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Die Erfindung betrifft eine Warmwasserversorgungsanlage mit einem Warmwasserspeicher, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1
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Beim heutigen Stand der Technik wird mit einem Wärmeerzeuger, insbesondere einer Wärmepumpe, das Wasser einer Warmwasserversorgungsanlage in einem Warmwasserspeicher ohne Direktstrom auf eine Warmwassertemperatur von 50-53°C effizient erwärmt. Mit einem elektrisch direktbetriebenen Heizflansch kann eine höhere Temperatur (zumindest einmal am Tag) erreicht werden. Im stabilen Betrieb sind diese Wärmepumpen durchaus in der Lage, Trinkwassertemperaturen von 60°C ausschließlich mit dem Kälteprozess zu erreichen, wenn ein kleiner Massenstrom in der Zirkulationsleitung gefahren wird, allerdings mit vermindertem Wirkungsgrad.
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Solange Warmwasser an einer Zapfstelle verbraucht wird, strömt legionellenfreies Wasser aus dem Speicher in die Zirkulationsleitung. Weiterhin strömt in diesem Fall kaltes Wasser nach. In der Praxis kommen sehr lange Betriebsphasen vor, in denen dem Speicher ausschließlich Zirkulationsverluste entnommen werden. Der Legionellenschutz schreibt hier vor, dass das zurückfließende Wasser mindestens 55°C haben muss.
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Gemäß
DE 10 2006 033 834 A1 ist eine Anlage zum Erwärmen von Trinkwasser und zum Abtöten von Legionellen und sonstigen Keimen bekannt, bei der in einer Trinkwasser-Sammelleitung ein erstes 3-Wege-Ventil angeordnet ist, dessen erster Weg mit der Trinkwarmwasser-Sammelleitung verbunden ist, dessen zweiter Weg mit der Abgangsleitung und dessen dritter Weg über eine Bypassleitung führt. Weiterhin ist ein Vorwärmer/Rückkühler vorgesehen.
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Eine in
EP 0 227 051 A2 beschriebene Warmwasserversorgungsanlage sieht eine Wärmepumpe als primäre Wärmequelle vor, durch welche Wasser im Durchlaufbetrieb erwärmt werden soll. Ein Wasserspeicher soll dabei nur als Puffer dienen. Für einen Brauchwasserkreislauf ist dabei fraglich , ob der Wasserspeicher noch als Wärmepuffer dienen kann, wenn daraus Brauchwasser entnommen wird. Jedenfalls ist nach
EP 0 227 051 A2 auch keine vorrangige Entnahme von Warmwasser aus dem Wasserspeicher vorgesehen, sondern eine direkte Kaltwassereinspeisung, so dass die komplette Erwärmung des Brauchwassers über die Wärmepumpe erfolgen soll, was eine entsprechend leistungsstarke Wärmepumpe erfordert.
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Bei einer Warmwasserversorgungsanlage nach
EP 0 592 371 B1 ist ein Sekundärkreislauf hinter einem Warmwasserspeicher vorgesehen, in den eine Wärmepumpe eingebunden ist. Es sind aber verschiedene alternative Kreislaufformen offenbart, von denen einige die Zapfstellen einbeziehen, andere aber ausschließen, bei denen die Zirkulationsleitung durch den Warmwasserspeicher führt oder eine alternativer Zufluss zu den Zapfstellen vom Warmwasserspeicher oder von der Wärmepumpe aus erfolgen soll. Die Gefahr der Legionellenbildung bei zu starker Abkühlung in der Zirkulationsleitung wird hier weder erkannt noch beseitigt.
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In
EP 0 592 371 B1 wird eine Ladeeinrichtung für Speicher und Boiler gelehrt. Dabei umfasst die Ladeeinrichtung eine stuhlartige Rahmenkonstruktion, in die ein würfelförmiges Gehäuse eingesetzt ist. In dem würfelförmigen Gehäuse befindet sich eine Wärmepumpe, ein Gebläse und Zubehör. Als wesentlicher Vorteil wird die Konstruktion als Kasten dargestellt. Die Wärmepumpe beheizt nur den Speicher bzw. Boiler, eine Nacherwärmung im Zirkulationskreis lehrt die Schrift nicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere bei einer Warmwassergroßanlage, die Temperatur des zirkulierenden Trinkwassers mit möglichst geringen Energieverlusten und geringem Energieaufwand auf einer Temperatur von ca. 60°C zu halten.
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Gelöst ist die Aufgabe durch eine Warmwasserversorgungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gegeben. Gemäß den Ansprüchen 5 bis 8 ist ein Verfahren beschrieben.
