DE3019198A1 - Verfahren zur besseren auslastung von fernheizsystemen mit kraft-waerme-kopplung - Google Patents

Description

PATE N TA N WÄ LT E D-I BERLIN-DAHLEM 33 · POD3IELSKIALLEE ββ D-θ MÜNCHEN 22 · WIDENMAYERSTRASSE 49

Günter Neumann

BERLIN! DIPL.-ING. R. MÜLLER-BÖRNER

MÜNCHEN: DIPL.-INQ. HANS-HEINRICH WEY DIPL.-INQ. EKKEHARD KÖRNER

Berlin, den 16. Mai I98O

Verfahren zur besseren Auslastung von Fernheizsystemen mit Kraft-Wärme-Kopplung

13 Seiten Beschreibung mit . 6 Patentansprüchen 3 Blatt Zeichnungen

MP - 27 585

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BERLIN.: TELEFON (03O) 8 31 2Ο88 KABEL: PROPINDUS · TELEX OI 84Ο67 MÜNCHEN: TELEFON (089) 2S668S KABEL: PROPlN DUS ■ TELEX O624244

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V.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur besseren Auslastung von Fernheizsystemen mit Kraft-Wärme-Kopplung für die Wärmeversorgung von Gebäuden. Derartige Heizsysteme sind in besonderer Weise den Erfordernissen der Kraft-Wärme-Kopplung im Dampfkraftwerk angepasst, wobei der Transport großer Wärmemengen unter den Straßen der Stadt bis in die .Hausstationen der Abnehmer erfolgt.

Neben dem traditionellen Zweileiter-System, bestehend aus Vor- und Rücklauf, ist dabei auch die Verwendung e.ines Dreileiter-Systems üblich. Bei letzterem dient ein Leiter der Versorgung der Wärmeabnehmer, die das ganze Jahr überwiegend konstante Wassertemperaturen für Brauchwassererwärmung und für Lüftungssysteme verwenden. Der zweite Leiter wird ausschließlich für die Beheizung von .Gebäuden verwendet, wobei die Temperaturen in diesem gleitenden Leiter - von den Kraftwerken aus zentral gesteuert den jeweiligen Außentemperaturen angepasst sind. Der dritte Leiter führt das gemeinsame Rücklaufwasser zurück zum Kraftwerk (vgl.■Bublitζ "Stadtheizung durch Kraft-Wärme· Kopplung in Berlin" in Zeitschrift Fernwärme International 4, Seite 98-106). ■ -

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ausreichende Wärmeversorgung von Gebäuden durch Fernheizsysteme auch dann sicher zu stellen, wenn eine Vollbeheizung dieser Gebäude mit Fernwärme nicht mehr möglich ist, weil entweder das Fernheiznetz, das Heizkraftwerk oder beide zu kritischer Zeiten voll ausgelastet sind.

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Die Erfindung sieht für diese Gebäude eine bivalente Beheizung (Eigen- oder Fernwärmeversorgung) vor. Dabei wird die Umschaltung von einer Wärmeversorgungsart zur anderen durch eine Rundsteueranlage zentral durchgeführt, so daß diese Gebäude nur zu Zeiten freier Kapazität des Fernheizsystems mit Fernwärme versorgt werden. In diesen Zeiten mit freien Kapazitäten kann die gelieferte Wärme beim Verbraucher geregelt entnommen und gegebenenfalls auch gespeichert werden, um eine Beheizung in den kritischen Engpaßzeiten, in denen .keine Wärme geliefert wird, zu ermöglichen. Reicht die gespeicherte Wärme für diese kritischen Zeiten nicht aus oder verzichtet man auf eine Speicherung, so erfolgt die Zusatzheizung durch beim Verbraucher installierte Heizkessel. Das zu Engpaßzeiten des Fernheizsystems notwendige Abschalten der Gebäude mit bivalenter Beheizung von der Fernwärmeversorgung kann durch die Rundsteueranlage so erfolgen, daß mehrere Abschaltgruppen gebildet werden, die zu unterschiedlichen Zeiten geschaltet werden können. Durch entsprechende Auswahl der zu schaltenden Gruppen können, etwa gleiche Versorgungszeiten aus dem Fernheiznetz für alle Abschaltgruppen angestrebt werden.

