B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpenanordnung, bei der die Unterkühlungsenthalpie mittels einer zweiten Wärme¬ pumpe genutzt wird und die dabei gewonnene und auf ein höheres Temperaturniveau gehobene Wärme neben derjenigen der ersten Wärmepumpe zusätzlich als Nutzwärme abführbar ist.

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

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

Es ist ferner bekannt, bei einer zweistufigen Wärmepumpe mit Zwischenkühlung einen zusätzlichen Unterkühlungswär¬ metauscher vorzusehen (aaO, S.89). Der Temperaturunter¬ schied des Transportmediums für die Nύtzwärme (hier der Heizkreislauf der Warmwasserh izung) zwischen hintereinan- dergeschaltetem Verflüssiger und Unterkühlungs-Wärmetau- scher ist allerdings zu gering, als daß hier eine wirksa¬ me, die Effektivität der Wärmepumpenanordnung wesentlich verbessernde Ausnutzung des Effekts der Unterkühlung ^• er¬ reicht werden könnte.

Bei einer anderen Wärmepumpenanordnung, die Mittel zur Ausnutzung der Unterkühlungsenthalpie aufweist, wird die

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dabei gewonnene Wärme mindestens indirekt wieder dem Ver dampfer zugeführt, belastet also den Kreislauf des Ar beitsmittels und damit die Wärmepumpe zusätzlich, so da auch hiermit keine wesentliche Effektivitätsverbesserun 5 der Wärmepumpe erzielt werden kann (aaO, S.187, Bild 1-112) .

Aus der Zeitschrift "Klima + Kälte-Ingenieur", 12/1977,

Teil β, Seite 619, ist eine Wärmepumpenanordnung ^x der

10 eingangs genannten Art mit Flüssigkeitsunterkühlung der ersten Wärmepumpe bekannt _* . Bei der bekannten Anordnung ist jedoch zwischen die erste (Grundlast-)Wärmepumpe und die

. zweite ( usatz-)Wärmepumpe ein Speicher eingeschaltet.

Daraus ergibt sich die nachteilige Folge, daß

^■ 15 . a) die Verdampfungstemperatur der Zusatz-Wärmepumpe im wesentlichen eine Funktion der Speichertemperatur ist und

20 b) sowohl durch die Zwischenspeicherung als auch die Vielzahl der aufeinanderfolgenden Wärmetauschvorgänge ein großer Verlust der "Qualität" (d.-h. der Temperatur) der bei der Flüssigkeitsunterkühlung gewonnenen Wärme eintritt. 25

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Wärme- pumpeπanordnung der eingangs angegebenen Art die durch die Unterkühlung erzielte Verbesserung der Effektivität her¬ aufzusetzen, d.h. insbesondere eine Stabilisierung, der 30 Leistung bei Variation der Kondensationstemperatur und/oder eine Verbesserung der Leistungszahl zu erzielen.

BAD ORIGINAL

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in

^' den Kreislauf des Arbeitsmittels einer ersten Wärmepumpe eine zweite Wärmepumpe derart eingefügt ist, daß sie direkt eine Abkühlung des flüssigen Arbeitsmittels be- wirkt.

Das verflüssigte Arbeitsmittel (Kältemittel), das aus dem Kondensator austritt und zum Ξxpansionsventil strömt, weist wegen des notwendigerweise vorhandenen thermischen Übergangswiderstandes aufgrund der Wärmetauschereigen¬ schaften des Kondensators eine Temperatur auf, die höher ist als die für die Wärmenutzung erzielbare Rücklauftempe- ratur (3ei der Anwendung für eine Warmwasserheizung ist das die Temperatur des von der ärmeverteilungsanlage an die Wärmepumpe abgegeben Wassers).

Wenn das flüssige Arbeitsmittel entspannt wird, muß ein Teil davon — aufgrund seiner hohen Enthalpie — verdampfen. Der Wärmequelle kann damit nur so viel Enthalpie entnommen werden, wie der bei der Expansion nicht verdampfte Flüs¬ sigkeitsanteil aufnimmt, um ebenfalls zu verdampfen.

Kühlt man das flüssige Arbeitsmedium vor der Expansion ab, so nimmt seine Enthalpie ab, so daß bei der Expansion we— niger Flüssigkeit zu verdampfen braucht und damit der An¬ teil der von der Wärmequelle zu liefernden Energie ver¬ größert ist.

