Ausgeglichenes Wärmekonto

Über den Sinn von Wärmespeichern in Gebäuden herrscht nach wie vor Uneinigkeit unter SHK-Fachleuten. Trinkwarmwasserspeicher werden nicht infrage gestellt, doch über Pufferspeicher hört man oft, sie seien zu teuer, nähmen nur Platz weg und würden die Effizienz der Anlage insgesamt mindern, wobei meist ihre Bereitschaftsverluste, die Stand-by-Verluste, hervorgehoben werden. Die Befürworter halten dagegen: Pufferspeicher erhöhten sogar die Effizienz des Systems, da sie es erlaubten, Wärmeerzeugung und Verbrauch zeitlich voneinander zu entkoppeln. Das ermögliche es den Wärmeerzeugern, zumal Wärmepumpen, über viele Betriebsstunden im optimalen Leistungsbereich zu laufen, unabhängig von der aktuellen Wärmeanforderung im Gebäude.

Die Entwurfsfassung der VDI-Richtlinie 4657, Blatt 2, „Planung und Integration von Energiespeichern in Gebäudeenergiesysteme – Thermische Energiespeicher (TES)“, hebt in diesem Zusammenhang hervor: „Luft-Wasser-Wärmepumpen und geothermische Wärmepumpen benötigen stets einen Wärmespeicher, wenn keine modulierende Betriebsweise möglich ist, also wenn die Wärmepumpe bei Teillastanforderung taktet. Vor allem der zu erwartende Einsatz von Wärmepumpen im Gebäudebestand mit Heizkörpern als dominierendem Wärmeübergabesystem erfordert die Installation von Pufferspeichern, um Unterbrechungen der Heizwärmelieferung zu überbrücken, wenn Trinkwasser erwärmt wird. Darüber hinaus können etwaige vertragsgebundene Sperrdauern/Abschaltvereinbarungen einen Wärmespeicher erfordern.“ [1] Zwar gilt für seit Anfang 2024 neu installierte Wärmepumpen ab einer Leistung von 4,2 Kilowatt, dass die Versorger sie bei nachweislich drohender Netzüberlastung lediglich drosseln, nicht aber komplett abschalten dürfen. Dennoch kann ein Puffer sinnvoll sein.

Neubauten haben meist einen so guten Wärmeschutz, dass bereits die Bausubstanz selbst als Speichermasse zur Überbrückung fungieren kann. Verfügen sie zusätzlich über eine Fußbodenheizung, so speichern das in den Heizschlangen enthaltene Heizwasser, der Estrich und der übrige Fußbodenaufbau weit mehr Wärme als es ausschließlich aus Heizkörpern bestehende Übergabesysteme könnten. Eine Option, die in vielen Altbauten entfällt. Ist auf einem Bestandsgebäude eine Photovoltaikanlage installiert, erhöht ein Puffer die Eigenstromnutzung. Noch dazu verbessert er die Netzdienlichkeit eines Gebäudes beziehungsweise schafft sie überhaupt erst: Es kann auch Überschussstrom von außen aufnehmen, der aus momentanen Erzeugungsspitzen von Solar- und Windkraftanlagen resultiert, und derart dabei helfen, das Netz zu stabilisieren.

Vielfalt an Speichermedien

Die Wissenschaft unterscheidet drei Arten von Speichermedien und -methoden: sensible, latente und Reaktionsspeicher – wobei Überschneidungen möglich sind. Sensibel bedeutet, dass sich die Temperatur des Mediums im Zuge der Energieaufnahme erhöht. Das ist der Fall bei Wasser, aber ebenso bei Beton und anderen mineralischen Baustoffen. Be- und Entladung können stufenlos, flexibel und über eine große Temperaturspanne stattfinden.

Wasser ist in Form von Eis auch als latenter Wärmespeicher verwendbar. Latente Medien „verstecken“ die in ihnen gespeicherte Wärme, ihre Temperatur erhöht sich trotz Energieaufnahme nicht, erst beim Phasenwechsel, so etwa beim Wassereis oder auch bei Paraffin. Ihre höhere Energiedichte spart Platz. Bei Reaktionsspeichern handelt es sich um nahezu verlustfrei arbeitende Langzeitspeicher, die hohe industrietaugliche Temperaturen freisetzen können, wie etwa Silikagel oder Zeolith. In Gebäuden werden sie bislang kaum eingebaut.

Bild: Ökofen

Die gängigen Speichertypen

Das meistverwendete Speichermedium in der Gebäudetechnik bleibt daher Wasser. Wenn sich Forschung und Industrie auch einiges haben einfallen lassen müssen, um die Verluste von Wasserspeichern klein zu halten. Sie entstehen zum einen aufgrund der Wärmetransmission durch die Speicherwandungen, die die oben erwähnten Bereitschaftsverluste ausmachen, und liegen der Einteilung der Speicher in Energieeffizienzklassen zugrunde, von A+ über A bis C (seit 2017 dürfen Speicher der Klassen D und darunter nicht mehr verkauft werden).

