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Pufferspeicher

In manchen Heizungsanlagen braucht man einen Pufferspeicher, d. h. einen Wärmespeicher zur kurzzeitigen Speicherung von Wärme in Form heißen Wassers.

Beispiele für die Anwendung von Pufferspeichern

Als Beispiele können die folgenden Fälle dienen:

• Eine Heizungswärmepumpe liefert, solange sie läuft, häufig eine Heizleistung, die oberhalb des tatsächlichen Bedarfs liegt. (Dies ist vor allem der Fall bei relativ hohen Außentemperaturen, wenn wenig Heizleistung benötigt wird, eine Luft/Wasser-Wärmepumpe aber besonders viel Heizleistung erbringt.) Anstatt die Wärmepumpe ständig ein- und auszuschalten (zu takten), kann es besser sein, in den Betriebszeiten einen Pufferspeicher zu laden, aus dem das Heizsystem dann wieder für einige Zeit zehren kann. Ein anderer Aspekt ist, dass Heizkörperthermostate z. B. durch vermehrte Sonneneinstrahlung den Durchfluss so stark reduzieren können, dass der Wasserdurchfluss durch die Wärmepumpe zu niedrig ist; dann sinkt die Energieeffizienz, oder die Anlage meldet sogar eine Störung. Eine hydraulische Entkopplung mit Pufferspeicher (siehe unten) kann diese Probleme vermeiden und somit die Effizienz und die Betriebssicherheit erhöhen. Allerdings ist ein Pufferspeicher hierfür nicht in allen Fällen die beste Lösung (siehe unten).
• Bei einer Luft/Wasser-Wärmepumpe lässt sich mit einem Pufferspeicher die tagsüber höhere Außentemperatur besser nutzen. Der Speicher wird also vorzugsweise tagsüber beladen, und nachts läuft die Wärmepumpe kaum noch. Die üblichen Wärmepumpen-Stromtarife verlangen auch nicht die vorwiegend die Nutzung von Nachtstrom, sondern lediglich die Unterbrechbarkeit des Strombezugs für einige Stunden pro Tag.
• Wichtig ist ein Pufferspeicher für Holzheizkessel, insbesondere bei Verwendung von Stückholz. Diese Kessel sind in der Leistung schwer regelbar und arbeiten bezüglich Energieeffizienz und Abgasqualität am besten, wenn sie für längere Zeit mit hoher Leistung arbeiten können. Hier ist ein Pufferspeicher in der Regel sehr sinnvoll und häufig auch zwingend vorgeschrieben.
• Auch in Verbindung mit einem Öl- oder Gasheizkessel wird manchmal ein Pufferspeicher eingesetzt, um den Brenner weniger häufig an- und abschalten zu müssen. Allerdings ist dieser Vorteil gegen die zusätzlichen Wärmeverluste des Puffers und dessen Kosten abzuwägen. Ein modulierender Brenner dürfte meist die bessere Lösung sein.
• Ein Blockheizkraftwerk kann mehr elektrische Energie zu Zeiten hohen Bedarfs liefern (und damit einen höheren Erlös erzielen), wenn ggf. überschüssige Wärme in einem Pufferspeicher für spätere Verwendung gespeichert werden kann.
• In Verbindung mit Solaranlagen für die solare Warmwasserbereitung mit Heizungsunterstützung werden spezielle Solarspeicher eingesetzt. Grundsätzlich funktioniert die Solarthermie in den meisten Fällen nur mit einem Pufferspeicher, da die nutzbare Wärme zeitlich verteilt und schwankend anfällt, wären zu manchen Zeiten (z. B. mit Entnahme von Warmwasser) viel höhere Leistungen benötigt werden.
• Bei Fernwärmesystemen besteht im Sommer oft das Problem, dass die Wärmeverluste in den Leitungen im Vergleich zu den geringen gelieferten Wärmemengen stark ins Gewicht fallen. Dieses Problem kann mit Pufferspeichern an den Abnahmestellen gelöst werden: Das Wärmenetz liefert dann z. B. nur einmal täglich für zwei Stunden Wärme zur Beladung der Speicher, von denen die Verbraucher dann den ganzen Tag über zehren.
• Manchmal ist ein Pufferspeicher sogar aus Sicherheitsgründen nötig, um die entstehende Wärme aufzunehmen, wenn sie vom Verbraucher aus irgendeinem Grund nicht abgenommen werden kann.

