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Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung in einem Kältekreislauf gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Der Kältekreislauf ist mit einem ersten Verdampfer mit einer ersten Energiequelle und mindestens einem zweiten Verdampfer mit einer zweiten Energiequelle, die zugeschaltet werden kann oder verriegelt wird, versehen, wobei der erste Verdampfer durchströmt wird.
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Die Wärmepumpen sind bekannt und werden zur Beheizung verschiedener Objekte eingesetzt, ebenso sind die unterschiedlichsten Wärmequellen mit den unterschiedlichen Temperaturniveaus bekannt. So haben beispielsweise Luft-Wasserwärmepumpen in den Sommermonaten eine sehr hohe Quellentemperatur der Umgebungsluft und in den Wintermonaten eine sehr niedrige wobei zusätzliche Energie für die Abtauung des Luftwärmetauschers benötigt wird. Bei der Abkühlung der Umgebungsluft wird es im Verdampfer zu Eisansatz kommen, welcher von Zeit zu Zeit abgeschmolzen werden muss. Hierbei wird üblicherweise im Kältekreis eine Umkehrschaltung ausgelöst und der Wärmeaustauscher in der Umgebungsluft nun als Verflüssiger benutzt und mit der Verflüssigungsenergie der Eisansatz abgeschmolzen. Im Gegenzug wird der Wärmetauscher, der zuvor für die Beheizung des Objekts eingesetzt wurde, nun als Verdampfer genutzt und entzieht dem Objekt die für die Abtauschaltung erforderliche Energie.
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Aus dem beschriebenen Stand der Technik lässt sich nur eine ungleichmäßige Beheizung eines Objektes verwirklichen oder es muss ein sehr großer Pufferspeicher im Heizungssystem eingebaut werden, der eventuell noch eine zusätzliche Elektroheizung enthält. Auf jeden Fall muss die Wärmepumpe eine größere Leistung aufweisen, weil während der Beheizung des Objektes noch zusätzliche Energie in den Puffer für den späteren Energieentzug für die Abtauschaltung eingebracht werden muss. Weiterhin sind derzeit kleinere bzw. nicht kontinuierlich vorhandene Energiemengen nicht voll für den Wärmepumpenbetrieb nutzbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher unterschiedliche Wärmequellen energieeffizient für die Wärmepumpe zu nutzen, und eine Abtauschaltung bei Luft-Wasserwärmepumpen vorzunehmen ohne das zuvor beheizte Objekt abzukühlen oder einen Pufferspeicher für den Energieentzug zu entleeren und damit die Leistung der Wärmepumpe so klein wie möglich zu halten.
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Die Lösung der Aufgabe gestaltet sich nach den Merkmalen von Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß wird dabei zusätzlicher Wärmetauscher eingesetzt. Der in Reihe geschaltete zweite Verdampfer im Kältekreis entzieht aus einer weiteren Wärmequelle Energie.
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So kann wahlweise die erste oder die zweite Energiequelle oder beide gleichzeitig genutzt werden. Auch ist es möglich in die erste Wärmequelle Energie einzuspeisen, während der Zweiten Energie entzogen wird.
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Beispielsweise kann man so die Vorzüge der Wärmequelle Umgebungsluft, durch die Kopplung mit einer weiteren Wärmequelle z. B. Erdwärme, effizienter nutzen.
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Der erste Verdampfer kann hier auch die Funktion als Verflüssiger, Unterkühler oder Sammler aufweisen. Im Teillastbereich, wenn wenig Energie vom Kondensator abgenommen wird, übernimmt der zweite Wärmetauscher im Kältekreis, zuvor erster Verdampfer, die Funktion des Verflüssigers und trägt somit zur Regenerierung der vorhandenen Wärmequelle bei.
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Eine Einspeisung von Energie in das Erdreich und somit gleichzeitiger Regeneration des Erdkollektors mit zusätzlichem Energiegewinn im Kältekreis ist bei laufendem Betrieb als Luft-Wasserwärmepumpe dadurch gegeben. Bei tieferen Temperaturen, dort wo die Abtauschaltung notwendig ist, wird durch den weiteren Verdampfer die Energie aus dem Erdreich genutzt. Auf eine Abtauschaltung könnte bei Nutzung der zweiten Wärmequelle auch generell verzichtet werden. Die gleichzeitige Nutzung beider Wärmequellen ist ebenfalls möglich, die Wärmetauscher sind dann als Vor- und Nachverdampfer geschalten.
