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Schichtladespeicher

In einem Warmwasserspeicher oder Pufferspeicher, der von oben mit warmem Wasser beschickt wird, kann sich eine natürliche Schichtung ergeben: Das warme Wasser oben hat eine geringere Dichte als das kältere Wasser unten, so dass diese Temperaturschichtung stabil ist, d. h. eine Durchmischung durch Konvektion nicht zustande kommen kann (siehe Abbildung 1). Zwar findet ein Wärmetransport durch Wärmeleitung nach unten statt, aber da die Wärmeleitfähigkeit des Wassers relativ gering ist, ist dieser Effekt schwach.

In der Praxis bleibt die Temperaturschichtung bei normalen Warmwasserspeichern jedoch oft nicht gut erhalten, z. B. aus den folgenden Gründen:

• Wenn ein Einlass für kaltes oder heißes Wasser nicht günstig gestaltet ist, entsteht bei schnellem Einströmen des Wassers eine Verwirbelung.
• Ähnlich kann eine Verwirbelung auch durch einen Wärmeübertrager im unteren Bereich ausgelöst werden, besonders bei hoher zugeführter Leistung.
• Bei einem dickwandigen metallischen Speicher gibt es eine erhebliche Wärmeleitung in der Wand von oben nach unten.

Schichtladespeicher (oder kürzer Schichtenspeicher) sind Speicher, die dahingehend optimiert sind, dass die beschriebene Temperaturschichtung möglichst erhalten bleibt und gut genutzt werden kann. Ihre Nützlichkeit besteht im Kern darin, dass oben relativ warmes Wasser entnommen werden kann, selbst wenn der Speicher schon fast leer ist. Dagegen würde bei einem ständig durchmischten Speicher die Temperatur des entnommenen Wassers kontinuierlich abnehmen, so dass z. B. für die Warmwasserbereitung entweder der Speicher früher nachgeheizt werden müsste oder das Wasser in einem Durchlauferhitzer weiter aufgeheizt werden müsste. Es ist aber oft günstig, einen Warmwasserspeicher so betreiben zu können, dass nur z. B. im oberen Drittel immer die benötigte Warmwassertemperatur erreicht wird. Erstens werden so die Wärmeverluste des Speichers reduziert, und zweitens bleibt dann eine größere Speicherkapazität verfügbar für die Aufnahme von solarer Wärme im Fall der solaren Warmwasserbereitung. In der Folge kann der Speicher oft auch etwas kleiner ausgelegt werden, was sowohl die Kosten als auch die Wärmeverluste reduziert. Ein weiterer Vorteil z. B. bei der Aufheizung mit einer Wärmepumpe oder einem Brennwertkessel ist, dass eine niedrige Rücklauftemperatur die Effizienz der Wärmequelle erhöht.

Das Schichtladeprinzip lässt sich sowohl bei Speichern für erwärmtes Trinkwasser als auch bei Heizungs-Pufferspeichern anwenden, z. B. auch bei der Solarheizung.

Optimierung der Temperaturschichtung

Um die Temperaturschichtung möglichst gut zu erzeugen und zu erhalten, können verschiedene Maßnahmen getroffen werden:

• Eine hohe, schlanke Bauart des Speichers ist vorteilhaft, obwohl dies andererseits gegenüber einer kompakteren Form auch die Oberfläche vergrößert, über die Wärme verloren geht.
• Beim Aufladen wird warmes Wasser oben zugeführt (manchmal auch in unterschiedlichen Höhen, siehe unten). Am besten wird das zuführende Rohr so orientiert, dass das Wasser nicht nach unten gedrückt wird, sondern etwa waagrecht in den Speicher strömt. Auch Prallbleche (Leitbleche) können hier hilfreich sein. So wird eine Verwirbelung des Wassers vermieden, die zu einer Durchmischung führen würde. Am unteren Ende wird das Wasser entnommen, das der Erwärmung zugeführt wird.
• Bei der Entnahme gilt dasselbe in umgekehrter Richtung: kaltes Wasser wird unten mit möglichst wenig Verwirbelung zugeführt.
• Möglichst geringe Fließgeschwindigkeiten sind ebenfalls hilfreich.
• Die Aufladung über einen im Speicher eingebauten Wärmeübertrager ist nicht ideal, da die Wärmezufuhr dann eine Konvektion des Speicherwassers verursacht. Allerdings kann dieser Effekt mit einer optimalen Gestaltung und Positionierung des Wärmeübertragers minimiert werden.
• Die Schichtung kann auch durch Wärmeleitung in der Behälterwand vermindert werden. Diesbezüglich wären Kunststoffwände günstiger als metallische; allerdings sind sie nur begrenzt druck- und temperaturbeständig. Auch bei Metallen gibt es große Unterschiede bezüglich Wärmeleitfähigkeit und benötigten Wandstärken. Beispielsweise wäre Edelstahl weitaus günstiger als Gusseisen, ist aber auch viel teurer.

Zufuhr und Entnahme von Wasser in unterschiedlichen Höhen

Manche Schichtspeicher haben mehrere Anschlüsse, die die Zufuhr und/oder die Entnahme von Wasser in unterschiedlichen Höhen erlauben. Beispielsweise kann eine Wärmepumpe Wasser für Heizungszwecke mit nicht allzu hoher Temperatur im mittleren Bereich einspeisen, während ein Heizkessel mit höherer Temperatur im oberen Bereich einspeist. Ein Nachteil mehrerer Anschlüsse sind jedoch unter Umständen erhöhte Stillstands-Wärmeverluste.

Idealerweise würde jede Warmwasserzufuhr immer auf der Höhe erfolgen, in der gerade die jeweilige Temperatur des zugeführten Wassers herrscht. Dies ist annähend möglich mit thermohydraulischen Schichtspeichern, bei denen die Zufuhr über ein dickes vertikal im Speicher eingebautes Kunststoffrohr mit mehreren Auslässen erfolgt. Bei geeigneter Optimierung der Geometrie steigt wärmeres Wasser in diesem Rohr weiter auf, während kühleres weiter unten in den Speicher eintritt. So können beispielsweise variable Temperaturen von Sonnenkollektoren optimal genutzt werden, und die Temperaturschichtung wird bei der Zufuhr erhalten oder sogar verbessert. Ebenfalls werden mit einem solchen inneren Aufbau Verluste durch mehrfache Rohranschlüsse außen vermieden.

Siehe auch: Warmwasserspeicher, Warmwasser, solare Warmwasserbereitung, Solarheizung, Solarspeicher, Pufferspeicher