Die Einteilung in Effizienzklassen betrifft sowohl Trinkwarmwasserspeicher wie Pufferspeicher. Erstere müssen korrosionsbeständig sein, da Trinkwasser sauerstoffhaltig ist. Sie bestehen deswegen aus Edelstahl oder sind innen emailliert. Die emaillierten benötigen zusätzlich eine Opferanode aus Magnesium als Korrosionsschutz. Zudem müssen Trinkwarmwasserspeicher in Gebäuden mindestens für Drücke von bis zu sechs bar ausgelegt sein. Einfache Versionen werden lediglich im unteren Bereich von einer Rohrwendel durchzogen, in der das Heizwasser aus dem Wärmeerzeuger kursiert und den kühlen Tankinhalt auf Wunschtemperatur bringt.

Eine komplexere Variante ist der Solar-Trinkwarmwasserspeicher, der im oberen Bereich von der Heizanlage und im unteren Bereich über einen weiteren Rohrwendel-Wärmeübertrager mit Wärme aus der thermischen Solaranlage aufgeladen wird. Da Trinkwasser immer Legionellen enthält, die sich bei Temperaturen zwischen 25 und 45 Grad vermehren können, muss in größeren Anlagen der Speicherinhalt regelmäßig hochgeheizt werden. Jedoch nicht auf knapp über 45 Grad, sondern höher, so dass am Speicherausgang mindestens 60 Grad erreicht werden.

Pufferspeicher enthalten anstatt des Trinkwassers das sauerstoffarme Betriebswasser des Heizsystems, die Korrosionsgefahr ist gering, als Material wird einfacher Stahl verwendet. Sie sind in Wohngebäuden gewöhnlich für Drücke von bis zu lediglich drei bar ausgelegt. Das Trinkwasser wird entweder erwärmt, indem es im oberen Bereich durch Wendelrohre geführt wird, oder außen mit einer Frischwasserstation, einem externen Plattenwärmeüberträger, immer jeweils nur auf Anforderung. Auf diese Weise wird Legionellenwachstum im Frischwasser verhindert.

Der Tank-im-Tank-Speicher, ein Puffer mit integriertem Trinkwasserspeicher, sei für den Betrieb mit Wärmepumpen ungeeignet, so der Experte Harald Fonfara, ehemals Vorsitzender des VDI-Gremiums für Wärmespeicher und einer der Autoren der Wärmespeicher-Richtlinie, im Gespräch mit dem GEB.

Schichtenspeicher

Qualitätsmerkmal von thermischen Speichern sei in erster Linie die Dynamik, so Fonfara, die Leistung beim Be- und Entladen. Um die zu ermöglichen, müsse man neben den Bereitschaftsverlusten auch die Verluste bei den Belade- und Entladevorgängen in den Griff bekommen. Sie entstünden vor allem durch eine gestörte Temperaturschichtung im Speicher. Diese Schichtung stellt sich zwar aus rein physikalischen Gründen ein. So können im Idealfall aus der oberen Zone stets hohe Anforderungen in kurzer Zeit bedient werden.

Allerdings komme es leicht zur Vermischung, nicht nur, wenn das Beladen oder Entladen mit zu starkem Volumenstrom erfolge, sondern auch dann, wenn der Speicher auf der falschen Höhe mit zu hohen Temperaturen angefahren werde. Der Trick bestehe nun darin, zum einen die Konvektionsströme jeweils passgenau einzulagern, zum Beispiel mittels mehrerer Aufströmrohre, zum anderen darin, unten einströmendes Wasser etwa durch Prallbleche nach oben ablenken, was Verwirbelungen verhindere. Nicht zuletzt fördere eine hohe und schlanke Bauform die Temperaturschichtung.

Planen mit dem Blick fürs Ganze

Aufgabe der Planenden ist es, den Speicher auf die Wärmeverbraucher wie die Wärmeerzeuger abzustimmen. Hierzu muss gemäß der VDI-Richtlinie das System als Ganzes in den Blick genommen werden, unter Berücksichtigung der zu überbrückenden Zeiträume, der minimalen und maximalen Massenströme und der Temperaturgrenzen bei Be- wie Entladung. Zur Ermittlung der Lastprofile auf der Verbraucherseite, also von Gebäuden, und Nutzer:innen, können Messdaten, Daten aus Simulationen oder Erfahrungswerte dienen, ebenso kann für Raumheizung und Warmwasserversorgung die VDI-Richtlinie 4655 zu Rate gezogen werden [2], gleichfalls die VDI 4645 [3]. Aus den ermittelten Daten sind Entladeleistung, Wärmeinhalt und Temperaturanforderungen abzuleiten [4].

