Pufferspeicher mit Wärmepumpe: Wann ist welche Speicher-Technik sinnvoll?

Wird eine Wärmepumpe in einer Immobilie eingesetzt, die ganz oder zum Teil über Radiatoren oder Flachheizkörper beheizt wird, so ist der Einsatz eines Pufferspeichers eine technische Notwendigkeit, um die Systemträgheit zu erhöhen. Diese resultiert aus dem Prinzip der Kompression und anschließenden Entspannung des Kühlmittels innerhalb des Wärmepumpenkreislaufs.

Die Entspannung des Kühlmittels erfolgt nämlich nur dann, wenn die erzeugte Wärme auch tatsächlich abgegeben werden kann. Kann die Wärmepumpe die erzeugte Wärme nicht abgeben, steigt der Druck des Kältemittels, sodass eine sogenannte Hochdruckstörung entsteht. Dieser Effekt tritt auch auf, falls herkömmliche Pufferspeicher eingesetzt werden, die über nicht ausreichend große Wärmetauscherflächen verfügen.

Wenngleich es unterschiedliche Auffassungen zur Kombination einer Wärmepumpe und eines Pufferspeichers bei Vorliegen einer reinen Wärmeabgabe über eine Fußbodenheizung gibt, da diese im Grunde den Effekt eines Pufferspeichers ersetzt, so hat sich in der Praxis teilweise herausgestellt, dass auch bei Fußbodenheizungen ein Pufferspeicher sinnvoll sein kann, um einen fehlerfreien Betrieb zu gewährleisten und eine optimale Wärmepumpeneffizienz zu erreichen.

Darüber hinaus wird mit dem Einsatz eines Pufferspeichers auch erreicht, dass sich Wärmepumpen besser takten lassen und durch längere Ein- und Ausschaltintervalle letztlich die Wärmepumpe länger wartungsfrei arbeitet.

Denn eine monovalente Auslegung der Wärmepumpe auf die Heizlast des Gebäudes führt dazu, dass die Wärmepumpe für die meisten Betriebsstunden im Jahr überdimensioniert ist und in Teillast arbeiten muss.

Eine bivalente Auslegung mit elektrischer Zusatzheizung oder Gastherme führt zu einer besseren Abdeckung der Volllaststundenzahl einer Wärmepumpe, aber auch zu geringeren Effizienz des Gesamtsystems und entsprechend höheren Emissionen. Zwar ermöglichen Inverter eine Modulation des Verdichters über einen breiten Betriebsbereich, allerdings limitiert die minimale Drehzahl die minimale Teillastfähigkeit.

Bei Außentemperaturen oberhalb der Modulationsgrenze tritt Taktverhalten auf. Eine monovalente Auslegung führt entsprechend zu mehr, eine bivalente Auslegung zu weniger Schaltvorgängen.

Die Schalthäufigkeit kann durch eine höhere Systemträgheit reduziert werden. Insbesondere in Bestandsgebäuden mit Heizkörpern ist die Systemträgheit allerdings gering, sodass häufig Pufferspeicher eingesetzt werden, um die Trägheit zu erhöhen.

Dabei steigt jedoch im Allgemeinen der Wärmebedarf, da die Mantelfläche des Speichers zusätzliche Wärmeverluste verursacht und häufig mehr Wärme bereitgestellt wird als nötig.

Neben der Reduktion der Taktzahl werden Pufferspeicher für weitere technische Herausforderungen empfohlen.

So sind Puffer nötig, um eine Abtauung zu gewährleisten: Luft-Wasser-Wärmepumpen bilden Reif, welcher frequent abgetaut werden muss.

In der gängigsten Methode, der Kreislaufumkehr, wird temporär Wärme aus dem Heizkreis entzogen. Damit während dieser Zeit der Nutzerkomfort sichergestellt ist, empfiehlt die VDI 4645 ein Mindestvolumen von 20 l/kW.

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Der Pufferspeicher kann an verschiedenen Stellen in das Heizungssystem hydraulisch eingebunden werden. Dabei unterscheidet man grundsätzlich zwischen einer Reihenschaltung und einer Parallelschaltung.