Die Erfindung kann bei allen Fernheizsystemen besonders mit Kraft-Wärme-Kopplung angewendet werden. Voraussetzung sind lediglich zeitlich begrenzte, freie Kapazitäten für die'Wärmeerzeugung im Heizkraftwerk und für de/i Transport im Fernheiznetz. Bei den Fernheiznetzen kann es sich um Heizdampf- oder Heizwassernetze handeln. Heizwassernetze können Zweileiter- (Vor- und Rücklauf) und Dreileiternetze, (zwei getrennte Vorläufe und ein gemeinsamer Rücklauf) sein. Bei Dreileiternetzen ist

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das Verfahren überwiegend für den Leiter geeignet, der mit konstanter Vorlauftemperatur und schwankender hydraulischer Belastung durch örtliche Regelung beim Abnehmer betrieben wird. Betreibt man im Endausbau des Systems einen Leiter mit gleitender Vorlauftemperatur und konstanter hydraulicher Belastung, so eignet sich dieser Leiter nur dann, wenn freie Transportkapazitäten für die Fernwärme in diesem Netzleiter vorhanden sind. Im allgemeinen sind diese freien Kapazitäten durch Auslegungsreserv.en vorhanden oder können bereits beim Bau eingeplant werden.

Mit der Erfindung wird eine bessere Auslastung der Fernheizsysteme sowohl im ^;Heizkraftwerk als auch im Verteilungsbereich (Netz) bewirkt. Die mit einer höheren Auslastung verbundene größere Wärmelieferung aus der Kraft-Wärme-Kopplui führt zu Brennstoffeinsparungen. für die bivalent beheizten Gebäude, zu größerem volkswirtschaftlichen Nutzen und zu besserem Umweltschutz als Folge der Brennstoffeinsparung, der höheren Kamine, der besseren technischen Ausrüstung und strengeren überwachung in den Heizkraftwerken. Die Erfindung kann außerdem zur vorzeitigen Teilfernwärmeversorung der Gebäuc bis zur Fertigstellung von zusätzlichen Heizkraftwerken für die Vollbeheizung dienen, soweit dafür freie Kapazitäten vorhanden sind.

Der Anschluß einer im allgemeinen vorhandenen Heizanlage an ein Fernheiznetz zur bivalenten Versorgung wird nachstehend nur anhand von drei ausgewählten Beispielen beschrieben, da die Vielfalt der Fernheiz- und Hausheizsysteme keine einheitliche Anschlußschaltung zuläßt. Grund-

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sätzlich können Heizanlagen direkt oder indirekt über Wärmeübertrager an die Fernheiznetze zur bivalenten Versorgung.angeschlossen werden. Wegen der heute größeren Bedeutung der Heizwasserheizungen sind nur Anschlußbeispiele aus diesem Bereich in den Zeichnungen dargestellt. Dabei zeigen die Bilder 1, 2 und 3 Anschlußschaltungen von Heizanlagen zur bivalenten Versorgung an Fernheizwassernetze, und zwar Bild- 1 den direkten Anschluß einer Warmwasserheizung für Raumheizung und Sonderverbraucher (Warmwasserbereitung, Lüftung- und Klimaanlagen); Bild 2 den indirekten Anschluß einer Warmwasserheizung für Raumheizung und Sonderverbraucher; und Bild 3 direkte Anschlüsse von Warmwasserheizungen mit der Möglichkeit, Absperrungen oder Drosselungen des Heizwasserstromes zu den Verbrauchern für Raumheizung und Sonderverbraucher im Vorlauf durchzuführen.