Die Nutzung der aus der Flüssigkeitsunterkühlung zu gewin- nenden •Enthalpie ist insbesondere deshalb problematisch, weil das Temperaturniveau niedriger ist als dasjenige bei der Kondensation.

NA

Die Nutzung dieser Enthalpie, beispielsweise für die Heiz wassererwärmung, wird möglich durch den Einsatz eine zweiten Wärmepumpe, die entsprechend aus Verdampfer, Ver dichter, Kondensator und Expansionsventil besteht.

Nach der Erfindung ist der Verdampfer der zweiten Wärme pumpe direkt in den Kreislauf des Arbeitsmittels de ersten Wärmepumpe eingefügt. Damit ist die Verdampfungs temperatur der zweiten Wärmepumpe eine Funktion der Kon densationstemperatur der ersten Wärmepumpe, so daß höher Kondensationstemperaturen zu höheren Verdampfungstem peraturen und damit zu der beabsichtigten Verbesserung de Leistungszahl der gesamten Wärmepumpenanordnung führen Durch das Vorhandensein nur eines einzigen Wärmetauschvor gangs bleibt dabei die Wärme"quäli at" nahezu erhalten.

Die erste und die zweite Wärmepumpe werden — auch im Fall einer gemeinsamen Wärmenutzungsanlage - stark unterschied lich ausgelegt. Das Verhältnis der Nennleistungsaufnahme der ersten Wärmepumpe und der zweiten Wärmepumpe beträg etwa

( 5 ±.2 ) : 1

Durch diese Auslegung lassen sich beide Wärmepumpen übe die gesamte Betriebszeit, gemeinsam betreiben und es wird eine optimale Vergrößerung der Leistungszahl und positive Veränderung des Leistungsverhaltens erreicht. Dabei führt ein kleinerer Zahlenwert des Verhältnisses zu einer ver- ringerten Leistungszahlverbesserung mit konstanterer Heiz¬ leistung bei steigender Kondensationstemperatur, während

eine Vergrößerung des Verhältnisses den gegenteilige Effekt hat.

Bei einer derartigen Auslegung sind - insbesondere für di zweite Wärmepumpe - relativ kleine Wärmetauscher möglich. Dadurch ergeben sich deutliche. Materialkosteneinsparunge der erfindungsgemäßen Wärmepumpe gegenüber vergleichbare konventionell aufgebauten Wärmepumpen. .

Im Betrieb weisen die erste und die zweite Wärmepumpe (be gemeinsamen Wärmenutzungsanlagen) bevorzugt in etwa gleich große Einschaltzeiteή auf, womit die erzielte Verbesserung optimal nutzbar ist.

Die Komponenten der Wärmepumpenanordnung sind insgesamt -so ausgelegt, daß die 'Verdampfungstemperatur im Verdampfe der zusätzlichen Wärmepumpe (deutlich) über der Temperatu im Verdampfer der ersten (Grund-) ärmepumpe liegt. Dami ergibt sich für die Zusatzwärmepumpe (bezogen auf in etw übereinstimmende Kondeπsationstemperaturen) eine merklic höhere Leistungszahl als für die Grundwärmepumpe. Die sich für die gesamte Wärmepumpenanordnung ergebende Leistungs zahl wird erheblich verbessert.

Durch die Flüssigkeitsunterkühlung mittels einer zusätz lichen Wärmepumpe kann der Wärmequelle umso mehr Enthalpie entnommen und der Nutzung der Heizung zugeführt werden, je höher die Kondensationstemperatur ist, d.h. die Zusatzwär mepumpe kompensiert zum großen Teil die systembedingte Leistungsabnahme der Grundwärmepumpe zu höheren Kondensa tionstemperaturen hin und wirkt damit stabilisierend hin

sichtlich der verfügbaren Leistung - bezogen auf die Ge samtanordnung.

Diese Stabilisierungseigenschaft ist deswegen von besonde rer Bedeutung, weil die Leistungsabnahme aufgrund höhere Kondensationsteraperaturen bei .Wärmepumpen, die für di Speisung von Warmwasserheizungen verwendet werden, einher geht mit der bei niedrigeren Außentemperaturen benötigte höheren Warmwasservorlauftemperaturen.

