Im Neubau ist die Wärmepumpe längst Nummer eins, im Bestand hat sie noch zu kämpfen. Einer der Gründe sind die hohen Investitionen, sie lassen die Gebäudeeigentümer:innen häufig noch vor der Entscheidung zurückschrecken. Da sind dann Tipps und Ratschläge willkommen, wie man die Kosten senken kann, und einer dieser Tipps lautet, auf den Pufferspeicher zu verzichten. Der würde die Performance des Systems sogar eher verschlechtern. Nun stimmt es zwar, dass ein Heizungspufferspeicher mitsamt Montage seinen Preis hat, doch man bekommt auch etwas dafür.
Wärmepumpen haben bei allen Vorteilen gegenüber den fossilen Heizungen, die sie ersetzen sollen, ein paar Eigenheiten, die Planende und ebenso Energieberatende den Modernisierungswilligen bewusst machen sollten, Eigenheiten, die für die Ergänzung mit einem Pufferspeicher sprechen. Die am häufigsten gewählte Variante, die Luft/Wasser-Wärmepumpe, entzieht der Außenluft die Wärme über einen Verdampfer, der bei Minusgraden einfrieren kann. Die Energie zum Abtauen muss aus dem System kommen, wozu einige Modelle ohnehin über einen kleinen Pufferspeicher verfügen, falls die Wärme aus der Kältekreisumkehrung nicht genügt. Bei extremen Minustemperaturen muss dann eventuell sogar der Heizstab zum Einsatz kommen.
Außerdem benötigen Wärmepumpen einen höheren Mindestvolumenstrom als konventionelle Heizanlagen. Für einen effizienten Betrieb und eine effiziente Wärmeübergabe (und damit sie nicht heiß laufen), braucht es einen höheren Mindest-Heizwasserdurchsatz. Wird der nicht erreicht, beginnen sie, sich aus- und wieder anzuschalten, sprich: zu takten. Bei jedem Start aber muss der Verdichter den Druck hochfahren, was erstens stromintensiv ist und zweitens den Verschleiß befördert.
Des Weiteren sind Anlagen, die ab Anfang 2024 installiert wurden, und deren Anschlussleistung (nicht Nennleistung) 4,2 Kilowatt überschreitet, steuerbar und können vom Netzbetreiber gedrosselt werden, sollte der eine drohende Überlastung des Netzes feststellen. Zwar werden sie nicht abgeschaltet – Sperrzeiten gibt es nicht mehr –, doch erzeugen sie in diesen Zeiträumen weniger Wärme.
Ein Pufferspeicher kann diese Probleme lösen. Er sichert eine durchgängige Wärmeversorgung, garantiert auf den Mindestvolumenstrom, sorgt so dafür, dass die Betriebszeiten wie die Standzeiten länger ausfallen, das Takten sich in Grenzen hält, was die Lebensdauer der Anlage verlängert. Kann Wärme auf Vorrat erzeugt werden, für die Raumheizung wie für die Warmwasserbereitung. So kann auf diese Art beispielsweise der kostenlose und CO2-freie PV-Strom vom Dach, der gerade weder im Hausnetz noch im E-Auto gebraucht wird und in der Batterie nicht untergebracht werden kann, dennoch die Bilanz verbessern.
Einbindung von Solarthermie und Holzheizung
Spezielle, sogenannte multivalente Speicher sind darüber hinaus in der Lage, die Wärme weiterer Heizquellen einzulagern, auch auf unterschiedlichen Niveaus, was besonders praktisch ist, wenn mit diesen Quellen nur in begrenztem Umfang zu planen ist, wie etwa mit Sonnenwärme aus Solarkollektoren. Oder, wenn sie ihre Wärme nicht modulierend, sondern nur in Schüben und in hohen Dosen abgeben, wie beispielsweise Stückholzkessel oder Stückholz-Kaminöfen mit Wassertasche. Das alles spricht aus der Sicht von nicht wenigen SHK-Fachleuten für den Pufferspeicher – trotz der zusätzlichen Kosten und trotz des zusätzlichen Platzbedarfs, der in so manchen Kellern die Installation zur Herausforderung macht.
Zwar kann auch das Gebäude als solches als Wärmespeicher dienen – zumal, wenn es genug Materialien hoher Rohdichte enthält, wie Beton oder massives Mauerwerk aus zum Beispiel Kalksandstein, doch ist diese Art der Speicherung sehr träge. Im Winter, wenn sie durchaus erwünscht ist, funktioniert sie allerding nur, wenn das Gebäude über einen guten Wärmeschutz verfügt, etwa in Form einer ausreichenden Außendämmung. Im Sommer dagegen ist eine aufgeladene Bausubstanz alles andere als wünschenswert.
