Pufferspeicher für Wärmepumpen: Vor- und Nachteile

Wer sich damit beschäftigt, seine Heizung durch eine Wärmepumpe zu ersetzen, stolpert früher oder später über die Fragen: Brauche ich einen Pufferspeicher? Wie groß soll dieser sein? Was ist mit Warmwasserbereitung? Brauche ich vielleicht zwei Pufferspeicher? Wie soll der Speicher in die Hydraulik eingebunden werden? Hört man sich in Expertenforen um, wird die Verunsicherung eher noch größer, tobt dort doch oft ein regelrechter Streit zwischen Befürwortern und Gegnern von Pufferspeichern. Die Wahrheit liegt wie so oft in der Mitte.

Zweck des Pufferspeichers

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Einsatzzwecke für einen Pufferspeicher und es gibt auch viele verschiedene Arten des inneren Aufbaus. Die beiden Einsatzzwecke sind

• Speichern von Heizungswärme für die Heizflächen (Verbraucher) und
• Speichern bzw. Erzeugung von Warmwasser (Brauchwasser) z.B. für Duschen oder Waschbecken.

Oft werden beide Zwecke kombiniert (wodurch der innere Aufbau noch komplizierter wird), in der folgenden Diskussion konzentrieren wir uns zunächst ganz auf den ersten Zweck: Zwischenspeichern von Heizungswasser für die Heizflächen.

Vorteile des Pufferspeichers

Viele Wärmepumpenhersteller bestehen auf dem Einbau eines Pufferspeichers und zwar aus folgendem Grund: Wärmepumpen sind auf einen möglichst konstanten Durchfluss ausgelegt. Wenn die Wärmepumpe allerdings direkt in den Verbraucherkreis pumpt, kann es zu zwei Problemen kommen:

1. Der Druck im Verbraucherkreis ist zu hoch für die eingebaute Pumpe
2. Wenn die Einzelraumregelung (sprich die Thermostatventile in den Räumen) schließt, reduziert sich der Durchfluss und die Wärmepumpe kann in einen Fehlerzustand wechseln. Wir hatten bereits diskutiert, dass durch einen optimalen hydraulischen und thermischen Abgleich die Thermostatventile im Grunde überflüssig werden. Da sie aber gesetzlich vorgeschrieben sind, lassen sich Hersteller und Heizungsbauer meist nicht auf entsprechende Beteuerungen der Hausbesitzer ein

Aus diesen Gründen werden Wärmepumpenkreis und Verbraucherkreis hydraulisch getrennt, d.h. es wird sichergestellt, dass das Wasser der Wärmepumpe ungehindert wieder zurückfließen kann und nur die Wärme an den Verbraucherkreis abgegeben wird. Für eine solche hydraulische Trennung gibt es verschiedene Möglichkeiten, die wir gleich diskutieren werden.

Sofern Sie keine Fußbodenheizung besitzen, ist ein zweiter Vorteil eines Pufferspeichers (wie der Name schon sagt) eine Pufferung einer gewissen Menge Wärme. Sobald Heizkörper und Räume warm sind und keine weitere Wärme mehr aufnehmen können, steigt die Rücklauftemperatur. Dies führt zur Abschaltung der Wärmepumpe. Allerdings kühlen danach Räume und Heizkörper wieder ab, so dass die Rücklauftemperatur abfällt und die Wärmepumpe wieder anschaltet. Passiert diese Taktung zu oft (Faustregel für eine optimale Taktung ist höchstens einmal pro Stunde, je seltener desto besser), geht die Wärmepumpe frühzeitig kaputt. Um die Taktung zu verlängern, kann die Wärmepumpe noch eine Zeitlang den Pufferspeicher aufwärmen bevor sie abschaltet; und bei erneutem Wärmebedarf der Verbraucher kann diese Wärme aus dem Pufferspeicher entnommen werden, bevor die Wärmepumpe wieder anschaltet. Sofern Sie allerdings eine entsprechend große Fußbodenheizung verbaut haben, dient der Estrich bereits als Pufferspeicher, dessen Wärmekapazität ist sogar größer als herkömmliche Wasser-Pufferspeicher.

