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DE60104954T2 - Verfahren zum wärme- und feuchteaustausch zweier luftströme und vorrichtung dafür - Google Patents

Verfahren zum wärme- und feuchteaustausch zweier luftströme und vorrichtung dafür Download PDF

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DE60104954T2 DE60104954T DE60104954T DE60104954T2 DE 60104954 T2 DE60104954 T2 DE 60104954T2 DE 60104954 T DE60104954 T DE 60104954T DE 60104954 T DE60104954 T DE 60104954T DE 60104954 T2 DE60104954 T2 DE 60104954T2
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen zwei Luftströmen, von welchen einer warm und feucht ist, wenigstens während eines ersten Teils des Jahren, wobei ein erster der Luftströme aus dem Inneren eines Gebäudes in die Außenumgebungsluft geleitet wird, und ein zweiter der Luftströme von der Außenumgebungsluft zum Inneren des Gebäudes geleitet wird, wobei der erste Luftstrom gekühlt und dann durch einen Wärmeaustauscher geleitet wird, wonach er zu einer Heizvorrichtung geleitet wird und danach durch einen Entfeuchter geleitet wird, bevor er in die Außenumgebungsluft abgelassen wird, während der zweite Luftstrom durch den Entfeuchter und danach durch den Wärmeaustauscher geleitet und danach in einer Kühlvorrichtung gekühlt wird, bevor er in das Innere des Gebäudes entlassen wird.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen zwei Luftströmen, von welchen einer warm und feucht ist, wenigstens während eines ersten Teils des Jahres, wobei ein erster der Luftströme eingerichtet ist, um aus dem Inneren eines Gebäudes in die Außenumgebungsluft geleitet zu werden, und ein zweiter der Luftströme eingerichtet ist, um von der Außenumgebungsluft zum Inneren des Gebäudes geleitet zu werden, wobei die Vorrichtung ein Gehäuse, geteilt in ein erstes und ein zweites Abteil, Mittel zum separaten Transport der beiden Luftströme in den Abteilen, eine Vorrichtung zum Kühlen und Entfeuchten des ersten Luftstroms, einen Freie-Wärme-Austauscher für den Austausch von Wärme zwischen den beiden Luftströmen, eine Heizvorrichtung zum Heizen des ersten Luftstroms und einen Entfeuchter zum Trocknen des zweiten Luftstroms aufweist, wobei der erste Luftstrom eingerichtet ist, um durch den Entfeuchter zum Regenerieren des Entfeuchters geleitet zu werden.
  • Vorrichtungen und Verfahren zum Wärme- und Feuchtigkeitaustausch zwischen zwei Luftströmen sind bekannt (siehe zum Beispiel EP-0846923-A). Solche Vorrichtungen und Verfahren werden zur Luftverbesserung im Inneren von, zum Beispiel, kleinen Häusern und Gebäuden verwendet, d. h. zum Kühlen und Trocknen der Außenumgebungsluft, die während des Sommers in ein Gebäude hineingeleitet wird, und um diese Luft zu heizen und zu befeuchten während des Winters, bevor die Luft im inneren des Gebäudes freigesetzt wird.
  • Es ergibt sich jedoch ein Problem, wenn die Außenumgebungsluft heiß und feucht ist, d. h. wenn die Temperatur höher als 35°C ist und der Wassergehalt der Außenumgebungsluft mehr als 11 g/kg Luft beträgt, da die bekannten Vorrichtungen solche Luft nicht in richtiger Weise behandeln können.
  • Es ergibt sich außerdem ein Problem bezüglich des Energieverbrauchs, der oftmals recht hoch ist. Die Energie wird genutzt, entweder um im Sommer einen Entfeuchter zu regenerieren, oder um im Winter die zugeführte Luft zu heizen. Außerdem kann die Erzeugung der Energie zur Luftverschmutzung führen, insbesondere zu einer unerwünschte Emission von CO2.
  • Es wäre somit wünschenswert, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit welchen es möglich ist, Energie zu sparen.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die der oben erwähnten Nachteile zu beseitigen und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung bereitzustellen, mit welchen es möglich ist, den Energieverbrauch zu minimieren.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe erzielt, indem der zweite Luftstrom, bevor er dem Entfeuchter zugeführt wird, veranlaßt wird, Wärme und Feuchtigkeit mit dem ersten Luftstrom auszutauschen, bevor letzterer dem Wärmeaustauscher zugeführt wird.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe erzielt, indem eine Enthalpie-Austauschvorrichtung im Gehäuse vorgesehen und so eingerichtet ist, daß sie den zweiten Luftstrom und den ersten Luftstrom für den Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen den Luftströmen behandeln kann, bevor der zweite Luftstrom durch den Entfeuchter bzw. der erste Luftstrom durch den Befeuchten geleitet wird.
