Grundlagen/Pufferspeicher

Ein Pufferspeicher entkoppelt Wärmeerzeugung und Wärmebedarf: Er speichert heißes Wasser zwischen und gibt es zeitversetzt wieder ab. Damit kann ein Erzeuger unabhängig vom Momentanbedarf laufen – mit längeren Laufzeiten, weniger Takten und mehr Raum für schwankende Quellen wie Solarthermie.

Funktionsprinzip

Gespeichert wird die Wärmekapazität des Wassers: Ein wärmeres Volumen enthält mehr Energie als dasselbe Volumen bei niedrigerer Temperatur – 1 000 Liter mit 20 Kelvin Spreizung fassen rund 23 Kilowattstunden. Ein Speicher arbeitet nur dann wirksam, wenn er sauber schichtet – oben heiß, unten kalt –, denn erst die Schichtung trennt die Temperaturniveaus von Ladung und Entnahme; wird er durchmischt, verliert er einen Teil seiner nutzbaren Kapazität. Unabhängig vom Betrieb fallen zudem Bereitschaftsverluste an: Wärme, die durch die Behälterwand entweicht, auch ohne dass Wärme entnommen wird.

Wie die Schichtung entsteht, warum sie zählt und wie EPOS-Plan sie rechnet, steht im folgenden Abschnitt Schichtspeicher.

Schichtspeicher

Ein Schichtspeicher hält sein Wasser nach der Temperatur geordnet: oben das heiße, unten das kalte, dazwischen eine schmale Übergangszone, in der die Temperatur auf kurzer Höhe von warm auf kalt wechselt. Warmes Wasser ist leichter als kaltes und bleibt deshalb oben; solange nichts die Schichten aufwirbelt, liegen sie stabil übereinander. Ein Speicher, in dem überall dieselbe Temperatur herrscht, heißt Mischspeicher.

Wie die Schichtung entsteht

Die Schichtung entsteht, wenn heißes Wasser ruhig oben einströmt und kaltes ruhig unten. Beim Laden speist der Erzeuger seinen Vorlauf oben ein und holt sich das kalte Wasser unten als Rücklauf: Die heiße Zone wächst von oben nach unten, die Übergangszone sinkt. Beim Entladen entnimmt der Verbraucher oben, sein Rücklauf tritt unten ein und schiebt das heiße Wasser nach oben hinaus: Die Übergangszone steigt. Auch im Stillstand verbreitert Wärmeleitung im Wasser und in der Behälterwand die Übergangszone langsam. Ein hoher, schlanker Behälter schichtet besser als ein gedrungener, weil die Übergangszone dann nur einen kleinen Teil des Volumens einnimmt.

Was die Schichtung zerstört

Hohe Volumenströme. Ein schneller Strahl wirbelt die Schichten durch. Beruhigte Einströmungen – Prallblech, Leitrohr, Schichtladelanze – und eine Spreizung, die den Volumenstrom klein hält, schützen die Schichtung.
Falsche Anschlusshöhen. Ein heißer Vorlauf, der unten oder in der Mitte einströmt, steigt durch die kälteren Schichten auf und mischt sie; ein Rücklauf, der oben ankommt, kühlt die heiße Zone. Vorläufe gehören nach oben, Rückläufe nach unten, ein Erzeuger mit niedriger Temperatur – etwa die Solarthermie – auf die Höhe, deren Temperatur er erreicht.
Zu warmer Rücklauf. Kommt der Rücklauf mit kleiner Spreizung zurück – über einen offenen Überströmer, einen schlecht abgeglichenen Heizkreis oder einen Kurzschluss zwischen Vor- und Rücklauf –, wird das Wasser unten warm. Die Übergangszone verwischt, und die nutzbare Kapazität schrumpft, weil Vorlauf und Rücklauf näher zusammenrücken.
Inversion. Liegt wärmeres Wasser unter kälterem, steigt es auf und mischt sich mit der Schicht darüber – etwa wenn ein Erzeuger mit hoher Temperatur unten einspeist.

Warum die Schichtung zählt

Hohe Temperatur sofort oben. Brauchwasser und Heizkreis bekommen ihre Vorlauftemperatur schon aus einem teilweise geladenen Speicher. Ein Mischspeicher muss erst ganz aufgeheizt sein, bevor er die volle Temperatur liefert.
Kalter Rücklauf unten. Der Erzeuger bekommt das kälteste Wasser des Speichers zurück. Das zählt bei der Wärmepumpe, deren Leistungszahl mit sinkender Kondensationstemperatur steigt, beim Brennwertkessel, der den Wasserdampf im Abgas nur mit einem Rücklauf unter rund 55 °C kondensiert, und bei Solarkollektoren, die mit kaltem Eintritt weniger Wärme an die Umgebung verlieren und mehr Ertrag bringen.
Nutzbare Kapazität über die Spreizung. Nutzbar ist die Wärme zwischen Vorlauf und Rücklauf: 1 000 Liter zwischen 60 und 30 °C fassen rund 35 Kilowattstunden. Derselbe Inhalt, auf 45 °C durchmischt, enthält dieselbe Energie, aber ein Heizkreis mit 55 °C Vorlauf kann ihm nichts mehr entnehmen.

