DE3106152A1

DE3106152A1 - "waermepumpenanordnung"

Info

Publication number: DE3106152A1
Application number: DE19813106152
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. 1000 Berlin Hampe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-01-19
Filing date: 1981-02-16
Publication date: 1982-08-26
Also published as: EP0069756B1; WO1982002588A1; EP0056780A3; EP0069756A1; EP0056780A2; DE3264958D1; DK410582A

Description

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111' i 1 . 2 Jfcrrto 6

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung mit Mitteln zur Nutzung der Flüssigkeitsunterkühlungsenthalpie.

Um die bei der Entspannung des Arbeitsmediums mittels eines Expansionsventiis auftretenden Energieverluste zu mindern, wird bei derartigen Wärmepumpen das flüssige Arbeitsmittel vor dem Expandieren abgekühlt und damit die anfallende Wärmeenergie nutzbar gemacht.

In diesem Zusammenhang ist es bekannt, daß durch einen sogenannten "inneren Wärmeaustausch" die Effektivität des Wärmepumpenkreislaufs dadurch verbessert werden kann, daß das flüssige Arbeitsmittel über einen zusätzlichen Wärmetauscher einen Teil seiner Energie an das vom Verdichter angesaugte dampfförmige Arbeitsmittel abgibt. (Kirn, H., Hadenfeldt, A.; "Wärmepumpen", 4.Aufl., 1980, Bd.1, S. 64). Nachteilig ist dabei, daß durch diese Sauggas-überhitzung die erzielte Effektivitätsverbesserung mindestens teilweise wieder aufgehoben wird, wobei zusätzlich unerwünscht hohe Druckgastemperaturen auftreten.

Es ist ferner bekannt, bei einer zweistufigen Wärmepumpe mit Zwischenkühlung einen zusätzlichen Unterkühlungswärmetauscher vorzusehen (aaO, S.89). Der Temperaturunterschied des Transportmediums für die Nutzwärme (hier der Heizkreislauf der Warmwasserheizung) zwischen hintereinandergeschaltetem Verflüssiger und Unterkühlungs-Wärme tauscher ist allerdings zu gering, als daß hier eine wirksa-

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me, die Effektivität der Wärmepumpenanordnung wesentlich verbessernde Ausnutzung des Effekts der Unterkühlung erreicht werden könnte.

Bei einer anderen Wärniepumpe nanordnung, die Mittel zur Ausnutzung der Unterkühlungsenthalpie aufweist, wird die dabei gewonnene Wärme mindestens indirekt wieder dem Verdampfer zugeführt, belastet also den Kreislauf des Arbeitsmittels und damit die Wärmepumpe zusätzlich, so daß auch hiermit keine wesentliche Effektivitätsverbesserung der Wärmepumpe erzielt werden kann (aaO, S.187, Bild 1-112).

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wärmepumpenanordnung der eingangs angegebenen Art die durch die Unterkühlung erzielte Verbesserung der Effektivität heraufzusetzen, d. h. insbesondere eine Stabilisierung der Leistung bei Variation der Kondensationstemperatur und/oder eine Verbesserung der Leistungszahl.

Das verflüssigte Arbeitsmittel (Kältemittel), das aus dem Kondensator austritt und zum Expansionsventil strömt, weist wegen des notwendigerweise vorhandenen thermischen Übergangswiderstandes der Wärmetauschereigenschaften des Kondensators eine Temperatur auf, die höher ist als die für die Wärmenutzung erzielbare Temperatur. Bei der Anwendung für eine Warmwasserheizung ist das die Temperatur des von der Wärmeverteilungsanlage abgegeben Wassers.

Wenn das flüssige Arbeitsmittel entspannt wird, muß ein Teil davon - aufgrund seiner hohen Enthalpie - verdampfen.

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Der Wärmequelle kann damit nur so viel Enthalpie entnommen werden, wie der bei der Expansion nicht verdampfte Flüssigkeitsanteil aufnimmt, um ebenfalls zu verdampfen.

Kühlt man das flüssige Arbeitsmedium vor der Expansion'ab, so nimmt seine Enthalpie ab, so daß bei der Expansion weniger Flüssigkeit zu verdampfen braucht und damit der Anteil der von der Wärmequelle zu liefernden Energie vergrößert ist.

Die Erfindung beruht nun unter anderem auf der Erkenntnis, daß die Nutzung der aus der Flüssigkeitsunterkühlung zu gewinnenden Enthalpie insbesondere deshalb problematisch ist, weil das Temperaturniveau niedriger ist als dasjenige ^rj bei df.·r Kondensation.