Die Erfindung ermöglicht trotz des mit dem Vorhandensei einer zusätzlichen Wärmepumpe zunächst verbundenen Vergrö ßerung des Aufwands bezüglich der Anzahl der vorzusehende Elemente nicht nur im Betrieb eine wesentliche Ξnergieer sparnis. Es ergeben sich auch bei der Herstellung Vortei le, da anstelle einer aus relativ großen und teuren Kompo¬ nenten bestehenden Wärmepumpe zwei kleinere Wärmepumpen eingesetzt werden, deren Komponenten in der Summe billiger sind. Die Vergrößerung der Leistung einer Wärmepumpe für niedrige Kondensationstemperaturen erfordert nämlich in höheren Leistungsbereichen einen recht erheblichen Mehr¬ aufwand, während die zusätzlich erforderliche Wärmepumpe mittlerer Leistung für relativ hohe Kondensationstempe¬ raturen in gekapselter Form bei recht kleiner Baugröße kostengünstig herstellbar ist. Die gesamte aus zwei Wärme¬ pumpen bestehende Anordnung läßt sich als kompaktes Aggre¬ gat fertigen und komplett vorgefertigt installieren.

Dadurch, daß die Verdampfungstemperatur für das flüssige Arbeitsmittel der zweiten Wärmepumpe im Betrieb deutlich größer ist als die entsprechende Temperatur der ersten

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Wärmepumpe, lassen sich beide Wärmepumpen auch für di Versorgung getrennter Verbraucher optimal nutzen. Wir beispielsweise zur Brauchwassererwärmung eine relati kleine Wärmemenge mit möglichst hoher Temperatur benötigt so ist es günstig, wenn durch die zweite Wärmepumpe de flüssigen Arbeitsmedium der ersten Wärmepumpe nur i wesentlichen zwischen 25 und 33% seiner Enthalpie entzoge wird. Bei anderen Anwendungen, wenn es vorwiegend darau ankommt, eine große Wärmemenge bei verhältnismäßi niedriger Temperatur zur Nutzung zur Verfügung zu haben wie es beispielsweise beim ausschließlichen Betreiben ei ner Niedertemperatur-Raumheizung der Fall ist, 'so ist e günstig, durch die Zusatzwärmepumpe dem flüssigen Arbeits mittel der ersten Wärmepumpe zwischen 50 und 80% seine Enthalpie zu entziehen.

Bei Wärmebedarf mit hoher Wasservorlauf-Temperatur für ei nen einzigen Verbraucher werden die Kondensatoren der bei den Wärmepumpen in Reihe geschaltet. Die dabei erzielbare hohen Kσndensationstemperaturen ermöglichen eine wirkungs volle Ausnutzung der mit der Erfindung erzielten Lei stungsverbesserung einer Wärmepumpenanordnung durch beson ders wirksame Heraufsetzung der Leistungsfähigkeit gerad bei großem Leistungsbedarf.

Ergibt sich durch den Anwendungsfall nicht die Notwendig keit der Abgabe von Wärme bei möglichst hohen Temperatu ren, so ist die Parallelschaltung der Kondensatoren beide Wärmepumpen vorteilhaft, da hieraus beispielsweise im Fal le einer Warmwasserheizung eine Verringerung de-s Strö mungswiderstands für den Wasserkreislauf resultiert.

Dadurch, daß in den beiden Wärmepumpen verschiedene, de unterschiedlichen Arbeitstemperaturen angepaßte Kältemit telgemische als Arbeitsmedien verwendet werden, lasse sich die Arbeitsbedingungen für beide Wärmepumpen der An- Ordnung 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 Arbeitsme iums de ersten Pumpe eine lokal unterschiedliche, d. h. abfallende Temperaturverteilung an. Durch. die verschiedenen Verdamp¬ fungstemperaturen der Bestandteile des. nichtazeotropen Kältemittelgemisches und der daraus resultierenden örtlichen Verteilung der Verdampfungsbereiche der einzel¬ nen Bestandteile innerhalb des Verdampfers resultiert eine verbesserte Wärmeübertragung und eine Vergleichmäßigung der Verteilung des Wärmetransports über die Verdampfer- Oberfläche.

Wird der Verdampfer der zweiten Wärmepumpe im Parallel- stromverfahren betrieben (d.h. die Arbeitsmedien der bei¬ den Wärmepumpen fließen beim Wärmeaustausch in gleicher Richtung), so kann dadurch eine übermäßige Sauggasüber- hitzung mit der daraus resultierenden Gefahr der zu hohen Druckgäsüberhitzung verhindert werden. Durch das Parallel- stromverfahren ist dabei gewährleistet, daß auch im Falle eines Defekts des Expansionsventils der zweiten Wärmepumpe

BAD ORtätt

das aus dem Verdampfer dieser Wärmepumpe austretende Ar beitsmedium im wesentlichen dieselbe Temperatur aufweist wie das aus dem zu dem Verdampfer gehörigen Wärmetausche austretende Arbeitsmedium der ersten Wärmepumpe.

