DE3040683A1 - Verfahren zum erwaermen von wasser einer vorrichtung eines hauswasserkreises und vorrichtung eines hauswasserkreises und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum erwaermen von wasser einer vorrichtung eines hauswasserkreises und vorrichtung eines hauswasserkreises und vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE3040683A1 DE19803040683 DE3040683A DE3040683A1 DE 3040683 A1 DE3040683 A1 DE 3040683A1 DE 19803040683 DE19803040683 DE 19803040683 DE 3040683 A DE3040683 A DE 3040683A DE 3040683 A1 DE3040683 A1 DE 3040683A1
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Description

Centro Ricerche Fiat S.p.A., 10043 Orbassano (Torino-Italien)
Strada Torino, 50
Verfahren zum Erwärmen von Wasser einer Vorrichtung eines Hauswasserkreises und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens .
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser einer Vorrichtung eines Hauswasserkreises mit einer Speiseleitung zum kontinuierlichen Heißwassereinspeisen in diese Vorrichtung und einer Entnahmeleitung zur Wasserentnahme aus dieser Vorrichtung.
Das Wasser wird sowohl mit derjenigen Energie erwärmt, die aus dem der Vorrichtung entnommenen und von dieser benutzten Wasser zurückgewonnen wird, als auch von einer geringen, durch eine externe Energiequelle gelieferte Energie.
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Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist sehr einfach und verläßlich und hat ein sehr geringes Gesamtvolumen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine erste, dem einen ersten Entnahmeleitungsteil durchströmenden Wasser entnommene Wärmemenge dem einen ersten Speiseleitungsteil durchströmenden Wasser mit einem ersten, vom Wasser der Speiseleitung und der Entnahmeleitung durchströmten Wärmetauscher zugeführt wird, daß eine zweite, dem einen Kondensator einer Wärmepumpe durchströmenden Fluid entnommene Wärmemenge dem einen zweiten, den ersten Speiseleitungsteil nachgeschalteten Speiseleitungsteil durchströmenden Wasser mit einem zweiten, vom Wasser der Speiseleitung und dem Fluid durchströmten Wärmetauscher zugeführt wird, daß die zweite Wärmemenge teils durch die Kompressionsarbeit eines Kompressors der Wärmepumpe und teils durch eine weitere Wärmemenge geliefert wird, die einem Verdampfer der Wärmepumpe aus dem einen zweiten, dem ersten Bntnahmeleitungsteil nachgeschalteten Entnahmeleitungsteil durchströmenden Wasser mit einem dritten, von dem Wasser der Entnahmeleitung und dem Fluid durchströmten Wärmetauscher zugeführt wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird dadurch gekennzeichnet, daß ein erster, von dem Wasser der Speiseleitung und der Entnahmeleitung durchströmter Wärmetauscher zur Übertragung einer ersten, dem einen ersten Entnahmeleitungsteil durchströmenden Wasser entnommenen Wärmemenge in das einen ersten Speiseleitungsteil durchströmende Wasser vorhanden ist, daß ein zweiter, von dem Wasser der Speiseleitung
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durchströrater und von einem Kondensator einer Wärmepumpe durchsetzten Wärmetauscher zur Übertragung einer zweiten, von dem den Kondensator durchströmenden Fluid gelieferten Wärmemenge in das einen zweiten, dem ersten Speiseleitungsteil nachgeschalteten Speiseleitungsteil durchströmenden Wasser vorhanden ist, und daß ein dritter, von dem Wasser der Entnahmeleitung durchströmter und von einem Verdampfer der Wärmepumpe durchsetzter Wärmetauscher zur Übertragung einer dem Wasser des einen zweiten, dem ersten Entnahmeleitungsteil nachgeschalteten Entnahmeleitungsteil der Entnahmeleitung entnommenen Wärmemenge in das den Verdampfer durchströmende Fluid vorhanden ist.
Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer solchen Ausfuhr ungs form,
Fig. 2,3 den Energiefluß durch die verschiedenen Bauteile der Vorrichtung darstellende Diagramme und Fig. 4 ein Diagramm, mit dem dargestellt wird, wie sich der Wirkungsgrad des Verfahrens bei verschiedenen Betriebsbedingungen ändert, die durch Veränderung des Wertes eines Parameters der Vorrichtung auftreten.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ü nutzt kontinuierlich eine Heißwassermenge und gibt diese dann kontinuierlich ab. Die Vorrichtung XJ ist beispielsweise ein Waschbecken, ein Geschirrspüler, eine Waschmaschine, eine Dusche od. dgl. und in einen Hauswasserkreis eingesschaltet. Die-
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ser Kreis hat eine Speiseleitung A zum Einspeisen heißen Wassers durch einen Hahn R in die Vorrichtung U. Die Speiseleitung A ist an eine nicht dargestellte Wasserquelle angeschlossen, z. B. eine normale Trinkwassernetzleitung. Das mit normaler Zuflußtemperatur in die Speiseleitung A einfließende Wasser wird beim Durchströmen der Speiseleitung erhitzt und mit einer vorbestimmten Nutztemperatur in die Vorrichtung U eingespeist. Der Hauswasserkreis hat auch eine Entnahmeleitung B, um das benutzte Wasser der Vorrichtung U in einen Ableitungskanal zu überführen.
Ein Speiseleitungsteil A1 speist Kaltwasser aus der Netzleitung in die Vorrichtung U.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat einen ersten Wärmetauscher Sl, der in einen ersten Speiseleitungsteil Al der Speiseleitung A und einen ersten Entnahmeleitungsteil Bl der Entnahmeleitung B eingeschaltet ist. Dieser Wärmetauscher Sl des Wasser/Wasser-Typs überträgt eine erste Wärmemenge Ql von dem durch den ersten Entnahmeleitungsteil Bl der Entnahmeleitung B durchströmenden Wasser auf das den ersten Speiseleitungsteil Al der Speiseleitung A durchströmende Wasser. Zweckmäßigerweise fließen die beiden die Leitungsteile Al, Bl durchströmenden Wasserströme gemäß Fig. 1 gegenläufig.
Die Vorrichtung hat einen zweiten Wärmetauscher S2, der in einen zweiten Speiseleitungsteil A2 der Speiseleitung A geschaltet ist, der dem Speiseleitungsteil Al nachgeordnet ist. Dieser Wärmetauscher S2 enthält den Kondensator C einer Wärmepumpe P, die außer dem Kondensator C einen Verdampfer E und einen Gaskompressor W hat, die untereinander in bekannter
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Weise gemäß Fig. 1 in Reihe geschaltet sind und einen geschlossenen Kreislauf L bilden, der von einem geeigneten Kühlfluid, z. B. Freon-Gas, in Pfeilrichtung durchströmt wird.
Der Wärmetauscher S2 wird daher von dem den zweiten Speiseleitungsteil A2 der Speiseleitung A durchströmenden Wasser durchflossen, sowie durch das Kühlfluid, welches den Kondensator C durchströmt. Der Wärmetauscher S2 überträgt daher eine zweite Wärmemenge 02 durch Entzug aus dem Kühlfluid auf das Wasser des Speiseleitungsteils Ä2. Zweckmäßigerweise fließen das Wasser und das Kühlfluid gemäß Fig. gegenläufig.
Letztlich hat die Vorrichtung einen dritten Wärmetauscher S3, der in einen zweiten Entnahmeleitungsteil B2 der Entnahmeleitung B dem Entnahmeleitungsteil Bl nachgeschaltet angeordnet ist und einen Verdampfer E der Wärmepumpe enthält. Der Wärmetauscher S3 wird infolgedessen durch das den zweiten Entnahmeleitungsteil B2 der Entnahmeleitung B durchfließende Wasser und durch das den Verdampfer E durchströmende Kühlfluid durchflossen und überträgt infolgedessen eine dritte Wärmemenge Q3 auf dieses Fluid.