Hydraulische Entkopplung

Ein Pufferspeicher ermöglicht eine hydraulische Entkopplung von Komponenten. Beispielsweise kann eine Wärmepumpe mit konstantem Wasserdurchfluss arbeiten, selbst wenn die Wärmeverbraucher eine stark schwankende Leistung entnehmen.

Abbildung 1 zeigt als Beispiel das Prinzip der hydraulischen Entkopplung bei einer Wärmepumpenheizung mit Hilfe einer hydraulischen Weiche. Die Primärkreispumpe kann unabhängig vom Volumenstrom in den Heizkreisen einen für den Betrieb der Wärmepumpe sinnvollen Volumenstrom im Primärkreis erzeugen. Soweit dieser höher ist als die Wärmeabnahme, geht die Differenz in den Pufferspeicher; die Grenze zwischen wärmerem und kälterem Wasser im Speicher sinkt dann nach unten. Wenn die Wärmepumpe nach genügender Füllung des Pufferspeichers abgeschaltet wird, können die Verbraucher diesem wieder warmes Wasser entnehmen, wobei die Grenze zwischen wärmerem und kälterem Wasser wieder nach oben steigt. Der Puffer und die Betriebsbedingungen (z. B. Strömungsgeschwindigkeiten) sollten so gestaltet werden, dass eine gute Temperaturschichtung im Pufferspeicher stets erhalten bleibt.

Der Pufferspeicher kann kleiner dimensioniert werden oder in manchen Fällen sogar ganz entfallen, wenn die Wärmepumpe über einen leistungsgeregeltem Kompressor (Kältemittelverdichter) verfügt. Der Mehrpreis für eine solche modulierende Wärmepumpe dürfte häufig gering sein als der für einen Pufferspeicher, und die damit erzielbare Energieeffizienz ist unter Umständen wesentlich höher, da Wärmepumpen im Teillastbetrieb mit reduzierter Kompressordrehzahl oft wesentlich effizienter arbeiten als bei Volllast.

Dieselbe Technik der hydraulischen Entkopplung mit Pufferspeicher ist oft auch nützlich für die Kombination mehrerer Wärmequellen, z. B. Heizkesseln und Wärmepumpen.

Direkte und indirekte Beheizung von Pufferspeichern

Die Wärmezufuhr kann bei einem Pufferspeicher direkt durch Zufuhr warmen Wassers geschehen, wie in Abbildung 1 gezeigt. Ebenfalls ist eine indirekte Beheizung durch Rohrschlangen im Speicher möglich, die als Wärmeübertrager dienen. Letzteres ist beispielsweise notwendig bei der Beheizung mit Sonnenkollektoren, in denen eine frostgeschützte Solarflüssigkeit zirkuliert.

Speicherbare Wärmemenge

Die Wärmemenge, die in einem Pufferspeicher gespeichert werden kann, hängt nicht nur vom Speichervolumen ab, sondern auch vom Temperaturhub, d. h. der Differenz zwischen maximaler und minimaler Temperatur im Speicher. Beispielsweise kann ein Speicher für eine Solaranlage mit Heizungsunterstützung auf maximal 90 °C aufgeheizt werden, und als Minimaltemperatur kann man 30 °C annehmen, wenn dies die benötigte Vorlauftemperatur des Heizungssystems ist. (Wärme unterhalb dieses Temperaturniveaus lässt sich im System nicht mehr nutzen.) Dann ergibt sich die speicherbare Wärmemenge bei einem Speichervolumen von z. B. 400 Litern zu 4,19 kJ/(kg K) · 400 kg · (90 − 30) K = 101 MJ = 28 kWh. Wenn derselbe Speicher mit einer Wärmepumpe nur auf 60 °C aufgeheizt werden könnte, könnte nur halb so viel Energie gespeichert werden, nämlich 14 kWh.

Wärmeverluste von Pufferspeichern

Ein aufgeheizter Pufferspeicher verursacht gewisse Wärmeverluste. Die Wärmeleitung nach außen kann durch eine gute Wärmedämmung z. B. mit Polystyrol-Formteilen oder mit Steinwolle minimiert werden.

Kritische Punkte sind hierbei die Rohranschlüsse, die die Wärmedämmschicht durchstoßen – insbesondere die im oberen (meist wärmeren) Bereich liegenden. Günstig ist es, wenn die Rohrleitungen auf einer gewissen Länge noch unter der Dämmung des Speichers verlaufen. Natürlich sollten auch die Rohre außerhalb des Speichers gut gedämmt werden.