Die anzuschließende, auf Bild 1 dünn gezeichnete und mit Ziffern von 0.10 bis 0.21 gekennzeichnete Anlage besteht im Kesselbereich aus dem Heiz^rasserkessel 0.10, der Kesselpumpe 0.14 und einem Kesselmischventil 0.21 zur Vermeidung .zu .niedriger Kesseleintrittstemperaturen. Die Wärmeverbraucher werden durch die Heizkörper der Raumheizung 0.15 und die Sonderverbraucher 0.16 (Warmwasserbereitung, Lüftung, Klimageräte) dargestellt. Die Wärmezufuhr dieser Verbraucher wird für die Raumheizung durch aas Regelventil 0.11 mit den Meßfühlern 0.20 (Außentemperatur) und 0.18 (Vorlauftemperatur) in Verbindung mit der Umwälzpumpe 0.13 und'der Beimischleitung (Rückschlagklappe) 0.17 geregelt. Für jede Sonderverbrauchsgruppe (z.B.. den zentralen Warmwasserspeicher oder Lufterhitzer)

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wird die Wärmezufuhr durch ein Regelventil O.12 mit dem Meßfühler 0.19 geregelt. "

Die minimale Veränderung der Heizanlage durch den direkten. Fernheizanschluß ist auf Bild 1 dick dargestellt und durch die. Ziffern 1.1 bis 1.7 gekennzeichnet. In der Vorlaufleitung, die an den Fernheizvorlauf anzuschließen ist, wird ein Absperrorgan 1.1, ein Druckminderer. 1.2, -ein Sicherheitsventil 1.3 und ein Temperaturmeßfühler 1.7 installiert. Im Rücklauf, der an den Rücklauf des Fernheiznetzes .angeschlossen wird, ist ein Absperrorgan mit Motorantrieb 1.6. und Anschluß an die Rundsteueranlage, eine Meß- und Leistungsbegrenzeinrichtung .1.5 zur Abrechnung sowie eine Rückschlagklappe 1.4 im Rücklauf der Hausanlage zu installieren.

Im Bedarfsfall kann zusätzlich ein Wärmespeicher 2.1 eingebaut werden - auf Bild 1 mitteldick dargestellt und "durch Ziffern von 2.1 bis 2.4 gekennzeichnet -, der nach dem Verdrängungsprinzip arbeitet. Ein motorbetriebenes Regelventil 2.3, daß von dem Meßfühler 2.2 (Heizwassertemperatur im Speicher) und der Stellung der Regelventile 0,11 und 0.12 gesteuert wird, regelt den LadeVorgang. Der Rücklauf der anzuschließenden Heizanlage wird durch den Blindflansch unterbrochen. Die Kesselpumpe Q.Xk der anzuschließenden Heizanlage erhält eine Schaltvorrichtung, die in Abhängigkeit von der Stellung des Absperrorgans 1.6 arbeitet.

Die Wärmezufuhr der anzuschließenden Heizanlage wird entweder durch den Heizkessel 0.10 oder das Fernheiznetz gewährleistet. Im Heizkessel erfolgt die Wärmezufuhr dann,

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wenn eine .vorgegebene Wassertemperatur im Heizkessel unterschritten wird. Auf ein zentrales Kommando des Pernheizbetreibers kann über die Rundsteueranlage das Absperrorgan .1.6 geöffnet werden, so daß Heizwasser aus dem Vorlauf des Fernheiznetzes über die Armaturen und 1.2 dem Rücklauf vor Kesseleintritt der anzuschließenden Heizanlage und nach Passieren der'Heizanlage und Wärmeabgabe an die Verbraucher 0.15 und 0.16 über 1.5 und 1.6 in den Rücklauf des Fernheiznetzes wieder abströmt. Die Rückschlagklappe 1..A verhindert bei Lieferung aus dem Fernheiznetz ein Umfahren der.Heizanlage im Kurzschluß.

Neben dieser Schaltungsart könnte der Vorlauf des Fernheizanschlusses von 1.2 hinter den Kesselaustritt (0.10) geführt werden. Diese Alternative wäre dann sinnvoll, wenn auf den Kesselbetrieb für längere Zeit verzichtet werden kann. Diese Maßnahme hätte den Vorteil, daß bei abgeschalteter Kesselfeuerung die Kesselverluste vermieden werden. Nachteilig wäre bei nicht abgeschaltetem Kessel und Fernheizbetrieb das Warmhalten des Kessels durch die Feuerung (erhöhter Brennstoffverbrauch).

Durch den Zustrom ausreichend warmen Heizwassers in den Kessel wird die Wärmezufuhr durch die Feuerung unterbunden oder eingeschränkt. Das den Kessel durchströmte Heizwasser wird den Verbrauchern■zugeleitet. Die Zuströmmenge wird geregelt durch die Regelvent-ile 0.11 und 0.12. Bei der Raumheizung wird dabei die Vorlauftemperatur - gemessen durch 0.18 - über die Beimischklappe 0.17 durch eine außentemperaturabhängige (0,20) Sollwertvorgabe geregelt. Eine derartige Regelung kann als Vorregelung auch für andere

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Sonderverbraucher sinnvoll sein. Die vom Fernheiznetz vorgehaltene Wärmeleistung, die von der Hausanlage beansprucht werden darf," wird durch den Fernheizbetreiber über die Einrichtung 1.5 durch Drosselung des. gelieferten Heizwassermengenstromes begrenzt. .Diese Einrichtung dient auch der¹; Erfassung der gelieferten Wärme. ' _■-"·'.

Unterbrochen wird die Wärmezufuhr ebenfalls durch ein zentrales Kommando des Pernheizbetreibers, in dem die Armatur 1.6 wieder zugefahren wird. Mach zugefahrener Armatur 1.6. wird Pumpe 0.14 automatisch wieder eingeschaltet,. der Wärmebedarf wird durch den Kessel 0.10 gedeckt, das Rücklaufwasser der Verbraucher strömt über Klappe 1.4 dem Kessel zu und über das Mischventil 0.21 strömt Heizwasser zum Anheben der Kesseleintrittstemperatur in den Rücklauf der Heizanlage. Soll der Kesselbetrieb auch in. den Zeiten, in denen keine Wärmelieferung aus dem Fernheiznetz erfolgt, eingeschränkt werden, so besteht die Möglichkeit,die Speicheranlage 2.1 zu betreiben. Der nicht von den Verbrauchern 0*15 und 0.16 beanspruchte Teil der vertraglich vom Fernheizbetreiber zugestandenen Lieferleistung (gemessen und begrenzt durch 1.5) kann als Ladeleistüng in den Speicher 2.1 gefahren werden. Dabei strömt Heizwasser aus dem Vorlauf des Fernheiznetzes von oben in den Verdrängungs-Speicher 2. !,verdrängt dort kälteres Rücklaufwasser, welches den Speicher über 2". 3₃ der Meßstation 1.5 und der geöffneten Absperrarmatur 1.6 in den Rücklauf des Fernheiznetzes verläßt.

Dieser Heizwassermengenstrom wird begrenzt.durch das Regelventil 2.3· Wird die Wärmeversorgung der Verbraucher 0.15 und O.l6 durch das Speicherladen gestört (volles öffnen der

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Regelventile 0.11 oder 0.12),so wird Armatur 2.3 gedrosselt. Dieses Ventil 2.3 wird vollständig geschlossen, wenn die Temperatur, gemessen durch 2.2, einen Grenzwert überschreitet, d.h. wenn der Speicher geladen ist.

Hat der Fernheizungsbetreiber die Wärmezufuhr durch Schließen von 1.6 unterbrochen, so kann die Wärmezufuhr im Kessel dadurch eingeschränkt werden, daß das Rücklaufwasser der Heizanlage über. 1.¹I (der' Rücklauf ist durch 2. 4 unterbrochen) von unten in den Speicher 2.1 strömt und das geladene wärmere Vorlaufwasser nach oben aus dem Speicher drängt, welches dann über 0.14 dem Kessel 0.10 zuströmt. Der Kessel hat dann nur noch die fehlende Restwärmeleistung durch Zusatzfeuerung zu erbringen. Im Extremfall kann bei ausreichender gespeicherter Wärme der Kesselbetrieb.vollständig unterbleiben. Auch bei entladenem Speicher 2.1 wird die Anlage hydraulisch so betrieben wie beim beschriebenen Entladevorgang des ■Speichers. .

Die indirekt anzuschließende Heizungsanlage - auf Bild 2 dünn dargestellt und durch Ziffern von 0.11 bis 0.22 gekennzeichnet -- unterscheidet sich von der Anlage, die bei Bild 1 beschrieben ist, im wesentlichen nur durch eine andere, sehr verbreitete, außentemperaturabhängige Regelung der Vorlauf temperatur 0.1.8 über ein Vierwegemischvent il 0.11. Außerdem wird für die Sonderverbraucher 0.16 eine gesonderte Umwälzpumpe benutzt. Dagegen fehlen die Kesselpumpe 0.14 sowie das Kesselmi-schventil 0.21. Sonst, haben alle Bezeichnungen gegenüber der Anordnung in Bild !dieselbe Bedeutung, Die mindestens erforderlichen zusätzlichen Aggregate für die Wärme Lieferung aus dem Fernheiznetz (auf Bild 2 dick dargestellt und durch Ziffern 1.1 bis 1.91 gekennzeichnet) unterscheiden sich gegenüber der Anordnung in Bild lim wesentlichen durch den zusätzlichen Wärmeübertrager 1.8, den Rück-

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lauftemperaturbegrenzer 1.9 "mit Temperaturfühler 1.91■ und das Fehlen der Rückschlagklappe 1Λ. Alle hier nicht genannten Aggregate haben in Bild 2 dieselbe Aufgabe wie in Bild 1. Sollte die Festigkeitsauslegung des Wärmeübertragers es zulassen, kann auf die Armaturen 1.2 und verzichtet werden. Soll ein zusätzlicher Wärmespeicher zur weiteren Einschränkung des Kesselbetriebes installiert/ werden (in "Bild 2 mitteldick dargestellt und durch Ziffern von 2.1 bis 2.5 gekennzeichnet), sind zusätzlich zu den gemäß Bild 1 beschriebenen Aggregaten die Speicherentladepumpe 2.5 · mit den Temperaturfühlern 2.k und 2.6 einzubauen.■Alternativ könnte der Speicher auch auf der Sekundärseite des Wärmeübertrages (Verbraucherseite) installiert werden.

Die anzuschließende Heizanlage arbeitet prinzipiell wie die vorbeschrie.bene Anlage in Bild 1, nur daß die Vorlauftemperatur der Raumheizung durch ein Vierwege-Mischventil O.il mit außentemperaturabhängiger Sollwertvorgabe geregelt wird, während gleichzeitig über dieses Mischventil der Rücklauf zum Kessel 0.10 geleitet wird. Dabei findet gleichzeitig eine Aufwärmung des Rücklaufs durch- Zumischen von Vorlaufwasser aus dem Kessel 0.10 statt. Die mindestens erforderlichen Maßnahmen zum Anschluß dieser Heizanlage an ein Fernheizne.tz - in Bild 2 dick gezeichnet und durch Ziffern von 1.1 bis 1,91·gekennzeichnet - haben, soweit . vorbeschrieben, dieselbe Funktion. Der zusätzliche Wärmeübertrager -soll eine Trennung des Wärmeträgers der Fernheizung von dem der Heizanlage bewirken. Grund kann z.B. _: eine andere Druckauslegung der Heizanlage sein. Der Temperaturbegrenzer 1.9 mit Temperaturfühler 1.91 soll verhindern, daß bei kleinem Wärmebedarf der Verbraucher 0.15 und 0.16

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das Heizwasser aus dem Fernheiznetz mit zu kleiner Auskühlung den Wärmeübertrager 1.8 verläßt. Bei zu hoher Temperatur 1.91.wird dann das-Regelventil 1.9 gedrosselt. Der Speicherladebetrieb läuft, wie vorbeschrieben, mit den Aggregaten 2.1, 2.2.und 2.3 ab. Ist der Durchgang durch das Vierwegemischventil vom Kesselvorlauf zur Saugseite der Umwälzpumpe 0.13 voll geöffnet, so wird auch hier, wie vorbeschrieben, das Ventil 2.3 gedrosselt. Bei vom Betreiber der Fernheizung geschlossener Armatur 1.6 öffnet sich automatisch Ventil 2.3 und die Speicherentladepumpe 2.5 beginnt zu arbeiten. Diese Pumpe drückt durch das geöffnete Ventil 2.3 von unten Rücklaufwasser in den Speicher 2.1. Dadurch wird das eventuell im Speicher befindliche wärmere-Heizwasser in den Wärmeübertrager 1.8 gedrückt und kann dort Wärme an das auf der Sekundärseite durch den Apparat' strömende Rücklaufwasser der Heizanlage abgeben. Der Entladebetrieb wird dur*ch Abschalten der Pumpe 2.5 beendet, wenn die Temperatur 2.U am oberen Speicherende verglichen mit der Temperatür 2.6 des aufzuwärmenden Rücklaufwassers hinreichend klein ist (Entladekriterium).

Die in Bild 3 dargestellte Schaltungsart für anzuschließende Heizanlagen könnte die Gefahr in sich bergen, daß Heizwasser von hochgelegenen Anlageteilen in den Rücklauf abströmt (leerläuft) und zu Störungen führt. Dieser Gefahr kann begegnet werden durch Einbau eines Überströmventils I.6I vor das Absperrorgan 1.6 in'Bild 3· - '

Bei dieser Schaltungsart sind außerdem als Veränderung in der Heizanlage gegenüber Bild. 2 die Rückschlagklappen ΙΛ, 1.4l und 1.411 im Kesselkreislauf und im Rücklauf der Sonder-

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verbraucher vorgesehen. Alle anderen Aggregate haben dieselbe Bedeutung wie in den Anordnungen gemäß Bild! und Bild 2. ■

Die -Punktion der Schaltung nach Bild 3 ist ähnlich der Anordnung, nach Bild 2. Als_ Abweichung muß die "Rückschlagklappe "1.4 angesehen werden, die bei Fernheizbetrieb, das Umfahren des Kessels-mit Vorlaufwa-sser. verhindern soll, sowie die Rückschlagklappe 1.41,-. die bei Fernhe is Versorgung geschlossen und bei Kesseleigeaversorgung-geöffnet wird. Die Rückschlagklappe -1.411 soll bei Eigenversorgung der Heizanlage ein Umfahren der Rückschlagklappe 0.17 durch : das Rücklaufwasser- aus der Raumheizung über 1.4l verhindern. Das Überströmventil 1.6l"gewährleistet durch Drosselung oder Schließen einen ausreichenden"Druck.in der Heizanlage. Die funktianelle Anbindung des Regelventils 2.3 an die Armatur 1.6 (2.3 schließt, wenn 1.6 geschlossen) hat dieselbe Aufgabe wie die Rückschlagklappe ■ 1.411. -

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Claims (6)

1. P a t en t a η .s .ρ .r ü ,α he

   /1.j Verfahren zur besseren Auslastung von Fernheizsystemen mit Kraft-Wärme-Kopplung für die Wärmeversorgung von Gebäuden, d a d· u ν c h gekennzeichnet, daß die Gebäude bivalent, d.h. ganz oder teilweise durch Fernwärme beheizt werden, wobei Versorgung mit Fernwärme für Gebäude mit Eigenver-■ sorgungsmöglichkeit nur zu Zeiten freier Kapazität des Fernheizsystems erfolgt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekenn ζ e i c h η e t, daß die Umschaltung von der einen auf

   . die andere Versorgungsart durch eine Rundsteueranlage zentral durchgeführt wird.
3. 3· Verfahren nach Anspruch !,und 2, d a d u r c h g e k e η η ζ ei c h η e t, daß das Um- bzw. Abschalten der Gebäude gruppenweise zu unterschiedlichen Zeiten durchgeführt'wird. . .
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e η η ζ e i c h η e t durch direkten Anschluß von Warmwasserheizungen für Raumheizung und Sonderverbraucher (Bild 1). ■
5. 5« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, g e k e η η ζ e i.c h η e t durch indirekten Anschluß von Warmwasserheizungen für Raumheizung und Sonderverbraucher (Bild 2).

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6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge k en η zeichnet durch direkte Anschlüsse von Warmwasserheizungen, wobei Absperrung oder Drosselungen .des Heizwasserstroms im Vorlauf durchgeführt werden '■■■/.-(Bild J). ·

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