Kombispeicher und Pufferspeichersysteme

Bei Kombispeichern kann zwischen unterschiedlichen Typen auswählt werden. Am effizientesten sind Puffer mit externen Gegenstromwärmetauschern. Doch wieviel Nutzenergie kann maximal aus seinem Speicher gewonnen werden?

Speicher 1

Als Referenz dient ein Warmwasserspeicher.
Idealisiert wird hier wie auch bei allen weiteren Speichern angenommen, dass er ohne Verwirbelung und Vermischung des unten eintretenden Kaltwassers von oben geleert wird. Auf diese Weise gewinnt man eine um den Faktor (TT TKW)/((TTWW-TKW) größere Menge Warmwasser  mit der Temperatur TWW, als Heißwasser mit der Temperatur TSP anfangs im Speicher ist - mehr ist unter keinen Umständen möglich.

Speicher 2

Der Speicher ist ein Puffer, dessen Heißwasser durch einen Gegenstromwärmetauscher gepumpt wird. Plattenwärmetauscher sind sehr effizient. Es ist bei moderater Zapfrate gut möglich, eine Temperaturdifferenz von minimal 5 K zwischen TSP und T zapf zu halten. Zur Vereinfachung soll dabei der Warmwasservolumenstrom genau so groß sein wie der gepumpte Speicherwasserstrom, sodass auch die Speicherrücklauftemperatur TPR gerade 5 K über TKW liegt.

Speicher 3

Dieser Pufferspeicher hat einen effizienten internen Gegenstromwärmetauscher (Rippenrohr), der beim Zapfen einen Schwerkraftumlauf des Speicherwassers bewirkt und zusätzlich einen nachgeschalteten, ganz oben angeordneten Glattrohrwärmetauscher besitzt.

Anders als bei Speicher 2 wird der Schwerkraftumlauf immer kleiner, je weiter die Entladung des Speichers voranschreitet. In guter Näherung kann man gemittelt mit der doppelten bis dreifachen Temperaturdifferenz rechnen wie bei Speicher 2.

Im oberen heißesten Speicherbereich befindet sich ein   Rippenrohrwärmetauscher, in dem das Warmwasser im Durchlauf erwärmt wird.

Das Speicherwasser kühlt dabei im Wärmetauscher ab und fließt durch das Abströmrohr nach unten. Oben bleibt das Wasser bis zum Schluß heiß.

Speicher 4

Tank-in-Tank-Speicher: Im Innern eines Puffers befindet sich ein kleiner Warmwasserspeicher,  der wie der Puffer auf die Temperatur TSP erwärmt ist. Er wird wie Speicher 1 geleert, nimmt dabei aber auch wieder eine gewisse Wärmemenge vom Puffer auf, weshalb mehr Warmwasser gezapft werden kann als im Innentank ist. Interessanterweise kann der Puffer dabei bis unter den Wert TWW abkühlen, da der Wärmetausch zwischen Puffer und Warmwasserspeicher zeitlich verzögert geschieht.

Speicher 5

Dieser Puffer ist von oben bis unten gleichmäßig mit einem sehr großen innen liegenden Gleichstrom-Warmwasser- Wendelwärmetauscher ausgestattet. Um den Druckverlust klein zu halten, muss dieser Wärmetauscher weite Rohre und damit sowohl einen beträchtlichen Inhalt haben als auch  verhältnismäßig schlechte Wärmeübertragungswerte aufweisen. Weil der untere Teil der Wärmetauscherwendel bereits als Warmwasser-Vorwärmung arbeitet, wird der Puffer etwas besser genutzt als bei einer flachen Wendel – allerdings nur aufgrund der enormen Größe des Wärmetauschers (vgl. auch mit Speicher 8) und nur, wenn der Puffer von oben bis unten durchgeladen ist. Als Wärmespeicher verhält sich die Wendel wie Speicher 4 (Tank-in-Tank). Beide Eigenschaften tragen zur Zapfleistung bei. Mitunter ist auch bei diesen Speichern von Frischwasserbereitung die Rede, doch das ist meistens irreführend und ungerechtfertigt, weil der Trinkwasserinhalt unter Umständen mehr als zehn Mal so groß ist wie bei wirklichen Frischwasserspeichern (Speicher 2, 3 oder 8).
Es ist bei moderater Zapfrate immerhin möglich, eine Temperaturdifferenz von etwa 10 K zwischen TSP und Tzapf zu halten.

Speicher 8

Ähnlich wie bei Speicher 5 zieht sich ein innen liegender Gleichstrom-Warmwasser-Wendel-Wärmetauscher durch den gesamten Puffer, jedoch mit vernachlässigbarem Inhalt und derselben kleinen Wärmetauscherfläche wie bei Speicher 7– sozusagen eine Synthese aus Speicher 5 und 7. Die  Warmwasser-Vorwärmung im unteren Teil der Wendel nützt hier nichts, weil mit fortschreitender Abkühlung des Puffers der Temperaturgradient für immer größere Anteile des Wärmetauschers schwindet und die Übertragungsleistung überproportional zusammenbricht. Dieser Speicher zeigt somit ungefähr, was von Speicher 5 übrig bliebe, wenn es wirklich ein Frischwasserspeicher wäre.

Das Diagramm zeigt das auf den Referenzspeicher 1 normierte Ergebnis für folgende Parameter:

VSP = 1000 L

TSP = 65° C

TWW = 45° C

TKW = 10° C

nTiT 4) = 3

niWT 5) = 20

DT ↑ ↓  (2,3) = 5K

DT ↑ ↑  (4,5,6,7,8)= 10 K

Das Diagramm zeigt das Ergebnis bei einem voll geladenen Solarspeicher mit TSP 90° C.

Die Referenz 100 % steht jetzt bei einem 1.000 Liter  Speicher statt für maximal 1.571 Liter mit TWW 45° C immerhin für eine absolute Zapfmenge von 2286 Litern.

Prozentual verbessert sich der solare Puffernutzungsgrad bei höherer Ladetemperatur bei allen 8 Speichern jedoch nicht signifikant.

Die Unterschiede der maximalen Zapfmengen bei unterschiedlichen Speichersystemen sind enorm. Allerdings heißt das nicht, dass die Speicher im selben Maße, wie sie Solarwärme speichern können, auch  konventionelle Wärme einsparen.

Tatsächlich sind diese Speicher immer in Kombinationen mit Heizkreisen und mit konventionellen Nachheizungen (Kesseln) anzutreffen. Diese sorgen dafür, dass die zur Warmwasserbereitung notwendige Speichertemperatur TSP möglichst immer bereitgestellt wird. Wenn die Speichertemperatur sinkt, weil gezapft wird, startet die konventionelle Nachheizung und dies verhindert eine bessere Ausbeute an Solarenergie.

Die gewonnene Solarwärme geht dabei aber  nicht verloren, sondern die Nutzung für die Warmwasserbereitung wird von den unterschiedlichen Speichern jedoch in zunehmendem Maße „verhindert“ (Speicher 1-8), weil sie mit ziemlich hohen Temperaturen TSP von den Kollektoren zur Verfügung gestellt werden muss und deshalb nur zu immer geringeren Teilen genutzt werden kann. Man bezeichnet das als „Vorwärmung“, weil die konventionelle Nachheizung der Speicher ansteigend (Speicher 1-8) bei immer höheren Temperaturen  beginnt.

Diese Ineffizienz schlägt sich vor allem in den Bereitschaftswärmeverlusten des Speichers, der  Solaranlage und der konventionellen Heizung im Sommer nieder. Weiterhin verhindert ein einmal geladener Speicher, dass noch mehr Wärme aufgenommen werden kann. Im ungünstigsten Fall geht die Solaranlage für den Rest des Tages in den Stillstand. Insofern gilt für eine Kombispeicher-Solaranlage generell, dass sie umso mehr konventionelle Energie spart, je weniger Nachheizung sie zur Warmwasserbereitung benötigt. Besonders ungünstig wirkt sich ein kleiner solarer Pufferwirkungsgrad in Kombination mit Flachkollektoren aus, weil deren Wirkungsgrad bei steigenden Temperaturansprüchen dramatisch einbricht.
Quellen: Dr. R. Meißner Paradigma; Unitec GmbH; Consolar GmbH; Dr. F. Vollmer - Sonne Heizt GmbH
Auszüge aus IKZ Energy, Heft 2-2009,3-2009