchern und/oder einem Speicher zuzuführen und gegebenenfalls
den Absorber aus dem Kreislauf des
Wärmeträgermediums auszuschalten.
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Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der Figuren erläutert.
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Dabei zeigen Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Absorbers,
Fig. 2 eine Draufsicht des Absorbers von oben in Achsrichtung seines Ständers, Fig.
3 eine geschnittene Draufsicht auf ein Absorberlamellenpaar, Fig. 4 ein Schnittbild
einer Absorberlamelle entsprechend der Schnittlinie IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 eine
Prinzipdarstellung der erfindungsgemäß am Fuß des Absorbers in einem wasserdichten
Gehäuse vorgesehenen Umschaltvorrichtung.
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Gemäß den Fig. 1 und 2 besitzt der erfindungsgemäße Absorber einen
vertikalen, pfahlartigen Ständer 1, dessen Fuß in einem Betonsockel 2 verankert
ist, der zur Aufstellung des Absorbers etwas in den Erdboden 3 eingesenkt ist. Auf
der Unterseite des Sockels 2 kann eine Erdsonde 2' angeordnet sein, die die Standfestigkeit
erhöht und Anschlußleitungen für den Absorber auf nehmen kann.
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Am Ständer 1 sind Absorberlamellen 4 in mehreren Radialebenen axial
und radial zueinander versetzt angeordnet, wobei die
Lamellen 4
im dargestellten Falle eine Doppelschraube bilden, da in einer Radialebene jeweils
zwei zueinander gleichachsig angeordnete gegenüberliegende Lamellen 4' und 4", vergleiche
Fig. 2, vorgesehen sind.
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In Achsrichtung des Ständers 1 gesehen hintereinander bzw.
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annähernd hintereinander angeordnete Lamellen weisen gemäß Fig. 1
einen Abstand A auf, der ausreicht, um bei Sonneneinstrahlung eine Abschattung der
jeweils unteren Lamelle durch die jeweils obere Lamelle zu verhindern.
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In Gebieten der gemäßigten Klimazone kann der Abstand A geringer sein
als die Lamellenlänge. Allgemein kann der Axialabstand A der Lamellen umso geringer
sein, je niedriger der höchste erreichbare Sonnenstand im Aufstellgebiet des Absorbers
ist.
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Die Schraubenanordnung der Absorberlamellen ermöglicht einen vom Sonnenstand
und der Himmelsrichtung nahezu unabhängige Ausnutzung der Sonnenstrahlung und damit
einen gleichbleibenden Ernte faktor.
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Bei einer Höhe des Ständers von 2 m, einer Länge der Lamellen zwischen
80 cm bis ca. 100 cm und einem Abstand A von ca. 80 cm kann bei der schraubenförmigen
Anordnung der Lamellen eine wirksame Absorberfläche von 40 m2 bis 50 m2 erreicht
werden.
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Gemäß Fig. 3 besteht der Ständer 1 aus einem Rohr, welches mittels
einer Wand 5 in eine Vorlaufleitung 6 und eine Rücklaufleitung 7 unterteilt ist,
welche über Öffnungen 8 und 9 und Hohlräume 10 in den Lamellen jeweils miteinander
verbunden sind. Die Wand 5 ist schraubenförmig gewunden mit einer der Schraubenanordnung
der Lamellen 4 entsprechenden Steigung, so daß die Quererstreckung der Wand jeweils
in Richtung der Lamellen weist.
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Die Lamellen bestehen gemäß Fig. 4 aus zwei Halbschalen 11 und 12,
welche zur Bildung des Hohlraumes 10 entsprechende Auswölbungen aufweisen. Der Hohlraum
10 hat U-Form mit den Zweigen 10' und 10", welche an die Öffnungen 8 bzw. 9 angeschlossen
sind. An ihren Rändern sowie zwischen den Zweigen 10' und 10" des Hohlraumes 10
sind die Halbschalen dicht miteinander verbunden, beispielsweise durch Klebung oder
Schweißung.
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Wie in der Fig. 1 erkennbar ist, ist oberhalb des Sockels 2 ein wasserdichtes
Gehäuse 13 angeordnet, welches eine Umschaltvorrichtung 14 aufnimmt, die in Fig.
5 genauer dargestellt ist.
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Die Umschaltvorrichtung 14 besitzt einen Anschluß 15, welcher mit
der Rücklaufleitung 7 des Absorbers verbunden ist, und einen Anschluß 16, der mit
der Vorlaufleitung 6 verbunden werden kann.
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Vom Anschluß 15 führt eine Leitung 17 zu einem 3-Weg-Ventil 18, welches
mit einem Anschluß 19 und einer Leitung 20 verbunden ist.
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An die Leitung 20 schließt sich ein 3-Weg-Ventil 21 an, welches einerseits
mit einem Anschluß 22 und andererseits mit einem 3-Weg-Ventil 23 verbunden ist,
das einerseits mit einem Anschluß 24 und andererseits mit einer Leitung 25 in Verbindung
steht. Die 3-Weg-Ventile 21 und 23 können auch, wie durch eine punktierte Linie
26 angedeutet ist, zu einem 4-Weg-Ventil zusammengefaßt sein. Von einem Anschluß
27 führt eine Leitung 28 über eine Umwälzpumpe 29 zu einem Anschluß 30.
