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Inhalt

  1. Einführung
  2. Systembeschreibung mit Darstellung
  3. Wärmepumpe
  4. Energiespeicher
  5. Latentwärme
  6. Wärmespeicher / Zisterne
  7. Klimatisierung / Kühlung
  8. Das Blockheizkraftwerk = BHKW
  9. Öffentlich geförderte Latentspeicher und thermochemische Verfahren
  10. Referenzprojekt

1. Einführung

Wir bringen es auf den Punkt ! Heizen und kühlen mit Solarkollektor und Wärmepumpe !

  • Energie-Einsparung durch eine bessere Nutzung der Sonne.
  • Solare Wärme bei der Heizungsversorgung einbinden.
  • Einen größeren Speicher als die heute üblichen 800 Liter, denn diese reichen nur für einige Stunden statt Tage.
  • Deckung der restlichen Wärme durch unsere energie-effiziente Latent-Wärmepumpe oder durch umwelt-neutrales Holz.
  • Für eine sehr gute Temperaturschichtung und die effiziente Nutzung von Umweltwärme haben wir inzwischen mehrere Patente erhalten.

Was ist bei uns grundsätzlich anders ?

  • Nicht direkt im Haus nutzbare solare Wärme (z.B. unter 35°C) speichern wir zur Nutzung durch die Wärmepumpe in einem externen Niedertemperaturspeicher.
  • Der Solarkollektor stellt dadurch auch im Winterhalbjahr nutzbare solare Wärme der Wärmepumpe zur Verfügung. Im Sommer wird er vor Überhitzung geschützt und hält deshalb wesentlich länger.
  • Unsere Wärmepumpe verwendet solar vorerwärmtes Wasser und benötigt dadurch wesentlich weniger elektrischen Strom.
  • Im Winter nutzen wir auch die Latentwärme des Wassers, was ein nur kleines Wasservolumen zur Folge hat.


Ihr Haus benötigt eine bestimmte Menge Wärme pro Jahr. Die Menge richtet sich nach der Größe, der Wärmedämmung und nach den persönlichen Gewohnheiten. Beim Bedarf der dafür erforderlichen Energiemenge kommt noch der Wirkungsgrad der Heizung hinzu. Benötigen Sie beispielsweise 10.000 kWh Wärme, dann erfordert ein Ölkessel z.B. 12.000 kWh Energie, weil ein Teil durch den Schornstein mit den Abgasen entweicht und ein Teil durch Wärmestrahlung des Kessels und der Leitungen verloren geht. Die Menge von 12.000 kWh entspricht etwa 1.200 Litern Öl, die Sie folglich pro Jahr benötigen. Auch ist der elektrische Strom für die Pumpen zur Wärmeverteilung zu berücksichtigen.

Wärmebedarf verschiedener Heizungssysteme

Zusätzliche Anmerkungen zu Systemen (SLW) mit Eisnutzung als Speicherelement:

Bei einer erforderlichen Heizleistung von 6 kW werden für ein Haus an einem kalten Tag gut 1 cbm Eis erzeugt. Je nach Gegend gibt es in Deutschland mehrere kalte Tage hintereinander, die dann eine entsprechende Eismenge erzeugen.
Eis ist ein schlechter Wärmeleiter. Aus diesem Grund ist ein Einfrieren des Wassers zu einem kompakten Block zu vermeiden. Die FH-Lübeck hatte in den 80-er Jahren hiermit negative Erfahrungen gesammelt (wir erzeugen deshalb schwimmendes Brucheis).