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In einer Zirkulationsleitung ist ein Wärmetauscher einer Wärmepumpe eingebaut, mit der das zirkulierende Warmwasser auf eine Temperatur von ca. 60°C erwärmt wird. Dabei mündet eine Rücklaufleitung der Zirkulationsleitung in eine Wasserleitung hinter dem Warmwasserspeicher, und das Warmwasser durchströmt den Warmwasserspeicher nicht.
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Bei sehr großen Warmwasseranlagen sind wenigstens zwei Wärmepumpen in die Zirkulationsleitung eingebaut, insbesondere nach langen Durchlaufstrecken des Warmwassers und an Stellen, wo die Temperatur des Warmwassers insbesondere unter 55°C sinkt. Das Warmwasser wird dort von einer Wärmepumpe wieder auf ca. 60°C erwärmt.
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Die in der Zirkulationsleitung angeordnete Wärmepumpe ist in vorteilhafter Weise eine Abluftwärmepumpe, die die Abluft eines Gebäudes abkühlt und die der Luft entnommene Wärme dem Warmwasser, welches in der Zirkulationsleitung umgepumpt wird, zuführt, nämlich durch eine Anordnung der Wärmepumpe in der Rücklaufleitung.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, die Wärmepumpe in die Wasserleitung hinter dem Warmwasserspeicher, insbesondere hinter der Einmündung der Rücklaufleitung in die Wasserleitung einzubauen.
Der Wärmeerzeuger, mit dem das Warmwasser in dem Warmwasserspeicher erwärmt wird, ist vorteilhafter Weise eine Luft/Wasser- oder Sole/Wasser-Wärmepumpe und/oder eine Solaranlage.
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Die in der Zirkulationsleitung angeordnete Wärmepumpe wird in vorteilhafter Weise mit CO2 als Kältemittel betrieben oder sie weist zwei Verdichter auf, zwischen denen eine Einspritzung dampfförmigen Kältemittels erfolgt. Somit wird effizient eine hohe Warmwassertemperatur, insbesondere über 55°C erreicht.
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Mit einem Verfahren wird die Wärmepumpe, deren Wärmetauscher in der Zirkulationsleitung eingesetzt ist, dann eingeschaltet, wenn die von einem Temperaturfühler der Zirkulationsleitung gemessene Temperatur des zirkulierenden Warmwassers unter eine Temperatur von 55°C absinkt
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In einem alternativen Verfahren wird die Wärmepumpe leistungsreguliert derart betrieben, dass die Temperatur des Warmwassers, gemessen von einem Temperaturfühler der Zirkulationsleitung, nach dem Durchfließen des Wärmetauschers eine Temperatur von ca. 60°C aufweist.
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Mit einem anderen alternativen Verfahren wird der Volumenstrom in einer Zirkulationsleitung mit einer Zirkulationspumpe so eingeregelt, dass die Temperatur des durch den Wärmetauscher fließenden Warmwassers, bei voller Heizleistung der Wärmepumpe, nach dem Wärmetauscher eine Temperatur von ca. 60°C aufweist.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass ein herkömmlicher Wärmeerzeuger, wie eine Luft/Wasser- oder Sole/Wasser-Wärmepumpe, den Warmwasserspeicher aufheizt und mit einer zusätzlichen, vorzugsweise kleineren Wärmepumpe, insbesondere Abluftwärmepumpe, die vorzugsweise mit dem Kältemittel CO2 arbeitet, das zurückfließende Zirkulationswasser wieder auf 60°C erwärmt wird. Das Zirkulationswasser durchströmt den Warmwasserspeicher in einem
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Ausführungsbeispiel nicht. Durch die Bereitstellung einer kleinen Wärmepumpe mit einer Heizleistung, die gerade der Verlustleistung des durch die Zirkulationsleitung strömenden Wassers entspricht, wird effizient und dauerhaft in der Zirkulationsleitung eine Zieltemperatur von ca. 60°C erreicht. Die Heizleistung der Wärmepumpe, deren Wärmetauscher in der Zirkulationsleitung angeordnet ist, liegt in vorteilhafter Weise zwischen ca. 0,5 bis 3 kW, je nach Wärmebedarf der Warmwasserversorgungsanlage liegt die Heizleistung auch darüber. Das Warmwasser aus der Zirkulationsleitung fließt entsprechend der vorgeschlagenen Lösung nicht mit ca. 55°C in den Warmwasserspeicher zurück, sondern wird von der zusätzlichen Wärmepumpe direkt in der Zirkulationsleitung nacherwärmt. Das ermöglicht insbesondere den Einbau von Luftwärmepumpen als Wärmeerzeuger zur Aufladung des Warmwassers im Warmwasserspeicher in Sanierungsobjekten in der Wohnungswirtschaft.