Merkmal	Schichtspeicher	Mischspeicher
Temperatur im Speicher	oben heiß, unten kalt, schmale Übergangszone	überall gleich, Mischtemperatur
Vorlauf an den Verbraucher	mit Ladetemperatur, auch bei Teilladung	erst mit voller Temperatur, wenn der ganze Inhalt warm ist
Rücklauf an den Erzeuger	kalt, aus der untersten Schicht	Mischtemperatur, steigt mit der Ladung
Nutzbare Kapazität	die volle Spreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf	kleiner, sobald der Verbraucher eine Mindesttemperatur braucht
Geeignet für	Wärmepumpe, Brennwertkessel, Solarthermie, Kombispeicher mit Brauchwasser	kurze Pufferung ohne Temperaturanspruch, etwa als hydraulische Weiche
Bauliche Voraussetzung	hoher, schlanker Behälter, beruhigte Einströmung, Anschlüsse auf der passenden Höhe	keine besondere

So rechnet EPOS-Plan

EPOS-Plan rechnet einen Pufferspeicher als einen einzigen Vorrat oder geschichtet in zwei bis zehn Zonen; die Zahl stellen Sie im Dialog Pufferspeicher im Projekt unter Schichtung und Leistungsgrenzen mit Schichten: ein, ein neuer Speicher beginnt mit einer Schicht.

Füllstand und Zonen. Führend bleibt der Füllstand des Speichers; die Zonen verteilen ihn nur. Jede Zone hat eine Temperatur zwischen der Rücklauftemperatur (leer) und der Vorlauftemperatur (voll) des Speichers. Ohne Angabe sind die Zonen gleich groß, mit Zonenanteile von oben bekommt jede ihr eigenes Volumen.
Laden. Die Wärme eines Erzeugers füllt die Zonen von seiner Einspeisehöhe abwärts, eine nach der anderen, bis zur Vorlauftemperatur; ohne eigene Einspeisehöhe speist er oben ein.
Entladen. Der Rücklauf tritt unten ein: Die unterste Zone fällt zuerst auf Rücklauftemperatur, die darüber rücken nach. Ein Kanal – Heizung, Brauchwasser, Prozesswärme – entnimmt nur aus den Zonen unterhalb seiner Entnahmehöhe, die mindestens seine Nutztemperatur haben. So tastet die Heizung im Kombispeicher den Bereitschaftsteil des Brauchwassers oben nicht an.
Ausgleich. Nach Laden und Entladen gleicht Wärmeleitung zwischen benachbarten Zonen die Temperaturen ein Stück an; liegt eine wärmere Zone unter einer kälteren, mischt EPOS-Plan beide.
Kalter Rücklauf in der Rechnung. Die Temperatur der untersten Zone ist der Rücklauf, mit dem die Solarthermie ihre Arbeitstemperatur aus dem Speicher bildet, mit dem ein Brennwertkessel mit Kennlinie und ein BHKW mit Rücklaufgrenze rechnen und den eine Wärmepumpe mit der Einbindung Puffer sieht. Ein Speicher, der gut geschichtet bleibt, rechnet sich deshalb auch bei den Erzeugern günstiger.
Grenzen. Die Rechnung schichtet ideal: Ein Einströmstrahl mischt nicht, Volumenströme, Anschlussstutzen und Wärmeübertrager im Speicher kennt sie nicht. Was eine Schichtung in der Praxis zerstört – ein schneller Strahl, ein zu warmer Rücklauf – bildet sie deshalb nicht ab; eine schlechtere Schichtung lässt sich nur über eine höhere effektive Wärmeleitfähigkeit annähern. Ein Kältespeicher rechnet immer als ein Vorrat.

Die Formeln stehen unter Berechnung: Pufferspeicher, Schritt Schichtung, die Bedienung mit einem Beispiel unter Pufferspeicher: Schichtung nutzen.

Kennzahlen

Kennzahl	Bedeutung	typischer Bereich
Volumen	speicherfähiges Wasservolumen	300 l (Einfamilienhaus) bis mehrere m³ (Gewerbe, Nahwärme)
Spezifische Wärmekapazität Wasser	Energie je Liter und Kelvin Temperaturanstieg	1,16 Wh/(l·K)
Nutzbare Temperaturspreizung	Differenz zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur	15–30 K, je nach Anwendung
Bereitschaftsverlust	Wärmeverlust im Stillstand, unabhängig von der Entnahme	wenige kWh je Tag, abhängig von Größe und Dämmung
Schaltschwellen	Hysterese zwischen Nachladen und Abschalten	spürbarer Abstand nötig, sonst häufiges Takten

Typische Größen

Einfamilienhaus: 200–500 Liter, als Kombispeicher für Heizung und Warmwasser oder als reiner Warmwasserspeicher.
Mehrfamilienhaus: häufig 1 000–3 000 Liter, abhängig von Erzeugerleistung und Gleichzeitigkeit der Entnahme.
Blockheizkraftwerk: Faustwert 60–100 Liter je Kilowatt thermischer Leistung, damit die Maschine lange am Stück läuft.
Wärmepumpe: Das Volumen richtet sich weniger nach der Leistung als nach Sperrzeiten des Netzbetreibers, Warmwasserspitzen und Abtauunterstützung.