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Ein wesentlicher Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass auch kleinere Energiequellen genutzt werden können, die zwischenzeitlich die Möglichkeit haben sich zu regenerieren. Dieses könnte u. a. die Brauchwasserleitung, ein Flächenkollektor, eine Güllegrube, eine Solarthermieanlage, eine Abwasserleitung, Maschinenabwärme usw. sein oder auch ein Energiespeicher mit einer Kombination aus verschiedenen Systemen.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen unter anderem in den im Folgenden beschriebenen vorteilhaften Wirkungen:
- a) Nutzung mehrerer und auch unterschiedlicher Wärmequellen
- b) Gleichzeitige oder abwechselnde Nutzung unterschiedlicher Energiequellen
- c) Kleinere Energiequellen und Energiepuffer können genutzt werden
- d) Sich kontinuierlich oder diskontinuierlich regenerierende Energiequellen können herangezogen werden.
- e) Steigerung der Leistungszahl durch Nutzung der energetisch höheren verfügbaren Energiequelle
- f) Energiequellen können durch die Wärmepumpe wieder aufgeladen werden
- g) Investitionskosten der einzelnen Energiequellen können geringer werden
- h) Die Verdichter der Wärmepumpe können gegenüber herkömmlichen System kleiner gewählt werden
- i) Weil die Verdichter kleiner gewählt werden können verringert sich auch die Anschlussleistung
- j) Durch Verringerung der Anschlussleistung verringert sich der nötige Querschnitt des Zuleitungskabels.
- k) Mögliche Verlängerung der Laufzeit der Verdichter
- l) Der Jahresnutzungsgrad der Wärmepumpe wird gesteigert
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Im Folgenden Beispiel sollen die Vorteile der Erfindung anhand der Kombination der Wärmequellen Umgebungsluft und Erdwärme beschrieben werden. Umgebungsluft und Erdwärme könnten hierbei durch jede weitere mögliche Energiequelle ersetzt werden.
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Die Nutzung einer Wärmepumpe mit Umgebungsluft erfordert in Temperaturbereichen unter +7°C das Abtauen des Verdampfers, wobei dann nicht nutzbare Energie benötigt wird. Bei höherer Außentemperatur bietet die Luft aber einen höheren, immer verfügbaren Energiegehalt durch hohe Quellentemperaturen. In gemäßigten Klimazonen trifft dies auf ca. 75% des Jahresverlaufs der Außentemperaturen zu. Während der verbleibenden Zeiträume bringt die Nutzung der Erdwärme mehr Vorteile. Durch konstante Erdreichtemperaturen werden gleichbleibend hohe Arbeitszahlen der Wärmepumpe erreicht.
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In Kombination beider Wärmequellen ergeben sich folgende Vorteile:
- 1. Geringere Investitionskosten für Erdwärmenutzung, da die Energiequelle nicht ganzjährig genutzt wird.
- 2. Kleinere Dimensionierung der Luft-Wärmepumpe, weil hauptsächlich Temperaturbereiche ohne Abtauenergie am Wärmetauscher genutzt werden.
- 3. Dem Nutzer wird keine Abtauenergie für den Luftwärmetauscher entzogen, da die Wärmequelle Erdreich dafür genutzt wird.
- 4. Durch hohe Temperaturniveaus während der Außenluftnutzung sowie der Nutzung des Erdreiches werden die Energiequellen effizienter genutzt.
- 5. Geringerer Platzbedarf für Erdwärmekollektoren bzw. -sonden gegenüber herkömmlichen Erdwärmepumpen.
- 6. Schnellere Regeneration der Erdwärme durch Einspeisung der Energie der Luftwärmepumpe.
- 7. Optimierte Laufzeiten des Verdichters aufgrund des Verzichts auf Abtauzyklen bei Luftwärmepumpen.
- 8. Bei ganzjähriger Nutzung der Luftwärmepumpe kann jede Art der Umgebungsenergie für die Abtauung herangezogen werden ohne dem Nutzer die vorher eingebrachte Wärmeenergie wieder zu entziehen.
- 9. Durch Nutzung mehrerer unterschiedlicher Energiequellen kann eine höhere nutzbare Wärmeenergie, bei gleichem Platzbedarf zu herkömmlichen Systemen, zur Verfügung gestellt werden.
