Wärmepumpe plus Pufferspeicher

Kompakt informieren

• Die größten Vorteile von Pufferspeichern in Wärmepumpenanlagen sind bisher die Gewährleistung von sicheren Betriebsbedingungen, die Optimierung des Wärmepumpenbetriebs, die Kompensation von Sperrzeiten bei der Nutzung günstigerer Tarife sowie die hydraulisch einfache Kombination mit anderen Wärmeerzeugern.
• Für eine darüber hinausgehende Wärmeerzeugung mit der Wärmepumpe zur Wärmebevorratung sind die typischen Tarifmodelle nicht attraktiv – die Kostenvorteile können sich durch die geringere ­Effizienz im Bevorratungsbetrieb sogar ins Gegenteil verkehren.
• Die Pufferspeicherauswahl und -integration erfordert eine sorgfältige Planung (Simulation) unter Berücksichtigung der Betriebszustände und der Speicherverluste.

Zum 15. August 2012 wurde im Marktanreizprogramm (MAP) die Förderung für die Heizungsmodernisierung durch eine effiziente Wärmepumpenanlage um 400 Euro erhöht. Seitdem gibt es zu der MAP-Basisförderung für Anlagen mit einem neu errichteten Pufferspeicher mit einem Mindestspeichervolumen von 30 l/kW auch noch einen Bonus von 500 Euro. Bei der Veröffentlichung der geänderten Richtlinien hatte der Bundesverband Wärmepumpe (BWP) gemeldet: „Gerade im Altbau erhöht der Pufferspeicher die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpenanlage. An dieser Stelle tritt auch der Innovationscharakter des Förderprogrammes deutlich zutage.“ Das Ziel des BWP: Wärmepumpen sollen zukünftig erneuerbaren Überschussstrom, zum Beispiel aus Photovoltaik- und Windkraft-Anlagen aufnehmen und so zur Entlastung der Netze beitragen.

Bisher ist der hauptsächliche Zweck von Pufferspeichern in Wärmepumpenanlagen die Überbrückung der Sperrzeiten zur Nutzung günstiger Stromtarife. In Neubauten mit Flächenheizungen lassen sich die Sperrzeiten jedoch ohne merkliche Komforteinbußen über die Speichermasse des Fußbodenaufbaus (Nass­estrich) überbrücken. Bei der Heizungsmodernisierung sind in den meisten Anwendungsfällen jedoch Pufferspeicher erforderlich. Hierfür gibt es verschiedene Gründe.

Optimierung der Betriebsweise

Wärmepumpen ohne Leistungsregelung weisen mit steigender Außentemperatur eine starke Differenz zwischen der Leistungsabgabe und der momentanen Heizlast auf. Besonders groß ist der Unterschied bei ungeregelten Luft/Wasser-Wärmepumpen. Bei einer Wärmepumpe nach Abb. 1 in einem Gebäude mit 12 kW Heizlast müsste die Wärmepumpe an den kältesten Tagen von einem zusätzlichen Energieerzeuger unterstützt werden. Bei 10 °C Außentemperatur beträgt die Heizlast aber nur noch 3,5 kW, die Wärmeabgabe der Wärmepumpe jedoch 22 kW.

Da der betriebstechnisch erforderliche Massenstrom der Wärmepumpe in einer Anlage mit Heizkörpern nicht über diese sichergestellt werden kann, müsste ohne Pufferspeicher eine Überströmung in den Rücklauf stattfinden. Aufgrund der hohen Rücklauftemperatur würde die Wärmepumpe abschalten und schon nach kurzer Zeit wieder anlaufen, um sich kurze Zeit später wieder abzuschalten. Wird dies nicht regelungstechnisch verhindert, würde das häufige Takten die Lebensdauer des Wärmepumpenkompressors verringern. Hydraulisch funktionieren kann das jedoch nur, wenn man das Öffnen der Thermostatventile aufgrund einer Abkühlung im Raum einbezieht.

Besser kann der gegenläufige Verlauf von erzeugter und erforderlicher Heizleistung und die Laufzeit der Wärmepumpe mithilfe eines Pufferspeichers kompensiert werden. Zunehmend wird dem Problem auch durch leistungsgeregelte oder mehrstufige Wärmepumpen begegnet. Allerdings ist selbst bei Wärmepumpen mit speziellen Verdichtern, die für Heizungswärmepumpen entwickelt wurden und einen großen Modulationsbereich aufweisen, der Ein/Aus-Betrieb ab einem gewissen Verhältnis von Heizlast und Heizleistung exergetisch sinnvoller (Effizienter durch Leistungsregelung, TGA 10-2010, Webcode 293548).

