Wer sich mit der Heizanlagenplanung in Einfamilienhäusern beschäftigt, wird unweigerlich mit der Frage konfrontiert, ob bei der Wärmepumpeninstallation auch ein Pufferspeicher zum Einsatz kommen soll – oder gar kommen muss. Während im Bestand meist kein Weg daran vorbeiführt, ist die Situation im Neubau – in der Regel mit Fußbodenheizung als Verteilsystem – auf den ersten Blick nicht ganz so eindeutig. Unter Experten entwickelt sich oft eine rege Debatte zwischen Befürwortern und Gegnern von Pufferspeichern, welche die Verunsicherung vieler Endkunden und eventuell auch noch nicht so Wärmepumpen-erprobter Fachhandwerker nur noch weiter vergrößert. Die Wahrheit liegt dabei wie so oft in der Mitte.
Mindestvolumenstrom gewährleisten, Taktungen reduzieren
Um der Frage nach der Notwendigkeit von Pufferspeichern auf den Grund zu gehen, gilt es, zunächst zu betrachten, wozu sie im Kontext eines Heizsystems mit einer Wärmepumpe als Wärmeerzeuger überhaupt eingesetzt werden. Grundsätzlich dienen sie auch hier dazu, Heizwärme aufzunehmen und sie bei Bedarf an das Wärmeverteilsystem abzugeben. Dadurch können sie gleich mehrere Funktionen erfüllen, wie etwa die hydraulische Entkopplung von Heizkreisen. Bei dieser Entkopplung werden Wärmepumpenkreis (Primärkreis) und Verbraucherkreis (Sekundärkreis) hydraulisch getrennt.
Dadurch ist unabhängig vom Volumenstrom im Sekundärkreis stets ein ausreichend großer Volumenstrom im Wärmepumpenkreis sichergestellt. Für den korrekten Betrieb der Wärmepumpe ist das essenziell. Denn ist der Volumenstrom im Primärkreis zu gering, kann nicht genügend Wärme abgegeben werden. In der Folge kühlt das in der Wärmepumpe zirkulierende Kältemittel nicht ausreichend ab, was zu einer sogenannten Hochdruckstörung und damit zur Abschaltung des Geräts führt. Ein Pufferspeicher hingegen stellt sicher, dass unabhängig vom Bedarf der Verbraucher Wärme an das Heizungswasser abgegeben werden kann.
Durch die Entkopplung von Wärmepumpenkreis und Heizkreis lässt sich aber nicht nur ein ausreichender Volumenstrom sicherstellen, sondern auch das Taktverhalten reduzieren – also das An- und Abschalten der Wärmepumpe ohne Inverter-Technologie. Wenn eine Wärmepumpe in Betrieb ist, muss sie aufgrund der Mindestdrehzahl des Verdichters immer eine Mindestmenge an Wärme abgeben. Liegt die benötigte Heizenergie für das Gebäude darunter, muss die Wärmepumpe mit Ein-/Aus-Betrieb das durch Takten kompensieren.
Startet eine Wärmepumpe aufgrund einer zu hohen Differenz zu oft und läuft nur wenige Minuten, verringert das nicht nur die Effizienz, sondern kann auch eine Hochdruckstörung auslösen. Zudem verschleißen die Komponenten unnötig schnell. Ein Pufferspeicher verlängert die Laufzeit der Wärmepumpe, indem sie vor dem Abschalten immer erst den Speicher belädt. Bei erneutem Wärmebedarf können Verbraucher dann zunächst auf die vorgehaltene Heizwärme zurückgreifen, sodass die Wärmepumpe länger ausgeschaltet bleiben kann.
Ganz anders verhält es sich mit dem Einsatz eines Pufferspeichers, wenn eine Inverter-basierte Wärmepumpe eingesetzt wird. Diese können ihre Leistung stufenlos reduzieren und sind damit auch effizienter als Wärmepumpen mit einfachem „Ein/Aus-Betrieb“ – auch in Verbindung mit einem Pufferspeicher. Denn: Arbeitet die Wärmepumpe im gleichen Leistungsbereich, wie dem Heizverteilsystem Leistung bzw. Energie zugeführt werden muss, ist ein Pufferspeicher erst mal nicht notwendig. Es wird exakt die Leistung bzw. Energie dem Heizverteilsystem zur Verfügung gestellt, welche auch benötigt wird.