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In der Figur ist eine Warmwasserversorgungsanlage 10 gezeigt. Diese weist einen Wärmeerzeuger 21, einen Warmwasserspeicher 30 und eine Zirkulationsleitung 40 auf. Über ein Rohr 11 ist der Wärmeerzeuger 21 mit einer nicht dargestellten Heizungsanlage und dem Warmwasserspeicher 30 verbunden. Das Rohr 11 stellt eine Vorlaufleitung dar. Ein Rohr 12 bildet eine Rücklaufleitung. Eine Pumpe 13 ist im Rohr 11 angeordnet und pumpt ein Wärmeträgerfluid um, insbesondere Wasser. Im Ausführungsbeispiel ist eine Steuerung 14 im Wärmeerzeuger 21 zentral angeordnet. Über eine Busleitung 15 ist die Steuerung 14 mit verschiedenen Aktoren und Sensoren verbunden. Es ist aber auch möglich, die Steuer- und Regelungsaufgaben auf verschiedene Steuer- oder Regeleinheiten zu verteilen.
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An das Rohr 11 ist ein Rohr 22 für einen Heizungsvorlauf angeschlossen. In diesem Rohr 22 ist eine Heizungswasser-Pumpe 24 angeordnet. Das Wärmeträgerfluid fließt zurück durch das Rohr 23 für den Heizungsrücklauf und mündet in das Rohr 12.
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Der Warmwasserspeicher 30 weist ein Speicherladesystem 32 auf. Im Ausführungsbeispiel ist das Speicherladesystem 32 ein außenliegender Wärmetauscher, der die Wärme auf den Warmwasserspeicher 30 überträgt. Alternativ wird das Speicherladesystem 32 in den Warmwasserspeicher 30 eingebaut und wird vorzugsweise durch einen innenliegenden Wärmetauscher gebildet. An dem Warmwasserspeicher 30 ist eine Wasserleitung 33 angeordnet, aus der Warmwasser in die Zirkulationsleitung 40 gelangt. Zur Steuerung des Warmwasserspeichers 30 ist in diesem und/oder an diesem und/oder auch an der Wasserleitung 33 wenigstens ein
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Temperaturfühler 35 angeordnet und über die Busleitung 15 mit der Steuerung 14 verbunden. Weiterhin weist der Warmwasserspeicher 30 einen Frischwasserzulauf 34 auf, mit dem insbesondere Kaltwasser oder auch vorerwärmtes Wasser zugeführt wird.
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Mit einer Zirkulationspumpe 41 wird das in der Zirkulationsleitung 40 befindliche Warmwasser umgepumpt. Bei diesem entstehen Wärmeverluste des Warmwassers, und das Warmwasser kühlt sich während des Umlaufes ab. Zur Sicherstellung der Legionellen-Freiheit des Brauchwassers, welches in der Zirkulationsleitung 40 strömt, ist ein Wärmetauscher 42 einer Wärmepumpe 43 in wärmeleitender Verbindung mit der Zirkulationsleitung 40 verbunden oder das Brauchwasser aus der Zirkulationsleitung 40 durchströmt direkt den Wärmetauscher 42. Im Ausführungsbeispiel ist die Wärmepumpe 43 in einer Rücklaufleitung 44 der Zirkulationsleitung 40 angeordnet. Die Rücklaufleitung 44 ist an der Einmündung 45 mit der Wasserleitung 33 verbunden. An dieser Stelle strömt das umgepumpte Warmwasser wieder zurück. Die Wärmepumpe 43 wird insbesondere durch Temperaturfühler 46 und/oder Temperaturfühler 47 gesteuert oder geregelt. Die Temperatur des umlaufenden Brauchwassers wird demnach insbesondere am Ende des Umlaufs in der Rücklaufleitung 44 gemessen. Vorteilhaft ist dabei die Überwachung der Temperatur des rücklaufenden Brauchwassers vor der Wärmepumpe 43 durch den Temperaturfühler 46. Um sicherzustellen, dass das Brauchwasser auch tatsächlich auf einen Mindest-Temperaturwert von ca. 60°C durch die Wärmepumpe 43 erhitzt wurde, ist der Temperaturfühler 47 in Umlaufrichtung des strömenden Warmwassers angeordnet.
