Konsequente Schichtung erhöht den Solarertrag

Eine gute Temperaturschichtung im Solarwärmespeicher lässt sich auf unterschiedlichen Wegen erreichen. Entsprechend ist die ­Vielfalt an Schichtenspeichern im Markt, zumal eine strikte Definition für Schichtenspeicher fehlt.

Als „Chrisu“ in einem Internet-Heizungsforum wissen wollte, welcher der drei von ihm ausgewählten Schichtenspeicher der beste sei, bekam er von einem Teilnehmer mit dem Kürzel „h.j.k.“ folgenden Rat: „Kaufe dir eine leere Blechdose ohne Dämmung und dämme sie selbst und vor allem gut. Jeder Speicher schichtet, denn das erzwingt die Physik!“ Leicht vorstellbar, dass sich daraufhin eine hitzige Diskussion über den Sinn und Zweck von Schichtenspeichern entfachte.
Selbst wenn es immer wieder skeptische Stimmen zu Schichtenspeichern (auch Schichtspeicher genannt) gibt: In der Heizungsbranche haben sie sich längst etabliert. Bezüglich der Vorteile ist man sich einig. Doch was einen Schichtenspeicher ausmacht, darüber gibt es noch sehr unterschiedliche Vorstellungen.
Schichtenspeicher gibt es quer durch die gängigen Produktgruppen. Sowohl Trinkwasser-, Puffer- als auch Kombispeicher können Schichtenspeicher sein, ebenso wie mono- und multivalente Wärmespeicher, also solche, die nur für einen oder mehrere Heizenergiequellen konstruiert sind. Der Unterschied zwischen einem Standardspeicher und einem Schichtenspeicher ist, dass Letzterer bauliche Besonderheiten hat – um an dieser Stelle noch nicht von speziellen Vorrichtungen zu sprechen –, mit denen die Temperaturschichtung optimiert werden soll.

Temperaturschichtung für höhere Effizienz
Ganz Unrecht hat der Forumsteilnehmer „h.j.k.“ allerdings nicht. Eine natürliche Schichtung entsteht allein schon aus physikalischen Gründen. Der Grund dafür ist die unterschiedliche Dichte von kaltem und warmem Wasser. Warmes Wasser ist leichter und sucht sich einen Platz oben im Speicher. Das schwerere, kalte Wasser hingegen sinkt zu Boden. Förderlich für diese natürliche Schichtung ist eine hohe und schmale Bauart des Speichers. Deshalb sind Schichtenspeicher in der Regel schlank und zylindrisch gebaut.
Durch einströmendes Wasser kann die Schichtung jedoch zerstört werden: Das Speicherwasser wird verwirbelt. So können die Temperaturzonen zum Beispiel durcheinander gebracht werden, wenn heißes Wasser von der Solarwärmeanlage in eine kältere Schicht eingeleitet wird. Das Schichtungsverhalten des Wassers kann durch konstruktive Maßnahmen allerdings verbessert werden.

Keine einheitliche Definition
Nun gibt es recht unterschiedliche Vorstellungen von guter Schichtung und den Möglichkeiten, diese zu erreichen. Im Solaranlagen-Portal beispielsweise wird zwischen aktiver und passiver Temperaturschichtung im Solarwärmespeicher unterschieden. Passive Schichtung lässt sich demnach zum Beispiel über spezielle Aufströhmrohre im Speicher erzielen. Aktive Schichtung hingegen wird über verschieden hohe Einspeisepunkte (Wärmeübertrager) erreicht. Das erwärmte Wasser wird so am richtigen Punkt eingespeist und die Vermischung von kaltem und warmem Wasser vermieden. Dadurch sinkt die Durchschnittstemperatur nicht, und Wasser kann mit der gewünschten Temperatur in der entsprechenden Zone entnommen werden.
In anderen Quellen sind spezielle Einbauten wie Leiteinrichtungen oder Ventilklappen das Kriterium, mit denen Schichtenspeicher eindeutig von Standardspeichern unterschieden werden können.
Fragt man Hersteller nach ihrer Definition, so steht die Temperaturschichtung im Mittelpunkt. Wolfgang Rogatty beispielsweise, Technischer Redakteur bei der Viessmann-Gruppe, gibt folgende Definition: „Speicher, der eine gezielte Einschichtung von erwärmtem Wasser ermöglicht, ohne dass eine Vermischung mit wärmerem oder kälterem Wasser im Speicher erfolgt.“ Bei Christian Sieg, Leiter Produkt- und Dienstleistungsmanagement bei Vaillant Deutschland, klingt es ähnlich: „Ein Speicher, der eine gezielte Einspeisung von erwärmtem Wasser in definierte Zonen ermöglicht.“