Erfindungsgemäß wird die Nutzung dieser Enthalpie für die Heizwassererwärmung möglich durch den Einsatz einer zweiten Wärmepumpe, die entsprechend aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionsventil besteht.

Die Komponenten der Wärmepumpenanordnung sind dabei so ausgelegt, daß die Verdampfungstemperatur im Verdampfer der zusätzlichen Wärmepumpe (deutlich) über der Temperatur im Verdampfer der ersten (Grund-)Wärmepumpe liegt. Damit ergibt sich für die Zusatzwärmepumpe (bezogen auf in etwa übereinstimmende Kondensationstemperaturen) eine irerklich höhere Leistungszahl als für die Grundwärmepumpe. Die sich für die gesamte Wärmepumpenanordnung ergebende Leistungszahl wird damit erheblich verbessert.

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Durch die Flüssigkeitsunterkühlung mittels einer zusätzlichen Wärmepumpe kann der Wärmequelle umso mehr Enthalpie entnommen und der Nutzung der Heizung zugeführt werden, je höher die Kondensationstemperatur ist, d.h. die Zusatzwärmepumpe kompensiert zum großen Teil die systembedingte Leistungsabnahme der Grundwärmepumpe zu höheren Kondensationstemperaturen hin und wirkt damit stabilisierend hinsichtlich der verfügbaren Leistung bezogen auf die Gesamtanordnung.

Diese Stabilisierungseigenschaft ist deswegen von besonderer Bedeutung, weil die Leistungsabnahme aufgrund höherer Kondensationstemperaturen bei Wärmepumpen, die für die Speisung von Warmwasserheizungen verwendet werden, einhergeht mit der bei niedrigeren Außentemperaturen benötigten höheren Warmwasservorlauftemperaturen.

Die Erfindung ermöglicht trotz des mit dem Vorhandensein einer zusätzlichen Wärmepumpe zunächst verbundenen Vergrößerung des Aufwands bezüglich der Anzahl der vorzusehenden Elemente nicht nur im Betrieb eine wesentliche Enercjieorsparnis. Es können sich auch bei der Herstellung Vorteile ergeben, da man anstelle einer einfachen, aus relativ großen und teuren Komponenten bestehenden Wärmepumpe zwei kleinere Wärmepumpen einsetzt, deren Komponenten in der Summe billiger sein können. Die Vergrößerung der Leistung einer Wärmepumpe für niedrige Kondensationstemperaturen erfordert nämlich in höheren Leistungsbereichen einen recht erheblichen Mehraufwand, während die zusätzlich erforderliche Wärmepumpe mittlerer Leistung für relativ hohe Kondensationstemperaturen in gekapselter Form bei recht kleiner Baugröße kostengünstig herstellbar ist.

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Dadurch, daß die Verdampfungstemperatur für das flüssige Arbeitsmittel der zweiten Wärmepumpe im Betrieb deutlich größer ist als die entsprechende Temperatur der ersten Wärmepumpe, lassen sich beide Wärmepumpen getrennt optimal nutzen. Wird beispielsweise zur Brauchwassererwärmung eine relativ kleine Wärmemenge mit möglichst hoher Temperatur benötigt, so ist es günstig, wenn durch die zweite Wärmepumpe dem flüssigen Arbeitsmedium der ersten Wärmepumpe nur im wesentlichen zwischen 25 und 33% seiner Enthalpie entzogen wird. Bei anderen Anwendungen, wenn es vorwiegend darauf ankommt, eine große Wärmemenge bei verhältnismäßig niedriger Temperatur zur Nutzung zur Verfügung zu haben, wie es beispielsweise beim ausschließlichen Betreiben einer Niedertemperatur-Raumheizung der Fall ist, so ist es günstig, durch die Zusatzwärmepumpe dem flüssigen Arbeitsmittel der ersten Wärmepumpe zwischen 50 und 80% seiner Enthalpie zu entziehen.

Bei Wärmebedarf mit hoher Wasservorlauf-Temperatur für.einen einzigen Verbraucher werden die Kondensatoren der beiden Wärmepumpen in Reihe geschaltet. Die dabei erzielbaren hohen Kondensationstemperaturen ermöglichen eine wirkungsvolle Ausnutzung der mit der Erfindung erzielten Leistungsverbesserung einer Wärmepumpenanordnung durch besonders wirksame Heraufsetzung der Leistungsfähigkeit gerade bei großem Leistungsbedarf.