Das Verhältnis der Leistungsaufnahmen der Verdichter de beiden Wärmepumpen sind insbesondere dann günstig gewählt wenn die zweite Wärmepumpe zusammen mit der ersten bei de als normal anzusehenden Betriebsbedingungen ^' permanent i Betrieb bleiben kann, weil damit die erzielte Verbesserun - bezogen auf die Betriebszeit der Wärmepumpenanordnung - maximal zur Wirkung kommt. Davon ausgenommen ist ein kurze Einschaltverzögerung des Verdichters einer de beiden Wärmepumpen - bevorzugt der zweiten Wärmepumpe _. - um den Anlaufström der Anordnung zu begrenzen.

Die Vorteile der Verwendung eines Rollkolbenkompressor für den Verdichter der zweiten Wärmepumpe haben ihre Ur sache in dessen besonderer Leistungsaufnahraecharakteri stik, die mit steigender Verdampfungstemperatur ein zunehmende und später (von ca. 15 ^β C ab) wieder fallend Tendenz aufweist, so daß eine Überlastung bei einer sic eventuell einstellenden zu hohen Verdampfungstemperatu ausgeschlossen ist. Andererseits ist damit eine Ver besserung der Leistungszahl bei höheren Verdampfungs temperaturen verbunden. Durch die Fähigkeit von Rollkol benkompressoren, Naßanläufe schadlos zu überstehen, sin entsprechende Sicherheitseinrichtungen entbehrlich, so da insoweit eine weitere Reduzierung des Aufwands erzielba ist.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind i den ünteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden bei de nachstehenden Darstellung einer bevorzugten Ausführung nä her beschrieben.

Die einzige Figur zeigt eine schematisσhe Darstellung ei ner Wärmepumpenanordnung gemäß der Erfindung.

Die in der Figur dargestellte Wärmepumpenanordnung enthäl zunächst den bekannten Arbeitsmittelkreislauf einer Kom pressionswärmepumpe Komponenten in üblicher Anordnung.

In einem einen Wärmetauscher bildenden Verdampfer 1 ver dampft das Arbeitsmittel bei einer Temperatur T ₀ und ent- zieht dem den Verdampfer 1 in einem getrennten Kreislauf durchströmenden Medium die Verdampfungswärme. Bei dem dar¬ gestellten Ausführungsbeispiel .wird die Verdampfungswärme Qg einer die Rohrleitungen 2 und 3 in Pfeilrichtung durch¬ fließenden Sole entzogen, die mittels einer Pumpe 4 u ge- wälzt wird. Die Sole durchströmt ihrerseits beispielsweise - nicht dargestellte - im Erdreich eingebrachte Wärmetau¬ scher und wird dadurch erwärmt. Entsprechend ist auch eine Wärmeaufnahme aus der ümgebungsluft etc. möglich.

Ein Verdichter 5 saugt das dampfförmige Arbeitsmedium bei einem Druck p ₀ an und verdichtet es auf den Druck p. Im ebenfalls einen Wärmetauscher bildenden Kondensator β ver¬ flüssigt 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 Umwälz¬ pumpe 9 enthält.

BAD ORIGINAL

Über ein thermostatisch gesteuertes Expansionsventil 1 strömt das flüssige Arbeitsmedium vom Kondensator 6 zurüc zum Verdampfer 1, wo sich der Kreislauf schließt. Das i Arbeitskreislauf zu verwendende Medium wird entsprechen den erwarteten Temperaturen und Drücken gewählt. Dabe stehen die bekannten Kältemittel( ischungen) zur Verfü gung.

In den zuvor dargestellten Kreislauf ist nun zwischen .Ver flüssiger 6 und Expansionsventil 10 ein weiterer Ver dampfer 11 eines Arbeitsmittelkreislaufs einer zweite Wärmepumpe so einbezogen, daß er dem flüssigen Arbeits medium des ersten Kreislaufs vor der Entspannung durch da Expansions entil 10 direkt Wärme entzieht.

Ein zusätzlicher. Verdichter 12, der wegen der relativ ho hen Verdampfertemperaturen von- kleiner Bauart sein kann ein als Wärmetauscher dienender Kondensator 13 und ein Ex pansionventil 14 vervollständigen den Arbeitsmittelkreis lauf der zweiten W mepumpe.