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Die Wärmepumpe 43 gibt so viel Heizleistung ab, dass das Brauchwasser, welches in der Zirkulationsleitung 40 strömt, hinter der Wärmepumpe 43 wieder auf mindestens 60°C erhitzt ist. Demnach wird die Wärmepumpe 43 verfahrensgemäß eingeschaltet, wenn die von einem Temperaturfühler 46 in der Zirkulationsleitung 40 gemessene Temperatur des zirkulierenden Warmwassers unter eine Temperatur von ca. 55°C absinkt oder dass die Wärmepumpe 43 leistungsreguliert betrieben wird, dass das Warmwasser, gemessen von einem Temperaturfühler 47 der Zirkulationsleitung, nach Durchfließen des Wärmetauschers 42 eine Temperatur von ca. 60°C aufweist.
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Alternativ wird die Wärmepumpe 43 nicht leistungsreguliert betrieben, sondern die Zirkulationspumpe 41 stellt einen Volumenstrom sicher, bei dem eine vorgegebene Heizleistung der Wärmepumpe 43 ausreicht, das Wasser am Temperaturfühler 47 hinter dem Wärmetauscher 42 wieder auf eine Temperatur von ca. 60°C zu erhitzen.
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Es ist auch eine Kombination einer Leistungsregulierung der Wärmepumpe 43 und einer Leistungsregulierung der Zirkulationspumpe 41 möglich.
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Um die Warmwasserversorgungsanlage möglichst effizient zu betreiben, wird zunächst die Heizleistung der Wärmepumpe 43 so weit reduziert, dass der Temperaturfühler 47 wenigstens eine Temperatur von ca. 60°C misst. In einem weiteren Aspekt wird die Leistung der Zirkulationspumpe 41 um einen vorgegebenen Wert reduziert. Eine Reduzierung des Wertes von 3 - 10% ist dabei vorteilhaft. Bezogen auf diesen neuen Wert stellt sich ein reduzierter Volumenstrom in der Zirkulationsleitung 40 ein und bei diesem reduzierten Volumenstrom wird das Wasser von der Wärmepumpe 43 auf einen höheren Wert als 60°C erwärmt. Ferner erfolgt im zweiten Schritt eine Anpassung der Heizleistung der Wärmepumpe, so dass an dem Temperaturfühler 47 wieder eine Temperatur von 60°C erfasst wird. Die Reduzierung des Volumenstromes in Kombination mit der Reduzierung der Heizleistung der Wärmepumpe 43 erfolgt vorteilhaft so lange, bis die am Temperaturfühler 46 gemessene Temperatur einen Mindest-Temperaturwert nicht unterschreitet. Dieser Grenzwert ist in vorteilhafter Weise eine Temperatur von 55°C. Somit ist sichergestellt, das die Wärmepumpe 43 und die Zirkulationspumpe 41 mit einer möglichst geringen Leistung arbeiten. Die Werte des Arbeitspunktes, bei dem die Wärmepumpe einen reduzierten Volumenstrom des Brauchwassers gerade auf den Mindestwert von ca. 60°C erhitzt, wird gespeichert, und die Warmwasserversorgungsanlage wird in diesem Zustand weiterbetrieben. Ändern sich die Rahmenbedingungen, so dass die Brauchwassertemperatur absinkt, wird zunächst die Heizleistung der Wärmepumpe 43 wieder erhöht, und dann der Volumenstrom.
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Die Wärmepumpe 43 wird vorteilhaft noch in einem anderen Fall genutzt, nämlich dann, wenn der Wärmeerzeuger 21 in Betrieb ist. In vorteilhafter Weise ist in der Zirkulationsleitung 40 in der Wärmepumpe 43 ein Dreiwegeventil 49 angeordnet. Das 3-Wege-Ventil 49 ist ebenfalls mit der Steuerung 14 über die Busleitung 15 verbunden. Sobald der Wärmeerzeuger 21, welcher bevorzugt eine Wärmepumpe ist, in Betrieb ist, um dem Warmwasserspeicher 30 zu beladen und mit Wärme zu versorgen, wird die Wärmepumpe 43 eingeschaltet oder auf maximale Leistung hochgefahren. Weiterhin wird das Dreiwegeventil 49 so eingestellt, dass der Rücklauf des
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Brauchwassers zur Einmündung 45 wenigstens reduziert oder auch ganz gesperrt ist. Das Brauchwasser strömt dann durch eine Leitung 50 in den Warmwasserspeicher 30 zurück. Im Ausführungsbeispiel mündet die Leitung 50 in den oberen Teil des Warmwasserspeichers 30. Dahinter verbirgt sich der Gedanke, das Brauchwasser mit hohen Temperaturen um die 60°C oder darüber mit einer Wärmepumpe 43 zu erzeugen, die in diesem Temperaturbereich besonders effizient arbeitet. Insbesondere wenn der Wärmeerzeuger 21 eine Luft-Wärmepumpe ist, die auf die energieeffiziente Warmwasserbereitung bis ca. 55°C ausgelegt ist, wird damit erreicht, den Warmwasserspeicher 30 im unteren Temperaturbereich bis hin zu einem Wert von ca. 55°C mit dem Wärmeerzeuger 21 effizient zu erwärmen. Der weitere Temperaturanstieg auf 60°C oder mehr wird dann von der Wärmepumpe 43 geleistet, da diese im Temperaturbereich von 60°C und darüber besonders effizient arbeitet.