Eine Zwischenspeicherung der Wärmeenergie ist folglich nicht notwendig und würde nur zu unerwünschten Wärmeverlusten durch den zusätzlichen Pufferspeicher führen. Das führt dann wiederum zu höheren Betriebskosten. Dennoch ist auch bei Inverter-basierten Wärmepumpen der Einsatz eines Pufferspeichers je nach vorliegendem Heizverteilsystem sinnvoll – gerade dann, wenn es um die Themen Abtauung und EVU-Sperrzeiten geht.
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Abtauung sicherstellen, EVU-Sperrzeiten überbrücken
Einen Spezialfall stellt in diesem Zusammenhang die Luft/Wasser-Wärmepumpe dar: Im Temperaturbereich um 0 Grad Celsius kann es zum Vereisen des Verdampfers durch Auskondensieren von Luftfeuchtigkeit kommen. Um einen effizienten Betrieb sicherzustellen, muss dieses Eis bedarfsabhängig abgetaut werden. Dazu wird der Kreisprozess umgekehrt: Dem Heizungswasser wird über einen kurzen Zeitraum Heizenergie entzogen und dem vereisten Wärmeübertrager zugeführt. In einem System ohne Pufferspeicher muss das Heizverteilsystem dafür ausreichend Energie und Volumenstrom bereitstellen – kann das nicht gewährleistet werden, muss ein Pufferspeicher eingesetzt werden.
Auch zur Überbrückung von EVU-Sperren, bei denen der Energieversorger die Wärmepumpen in Spitzenlastzeiten übergangsweise vom Netz trennt, ist ein Pufferspeicher sinnvoll. In solchen Sperrzeiten kann der Pufferspeicher vorgehaltene Heizwärme bei Bedarf an das Heizungssystem abgeben und so eine ausreichende Wärmeversorgung sicherstellen.
Solaranlage integrieren
Wird die Wärmepumpe in Kombination mit anderen Wärmeerzeugern betrieben, führt an einem Pufferspeicher meist kein Weg vorbei. Der Pufferspeicher sammelt die Wärme aller Erzeuger – dabei kann es sich beispielsweise um eine Solarthermieanlage oder einen wasserführenden Kaminofen handeln. Wenn eine Photovoltaikanlage vorhanden ist, deren Strom auch für die Wärmepumpe genutzt wird, kann der Pufferspeicher den sinnvollen Eigenverbrauch steigern, da er das Wärmespeichervolumen des Gebäudes erhöht. Bei einer Stromüberproduktion heizt die Wärmepumpe den Speicher auf, der die bevorratete Wärmeenergie wiederum zeitversetzt abgeben kann.
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Fußbodenheizung kann Pufferspeicher im Einzelfall ersetzen
Pufferspeicher erfüllen in Heizungsanlagen also eine Reihe wichtiger Funktionen – und sind dadurch für gewisse Einsatzszenarien der Wärmepumpe unverzichtbar. Das gilt insbesondere für Anlagen, in denen ausschließlich Radiator-Heizkörper zum Einsatz kommen. Denn Radiatoren können nicht in jedem Betriebspunkt der Wärmepumpe den Mindestvolumenstrom sicherstellen. Insbesondere im Falle der Abtauung kann es im kritischen Temperaturbereich zu Störungen im Wärmepumpenbetrieb kommen. Anders gestaltet sich die Situation meist bei vorhandenen Fußbodenheizungen: In der Regel ist hier ein Pufferspeicher nicht zwingend erforderlich, da das Verteilsystem ein hohes Wasservolumen vorweist und so in vielen Fällen die Rolle des Pufferspeichers übernehmen kann.
In der Praxis bringt der Verzicht auf einen Pufferspeicher dennoch einige Herausforderungen mit sich: Um das erforderliche Mindestvolumen im Verteilsystem sicherzustellen, müssen einige Heizkreise dauerhaft geöffnet bleiben – das lässt sich aber nicht ohne Weiteres realisieren, da in Deutschland eine Einzelraumregelung vorgeschrieben ist. Diese kann zur Folge haben, dass die Thermostatventile in einzelnen Räumen schließen, wodurch der Durchfluss reduziert wird und mitunter nicht mehr für einen störungsfreien Wärmepumpenbetrieb ausreicht. Ist eine Einzelraumregelung gegeben, ist der Pufferspeicher also auch bei einer Fußbodenheizung unumgänglich.
