Ein thermischer Pufferspeicher ist ein gut isolierter Behälter, der Energie als sensible Wärme in Wasser speichert und bei Bedarf an die Heizung oder die Warmwasserbereitung abgibt. Der Wärmeverbrauch ist so zeitlich unabhängig entkoppelt von der Wärmeerzeugung.
Was ist ein thermischer Pufferspeicher?
Ein thermischer Pufferspeicher, auch Wärmepuffer oder Wärmespeicher genannt, ist ein häufig aus Stahl gefertigter, wärmegedämmter Wassertank, der in Heizungsanlagen zur Speicherung thermischer Energie in Form von erwärmtem Wasser eingesetzt wird.
Der Pufferspeicher wird hydraulisch oft zwischen Wärmeerzeuger und Verbraucher eingebunden. Er nimmt Energie in Form von Wärme aus einem Wärmeerzeuger (z. B. Wärmepumpe, Heizkessel oder Solarthermieanlage) auf, speichert diese im Wasser und gibt sie bei Bedarf zeitversetzt wieder ab (z.B. an Fußbodenheizungen, Heizkörper oder die Warmwasserbereitung). Dadurch können Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch zeitlich voneinander entkoppelt und Schwankungen zwischen erzeugter und benötigter Wärmeleistung ausgeglichen werden. Wie groß ein Pufferspeicher sein sollte, hängt von der jeweiligen Heizungsanlage und ihrem Wärmebedarf ab. Bei einer Heizungsanlage mit 10 kW thermischer Nennleistung kann das erforderliche Pufferspeichervolumen z.B. im Bereich von 300 bis 500 Litern liegen. Dieser Wert dient lediglich als Beispiel, um eine Größenordnung zu veranschaulichen. Die genaue Dimensionierung sollte immer durch einen Fachbetrieb erfolgen, da neben der thermischen Leistung viele weitere Faktoren berücksichtigt werden müssen.
Funktionen von thermischen Pufferspeichern
Pufferspeicher erfüllen in Heizungsanlagen verschiedene Funktionen, z.B.:
Wärme speichern
Thermische Pufferspeicher nehmen thermische Energie aus dem Wärmeerzeuger auf und speichern sie in Form von sensibler Wärme, indem das enthaltene Wasser erwärmt wird. Die gespeicherte Energie kann zeitversetzt für die Raumheizung oder – je nach Anlagenkonzept – für die Warmwasserbereitung genutzt werden. Dadurch können Wärmeerzeugung und Wärmebedarf zeitlich entkoppelt werden.
Systemeffizienz steigern
Durch die Zwischenspeicherung können Wärmeerzeuger häufiger in einem günstigen Betrieb arbeiten, z.B. im optimalen Auslegungsbereich bei Kesseln oder in stabilen Betriebszuständen bei Wärmepumpen Lebensdauer der Heizungsanlage verlängern
Ein gleichmäßiger Betrieb im günstigen Auslegungsbereich reduziert die thermische und mechanische Belastung der Heizungsanlage. Bei schwer regelbaren Systemen wird ein dauerhafter Teillastbetrieb vermieden, bei taktanfälligen Erzeugern wird die Schalthäufigkeit gesenkt. Beides trägt zu einer längeren Lebensdauer der Anlage bei.
Hydraulisch entkoppeln
Bei entsprechender hydraulischer Einbindung trennt der thermische Pufferspeicher den Erzeuger- und Verbraucherkreis hydraulisch. Dadurch können in beiden Kreisen unterschiedliche Volumenströme herrschen, ohne dass der Betrieb des Wärmeerzeugers negativ beeinflusst wird. Dies erleichtert die hydraulische Einbindung komplexer Heizungssysteme (z.B. mit mehreren Erzeugern und Verbrauchern) und verbessert die Effizienz der Anlage.
Die Eignung eines thermischen Pufferspeichers hängt u.a. von Heizsystem, Warmwasserbereitung und Budget ab.
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Wo werden thermische Pufferspeicher eingesetzt?
