Prinzip und Nutzen einer Pufferspeicherheizung
Ein Pufferspeicher für eine Heizung hilft in Zeiten steigender Rohstoffpreise die Kosten für Heizung und Warmwasser im eigenen Haus zu senken, sowie den Schadstoff- und CO2 Ausstoss zu minimieren. Somit ist eine Pufferspeicherheizung nicht nur umweltschonend, sondern sie hilft jedem Hausbesitzer, bares Geld beim Heizen sowie der Erzeugung von Warmwasser zu sparen. Prinzipiell ist sie dabei nichts anderes als eine konventionelle Heizung, welche mit einem so genannten Pufferspeicher versehen wird,der den Wirkungsgrad der eigentlichen Heizung weit erhöhen kann.
Hierfür werden sehr einfache physikalische Prinzipien genutzt, um die von einem Heizungssystem erzeugte Wärme zu speichern, und über einen längeren Zeitraum abgeben zu können. Ein derartiger Pufferspeicher lässt sich aber nicht bei jedem Heizungstyp sinnvoll einsetzen. Betreibt man eine normale Öl- oder Gasheizung, so kommt in den meisten Fällen kein Pufferspeicher zum Einsatz. Öl- oder Gasheizungen springen immer dann an, wenn Wärme für Warmwasser oder die Heizung tatsächlich gebraucht wird, und erzielen dabei direkt einen sehr guten Wirkungsgrad.
Anders verhält es sich, wenn man alternative Technologien einsetzt, um ein Haus mit Heizungswärme und Warmwasser zu versorgen. Der Einsatz eines Pufferspeichers ist sinnvoll im Zusammenhang mit folgenden Heizungstypen:
- Festbrennstoff Heizung
- Wärmepumpe Heizung
- Solaranlagen
Diese Heizungstypen haben den Umstand gemein, dass sie nur zeitlich partiell wirklich effektiv betrieben werden können. Das hat zur Folge, dass sie auch nur zeitlich begrenzt Energie in Form von Wärme liefern können. Dann aber unter Umständen viel zu viel Energie, welche man in diesen Fällen dann nicht nutzen und somit verschwenden würde. Die Festbrennstoff Heizung zum Beispiel erzielt ihren besten Wirkungsgrad, wenn der entprechende Festbrennstoff in optimaler Weise abgebrannt wird. Dabei wird aber derart viel Energie in Form von Wärme freigesetzt, dass man diese weder bei der Erzeugung von Heizungswärme noch von Warmwasser tatsächlich nutzen könnte. Benötigt man dann zu einem späteren Zeitpunkt diese Energie, ist die Tagesmenge des Festbrennstoffes aber schon verbraucht. Eine Festbrennstoff Heizung würde hier sehr schnell ineffizient werden, weil sie jedesmal neu gezündet werden muss, wenn gerade der Bedarf für Wärme vorhanden ist. Ähnlich verhält es sich mit Solaranlagen. Diese erreichen ihren besten Wirkungsgrad in den Nachmittagstunden, wenn die Sonne am stärksten ist und das Wasser auf die höchste Temperatur gebracht wird. Zu diesem Zeitpunkt wird die Energie aber wahrscheinlich überhaupt nicht benötigt, weil kaum jemand zuhause ist.
Genau an dieser Stelle kommt ein Pufferspeicher bei einer Heizung zum Einsatz. Mit dessen Hilfe kann man die eigentliche Anlage unter optimalen Bedingungen Wärmeenergie erzeugen lassen, und diese dann im Pufferspeicher solange vorhalten, bis man sie tatsächlich benötigt. Mit Hilfe einer entsprechenden Heizung mit Anschluß eines Pufferspeichers kann man nicht nur die benötigte Wärme für die Heizungsanlage sondern auch Warmwasser für den normalen Verbrauch erhitzen. Hierbei kommen dann aber mehrere getrennte Wasserkreisläufe zum Einsatz, um das Entstehen von gefährlichen Bakterien (Legionellen) im Brauchwasser zu verhindern, und zwecks Verkalkungsschutz den Heizkreislauf geschlossen zu halten.