Wenn Sie Energie sparen wollen, dann müssen Sie entweder den Bedarf des Hauses senken oder Verbesserungen am Heizkessel vornehmen: Einen neuen wirtschaftlicheren Kessel anschaffen (z.B. einen Niedertemperaturkessel), Gewohnheiten ändern oder die kostenlose Solarwärme nutzen. Was bewirkt unser "Supersolar"-System? Nun wir verändern zuerst einmal nichts am Haus, wenn dieses jedoch sinnvoll erscheint, kann das ja zusätzlich erfolgen. Wir binden die Sonne in die Versorgung mit Heizwärme ein, nutzen eine Latent-Wärmepumpe und Wärmespeicher (Ergebnis z.B. oben in gelb). Der gesamte Energieverbrauch wird dadurch gesenkt - und damit natürlich auch die jährlichen Kosten! Und nicht zu vergessen: Auch der CO2-Ausstoß an die Umgebung sinkt um den gleichen Betrag, der dem niedrigeren Energieverbrauch entspricht! Wir müssen hier allerdings darauf hinweisen, dass die allgemein gebräuchlichen Berechnungsprogramme - mit langjährigen Durchschnittswerten der Temperatur - die Einsparungen nicht korrekt wiedergeben. Bei diesen Programmen geht der Vorteil der Kurzzeitspeicherung von solarer Wärme verloren. Im gemäßigten Klima wird aber oft eine kurzzeitige Wärmebereitung erforderlich (Wetterphänomene wie Eisheilige, Schafskälte, Siebenschläfer, etc.). Dieser Systemvorteil geht gerade dann verloren, wenn die Wärmepumpe mit einer hohen Leistungszahl arbeitet (Wassertemperatur bis 30 °C im Sommer und der Übergangszeit).

Sollte die Lesbarkeit zu sehr eingeschränkt sein, können Sie diesen Teil als pdf-Datei von uns zugesandt bekommen. Senden Sie uns dazu einen adressierten Freiumschlag mit dem Kennwort "Heizungsvergleich" zu.


Was wollen Sie mehr ?

  • Ein Haus benötige etwa 75% der Energie für die Heizung und etwa 25% für das warme Brauchwasser.
  • Deckt die Sonne von März bis Oktober die Heizwärme, werden etwa die Hälfte vom jährlichen Heizwärmebedarf eingespart: 1/2 von 75% entspricht 37,5%.
  • Deckt die Sonne von März bis Oktober das warme Brauchwasser, werden etwa 2/3 vom Jahresbedarf eingespart: 2/3 von 25% entsprechen rund 17%.
  • Beide Werte zusammen sparen jährlich etwa 55% Energie ein. Je nach Auslegung und örtlichen Bedingungen können es sogar bis zu 80% sein.
  • Folglich wird Ihr Geldbeutel bis zu 80% entlastet !
  • Und außerdem schonen Sie unsere Umwelt und helfen diese den Nachfahren intakt und lebenswert zu erhalten.

Das Verfahren nutzt Wasser und seine Latentenergie als Wärmespeicher. Die vorwiegend niedrige Speichertemperatur erfordert keine Wärmedämmung. Eine Wärmepumpe hebt die Temperatur auf das benötigte Niveau an. Der Kühlschrank ist eine klassische Wärmepumpe. Das ist bewährte und sichere Technik seit Jahren. Im Kühlfach wird dem Kühlgut Wärme entzogen und außen Wärme an die Raumluft abgegeben. Auch eine Klimaanlage ist eine Wärmepumpe. Durch einfache Umschaltung der Funktion kühlt oder erwärmt sie Raumluft und gibt Wärme an die Außenluft ab, bzw. entzieht ihr diese. Innerhalb von Gebäuden wird bei uns meistens warmes Heizwasser für den Wärmetransport verwendet. Die dafür eingesetzte Wärmepumpe entzieht dem Speicher Wärme und erzeugt mit wenig Strom warmes Heiz- und / oder Brauchwasser.

2. Systembeschreibung

Die ständig steigenden Energiekosten für Öl und Gas, sowie die Klimaveränderungen durch den CO2-Ausstoß bei der Verbrennung dieser Produkte, zwingt uns über andere Wege zur Erzeugung von Wärme, warmem Brauchwasser, Klimatisierung und Kühlung nachzudenken. Das gilt sowohl im privaten Gebäudebestand als auch im gewerblichen Bereich. Für letzteren sind die Planungen objektbezogener als im Wohnbereich, den wir hier deshalb detaillierter betrachten. Die erforderlichen Maßnahmen sind aber grundsätzlich vergleichbar.

Wollen wir Energie sparen und unsere Finanzen entlasten, dann müssen wir die Sonne durch eine größere Solarfläche, als dieses heute üblich ist, in die häusliche Wärmeversorgung einbinden. Um kurzfristige Schlechtwetterperioden im Sommer und in der Übergangszeit zu überbrücken ist natürlich auch ein größerer Wärmespeicher erforderlich. Zusätzlich entlasten wir noch unser Klima durch eine CO2-Einsparung.