Viele Wege führen zum Ziel
Bei einem Schichtenspeicher soll das gesamte Speichervolumen gleichmäßig genutzt werden können, ohne dass die einzelnen Temperaturschichten unnötig vermischt werden. „Dadurch erhöht sich der Nutzungsgrad der zur Verfügung stehenden Speichermasse, sowohl zum Be- als auch zum Entladen“, erklärt Wolfgang Rogatty von Viessmann. Die Folge ist ein niedrigerer Nachheizbedarf und eine höhere Speichereffizienz. Erreicht wird dies auf unterschiedlichen Wegen.
Ob Leitbleche, Leitrohre, ein zweiter Wärmeübertrager im oberen Bereich oder andere konstruktive Maßnahmen: Die Bauarten für ein und dasselbe Produkt – einen Schichtenspeicher – sind recht verschieden. Das Ziel ist jedoch immer das Gleiche: Das warme Wasser soll mit möglichst wenig Nachheizbedarf in der gewünschten Temperatur zur Verfügung stehen.
Zur Auswahl stehen diverse Varianten von Schichtenspeichern, wobei hier nur die Produkte genannt werden, die von den Herstellern als Schichtenspeicher mit möglicher Solareinbindung genannt wurden.

Viessmann
Viessmann bietet den Heizwasser-Pufferspeicher „Vitocell 160-E“ mit Schichtladeeinrichtung für die Kombination mit heizungsunterstützenden Solarsystemen, Wärmepumpen und Feststoffbrennstoffen an. Für die Trinkwassererwärmung kann am Speicher ein Frischwassermodul angebracht werden.
Weiterhin hat Viessmann den multivalenten Kombispeicher „Vitocell 360-M“ im Programm, der ebenfalls mit einer Solarwärmeanlage und anderen Wärmeerzeugern kombiniert werden kann. Hier ist ein Edelstahl-Wellrohr für das Trinkwasser integriert.
Die Schichtenspeicher werden hauptsächlich für die Einbindung von Solarwärmeanlagen eingesetzt. Die Solarwärme wird über einen im unteren Speicherbereich integrierten Wärmeübertrager an das Heizungswasser abgegeben. „Eine Schichtladeeinrichtung sorgt für die schnelle solare Wärmenutzung aus dem oberen Speicherbereich“, so Rogatty. Sie besteht aus Schichtladetöpfen und Ladelanzen.

Vaillant
Bei Vaillant beinhaltet das Portfolio Trinkwasser-Schichtenspeicher für Öl- und Gasbrennwertgeräte, Schichtladetechnik für Gas-Kompaktgeräte sowie den Multifunktions-Pufferspeicher „allSTOR“ mit Prallblechen und Leitwerken „für optimale Schichtung und minimale Mischung von Wasser unterschiedlicher Temperaturen“. Bei dem Pufferspeicher kommt eine Trinkwasserstation zum Einsatz.
Christian Sieg, Leiter Produkt- und Dienstleistungsmanagement bei Vaillant Deutschland, unterscheidet Trinkwasser- und Pufferspeicher. Bei Ersterem strömt nach der Entnahme kaltes Wasser im unteren Bereich nach. Die Erwärmung findet im Durchlaufprinzip mit Wärmeübertrager statt. Beim Pufferspeicher wird das erwärmte Wasser mithilfe von Leit- und Prallblechen in die jeweilig genutzte Zone eingespeist, um Vermischungen zu minimieren. Wird der Pufferspeicher „allSTOR“ mit einer Solarwärmeanlage kombiniert, werden eine Solarstation mit Wärmeübertrager und zwei Umwälzpumpen eingesetzt.