Da das in dem Kreislauf der Wärmepumpe P benutzte Fluid ein Gas ist, z. B. Freon, welches durch den Kompressor W bis zur Verflüssigung komprimiert werden kann, ist dieses Fluid im Kondensator C in flüssigem und im Verdampfer E im gasförmigem Zustand. Die Wärmetauscher S2, S3 können infolgedessen jeden in jedem der beiden Fälle zur Wärmeübertragung zwischen dem in einem der beiden vorbeschriebenen Zustände befindlichen Hydraulikmittel und dem durch die
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Wärmetauscher strömenden Wasser zur wirksamen Wärmeübertragung geeigneten Typs sein.
Mit dem erfindungsgemäßen und durch die Benutzung der vorbeschriebenen Vorrichtung durchgeführten Verfahren kann das kontinuierlich die Speiseleitung A des Hauswasserkreises durchströmende Wasser auf eine vorbestimmte Nutztemperatur T2 aufgeheizt werden.
Es wird angenommen, daß das der Vorrichtung U mit einer Temperatur T2 zugeführte Wasser der Vorrichtung mit einer Temperatur To\ T2 entnommen wird. Das durch den ersten Entnahmeleitungsteil Bl der Entnahmeleitung B in den ersten Wärmetauscher Sl fließende Wasser übergibt dem den ersten Speiseleitungsteil £1 gegenläufig durchströmenden Wasser durch einfache Wärmeübertragung eine Wärmemenge Ql, die im wesentlichen von den Kenngrößen des Wärmetauschers Sl abhängt. Daraus folgt, daß die Temperatur des den Wärmetauscher Sl verlassenden Wassers auf eine Temperatur To1^To reduziert wird, während das den Speiseleitungstexl Al der Speiseleitung A durchfließende Wasser von der Zuflußtemperatur Tl auf eine höhere Temperatur Tl' erwärmt wird.
In dem zweiten Speiseleitungsteil A2 innerhalb des Wärmetauschers S2 erfährt das die Speiseleitung A durchströmende Wasser eine zweite Erwärmung von der Temperatur Tl' auf die Temperatur T2. Das wird durch die Wärmemenge Q2 bewirkt, die dem Wasser innerhalb des Wärmetauschers S2 durch das den Kondensator C durchströmende Kühlfluid über-
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tragen wird. Diese Wärmemenge Q2 hängt von den Kenngrößen der Wärmepumpe P ab.
Die auf diese Weise übetragene Wärmemenge Q2 stellt diejenige Wärmemenge dar, die dem Kondensator C durch die Wärmepumpe P zur Verfügung gestellt wurde, und die zuvor dem Kühlfluid durch die Wärmemenge Q3 infolge des im Wärmetauscher S3 stattgefundenen Wärmeaustausch^ und durch die Kompressionsarbeit des Kompressors W zugeführt wurde. Diesbezüglich ist eine Wärmepumpe in der Lage, den Kondensator C mit einer auf einem höheren thermischen Niveau befindlichen Wärmemenge zu speisen, die der Summe der dem auf einem niedrigem thermischen Niveau befindlichen Verdampfer E zugeführten Wärmemenge Q3 und der der Kompressionsarbeit W des Kompressors W entspricht.
Die Wärmemenge Q3 wird dem Fluid des Verdampfers E durch einfache Wärmeübertragung innerhalb des Wärmetauschers S3 zugeführt, indem es dem den zweiten Entnahmeleitungsteil B2 der Entnahmeleitung B durchströmenden Ablaufwasser entzogen wird. Das den Wärmetauscher S3 verlassende Ablaufwasser hat daher eine Temperatur T3, die geringer als die Einlauftemperatur To1 dieses Wassers in den Wärmetauscher S3 ist. Die Temperatur T3 kann größer, geringer oder gleich der Temperatur Tl der Netzleitung sein, wenn die Betriebsbedingungen der Vorrichtung verändert werden.