- 10. Durch gleichzeitige oder abwechselnde Nutzung mehrerer unterschiedlicher Energiequellen können auch kleine, sich kontinuierlich oder diskontinuierlich regenerierende, Energiequellen herangezogen werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im Folgenden anhand von Zeichnungen beispielhaft dargestellt. Dabei zeigen
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1 eine bevorzugte Wärmepumpenanordnung mit einem dritten Wärmetauscher und einer zweiten Energiequelle,
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2 eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die Energiequelle Luft durch den zweiten Wärmetauscher genutzt wird, sowie eine bevorzugte Abtauschaltung,
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3 eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die Energiequelle Luft durch den dritten Wärmetauscher genutzt wird, sowie eine bevorzugte Abtauschaltung,
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4 eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die Energiequelle Luft durch den dritten Wärmetauscher genutzt wird, sowie eine bevorzugte Abtauschaltung, und
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5 eine erfindungsgemäße Anordnung, wobei die Energiequelle Luft durch den zweiten Wärmetauscher genutzt wird, sowie eine bevorzugte Abtauschaltung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung einer Wärmepumpenanlage mit zwei Verdampfern (Wärmetauscher 4, Wärmetauscher 7) und zwei Energiequellen A, B, wobei bei Nutzung des zweiten Verdampfers (Wärmetauscher 7) mit der zweiten Energiequelle B der erste Verdampfer (Wärmetauscher 4) durchströmt wird. Dabei kann der erste Verdampfer 4 als Kondensator oder Unterkühler genutzt werden und der ersten Energiequelle A wird Energie zugeführt. Bei gleichzeitiger Nutzung beider Energiequellen werden die Verdampfer 4, 7 als Vor- und Nachverdampfer geschalten.
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Bei Nutzung der ersten Wärmequelle z. B. Maschinenabwärme durchströmt das gasförmige Kältemittel den Kältekreislauf von einem Verdichter 8 durch eine Rohrleitung 9 zum Wärmetauscher 1. Dort kondensiert das Kältemittel und Wärme wird dem Nutzer N zugeführt. Über eine Rohrleitung 10 gelangt das nunmehr flüssige Kältemittel über den Sammler 2 zu einem Expansionsventil 3 und verdampft im Wärmetauscher 4 und entzieht der ersten Wärmequelle A Energie. Das gasförmige Kältemittel strömt durch eine Rohrleitung 11, ein geöffnetes Ventil 5, durch Rohrleitungen 14 und 15 zurück zum Verdichter 8. Ein weiteres Ventil 6 ist dabei geschlossen.
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Bei Nutzung der zweiten Wärmequelle z. B. Erdwärme durchströmt das gasförmige Kältemittel den Kältekreislauf vom Verdichter 8 durch die Rohrleitung 9 zum Wärmetauscher 1. Dort kondensiert das Kältemittel und Wärme wird dem Nutzer zugeführt. Über die Rohrleitung 10 gelangt das nunmehr flüssige Kältemittel über den Sammler 2, bei voll geöffnetem Ventil 3 in den Wärmetauscher 4. Dieser übernimmt jetzt die Funktion des Sammlers. Bei geschlossenem Ventil 5 gelangt das flüssige Kältemittel über die Rohrleitungen 11 und 12 zum Expansionsventil 6 und verdampft in einem Wärmetauscher 7 und entzieht der zweiten Wärmequelle B Energie. Das gasförmige Kältemittel strömt durch Rohrleitungen 13 und 15 zurück zum Verdichter 8.
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Bei Nutzung beider Wärmequellen A und B z. B. Abwasser und Erdwärme, durchströmt das gasförmige Kältemittel den Kältekreislauf vom Verdichter 8 durch die Rohrleitung 9 zum Wärmetauscher 1. Dort kondensiert das Kältemittel und Wärme wird dem Nutzer N zugeführt. Über die Rohrleitung 10 gelangt das nunmehr flüssige Kältemittel über den Sammler 2 zum Expansionsventil 3 und verdampft teilweise im Wärmetauscher 4 und entzieht der ersten Wärmequelle A Energie. Da in diesem Fall die Energiemenge zu klein ist, strömt bei geschlossenem Ventil 5 das flüssig-gasförmige Kältemittel über die Rohrleitung 11 und 12, über das geöffnete Ventil 6 und wird im Wärmetauscher 7 nachverdampft und entzieht der zweiten Wärmequelle B Energie. Das gasförmige Kältemittel strömt durch die Rohrleitungen 13 und 15 zurück zum Verdichter 8.