Funktionsweise Pufferspeicher
Die Funktionsweise eines Pufferspeichers ist prinzipiell sehr simpel, auch wenn die eigentlichen Anlagen für den Betrieb eines Pufferspeichers technisch etwas komplexer aufgebaut sind. Als Trägermedium eines Pufferspeichers kommt ganz normales Wasser zum Einsatz. Der Grund dafür ist, dass Wasser eine ganz besondere physikalische Eigenschaft hat: eine sehr hohe sogenannte spezifische Wärmekapazität - Wasser kann Energie in Form von Wärme besser als andere zur Verfügung stehende Materialen speichern. Um die Temperatur einer bestimmten Menge Wasser in einem Pufferspeicher einer Heizung um ein Grad Celsius anzuheben, benötigt man wesentlich mehr Energie in Form von Wärme, als bei anderen Stoffen oder Flüssigkeiten.
Der Brennkessel einer Heizung kann sehr viel Wärme erzeugen, und diese an das Wasser im Pufferspeicher abgeben, bevor dieses beginnt zu sieden und zu verdampfen. Andererseits gibt das Wasser im Pufferspeicher auch die gleiche Menge an Energie wieder ab, wenn seine Temperatur um ein Grad Celsius abfällt. Wasser eignet sich also in idealer Weise als Wärmespeicher und wird daher auch in Fernwärmesystemen und großen Heizungssystemen als verlustgeringer Wärmeträger genutzt.
Der Pufferspeicher wird hierfür in Form eines mehrere tausende Liter Wasser fassenden Tanks, zusammen mit der eigentlichen Heizung eingebaut. Normale, industriell gefertigte Pufferspeicher haben Fassungsvermögen von 1000 Litern Wasser oder mehr. In vielen Fällen lohnt es aber, sich den Tank für eine Pufferspeicher Heizung anfertigen zu lassen, da größere konventionelle Pufferspeicher allein aufgrund ihrer Größe nachträglich nur schwer bis gar nicht verbaut werden können. Ist der Pufferspeicher zusammen mit der Heizung eingebaut, so kann er die im Brennkessel erzeugte Wärme direkt aufnehmen und in Form der erhöhten Temperatur des Wassers über sehr lange Zeit speichern. Um einen Wärmeverlust an die Umgebungsluft zu verhindern, wird der Pufferspeicher der Heizung mit Dämmmaterial verkleidet und mit weiteren Maßnahmen der Wärmeverlust so weit es geht verringert.
Kommt ein Pufferspeicher nur in Verbindung mit einer Heizung zum Einsatz, so kann er ohne Wärmetauscher eingesetzt werden. Das im Puffer befindliche Wasser wird so direkt in den Heizkreislauf eingespeist, und zirkuliert in diesem, um die Wärme im Wohnraum abzugeben. Moderne Pufferspeicher verfügen aber auch für diesen Anwendungsfall über einen Wärmetauscher. Dieser ist oft in Form von spiralförmig verlegten Rohren im Tank des Pufferspeichers zu finden. Zirkuliert abgekühltes Heizwasser aus dem Heizkreislauf durch diese Heizschlangen, wird dieses durch das umgebende wärmere Wasser wieder aufgeheizt. Der Pufferspeicher gibt seine Energie langsam an den Heizkreislauf ab.
Ähnlich verhält es sich, wenn auch Brauchwasser mit Hilfe einer Pufferspeicher gestützten Heizung erhitzt werden soll. Um die Entstehung von gefährlichen Bakterien zu verhindern, wird in diesem Fall das benötigte Brauchwasser erst dann erhitzt, wenn es tatsächlich benötigt wird. Hierfür lässt man es auch durch einen Kreis von Heizschlangen laufen, welche direkt im Tank des Pufferspeichers verlegt sind. Während das Wasser dieses Leitungssystem durchströmt, wird es wie bei der Heizung durch das umgebende, heissere Wasser des Pufferspeichers erhitzt und kann dann direkt genutzt werden.
Der Einsatz dieser Wärmetauscher sorgt dafür, dass alle 3 Wasserkreisläufe - der zwischen Brennkessel und Pufferspeicher, der Heizkreislauf, sowie der Warmwasserkreislauf - komplett voneinander getrennt sind. Dies ist auch absolut notwendig. Da das Wasser eines Pufferspeichers einer Heizung dauerhaft eine hohe Temperatur hat, ist hier das Wachstum von Organismen wie Bakterien in jedem Fall erhöht. Dieses Wasser darf nicht als Brauchwasser genutzt werden, weil es dem Menschen ernsthaft gefährlich werden kann. Etwas anders verhält es sich bei dem Wasser für den Heizungskreislauf. Hier versucht man im Normalfall einmal eingefülltes Wasser so lange zu nutzen, wie es möglich ist, um die Verkalkung der Heizungsanlage so gering wie möglich zu halten.