Damit eine Anlage aber noch finanzierbar bleibt und ihre Amortisation über die Einsparung bei den Betriebskosten möglichst 10 Jahre nicht übersteigt, wird eine solare Deckung von 50% im Jahr mit der Solaranlage alleine angestrebt. Bei einem Neubau könnte man eine höhere solare Deckungsrate verwirklichen, doch beim Gebäudebestand sind hier aufwandsbedingte Grenzen gesetzt. Vielleicht wollen Sie aber nur eine bestehende Anlage mit einer Solaranlage ergänzen.

Den restlichen Wärmebedarf - mit einer Solaranlage ist es hauptsächlich der Bedarf in den längeren Kälteperioden des Winters - deckt eine etwas veränderte Wärmepumpe. Als Wärmequelle dient das bei uns überall verfügbare Wasser in einer sich außerhalb des Gebäudes befindenden Zisterne. Die Wärmepumpe kühlt dieses beispielsweise um 5° ab und erwärmt das Wasser für den Wärmespeicher um 10° bei einem kleineren Volumenstrom. Damit die Zisterne nicht allzu groß gewählt werden muss, wird auch die sehr hohe Latentwärme des Wassers beim Erstarren zu Eis genutzt.

Bei einer gewünschten kleineren Gesamtanlage lassen sich besonders kalte Tage mit einer zusätzlichen Holzheizung überbrücken (möglichst mit Wassertasche zur Versorgung aller Räume über den Wärmespeicher). Die Wärmepumpe muss dann nur bis 0°C ausgelegt werden, was fast nur der halben Heizleistung entspricht.

Im linken Bild wird die Wärme für das graue Dreick nur an wenigen Tagen im Jahr durch Holz erzeugt. In diesem Fall wird die zu erstellende Anlage kleiner. Bei Abwesenheit (z.B. Urlaub) bleiben die Räume auf einer abgesenkten Temperatur. Das verhindert Frostschäden und spart Kosten.

Anzahl
der Tage mit einer bestimmten Temperatur

Selbstverständlich lässt sich unsere Wärmepumpe auch ohne Solaranlage betreiben - wie jede andere Wärmepumpe auch. Falls aber keine Solaranlage vorgesehen ist, muss das entstehende Eis durch Regenwasser oder einen einfachen Absorber auf einem Dach geschmolzen werden. Sie können es natürlich auch verkaufen!

Systembild

Hier wird neben der erzielbar hohen Wärme durch den Solarkollektor auch Wärme mit niedrigerer Temperatur sinnvoll genutzt - worauf die meisten Systeme verzichten. Diese wird in der Zisterne zwischengespeichert und bei fehlender Solarwärme durch die Wärmepumpe genutzt. Der Solarkollektor hat dadurch einen ganz wesentlich größeren Nutzen. Durch die Trennung von Eis und Wasser, mittels einer Aufteilung in Kaverne und Zisterne, wird dieser Nutzen noch erheblich vergrößert.

Ein "mittleres" Niedrig-Energie-Haus (50 kWh/qm plus warmes Brauchwasser) mit 150 qm Wohnfläche verbraucht, laut nachfolgender Tabelle, 11.100 kWh Wärme. Etwa die Hälfte des Bedarfs entfällt dabei auf den Winter. Diese stellt vorwiegend unsere Latent-Wärmepumpe zur Verfügung.

Bei einem 16 qm großen Solarkollektor kann man, bei 1.000 kWh/qm Strahlung im Jahr und 50% Wirkungsgrad, mit einem Ertag von 8.000 kWh rechnen. Diese decken über den Wärmespeicher, mit 4.000 Litern Wasser, die andere Hälfte des Bedarfs und erwärmen zusätzlich das Zisternenwasser durch überschüssige Solarwärme im Sommer auf 35°C. Mit der Umwandlung von maximal 50% Wasser in Eis, sowie Erd- und Solarwärme stehen so etwa 174 kWh pro cbm Zisterne im Winter zur Verfügung.