Einsatz und Grenzen

Ein Pufferspeicher lohnt sich, sobald Erzeugung und Bedarf zeitlich auseinanderfallen: ein Blockheizkraftwerk, das lange am Stück laufen soll, eine Wärmepumpe, die Takten vermeiden muss, oder ein Kollektorfeld, dessen Ertrag nicht im selben Moment gebraucht wird. Wo ein Erzeuger ohnehin fein und verzögerungsfrei dem Bedarf folgen kann, bringt er wenig zusätzlichen Nutzen. Er ist reiner Zeitpuffer, keine Energiequelle: Ein zu groß gewählter Speicher kostet Investition und zusätzliche Bereitschaftsverluste, ohne die Laufzeiten weiter zu verbessern; ein zu kleiner taktet trotzdem.

Auslegung

Die Größe eines Pufferspeichers folgt nicht aus einer einzigen Formel, sondern aus mehreren Anforderungen; bemessend ist die größte. Für Heizungspuffer an Wärmepumpen beschreibt VDI 4645 die Wege, für Festbrennstoffkessel gelten die 1. BImSchV und DIN EN 303-5, für Trinkwasser DIN EN 12831-3 und DVGW W 551.

Kriterium	Frage	Bezug
Vorprüfung Anlagenvolumen	Führt das Heizungsnetz selbst genug Wasser, sodass eine leistungsgeregelte Wärmepumpe ohne Puffer auskommt?	VDI 4645
Faustwert nach Gerätetyp	Welcher Mindestinhalt je kW gilt für ein Gerät mit fester Drehzahl, welcher für ein leistungsgeregeltes?	VDI 4645
Mindestlaufzeit	Reicht der Inhalt, damit der Erzeuger je Start eine Mindestzeit läuft?	VDI 4645
Sperrzeit	Überbrückt der Puffer eine Sperre des Erzeugers, ohne dass die Räume zu stark auskühlen? Ein in der Sperre freigegebener Zweiterzeuger macht das Kriterium entbehrlich.	VDI 4645
Deckungsgrad	Decken Erzeuger und Puffer den Bedarf über das Jahr?	Betriebssimulation
Taktziel	Bleiben die Starts je Tag unter einem Ziel?	Betriebssimulation
Festbrennstoff	Erreicht der Puffer das vorgeschriebene Mindestvolumen hinter einem Scheitholz- oder Pelletkessel?	1. BImSchV, DIN EN 303-5
Solarthermie	Fasst der Puffer den Tagesertrag des Kollektorfelds?	DIN EN 12977
Aufheizen nach Absenkung	Stützt der Puffer die Aufheizleistung der Gebäude nach einer Absenkung der Raumtemperatur?	Aufheizoptimierung der Gebäude
Brauchwasser	Deckt die Brauchwasserzone die größte Zapfspitze des Tages?	DIN EN 12831-3, DVGW W 551
Bereitschaftsverlust	Wie viel Wärme verliert der gewählte Inhalt im Stillstand? Ein Speicher mit 1 000 l verliert an der Grenze der Klasse C rund 3,6 kWh je Tag bei 45 K.	EN 15332

Ein Kombipuffer addiert die Zonen für Heizung und Brauchwasser. Ein Plausibilitätsband je kW Heizlast – kleiner bei Flächenheizung, größer bei Heizkörpern – dient als Gegenprobe, nicht als Vorgabe. Ein größerer Puffer senkt die Starts, erhöht aber die Bereitschaftsverluste. Wie EPOS-Plan diese Kriterien aus den Bedarfsreihen und Erzeugern des Projekts rechnet und den Vorschlag in den Projektpuffer übernimmt, steht unter Pufferspeicher auslegen.

In EPOS-Plan

Der Katalog der Pufferspeicher liegt unter Administration → Energiesysteme → Pufferspeicher; im Projekt legt die Kachel Pufferspeicher der Startseite den Speicher im Dialog „Verwaltung Pufferspeicher“ an, den Erzeugern zugeordnet wird er in der Simulationskonfiguration. Wie Zuordnung, Schaltschwellen und Ladereihenfolge dort zusammenwirken, zeigt Einbindung, ein Beispiel mit realen Größen steht unter Beispiel, das Zusammenspiel mit anderen Erzeugern unter Zusammenspiel und was dabei zu beachten ist unter Fallstricke. Der Rechenweg steht unter Berechnung: Pufferspeicher. Einen Vorschlag für das Volumen rechnet die Pufferspeicher-Auslegung.

Siehe auch

Programm Dokumentation: Pufferspeicher – Einbindung, Beispiel, Zusammenspiel und Fallstricke
Berechnung: Pufferspeicher – der Rechenweg, auch der Schichtung
Pufferspeicher auslegen – das Volumen nach den Kriterien der Auslegung
Grundlagen: Solarkollektoren – der häufigste schwankende Erzeuger vor dem Puffer
Hydraulikschemata – gebräuchliche Schaltungen als Prinzipschema