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Experten-Ratgeber: Technik und Typen von Warmwasserspeichern

Was ist ein Warmwasserspeicher? Welche Aufgabe erfüllt er? Wie ist ein solcher Speicher aufgebaut und wie funktioniert er? Gibt es unterschiedliche Modelle und worin bestehen die Unterschiede?

Wir erklären Ihnen in diesem Artikel, welche Aufgabe ein Warmwasserspeicher innerhalb eines Heizungssystems einnimmt. Sie erfahren dabei, wie der Speicher aufgebaut ist und wie er funktioniert. Wir gehen auf unterschiedliche Bauweisen und Betriebsarten ein und stellen die wichtigsten Funktionsprinzipien von Warmwasserspeichern vor.

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Grundlagen: Warmwasser und Warmwasser speichern

Stehender Speicher-Wassererwärmer Viessmann VertiCell aus rostfreiem Edelstahl ohne Flanschöffnung zur Trinkwassererwärmung in Verbindung mit einem Heizkessel. (Foto: energie-experten.org)
Stehender Speicher-Wassererwärmer Viessmann VertiCell aus rostfreiem Edelstahl ohne Flanschöffnung zur Trinkwassererwärmung in Verbindung mit einem Heizkessel. (Foto: energie-experten.org)

Die Verfügbarkeit von warmen Brauchwasser zu jeder Tages- und Nachtzeit ist für uns heute selbstverständlich. Sie ist Teil des Wohnkomforts und sorgt für Behaglichkeit. Allerdings unterscheidet sich der Warmwasserbedarf von Haushalt zu Haushalt. Wie viel Warmwasser verbraucht wird, hängt unter anderem von der Zahl der Verbraucher im Haushalt ab sowie von deren Wasch-, Dusch- und Badegewohnheiten.

Mit Warmwasser meint man erwärmtes Trinkwasser, auch Brauchwasser oder Betriebswasser, genannt, das aus den Zapfstellen des Haushalts strömt, also aus Wasserhähnen, Dusche und Abnahmestellen für Waschmaschine und Geschirrspüler – und dabei eine warme Temperatur zwischen 30 und 60 Grad Celsius hat. Heißeres Wasser nennt man entsprechend: Heißwasser.

Ein Warmwasserspeicher, das sagt schon der Name, ist ein technisches Gerät, das warmes Wasser speichert und für einen späteren Gebrauch bereithält. Alternative Bezeichnungen für Warmwasserspeicher sind Trinkwasser-, Brauchwasser- oder Pufferspeicher.

Expertentipp: Während der Mensch eine Wassertemperatur von 35 Grad Celsius als handwarm empfindet, setzt er sich mit Warmwasser von um die 55 Grad Celsius bereits der Verbrühungsgefahr aus. Als Normaltemperatur stellt man deshalb in Wohnungen üblicherweise die Temperatur auf etwa 40 Grad Celsius ein.

Überblick über die verschiedenen Bauformen

Offene vs. geschlossene Warmwasserspeicher

Je nach Druckverhältnis unterscheidet man Warmwasserspeicher in offen beziehungsweise drucklos betriebene und geschlossene Systeme, die unter Druck stehen.

  • Offen betriebene Warmwasserspeicher funktionieren unabhängig vom Druck der Kaltwasseranlage, versorgen aber nur eine Abgabestelle/Zapfstelle.
  • Geschlossen betriebene Warmwasserspeicher unterstehen dem Leitungsdruck von 10 bar und sind daher meist teurer. Allerdings sind sie fähig, mehrere Zapfstellen zu versorgen.

Direkt vs. indirekt erwärmter Warmwasserspeicher

Warmwasserspeicher unterscheidet man zudem nach der Art, wie das Wasser erwärmt wird, prinzipiell in zwei Modelle:

  • direkt erwärmte
  • und indirekt erwärmte

Direkt erwärmte Warmwasserspeicher sind sowohl Wärmespeicher als auch eigenständiger Wärmeerzeuger. Das heißt, das Wasser wird direkt im Speicher erhitzt. Dafür gibt es eine extra Brennkammer und einen Anschluss, um die Abgase, die beim Verbrennungsprozess freigesetzt werden, abzuführen. Während solche direkt erwärmten Warmwasserspeicher lange Zeit mit Vorliebe eingesetzt wurden, weil sie beispielsweise ermöglichten, dass der Heizkessel, der als zentraler Wärmeerzeuger der Heizungsanlage fungiert, im Sommer ausbleiben konnte, macht ihre Betriebsart heute kaum noch Sinn, weil Niedertemperaturheizgeräte und Brennwerttechnik sich mehr durchsetzen. Im Vergleich dazu ist die Energieeffizienz eines direkt erwärmten Warmwasserspeichers zu gering und sein Wartungsaufwand ist zu hoch.