Einschließlich umgebender Erdwärme und dem elektrischen Strom der Wärmepumpe entsteht im Winter trotzdem noch ein Volumen von 10 bis 20 cbm Eis. Hier muss eine genaue Berechnung mit den Bodenverhältnissen sowie der Klima- und Hausdaten erfolgen. Eine gute Ölheizung verbraucht für dieses Haus etwa 12.000 kWh, entsprechend 1.200 Liter Öl. Beim heutigen Preis von 80 ct/Liter sind das mit Hilfsenergie, Wartung und Schornsteinfeger rund 1.100 Euro im Jahr. Die Wärmepumpe verbraucht mit der Hilfsenergie kaum 250 Euro, spart also rund 77% Kosten ein - das ist doch ein wirklich überzeugendes Argument!


Energiebedarf Gesamtenergie Sommer
März - Oktober
Winter
November - Februar
Heizung
150 qm x 50 kWh/qm
  7.500 kWh p.a. 1/2 = 3.750 kWh 1/2 = 3.750 kWh
Warmwasser
monatlich 300 kWh
  3.600 kWh p.a. 2/3 = 2.400 kWh 1/3 = 1.200 kWh
Deckung 11.100 kWh p.a. Solarkollektor
= 6.150 kWh
Wärmepumpe
= 4.950 kWh
       
Verbrauch / Kosten Wärmepumpe Wasserpumpen Gesamtstrom
elektrischer Strom 1/4 von 4.950 kWh
= 1.238 kWh p.a.
+ 500 kWh p.a. = 1.738 kWh
Tarif = 0,13 Euro/kWh Nacht- bzw. Nieder-Tarif   = 226 Euro p.a.
       
Wasser-Eis-Speicher Zisterne Eisvolumen Wasservolumen
Energieentnahme / Eis 3/4 von 4.950 kWh
= 3.713 kWh p.a.
3.713 kWh
: 174 kWh/cbm = 21 cbm
etwas Eis schmilzt
zwischendurch = 40 cbm

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2. Wärmepumpe

Die Wärmepumpe benötigt etwa 1/4 elektrischen Strom und 3/4 Energie aus der Zisterne. Zwischenzeitlich wird aber etwas Erd- und Solarwärme zugeführt. Das ergibt rechnerisch 21 cbm Eis. Für einem maximalen Eisanteil von 50%, mit etwas Luft zwischen Eis und Decke, reichen deshalb rund 40 cbm Volumen der Zisterne aus. Das zeigen auch die Erfahrungen mit den bisher erstellten Anlagen.

3. Energiespeicher

Unser saisonaler Energiespeicher benötigt keine Wärmedämmung, das Wasser steht nicht unter Druck und es kann dafür einfaches Regenwasser verwendet werden. Wird das Eis im gleichen Behälter gespeichert, dann sollte dieser etwa das doppelte Volumen des entstehenden Eises haben. Es gibt auch andere Lösungen, bei denen das entstehende Eis an einer anderen Stelle gelagert wird.

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4. Latentwärme

Besonders wichtig ist die Latentwärme, also die Umwandlung von Wasser in Eis, außerhalb des Speichers. Dadurch wird die Hauptproblematik aller Energiespeicher einfach umgangen: Die Zufuhr und Entnahme von Wärme. Im festen Zustand sind die Materialien schlechte Wärmeleiter und deshalb wird der Transport von Wärme, besonders bei größerem Volumen, in beiden Richtungen behindert. Auch kommt bei unserem Verfahren die Wärmegewinnung durch die Wärmepumpe ohne große Eingriffe in die Natur aus und nutzt sowohl Erd- als auch Sonnenwärme.

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5. Wärmespeicher / Zisterne

Eine Lösung für kleine Solaranlagen, die vorwiegend warmes Brauchwasser und nur wenig Heizwärme erzeugen, bieten als Wärmespeicher beispielsweise die Zisternen der Firma Wisy. Das folgende Bild zeigt die verschiedenen Größen der Zisternen. Unsere Wärmepumpe, mit einer thermischen Leistung von 3,0 kW, wird einfach in den Domschacht mit 70 cm Durchmesser eingehängt und versorgt den Wärmespeicher im Haus mit Wärme, wenn die Sonne für ein paar Tage Pause macht. Sie müssen dann nicht gleich die Heizung in Betrieb nehmen. Diese Variante ist auch sehr vorteilhaft für Häuser mit einer Holzheizung, da diese dann im Sommer ausgeschaltet bleiben kann.