Thermische Pufferspeicher kommen in unterschiedlichen Heizungsanlagen zum Einsatz, um Wärmeenergie zwischen Wärmeerzeuger und Wärmeverbraucher zu speichern und eine zeitliche sowie hydraulische Entkopplung zu ermöglichen. Einsatzbereiche sind u.a.:
Systeme mit schwer regelbaren Wärmeerzeugern
Dazu zählen z.B. Festbrennstoffkessel, die mit Kohle, Holz oder Torf betrieben werden. Ist der Brennstoff einmal entzündet, lässt sich der Abbrand und die damit verbundene Wärmeerzeugung kaum regulieren. Ein thermischer Pufferspeicher nimmt die beim Verbrennungsprozess erzeugte Wärmeenergie auf und stellt sie zeitversetzt zur Verfügung.
Systeme mit stark schwankenden Wärmeangeboten
Erneuerbare Energien weisen häufig stark schwankende Wärmeangebote auf, zum Beispiel bei Solarthermieanlagen im Tages- und Jahresverlauf. Die höchsten solaren Wärmeerträge entstehen zur Mittagszeit, der Warmwasserverbrauch steigt jedoch oft erst in den Abendstunden, wenn keine Sonneneinstrahlung mehr verfügbar ist. Der thermische Pufferspeicher ermöglicht, die erzeugte Wärme zeitversetzt zu nutzen.
Systeme mit taktanfälligen Erzeugern
Dazu zählen z. B. Wärmepumpen. Ein thermischer Pufferspeicher ist hier nicht immer zwingend erforderlich, kann aber wichtige Funktionen für Effizienz und Lebensdauer übernehmen - insbesondere bei kleinen Heizkreisen mit geringen Wasserinhalten. Er ermöglicht längere Laufzeiten, verringert die Schalthäufigkeit und reduziert so die Belastung des Verdichters. Hybridsysteme und Anlagen mit mehreren Wärmeerzeugern
In Hybridsystemen werden Erträge aus verschiedenen Wärmeerzeugern kombiniert, zum Beispiel aus Wärmepumpe, Solarthermieanlage und Heizkessel. Multifunktionsspeicher ermöglichen es, die Wärme unterschiedlicher Quellen in einem Gerät zu bündeln und bedarfsgerecht an den Heiz- und Warmwasserkreis abzugeben.
Arten von thermischen Pufferspeichern
Thermische Pufferspeicher lassen sich nach Speicherdauer, Funktionsweise sowie Bauform und Aufstellungsart unterscheiden, z. B.:
Nach Speicherdauer
Mehrtagesspeicher
Nimmt Wärmeenergie für mehrere Tage auf und stellt sie zeitversetzt zur Verfügung.
Saisonspeicher
Saisonspeicher dienen der langfristigen Wärmeenergiespeicherung über mehrere Wochen oder Monate. So kann z.B. im Sommer generierte Wärme noch im Herbst genutzt werden. Dieser Speichertyp ist baulich sehr groß.
Nach Funktionsweise
Schichtladespeicher
Schichtladespeicher nutzen die natürliche Temperaturschichtung des Wassers. Warmes Wasser sammelt sich im oberen, kälteres Wasser im unteren Speicherbereich. Durch eine gezielte Be- und Entladung kann die Temperaturschichtung weitgehend erhalten bleiben und die gespeicherte Wärmeenergie effizient genutzt werden.
Kombipufferspeicher
Ein Kombispeicher kombiniert die Speicherung von Heizungswasser mit der Warmwasserbereitung in einem einzigen System. Je nach Bauart wird das Trinkwasser in einem integrierten Speicherbehälter (Tank-in-Tank) gespeichert oder über einen Wärmeübertrager im Durchlaufprinzip erwärmt. Der entscheidende Vorteil dieses Systems liegt im geringeren Platzbedarf gegenüber zwei getrennten Geräten.