Hilfreich kann auch ein Thermosiphon sein: Die austretende Rohrleitung wird zunächst ein Stück weit nach unten geführt, damit in Zeiten ohne Wasserdurchfluss nicht Wärme durch Konvektion im Rohr abgeführt werden kann.

Nicht optimal gedämmte Warmwasser-Pufferspeicher z. B. einer Größe von einigen hundert Litern in einem Heizkeller können pro Tag durchaus etliche Kilowattstunden Wärme verlieren. Bei guter Dämmung sind es nur noch z. B. 2 kWh – natürlich abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Speicherinhalt und Umgebung.

Manche Häuser mit Solarheizung enthalten einen sehr großen Pufferspeicher (mit mehreren tausend Litern), der in den beheizten Bereich des Gebäudes integriert wird. Dadurch gelangt die vom Speicher trotz Dämmung abgegebene Wärme in die genutzten Räume, ist also nicht verloren – jedenfalls nicht innerhalb der Heizperiode. Im Sommer ist diese Wärmezufuhr allerdings unerwünscht.

Korrekte Dimensionierung von Pufferspeichern

Um seine Funktion gut zu erfüllen, muss ein Pufferspeicher eine ausreichend große Wärmespeicherkapazität haben. Andererseits sollte ein unnötig großer Speicher nicht nur wegen der höheren Investitionskosten vermieden werden, sondern auch wegen der dann höheren Wärmeverluste. Die richtige Dimensionierung ergibt sich also aus einem Kompromiss zwischen der optimalen Speicherfunktion auf der einen Seite und Wärmeverlusten und Investitionskosten auf der anderen Seite.

Welche Speichergröße jeweils richtig ist, hängt stark von der jeweiligen Einsatzsituation ab und durchaus nicht nur beispielsweise von der Leistung des eingesetzten Wärmeerzeugers. Für diverse Einsatzgebiete gibt es einfache Faustregeln, die immerhin eine grobe Abschätzung ermöglichen. Beispielsweise verlangt die BAFA bei geförderten Systemen mit Holzscheitkessel ein Speichervolumen von mindestens 55 Litern pro Kilowatt vor; 100 Liter dürften häufig sogar besser sein. Bei Solarthermieanlagen mit Heizungsunterstützung wird ein Mindestvolumen von 40 Litern pro Quadratmeter Kollektorfläche (bei Flachkollektoren) oder 50 Litern pro Quadratmeter (bei Vakuumröhrenkollektoren) gefordert. Eine erfahrene Fachperson sollte zumindest in einfachen Fällen in der Lage sein, die sich aus solchen Faustregeln ergebenden Werte anhand der konkreten Umstände noch sinnvoll anzupassen; hierfür muss man freilich wissen, welche Annahmen einer Faustformel zu Grunde liegen und welche Faktoren im Einzelfall eine Korrektur notwendig machen. Für genauere Aussagen sind oft aufwendigere Berechnungen notwendig.

Häufig ist ein gewisses Mindestvolumen nötig, um mit einem Pufferspeicher den entscheidenden Nutzen zu erzielen; eine wesentlich höhere Dimensionierung bringt jedoch kaum einen höheren Nutzen, sondern nur wesentlich höhere Kosten und Wärmeverluste. Beispielsweise fordert die BAFA bei einer Solarthermieanlage mit Heizungsunterstützung in einem Einfamilienhaus (10 m² Flachkollektoren) einen Pufferspeicher mit 400 Litern. Den Speicher erheblich größer auszulegen, würde den solaren Deckungsgrad kaum weiter erhöhen.

Auch bei der Realisierung einer Solarheizung ist es meist sinnvoll, den Pufferspeicher so auszulegen, dass ein Deckungsgrad von z. B. 80 bis 90 % erreicht wird, und den restlichen kleinen Bedarf mit einem zusätzlichen Wärmeerzeuger (z. B. einem kleinen Pelletheizkessel) zu decken.

Schichtladespeicher

Manche Puffer sind als Schichtladespeicher konzipiert. Hier wird durch geeignete Maßnahmen gewährleistet, dass eine starke Temperaturschichtung erhalten bleibt. Dies hat diverse Vorteile, die im Artikel über Schichtladespeicher erklärt werden.

