Schichtarbeit zwischen Kessel und Heizkreis

Pufferspeicher sind die Energiemanager im Heizsystem. Die Auswahl und Bemessung des Pufferspeichers verdient deshalb die nötige Aufmerksamkeit. Neben dem Speichervolumen hat auch die Art der Be- und Entladung einen maßgeblichen Einfluss auf die Temperaturen und die insgesamt verfügbare Wärmemenge – anders ausgedrückt, zählen im Pufferspeicher PS mehr als Hubraum. Der Beitrag beleuchtet die Funktion des Pufferspeichers in Heiz- und Energiesystemen.

Das Zwischenspeichern von Wärme­energie ist die Hauptaufgabe eines Pufferspeichers. Das Prinzip, Wärme unmittelbar so zu verbrauchen wie sie erzeugt wird, hat mit dem Einsatz effizienter Heiztechnik und der Nutzung regenerativer Ener­gien zunehmend an Bedeutung verloren. Bei regenerativen Energiesystemen wie der Solarthermie kommt hinzu, dass Wärmeangebot und -bedarf zeitlich versetzt sind. Hochwertige Gebäudedämmungen führen außerdem zu immer kleineren Heizleis­tungen – allerdings sollte auch mit einem 8-kW-Wärmeerzeuger im Bedarfsfall kurzfristig eine große Energiemenge abrufbar sein. Inzwischen werden nur noch gas- und ölbefeuerte Heizsysteme ohne Pufferspeicher eingesetzt – sofern sie monovalent betrieben werden. Sobald aber zum Beispiel ein Gas- oder Öl-Brennwertheizgerät mit Solarthermie kombiniert wird, ist bereits der Pufferspeicher wieder mit im Spiel.
Zuviel Spiel hat innerhalb des Pufferbehälters indessen nachteilige Auswirkungen: Die wichtigste Voraussetzung für eine effiziente Nutzung der Energie ist, dass der Speicherinhalt für den jeweiligen Verbraucher die richtigen Temperaturen bereitstellt. Eine unerwünschte Durchmischung des Speicherinhalts hat zur Folge, dass über die gesamte Speicherhöhe eine Mischtemperatur herrscht, die weder zur Raumheizung noch zur Trinkwassererwärmung effektiv nutzbar ist. Ohne eine funktionierende Verwaltung der jeweiligen Temperaturen könnten Energiespeicher nur unzureichend ihre Aufgabe erfüllen. Oben heiß und unten kalt ist daher die Prämisse: Die Nutztemperatur in der oberen Pufferzone soll vor allem die zur Trinkwassererwärmung benötigte Wärme bereitstellen. Das Soll-Temperaturniveau in der unteren Pufferzone ist dagegen von der Art des Wärmeerzeugers abhängig: Während Brennwertheizgeräte und ­BHKWs tiefe Rücklauftemperaturen für einen effizienten Betrieb benötigen, droht Holzpellet- oder Scheitholzkesseln durch zu tiefe Rücklauftemperaturen auf lange Sicht der Kondensations-Tod.

Wärmeverluste minimieren, Laufzeiten maximieren
Mit der Zwischenspeicherung von Wärme sind zwangsläufig auch Wärmeverluste verbunden. Eine wirksame und lückenlose Dämmung zählt deshalb mit zu den wichtigsten Qualitätsmerkmalen für Pufferspeicher. Das Argument der Bereitschaftswärmeverluste ist zugunsten optimierter Nutzungsgrade in den Hintergrund getreten. So ist bei Wärmeerzeugern wie Scheitholz- und Pelletkesseln, Wärmepumpen und BHKWs das Ziel, das Takten von Brenner und Aggregat zu minimieren. Der Pufferspeicher hat also hier mit zur Aufgabe, für möglichst lange Laufzeiten zu sorgen. Beim Betrieb von Scheitholzkesseln und BHKW-Aggregaten kommt hinzu, dass die produzierte Wärme sicher abgeführt werden muss: Während der Holzvergaserkessel erst nach vollständigem Abbrand wieder „abschaltet“, ist bei BHKWs die möglichst kontinuierliche Stromproduktion der Grund für anzustrebende lange Laufzeiten. In bivalenten Anlagen mit jeweils einem Grundlast- und einem Spitzenlast-Wärmeerzeuger werden Pufferspeicher so dimensioniert, dass der Grundlast-Wärmeerzeuger mit möglichst kleiner Leis­tung gewählt werden kann und dafür eine hohe Betriebsstundenzahl erzielt. Ein Beispiel hierfür ist die bivalente Kombination eines Klein-BHKWs mit einem Spitzenlastkessel.