Indirekt erwärmte Warmwasserspeicher speichern hingegen das Warmwasser, das vom heißen Heizwasser erwärmt wird, das wiederum vom Wärmeerzeuger der Heizungsanlage erhitzt wurde. Der Warmwasserspeicher braucht dann natürlich keinen eigenen Zugang zum Schornstein, weil er keine Abgase produziert.

Wärmetausch mit Rohrsystem

Und so funktioniert der Wärmetausch zwischen Heizwasser und Brauchwasser im indirekt erwärmten Warmwasserspeicher: Die Pumpe drückt das heiße Heizwasser durch die Anlage in den Warmwasserspeicher. In dessen Bauch strömt es durch ein wendelförmiges oder spiralförmiges Rohr aus Kupfer oder Edelstahl, das von Trinkwasser umgeben ist. Dort gibt das heiße Heizungswasser seine Wärme an das Trinkwasser ab - ein klassischer Wärmetausch, der nur funktioniert, solange das Heizwasser heißer ist als das Trinkwasser im Warmwasserspeicher. Das Spiralrohr nennt man entsprechend auch Wärmetauscher. Man könnte den Warmwasserspeicher demnach auch mit einem weiteren Heizkörper vergleichen, der sich innerhalb eines gut gedämmten Gehäuses befindet, das mit Trinkwasser gefüllt ist.

Abzugrenzen ist das Funktionsprinzip von einem Tauchsieder, denn dessen Heizspirale, die ins zu erwärmende Wasser getaucht wird, wird mit Hilfe von elektrischem Strom erzeugt.

Wärmetausch mit Speicher-in-Speicher

Die Warmwasserbereitung im indirekt erwärmten Warmwasserspeicher nennt man auch Beladung oder Ladung, weil „Wärme geladen“ wird. Entsprechend wird die Pumpe auch Ladepumpe genannt.

Neben dem eben beschriebenen Funktionsprinzip gibt es bei indirekt erwärmten Warmwasserspeichern ein weiteres: Bei sogenannten Doppelmantel-Warmwasserspeichern, kurz: Doppelmantelspeichern, handelt es sich um eine Speicher-in-Speicher-Bauweise. Der äußere Speicher ist mit dem warmen Heizwasser und einem zweiten Speicher gefüllt, in dem das Trink-/Brauchwasser ist, das erwärmt werden soll. Die Speicherwand des innenliegenden Speichers bildet die „Wärmetauscher“-Fläche.

Solche Doppelmantel-Warmwasserspeicher sind verglichen mit den zuvor beschriebenen Warmwasserspeichern mit Wärmetauscherröhre in der Anschaffung günstiger, da ihre Bauweise einfacher ist. Aber: Die Schichtung des unterschiedlich temperierten Wassers (von oben = heiß nach unten = kalt), die auch Temperaturschichtung genannt wird, ist im Doppelwandspeicher weniger wirkungsvoll. Das senkt seinen Wirkungsgrad spürbar. Die Wärmeerzeugung ist demzufolge ineffizienter als beim Warmwasserspeicher mit Röhren-Wärmetauscher. Das ist auch der Grund, warum ein doppelwandiger Warmwasserspeicher nicht wirklich als Komponente einer Heizungsanlage Sinn macht, dessen Wärmeerzeuger Brennwert- und / oder Solarthermie-Kollektoren sind.