Buderus
Buderus hat den Pufferspeicher „Logalux PNRZ“ mit spezieller Schichtenladeeinrichtung im Programm. Für die Trinkwassererwärmung im Durchflussprinzip sorgt eine Frischwasserstation.
Der Pufferspeicher „PNRZ“ verfügt über zwei Trennbleche, mit denen der Speicher in drei Temperaturzonen aufgeteilt wird, weiterhin über Einspeiselanzen und eine temperatursensible Rücklaufeinspeisung „für eine verbesserte Speicherschichtung“. Hier bleibt die Temperaturschichtung auch bei großen Volumenströmen und wechselnden Rücklauftemperaturen erhalten. Durch die Einspeiselanzen wird nur der benötig­te Bereich aufgeheizt. So ist im oberen Speicherbereich länger ein hohes Temperaturniveau verfügbar.

Rotex
Rotex bietet den Warmwasserspeicher „Sanicube Solaris“ zur Kombination mit einem Solarwärmesystem an. Ihn gibt es in zwei Varianten. In der „P“-Version ist der erforderliche Solar-Wärmeübertrager für den Anschluss eines Drucksolarsystems integriert.
Bei der drucklosen Drain-Back-Einschichtung (Version „DB“) wird kein Wärmeübertrager benötigt, da das Speicherwasser direkt in die Solarkollektoren befördert, dort erwärmt und wieder in den Speicher eingeschichtet wird.
Die Wärmespeicher sind eine Kombination aus Warmwasserspeicher und Durchlauf-Wassererwärmer. Das zu erwärmende Trinkwasser wird durch einen separaten Wärmeübertrager aus Edelstahl geführt und erwärmt. Nach dem First-in-First-out-Prinzip wird Wasser, das als erstes eingespeist wird, auch als erstes wieder entnommen. „Durch die Gestaltung und Anordnung der be- und entladenden Wärmeübertrager wird eine optimale Temperaturschichtung erreicht“, erläutert Matthias Elsasser, Produktmanager bei Rotex Heating Systems. Zudem setzt das Unternehmen bei Einbindung eines drucklosen Solarsystems auf eine Einschichtvorrichtung.

Forstner
Der österreichische Hersteller Forstner Speichertechnik bietet den „Forstner Hygiene-Systemspeicher“ für die Solareinbindung an. Die Schichtentechnik besteht aus Schichtrohren und Schichtungseinbauten. „Mit den thermo-hydraulischen Schichtweichen wird die Pumpendynamik soweit beruhigt, dass sich Temperaturzonen aufbauen und im Speicher keine ener­gieverschwenderische Einheitstemperatur besteht“, heißt es zur Erläuterung. Folgende Temperaturzonen werden im „Hygiene-Systemspeicher“ getrennt: eine warme Brauchwasserzone ganz oben, eine Heizungszone für Radiatoren in der Mitte und gegebenenfalls eine Solarzone für die Fußbodenheizung im untersten, kühlsten Bereich.

Roth
Die Roth-Werke haben den „Solar-Kombischichtenspeicher 1000“ mit einem Durchmesser von 1030 mm mit Isolierung im Programm. Die Trinkwassererwärmung erfolgt über ein Edelstahlwellrohr im Durchlaufprinzip.
Der „Solar-Kombischichtenspeicher 1000“ hat zwei Solar-Wärmeübertrager, einen im oberen Bereich für die Warmwasserzone und einen im unteren Bereich für die Heizungszone. Über die gesamte Höhe des Speichers sind Schichtladerohre eingebaut.