Sonderaufgaben bei Wärmepumpenanlagen
Eine weitere Aufgabe stellt sich an Pufferspeicher in Wärmepumpensystemen: Damit der Anlagenbetreiber einen güns­tigen Stromtarif nutzen kann, behält sich das EVU bei netzseitigen Verbrauchsspitzen Sperrzeiten für Wärmepumpen vor. Bis zu dreimal täglich kann das EVU für jeweils zwei Stunden die Wärmepumpe vom Netz abkoppeln. Diese Sperrzeiten müssen mit dem Puffervolumen überbrückt werden können. Aus Sicht der Energiewirtschaft ist die Zwischenspeicherung von Wärme auch für das Lastmanagement der Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien von Bedeutung. Der steigende Anteil regenerativen Stroms führt zu Lastschwankungen im Stromnetz. Die Stromversorger haben hierbei die Wärmepumpenanlagen im Visier, um überschüssigen Strom temporär in Form von Wärme zu speichern. Dadurch könnten nach den Vorstellungen des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) die mit Pufferspeichern kombinierten Wärmepumpen gezielt zur Lastregelung aus- und eingeschaltet werden, wenn die regenerative Stromerzeugung den Strombedarf über- bzw. unterschreitet¹). Der BWP sieht darin erweiterte Marktchancen für Wärmepumpensysteme durch diese zusätzliche Rolle innerhalb der Energiewirtschaft.

Wärmeströme entkoppeln
Strömungstechnisch betrachtet ist der Pufferspeicher auch eine hydraulische Weiche. Eine weitere Funktion des Pufferspeichers ist somit, die Volumenströme zwischen Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung hydraulisch zu entkoppeln. Der Unterschied zur reinen hydraulischen Weiche ist jedoch, dass Quer- und Zirkulationsströmungen dem Prinzip der Schichtung entgegenwirken und es diese somit zu unterbinden gilt. Ist zum Beispiel der Volumenstrom zwischen Wärmeerzeuger und Puffer größer als der Volumenstrom der Anlage, ist ein unnötig hoher Durchfluss durch den Puffer die Folge. Entscheidend ist deshalb, die Volumenströme so zu- und abzuführen, dass sie möglichst genau dem Temperaturniveau in der jeweiligen Pufferzone entsprechen.

Außen Hydraulik, innen Thermik
Am Markt sind die unterschiedlichsten Bauarten von Pufferspeichern verfügbar. Das Gebot von Schichtaufbau und Schichthaltung gilt sowohl für reine Puffer- als auch für Kombispeicher. Während einige Anbieter auf den völlig „leeren“ Speicher schwören, stecken andere einen teilweise erheblichen Aufwand in die Entwicklung von Einbauten wie Prall­scheiben, Schichtladerohren, Einströmsäulen oder Einrichtungen zur Temperaturtrennung. Konstruktive Maßnahmen zur kontrollierten Einströmung haben durchaus ihre Berechtigung, da grundsätzlich von einer Temperaturdifferenz zwischen einströmendem Heizungswasser und dem Pufferinhalt ausgegangen werden sollte. Zumindest müssen die einströmenden Volumenströme abgebremst werden, um thermische Umwälzungen zu verhindern. Bei Pufferspeichern ohne Einbauten lassen sich unerwünschte Durchmischungen nur vermeiden, wenn alle Anschlüsse oben (Beladung, Entladung für Heizkreise und Trinkwassererwärmung) und unten (Rücklauf) angeordnet sind. „Mit entscheidend ist, dass die Hydraulik beim Puffer am Speicheranschluss endet, damit im Inneren rein die Thermik arbeiten kann“, sagt Mag. Werner Neuhauser, Prokurist und Vertriebsleiter beim Hersteller Forstner Speichertechnik mit Sitz im österreichischen Vorarlberg.