Durch den Selbstregeleffekt von Flächenheizungen kann technologisch gesehen jedoch oft auf eine Einzelraumregelung verzichtet werden. In solchen Fällen ist es rechtlich möglich, eine Befreiung von dieser Regelung zu beantragen. Da einige Heizkreise dann ständig geöffnet bleiben können, lässt sich auch das erforderliche Mindestvolumen sicherstellen. Durch die hohe Wärmespeicherkapazität der Fußbodenheizung können dann auch ohne Pufferspeicher Sperrzeiten überbrückt und Abtauvorgänge realisiert werden. Je nach Größe des Verteilsystems ist ein Pufferspeicher in vielen Fällen aber weiterhin empfehlenswert, etwa um eine optimale Einbindung von PV-Anlagen zu gewährleisten.
Die richtige Speichergröße
Zu welchem Zweck der Pufferspeicher letztlich auch eingesetzt wird: Für einen effizienten Betrieb der Heizungsanlage ist eine fachgerechte Planung und Auslegung des Speichers unumgänglich. Wird er zu klein dimensioniert, muss die Wärmepumpe häufiger takten und in kurzen Intervallen unter Volllast arbeiten, was sich insgesamt negativ auf die Effizienz auswirkt. Ein überdimensionierter Speicher hingegen bringt nicht nur hohe Bereitschaftsenergieverluste mit sich, sondern ist auch mit höheren Investitionskosten verbunden. Eine grundlegende Orientierung bei der Speicherdimensionierung bieten die Auslegungsempfehlungen nach VDI 4645.
Nicht zuletzt sollte bei der Planung des Pufferspeichers auch der verfügbare Stellplatz vor Ort berücksichtigt werden. Häufig kommt neben dem Puffer- auch ein Trinkwarmwasserspeicher zum Einsatz – allerdings ist nicht überall ausreichend Platz für zwei Speicher vorhanden. Hier sind sogenannte Integralspeicher die optimale Lösung: Sie vereinen Trinkwarmwasserspeicher und Pufferspeicher in einem Gerät und ermöglichen so eine platzsparende Aufstellung. Ein Beispiel für einen solchen Kombispeicher ist der HSBC-200 von Stiebel Eltron: Im Gerät sind bereits alle Komponenten enthalten, die zur hydraulischen Einbindung von Luft/Wasser-Wärmepumpen in das Heizungssystem benötigt werden. So ist bereits eine Umwälz-Ladepumpe zur Trinkwasserbereitung und für den Heizkreis integriert.
Ebenso enthalten ist eine Multifunktionsgruppe, die weitere Komponenten in einer einzigen kompakten Baugruppe zusammenfasst – darunter etwa das 3-/2-Wege-Umschaltventil, welches die hydraulische Trennung von Raumheizung und Trinkwarmwasserbereitung gewährleistet. In der Einheit sind zudem eine elektrische Not-/ Zusatzheizung, verschiedene Mess- und Überwachungselemente sowie das Sicherheitsventil für den Heizkreis untergebracht. Durch den hohen Integrationsgrad der Speicherlösung werden Planung und Installation somit insgesamt deutlich vereinfacht.
Fazit
Schon diese kurze Ausführung zeigt: Ob ein Pufferspeicher zum Einsatz kommen muss, hängt immer vom jeweiligen Einzelfall ab: In Altbauten mit Radiator-Heizungen ist der Pufferspeicher häufig die richtige Wahl, um den Mindestvolumenstrom für den Wärmepumpenbetrieb sicherzustellen. In gut gedämmten Neubauten mit Fußbodenheizung hingegen kann je nach Anwendungsfall auf einen Pufferspeicher verzichtet werden – jedoch nur, wenn auch die Einzelraumregelung entfällt. Unter bestimmten Voraussetzungen – etwa um verschiedene Heizkreise zu entkoppeln oder eine PV-Anlage zu integrieren – ist aber auch hier der Einsatz eines Speichers ratsam. Angesichts der Vielfalt an möglichen Einsatzszenarien empfiehlt es sich, die Zusammenarbeit mit einem etablierten Wärmepumpenhersteller zu suchen. Im Schulterschluss bewegen sich Planer und Installateure letztlich immer auf der sicheren Seite.
Bild: Stiebel Eltron