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Die Erfindung umfasst auch die effiziente Erwärmung des Warmwasserspeichers 30 auf höhere Temperaturen als 60°C, also Temperaturen, die mit dem Wärmeerzeuger, insbesondere einer Luft/Wasser oder Wasser/Wasserwärmepumpe, nicht erzielbar sind. Mit der kleineren Wärmepumpe 43 wird erreicht, den Warmwasserspeicher 30 auf höhere Temperaturen zu erwärmen. Hierzu wird das in der Zirkulationsleitung umlaufende Warmwasser in der Wärmepumpe 43 auf Temperaturen oberhalb von 60°C, z.B. 70°C oder mehr erwärmt. Dieses über 60°C erwärmte Warmwasser wird dem Warmwasserspeicher 30 in einem Ausführungsbeispiel im oberen Bereich zugeführt. Vorteilhaft ist es, das Speicherladesystem 32 im unteren bis mittleren Bereich des Warmwasserspeichers 30 anzuordnen. Die Rückführung des erwärmten Warmwassers zum Warmwasserspeicher 30 erfolgt durch das Dreiwegeventil 49 durch Abriegeln oder Drosseln des Durchflusses von der Rücklaufleitung 44 zur Einmündung 45.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel wird dem Warmwasserspeicher 30 im mittleren oder oberen Bereich über eine nicht dargestellte Rohrleitung Warmwasser entnommen, durch die Zirkulationspumpe 41 gepumpt und durch die Wärmepumpe 43 geführt und dort auf eine Temperatur oberhalb von circa 60° erwärmt und dem Warmwasserspeicher 30 wieder zugeführt. Dabei ist das Dreiwegeventil 49 so geschaltet, dass der Wasserdurchfluss von der Rücklaufleitung 44 zur Einmündung 45 wenigstens reduziert oder auch ganz gesperrt ist.
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Die Erfindung kann auch die effiziente Erwärmung des Warmwasserspeichers 30 auf höhere Temperaturen, als diese mit dem Wärmeerzeuger 21 erzielbar sind, umfassen. Übliche Luft/Wasser-Wärmepumpen erreichen eine Temperatur von 60°C. Mit der zweiten Wärmepumpe wird jedoch erreicht, Warmwasser im Speicher auf höhere Temperaturen zu erwärmen.
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In einem einfachen Ausführungsbeispiel wird das in der Rücklaufleitung 44 fließende Warmwasser durch eine nicht dargestellte Leitung in den Warmwasserspeicher 30 geleitet. Diese Leitung geht von der Wärmepumpe 43 vorzugsweise direkt in den oberen Bereich des Warmwasserspeichers 30, ähnlich wie die Leitung 50 in einem anderen Ausführungsbeispiel. Hierbei ist das Dreiwegeventil 49 und die Leitung vom Dreiwegeventil 49 zur Einmündung 45 eingespart. Der Warmwasserspeicher 30 ist dabei erforderlich, um das Wasser zirkulieren zu lassen, denn das zirkulierende Warmwasser durchströmt dann immer den Warmwasserspeicher 30.
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Der Warmwasserspeicher 30 gemäß der beschriebenen Ausführungsbeispiele ist in vorteilhafter Weise ein Schichtspeicher. Mit einer Energieerfassungseinheit, die durch einen sich über den Warmwasserspeicher 30 erstreckenden langen Sensor verfügt, ist es weiterhin vorteilhaft, den Energieinhalt des Warmwasserspeicher 30 zu erfassen. Mit der Wärmepumpe 43 ist es auch möglich die Wärmeverluste des Warmwasserspeichers 30 auszugleichen. Dazu wird wenigstens ein Teilstrom des Warmwassers durch den Warmwasserspeicher 30 geleitet.