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An die Leitung 28 ist noch ein Leitungszweig 31 angeschlossen, der
zu einem Expansionsgefäß 32 sowie einem Überdruck-Sicherheitsventil 33 führt. Von
einem Anschluß 34 führt eine Leitung 35 zu einem 3-Weg~Ventil 36, welches mit der
Leitung 25 und über eine Leitung 37 mit dem Anschluß 16 verbunden ist. An die gegebenenfalls
absperrbaren Anschlüsse 19 und 21 sind Heizkörper 38 angeschlossen, die beispielsweise
zur Aufheizung eines Schwimmbassins dienen. An die Anschlüsse 24 und 27 ist ein
Wärmespeicher 39 angeschlossen, während die Anschlüsse 30 und 34 mit einer Wärmepumpe
40 verbunden sind, die zum Betrieb einer Heizung 41 dient.
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Zur Auffüllung der Leitungen der Umschaltvorrichtung 14 mit dem Wärmeträgermedium
dient ein absperrbarer Anschluß 42, von dem aus eine Leitung 43 über eine Einfüllpumpe
44 zur Leitung 28 führt.
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Die Ventile 21,2),26 können, wie durch eine strichlierte Linie angedeutet
ist, zu einem F5nf-Wege-Ventil zusammengefaßt sein.
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Die Umschaltvorrichtung arbeitet in der folgenden Weise: Das aus der
Rücklaufleitung 7 kommende im Absorber erwärmte Wärmeträgermedium wird bei entsprechender
Stellung der 3-Wegeine Wärmemenge Q ,abstrahlenden Ventile 18, 21 und 23 zuerst
durch die/Heizkörper 38 und dann durch den Wärmespeicher 39 gerührt, wo es jeweils
einen Teil seines Wärmeinhaltes abgibt. Gegebenenfalls kann das Wärmeträgermedium
auch bei entsprechender Stellung der Ventile 18 und 21 teilweise oder vollständig
an den Heizkörpern 38 vorbeigeführt werden, so daß diese unwirksam sind.
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Aus dem Speicher 39 wird das Wärmeträgermedium mittels der Umwälzpumpe
29 abgeführt und der Wärmepumpe 40 zugeleitet, welche die dem Wärmeträgermedium
bei einer Temperatur T1 entnommene Wärme bei erhöhter Temperatur T2 an die Heizung
211 abgibt. Von der Wärmepumpe 40 gelangt das Wärmeträgermedium über die Leitung
35 bei entsprechender Stellung des Ventiles 36 in die Leitung 37 und damit über
den Anschluß 16 in die Vorlaufleitung des Absorbers.
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Gegebenenfalls kann das Ventil 36 auch so geschaltet sein, daß das
von der Wärmepumpe 40 kommende Wärmeträgermedium in die Leitung 25 und von dort
über das 3-Weg-Ventil 23 direkt in den Wärmespeicher 39 und von dort aus wiederum
zur Wärmepumpe 40 fließt, so daß diese nur den Wärmeinhalt des Speichers 39 ausnutzen
kann, beispielsweise wenn der Absorber auf
grund niedriger Umgebungstemperaturen
keine Wärme aufnehmen kann und, falls er in den Kreislauf des Wärmeträgermediums
eingeschaltet bliebe, sogar noch zu einer unerwünschten Abstrahlung von Wärme führen
würde.
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Zur Steuerung der Umschaltventile 18,21,23 und 36 ist eine Regelvorrichtung
45 vorgesehen, die nur schematisch dargestellt ist und in Abhängigkeit von der Temperatur
des Wärmeträgermediums sowie der Umgebungstemperatur arbeitet.
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Die in dem Gehäuse 13 angeordnete Umschaltvorrichtung 14 macht es
möglich, die Heizkörper 38, den Speicher 39 und die Wärmepumpe 40 direkt an entsprechende
Anschlüsse der Umschaltvorrichtung anzuschließen. Ein Leitungsnetz mit entfernt
voneinander angeordneten Umschaltventilen, welche fernzusteuern wären, ist damit
überflüssig.
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Der erfindungsgemäße Absorber erfordert aufgrund der komplett am Sockel
angeordneten Umschaltung 14 auch bei komplizierten Systemen nur einen geringen Installationsaufwand.
Zum Betrieb der Regelvorrichtung 45 sowie der Umschaltventile 18,21,23 und 36 und
der Umwälzpumpe 29 ist lediglich ein Elektroanschluß notwendig, zum Anschluß der
Wärmespeicher bzw. Wärmeverbraucher genügen einfache Rohrleitungen mit Wärmeisolierung.
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Der erfindungsgemäße Absorber kann direkt über einem im Boden versenkten
Wärmespeicher (Erdspeicher) angeordnet werden.
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Als Material sind z.B. Aluminium, Stahl, Kupfer oder Kunststoff geeignet.
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