  • Ein nicht einschränkendes Beispiel der vorliegenden Erfindung wird nun mit Bezug auf die Figuren beschrieben, von denen 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, die eine untere Gehäuseeinheit und eine obere Gehäuseeinheit umfaßt, die voneinander getrennt dargestellt sind, 2 eine Draufsicht der unteren Gehäuseeinheit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist, und 3 eine Draufsicht der oberen Gehäuseeinheit der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
  • Um das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung besser verstehen zu können, wird zuerst eine Vorrichtung zum Ausführen des Verfahrens beschrieben.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Austauschen von Wärme und Feuchtigkeit zwischen zwei Luftströmen, wobei ein erster dieser Luftströme vom Inneren eines Gebäudes in die Außenumgebungsluft geleitet wird, und ein zweiter dieser Luftströme von der Außenumgebungsluft in das Innere des Gebäudes geleitet wird.
  • Wie in den 1-3 ersichtlich ist, umfaßt die Vorrichtung in einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 1, 2, welches in eine untere Gehäuseeinheit 1 und eine obere Gehäuseeinheit 2 unterteilt ist. Jede dieser Gehäuseeinheiten ist ebenfalls in ein erstes und ein zweites Abteil unterteilt, zur respektiven separaten Führung der zwei Luftströme in den Gehäuseeinheiten.
  • In einem ersten Betriebsmodus, der Sommermodus, wird der erste Luftstrom, Abluft, der mit einem durchgezogenem Pfeil in 1–3 dargestellt ist, mittels eines Gebläses 11 in einen Einlaß 3 des ersten Abteils geleitet, wobei der Einlaß 3 in einem ersten Ende der unteren Gehäuseeinheit 1 angeordnet ist. Der erste Luftstrom wird dann durch ein Filter 12 und danach durch eine Enthalpie-Austauschvorrichtung 13 geleitet, in welcher die beiden Luftströme Wärme und Feuchtigkeit miteinander austauschen. Von dieser Enthalpie-Austauschvorrichtung 13 wird der erste Luftstrom durch eine Vorrichtung 14 zur Verdampfungskühlung, direkt oder indirekt, oder indirekten Kühlung mittels Wasser oder sonstigem Kühlmittel oder Kältemittel, und zur Befeuchtung, wobei der erste Luftstrom gekühlt und befeuchtet wird, und von dort zum ersten Abteil der oberen Gehäuseeinheit 2 geleitet. In diesem ersten Abteil wird die Abzugsluft durch einen Freie-Wärme-Austauscher 21 vom Kreuzstrom- oder rotierenden Typ geleitet, um nur Wärme mit dem zweiten Luftstrom auszutauschen, dann durch eine Heizvorrichtung 22 und schließlich durch einen Entfeuchter 23 geleitet. Der erste Luftstrom, oder nur ein Teil des ersten Luftstroms, aufgeheizt in der Heizvorrichtung 22, wird zum Regenerieren des Entfeuchters 23 verwendet, der bevorzugt ein Trockenmittel-Entfeuchter vom Rotortyp ist. Der erste Luftstrom wird danach durch einen Auslaß 5 im ersten Abteil in die Außenumgebungsluft freigelassen.
  • Der zweite Luftstrom, der aus der Außenumgebungsluft stammt und mit einem gestrichelten Pfeil in 1–3 dargestellt ist, wird mittels eines Gebläses 24 (siehe 3) in einen Einlaß (nicht dargestellt) des zweiten Abteils geleitet, wobei dieser Einlaß im zweiten Ende der unteren Gehäuseeinheit 1 angeordnet ist. Der zweite Luftstrom wird dann durch ein Filter 15 und von diesem Filter 15 durch die oben genannte Enthalpie-Austauschvorrichtung 13 geleitet. Danach wird die ser zweite Luftstrom zum zweiten Abteil der oberen Gehäuseeinheit 2 und durch den Entfeuchter 23 geleitet, dann durch den Wärmeaustauscher 21 geleitet und schließlich durch eine zusätzliche Heizvorrichtung 25 bzw. durch einen zusätzlichen Befeuchter 26 geleitet, bevor er durch einen Auslaß 6 im zweiten Abteil in das Innere des Gebäudes freigelassen wird. Die Heizvorrichtung 25 und der Befeuchter 26 sind im Sommer-Betriebsmodus nicht in Betrieb. Der Befeuchter 26 kann als zweite Kühlstufe in diesem Betriebsmodus verwendet werden. In diesem Fall wird der Befeuchter 26 mit einer Kühlvorrichtung ersetzt, die keine Befeuchtungs-Eigenschaften aufweist.