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Bei Nutzung der im Teillastbereich mit zwei Wärmequellen A und B, z. B. Erdwärme und Brauchwasser, durchströmt das gasförmige Kältemittel den Kältekreislauf vom Verdichter 8 durch die Rohrleitung 9 zum Wärmetauscher 1. Dort kondensiert das Kältemittel zum Teil und Wärme wird dem Nutzer N zugeführt.
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Über die Rohrleitung 10 gelangt das nunmehr gasförmig-flüssige Kältemittel über den Sammler 2 zum geöffnetem Ventil 3 und kondensiert im Wärmetauscher 4 und der ersten Wärmequelle A wird Energie zugeführt, dabei regeneriert sich bzw. puffert der Erdspeicher die Energie. Bei geschlossenem Ventil 5 gelangt das flüssige Kältemittel dann über die Rohrleitungen 11 und 12 zum Expansionsventil 6 und verdampft im Wärmetauscher 7 und entzieht der zweiten Wärmequelle B Energie. Das gasförmige Kältemittel strömt durch die Rohrleitungen 13 und 15 zurück zum Verdichter.
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Für die Regeneration der ersten Wärmequelle A oder zur Speicherung von Energie in der ersten Wärmequelle A kann diese Schaltung ebenfalls angewendet werden. Dabei kann in der ungenutzten Zeit, in der keine Wärmeabnahme über den Wärmetauscher 1 erfolgt, die Energie über Wärmetauscher 4 eingebracht werden, wobei gleichzeitig über den Wärmetauscher 7 die Energie entzogen wird.
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Die Ventile 3 und 6 wurden hier als automatische Expansionsventile beschrieben, die jedoch auch aus der Kombination von Expansionsventil und automatischen Ventil bzw. 3-Wege-Ventil bestehen können. Weiterhin können die automatischen Expansionsventile 3 und/oder 6 eine zusätzliche Regelfunktion als Magnetventil haben.
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2 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung einer Wärmepumpenanlage mit zwei Verdampfern (Wärmetauscher 16 und 7) und zwei Energiequellen A und B, wobei die erste Energiequelle A Luft ist und die zweite Energiequelle B Erdreich sein kann. Der Kältemittelfluss ist wie in 1 beschrieben.
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Bei Nutzung der Energiequelle A für Luft wird Kältemittel über das Expansionsventil 3 in einen Luft-Wärmetauscher 16 eingespritzt und verdampft. Hierbei kann es bei tieferen Temperaturen zur Reifbildung und zum Eisansatz am Wärmetauscher 16 kommen, der von Zeit zu Zeit abgeschmolzen werden muss. Für die Abtauschaltung wird die zweite Energiequelle B genutzt, dabei ist Wärmetauscher 7 Verdampfer und der Wärmetauscher 16 Verflüssiger. Durch den Wärmetauscher 1 wird dabei keine Leistung entzogen. Er ist damit also ohne Funktion geschaltet. Alternativ kann generell auf die zweite Wärmequelle B umgeschaltet werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung einer Wärmepumpenanlage mit zwei Verdampfern (Wärmetauscher 17 und 7) und zwei Energiequellen A und B, wobei die erste Energiequelle A Erdreich sein kann und die zweite Energiequelle B Luft ist. Die allgemeine Funktion ist in 1 beschrieben.
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Bei der Abtauung eines Luft-Wärmetauschers 17 sind die Ventile 3, 5 und 6 geschlossen. Das heiße gasförmige Kältemittel strömt vom Verdichter 8 über Rohrleitung 9 und eine Rohrleitung 18 und über ein geöffnetes Ventil 19 in den Wärmetauscher 17. Das Kältemittel gibt Energie zur Enteisung des Wärmetauschers 17 ab und gelangt über Rohrleitungen 13 und 15 zum Verdichter 8 zurück. Nach dem Abtauvorgang wird das Ventil 19 geschlossen.
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4 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung einer Wärmepumpenanlage mit zwei Verdampfern (Wärmetauscher 17 und 7) und zwei Energiequellen A und B, wobei die erste Energiequelle A Erdreich sein kann und die zweite Energiequelle B Luft ist. Die allgemeine Funktion ist in 1 beschrieben.
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Diesmal erfolgt jedoch die Umschaltung zwischen den Wärmequellen A und B mit einem Dreiwegeventil 22, das automatische Ventil 5 entfällt hierbei. Bei Stellung des Dreiwegeventils 22 in Fließrichtung B-AB wird die erste Wärmequelle A freigegeben, bei Stellung in Fließrichtung A-AB werden die zweite Energiequelle B oder auch beide Energiequellen A und B freigegeben.