Der vorbeschriebene Vorgang kann in den Diagrammen der Fig. 2, 3 verfolgt werden, in denen die Wärmeflüsse der Energiebilanz der Vorrichtung dargestellt sind. Die zwei
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Diagramme, welche die Zahlenwerte der Prozentsätze jedes der Teilströme angeben, beziehen sich auf zwei verschiedene Vorrichtungszustände, die durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Wärmetauscher S2 in der Vorrichtung auftreten. Die Wirksamkeit der in einem Wärmetauscher stattfindenden Wärmeübertragung hängt bekanntlich von dem Rückgewinnungsfaktor Rx ab, der als das Verhältnis zwischen der von dem Wärmetauscher übertragenen und der zugeführten Wärmeleistung ist. Für den Wärmetauscher Sl gilt, da die Wärmeübertragung zwischen Fluiden desselben Typs (Wasser)
stattfindet: Rx = T 1 Tl
T - T1
ο 1
Die beiden Darstellungen der Fig. 2, 3 wurden durch WärmerecVmnngen mit den Annahmen erhalten, daß Wärmetauscher Sl mit einem Rückgewinnungsfaktor Rx von 0,35 und 0,80 in der Vorrichtung verwendet wurden. Diese Werte können als zwei Grenzfälle für in der erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendbare Wärmetauscher angesehen werden. Außerdem wurden die folgenden Grundtemperaturen angenommen: Tl = 15°C; T2 = 400C; To = 38°C.
Es wurde auch angenommen, daß ein Wärmeenergieverlust Qp innerhalb der Vorrichtung U stattfindet und 8% der am Hahn R der Speiseleitung A verfügbaren Wärmeenergie Qu beträgt.
Diese Annahmen wurden getroffen, um die in den Diagrammen der Fig. 2, 3 dargestellten Wärmeflüsse zu erhalten. Aus den Diagrammen kann entnommen werden, daß von der an der Nutzungsstelle vorhandenen Wärmeenergie Qu ein Teil Qo
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in der Vorrichtung U verteilt wird, so daß der Rest Qu - Qp der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführt wird. Im Wärmetauscher Sl wird zuerst die Wärmeenergie Ql zurückgewonnen, die ein Teil der verfügbaren Wärmeenergie Qu ist und offensichtlich vom Rückgewinnungsfaktor Rx des Wärmetauschers Sl abhängt. Wenn Rx ansteigt, steigt die durch reine Wärmeübertragung übertragene Wärmenergie Ql ebenfalls an.
Das in den Wärmetauscher S3 einströmende Wasser hat noch eine restliche Wärmeenergie Qu-Qp-Ql, wenn vorausgesetzt wird, daß die Ablaufwassertemperatur T3 gleich der Zuflußtemperatur Tl des Netzleitungswassers ist. Wenn dies nicht so ist, sondern wenn gemäß Fig. 2 13^Tl, muß angenommen werden, daß eine Wärmemenge Osr dem von dem Wärmetauscher S3 übertragenen Energiestrom zufließt, wobei diese Wärmemenge Qsr gleich derjenigen Wärmemenge ist, die zum Herunterkühlen des entnommenen Wassers auf eine Temperatur T3 dient, welche geringer als Tl ist.
Fig. 3 zeigt T3^T1, so daß angenommen werden muß, daß nicht die gesamte verfügbare Energie des entnommenen Wassers genutzt wird und daher ein entsprechender Energieverlust Qp' vor dem Wärmetauscher S3 vorhanden ist, so daß eine entsprechende Reduzierung des durch den Wärmetauscher S3 übertragenen Wärmeflusses auftritt.
In beiden Fällen wird die der durch den Kompressor W geleisteten Kompressionsarbeit entsprechende Energie W in den Wärmefluß hinter dem Wärmetauscher S3 zugeführt.
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Im Wärmetauscher S2 wird ein Wärmestrom Q3 + W = Q2 dem Wasser übertragen.
Wie aus den Darstellungen der Fig. 2, 3 entnommen werden kann, ist die der erfindungsgemäßen Vorrichtung zugeführte Energie zur Konstanthaltung der Nutzwassertemperatur T2 lediglich gleich der Summe von W + Qsr = Qp (Fig. 2), oder gleich der Differenz von W - Qp1 = Qp (Fig. 3). Da diese Summe bzw. diese Differenz immer gleich dem Energieverlust Qp in der Vorrichtung U und in den Leitungen ist, muß dem System lediglich die in der Vorrichtung ü verlorengehende Wärme Qp zugeführt werden. Da die Verlustenergiemengen Qsr und Qp1 klein sind, kann in guter Annäherung angenommen werden, daß die dem System mechanisch zuzuführende Energie (W) lediglich gleich der im Verbraucher Qp verlorengegangenen Energie zu sein braucht.