  • Die Aufgabe des Freie-Wärme-Austauschers 21 ist der Austausch von Wärme, jedoch keiner oder nur sehr wenig Feuchtigkeit, zwischen den beiden Luftströmen.
  • Im zweiten Betriebsmodus, dem Winter-Betriebsmodus, werden die Funktionen des Freie-Wärme-Austauschers, der Vorrichtung 14 zum Kühlen und Befeuchten und der Heizvorrichtung 22 sowie die Drehung des Trockenmittelrotors 23 abgeschaltet, und wenn der Freie-Wärme-Austauscher ein Kreuzstrom-Wärmeaustauscher 21 ist, wird der erste Luftstrom an diesem Wärmeaustauscher durch eine Leitung 27, die mit einer Klappe (nicht dargestellt) geschlossen werden kann, vorbeigeleitet, so daß das System als Heiz- und Feuchtigkeit-Rückgewinnungs-Vorrichtung arbeiten kann, wobei der Enthalpie-Rotor 13 nur für diesen Zweck verwendet wird.
  • Wenn jedoch die Temperatur des ersten Luftstroms unter diesen Bedingungen weniger als etwa +3°C beträgt, nachdem er den Wärmeaustauscher 21 passiert hat, wird ein bestimmter Teil des Luftstroms durch den Wärmeaustauscher 21 geleitet, um zu verhindern, daß sich Eis auf der Heizvorrichtung 22 bildet, da diese Heizvorrichtung in diesem Betriebsmodus nicht verwendet wird. Die Heizvorrichtung 25 und der Befeuchter 26 werden in diesem Betriebsmodus verwendet, um den ersten Luftstrom zu heizen und zu befeuchten, um einen angenehmen Luftzustand im Inneren des Gebäudes zu erzielen.
  • Die zwei Heizvorrichtungen 22, 25 der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwenden bevorzugt Fernwärme zum Heizen des ersten bzw. zweiten Luftstroms. Dem Fachmann ist jedoch bekannt, daß auch andere Energieformen, insbesondere kostengünstige Formen wie Erdgas oder mit Sonnenkollektoren beheiztes Wasser oder sonstige Abwärmequellen zum Heizen dieser Heizvorrichtungen verwendet werden können.
  • In anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung könnte die Enthalpie-Austauschvorrichtung 13 ein Enthalpierad oder ein Kreuzstrom-Enthalpieaustauschblock sein. Außerdem könnte die Vorrichtung 14 ein Verdampfungskühler oder eine sonstige Art von Kühlvorrichtung mit indirekter Kühlung sein, in welcher Wasser, ein sonstiges Kühlmittel oder ein Kältemittel verwendet wird, und der Wärmeaustauscher 21 könnte ein Freie-Wärme-Austauschrad oder ein Kreuzstrom-Platten-Wärmeaustauscher sein. Außerdem kann der Befeuchter 26 im Sommer-Betriebsmodus durch eine Kühlvorrichtung ohne Befeuchtungseigenschaften und im Winter-Betriebsmodus durch einen Befeuchter mit im wesentlichen keinen Kühleigenschaften ersetzt werden.
  • Außerdem ist zwar der Entfeuchter 23 bevorzugt ein Trockenmittel-Rotor, er kann jedoch auch eine beliebige sonstige Art von Entfeuchter sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung könnten der Befeuchter 14 und der Freie-Wärme-Austauscher 21 durch eine einzige Taupunkt-Austauschvorrichtung ersetzt werden, d. h. durch einen indirekten Verdampfungskühler, der zum Kühlen der Zufuhrluft eingesetzt wird.
  • In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden die Enthalpie-Austauschvorrichtung, der Entfeuchter und der Wärmeaustauscher mit Mitteln zur Kapazitätssteuerung, die dem Fachmann bekannt sind, ausgerüstet.
  • Außerdem, in Ausführungsformen, die mit Kreuzstrom- statt mit rotierenden Wärmeaustauscher- oder Enthalpieaustauscher-Vorrichtungen arbeiten, können Klappen (nicht dargestellt) angeordnet werden, um Luft an diesen Vorrichtungen oder Gruppen von Vorrichtungen, in welchen die Austauscher als Mittel zur Kapazitätssteuerung enthalten sind, vorbei zu führen.