WISY-Zisternen

Wenn die Größe der genannten Zisterne nicht zur Wärmeversorgung ausreicht, können mehrere parallel aufgestellt werden oder es können Beispiele aus dem Abschnitt "Regen-Zisterne" diese Aufgabe übernehmen. So haben beispielsweise ein Bodenelement und 3 Betonringe mit 2,5 m Durchmesser und jeweils 0,5 m Höhe ein Volumen von knapp 10 cbm. In dieser Anordnung alleine können etwa 5 cbm Eis erzeugt und gespeichert werden.

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6. Klimatisierung / Kühlung

Hier wollen wir Ihnen eine ganz einfache Möglichkeit zur Kühlung von Räumen zeigen. So kann bei sommerlicher großer Wärme z.B. das Schlafzimmer auf erträgliche Temperaturen gehalten werden.

In der Eis-Zisterne befindet sich ein Wasser-Eis-Gemisch von 0°C. Dieses wird nicht im Frühjar von Solarwärme geschmolzen, sondern erst im Herbst.

Über einen Rippenrohr-Wärmetauscher wird das im Raum erwärmte Wasser in der Zisterne gekühlt und über die Pumpe dem "Kühler" wieder zugeführt.

Ein langsam laufender Ventilator kühlt die Raumluft gemäß der Temperatureinstellung. Kondenswasser wird in einer Schale aufgefangen.

Wird die Leitungsverbindung als steckbares System ausgeführt, kann das fahrbare Gestell auch in anderen Räumen verwendet werden.

Einfache
Möglichkeit zur Kühlung von Räumen

Das System kann auch professionell ausgeführt werden und zum Klimatisieren von Wohn- und Geschäftsräumen, von Veranstaltungsräumen und zum Kühlen einer Speisekammer, statt eines Kühlschranks, u.a.m. verwendet werden!

Allerdings wird die Wärmepumpe mit elektrischer Energie betrieben. Das ist aber die einzige Stelle, an der künstlich erzeugte Energie hinzugfügt werden muss: Ein Viertel der durch die Wärmepumpe gewonnenen Energie ist elektrisch - bei 50% solarer Deckung sind das nur 1/8 des gesamten Wärmebedarfs! - der Rest ist Sonnen- bzw. Erdwärme. Vorteilhaft ist, dass die Wärmepumpe nur nach Bedarf ergänzend läuft und sich nach individuellem Bedarf einfach regulieren lässt.

An Primärenergie, dem Maßstab der neuen Energie-Einspar-Verordnung, werden zwischen 60% und 80% eingespart - ein beachtlicher Tatbestand!

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7. Das Blockheizkraftwerk = BHKW

Eine weitere Lösung unserer Energieprobleme ist der Einsatz eines BHKW. Werden zusätzlich zu einem BHKW auch Solarkollektoren und ein größerer Wärmespeicher eingesetzt, können etwa 50% Energie, 67% Kosten und gleichviel CO2 eingespart werden. Details sind in einem Extraabschnitt weiter unten beschrieben.

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8. Öffentlich geförderte Latentspeicher und thermochemische Verfahren:

An der Fachhochschule Lübeck hatte Prof. Dr. Weik bereits in den 80-er Jahren ein "Doppelspeicher-Solarsystem" in einem Solarhaus mit einem 20 cbm Langzeit-Wasserspeicher und 3 cbm Tagesspeicher untersucht, bei dem die Latentwärme im Winter durch eine Wärmepumpe genutzt wurde. Der Wärmeentzug geschah allerdings im Wasser durch gewendelte Kupferrohrschlangen. Hierbei behindert aber das sich an den Kupferrohren absetzende Eis den Wärmeübergang und verschlechterte die Leistungszahl der Wärmepumpe mit zunehmender Eisstärke erheblich. Dieser Punkt ist bei unserem System durch die Trennung von Wasser und Eis behoben - man könnte es analog dazu ein "Dreispeicher-Solarsystem" nennen. Heute führt Prof. Dr. Kreußler das Projekt in Lübeck weiter.