Ergibt sich durch den Anwendungsfall nicht die Notwendigkeit der Abgabe von Wärme bei möglichst hohen Temperaturen, so ist die Parallelschaltung der Kondensatoren beider Wärmepumpen vorteilhaft, da hieraus beispielsweise im FaI-

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le einer Warmwasserheizung eine Verringerung des Strömungswiderstands für den Wasserkreislauf resultiert.

Dadurch, daß in den beiden Wärmepumpen verschiedene, den unterschiedlichen Arbeitstemperaturen angepaßte Kältemittelgemische als Arbeitsmedien verwendet werden können, lassen sich die Arbeitsbedingungen für beide Wärmepumpen der Anordnung getrennt optimieren. Die zweite Wärmepumpe wird bevorzugt mit einem nichtazeotropen Kältemittelgemisch betrieben, weil das flüssige Arbeitsmedium der ersten Wärmepumpe, dem die Nutzwärme für die zweite Wärmepumpe entzogen wird, bei der Abkühlung eine weitaus stärkere Temperaturänderung erfährt als vergleichsweise der Träger der Nutzwärme der ersten Wärmepumpe. Durch diese relativ große Temperaturänderung nimmt der Verdampfer der zweiten Wärmepumpe in Durchflußrichtung des Arbeitsmediums der ersten Pumpe eine lokal unterschiedliche, d, h. abfallende Temperaturverteilung an. Durch die verschiedenen Verdampfungstemperaturen der Bestandteile des nichtazeotropen Kältemittelgemisches und der daraus resultierenden örtlichen Verteilung der Verdampfungsbereiche der einzelnen Bestandteile innerhalb des Verdampfers resultiert eine verbesserte Wärmeübertragung eine Vergleichmäßigung der Verteilung des Wärmetransports über die Verdampferoberfläehe.

Wird der Verdampfer der zweiten Wärmepumpe im Parallelstromverfahren betrieben (d.h. die Arbeitsmedien der beiden Wärmepumpen fließen beim Wärmeaustausch in gleicher Richtung), so kann dadurch eine übermäßige Sauggasüberhitzung mit der daraus resultierenden Gefahr der zu hohen

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Druckgasüberhitzung verhindert werden. Durch das Parallelstromverfahren ist dabei gewährleistet, daß auch im Falle eines Defekts des Expansionsventils der zweiten Wärmepumpe das aus dem Verdampfer dieser Wärmepumpe austretende Arbeitsmedium im wesentlichen dieselbe Temperatur aufweist, wie das aus dem zu dem Verdampfer gehörigen Wärmetauscher austretende Arbeitsmedium der ersten Wärmepumpe.

Hi¹VDt /.ti'jl <' Sehnt/m i 1.1 <■ 1 I iir (Jen Ar ix· i L.sini t t υ L kr >> i:;l iiu I ddt: zweiten Wärmepumpe sowie weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden bei der nachstehenden Darstellung einer bevorzugten Ausführung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmepumpenanordnung gemäß der Erfindung.

Die in der Figur dargestellte Wärmepumpe nanordnung enthält zunächst die den bekannten Arbeitsmittelkreislauf einer Kompressionswärmepumpe ermöglichenden Komponenten in üblicher Anordnung.

In einem einen Wärmetauscher bildenden Verdampfer 1 verdampft das Arbeitsmedium bei einer Temperatur T₀ und entzieht dem den Verdampfer 1 in einem getrennten Kreislauf durchströmenden Medium die Verdampfungswärme. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Verdampfungswärme Qg einer die Rohrleitungen 2 und 3 in Pfeilrichtung durchfließenden Sole entzogen, die mittels einer Pumpe 4 umgewälzt wird. Die Sole durchströmt ihrerseits beispielsweise - nicht dargestellte - im Erdreich eingebrachte Wärmetau-

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scher und wird dadurch erwärmt. Entsprechend ist auch eine direkte Erwärmung durch Umgebungsluft etc. möglich.

Ein Verdichter 5 saugt das dampfförmige Arbeitsmedium bei einem Druck p_o an und verdichtet es auf do η Druck p. Im ebenfalls einen Wärmetauscher bildenden Kondensator 6 verflüssigt sich das verdichtete, gasförmige Arbeitsmedium bei einer Temperatur T und gibt dabei die Wärme Q^j als Nutzwärme an einen eine Zuleitung 7 und eine Ableitung 8 enthaltenden Heizkreislauf ab, der eine weitere Umwälzpumpe 9 enthält.