Sicherstellung des Komforts

Die geschilderte Teillastproblematik könnte sogar zu deutlichen Komforteinbußen führen: Eine übliche Forderung der Energieversorger untersagt nämlich häufigeres Schalten als dreimal pro Stunde. Haben bereits einige Räume ihre Solltemperatur erreicht, verringert sich der Volumenstrom über die Heizkörper, der steigende Überströmanteil erhöht die Rücklauftemperatur noch schneller und die Wärmepumpe schaltet ab. Räume mit ungünstigeren Verhältnissen erhalten dann nicht mehr die zum (Auf)Heizen erforderliche Vorlauftemperatur. Auch mit Hydraulischem Abgleich kann dieses Phänomen auftreten, da durch Sonneneinstrahlung, das tatsächliche Lüftungsverhalten, innere Gewinne und andere Sollwerteinstellungen Abweichungen auftreten.

Auch bei speziellen Wünschen ist eine Leistungsanpassung trotz Flächenheizung ohne Pufferspeicher problematisch, z.B. für folgende Anforderung: Ein Kinderzimmer mit langer Nachtabsenkung soll ab 6.00 Uhr beheizt werden. Die anderen Räume des Gebäudes werden durchgängig mit Wärme versorgt. Steigt dann die Außentemperatur, wird die Regelung die Vorlauftemperatur absenken und gleichzeitig wird in den Räumen ohne Nachtabsenkung aufgrund der geringeren Heizlast der Volumenstrom gedrosselt. Da das Kinderzimmer nicht die gesamte thermische Leistung der Wärmepumpe abnehmen kann, wird es trotz des überhöhten Leistungsangebots nicht warm.

Ähnliche Probleme ergeben sich bei beheizten und vor allem bei sporadisch beheizten Kellerräumen, insbesondere bei relativ hohen Außentemperaturen. Pufferspeicher können berechtigte Reklamationen verhindern und die Nutzung flexibilisieren. Insgesamt trägt die in Deutschland vorgeschriebene Einzelraumregelung zur Problemverschärfung bei. So stießen einige österreichische Wärmepumpenhersteller erst bei ihrem Markteinstieg in Deutschland auf ein bisher für sie nicht relevantes Thema. Bei Flächenheizungen ist es jedoch durchaus denkbar, eine Befreiung von der Pflicht zur Ausstattung mit Einzelraumreglern zu beantragen „wenn die erforderlichen Aufwendungen innerhalb der üblichen Nutzungsdauer, bei Anforderungen an bestehende Gebäude innerhalb angemessener Frist durch die eintretenden Einsparungen nicht erwirtschaftet werden können“ (EnEV 2009, § 25).

Sperrzeiten bei günstigen Tarifen

Zum Komfort gehören auch die Auswirkungen der Abschaltzeiten bei der Nutzung von Sondertarifen des Energieversorgers. Während bei Fußbodenheizungen im Nassestrich aufgrund ihres Speichervermögens auch bei zweistündiger Sperrzeit keine merkliche Absenkung der Raumtemperatur auftritt, stellen ausgekühlte Heizkörper für den Nutzer eine starke Einschränkung dar. In diesen Fällen ist ein Pufferspeicher eine Notwendigkeit, um die neue Heizung ohne Komforteinbußen genießen zu können.

Häufig wird der Wunsch, günstigere Nachttarife zu nutzen, bei einer Entscheidung für einen Pufferspeicher geäußert. Zunehmend spielen auch Überlegungen, mehr selbst erzeugten Photovoltaik-Strom zu nutzen oder Spitzenlasten im Netz abzufedern, eine Rolle. Folgendes Rechenbeispiel soll verdeutlichen, wie man die finanziellen Auswirkungen realistisch prognostizieren kann.

Betrachtet wird ein Haus mit der in Abb. 1 gezeigten Wärmepumpe, für das Projekt ist ein 1000-l-Pufferspeicher vorgesehen. An einem mittleren Wintertag (2 °C) beträgt die Heizlast 10 kW und zur Beheizung ist eine Vorlauftemperatur von 45 °C notwendig. Dann können mit einem Rechenwert von 1,16 Wh/(kg K) für die spezifische Wärmekapazität von Wasser bei 55 °C in dem Pufferspeicher 11,6 kWh Wärme gespeichert werden, d.h. nach etwas mehr als einer Stunde Heizbetrieb wäre der Wärmevorrat aufgebraucht.