Der dritte Vorteil eines Pufferspeichers hängt ebenfalls mit dieser Zwischenspeicherung zusammen (und gilt daher ebenfalls nur, falls Sie ausschließlich Heizkörper haben): Sofern Sie einen Wärmepumpentarif oder eine Solaranlage besitzen, wird die Laufzeit der Wärmepumpe von anderen Faktoren beeinflusst als nur der Wärmebedarf der Heizflächen. Bei einem Wärmepumpentarif kann es sein, dass die Wärmepumpe vom Netzbetreiber für bis zu zwei Stunden abgeschaltet wird, bei einer Photovoltaikanlage möchten Sie tagsüber Überschuss-Solarstrom für die Wärmepumpe nutzen – dies gilt sogar ganz allgemein bei Luft-Wärmepumpen, die eine bessere COP haben, wenn es draußen wärmer ist. Hierbei ermöglicht ein entsprechend großer Pufferspeicher die Überbrückung der Abschaltzeit bzw. kann die erzeugte Wärme aufnehmen, obwohl zur entsprechenden Zeit weniger Heizbedarf besteht.

Und der vierte Grund für einen Pufferspeicher (ebenfalls nur ohne Fußbodenheizung) ist die Wärmezufuhr für nötige Abtau-Zyklen. Bei Temperaturen um die 0 Grad und feuchten Wetter vereist die Außenanlage leicht. Um diese wieder abzutauen wird der Wärmetauscher der Außenanlage erwärmt, und die dafür notwendige Wärme wird dem Heizkreis entnommen (denn währenddessen kann die Wärmepumpe logischerweise keine Wärme produzieren). Um sicherzustellen, dass der Heizkreis genügend Wärme liefern kann, hilft ein Pufferspeicher.

Nachteil eines Pufferspeichers

Wenn Pufferspeicher so viele Vorteile haben, warum sind sie dann ein Problem? Insbesondere bei Wärmepumpenheizungen sollte das Heizwasser möglichst direkt zu den Verbrauchern gelangen, ohne vorher abgekühlt zu werden. Der Grund dafür ist, dass im Gegensatz zu einer Verbrennerheizung jedes Grad höhere Vorlauftemperatur, die die Wärmepumpe erzeugen muss, Energie und damit Geld kostet. Wenn nun statt der von der Wärmepumpe erzeugten 45°C nur z.B. 40°C warmes Wasser in den Heizkörpern ankommt, dann können sie den Raum nicht so gut erwärmen, wie wenn sie 45°C warm würden.

Varianten der hydraulischen Einbindung

Ein Pufferspeicher hat (im Gegensatz zum Mischer) nicht den Zweck, das Heizungswasser abzukühlen. Ob und in welchem Umfang er es trotzdem tut, hängt davon ab, wie stark das warme Wasser, welches aus dem Speicher entnommen wird, mit kühlem Wasser, welches in den Speicher zurückfließt vermischt wird. Eine solche Durchmischung erzwingt, um trotzdem die gewünschte Leistung im Vorlauf zu erbringen, eine höhere Leistung des Wärmeerzeugers und somit einen höheren Energieverbrauch. Zwei Faktoren bestimmen die Stärke dieser Durchmischung:

1. die Art und Weise, wie der Puffer in den Heizkreis eingebunden wird
2. der innere Aufbau des Speichers

Betrachten wir zunächst die hydraulische Einbindung. Es gibt im Prinzip vier Möglichkeiten, die alle eine hydraulische Trennung zwischen Wärmepumpe und Verbraucherkreis realisieren, sich aber in ihrer Energiebilanz unterscheiden:

Die energetisch schlechteste Lösung ist, einen sehr kleinen (15 Liter) Speicher oder direkt eine sogenannte hydraulische Weiche zur Trennung von Wärmepumpenkreis und Verbraucherkreis zu realisieren. Diese ermöglicht es der Wärmepumpe bei reduzierten Verbrauchern, ihr Wasser direkt zurück in den größeren Pufferspeicher zu drücken (hier violett). Durch das geringe Volumen ist dabei allerdings eine Durchmischung des Wärmepumpenvorlaufs (rot) mit dem Verbraucher-Rücklauf (blau) nahezu unvermeidlich. Dadurch senkt sich die Temperatur des Verbraucher-Vorlaufs (orange) ab, d.h. die Wärmepumpe muss mehr Wärme erzeugen als die Verbraucher benötigen. Es ist eine sehr sorgfältige Anpassung der beiden Pumpenleistungen notwendig, um diesen Effekt zu reduzieren. Da eine solche Weiche ja aber eingebaut wird um unterschiedliche Pumpenleistungen zu kompensieren, wird diese Angleichung in der Praxis kaum gemacht.

Die nächste Möglichkeit ist der Einbau eines größeren Pufferspeichers als Trennpuffer. Hier fungiert dieser als hydraulische Weiche, der es der Wärmepumpe ermöglicht, ihr Wasser am Verbraucherkreis vorbei zu drücken. Inwieweit hierbei eine Durchmischung stattfindet, hängt stark vom inneren Aufbau des Pufferspeichers ab. Sofern die Anschlüsse für Wärmepumpenvorlauf (rot) und Verbrauchervorlauf (orange) direkt nebeneinander liegen, gelangt (bei gleicher Pumpenleistung von Primär- und Sekundärpumpe) nur wenig (kühleres) Wasser aus dem Pufferspeicher in den Verbrauchervorlauf. Sofern die Anschlüsse aber auf jeweils entgegengesetzten Seiten des Puffers liegen und sogar (wie im Beispiel) die Anschlüsse gegenläufig sind (d.h. Rücklauf und Vorlauf fließen in entgegengesetzte Richtungen), so ist eine Durchmischung ebenfalls unvermeidlich. Dieser Aufbau ist die häufigste Variante; sofern der Pufferspeicher vom Hersteller durch einen entsprechenden inneren Aufbau (z.B. Trenngitter zwischen Vor- und Rücklauf) und optimale Position der Anschlüsse für diesen Zweck gebaut wurde, sind die Verluste meist tolerierbar.

Ist der Pufferspeicher allerdings nur ein „großer Topf“ (was z.B. oft der Fall ist, wenn ein vorhandener Solarthermie-Pufferspeicher verwendet werden soll), so können die Verluste minimiert werden, indem er als Parallelpuffer eingebunden wird. Hierbei werden außerhalb des Puffers T-Stücke verbaut, welche das Wasser aus dem Vorlauf und Rücklauf jeweils in den Pufferspeicher abzweigen. Auch hier schließt der Pufferspeicher den Wärmepumpenkreis kurz, allerdings muss das Wasser nur dann durch den Pufferspeicher, wenn die Leistung der beiden Pumpen tatsächlich unterschiedlich ist. Wasser aus dem Pufferspeicher gelangt nur dann in den Verbraucherkreis, wenn die Wärmepumpe abgeschaltet ist.

Die energetisch günstigste Lösung ist die Einbindung als Reihenpuffer (manchmal auch Gleitpuffer oder 3-Punkt-Anbindung genannt). Hierbei wird der Pufferspeicher nur in den Rücklauf eingebunden, der Vorlauf kann ungehindert in den Verbraucherkreis strömen. Sofern der Durchfluss im Verbraucherkreis reduziert ist, öffnet graduell ein Differenzdruckventil, welches den Wärmepumpenkreis kurzschließt und es somit ermöglicht, dass die Pumpe das warme Wasser in den Pufferspeicher drücken kann. Für diesen Aufbau wird nur eine Pumpe benötigt, sie spart also Stromkosten. Aber natürlich muss die eingebaute Primärpumpe stark genug für den Verbraucherkreis sein. Dieser Aufbau ist insbesondere für Häuser mit reinen Fußbodenheizungen zu empfehlen. Auch ist diese Art der Einbindung die einzige, bei der der innere Aufbau des Pufferspeichers irrelevant ist, weil das Wasser im Speicher auf jeder Höhe die gleiche Temperatur hat.