Bei der Reihenschaltung wird der gesamte Heizungswasserstrom durch den Pufferspeicher geleitet – entweder im Vorlauf oder im Rücklauf. Die Reihenschaltung im Vorlauf wird sehr häufig verwendet, wenn der Speicher nicht nur als hydraulischer Puffer, sondern auch als thermischer Speicher dienen soll. Bei der Reihenschaltung im Rücklauf wird nur die nach der Heizwärmeabgabe übrigbleibende Temperatur gespeichert.

Bei der Parallelschaltung wird der Pufferspeicher nicht von allem Wasser durchflossen, sondern wird parallel mit Abzweigungen (T-Stücken) eingebunden – er ist hydraulisch entkoppelt. Wird mehr Wärme benötigt, fließt das ganze Volumen direkt von der Wärmepumpe ins Heizungssystem. Wird weniger Wärme benötigt, wird nur die Restmenge von dem Ladevolumen in den Speicher eingetragen und nicht der volle Volumenstrom der Wärmepumpe.

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Übernimmt die Wärmepumpe auch die Warmwasserbereitung, so gibt es drei technische Möglichkeiten, Puffer- und Warmwasserspeicher zu kombinieren.

Die Frischwasserstation ist ein externer Wärmetauscher, der das Trinkwasser indirekt erwärmt. Die Frischwasserstation entnimmt dazu die Wärme aus dem Pufferspeicher und überträgt sie im Durchflussprinzip an das Trinkwasser.

Dabei wird das Trinkwasser erst beim Zapfen sekundär erwärmt, wodurch es nicht stagniert und keine Legionellengefahr besteht. Zudem ermöglicht sie eine flexible Speichergröße, da Heizungs- und Trinkwasserspeicherung getrennt sind. Eine Frischwasserstation bietet überdies Platzvorteile, da kein zweiter Speicher nötig ist.

Allerdings sind die Temperaturen im Speicher dann voneinander abhängig: Mindestens zum Zeitpunkt des Zapfens muss der Speicher die gewünschte Zapftemperatur (z. B. 45–50 °C) leicht übersteigen, um sie über den Wärmetauscher sicher zu erreichen.

Um höhere Warmwasser-Temperaturen aus dem Pufferspeicher bereitzustellen, gibt es die Möglichkeit, das Warmwasser nachzuheizen. Dazu gibt es Lösungen mit einem Heizstab wie das Nachheizmodul BoostBloC von PAW.

Ein Kombispeicher vereint einen Pufferspeicher und Trinkwarmwasserspeicher in einem einzigen Behälter. Das Brauchwasser befindet sich dabei in einem Innentank oder Rohrwendel im größeren Heizwasserspeicher, der die Wärme direkt überträgt.

Dadurch können beide Funktionen – Heizen und Warmwasser – mit nur einem Speicher platzsparend und hygienisch voneinander getrennt realisiert werden.

Da allerdings ein Großteil des Puffervolumens die nötige Warmwasser-Temperatur vorhalten muss, sind Kombispeicher insb. für den Betrieb mit Wärmepumpen eher ungeeignet.

Bei einer Kombination eines Pufferspeichers und eines separaten Warmwasserspeichers können hingegen genau die jeweils im Heizkreislauf und im Brauchwassernetz benötigten Temperaturen hergestellt und vorgehalten werden.

Die Speicher arbeiten dann unabhängig voneinander, können also auch unterschiedlich ausgelegt und temperiert werden – z. B. der Pufferspeicher bei 35–40 °C für die Heizung, der Warmwasserspeicher bei 50–55 °C zur hygienischen Warmwasserbereitung.

Diese Trennung verbessert die Effizienz der Wärmepumpe und gewährleistet die nötige Trinkwasserhygiene. Heizung und Warmwasserbereitung können zeitlich entkoppelt geregelt werden, was besonders vorteilhaft bei PV-Überschussnutzung oder Stromsperrzeiten ist.

Allerdings benötigen zwei getrennte Speicher mehr Raum als ein Kombispeicher oder ein einfaches Frischwassersystem. Und die Anschaffung und Installation von zwei Speicherbehältern und entsprechender Regeltechnik sind teurer.

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Wie viele Liter ein Pufferspeicher in Kombination mit einer Wärmepumpe fassen sollte, hängt vom individuellen Wärmebedarf für Heizung und Brauchwarmwasser ab.

Grundsätzlich gilt, dass der Pufferspeicher nicht zu groß sein sollte, um Wärmeverluste zu reduzieren. Und nicht zu klein, um einen optimalen Heizbetrieb der Wärmepumpen zu gewährleisten („Takten“).

Die Berechnung des optimalen Pufferspeichervolumens für Wärmepumpenheizungen hängt aber immer stark von den technischen Rahmenbedingungen, den hydraulischen Systemen und der Betriebsweise ab.

So benötigen moderne modulierende Wärmepumpen häufig kleinere Speicher, die Mindestwassermenge im System ist hier relevanter als ein Puffer an sich. Bei taktenden Wärmepumpen sollten hingegen größere Volumen eingeplant werden.

Die DIN EN 15450 und die VDI 4645 empfehlen folgende Richtwerte zur Auslegung des Litervolumens:

• Nach DIN EN 15450 sollten Pufferspeicher zwischen 12 und 35 Liter pro kW der maximalen Wärmepumpenleistung installiert werden,
• nach VDI 4645 (8.8.4) gilt für die überschlägige Dimensionierung von kleinen Wärmepumpen zur Erhöhung der Laufzeit, Verringerung der Schalthäufigkeit und Bereitstellung der Abtauenergie ein Richtwert von 20 Liter pro kW.
• Weiterhin wird ein Mindestvolumen von 3 Litern pro kW Wärmepumpenleistung des nicht absperrbaren Teils der Anlage empfohlen, ab der ein Puffer im Allgemeinen nicht erforderlich ist. Der Wert ist bezogen auf die Maximalleistung geothermischer Wärmepumpen, vorbehaltlich der Herstellerempfehlungen (siehe hierzu 8.8.3 VDI 4645).
• Um EVU-Sperren zu überbücken, empfiehlt die VDI 4645 ein Speichervolumen von 30 bis 40 Liter pro kW Wärmepumpenleistung je Stunde Sperrzeit. Die Auslegung nach EVU Sperrzeiten ist aber seit der Neufassung des EnWG hinfällig und wird in der überarbeiteten Richtlinie nicht mehr berücksichtigt.

Die Volumina sind nicht additiv: Ein Puffer für „Taktung“ kann auch die Abtauung unterstützen. Ziel ist eine Gesamtdimensionierung anhand dominanter Randbedingung.

Die größte Ausprägung der Randbedingungen bestimmt oft die notwendige Mindestgröße des Puffers. Bei mehreren anspruchsvollen Bedingungen (z. B. Sperrzeit + On/Off + Heizkörper) sollte der höhere Wert genommen oder additiv geprüft werden.

Die genannten Empfehlungen sind praxisnahe Richtwerte. Allerdings werden relevante Randbedingungen, wie z. B. die Art des Übergabesystems, in den Empfehlungen nicht berücksichtigt. Ebenso ist in diesen Vereinfachungen nicht inbegriffen, wie groß der Einfluss auf Schalthäufigkeit, Nutzerkomfort und Eigenverbrauch ist, wenn größere oder kleinere Speicher als empfohlen installiert werden.

Wir empfehlen daher unter komplexeren Einsatzbedingungen neben dem Kältekreislauf auch die Wärmeverteilung zu modellieren und dynamisch zu simulieren.

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Sogenannte Pendelpuffer vermeiden die Nachteile des Parallelpuffers. Der Pufferspeicher wird dabei nur bei geringer oder keiner Abnahme beladen. Technisch wird dazu der Vorlauf der Wärmepumpe über ein T-Stück direkt in den Heizkreis geführt – ohne Umweg über den Puffer.

Der große Vorteil: Die Effizienz steigt, da die Heizkreistemperatur der Wärmepumpentemperatur entspricht. So sind kleinere Puffergrößen möglich und ein negativer Einfluss auf die Systemeffizienz vermieden.