An den kältesten Tagen reduzieren sich die rechnerischen Möglichkeiten weiter. Durch die Übertemperatur von 10 K verschlechtert sich die Leistungszahl von 3,07 auf 2,4. Bei einem Strompreis von 16 Ct/kWh am Tag und 13 Ct/kWh in der Nacht würde also 1 kWh Wärme bei 45 °C am Tag produziert 5,21 Ct kosten, nachts bei 55 °C produziert jedoch 5,42 Ct. Zudem liegt mittlerweile die Differenz zwischen Nieder- und Hochtarif für Wärmepumpenstrom vielerorts unter 2 Ct/kWh.

Hinzu kommt, dass die Außenlufttemperatur nachts meistens unter der am Tag liegt, sodass sich damit eine noch ungünstigere nächtliche Leistungszahl ergeben würde. Bezogen auf die nutzbare Wärmemenge würde sie aufgrund der höheren Speicherverluste bei der angehobenen Puffertemperatur weiter sinken.

Außerdem sollte eine unterdimensionierte Wärmepumpe an den kalten Tagen nicht ausgeschaltet werden, weil sonst die Unterdeckung noch größer ist. Übertemperaturen in einem Pufferspeicher werden meist bei geringerer Leistung eingebracht und reduzieren die mögliche Deckung mittels Wärmepumpe weiter.

Offensichtlich fehlt dem Sparmotiv bei diesen Randbedingungen der Realitätsbezug. Das Beispiel wurde allerdings bewusst so gewählt, um aufzuzeigen, dass sich manche scheinbare Vorteile als Wunschdenken herausstellen können. Selbstverständlich sind kostensparende Konfigurationen bei entsprechender Planung möglich.

Bei der Prognose des Potenzials für eigengenutzten PV-Strom oder Lastmanagement sollten also die technischen Möglichkeiten eines Pufferspeichers nicht zu optimistisch eingeschätzt werden.

Ein konsequentes Angebot von Sonder­tarifen in Zeiten von Stromüberschuss analog den Angeboten in Belgien wäre aber auf jeden Fall eine bessere Alternative als Strom aus Windkraft zum negativen Strompreis nach Norwegen zu verkaufen oder regenerative ­Erzeuger abzuregeln.

Gleichzeitig sind Pufferspeicher besonders gut geeignet, um thermische Solaranlagen, Kamine mit Wassertaschen oder Holzöfen in ein Heizungssystem zu integrieren.

Probleme vermeiden

Können der für den Wärmepumpenbetrieb erforderliche Mindestvolumenstrom und die Mindestlaufzeit der Verdichter pro Einschaltvorgang mit der Wärmeverteilung nicht gewährleistet werden, kann das System über einen Pufferspeicher hydraulisch ohne Anstieg der Rücklauftemperatur entkoppelt werden. Die Hersteller unterstützen dabei mit Hydraulikbildern.

Parallelschaltung

Ein parallel verschalteter Pufferspeicher Abb. 2 wirkt zusätzlich als hydraulische Weiche und minimiert die Gefahr von hydraulischen Problemen / Fehlern. Unabhängig von den Volumenströmen im Heizkreis kann hierbei der erforderliche Mindestvolumenstrom für die Wärmepumpe erbracht werden. Nachteile dieser einfachen Lösung sind die höhere Speichertemperatur (die vom Wärmeabnehmer mit der höchsten Temperaturanforderung bestimmt wird), der zusätzliche Stromverbrauch der zweiten Pumpe und ihre Investitionskosten.

Reihenschaltung

Im Vor- oder Rücklauf seriell eingebundene Pufferspeicher sind energetisch günstiger als Pufferspeicher in einer Parallelschaltung. Die serielle Integration wird aber aufgrund der anspruchsvollen Hydraulik nur bei Anlagen mit einem Heizkreis empfohlen. Sie dienen hier der Volumenvergrößerung des Wärmeverteilsystems und damit der Verlängerung der Verdichterlaufzeit. Bei einem volumenvariablen Heizkreis (Standardfall) ist parallel zum Heizkreisen ein Überströmventil erforderlich. Bei der Integration im Vorlauf Abb. 3 (Betrieb mit der benötigten Vorlauftemperatur) werden häufig andere Energieerzeuger, auch elektrische Heizstäbe, integriert. Diese Konfiguration ist auch zur Abtauung von Luft-Wärmepumpen gebräuchlich. Bei monovalenter Betriebsweise ist die Anordnung des Speichers auch im Rücklauf Abb. 4 möglich (verringerte Abstrahlverluste).