Warmwasser / innerer Aufbau

Wir haben eingangs erwähnt, dass wir uns auf Pufferspeicher für die Heizflächen konzentriert haben. In diesem Fall enthält der Pufferspeicher Heizungswasser, welches ein geschlossener Kreislauf ist. Es wird einmal in die Heizungsanlage gefüllt und nur bei Reparaturen ausgetauscht. Wichtig ist daher, dass das Wasser sauber bleibt und nicht verschlammt. Um dies sicherzustellen, werden Schlammabscheider / Magnetitabscheider eingebaut, welche die Partikel einfangen, welche durch Korrosion von metallischen Bauteilen entstehen.

Demgegenüber sind Warmwasserspeicher mit Brauchwasser (Warmwasser) gefüllt, welches auch zum Kochen und Waschen verwendet wird. Da sich in stehendem, warmen Wasser mit der Zeit Legionellen (Bakterien) bilden können, ist es wichtig, dass das Wasser innerhalb von 1-2 Tagen verbraucht und durch neues Wasser ersetzt wird; daher darf ein solcher Warmwasserspeicher nicht zu groß sein, außerdem muss das Wasser stets mindestens 55°C warm sein.

Um die Wärme zwischen Heizung und Brauchwasser zu übertragen, gibt es zwei Möglichkeiten:

• Ein Durchlauferhitzer ist ein spiralförmiges Rohr, welches von Wasser durchströmt wird und sich seinerseits innerhalb des Pufferspeichers befindet.
  1. Er kann entweder von warmem Heizungswasser durchströmt werden, welches dabei seine Wärme an das Pufferwasser abgibt (welches dann seinerseits Brauchwasser ist) – dieses Prinzip ist ein Warmwasserspeicher,
  2. oder umgekehrt von kaltem Brauchwasser, welches dabei die Wärme des umgebenden Heizungswassers aufnimmt – dieses Prinzip nennt man Hygienespeicher.

Da die Temperatur des Heizungswassers bei Wärmepumpen möglichst niedrig sein soll, ist wichtig, dass dieses Rohr möglichst lang ist, damit genug Wärme ausgetauscht werden kann.

• Ein Plattenwärmetauscher befindet sich außerhalb des Pufferspeichers. Er besteht aus zwei Kreisläufen mit dünnen Rohren, die sich direkt aneinander in einem Bauteil befinden und gegenläufig von Heizungswasser und Brauchwasser durchströmt werden. Wegen der durch gesonderte Pumpen erzwungenen Durchströmung der Tauscherfläche wird das abgekühlte Heizungswasser schnell abtransportiert und warmes Wasser strömt nach, außerdem wird durch die dünnen Röhren eine Turbulenz im Tauscher erzwungen, welche für eine gute Wärmeübertragung sorgt (Wasser ist entgegen landläufiger Meinung ein schlechter Wärmeleiter – Wärme wird nicht von Molekül zu Molekül geleitet wie z.B. bei Metall, sondern durch Ortswechsel der Wassermoleküle selbst (Konvektion)). Eine solche Turbulenz ist dagegen in einem Durchlauferhitzer in der Regel unerwünscht, denn dort sorgt sie für eine Durchmischung der verschiedenen Temperaturschichten im Speicher und somit einem Verlust von nutzbarer Wärmeenergie (sogenannte Exergievernichtung). Umgekehrt kommt es aber ohne Turbulenz und schwacher Konvektion aber leicht zum Wärme- bzw. Kältestau, d.h. die Wärmedifferenz wird nicht abtransportiert und die Wärmeübertragungsleistung sinkt. Eine höhere Übertragungsleistung aber ermöglicht niedrigere Vorlauftemperaturen, um trotzdem die gewünschte Brauchwassertemperatur zu erreichen und spart damit Energie. Daher sind Plattenwärmetauscher bzw. Frischwasserstationen sehr viel kleiner als Durchlauferhitzer, sie kommen mit einer viel kleineren Kontaktfläche aus.