Typen von Pufferspeichern für eine Heizung
Aktuell werden technisch drei verschiedene Arten von Pufferspeichern für eine Heizung unterschieden:
- Kombispeicher
- Frischwasser-Pufferspeicher
- Schichtenlader
Kombispeicher
Bei einem Kombispeicher handelt es sich um ein kleines Trinkwasserreservoir, welches von dem Pufferspeicher Wasser umgeben ist. Diese Art hat den Nachteil, dass das Brauchwasser dauerhaft auf erhöhter Temperatur gehalten wird, und die Vermehrung von gefährlichen Bakterien (Legionellen) somit begünstigt wird. Der Einsatz eines Kombispeichers für den reinen Heizungsbetrieb ist aber uneingeschränkt zu empfehlen.
Frischwasser-Pufferspeicher
In einem so genannten Frischwasser Pufferspeicher wird die Erzeugung von warmem Wasser für den Gebrauch als Trinkwasser anders gehandhabt als in einem Kombispeicher. Hier wird das Brauchwasser erst auf Anforderung durch ein Heizschlangensystem im Pufferspeicher geleitet, und so erst dann erwärmt, wenn es benötigt wird. Somit können sich Bakterien oder andere Organismen, welche Wärme für die Vermehrung benötigen nicht ausbreiten. Für die Verwendung als Brauchwassererhitzer sollte daher in jedem Fall ein Frischwasser Pufferspeicher eingesetzt werden.
Schichtenlader
Ein Schichtenlader Pufferspeicher stellt eines der modernsten und technisch aktuellsten Konzepte dar. Er kann als intelligenter Pufferspeicher bezeichnet werden, weil er die natürliche Schichtung von warmem Wasser (oben) zu kaltem Wasser (unten) energetisch optimal ausnutzt. Ein Schichtenlader Pufferspeicher kann somit als optimal für den Einsatz bei Heizung und für die Erzeugung von Warmwasser angesehen werden, und wird heute von fast allen Herstellern von Pufferspeichern angeboten.
Anwendungsszenarien eines Pufferspeichers
- Pufferspeicher für Standardanlagen
Aufgabe:
Die Pufferspeicherheizung soll insbesondere in der nicht so kalten Übergangszeit die überschüssige Energie einer Kesselfüllung - in Form von Wärme, die momentan nicht benötigt wird, aufnehmen können (der so genannte Lastausgleich). Weiterhin sollte er auch dann die Energiemenge einer kompletten Kesselfüllung aufnehmen können, wenn keine Wärme durch Heizung oder den Verbrauch von Warmwasser abgenommen wird. Beim Erreichen der maximalen Temperatur des Pufferspeichers soll hierbei das Brennmaterial möglichst komplett durchgebrannt sein, um somit den optimalen Wirkungsgrad des Heizkessels nutzen zu können. In der kalten Jahreszeit, wenn der Heizkessel im Volllastbetrieb arbeitet, hat der Pufferspeicher normalerweise keine Bedeutung, da kaum überschüssige Wärme anfällt.
Nachteile im Winter:
- die Intervalle, in denen Brennmaterial nachgelegt werden muss, sind vom Füllraumvolumen und von der herrschenden Außentemperatur abhängig
- wesentlich kürzere Entladezeiten des Pufferspeichers als im Sommer, geringere Speicherkapazität für Wärme
- in der kalten Jahreszeit muss Brennmaterial bei Holzheizungen mehrfach am Tag nachgelegt werden (entfällt bei automatischer Befüllung)
Vorteile:
- im Frühjahr und im Herbst sind die Nachlegeintervalle wesentlich größer
- im Sommer muss je nach Dimensionierung nur ein bis zwei mal pro Woche angefeuert werden (Warmwasserbereitung)
- ganzjährig wird ein sehr guter Kesselwirkungsgrad und ein optimaler Abbrand erzielt
- geringerer Platzbedarf
- das spätere Nachrüstung einer solchen Anlage ist in den meisten Fällen möglich
- für Regelung und Hydraulik entsteht nur sehr geringer Aufwand
- kostengünstige Lösung, geringe Investition
Puffervolumen:
Für das Puffervolumen des Speichers kann man von einem Richtwert von 50 bis 55 Liter je kW Feuerungswärmeleistung ausgehen. Die Feuerungswärmeleistung sollte hierfür für das Haus aus dem aktuellen Öl- oder Gasverbrauch errechnet werden, aber auch kurzzeitige Extrema berücksichtigen. So sollte in jedem Fall von Wintertagen mit bis zu -15 Grad Celsius ausgegangen werden, um in diesem Fall auch ausreichend Energie in Form von Wärme zur Verfügung zu haben.