Auf der Erzeugerseite müssen vorhandene oder geplante Wärme- und Energiequellen mit ihren zentralen Eigenschaften erfasst werden: Mindestlauf- und Stillstandszeiten, Anfahrzeiten, Grenzen der Vor- und der Rücklauftemperatur. Im Fall der Wärmepumpe sind eventuelle Zeiten der Drosselung beziehungsweise Sperrzeiten zu berücksichtigen, die Auslegungsleistung muss folglich höher angesetzt werden als zum Beispiel bei Gas- oder Ölkesseln. Ist die Wärmepumpe auch für die Trinkwassererwärmung mit ihren kurzzeitigen Spitzenlasten zuständig, schlägt das extra zu Buche.

Betreffs Integration des Speichers in das Gesamtsystem werden in der Fachliteratur grundsätzlich Parallel- und Reiheneinbindung unterschieden. Die parallele Einbindung begünstige große Dauerleistungen, die Reiheneinbindung dagegen hohe Spitzenentnahmen, sie ist daher besser geeignet für Systeme mit Brennwertkessel oder Fernwärmeanschluss [5].

Bild: Link3

Es darf etwas mehr sein

Bemessung und Auslegung des Speichers geschieht schrittweise, durch Berechnung der Gebäudeheizlast, Feststellung der Gebäudesystemtemperaturen gemäß Auslegungsfall (Verbraucherseite), der Vor- und Rücklauftemperatur (ΔT, Erzeugerseite). Es folgt die Festlegung der Zeitspanne, in der der Speicher den Betrieb der angeschlossenen Systeme sicherstellen soll, sowie anschließend seines erforderlichen Wärmeinhalts und seiner erforderlichen Leistung. Ergeben sich zwei verschiedene Werte für die Beladung durch den Erzeuger und die Entladung durch den Verbraucher, wird mit dem höheren weitergerechnet. Dann wird anhand der Speicherkennzahlen aus den Herstellerangaben – unter anderem thermische Speicherkapazität, Nennvolumen – ein Speicher ausgewählt.

Wichtig ist es zu beachten, dass aufgrund der auftretenden Verluste der Speicher üblicherweise größer ausfallen muss, als aus den bisher genannten Anforderungen für den Auslegungsfall errechnet. Das resultierende theoretische Volumen V_th muss daher noch durch den Abminderungsfaktor f_A dividiert werden, der Beeinträchtigungen der Speicher-Performance widerspiegelt, zum Beispiel durch Einbauten, Toträume, mangelnde Dämmgüte, ungünstige Positionierung der Temperaturfühler). Liegen vom Hersteller keine Angaben vor, empfiehlt die Richtlinie, einen Wert von 0,6 zugrunde zu legen. Das tatsächlich erforderliche Speichervolumen V_tat ergibt sich dann aus dem theoretisch notwendigen Volumen V_th, dividiert durch den Abminderungsfaktor f_A [6].

Wasser – weiter das wichtigste Medium

Das Blatt 2 der VDI-Richtlinie 4657 existiert derzeit nur als Gründruck, Planende sollten es aber bereits im Hinterkopf haben. Auch vor dem Hintergrund, dass die Bedeutung gerade von Pufferspeichern für die Wärmewende in Bestandsgebäuden zunehmen wird. Als Speichermedium wird jedoch weiterhin schlichtes Wasser die Hauptrolle spielen, auch wenn intensiv an latenten Speichern wie an Reaktionsspeichern gearbeitet und geforscht wird.

Quellen und Literatur

[1] VDI 4657, Blatt 2: Planung und Integration von Energiespeichern in Gebäudeenergiesysteme – Thermische Energiespeicher (TES), Entwurf, S. 15, https://t1p.de/GEB250370

[2] VDI-Richtlinie 4655: Referenzlastprofile von Wohngebäuden für Strom, Heizung und Trinkwarmwasser sowie Referenzerzeugungsprofile für Fotovoltaikanlagen, https://t1p.de/GEB250371

[3] VDI 4645: Anlagen mit elektrisch betriebenen Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern – Planung, Errichtung, Betrieb https://t1p.de/GEB250373

[4) VDI 4657, Blatt 2, Entwurf, S. 13

[5] Goeke, Johannes, Thermische Energiespeicher in der Gebäudetechnik – Sensible Speicher, Latente Speicher, Systemintegration, 2021, S. 130

[6] VDI 4657, Blatt 2, Entwurf, S. 21