Aufgrund der Legionellen kann ein Warmwasserspeicher nicht mit dem Heizungspeicher identisch sein, bei den anderen beiden Bauarten (Hygienespeicher und Frischwasserstation) ist dies möglich. Ein solcher Kombipuffer kann im Prinzip beliebig groß sein, was insbesondere dann sinnvoll ist, wenn Solar-Überschusstrom als Wärme gespeichert werden soll. Da hierbei auch keine Gefahr einer Legionellenbildung besteht (weil das Brauchwasser erst bei Entnahme erwärmt wird), ist diese Bauart einem Warmwasserspeicher vorzuziehen. Hierbei ist allerdings zu beachten, dass der Pufferspeicher zwei Anschlüsse zumindest für den Vorlauf benötigt, da das Brauchwasser in der Regel auf eine höhere Temperatur erwärmt werden muss als das Wasser für die Heizflächen. Dementsprechend hat die Wärmepumpe üblicherweise auch zwei Betriebsmodi für Warmwassererzeugung und für Heizung. Bei Warmwasserbereitung wird der Vorlauf in den oberen Bereich des Puffers eingeschichtet, bei Heizungsbetrieb entweder gar nicht (siehe vorige Diskussion) oder in den mittleren Bereich des Puffers. Ein weiterer möglicher Nachteil eines Kombipuffers ist eine Durchmischung zwischen dem wärmeren Warmwasserbereich und dem kühleren Heizbereich; dies kann verringert werden, indem zwischen den verschiedenen Bereichen Trenngitter eingebracht sind, und indem sichergestellt wird, dass das Einströmen des Wassers möglichst wenig Turbulenzen verursacht. Letzteres gelingt nur durch möglichst geringen Durchfluss (Massenstrom, d.h. Pumpenleistung) und durch ein entsprechendes Design der Wasserauslässe (idealerweise waagerecht und einen möglichst großen Bereich abdeckend (also keine „Düse“, welche eine Wasserwalze erzeugt)). Diese Problematik besteht allerdings genauso bei reinen Heizungs- und Warmwasserpuffern.

Wenn Sie also bereits einen großen Pufferspeicher mit genügend Anschlüssen auf verschiedener Höhe besitzen (z.B. für Solarthermie oder weil Sie Überschüsse speichern möchten), sollten Sie die Warmwasserbereitung über einen Plattenwärmetauscher/Frischwasserstation realisieren anstatt einen zweiten (Hygiene- oder Warmwasser-)speicher zu installieren. Ein Nachteil von Plattenwärmetauschern ist allerdings ihre sinkende Effizienz im Niedertemperaturbereich – d.h. wenn der Unterschied zwischen Vorlauf- und Brauchwassertemperatur sehr niedrig ist. Sofern der Plattenwärmetauscher nicht groß genug ist, muss die sinkende Vorlauftemperatur mit einer höheren Pumpenleistung ausgeglichen werden, d.h. es strömt mehr Heizwasser durch den Tauscher, kühlt sich dadurch weniger stark ab und strömt wärmer wieder in den Puffer zurück – was wiederum die Temperaturschichtung im Pufferspeicher stört.