  • Die Vorteile der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind, daß sie verglichen mit den bekannten Vorrichtungen einen sehr niedrigen Energieverbrauch aufweist, daß sie eine individuelle Steuerung der Feuchtigkeit und Kühlung nach Bedarf ermöglicht, und daß sie bei höheren spezifischen Umgebungs-Feuchtigkeitwerten, als für Vorrichtungen vom Trockenmittelkühltyp zulässig sind, funktionstüchtig ist.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun zuerst im Zusammenhang mit dem Sommer-Betriebsmodus beschrieben.
  • Der erste Luftstrom, nämlich die Abluft, wird, in der Strömungsrichtung dieses Luftstroms betrachtet, zuerst mittels des Gebläses 11 durch den Einlaß 3 des ersten Abteils der unteren Gehäuseeinheit 1 geleitet, wonach er durch den Filter 12 und durch die Enthalpie-Austauschvorrichtung 13 geleitet wird. Danach wird der erste Luftstrom durch die Vorrichtung 14 zum Kühlen und Befeuchten geleitet und dann zum ersten Abteil der oberen Gehäuseeinheit 2 geleitet. In der oberen Gehäuseeinheit 2 wird der Luftstrom durch den Kreuzstrom-Wärmeaustauscher 21, durch die Heizvorrichtung 22 und durch den Entfeuchter 23 geleitet, wonach er durch den Auslaß 5 in die Außenumgebungsluft abgeführt wird.
  • Der zweite Luftstrom, nämlich die von der Außenumgebungsluft stammende Luft, wird, in der Strömungsrichtung dieses Luftstroms betrachtet, zuerst mittels des Gebläses 24 durch den Einlaß (nicht dargestellt) des zweiten Abteils der unteren Gehäuseeinheit 1 geleitet, und dann durch den Filter 15 und durch die Enthalpie-Austauschvorrichtung 13 geleitet. Von dort wird der zweite Luftstrom zum zweiten Abteil der oberen Gehäuseeinheit 2 geleitet. In der oberen Gehäuseeinheit 2 wird der zweite Luftstrom durch den Entfeuchter 23, durch den Kreuzstrom-Wärmeaustauscher 21, durch die zusätzliche Heizvorrichtung 25 und durch den zusätzlichen Befeuchter 26 geleitet, wonach er durch den Auslaß 6 in das Innere des Gebäudes freigelassen wird.
  • Im zweiten Betriebsmodus, nämlich im Winter-Modus, wird der erste Luftstrom, nämlich die Abluft, in der gleichen Weise wie im ersten Betriebsmodus geleitet, jedoch mit dem Unterschied, daß der Luftstrom nicht durch den Wärmeaustauscher 21 geleitet wird, oder nur ein kleiner Teil dieses Luftstroms durch diesem Wärmeaustauscher geleitet wird, wenn die Temperatur dieses Luftstroms niedriger als etwa +3°C ist bei der Ankunft des Luftstroms in der Heizvorrichtung 22, um Eisbildung an dieser Heizvorrichtung zu vermeiden, da sie in diesem Betriebsmodus nicht verwendet wird. Der zweite Luftstrom wird durch die untere und durch die obere Gehäuseeinheit 1, 2 in der gleichen Weise wie im ersten Betriebsmodus geleitet.

Claims (14)

  1. Verfahren zum Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen zwei Luftströmen, von welchen einer warm und feucht ist, wenigstens während eines ersten Teils des Jahres, wobei ein erster der Luftströme aus dem Inneren eines Gebäudes in die Außenumgebungsluft geleitet wird, und ein zweiter der Luftströme von der Außenumgebungsluft zum Inneren des Gebäudes geleitet wird, wobei der erste Luftstrom gekühlt und dann durch einen Wärmeaustauscher (21) geleitet wird, wonach er zu einer Heizvorrichtung (22) geleitet wird und danach durch einen Entfeuchter (23) geleitet wird, bevor er in die Außenumgebungsluft abgelassen wird, während der zweite Luftstrom durch den Entfeuchter (23) und danach durch den Wärmeaustauscher (21) geleitet und danach in einer Kühlvorrichtung (26) gekühlt wird, bevor in den Innenraum des Gebäudes entlassen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom veranlaßt wird, bevor er in den Entfeuchter (23) geführt wird, Wärme und Feuchtigkeit mit dem ersten Luftstrom auszutauschen, bevor letzterer gekühlt wird.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Luftstrom wenigstens während eines zweiten Teils des Jahres im absoluten Sinn kälter und weniger feucht als der erste Luftstrom ist, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Luftstrom nur veranlaßt wird, Wärme und Feuchtigkeit mit dem zweiten Luftstrom auszutauschen.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom über eine zusätzliche Heizvorrichtung geleitet wird, nachdem er durch den Wärme- und Feuchtigkeitaustauscher geleitet wurde.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Luftstrom durch einen zusätzlichen Befeuchter geleitet wird, bevor er durch die zusätzliche Heizvorrichtung geleitet wird.