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Bei der Abtauung des Luft-Wärmetauschers 17 ist das automatische Ventil 3 geschlossen, das Dreiwegeventil 22 ist in der Stellung der Fließrichtung B-AB geschaltet und dabei ist der Anschluss A geschlossen. Das Kältemittel strömt vom Verdichter 8 über ein geöffnetes Ventil 23, eine Rohrleitung 24 und die Rohrleitung 13 in den Luft-Wärmetauscher 17 und gibt Wärme zur Abtauung ab und kondensiert. Das flüssige Kältemittel strömt über ein automatisches Ventil 20, wobei das Ventil 6 geschlossen ist, über ein Expansionsorgan 21 z. B. eine Kapillare, zum Wärmetauscher 4 und verdampft und entzieht somit der zweiten Wärmequelle B Energie. Das gasförmige Kältemittel gelangt über die Rohrleitung 14, das Dreiwegeventil 22 mit Stellung in Fließrichtung B-AB und die Rohrleitung 15 zurück zum Verdichter 8. Nach dem Abtauvorgang werden die Ventile 20 und 23 geschlossen.
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5 zeigt eine weitere Ausführung der erfindungsgemäßen Anordnung einer Wärmepumpenanlage mit zwei Verdampfern (Wärmetauscher 16 und 7) und zwei Energiequellen A und B, wobei die erste Energiequelle A Luft ist und die zweite Energiequelle B Erdreich sein kann. Der Kältemittelfluss ist ausgeführt, wie er in 2 beschrieben wurde.
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Hierbei erfolgt jedoch die Überhitzungsregelung durch thermostatische Expansionsventile 26 und 29. Eine Regelfunktion für die volle Öffnung im Zufluss des ersten Verdampfers 16 wird durch ein Dreiwegeventil 25 realisiert, während die Verriegelung des zweiten Verdampfers 7 mittels eines automatischen Ventils 28 erfolgt.
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Allgemein ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass einzelne oder unterschiedliche Wärmequellen A, B mit verschiedenen Wärmeleistungen ausgebildet sein können und so in das System eingekoppelt sind. Als Wärmequellen kommen wahlweise oder kombiniert Luftwärme, Erdwärme, Brauchwasserwärme oder Maschinenabwärme zur Anwendung. Entsprechend weitere hier nicht genannte Energiequellen können auch eingesetzt werden.
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Weiterhin kann eine zweite Energiequelle B eine wesentlich kleinere Energiezufuhr aufweisen als die erste Energiequelle A. Dabei kann die zweite Energiequelle B kontinuierlich oder diskontinuierlich nachgespeist werden.
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Wenn Abtauschaltungen für einen der Wärmetauscher 16, 17 vorgesehen sind, wird die Schaltung des Kältemittels so ausgebildet, dass keine Energie zum Abtauen dieses Wärmetauschers aus dem Wärmetauscher 1 und damit aus dem Heizsystem des Nutzers N entnommen wird.
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Schließlich soll die Wärmepumpenanordnung so ausgebildet sein, dass bei einer festgelegten Temperatur, einem festgelegten Druck, einer festgelegten Zeit oder einer anderen Regelgröße zwischen den Energiequellen A und B gewechselt werden kann. Weiterhin kann unter den gleichen Rahmenbedingungen eine weitere Energiequelle B zugeschaltet, abgeschaltet bzw. regeneriert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher als Verflüssiger und Verdampfer
- 2
- Sammler
- 3
- automatisches Expansionsventil
- 4
- Wärmetauscher als Verflüssiger und Verdampfer
- 5
- automatisches Ventil
- 6
- automatisches Expansionsventil
- 7
- Wärmetauscher als Verdampfer
- 8
- Verdichter
- 9 bis 15
- Rohrleitung
- 16
- Luft-Wärmetauscher als Verflüssiger und Verdampfer
- 17
- Luft-Wärmetauscher als Verflüssiger und Verdampfer
- 18
- Rohrleitung
- 19
- automatisches Ventil
- 20
- automatisches Ventil
- 21
- Expansionsorgan
- 22
- Dreiwegeventil
- 23
- automatisches Ventil
- 24
- Rohrleitung
- 25
- Dreiwegeventil
- 26
- thermostatisches Expansionsventil
- 27
- Rohrleitung
- 28
- automatisches Ventil
- 29
- thermostatisches Expansionsventil