Eine Alternative zu einer Frischwasserstation ist ein besonderer innerer Aufbau des Durchlauferhitzers im Puffer, welcher einerseits eine Turbulenz und Konvenktion erzwingt und somit eine gute Übertragungsleistung liefert und andererseits ein Ausbreiten dieser Turbulenz in die verschiedenen Temperaturschichten des Speichers verhindert, indem sie die Windungen des Durchlauferhitzers „einsperrt“ und eine Bewegung des Wassers nur senkrecht, aber nicht seitwärts erlaubt. Das Institut für Solartechnik SPF in der Schweiz hat erstmals eine systematische Testung der Schichtungseffizienz (also des Verhältnisses der zugeführten zur entnommenen Wärmemenge) von verschiedenen Pufferspeichern vorgenommen. Sofern Sie noch vor der Auswahl eines Pufferspeichers stehen, schauen sie dort nach, welche die beste Effizienz haben. Beachten Sie bei Ihrer Auswahl, dass die Funktionsweise „mit Warmwasserfenster“, welche dort angeboten wird, bedeutet, dass die Heizung nur genau dann angeschaltet wird, wenn warmes Wasser entnommen wird, das Wasser somit nur kurz im Speicher bleibt. Sie sollten Ihre Auswahl daher mit der Option „ohne Warmwasserfenster“ treffen, um die längerfristige Effizienz beurteilen zu können.

Der Youtuber bonotos bietet auf seiner Homepage darüberhinaus ein Tool an, mit dem die Effizienz auch von Pufferspeichern bewertet werden kann, welche nicht in der Liste der SPF zu finden sind.

Weitere Aspekte

Für die Energieeffizienz sind bei Pufferspeicher und Warmwasserbereitung zwei weitere Dinge wichtig:

• Dämmung der Anschlüsse: Pufferspeicher werden meist fertig gedämmt geliefert, und die Dämmung der Warmwasserrohre ist für Heizungsinstallateure Standard. Oft werden aber die Anschlüsse an den Pufferspeicher vergessen – und über diese geht eine Menge Wärme verloren. Stellen Sie also sicher, dass auch diese Übergänge zwischen Pufferspeicher und Rohren gut gedämmt sind.
• Zirkulation: Außer beim Einsatz eines Warmwasserspeichers ist eine Zirkulationspumpe für das Warmwasser meist eine reine Komfort-Funktion. Sie stellt sicher, dass auch bei weit entfernten Zapfstellen sofort warmes Wasser zur Verfügung steht. Um dies zu erreichen, wird das erhitzte Wasser im Kreis durch das Verbrauchernetz gepumpt, auch wenn kein warmes Wasser entnommen wird. Dadurch geht beständig Wärme im Rohrnetz verloren, und zwar nicht zu knapp. Wenn Sie auf diesen Komfort verzichten können, benötigen Sie die Zirkulation nur zum Spülen von Entnahmesträngen, die selten oder nie genutzt werden und daher stehendes Wasser enthalten könnten. Aber auch dann reicht es aus, die Zirkulationspumpe ein- bis zweimal täglich für einige Minuten anzuschalten.

Fazit

Das Problem ist meist, dass bei Verbrennerheizung die erläuterten Probleme nicht relevant sind. Im Gegenteil, da Verbrennerheizungen quasi „von alleine“ zu hohe Vorlauftemperaturen erzeugen, wird oft sogar ein Mischer eingebaut, welcher kühles Rücklaufwasser in den Vorlauf mischt, um die Vorlauftemperatur abzusenken. Und da Wärmepumpen für die meisten Heizungsinstallateure noch eine recht neue Technik sind, bauen sie die Hydraulik gerne so, wie sie sie schon immer gebaut haben – mit Mischer, hydraulischer Weiche oder Trennpuffer. Sogar manche Wärmepumpenhersteller haben in ihren Hydraulikplänen Trennpuffer vorgesehen, meist diejenigen, die zuvor Gas- und Ölheizungen hergestellt haben. Die Wärmepumpe funktioniert, die Heizkörper werden warm – und der Kunde wundert sich über hohe Stromkosten und verflucht die Wärmepumpentechnik. Daher: Sprechen Sie mit Ihrem Installateur über die Art der Einbindung eines Pufferspeichers, seine Größe und die Art der Warmwasserbereitung.