Edelstahl- und emaillierte Stahlspeicher

Aus Gründen der Trinkwasserqualität und hygienischen Anforderungen werden Warmwasserspeicher entsprechend der DIN EN 12897 aus emailliertem Stahl oder Edelstahl hergestellt. Edelstahlspeicher haben den Vorteil, dass sie besonders korrosionsbeständig und dementsprechend langlebig sind und ohne weitere Korrosionsschutzmaßnahmen auskommen. Demgegenüber bedürfen emaillierte Stahlspeicher an Fehl- oder Zehrstellen des Emails einem zusätzlichen Korrosionsschutz. Dieser kann durch das Einprägen und Überlagern eines entgegengesetzten Stroms (Schutzstrom) mittels einer externen Spannungsquelle (Fremdstromanode bzw. Schutzanode) oder über ein mit dem Stahlbehälter leitend verbundenes unedleres Metall (Opferanode) erfolgen. Während Fremdstromanoden weitgehend verschleißfrei sind, bestehen Opferanoden hauptsächlich aus Magnesium (Magnesiumanoden) und müssen je nach Wasserqualität regelmäßig überprüft und erneuert werden.

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Temperaturschichtung: Vor- und Nachteile

Wie eben bereits angedeutet, ist das Wasser im Warmwasserspeicher oben wärmer als unten. Der Grund für die Temperaturschichtung ergibt sich aus den Grundgesetzen der Thermik, denen zufolge warmes Wasser leichter ist als kaltes und somit nach oben steigt. Unten wird das kalte Wasser in den Warmwasserspeicher eingeleitet, das mit seiner Erwärmung nach oben steigt und dort entnommen wird. Das gelingt, weil man mit dem Öffnen des Wasserhahns für Warmwasser, beispielsweise im Bad, bewirkt, dass unter Druck stehendes Kaltwasser (geschlossenes System) unten in den Speicher drückt und nach dem Verdrängungsprinzip oben erwärmtes Wasser aus dem Speicher zum Hahn hin schiebt.

Ziel des Ganzen ist eine hohe Entnahmeleistung. Das heißt, dass bei bestehender Temperaturschichtung möglichst viel und gleichbleibend heißes Wasser entnommen werden kann. Das Funktionsprinzip wird mitunter auch Eimerprinzip genannt. Eine Verwirbelung des unterschiedlich heißen Wassers wäre insofern nachteilig, als dass das Wasser im oberen Teil des Speichers nicht so heiß werden würde beziehungsweise nicht so viel heißes Wasser vorrätig wäre wie bei einer optimalen Temperaturschichtung. Infolgedessen müsste der Wärmeerzeuger häufiger an- und ausspringen, was man auch „takten“ nennt. Ein allzu häufiges Takten ist jedoch sowohl aus energetischer als auch aus betriebswirtschaftlicher Sicht ungünstig und daher unerwünscht, da dabei deutlich mehr Energie verbraucht wird, als wenn der Wärmeerzeuger länger durchlaufen würde.

Konzepte zur Einbindung in Heizungssysteme

Monovalente Warmwasserspeicher

Warmwasser-Speicher Buderus Logalux in stehender, zylindrischer Stahlblechausführung ohne Heizschlange. (Foto: Bosch Thermotechnik GmbH)
Warmwasser-Speicher Buderus Logalux in stehender, zylindrischer Stahlblechausführung ohne Heizschlange. (Foto: Bosch Thermotechnik GmbH)

Bei einer monovalenten Einbindung wird das Warmwasser im Speicher über einen einzigen integrierten Wärmetauscher erwärmt. Solcherlei Speicher werden für gewöhnlich mit Heizwasser eines zentralen Wärmeerzeugers wie z. B. einem Gas- oder Ölbrennwertkessel, einem Holzheizkessel oder einer Wärmepumpe versorgt. Dabei wird der Warmwasserspeicher so lange beheizt, bis die gewünschte Temperatur im Speicher erreicht ist. Wird dann warmes Wasser oben aus dem Speicher gezapft, so fließt unten kaltes Wasser in den Speicher nach und schichtet sich entsprechend unter das Warmwasser des oberen Speicherbereiches.

Bivalente Warmwasserspeicher

Bivalente Warmwasserspeicher kommen zum Einsatz, wenn zwei Wärmeerzeuger vorhanden sind. Dies sind zumeist ein konventioneller Erzeuger und eine Solarwärmeanlage zur Brauch- oder auch Heizungsunterstützung. Das vom Solarkollektor erwärmte Medium gibt seine Solarwärme dann über einen zweiten Wärmetauscher im unteren Bereich des Speichers an das Warmwasser ab. Aus Gründen der Versorgungssicherheit, erwärmt der zentrale Wärmerzeuger bei nicht ausreichenden Speichertemperaturen dann den oberen Teil des Warmwasserspeichers (Bereitschaftsteil) über einen weiteren Wärmetauscher.