Eine effizientere Lösung stellt die eXergiemaschine (eXm) compact von varmeco und BMS-Energietechnik dar, die eine optimierte Temperaturschichtung im Pufferspeicher herstellt.

Dazu arbeitet im Inneren des Geräts eine einstufige Wasser-Wasser-Wärmepumpe, die für eine große Temperaturspreizung von etwa 50 K im Pufferspeicher ausgelegt ist und auch bei Quelltemperaturen von 55 °C und mehr arbeitet.

Während des Betriebs entnimmt die eXergiemaschine Wasser aus der Mitte des Speichersystems. Ein Teil davon fließt am Kondensator der Maschine vorbei, wo es erhitzt wird, bevor es in den oberen Teil des Speichers gelangt. Der andere Teil führt über den Verdampfer und leitet das dort heruntergekühlte Wasser danach in den unteren Speicherbereich. So macht die eXergiemaschine Wärme, die auf niedrigem Temperaturniveau vorliegt, auf hohem Temperaturniveau zum Beispiel für die Warmwasserbereitung nutzbar.

Der Energiebedarf der eXm-compact ist niedrig: Mit einer Kilowattstunde elektrischer Energie stellt sie etwa vier bis fünf Kilowattstunden Wärme bereit – bis fünfmal mehr als ein konventioneller Nacherhitzer bzw. Durchlauferhitzer.

Das bietet Vorteile bei vielen Anlagen mit Niedertemperaturwärme, etwa bei Heizungswärmepumpen, Solaranlagen, kombinierten Solar- und PV-Modulen, bei der Abwärmenutzung und bei Niedertemperatur-Nahwärmnetzen. Die eXm-compact ist mit 3 kW oder 5 kW Nennleistung für Einfamilien- und kleine Mehrfamilienhäuser oder kleinere Gewerbebetriebe geeignet.

Eine Wärmepumpe kann auch ohne Pufferspeicher betrieben werden, wenn Ihr Haus über eine Wand- oder Fußbodenheizung verfügt. Diese können aufgrund ihres Volumens ebenfalls als Puffer dienen und die z. B. die Abtaufunktion der Außeneinheit einer Luftwärmepumpe oder Komfortansprüchen wie einer gleichmäßigen, zuverlässigen und schnellen Wärmeversorgung sicherstellen.

Neben Flächenheizungen können auch z. B. größere Zuleitungen zum Heizungssystem als Puffer fungieren und ermöglichen, die Wärmepumpe ohne Pufferspeicher zu betreiben.

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Fehler bei der hydraulischen Einbindung, ungeeignete Speicher oder falsche Regelungseinstellungen sind die häufigsten Ursachen für einen unnötig hohen Stromverbrauch von Wärmepumpen.

Aber was bringt es, den alten Speicher samt Hydraulik zu ersetzen? Das Zentrum für Innovative Energiesysteme ZIES der Hochschule Düsseldorf HSD hat 2025 in einem Feldtest ermittelt, wie viel Strom durch eine optimale hydraulische Verschaltung eingespart werden kann.

Dazu wurde ein 750-l-Speicher, ein Frischwassermodul sowie zwei 120-l-Speicher in einem Niedrigenergiehaus Baujahr 1994 mit 250 m² beheizter Fläche durch einen COMFORTLINK-Schichtenspeicher mit 900 l ersetzt.

Bei der energetischen Auswertung stellte das ZIES fest: Die Temperatur bleibt beim Be- und Entladen des Speichers gleich, es entsteht kein Verlust. Den Wert für Schichtungseffizienz gibt die Untersuchung mit 85,2% an. Der Stromverbrauch der Wärmepumpe sank um fast 30%, die Jahresarbeitszahl stieg um 11%.

Zudem hat man eine Nachjustierung des Systems ausgeführt. Die Wärmepumpen-Hysterese wurde um 2 K erhöht, +1 K nach oben und nach unten. Daraus ergab sich eine Verbesserung der Taktfrequenz sowie eine höhere Schichtungseffizienz des Gesamtsystems von 80,4 auf 83,9%.

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