Planungsansätze für die Auslegung des Pufferspeichers
Für die passende Dimensionierung des Pufferspeichers sind mehrere Kriterien zu berücksichtigen. „Zunächst ist grundsätzlich maßgebend, welcher Wärmeerzeuger den Puffer laden soll und ob die Wärmeverteilung über ein Hoch- oder Niedertemperatursystem erfolgt. Weitere Faktoren sind die Kesselvorlauftemperatur, die Spreizung und die benötigte Rücklauftemperatur zum Wärmeerzeuger“, erläutert Werner Neuhauser. Ein erheblicher Unterschied ist beispielsweise, ob das Gebäude mit Pelletkessel und Radiatoren oder mit Wärmepumpe und Fußbodenheizung beheizt wird. Der Pufferspeicher für die Wärmepumpe erfordert eine genaue Auslegung, da dieser mit maximal 55 °C eine ausreichende Leis­tung für die Trinkwassererwärmung bereitstellen muss.
Beim Speichervolumen sind mittlerweile nach oben kaum mehr Grenzen gesetzt. So werden für solarthermische Anlagen bei entsprechender Anlagengröße mitunter solare Deckungsgrade von 50 % und mehr angesetzt – mit dementsprechend großen Puffervolumina zwischen 10 000 und 20 000 l. Ein Beispiel ist der Solar-Pufferspeicher in einem in Oberschwaben erbauten Einfamilienhaus: Mit fünf Metern Höhe und 15 000 l Speicherinhalt wird die von 50 m² Kollektorfläche gelieferte Sonnenenergie bevorratet, um das Einfamilienhaus ganzjährig zu mindestens 50 % mit Solarwärme beheizen zu können.

Temperaturfühler richtig positionieren
Die wichtigsten rechnerischen Ansätze sind, welche Wärmemenge für welchen Zeitraum bereitzustellen ist und ob gegebenenfalls eine Spitzenlastabdeckung erforderlich ist. Wann der Wärmeerzeuger das regelungstechnische Signal für die Pufferbeladung erhält, wird schlicht über die entsprechende Positionierung der Temperaturfühler gesteuert.
„Die richtige Speicherlösung ist grundsätzlich anwendungsbezogen. Idealerweise übernimmt der Pufferspeicher auch gleich die Funktion als Verteiler“, sagt Werner Neuhauser. Bevor der rechnerische Weg bemüht wird, empfiehlt sich vorab die Eingrenzung einer Mindest- oder Maximalgröße anhand von Gegebenheiten und Vorgaben:

• Platzangebot: Eine großzügige Bemessung des Puffervolumens nutzt wenig, wenn es an der nötigen Raumhöhe oder Stellfläche fehlt.

• Fördermittel: Sollen für die künftige Nutzung Erneuerbarer Energien zum Beispiel Fördergelder aus dem BAFA-Marktanreizprogramm in Anspruch genommen werden, setzt die Gewährung des Zuschusses den Einbau eines Pufferspeichers mit einem definierten Mindestvolumen voraus. Die aktuelle Basis-, Bonus- und Innovationsförderung für Biomasse-Heizsysteme verlangt zum Beispiel bei einem Scheitholzvergaserkessel (5 - 100 kW), dass ein Pufferspeicher mit mindestens 55 l/kW installiert wird. Für einen Scheitholzkessel mit 20 kW Nennwärmeleistung muss das Puffervolumen somit mindestens 1100 Liter betragen, um die Basisförderung von derzeit 1400,- Euro in Anspruch nehmen zu können²).

Fazit: Der Pufferspeicher nimmt in modernen Heizsystemen eine bedeutende Rolle ein. Planung und Auswahl sollten sich daran orientieren, dass der Pufferspeicher die Aufgabe des Wärmemanagements übernehmen kann.

¹) BWP-Branchenstudie 2013, Szenarien und politische Handlungsempfehlungen – Daten zum Wärmepumpenmarkt bis 2012 und Prognosen bis 2030; Bundesverband Wärmepumpe e. V. (BWP)

²) Übersicht Basis-, Bonus- und Innovationsförderung MAG – Förderbereich Biomasse (V01/2014); Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA), Stand: ab 15.08.2012