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Technik und Größe von Pufferspeichern für Solaranlagen

Welche Aufgabe haben Pufferspeicher in Solarthermie-Anlagen? Wie groß sollten sie sein? Was muss man beim Anschluss beachten? Wie energieeffizient arbeiten sie?

Ein Pufferspeicher ist ein zentrales Element einer Solarwärmeanlage und sorgt dafür, dass die Zwischenzeit zwischen Erzeugung (Sonnenschein) und Verbrauch (Duschen etc.) mit so wenig Wärmeverlusten wie möglich überbrückt wird. Die richtige Größenwahl und der hydraulische Anschluss des Pufferspeichers sind ausschlaggebend für die Gesamteffizienz und letztlich Rentabilität der Solarthermie-Anlage. Man unterscheidet Speicher, die nur kurzfristig Wärme z. B. vom Tag in den Abend hinein puffern und Speicher, die saisonal Wärme puffern können.

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Pufferspeicher im Solar- und Heizungskreislauf

Pufferspeicher werden im Gegensatz zu typischen Warmwasserspeichern zur Heizungsunterstützung eingesetzt und sind mit 10 bis 50 cm wesentlich stärker wärmegedämmt. Zweck des Pufferspeichers ist es, die solar gewonnene Wärme zu speichern und zeitversetzt dem Heizwasserkreislauf zuzufügen.

Ein Pufferspeicher verfügt dazu i.d.R. über einen Wärmetauscher im unteren Bereich des Pufferspeichers, über den die Wärme der Solaranlage an das Wasser im Pufferspeicher abgegeben wird.

Da eine Solarthermie-Anlage je nach Tages- und Jahreszeit nicht immer genügend Wärme erzielt, kann immer auch Wärme aus einem weiteren Wärmeerzeuger (bivalenter Pufferspeicher) eingespeist werden. 

Schematische Darstellung der Wärmeflüsse einer Solarwärme-Anlage mit einem Schichtenpufferspeicher (Grafik: Wagner Solar GmbH)
Schematische Darstellung der Wärmeflüsse einer Solarwärme-Anlage mit einem Schichtenpufferspeicher (Grafik: Wagner Solar GmbH)

Puffer-Solar-Systeme im Überblick

Zweispeichersysteme

Zweispeichersysteme bestehen in der Regel aus einem Solarspeicher und einem (oder mehreren) Pufferspeicher(n). Um die Brennerlaufzeiten zu verlängern, besteht hier die Möglichkeit, den Heizkessel puffergeführt zu betreiben. Dies ist insbesondere bei Stückholzkesseln zwingend erforderlich. Prinzipiell lassen sich also zwei Typen unterteilen:

  • Zweispeichersysteme mit puffergeführter Heizung
  • Zweispeichersysteme ohne puffergeführte Heizung

Der Nachteil einer puffergeführten Heizung liegt in einem relativ geringen Systemnutzungsgrad der Solaranlage, da in der Heizsaison im Puffer auf Vorlauftemperatur gearbeitet werden muss. Dies lässt sich umgehen, wenn – konstruktionsbedingt – der untere Teil des Pufferspeichers mit dem Solarwärmetauscher nicht durch den Heizkessel nachgeheizt wird.

Zweispeichersysteme ohne puffergeführte Heizung kommen vor allem in Altbauten und bei der Nachrüstung zum Einsatz. Hier steht das gesamte Puffervolumen der Solaranlage zur Verfügung und ist damit unabhängig von der Vorlauftemperatur des Heizungssystems. Die solare Heizungsunterstützung muss allerdings geregelt erfolgen (über Dreiwege-Ventil und zusätzliche dT-Regelung), da es ansonsten zu einer Wärmeverschleppung aus dem Heizkreis in den (kalten Solar-) Pufferspeicher kommt.

Kombispeicher-Systeme

Prinzipiell lässt sich hier zwischen Varianten mit permanenter und geregelter Rücklaufeinbindung unterscheiden. Bei Rücklauftemperaturen < 35 °C sollte mit permanenter Einbindung gearbeitet werden, da diese ohne zusätzliche Armaturen auskommt.