Kombispeicher

Ein Kombispeicher ist eine platzsparende Kombination aus Heizungs-Pufferspeicher und Warmwasserspeicher. Hier kann beispielsweise ein kleinerer Warmwasserspeicher einfach in einen größeren Heizungs-Pufferspeicher (am oberen Ende) eingelassen sein, so dass er Wärme über seine Wände aus dem Pufferspeicher bezieht. Im unteren Teil kann noch ein Wärmeübertrager für die Beheizung mit Sonnenkollektoren eingebaut sein. Diese Bauart ist platzsparend und kann das System vereinfachen. Allerdings muss natürlich der obere Bereich des Pufferspeichers immer genügend warm sein für die Warmwasserbereitung – oft wärmer, als für den Heizungsbetrieb nötig. In Verbindung mit Niedertemperatur-Heizsystemen ist dies ungünstig; ein separater Warmwasserspeicher wäre dann sinnvoller.

Kombination mehrerer Pufferspeicher

Wenn ein Pufferspeicher z. B. aufgrund der Raumhöhe oder aufgrund begrenzter Türöffnungen nicht die gewünschte Größe erreichen kann, kann eine Kombination mehrerer Pufferspeicher verwendet werden. Diese können hydraulisch in Serie geschaltet werden (Kaskadenschaltung) oder auch parallel (ggf. mit hydraulischem Abgleich). Der Wärmeverlust ist höher als bei Verwendung eines einzelnen größeren Speichers, da die Oberfläche insgesamt größer ist.

Drucklose Pufferspeicher

Die meisten Pufferspeicher stehen unter dem gleichen Druck wie das angeschlossene System. Es gibt jedoch auch drucklose Speicher, bei denen die Wärmezufuhr und Entnahme nur über Wärmeübertrager erfolgen. Das Wasser im Speicher bleibt dann immer dort stehen und wird nicht wie sonst durch das gesamte Heizsystem umgewälzt. Solche drucklosen Speicher sind manchmal leichter realisierbar, besonders bei sehr großen Volumina. Wenn keine allzu hohen Temperaturen nötig sind, ist auch eine Ausführung mit Kunststoff möglich.

Eisspeicher sind häufig von dieser drucklosen Bauart.

Verzicht auf einen Pufferspeicher bei Wärmepumpenheizungen

Bei Wärmepumpenheizungen in Verbindung mit einer Fußbodenheizung kann es sinnvoll sein, die Anlage so auszulegen, dass auf einen Pufferspeicher verzichtet werden kann. Dies bedingt den zusätzlichen Verzicht auf Einzelraumthermostate, so dass die Heizungs-Umwälzpumpe zu jeder Zeit genügend Wasser durch das Zentralheizungssystem mit Fußbodenheizung pumpen kann. Dann werden effektiv die Böden des gesamten Hauses als Wärmespeicher benutzt.

Das Fehlen von Einzelraumthermostaten muss nicht unbedingt nachteilig sein, insbesondere wenn die Fußbodenheizung mit einer sehr niedrigen Vorlauftemperatur von z. B. maximal 30 °C betrieben werden kann, so dass der Selbstregeleffekt (verminderte Wärmeabgabe bei ansteigender Raumtemperatur) auftritt. In einem gut wärmegedämmten Gebäude mit eng verlegten Heizschlangen im Fußboden ist dies durchaus realistisch.

Diese Strategie führt zu einer einfacheren Anlage mit eher geringeren Investitionskosten und weniger Fehlermöglichkeiten. Ebenfalls kann eine solche Anlage sehr energieeffizient arbeiten, vor allem wegen der niedrigen Vorlauftemperatur und der guten Speicherwirkung der Böden. Selbst dass die Temperaturen in einzelnen Räumen auch einmal etwas höher ausfallen können, ändert daran kaum etwas. Allerdings wird anfangs eine sorgfältige Einstellung der Stellventile für alle Zimmer nötig, um die richtigen Raumtemperaturen zu erhalten. Eventuell kann eine solche Strategie auch durch gesetzliche Vorschriften verhindert werden, die etwa den Verzicht auf Einzelraumthermostate verbieten.

Siehe auch: Heizungsanlage, Warmwasserspeicher, Wärmespeicher, Energiespeicher, Schichtladespeicher, Eisspeicher, Solarspeicher, Taktbetrieb