Über ein thermostatisch gesteuertes Expansionsventil 10 strömt das flüssige Arbeitsmedium vom Kondensator 6 zurück zum Verdampfer 1, wo sich der Kreislauf schließt. Das im Arbeitskreislauf zu verwendende Medium wird entsprechend den erwarteten Temperaturen und Drücken gewählt. Dabei stehen die bekannten Kältemittel(mischungen) zur Verfügung.

In den zuvor dargestellten Kreislauf ist nun erfindungsgemäß zwischen Verflüssiger 6 und Expansionsventil 10 ein weiterer Verdampfer 11 eines Arbeitsmittelkreislaufs einer zweiten Wärmepumpe so einbezogen, daß er dem flüssigen Arbeitsmedium des ersten Kreislaufs vor der Entspannung durch das Expansionsventil 10 Wärme entzieht.

Ein zusätzlicher Verdichter 12, der wegen der relativ hohen Verdampfertemperaturen von kleiner Bauart sein kann, ein als Wärmetauscher dienender Kondensator 13 und ein Expansionventil 14 vervollständigen den Arbeitsmittelkreislauf der zweiten Wärmepumpe.

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Die Nutzwärme Q^2 wird in die Leitungen 15 und 16, die von den Nutzwärmeleitungen 7 und 8 der ersten Wärmepumpe getrennt sind, in einem mit einer Umwälzpumpe 17 versehenen Kreislauf abgeführt. Dabei handelt es sich um die Anlage zur Brauchwassererwärmung des Hauses, dessen Heizanlage durch die erste Wärmepumpe versorgt wird. Der Kondensator 13 kann dabei in einen Warmwasserspeicher einbezogen sein. Die Leitungen 15 und 16 bilden den Brauchwasserzu- und -rücklauf,

Die Anordnung des Verdampfers 11 der zweiten Wärmepumpe in der Nähe des Kondensators 6 der ersten Wärmepumpe und die Zusammenfassung des Kondensators 13 der zweiten Wärmepumpe mit dem Kondensator 6 der ersten Wärmepumpe ermöglichen eine besonders kompakte Bauform, da die Bauelemente der zweiten Wärmepumpe relativ wenig Plcttz einnehmen, so daß sie mit dem Kondensator." der zweiten Wärmepumpe, gegebenenfalls mit deren Verdichter, in einem Gehäuse installiert werden können, ohne daß ein wesentlicher zusätzlicher Raumbedarf entsteht. Das größte Bauelement einer derartigen Wärmepumpenanordnung, der Verdampfer der die Grundlast bestreitenden ersten Wärmepumpe, kann dabei räumlich unabhängig von den übrigen Bauelementen angeordnet werden, wobei die Unterbringung auch innerhalb desselben Gehäuses erfolgen kann.

Die dii· Vo rl lüss ige r bildenden Wärmetauscher 6 und 13 der beiden Wärmepumpen könnten je nach Bedarf - entsprechend den eingangs getroffenen Überlegungen - entweder getrennt angeordnet sein, um für unterschiedliche Verbraucher Nutzwärme zu liefern, wobei günstigerweise die die Grunälast

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liefernde Wärmepumpe im Hausenergiebereich für die Heizversorgung genutzt wird, während die zweite Wärmepumpe bevorzugterweise für die Brauchwassererwärmung eingesetzt wird. Zur Versorgung eines gemeinsamen Verbrauchers lassen sich die Wärmetauscher 6 und 13 entsprechend den Anforderungen auch sowohl parallel als auch in Reihe betreiben, wobei hier ebenfalls die Zusammenfassung zu einer einzigen Baueinheit vorteilhaft ist. Im Falle der Reihenschaltung erfolgt die Anordnung in Flußrichtung des die Nutzwärme abtransportierenden Mediums derart, daß die Nutzwärme zunächst vom Kondensator der ersten Wärmepumpe und anschließend vom Kondensator der zweiten Wärmepumpe abgeführt wird, da auf diese Weise aufgrund der sich einstellenden Temperaturverhältnisse ein maximaler Wärmestrom gewährleistet ist.