Die Werte Osr, Qp und W hängen von den oben definierten Parametern und von dem üblicherweise mit COP bezeichneten Leistungsfaktor des Kompressors W ab, der wie folgt definiert ist: COP = ——
Tafel 1 zeigt die Werte einiger der zuvor definierten Parameter in Abhängigkeit von verschiedenen Werten des Rückgewinnungsfaktors Rx.
Die Kurve E im Diagramm der Fig. 4 stellt die Veränderung des Wirkungsgrades des Verfahrens dar, wobei
E = —— gilt, d. h. das Verhältnis der verfügbaren Energie zu der der Vorrichtung zum Antrieb des Kompressors W der Wärmepumpe P zugeführten Energie, wenn der Rückgewin-
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nungsfaktor Rx sich verändert. Dieselbe Fig. 4 zeigt eine Schar von Kurven Gi, welche die zum Antrieb des Kompressors W erforderliche Leistung P für verschiedene, auf der rechten Skala angeführte Fluiddurchsätze zu bestimmen erlauben.
Kurve E zeigt, daß der Wirkungsgrad E steigt, wenn der Rückgewinnungsfaktor Rx des Wärmetauschers Sl ansteigt. Der Wirkungsgrad ist sogar für geringe Werte von Rx bereits befriedigend (E = 10 für Rx = 0,35), wird jedoch für höhere Werte von Rx sehr groß (E = 25 für Rx = 0,80). Für jeden Wirkungsgrad E ergibt die Kurve Gl die für einen vorbestimmten Fluiddurchsatz notwendige Leistung P.
Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich ist, aus dem der Vorrichtung U entnommenen Wasser eine bestimmte Energiemenge rückzugewinnen, indem eine Menge äußerer Energie angewendet wird, die nur einen geringen Teil der Energie selbst beträgt. Dieser Teil ist 1/10 bzw. 1/25 für die beiden obigen Grenzfälle. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es daher möglich, die in dem der Vorrichtung U entnommenen Wasser enthaltene Wärmeenergie vollständig zurückzugewinnen und dieses Wasser mit einer Temperatur T3 abzulassen, die gleich oder unterschiedlich von der Zuflußtemperatur Tl ist.
Diese Wiedergewinnung ist mit einer sehr einfachen und daher höchst verläßlich Vorrichtung möglich, die eine sehr geringe Gesamtgröße hat, wie sie für die Herstellung des Geräts als kleine kompakte Einheit erforderlich ist, die
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in die Vorrichtung U integriert oder in deren unmittelbarer Nachbarschaft angeordnet werden soll.
Des weiteren ist die zum Betrieb des Geräts erforderliche Energie sehr gering, da sie nur der für den Antrieb
des vorzugsweise elektrischen Motors notwendigen Energie
entspricht, der den Kompressor W antreibt.
Diese günstigen Ergebnisse und insbesondere die geringe Gesamtgröße und die geringe Leistung, lassen sich
insbesondere auf der Verwendung zweier aufeinanderfolgender Verfahrensschritte zur Übertragung von Wärme in das die
Speiseleitung A durchströmende Wasser ableiten, wobei diese Verfahrensschritte durch die Wärmetauscher Sl bzw. S2
ausgeführt werden. Auf diese Weise wird lediglich der Bruchteil Q2/Qu der verfügbaren Energie Qu durch Gebrauch einer Wärmepumpe P ergänzt. Da diese Wärmpumpe P lediglich einen geringen Anteil Wärmeenergie von einem ersten auf ein
zweites Wärmeniveau zu übertragen hat, benötigt sie einen
Kompressor und einen Motor von lediglich geringen Ausmaßen und führt daher zu sehr geringen Gesamtabmessungen.