Zweispeichersystem zur Solarunterstützung

Wird eine Solarwärmeanlage zur Brauchwasser- und zur Heizungsunterstützung eingesetzt, kommen zwei getrennte Speicher zum Einsatz (Zweispeichersystem). Wird Wärme über die Solarthermie-Anlage erzeugt, so wird diese zunächst in den bivalenten Warmwasserspeicher eingespeist. Ist dieses Wasser erwärmt worden und steht noch weitere Wärme zur Verfügung, so wird diese in den Pufferspeicher abgeführt, der das Heizungssystem versorgt. Wird weniger Solarwärme erzeugt, so speist der Hauptwärmeerzeuger in den Bereitschaftsteil des Trinkwarmwasserspeichers und den Pufferspeicher ein. Steht im Pufferspeicher genügend Wärme zur Verfügung, kann über ein Ventil eine Temperaturanhebung des Heizungsrücklaufs erfolgen.

Kombispeicher-System

Weishaupt Kombi-Speicher WKS mit 300 l Trinkwasser- und 100 l Pufferspeicher (Grafik: Max Weishaupt GmbH)
Weishaupt Kombi-Speicher WKS mit 300 l Trinkwasser- und 100 l Pufferspeicher (Grafik: Max Weishaupt GmbH)

Ein sogenannter Kombispeicher stellt eine Alternative zum Zweispeichersystem dar. Er besteht aus einer einer Kombination aus einem Trinkwasser- und einem Pufferspeicher. Das Trinkwarmwasser wird im Speicher über einen innenliegenden Wärmetauscher erwärmt. Die Solaranlage speist Wärme dann über einen weiteren Wärmetauscher im unteren Bereich des Kombispeichers ein. Reicht die Solarwärme bei einer Unterschreitung der Solltemperatur nicht aus, so sorgt der zentrale Wärmerzeuger für eine entsprechende Nacherwärmung im oberen Bereich des Kombispeichers. Steht im Speicher ausreichend Wärme zur Verfügung, wird auch der Heizkreis über den kombinierten Trinkwasser- und Pufferspeicher versorgt.

Multivalentes Speichersystem

AQUA EXPRESSO II Trinkwasser-Pufferspeicher für Heizung und Solar (Foto: Paradigma Deutschland GmbH)
AQUA EXPRESSO II Trinkwasser-Pufferspeicher für Heizung und Solar (Foto: Paradigma Deutschland GmbH)

Multivalente Warmwasserspeichersysteme kommen bei mehr als zwei Wärmeerzeugern zum Einsatz. Dies sind vor Allem ein zentraler Wärmeerzeuger wie eine Gasheizung, einer thermischen Solaranlage und ein z. B. Kaminofen mit einer Wassertasche. Auch hier kommt meist ein großvolumiger Kombispeicher zum Einsatz, der optional auch durch einen weiteren Pufferspeicher vergrößert werden kann. Während im Sommer der Warmwasserspeicher nahezu ausschließlich solar erwärmt wird, kommt in der Übergangszeit und im Winter die Holzheizung zum Einsatz. Erst wenn im Winter die Solaranlage und der Kaminofen gemeinsam nicht ausreichen, um den Wärmebedarf zu decken, kommt der zentrale Wärmeerzeuger als Spitzenlastkessel zum Einsatz.

Trinkwasser-Hygiene in Warmwasser-Installationen

Im Warmwasser-Temperaturbereich von 20 bis 55 °C können sich Legionellen so vermehren, dass sie eine gesundheitlich bedenkliche Konzentrationen aufweisen. Insbesondere längere Aufenthaltszeiten des Warmwassers von einigen Stunden bis Tagen in den Installationsrohren und Warmwasserspeichern begünstigen die Vermehrung dieser Bakterien.