Pufferspeicher mit integriertem Wärmeerzeuger
Bei bestimmten Speichersystemen ist ein Wärmeerzeuger, z.B. ein Elektroheizstab, direkt in den Speicher integriert. Diese Lösung kann in Verbindung mit Photovoltaikanlagen sinnvoll sein, da der erzeugte Strom zur Wärmebereitstellung genutzt werden kann.
Nach Bauform und Aufstellungsart
Vor- und Nachteile von Heizsystemen mit thermischen Pufferspeichern
Ob sich ein thermischer Pufferspeicher für ein Gebäude eignet, hängt von Faktoren ab wie:
- Art des Wärmeerzeugers,
- Dimension des Heizungssystems,
- Integration von Warmwasserbereitung und
- Budget
Ein Heizungssystem mit thermischem Pufferspeicher bringt Vor- und Nachteile mit sich, z.B.:
| Vorteile | Nachteile |
| ✔ | Trennung von Wärmeerzeugung und -verbrauch
Ein thermischer Pufferspeicher kann Wärmeerzeugung und Wärmeverbrauch zeitlich und bei entsprechender hydraulischer Einbindung auch hydraulisch entkoppeln. Dadurch kann der Wärmeerzeuger häufiger in einem günstigen Betriebsbereich arbeiten. |
| | ✗ | Hoher Platzbedarf
Thermische Pufferspeicher sind groß und benötigen entsprechend viel Aufstellfläche und Raumhöhe. |
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| ✔ | Längere Lebensdauer möglich
Die Arbeit in der optimalen Leistungsstufe erhöht den Wirkungsgrad und verringert das Takten (An- und Ausschalten) der Heizung. Die thermische und mechanische Belastung der Heizungsanlage sinkt, wodurch die Lebensdauer der Anlage unterstützt werden kann. |
| | ✗ | Wärmeverluste
Da der Speicherinhalt in der Regel eine höhere Temperatur als die Umgebung aufweist, kann auch bei gut gedämmten Speichern Wärmeenergie an die Umgebung verloren gehen. |
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| ✔ | Nutzung erneuerbarer Energien
Pufferspeicher ermöglichen die Speicherung von Wärmeenergie aus schwankenden oder zeitlich begrenzt verfügbaren Energiequellen (z.B. aus Solarthermieanlagen). Die erzeugte Wärme kann dadurch zeitversetzt genutzt werden. |
| | ✗ | Erhöhte Kosten
Anschaffung, Installation und gegebenenfalls Zusatzaufwand durch zusätzliche Pumpen, Armaturen und Regelungstechnik verursachen Kosten, die höher ausfallen können als bei anderen Heizsystemen. Die tatsächlichen Kosten hängen jedoch immer vom jeweiligen System ab. |
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| ✔ | Kombination unterschiedlicher Wärmeerzeuger
Die Wärme unterschiedlicher Wärmeerzeuger kann in einem Pufferspeicher gebündelt und zentral abgegeben werden. Dadurch lässt sich die Kombination unterschiedlicher Wärmeerzeuger (z.B. Wärmepumpe, Solarthermieanlage und Heizkessel, vereinfachen. |
| | ✗ | Nicht immer effizienter
Ein falsch dimensionierter oder unnötiger Pufferspeicher kann durch zusätzliche Wärmeverluste und höhere Systemtemperaturen die Gesamteffizienz, insbesondere bei Wärmepumpen, verschlechtern. |
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Der Experten-Tipp
Dipl.-Ing. (FH) M. Sc. Philipp Danz von von b&d Energie- und Umwelttechnik GmbHin Weimar: "Thermische Pufferspeicher müssen unbedingt in Ihrer Dimensionierung, Funktionsweise und Ausstattung gemäß der bestehenden, bzw. geplanten Heizungs- und Verbrauchsanlage ausgelegt werden. Ansonsten drohen Fehlinvestitionen, zu hohe Verbrauchskosten und ineffiziente Betriebsweisen. Ein Euro mehr in der Planung sind oft zwei Euro weniger im Betrieb."