Das Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik der Universität Stuttgart hat vom BMFT geförderte Untersuchungen an einem "Kies-Wasser-Speicher" bzw. "Kies/Wasser-Speicher" (Schreibweise!) gemacht (Forschungsberichte des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins Nr. 47 von 1994). Leider hat aber Kies nur die halbe Wärmespeicherkapazität des Wassers und damit verschenkt man einen sehr großen Teil des Volumens. Die Nutzung von Latentwärme bereitet die gleichen Probleme wie bei der Anordnung in Lübeck. Hier sind Leitungen im Kies zu verlegen an denen das Wasser einfriert und dann zusätzlich noch Dehnungsprobleme schafft. In letzter Zeit hat sich hiermit auch die Technische Universität Chemnitz beschäftigt. Doch die einzige sinnvolle Lösung lautet: "Trennung von Wasser und Eis", wie das bei unserem System verwirklicht wird.

Mit Natriumazetat als Latentspeicher wurde durch die Firma Schneider für DLR (Deutsche Luft- und Raumfahrt) ein Konzept entwickelt. Anfänglich wurde Weißöl als Wärmeträger benutzt, dieses wurde im Jahr 2000 durch einen patentierten Wärmetauscher innerhalb des Speichers ersetzt. Die Schmelztemperatur vom Natriumazetat wird mit 58,5°C und die Schmelzwärme mit 75 kWh pro cbm angegeben. Für einen Wärmebedarf von 5.000 kWh wird allerdings ein gut wärmegedämmter Speicher mit fast 70 cbm Inhalt benötigt, und dieser ist recht teuer.

Ein thermochemisches Verfahren verwendet Zeolith, das die Heizwärme im Winter durch starke Erhitzung bei der Aufnahme von Wasserdampf liefert und mittels Sonnenwärme im Sommer wieder "getrocknet" wird. Für Zeolith werden knapp 230 kWh pro cbm angegeben und dieser Wert ist immerhin drei Mal größer als beim Natriumazetat. Bei 5.000 kWh Wärmebedarf werden gut 22 cbm Speichervolumen benötigt. Die erforderliche Solarfläche soll dafür etwa 40 qm betragen. Außerdem wird dieser Speicher beim "Austreiben" des Wasserdampfs einem starken Unterdruck ausgesetzt (er muss evakuiert werden), und der Druckspeicher verteuert dieses System ganz wesentlich.

Die beiden letzten Verfahren stellen 100% der benötigten Wärme zur Verfügung, allerdings ist die erforderliche Energie zum Betreiben der Anlagen hierbei nicht berücksichtigt. Weitere detailliertere Informationen darüber finden Sie bei BINE.

Es gibt im Markt auch andere Systeme, die behaupten mit einem sehr kleinen Eisvolumen auszukommen. Das ist natürlich abhängig vom Wärmebedarf des Gebäudes (z.B. in einem Passivhaus). Für den wichtigen Gebäudebestand, mit wenigstens 3.000 Litern Ölverbrauch, entstehen an einem -15°C kalten Tag aber immerhin über 2 cbm Eis! Hier ist es sinnvoll sich um dessen Verwertung Gedanken zu machen (Verkauf an Schlachter, Gastronomie oder später im Sommer damit kühlen, weil das kompakte Eisvolumen nicht von alleine schmilzt).

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9. Referenzprojekt

Ein Einfamilienhaus in Bad Reichenhall / Marzoll (Bayern)

Technische Daten:

  1. beheizte Wohnfläche 230 qm
  2. Wärmebedarf 70 kWh/qm
  3. Anzahl der Bewohner 4 Personen
  4. Wärmepumpe 9kW thermisch
  5. Solarflachkollektoren 16 qm Südwest
  6. Dachneigung 23° Südwest
  7. Wärmespeicher 4.000 Liter unterirdicher
  8. Wasser-Eis-Speicher 40 cbm Stahltank

Die komplette Dokumentation dazu finden Sie hier

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Die Umsetzung neuer Ideen erfordert eine gute fachliche Qualifikation und sorgfältige Ausführungen!
Bitte denken Sie stets daran!

Mailkontakt: : Dipl.-Ing. W.Hesse

Ing.-Büro: Dipl.-Ing. Winfried Hesse Thumseestr. 8 c, 83435 Bad Reichenhall

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