Die Nutzwärme Q _A 2 wird in die Leitungen 15 und 16, die vo den Nutzwärmeleitungen 7 und 8 der ersten Wärmepumpe ge trennt sind, in. einem mit einer Umwälzpumpe 17 versehene Kreislauf abgeführt. Dabei handelt es sich um die Anlag zur Brauchwassererwärmung des Hauses, dessen Heizanlag durch die erste" Wärmepumpe versorgt wird. Der Kondensa tor 13 kann dabei in einen Warmwasserspeicher einbezoge sein. Die Leitungen 15 und 16 bilden den Brauchwasserzu und -rücklauf.

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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 Platz einnehmen, so daß sie mit dem Kondensator der zweiten Wärmepumpe, gegebenen¬ falls mit deren Verdichter, in einem Gehäuse installiert werden können, ohne daß ein wesentlicher zusätzlicher Raumbedarf entsteht. Das größte Bauelement einer derarti¬ gen Wärmepumpenanordnung, der Verdampfer der die Grundlast bestreitenden ersten Wärmepumpe, kann dabei räumlich unab¬ hängig von den übrigen Bauelementen angeordnet werden, wo¬ bei die Unterbringung jedoch bevorzugt innerhalb desselben Gehäuses erfolgt..

Die die Verflüssiger bildenden Wärmetauscher 5 und 13 der beiden Wärmepumpen können je nach Bedarf - entsprechend den eingangs getroffenen Überlegungen - entweder zusammen- gefaßt oder getrennt angeordnet sein, um für unterschied¬ liche Verbraucher Nutzwärme zu liefern, wobei günstiger¬ weise die die Grundlast liefernde Wärmepumpe im Hausener¬ giebereich für die Heizversorgung genutzt wird, während die zweite Wärmepumpe bevorzugterweise für die Brauchwas- sererwärmung eingesetzt wird. Zur Versorgung eines gemein¬ samen Verbrauchers lassen sich die Wärmetauscher 6 und 13 entsprechend den Anforderungen 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

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Nutzwärme zunächst vom Kondensator der ersten Wärmepump und anschließend vom Kondensator der zweiten Wärmepump abgeführt wird, da auf diese Weise aufgrund der sic einstellenden Temperaturverhältnisse ein maximaler Wärme ström gewährleistet ist.

Um zu verhindern, daß im Verdichter 12 der zweiten Wärme pumpe in Betriebspausen stattfindende übermäßige Kältemit telverlagerungen zu Flüssigkeitsschlägen beim Wiederein schalten führen, ist ein Steuerteil 18 vorgesehen, welche zusammen mit dem Einschalten des Verdichters 12 ein Mag netventil 19 öffnet und während des Betriebs des Verdich ters offenhält. Ein Rückflußverhinderer 20 stellt darübe hinaus sicher, daß kein im Kondensator 13 verflüssigte Kältemittel bei Betriebsunterbrechungen zurück in de Verdichter 12 fließt. Auf diese Weise läßt sich die zu sätzliche Wärmepumpe im Betrieb beliebig ein— und aus schalten.

Ein derartiger Rückflußverhinderer 20 einschließlic Magnetventil 19 ist entbehrlich, wenn der Verdichter 5 de zweiten Wärmepumpe als Rollkolbenkompressor ausgebilde ist, wobei ein derartiger Rollkolbenkompressor sic weiterhin einerseits dadurch auszeichnet, daß er Naßan laufe ohne Schaden ^* übersteht und andererseits ein imma nenter Schutz gegen Überlastung dadurch besteht, daß be einer eventuellen zu hohen Verdampfungstemperatur di Leistungsaufnahme zurückgeht.

Der Steuerteil 18 in der Figur ist außerdem so ausgebil det, daß er bei gleichzeitigem Einschalten beider Ver

dichter die Einschaltung des Verdichters 12 der Zusatzwär mepumpe geringfügig (d.h. um eine oder mehrere Sekunden verzögert, so daß die stoßartige Belastung des Stromver sorgungsnetzes bei Inbetriebnahme der Anordnung verringer ist. (Die Verzögerungswirkung kann dabei durch bekannt elektromechanische oder elektronische Verzögerungsschalt mittel erreicht werden.) Durch das Vorhandensein zweie Kompressoren kann damit der Forderung vieler Elektrizi • tätsversorgungsunternehmen nach einer Begrenzung de stoßartigen Lastzunahme beim Einschalten von Wärmepump enanlagen auf einfache Weise entsprochen werden.

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