Kombispeicher mit permanenter Rücklaufeinbindung haben den Vorteil, dass sie kostengünstig und hydraulisch einfach zu realisieren sind. Es werden weder ein Dreiwege-Ventil, noch eine zusätzliche Regler-dT-Funktion, noch ein zusätzlicher Rücklauf-Fühler (für dT-Vergleich Puffer-Rücklauf) benötigt. Ebenfalls entfällt der Speicherfühler in Höhe des Pufferausgangs zum Heizgerät.

Von Nachteil ist, dass sie nur bei Heizungssystemen mit permanent niedrigem Rücklauf von < 35 °C eingesetzt werden sollten. Damit kommt in der Praxis nur eine gut eingeregelte Wärmeübergabe infrage. Andernfalls findet vor allem im Winter bei hohen Rücklauf-Temperaturen im Heizkreis eine Wärmeverschleppung aus dem Heizkreis in den Pufferbereich statt, was einen sinkenden Nutzungsgrad der Solaranlage zur Folge hat. Dieses System wird vorrangig im Neubau eingesetzt.

Bei Kombispeichern mit geregelter Rücklaufeinbindung ist die weitgehende Unabhängigkeit von den maximalen Heizkreistemperaturen ein wesentlicher Vorteil. Damit bleibt er auch in Verbindung mit Radiatorenheizkreisen einsetzbar, jedoch mit geringerem solaren Deckungsbeitrag als bei einem Zweispeichersystem. Durch exakte Arbeitsweise ist er derjenige Anlagentyp unter den Kombispeichersystemen mit dem höchsten Deckungsbeitrag und dem höchsten Systemnutzungsgrad. Das System kann im Alt- und Neubau eingesetzt werden, ist jedoch hydraulisch etwas aufwendiger und teurer.

Brauchwasserversorgung über Pufferspeicher

Brauchwasser kann mit Hilfe einer Frischwasserstation erzeugt werden. Die Frischwasserstation verwendet dazu die Wärme aus dem Pufferspeicher. Die Frischwasserstation erwärmt und regelt die gewünschte Temperatur für das gezapfte Warmwasser. Dazu dient ein entsprechend dem Brauchwasserbedarf dimensionierter Plattenwärmetauscher in Verbindung mit einer Steuerungseinheit für die Durchflussregelung. Ein Legionellenbefall des Brauchwassers wird bei einer Frischwasserstation praktisch ausgeschlossen.

Bemessung und Größe eines Pufferspeichers

Als Speichermedium kommt in einem Pufferspeicher in aller Regel Wasser zum Einsatz, da Wasser gegenüber anderen Wärmeträgern eine relativ hohe spezifische Wärmekapazität besitzt.

Daneben hängt die Speicherkapazität eines Pufferspeichers vom Speichervolumen und von der nutzbaren Temperaturdifferenz ab. So enthält ein 500-Liter-Pufferspeicher bei einer Temperaturdifferenz von etwa 40 °C eine nutzbare Energiemenge von rund 26 kWh. In Verbindung mit einer Niedertemperaturheizung und einem Heizungsmischer kann ein 800-Liter-Pufferspeicher mit 80 °C Speichertemperatur und 30 °C Vorlauftemperatur einer Fußbodenheizung rund 50 kWh bereitstellen.

Während die Größe eines Pufferspeichers immer ein Kompromiss aus großem Puffervorrat und niedrigen Wärmeverlust darstellt, werden Pufferspeicher in Solarthermie-Anlagen immer etwas größer ausgelegt, um soviel Solarwärme wie möglich aufnehmen zu können.

4.000 m3 Wasser fassender Wärme-Speicher auf dem Gut Karlshöhe in Hamburg-Wandsbek (Foto: energie-experten.org)
Auf dem Gut Karlshöhe in Hamburg-Wandsbek nimmt ein 4.000 m3 Wasser fassender Speicher Wärme von Solarthermie-Anlagen, Blockheizkraftwerken und von der Müllverbrennungsanlage Stapelfeld auf, lagert diese zwischen und gibt sie bei Bedarf in das Fernwärmenetz ab. (Foto: energie-experten.org)

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"Solarthermie-Pufferspeicher: Typen, Einbindung & Größen" wurde am 08.07.2019 das letzte Mal aktualisiert.