Die DVGW-Arbeitsblätter W 551 und W 553, DIN 1988, DIN 4708 beschreiben daher allgemein anerkannte Regeln der Technik, um ein Legionellenwachstum zu vermeiden. Dabei wird zwischen Groß- und Kleinanlagen unterschieden. (Drei-Liter-Regel). Ein- und Zweifamilienhäuser sind hiervon ausgenommen. In Großanlagen ist demnach der Einsatz einer Zirkulationsleitung vorgeschrieben, die ein Auskühlen des Warmwassers vom Speicher zur Entnahmestelle vermeiden. Der Einsatz einer Zirkulationsleitung führt jedoch zu Wärmeverlusten und zusätzlichem Stromverbrauch durch die Zirkulationspumpe.

Daneben werden „Legionellenschaltungen“ eingesetzt, um das Warmwasser im Speicher (z. B. einmal täglich) auf mehr als 60 °C aufzuheizen. Da jedoch in den Zwischenzeiten das Warmwasser durch Wärmeverlust und Wärmeentnahme im Speicher wieder auf die Betriebstemperatur abkühlt, können Legionellenschaltungen nur deren Konzentration mindern. Erst mit einer Temperaturerhöhung auf 70 °C im Warmwasser-Speicher und dem gesamten Warmwassersystem kann eine thermische Desinfektion (Abtötung vitaler Legionellen) sichergestellt werden.

Da solche Temperaturen über 60 °C für „Legionellenschaltungen“ häufig nicht dauerhaft sicherzustellen sind, nutzt man insbesondere im häuslichen Bereich dezentrale Wärmetauscher für die Warmwasserbereitung wie z. B. Trinkwasserstationen, die am Pufferspeicher befestigt sind. Zusätzlich empfiehlt es sich, die Dämmung der Warmwasserrohre zu verbessern, um ein Auskühlen in der Leitung zu vermeiden.

Aufstellung und Positionierung des Warmwasserspeichers

Das Dämmsystem für Warmwasserspeicher von va-Q-shell ist mit seiner Isolierstärke von nur wenigen Zentimetern platzsparend und erhöht die Energieeffizienz von Wärmespeichern signifikant. (Grafik: va-Q-tec AG)
Das Dämmsystem für Warmwasserspeicher von va-Q-shell ist mit seiner Isolierstärke von nur wenigen Zentimetern platzsparend und erhöht die Energieeffizienz von Wärmespeichern signifikant. (Grafik: va-Q-tec AG)

Die die typische Form eines Warmwasserspeichers ist die eines aufrecht stehenden Zylinders, also eher hoch als breit. Diese Form kommt der Temperaturschichtung des Warmwassers begünstigend entgegen - ein liegender Speicher wäre kontraproduktiv, werden jedoch auch eingesetzt.

Warmwasserspeicher stehen entweder auf eigenen Füßen oder sind zur Montage an die Wand gedacht. Wobei sich aufgrund des Wassergewichts eher kleinere Volumina zur Wandmontage eignen. Hersteller von Warmwasserspeichern bieten häufig ihre Speichermodelle in gestaffelten Volumina an, so dass man den zum eigenen Heizsystem und zum Warmwasserverbrauch passenden Warmwasserspeicher kaufen kann.

Beim Kauf des Warmwasserspeichers sollte unbedingt darauf geachtet werden, dass er nicht nur in den Aufstellungsraum passt, sondern auch dort hineingebracht werden kann: Die Tür zum Aufstellungsraum ist hier das maßgebende Nadelöhr.

Ist genügend Platz vorhanden, so kann man einen Warmwasserspeicher mit werkseitig fest angebrachter Wärmedämmung einsetzen. Während die fest angebrachte Wärmedämmung fest mit dem Warmwasserspeicher verbunden ist und im Regelfall über bessere Dämmeigenschaften verfügt, eignet sich eine abnehmbare Wärmedämmung bei beschränkten Platzverhältnissen, da sie vor Ort bei der Montage angebracht werden kann.

Aus Energieeffizienzgründen ist auch die Nähe des Warmwasserspeichers zum Wärmeerzeuger ratsam: Warmwasserspeicher profitieren trotz optimaler Dämmung von einer warmen Umgebung, wie sie sich in der Nähe des Wärmerzeugers ergibt.

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Weitere Informationen über Warmwasserspeicher

"Technik und Typen von Warmwasserspeichern" wurde am 24.11.2014 verfasst und am 20.08.2016 das letzte Mal aktualisiert.