Temperaturschichtung hat ihren Preis
Eine höhere Effizienz lassen die Hersteller sich bezahlen: Schichtenspeicher kosten mehr als vergleichbare Standardspeicher. „Ein Speicher mit Schichtladeeinrichtung erfordert höhere Investitionskosten“, bestätigt Wolfgang Rogatty von Viessmann. Als Alternative stehen aber zwei Speicher ohne Schichtladeeinrichtung zur Wahl („Vitocell 140-E“ und „Vitocell 340-E“). Ingo Rieger, Gruppenleiter Solartechnik, Speicher und Photovoltaik bei Buderus Deutschland, argumentiert: „Gerade bei anspruchsvolleren Systemen, zum Beispiel mit Solartechnik oder Wärmepumpen, gibt es selten eine gleichwertige und günstigere Alternative.“ Matthias Elsässer von Rotex erklärt den Preisunterschied beim „Sanicube Solaris“ mit der Anzahl der eingebauten Wärmeübertrager.
Die speziellen Einbauten können gegenüber Anlagen ohne Schichtladeeinrichtung zu anderen Verhältnissen im Kollektorkreis führen, wie Rogatty ausführt: „Die mittleren Kollektortemperaturen können beim Einsatz von Schichtenspeichern mit Schichtladetopf etwas höher sein als bei Speichern anderer Bauart. Dafür stehen jedoch schneller hohe Temperaturen im Speicher zur Verfügung, sodass sich eine höherer Nutzen ergibt.“ Und auch Rieger von Buderus räumt ein: „Es mag System-Beispiele geben, wo dies zutrifft, zum Beispiel bei einer veralteten Heizwertkesselanlage. Aber je stärker ein Systemwirkungsgrad abhängig von Temperaturen ist, zum Beispiel bei Brennwerttechnik, Solaranlagen oder Wärmepumpen, desto größer wird der Einfluss einer guten Schichtung in den Speichern.“
Auf die gelegentliche Kritik, dass eine gute Schichtung auch durch richtige Beladung eines Speichers und ohne spezielle Technik möglich sei, betonen die Hersteller die Vorzüge von Schichtenladetechnik. So zum Beispiel Rogatty: „Eine spezielle Ladetechnik hilft erheblich bei der gezielten Einschichtung der Wärme in den Speicher.“ Das Schichtverhalten konventioneller Speicher sei auf jeden Fall auch von der Planung und dem Betrieb der Anlage abhängig. Speicher mit wirksamer Schichtladeeinrichtung böten dagegen in der Regel ein deutlich besseres Volumen/Nutzen-Verhältnis. Allerdings seien sie auch nicht immer bzw. nicht in jeder Anlage notwendig.

Wo Schichtladetechnik nicht nötig ist
Günstige Voraussetzungen für die Schichtladung auf Seiten der Wärmeabnahme bieten laut Viessmann Systeme mit einer hohen Temperaturspreizung, wie es bei der solarthermischen Trinkwassererwärmung der Fall ist. „Allerdings kommt der potenzielle Vorteil der Schichtladung – das Einsparen von Nachheizenergie – bei Anlagen mit einer hohen solaren Deckung von über 50 % vor allem dann zum Tragen, wenn ein vormittäglicher Nutzwärmebedarf auch im Sommerhalbjahr gegeben ist“, erklärt Rogatty. Bei Zapfprofilen mit morgendlichen und abendlichen Verbrauchsspitzen hat die Solaranlage in den Sommermonaten tagsüber genügend Zeit, um den Speicher auch ohne Schichtladung ausreichend zu erwärmen. Eine Schichtladung bei diesem Zapfprofil ist also vor allem in der Übergangszeit – Herbst und Frühjahr – vorteilhaft. In beiden Fällen ist eine Schichtladung nur dann von Vorteil, wenn die Nachheizung dem Bedarf entsprechend genau geregelt wird.
Große Solaranlagen zur Trinkwassererwärmung, die auf hohe Erträge und damit geringere solare Deckung ausgelegt werden, erreichen kaum Nutztemperatur-Niveau. Die dabei eingesetzten großen Speicher werden zwar in der Regel mit einem externen Wärmeübertrager ausgestattet. Da der Betrieb der Anlage jedoch nicht auf die Warmwassertemperatur als Zieltemperatur geregelt wird, ist eine Schichtladung hier nicht sinnvoll. Bei Solaranlagen mit Raumheizungsunterstützung sind insbesondere Heizkreise, die mit großer Spreizung gefahren werden (Radiatoren), für eine Schichtladung geeignet.

Schlussbemerkung
Ein Installateur sollte also mit seinem Kunden genau abwägen, ob die Anschaffung eines Schichtenspeichers sinnvoll ist und die höheren Investitionen gerechtfertigt sind. Falls es ein Schichtenspeicher sein soll, steht eine Bandbreite an Produkten mit unterschiedlichsten Schichtladetechniken zur Verfügung.

Autorin: Ina Röpcke, freie Journalistin