Anwendungsempfehlung:
Die Anwendung einer solchen Anlage empfiehlt sich in folgenden Fällen:
- bei der Kombination mit einer Hauptanlage in Form einer Öl- oder Gasheizung
- bei dem nachträglichen Einbau einer Festbrennstoff Heizung, wenn Platzprobleme vorherrschen
- wenn im Winter das mehrmalige Nachlegen von Brennmaterial problemlos möglich ist, oder eine Befüllanlage vorhanden ist
- wenn bei einer Kombi Heizung der Holzanteil bei der Wärmeerzeugung unter 50% liegt
- Pufferspeicher für Komfortanlagen
Aufgabe:
Im Falle von Komfortanlagen sollte der Pufferspeicher der Heizung in der Lage sein, gerade in der Übergangszeit und im Winter die überschüssige Energie in Form von Wärme - die zur Abbrennzeit nicht benötigt wird - von durchaus mehreren Kesselfüllungen aufnehmen zu können. Gerade in den Wintermonaten kommt es darauf an, dass der Pufferspeicher entsprechend groß dimensioniert ist, um an wirklich kalten Tagen die Versorgung des Hauses mit Heizungswärme und Warmwasser auch mit Reserve sicherzustellen.
Vorteile:
- durch die größere Auslegung der Pufferspeicher steigt die Wärmekapazität des Gesamtsystems und somit auch die Entladezeiten der Pufferspeicher - erhöhter Komfort
- auch im Winter kommt man auf lange Nachlegeintervalle (bei 0 Grad Celsius einmal pro Tag)
- bei einer Pufferspeicher gestützten Heizung kann prinzipiell das gesamte Jahr mit Holz geheizt werden
- keine Kombination mit Öl/Gas erforderlich
- eine Kombination von einer Komfortanlage mit einer Öl- oder Gasheizung ist nicht erforderlich
- die maximal erreichbare Kostenersparnis eines Pufferspeichers ist wesentlich höher als bei Standaranlagen
- im Falle eines Neubaus einer Heizungungsanlage mit Pufferspeicher ist eine Kombination mit einer zweiten Anlage (Öl oder Gas) nicht zwingend erforderlich
Nachteile:
- je nach vorherrschender Aussentemperatur muss mehrmalig pro Tag nachgelegt werden, wenn die Kesselleistung für den eigentlichen Wärmebedarf zu gering ausgelegt wurde
- eine aufwändigere Regelungstechnik, Hydraulik sowie größere Puffer mit besserer Isolierung erhöhen die Anschaffungskosten
- der Platzbedarf durch mehrere Pufferspeicher der Heizung erhöht sich im Vergleich zu Standardanlagen
- bei der Verwendung von Standard Pufferspeichern (1000 Liter) ist eine Raumhöhe von ca. 2.3m und eine Türbreite von mehr als 0.9m für den Einbau erforderlich
Puffervolumen:
Bei der Errichtung einer Komfortanlage sollte für die Dimensionierung des Pufferspeichers ein Richtwert von circa 100 Litern Wasser pro benötigtem kW Leistung angesetzt werden. Die tatsächlich benötigte Leistung der Heizung kann dabei aus dem aktuellen Öl- oder Gasverbrauch sehr einfach errechnet werden.
Anwendungsempfehlung:
Die Anwendung einer Heizung in Kombination mit einem Puffer als Komfortanlage empfiehlt sich in folgenden Fällen:
- bei der ganzjährigen und ausschließlichen Nutzung mit höchstem Komfort und nur mit Holz
- im Fall eines Neubaus oder wenn noch keine Heizung in Form von Öl oder Gas vorhanden ist
Pufferdimensionierung
Bei der Planung einer Pufferspeicher Heizung sollte bei der Bestimmung der notwendigen Speicherzeiten und den damit direkt in Verbindung stehenden Nachlegeintervallen bei der Berechnung des Puffervolumens für das gesamte Heizsystem unbedingt in Betracht gezogen werden. In diesen Fällen ist eine maximale oder übermaximale Auslegung des Puffervolumens nicht unbedingt sinnvoll, sondern kann in bestimmten Konstellationen mit einem Pufferspeicher auch zu Problemen führen. Hier gilt also nicht der Vorsatz: je größer, desto besser. Bei einem größeren Volumen ist zum Beispiel gerade im Winter eine vollständige Aufladung der Pufferspeicher mit einer einzigen Kesselfüllung nicht mehr möglich. Hier sollte die maximale Kesselleistung in jedem Fall nach dem Puffervolumen und nicht allein nach dem Wärmebedarf ausgelegt werden. Eine eingehende Beratung durch ein Fachunternehmen ist hier in jedem Fall empfehlenswert.