  5. Vorrichtung für Wärme- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen zwei Luftströmen, von welchen einer warm und feucht ist, wenigstens während eines ersten Teils des Jahres, und wobei ein erster der Luftströme so eingerichtet ist, daß er aus dem Inneren eines Gebäudes in die Außenumgebungsluft geleitet wird, und ein zweiter der Luftströme dazu eingerichtet ist, daß er aus der Außenumgebungsluft zum Inneren des Gebäudes geleitet wird, wobei die Vorrichtung folgendes umfaßt: ein Gehäuse (1, 2), welches in ein erstes Abteil und ein zweites Abteil unterteilt ist, Mittel (11, 24) zum separaten Transportieren der beiden Luftströme in den Abteilen, eine Vorrichtung (14) zum Kühlen und Befeuchten des ersten Luftstroms, ein Freie-Wärme-Austauscher (21) für den Wärmeaustausch zwischen den beiden Luftströmen, eine Heizvorrichtung (22) zum Heizen des ersten Luftstroms, und ein Entfeuchter (23) zum Trocknen des zweiten Luftstroms, wobei der erste Luftstrom dazu eingerichtet ist, durch den Entfeuchter (23) geleitet zu werden, um den Entfeuchter zu regenerieren, dadurch gekennzeichnet, daß eine Enthalpieaustausch-Vorrichtung (13) im Gehäuse (1, 2) vorgesehen und dazu eingerichtet ist, den zweiten Luftstrom und den ersten Luftstrom für den Austausch von Wärme und Feuchtigkeit zwischen den Luftströmen zu behandeln, bevor der zweite Luftstrom durch den Entfeuchter (23) geleitet wird und der erste Luftstrom durch die Vorrichtung (14), zum Kühlen bzw. Befeuchten geleitet wird.
  6. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei der zweite Luftstrom, wenigstens während eines zweiten Teils des Jahres, im absoluten Sinn kühler und weniger feucht als der erste Luftstrom ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustauscher (21) und der Entfeuchter (23) während diesem Teil des Jahres deaktiviert sind, indem entweder die Rotation des Wärmeaustauschers oder des Enthalpieaustauschers beendet wird, oder indem der Luftstrom an diesen Vorrichtungen vorbeigeleitet wird, oder, wenn die Vorrichtungen stationäre Blockgeräte sind, über eine Folge von Zugklappen.
  7. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enthalpieaustausch-Vorrichtung (13) ein Enthalpierad ist.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Enthal pieaustausch-Vorrichtung (13) ein Kreuzstrom-Entropieaustauschblock ist.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Freie-Wärme-Austauscher (21) ein Austauschrad für freie Wärme ist.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Freie-Wärme-Austauscher (21) ein Kreuzstrom-Wärmeaustauscher ist.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kühlvorrichtung im zweiten Abteil nach dem Wärmeaustauscher (21) in der Strömungsrichtung des zweiten Luftstroms vorgesehen ist.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Heizvorrichtung (25) im zweiten Abteil nach dem Freie-Wärme-Austauscher (21) in der Strömungsrichtung des zweiten Luftstroms vorgesehen ist.
  13. Vorrichtung gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in der Sommer-Betriebsart der zusätzliche Befeuchter (26) eine Kühlvorrichtung ohne Befeuchtungseigenschaften ist.
  14. Verfahren zur Steuerung der Vorrichtungen gemäß Anspruch 6–13, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchtigkeitssteuerung mittels Steuerung eines oder mehrerer der folgenden Vorrichtungen erzielt wird: der Heizvorrichtung (22), der Geschwindigkeit des Trockenmittelentfeuchter-Rotors (23), des Befeuchters (26) oder des Enthalpieaustauschers (21), und daß die Temperatursteuerung erzielt wird mittels Steuerung eines oder mehrerer der folgenden Vorrichtungen: der Heizvorrichtung (25), des Freie-Wärme-Austauschers (21), des Befeuchters (14), des zusätzlichen Befeuchters (26) oder des Enthalpieaustauschers (13).
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