Energetisch sinnvoll, aber hydraulisch und regelungstechnisch anspruchsvoller, sind auch Varianten, die eine bedarfsgeführte Zuschaltung des Pufferspeichers gestatten. Jedoch muss darauf geachtet werden, dass der zusätzliche Verrohrungsaufwand auch die Leitungsverluste deutlich erhöhen kann. In jedem Fall ist eine genaue Planung und Energiebilanz erforderlich.

Dimensionierung

Die Auslegung des Pufferspeichers richtet sich nach dem Verwendungszweck [1]. Zur Bereitstellung eines Mindestvolumens werden mindestens 3 l/kW Heizleistung empfohlen, zur Laufzeitoptimierung in Gebäuden ohne Flächenheizung 20 l/kW Heizleistung (im MAP 30 l/kW). Bei der Empfehlung für die Überbrückung von Sperrzeiten (2 Stunden) in Gebäuden mit Heizkörpern von 60 l/kW ist bereits berücksichtigt, dass aufgrund der Speichermasse des Gebäudes nicht die gesamte Wärmemenge im Puffer enthalten sein muss.

Fehlermöglichkeiten

Häufigster Fehler aus energetischer Sicht ist die gemeinsame Speicherung von Trinkwarmwasser- und Heizungswasser in einem Kombispeicher mit Durchmischung der verschiedenen Temperaturniveaus. Dadurch werden aufgrund höherer Vorlauftemperaturen schlechtere Jahresarbeitszahlen erreicht. In [3] wird dieser Sachverhalt messtechnisch bestätigt und geschildert, wie häufig Anforderungen aus dem Heizkreis mit einer Beladung im Trinkwassermodus beantwortet wurden. Überdimensionierte Pufferspeicher können bei leistungsregelbaren Wärmepumpen (Inverter- oder mehrstufige Wärmepumpen) zusätzlich dazu führen, dass die Wärmepumpe in einem ungünstigen Betriebszustand arbeitet. Auch die Bereitschaftsverluste steigen mit der Überdimensionierung des Puffervolumens.

Marktverfügbar sind auch Latentwärmespeicher. Hier muss unbedingt auf die Phasenumwandlungstemperatur des Speichermate­rials (meistens Paraffin) geachtet werden. Bei einer Standard-Phasenumwandlungstemperatur von etwa 63 °C sind die Speicher für übliche Wärmepumpenanlagen ungeeignet.

Teilweise werden Konzepte bei der Trinkwassererwärmung realisiert, bei denen entweder aus einem Pufferspeicher umgeladen wird oder gleichzeitig Teilvolumenströme zum Trinkwassererwärmer und zum Pufferspeicher gehen. Solche Konfigurationen dienen zwar dem störsicheren Wärmepumpenbetrieb bei einem unterdimensionierten Wärmeübertrager, verschlechtern aber die energetische Bilanz.

Einfluss auf die Jahresarbeitszahl

Messungen der Agenda Lahr [2] haben bei der Nutzung eines Heizungspufferspeichers eine um 0,1 bis 0,2 schlechtere Jahresarbeitszahl ergeben. Hierbei handelte es sich allerdings nur um die Vermessung und die statistische Erfassung von Ist-Zuständen ohne Anlagenoptimierung. Insofern stellen die Werte höchstens einen Trend dar. Die Feldmessungen des Fraunhofer-Institutes für Solare Energiesysteme [3] bescheinigen ebenfalls Systemen ohne Pufferspeicher die höchste Effizienz. Auch die Feldmessungen der FAWA [4] postulieren: „Technische Speicher haben keinen positiven Einfluss auf die Jahresarbeitszahl.“ Betrachtet man die einzelnen Ausführungsvarianten detailliert, ergeben sich folgende qualitative Folgen:

• Bei einer Reihenschaltung und einer Auf­stellung in einem zu beheizenden Raum können die Wärmeverluste des Speichers weitgehend genutzt werden, sodass eine Verschlechterung der Jahresarbeitszahl nicht zu erwarten ist.
• Bei einer Anordnung des Speichers ­außerhalb der thermischen Hülle treten Oberflächenverluste auf.
• Wie in <b>Abb. 5</b> ersichtlich, sind die Puffer­speicherverluste meist geringer als bei Trinkwarmwasserspeichern, da sie nicht ganzjährig im Einsatz sind und die Heiz­wassertemperatur im Mittel geringer ist. Der etwas höhere Bedarf im Niedertemperaturbereich gegenüber der Trinkwasser­erwärmung führt zu einem höheren Anteil Wärmeenergieerzeugung mit höherer Leistungszahl. Die Jahresarbeitszahl würde sich also in diesem Fall geringfügig verbessern.
• Pufferspeicher im Parallelbetrieb verursachen höhere Temperaturen, Bereitschaftsverluste und eine zusätzliche Pumpe. ­Andererseits verbessert der Pufferspeicher unter Umständen den Wärmepumpen­betrieb und wirkt sich günstig auf das ­Gesamtsystem aus. Hierzu ist deshalb keine pauschale Aussage möglich.

Zur quantitativen Beurteilung der Verschlechterung der Jahresarbeitszahl bei Kombisystemen wurde mit der Wärmepumpen-Simulationssoftware WP-OPT eine Berechnung vorgenommen. Betrachtet wird ein Altbau mit Heizkörpern und einer Vorlauftemperatur von maximal 50 °C. Zum Einsatz kommt eine Hochtemperaturwärmepumpe. Die Berechnungsergebnisse sind in Abb. 6 und Abb. 7 dargestellt. Beim Einsatz des Kombispeichers ist die Laufzeit aufgrund höherer Speicherverluste und höherer Temperaturanforderungen etwas länger. Durch die schlechtere Jahresarbeitszahl sinkt der notwendige Entzug aus der Quelle. Der Pumpenstrom steigt wegen der zweiten Umwälzpumpe. Die Jahresarbeitszahl verschlechtert sich sehr deutlich von 3,86 (ohne Pufferspeicher, separater Warmwasserspeicher) auf 2,93 (Kombispeicher).

Fazit

Pufferspeicher können den Wärmepumpenbetrieb verbessern. Konzepte mit einer möglichen Durchmischung verschiedener Temperaturniveaus im (Kombi)Speicher sind allerdings unbedingt zu vermeiden. Hinsichtlich der Nutzung besserer Tarife bewahrt eine vorherige Abschätzung vor Illusionen. •

Mehr Infos zum Thema enthält das TGAdossier Wärmepumpe: Webcode 718

Literatur

[1] Planungshandbuch Wärmepumpen. Allendorf (Eder): Viessmann, 2011, Download über Webcode 341467

[2] Agenda Lahr: Schlussbericht „Feldtest Elektro-Wärmepumpen“ von 2006 bis 2008

[3] Miara, Marek u.a.: Wärmepumpen Effizienz. Messtechnische Untersuchung von Wärmepumpenanlagen zur Analyse und Bewertung der Effizienz im realen Betrieb. Freiburg: Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE, Download über: http://www.bit.ly/wp-eff-ise

[4] Erb, Markus u.a.: Feldanalyse von Wärmepumpenanlagen FAWA 1996 bis 2003. Buchs: Schlussbericht, April 2004, Download über: http://www.bit.ly/feld-wp-fawa-2004

TGA-Planer: Die Planung einer Wärmepumpenanlage erfordert nicht nur eine Berücksichtigung der Wärmeübergabe, sondern auch ihrer Regelung. Wichtige Kriterien sind auch Mindestlaufzeiten der Verdichter, Mindestvolumenströme und die zulässige Schalthäufigkeit pro Stunde.

Anlagenbauer: Ohne sorgfältige Planung und Dimensionierung der Wärmepumpe und eines Pufferspeichers und ohne ein durchdachtes Hydraulikkonzept stellen sich schnell Probleme beim Wärmepumpenbetrieb ein und die Jahresarbeitszahl verschlechtert sich.

Bauherren: Bei Wärmepumpenanlagen ist ein Pufferspeicher häufig eine technische Notwendigkeit, insbesondere bei multivalenten Systemen. Ob sich die Investitionskosten eines Pufferspeichers für die Nutzung günstigerer Tarife lohnt, muss genau analysiert werden.

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