Bauarten von Pufferspeichern
Einer der Faktoren, der die Montage von Heizungspuffer- wie auch von Trinkwarmwasserspeichern im Wortsinne erschweren kann, ist ihr Gewicht. Trinkwarmwasserspeicher bestehen in der Regel aus Edelstahl oder aus innen emailliertem Stahl. Sie müssen korrosionssicher sein. Die emaillierten Modelle verfügen zu diesem Zweck über eine Opferanode aus Magnesium, die jedoch zirka alle zwei Jahren ausgetauscht werden muss.
Pufferspeicher enthalten hingegen lediglich das sauerstoffarme Heizwasser. Für sie kann deshalb einfacher Stahl verwendet werden. Einzelne Hersteller bieten Speicher aus mehreren Komponenten an, die problemlos durch die Kellertüren bewegt und dann an Ort und Stelle zusammengesetzt werden können – und manche spezialisierten Betriebe schweißen größere Exemplare auch erst dort zusammen.
Ist ein Warmwasserspeicher nicht in der Heizeinheit enthalten, kann das Trinkwasser auf hygienische Weise mit in einer Frischwasserstation am Heizungspuffer erzeugt werden. Im enthaltenen Plattenwärmetauscher wird die Wärme des Speicherwassers nach dem Prinzip des Durchlauferhitzers auf das kalte Trinkwasser übertragen. Die im Trinkwarmwasserspeicher erforderliche regelmäßige Erhitzung auf 60 Grad, um Legionellenwachstum zu verhindern, kann entfallen.
Damit aber die Warmwasserbereitung auf Abruf erfolgen kann, müssen im oberen Bereich des Pufferspeichers hohe Temperaturen gehalten werden können. Um das zu gewährleisten, darf die Schichtung nach Möglichkeit nicht zerstört werden. In Solar-Schichtenspeichern zum Beispiel verhindern Prallbleche, dass einströmendes Kaltwasser zu Verwirbelungen führt, während das von den jeweiligen Wärmequellen auf eine bestimmte Temperatur gebrachte Wasser über Aufströmrohre in die entsprechende Schicht geleitet wird.
Speicher dieser Bauart können daher die Wärme unterschiedlicher Erzeuger auf den unterschiedlichen Niveaus einlagern. Konstruktionsweise und Dämmung des Speichers bestimmen wesentlich seine Effizienz und damit die Energieeffizienzklasse, in die er eingeordnet wird. Vier solcher Klassen gibt es: A+, A, B und C.
Näher an der Realität
Plant man die Erneuerung oder Anpassung einer Heizungsanlage, gilt es zuerst, den Heizwärmebedarf des Gebäudes festzustellen. An der hierfür vorgesehen DIN 12831 gibt es allerdings schon seit Längerem Kritik, sie führe zu überhöhten Bedarfswerten und deswegen in Konsequenz zur Überdimensionierung von Wärmepumpen [1], mit denen ja schließlich die Wärmewende Fahrt aufnehmen soll. Als Alternative wird daher die Berechnung aus den Jahresverbrauchsdaten empfohlen [2].
Weiß man, wie hoch tatsächlich der Heizbedarf ist und welche Leistung der beziehungsweise die Wärmeerzeuger bereitstellen müssen, legt man das System nach der VDI 4645:2023-04 „Heizungsanlagen mit Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb“ aus. Speziell die Auswahl, die Planung und Dimensionierung des thermischen Speichers und seiner Einbindung ins System erfolgt auf Grundlage der VDI 4657 Blatt 2 E „Planung und Integration von Energiespeichern in Gebäudeenergiesysteme - Thermische Energiespeicher (TES)“, die derzeit in ihrer Entwurfsfassung zugänglich ist.
Die Flächenheizung als Wärmespeicher
Im Neubau kann man tatsächlich ohne weiteres auf einen Pufferspeicher verzichten – vorausgesetzt, das Gebäude verfügt über eine Fußbodenheizung oder eine sonstige Flächenheizung und die Wärmepumpe selber über einen kleinen Pufferspeicher. Diese integrierten Kleinspeicher haben je nach Aggregat ein Fassungsvermögen von 25 bis 40 Litern, was für den Abtauvorgang bei Frost ausreicht. Der erwartbar bessere Wärmeschutz jetzt neu errichteter Gebäude erlaubt bis zu einem gewissen Grad in der kalten Jahreszeit Wärmespeicherung in Wänden und Decken. In erster Linie allerdings fungieren die Heizschlangen der Flächenheizung mit ihrem Inhalt sowie der Fußbodenaufbau samt Estrich als Speicher.