Um zu verhindern, daß im Verdichter 12 der zweiten Wärmepumpe in Betriebspausen stattfindende übermäßige Kältemittelverlagerungen zu Flüssigkeitsschlägen beim Wiedereinschalten führen, ist ein Steuerteil 18 vorgesehen, welches zusammen mit dem Einschalten des Verdichters 12 ein Magnetventil 19 öffnet und während des Betriebs des Verdichters offenhält. Ein Rückflußverhinderer 20 verhindert darüber hinaus, daß im Kondensator 13 verflüssigtes Kältemit- tel bei Betriebsunterbrechungen zurück in den Verdichter 12 fließt. Auf diese Weise läßt sich die zusätzliche Wärmepumpe im Betrieb beliebig ein- und ausschalten.

Leerseite

Claims

Q 1 Π ^ DIpI.-Ing. Henning Christiansen

Patentanwalt

zugelassener Vertreter beim Europäischen Patentamt

Unter den Eichen 1OSa D 1OOO Berlin 45 Telefon O3O-B31 4OSO

Dr.-Ing. Andreas Hampe 13. Februar 19

Lotzestr. 7 D-1000 Berlin

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Wärmepumpenanordnung

Ansprüche

f 1 y Wärmepumpenanordnung mit Mitteln zur Nutzung der Unterkühlungsenthalpie,

dadurch gekennzeichnet,

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daß die Mittel darin bestehen, daß in den Arbeitmittelkreislauf einer ersten Wärmepumpe (1, 5, 6, 8, 10) eine zweite Wärmepumpe (11 bis 14) derart eingefügt ist, daß

sie eine Abkühlung des flüssigen Arbeitsmittels bewirkt und

die dabei gewonnene sowie auf ein höheres Temperaturniveau gehobene Wärme neben derjenigen der ersten Wärmepumpe zusätzlich als Nutzwärme abführbar ist.
2. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfer (11) der zweiten Wärmepumpe als Wärmetauscher für das flüssige Arbeitsmittel der ersten Wärmepumpe zwischen Kondensator (6) und Expansionsventil (10) der ersten Wärmepumpe angeordnet ist.
3. Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfungstemperatur für das flüssige Arbeitsmittel der zweiten Wärmepumpe im Betrieb deutlich größer gewählt ist als die entsprechende Temperatur der ersten Wärmepumpe.
4. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet , daß die zweite Wärmepumpe für Anwendungen, bei denen insgesamt große Wärmemengen bei verhältnismäßig geringer Temperatur zur Verfügung stehen

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sollen, derart dimensioniert ist, daß dem flüssigen Arbeitsmittel der ersten Wärmepumpe im wesentlichen zwischen 50 und 80% seiner Enthalpie entzogen wird.
5. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet , daß die zweite Wärmepumpe für Anwendungen, bei denen die zusätzliche Nutzwärme bei möglichst hoher Temperatur zur Verfügung stehen soll, Oerart dimensioniert ist, daß dem flüssigen Arbeitsmittel der ersten Wärmepumpe im wesentlichen zwischen 25 und 33% seiner Enthalpie entzogen wird.
6. Wärmepumpenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzwärme der zweiten Wärmepumpe einem von der ersten Wärmepumpe unabhängigen Verbraucher zugeführt wird.
7. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 6, dadurch
gekenn »zeichnet , daß die Nutz wärme der ersten Wärmepumpe einer Niedertemperaturheizung zugeführt und die der zweiten Wärmepumpe für die Brauchwassererwärmung benutzt wird.
8. Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (6, 13) der beiden Wärmepumpen derart in Reihe geschaltet sind, daß die Nutzwärme zunächst vom Kon-

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densator (6) der ersten Wärmepumpe und anschließend vom Kondensator (13) der zweiten Wärmepumpe von dem die Nutzwärme aufnehmenden Medium abgeführt wird.
9. Wärmepumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatoren (6, 13) der beiden Wärmepumpen parallel geschaltet sind.

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10. Warmepumpenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den beiden Wärmepumpen verschiedene, den unterschiedliehen Arbeitstemperaturen angepaßte Kältemittelgemische als Arbeitsmittel vorgesehen sind.
11. Wärmepumpenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Wärmepumpe ein nichtazeotropes Kältemittelgemisch als Arbeitsmittel vorgesehen ist.
12. Wärmepumpenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher der zweiten Wärmepumpe nach dem Parallelstromverfahren betrieben wird.

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13. Wärmepumpenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß

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im Arbeitsmittelkreislauf der zweiten Wärmepumpe vor dem Verdichter (12) ein Absperrventil (19) und hinter dem Verdichter ein Rückflußverhinderer (20) vorgesehen ist, wobei das Absperrventil bei stillgesetztem Verdichter geschlossen ist.