Ein kleiner Behälter M wird zweckmäßigerweise in die
Speiseleitung A hinter den Wärmetauscher S2 als Wärmespeicher geschaltet, falls nicht stattdessen der Kondensator C diese Funktion übernimmt.
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Claims (2)

  1. DR.-ING. DIPL.-PHYS. H. STURIES PATENTANWÄLTE
    DIPL-ING. P. EICHLER
    BRAhMSSTRASSE 29, 5600 WUPPERTAL 2
    Α η sprüche:
    Verfahren zum Erwärmen von Wasser einer Vorrichtung eines Hauswasserkreises mit einer Speiseleitung zum kontinuierlichen Heißwassereinspeisen in diese Vorrichtung und einer Entnahmeleitung zur Wasserentnahme aus dieser Vorrichtung, dadurch geken nzeichnet, daß eine erste, dem einen ersten Entnahmeleitungsteil (Bl) durchströmenden Wasser entnommene Wärmemenge (Ql) dem einen ersten Speiseleitungsteil (Al) durchströmenden Wasser mit einem ersten, vom Wasser der Speiseleitung (A) und der Entnahmeleitung (B) durchströmten Wärmetauscher (Sl) zugeführt wird, daß eine zweite, dem einen Kondensator (C) einer Wärmepumpe (P) durchströmten Fluid entnommene Wärmemenge (Q2> dem einen zweiten, dem ersten Speiseleitungsteil (Al) nachgeschalteten Speiseleitungsteil (Ά2) durchströmenden Wasser mit einem zweiten, vom Wasser der Speiseleitung (A) und dem Fluid durchströmten Wärmetauscher (S2) zugeführt wird, daß die zweite Wärmemenge (Q2) teils durch die Kompressionsarbeit eines Kompressors (W) der Wärmepumpe (P) und teils durch eine weitere Wärmemenge (Q3) geliefert wird, die einem Verdampfer (E) der Wärmepumpe (P) aus dem einen zweiten,
    130020/077?
    ORIGINAL INSPECTED
    dem ersten Entnahmeleitungsteil (Bl) nachgeschalteten Entnahmeleitungsteil CB2) durchströmenden Wasser mit einem dritten, von dem Wasser der Entnahmeleitung (B) und dem Fluid durchströmten Wärmetauscher (S3) zugeführt wird.
  2. 2. Vorrichtung zum Erwärmen von Wasser einer Vorrichtung eines Hauswasserkreises mit einer Speiseleitung zum kontinuierlichen Heißwassereinspeisen in diese Vorrichtung und einer Entnahmeleitung zur Wasserentnahme aus dieser Vorrichtung, dadurch geken nzeichnet, daß ein erster, von dem Wasser der Speiseleitung (A) und der Entnahmeleitung (B) durchströmter Wärmetauscher (Sl) zur Übertragung einer ersten, dem einen ersten Entnahmeleitungsteil (Bl) durchströmenden Wasser entnommenen Wärmemenge (Ql) in das einen ersten Speiseleitungsteil (Al) durchströmende Wasser vorhanden ist, daß ein zweiter, von dem Wasser der Speiseleitung (A) durchströmter und von einem Kondensator (C) einer Wärmepumpe (P) durchsetzten Wärmetauscher (S2) zur Übertragung einer zweiten, von dem den Kondensator (C) durchströmenden Fluid gelieferten Wärmemenge (Q2) in das einen zweiten, dem ersten Speiseleitungsteil (Al) nachgeschalteten Speiseleitungsteil (Ά2) durchströmende Wasser vorhanden ist und daß ein dritter, von dem Wasser der Entnahmeleitung (B) durchströmter und von einem Verdampfer (E) der Wärmepumpe (P) durch-
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    setzter Wärmetauscher (S3) zur Übertragung einer dem Wasser des einen zweiten, dem ersten Entnahmeleitungsteil (Bl) nachgeschalteten Entnahmeleitungsteil (B2) der Entnahmeleitung (B) entnommenen Wärmemenge (Q3) in das den Verdampfer (E) durchströmende Fluid vorhanden ist.
    130020/0772
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