Anpassung des Wärmeübergabesystems
Im Bestand sieht es anders aus. Dort hat man es meist mit einem schlechteren oder gar fehlenden Wärmeschutz und daher mit schneller Auskühlung zu tun. Das Wärmeverteil- und Übergabesystem besteht gewöhnlich aus Heizkörpern. Heizkörper älteren Typs, die die Öl- oder Gasheizung mit hohen Temperaturen angesteuert hat, müssen unter Umständen gegen neue Niedertemperatur-Heizkörper ausgetauscht werden. Manchmal wollen die Gebäudeeigentümer:innen, die die Heizung austauschen lassen, den bestehenden Pufferspeicher weiter nutzen. Fachleute raten meist ab: Da in den alten Exemplaren die Wärmeübergabe durch Heizwasser mit hohen Vorlauftemperaturen von 70 Grad und darüber erfolgt, sind die Wärmeübertragungsflächen entsprechend kleiner, sodass eine hygienisch einwandfreie Trinkwassererwärmung nicht gewährleistet werden kann.
Paralleleinbindung oder Reiheneinbindung?
Nun stellt sich aber die Frage, wie beziehungsweise an welcher Stelle der neue Pufferspeicher sich in das System einfügen soll. In der Fachwelt wird dabei grob zwischen Parallel- und Reiheneinbindung beziehungsweise -schaltung unterschieden. Im Fall der einfachen Reihenschaltung ist der Puffer in den Rücklauf integriert, das heißt er befindet sich hinter dem Heizkreis (Abb. 4). Der Rücklauf strömt durch ihn hindurch und weiter zurück zur Wärmepumpe.
Damit diese nicht abrupt ohne Volumenstrom ist, sobald der Heizkreis keine Wärme mehr anfordert, legt man eine Umleitung um den Heizkreis herum an. Die wird durchströmt, sobald sich das im Bypass eingesetzte Überstromventil öffnet, was ab einem bestimmten, voreingestellten Druck passiert. Macht also der Heizkreis „dicht“, fließt das Heizwasser an ihm vorbei und weiter durch den Puffer bis zur Wärmepumpe. Sie bekommt ihren Volumenstrom. Die Reihenschaltung hat den Vorteil, dass der Heizkreis direkt den Vorlauf aus der Wärmepumpe erhält. Der Nachteil: Funktioniert das Überstromventil nicht richtig, kann es Probleme geben.
Demgegenüber ist der parallel eingebundene Puffer, die Parallelschaltung, die robustere Variante. Hierbei wird der Puffer sowohl vom Vorlauf der Wärmepumpe angesteuert und durchströmt, wie auch vom Rücklauf, vom Heizkreis aus (Abb. 5). Der Nachteil ist offensichtlich: Im Speicher kann sich der warme Vorlauf aus der Wärmepumpe mit dem kühleren Rücklauf vermischen. Der Vorlauf kühlt ab, die Wärmepumpe muss daher gleich etwas höhere Temperaturen erzeugen, um den Heizkreis nach Anforderung bedienen zu können, was zu den bemängelten Effizienzeinbußen führt.
Der parallel eingebundene Puffer ist also auch zugleich eine sogenannte hydraulische Weiche, er entkoppelt den Wärmeerzeuger und den Heizkreis. Das ist ein Vorteil, wenn das Heizsystem nicht nur über eine Heizquelle verfügt, sondern über mehrere Wärmeerzeuger. Die so entstehende Unruhe kann sich nicht auf den Heizkreis übertragen, die verschiedenen Wärmeströme aus den verschiedenen Erzeugern werden im Puffer „einsortiert“, beruhigt, Warmwasserbereitung und Heizung werden nach Bedarf bedient.
Effizient – in der richtigen Größe
Bezüglich der Dimensionierung des Puffers werden üblicherweise die in der VDI 4645 aufgeführten 20 Liter pro Kilowatt Heizleistung genannt, in der Praxis rechnen Planende mit 15 bis 30 Litern – je nachdem, ob zum Beispiel noch weitere Quellen zum System gehören. Generell gilt, dass ein überdimensionierter Speicher zu hohen Wärmeverlusten führt und ein zu kleiner Speicher nicht das tun kann, wozu er eigentlich installiert ist: klimafreundlich erzeugte Wärme einlagern und längere Laufzeiten ermöglichen.
Seine Stärken kann ein Pufferspeicher vor allem im Bestand ausspielen – und zwar am ehesten dort, wo nicht nur eine Wärmepumpe, sondern eine bunte Truppe an Wärmerzeugern zusammenwirken soll, um eine klimafreundliche Wärmeversorgung zu sichern. Er integriert die unterschiedlichen Quellen, gleicht Versorgungslücken aus und kann einen gleichmäßigen Wärmekomfort gewährleisten. Wenn es also demnächst wieder irgendwo heißt, ein Pufferspeicher sei ein Effizienzvernichter, kann man ruhig dagegenhalten: Es kommt darauf an, was du aus ihm machst.