Für die grundlegende Auslegung des Speichervolumens einer so geplanten Heizung kommen aber folgende Faktoren in Betracht:
- die Leistungsmodulation des Kessels (lastvariabler Kessel oder so genannter Volllast-Kessel)
- das maximale Volumen des Brennstoff-Füllraums
- der Energiegehalt und Abbrandzeit einer Füllung und die damit zur Abbrandzeit freigesetzte Leistung in Form von Wärme
- der Heizwert des eingesetzten Brennstoffes (Holz, Holzpellets, Getreidepellets, Späne)
- die wirksame Temperaturdifferenz im Speicher
- die eigenen Komfortansprüche (wie groß sollen Nachlegeintervalle sein)
- die Auslegung der im Haus eingesetzten Heizflächen
- die minimal angenommene Außentemperatur sowie das Temperaturmittel in der Region
- durchschnittliche Wärmeverluste des Puffers (Isolierung, Form)
Das Volumen eines Pufferspeichers wird in den meisten Fällen, in denen es sich nicht um einen Neubau handelt, allein durch den maximal zur Verfügung stehenden Platz im Heizraum bestimmt. 1000 Liter Wasser haben ein Volumen von genau einem Qubikmeter und damit Abmaße von mindestens 1m x 1m x 1m. Ausgehend davon sollte das Speichervolumen des Pufferspeichers aber mindestens bei 50 bis 55 Litern je kW der installierten Feuerungswärmeleistung liegen. Für einen erweiterten Komfort sind aber 100 Liter je kW Leistung empfehlenswert. Allerdings sind dies nur Richwerte und entsprechen keiner optimalen Auslegung der Heizungsanlage, sondern sollen eher als Orientierung dienen.
Wenn man beim Kauf einer Pufferspeicherheizung auf einen so genannten modulierenden Vergaserkessel mit Leistungs- und Feuerungsregelung und einer sehr langen Brenndauer ausweicht, kann der Pufferspeicher für die Heizung durchaus kleiner dimensioniert werden. Auch die Beschränkung auf möglichst niedrige Heizflächentemperaturen kann hier hilfreich sein, und das notwendige Volumen der Pufferspeicher für die Heizungsanlage senken.
Berechnungshinweise:
1. Der Energiegehalt einer Kesselfüllung QE in kWh berechnet sich auf folgender Grundlage:
Erforderliche Werte:
- das Füllraumvolumen des Brennkessel (in Litern) l
- der Umrechnungsfaktor von Schichtmaß in Festmaß f
- die Dichte des eingesetzten Brennstoffes ς (kg/l)
- der Heizwert des Holzes oder Brennstoffes Hu (kWh/kg)
- der Wirkungsgrad des Brennkessels η
2. Die theoretische Brenndauer einer Füllung tB (h) einer puffergestützten Heizung berechnet auf folgender Grundlage:
Erforderliche Werte:
- die Gesamtleistung des Brennkessels bei Voll- und Teillast NK (kW)
- tB = QE / NK
3. Das Puffervolumen VP (l) ohne Wärmeabnahme pro Abbrand berechnet sich wie folgt:
Erforderliche Werte:
- der Energiegehalt einer Kesselfüllung QE (kWh)
- die spezifische Wärmekapazität von Wasser cw (kJ/kg K)
- die maximale nutzbare Temperaturdifferenz im Pufferspeicher Δt (K)
- der sogenannte Zuschlagsfaktor für vorherrschende Wärmeverluste der Pufferspeicher fv
Hersteller von Pufferspeichern für Heizungen
Fast alle deutschen Hersteller, welche in Deutschland oder Europa zugelassene Festbrennstoff Heizungen im Angebot haben, bieten gleichzeitig auch passende Pufferspeicher an. Bei den polnischen und tschechischen Anbietern von Festbrennstoff Anlagen ist dies aber meist nicht der Fall. Eine Auswahl, welche aber keinen Anspruch auf Vollständigkeit erhebt, finden Sie hier:
