Schichtenspeicher: Funktionsweise, Varianten & Preise

Was ist ein Schichtenspeicher? Wie ist er aufgebaut? Wie funktioniert die Schichtspeicherung? Welche Vor- und Nachteile bringt dieses Prinzip? Wo und wann lohnt sich ein Schichtladespeicher? Mit welchen Kosten muss man rechnen?

Ein Schichtenspeicher bzw. Schichtladespeicher ist ein Wärmespeicher, der Wärmequellen je nach ihrer Temperatur so vereint, dass sie sich nicht vermischen. Dazu nutzt der Schichtenspeicher aus, dass die Dichte von Wasser mit abnehmender Temperatur zunimmt et vice versa. So lassen sich im Schichtenspeicher unterschiedlich warme Wasserschichten bilden, in die in der entsprechenden Höhe und Temperatur in den Schichtladespeicher Wasser ein- als auch ausgespeist werden kann. Dadurch, dass sich die Schichten nur wenig vermischen, erhöht sich die Effizienz insbesondere der zusammengeführten Wärmequellen wie z. B. einer Gasheizung mit einer Solaranlage und/oder einem wasserführenden Kamin.

Ein sogenannter Schichtenspeicher ist ein Gerät, das Wärme speichert. Er ist als Wärmespeicher Komponente der Heiztechnik, die die Effizienz einer Heizungsanlage maßgeblich erhöht. Denn er speichert überschüssige Heizwärme und führt diese dem Heizsystem zu. So wird ein Maximum der Wärme genutzt und die Verluste fallen geringer aus als bei einer Heizung ohne Schichtenspeicher.

Dank eines Wärmetauschers kann beispielsweise die

• obere, heiße Schicht Speicherwasser fürs Baden oder Duschen genutzt werden und die
• nur mäßig warme Mittelschicht, um die Heizung in der Nacht auf Mindestraumtemperatur zu halten.

So nutzt der Schichtenspeicher die gespeicherte Wärmeenergie noch effektiver als ein Kombi- oder Pufferspeicher in Standardbauweise und kann daher auch kleiner bemessen werden als die beiden vorgenannten Speichertypen.

Gehört eine Solarthermie-Anlage zum Heizungssystem, ist der Schichtenspeicher übrigens zwingend notwendig, um diese überhaupt einzubinden. Als Speichermedium dient im Schichtenspeicher Wasser. Deshalb wird der Schichtenspeicher auch Warmwasserspeicher genannt.

Die im Speicherwasser gespeicherte Wärme kann zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden. Der Speicher lagert (puffert) sie quasi zwischen. Demnach ist der Schichtenspeicher auch ein Pufferspeicher. Das Speicherwasser befindet sich in einem gut isolierten Tank, der auch als das Herzstück des Puffers angesehen wird.

Typischerweise ist der Schichtenspeicher von hoher, schlanker Form, ähnlich einer schlanken Tonne. Damit über die aus der Bauform resultierende große Fläche des Schichtenspeichers möglichst wenig Wärme an die Umgebung verloren geht, muss dieser optimal gedämmt sein.

Wobei die Dämmung nicht nur die Schichtenspeicherwand, sondern insbesondere auch seine Boden- und Deckelfläche umfassen sollte. Ebenso die Rohranschlüsse, die sonst als unerwünschte Wärmebrücken wirken.

Der typische Schichtenspeicher besitzt drei spiralförmige, sich windende Rohrschnecken. Alternativ kann das auch ein einzelnes Edelstahlwellrohr sein, das von unten nach oben in Serpentinen verlegt wird.

Teilweise werden auch Trennbleche z.B. im höchstgelegenen Behälterbereich eingesetzt, um voneinander unabhängige Kammern herzustellen und zu verhindern, dass sich das heiße Wasser mit der kühleren Schicht darunter vermischt.

Das Speicherwasser im Schichtenspeicher ist Heizungswasser, das auch durch den Heizkreislauf zirkuliert. Aus der Tatsache, dass warmes Wasser eine geringere Dichte besitzt als kaltes, ergibt sich auf natürliche Weise eine Temperaturschichtung des Tankinhalts.

Das warme Wasser ist im oberen Bereich, das kalte im unteren. Dazwischen befindet sich eine Schicht Wasser mit einer Mischtemperatur:

• oberer Heißwasserbereich: 20 bis 80 Grad Celsius
• mittlerer Nachlieferbereich: 10 bis 20 Grad Celsius
• unterer kalter Bereich: 0 bis 10 Grad Celsius

Moderne Schichtspeicher werden mit Ladeeinrichtungen wie z. B. Ladelanzen ausgestattet, um das Wärmeträgermedium direkt in der Höhe einzuspeisen, in der die gleiche Dichte und somit Temperatur vorherrscht. So ist es unter anderem möglich auch bei geringem Ertrag noch Energie von einer solarthermischen Anlage in den Speicher zu bringen.

Der Warmwasserzulauf, der vom Wärmeerzeuger kommt, zum Beispiel von einem Heizkessel oder von einer Solarthermie-Anlage, sollte so platziert sein, dass die Beladung des Schichtladespeichers sachte und ohne Wirbel auszulösen erfolgt.

Denn das würde dazu führen, dass sich das zulaufende Warmwasser mit den kühleren Temperaturschichten vermischt, was den Effizienzeffekt des Schichtenspeichers zunichtemacht.

Damit die Durchmischung minimal bleibt, gibt es im Inneren vom Schichtenspeicher waagerecht sitzende Platten. Die sogenannten Prallbleche (Leitbleche) helfen dabei, dass das heiß zulaufende Wasser sanft auf das kalte geschichtet wird. Das gelingt, weil es darüber waagerecht einläuft und sich gleich oben aufschichtet und nicht erst nach unten gedrückt wird.

Außerdem sind die Zu- und Abläufe jeweils einer Temperaturschicht zugeordnet. Nicht zuletzt drosseln Ventile die Zu- und Ablauflaufgeschwindigkeit des Wassers, auch das fördert die Stabilität der Schichten.

Bei Anlagenstillstand führen hauptsächlich die vertikale Wärmeleitung und die freie Konvektion zu einer Änderung der Temperaturverteilung.

Wenn die Beladung des Schichtenspeichers schon besonders schichterhaltend gestaltet ist, muss das Entladen ebenso funktionieren. Wichtigstes Kriterium: keine Verwirbelung bei der Entnahme!

Um temperaturdiskret auszuspeichern, verfügen klassische Schichtspeicher über mehrere Stutzenzur Entnahme von Speichermedium in unterschiedlichen Höhen. Über Mehrwege-Mischverteiler wird dann die vom Heizungssystem angeforderte Temperatur bereitgestellt. Dabei ist der Mehrwege-Mischer so ausgelegt, dass möglichst wenig Medium mit hoher Temperatur aus dem Speicher entnommen wird.

Während der Entladung durch einen Verbraucher nimmt die im gesamten Speicher örtlich konstante Temperatur ab. Bei der Entladung schiebt sich die kalte Front nach oben, bis die Sollwert-Temperatur am oberen Temperaturfühler unterschritten wird. Die Entladung muss abgebrochen werden, wenn die Temperatur an der Speicherentnahme bzw. am Messfühler unter die notwendige Versorgungstemperatur des Verbrauchers fällt.

Die daraufhin eingeleitete Beladung führt zu einem Verschieben der Temperaturfront nach unten, bis die Sollwerttemperatur am unteren Temperaturgeber wieder überschritten wird.

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Sogenannte multivalente Schichtenspeicher haben mehrere Anschlüsse, um sie zu be- und entladen. Diese Anschlüsse sitzen in unterschiedlichen Höhen des Schichtenspeichers. Die Platzzuweisung ist zum Beispiel dann von Vorteil, wenn in der Heizungsanlage einerseits eine – vergleichsweise

• niedrig temperiertes Wasser – liefernde Wärmepumpe und andererseits ein – vergleichsweise
• heißes Wasser – liefernder Heizkessel gemeinsam Wärme erzeugen.

Vorteilhaft wäre es in diesem Fall, den kühleren Wärmepumpenzulauf mittig zu platzieren und den heißeren vom Heizkessel weiter oben. Aber Achtung: Mehrere Anschlüsse am Schichtenspeicher erhöhen mitunter die sogenannten Stillstandwärmeverluste.

Bei sogenannten thermodynamischen Schichtenspeichern landet das warme Zulaufwasser stets in der Warmwasserschicht im Schichtenspeicher, deren Temperatur der Zulauftemperatur am nächsten liegt. Der Grund: In diesen Schichtenspeichern sitzt ein senkrechtes Rohr aus Kunststoff mit mehreren Wasserauslässen. Über dieses Rohr steigt das wärmere Wasser nach oben, wo es aufschichtet. Das kühlere Wasser dagegen bleibt unten.

Eine neue Lösung, entwickelt von Jonas Scheumann, bietet das dynamische Ausspeichern über eine sensorgesteuerte, eine spiralförmige Öffnung, die eine Anpassung der Entnahmehöhe erlaubt. Von außen erfolgt dann die Anforderung der Entnahmetemperatur. Ein Motor stellt die optimale Höhe ein. Wird die angeforderte Temperatur unterschritten, stellt der Motor die Entnahmehöhe nach und beeinflusst so, aus welcher Höhe die Temperatur entnommen wird.

Ist eine Mischschicht mit exakt der Wunschtemperatur vollständig aufgezehrt, wird die nächstwärmere Schicht mit minimal kühlerem Speichermedium gemeinsam entnommen und so die lauwarmen Schichten Zentimeter um Zentimeter abgetragen. Ist das Temperaturniveau so gering, dass die angeforderte Temperatur nicht mehr entnommen werden kann, ist der Speicher leer.

So wird immer automatische lauwarmes Wasser entnommen, wenn Medium mit geringfügig geringerer Temperatur als der maximal verfügbaren Temperatur entnommen wird. Deshalb kann am Ende der Entnahme davon ausgegangen werden, dass sämtliche zur Verfügung gestandene Temperatur maximal ausgenutzt wurde.

Wird der Schichtenspeicher jetzt wieder nachgeheizt, ist ausgeschlossen, dass lauwarmes Wasser nachgeheizt werden muss, da dieses nicht mehr vorhanden ist. Das Speichervolumen wird vollständig ausgenutzt. Auch eine energieintensive Nachheizung des Mediums bei hohem Temperaturbedarf entfällt bis zur vollständigen Entladung.

Wird der nun vollständig entladene Speicher nachgeheizt, können die Wärmeerzeuger, wie z.B. Brennwertgerät, solarthermische Anlage oder Wärmepumpe auf die vollständige Temperaturspreizung zwischen Be- und Entladung zurückgreifen. Der Wärmeaustausch, und damit die Ausnutzung der eingesetzten Energie (Primärenergie) geht deutlich besser von statten.

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Ein Schichtenspeicher ist komplexer ausgelegt als ein herkömmlicher Pufferspeicher. Das macht sich auch im Preis vom Schichtenspeicher bemerkbar: Für einen Schichtenspeicher für ein klassisches Einfamilienhaus sollten Sie je nach Speichervolumen mit Preisen um die 1.000 bis 1.500 Euro rechnen. Die Montage kostet rund 500 bis 1.000 Euro.

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