Pufferspeicher und deren hydraulische Anbindung bilden das Herzstück moderner, zukunftsoffener und modular erweiterbarer Heizsysteme. Für Solaranlagen sind Wärmespeicher unumgänglich. Für Holzöfen sind sie ab 14,9 kW gesetzlich vorgeschrieben. Und für zukünftige Energiequellen wie Wasserstoffbatterien, Miniatur-Biogasanlagen oder für die Direktumwandlung von Energie aus Kleinwindanlagen sind sie unerlässlich. Pufferspeicher bieten aber noch mehr: In Bestandsanlagen verhindern sie z.B. das häufige Takten des Heizkessels, das durch eine zu geringe Kesselauslastung hervorgerufen werden kann. Der nachfolgende Beitrag analysiert den häufig vorzufindenden Ist-Zustand von Heizsystemen und zeigt die Auswirkung der Speichereinbindung auf.
Auf hydraulisch korrekt eingeregelten Prüfständen und unter stationären Betriebsbedingungen funktioniert die heutige Heiztechnik wirkungsvoll und emissionsarm. Diese effiziente Funktionsweise lässt sich aber nicht ohne Berücksichtigung der vor Ort herrschenden Randbedingungen auf die Praxis übertragen. So haben Faktoren wie Aufstellungsort, Witterungsverhältnisse, Wartungszustand, Betreiberverhalten bzw. Einbindung und individuelle Einstellungen durch den Installateur einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz und die Umweltfreundlichkeit des Heizkessels. Im Ergebnis zeigt sich ein gänzlich differenziertes Anlagen- und Emissionsverhalten von Öl- und Gasfeuerungen gegen über dem stationären Betrieb.
Häufiges Takten
Entsprechend der Heizlastberechnung wird ein Wärmeerzeuger nach der zu erwartenden höchsten Heizlast, das heißt nach der örtlich tiefsten Außentemperatur, bemessen und ggf. mit einem Zuschlag für die Trinkwassererwärmung beaufschlagt. Während viele kleinere Wohnbauten mit beispielsweise 5 bis 10 kW Heizleistung ausreichend versorgt sind, werden aufgrund des hohen Trinkwasserwärmebedarfs oft Wärmeerzeuger mit 18 oder mehr kW verbaut. Besonders in der Übergangszeit sorgt der verringerte Wärmebedarf jedoch dafür, dass die hohe Heizleistung vom System nicht abgenommen werden kann. Die Folge: Die Kesselbetriebszeiten verkürzen sich und es kommt zum häufigen Takten. Selbst modulierende Brennwertgeräte fangen unterhalb eines bestimmten Leistungsminimums vermehrt an zu takten und arbeiten somit im ineffizienten Intervallbetrieb. Die Vielzahl von Start- und Stoppvorgängen ist u. a. mit energetischen Anfahrverlusten und hohen Emissionen verbunden. Darüber hinaus wird die Problematik der kurzen Betriebs- und Ruhezeiten durch die nachträgliche Dämmung von Bestandsbauten ohne Leistungsanpassung des Wärmeerzeugers verschärft. Und auch der nachträgliche Einbau eines Kaminofens ohne heizungsseitige Einbindung kann diese Situation verursachen, da die vorhandene Kesselleistung jetzt noch seltener benötigt wird. Heizleistung und Auslastung stehen somit in einem starken Missverhältnis. Eine 63 %ige Heizkesselauslastung erfolgt gemäß DIN 4702 lediglich an rund 24,5 Tagen in der Heizperiode. In annähernd der Hälfte der Zeit eines Heizjahres (119,7 Tage) wird der Kessel nur zu 13 % ausgelastet. Und eine 100 %ige Auslastung (bis -12 °C) wird nach DIN 4702 gar nicht erst ausgewiesen.
Starts und Stopps eines Wärmeerzeugers tragen in hohem Maß zur Emissionsbelastung bei. Die am Prüfstand theoretisch erreichbaren Werte bestätigen Schornsteinfeger für den Praxisbetrieb. Dazu müssen sie aber für die Messung den Volllastbetrieb mittels Schornsteinfegertaste simulieren, wobei die Messung erst nach der Stabilisierung des Brenners durchgeführt wird. Tatsächlich lassen sich im Praxisbetrieb, insbesondere in der langen Übergangszeit, Brennerlaufzeiten von lediglich zwei bis drei Minuten beobachten. Wissenschaftlichen Untersuchungen zufolge schalten Wärmeerzeuger in der Heizzeit zwischen 14 000- und 43 000-mal. Die bei Gasfeuerungen oft höhere Anzahl an Start- und Stoppvorgängen kann zum Teil auf wesentlich geringere Kesselwasserinhalte zurückgeführt werden. Moderne Gas-Brennwertgeräte für die Wandmontage verfügen heutzutage in der Regel nur noch über einen Wasserinhalt von etwas über 1 bis rund 5 l. Weitere Folgen sind ein erhöhter Verschleiß der Kesselelektronik und insbesondere bei Ölkesseln die Neigung zu einer verstärkten Rußbildung auf den Kesselinnenflächen. So ist der Mehrverbrauch bei z. B. 2 mm Ruß mit annähernd 10 % beachtlich.
Lösung: Pufferspeicher
Im Neubaubereich ist die Einbindung eines Pufferspeichers aufgrund gesetzlicher Vorschriften zur Nutzung Erneuerbarer Energien quasi schon zum Standard geworden. Bei Bestandsanlagen, bei denen die Energieeffizienz erhöht, das Emissionsverhalten optimiert oder die Option für die Einbindung von Erneuerbaren Energien geschaffen werden soll, bietet der Speicher einen idealen Lösungsansatz. Die Hydraulik erlaubt eine witterungsgeführte heizungsseitige Lastabfuhr und z. B. die problemlose Nachrüstung einer thermischen Solaranlage bei Einsatz eines Puffers mit Solarschlange oder aber eines wassergeführten Kaminofens. Ist bei diesem Anlagenaufbau der Pufferspeicher geladen, so springt der Heizkessel lediglich zur Trinkwasserbereitung an. Das System bedient sich nun exakt nach seinem Bedarf. Ein erneutes, heizungsseitiges Anspringen erfolgt jetzt ausschließlich zum Laden des entleerten Pufferspeichers. Durch den Einsatz eines Pufferspeichers verlängert sich zwangsläufig die Brennerlaufzeit, bei gleichzeitiger Abnahme der Brennerstarts. Dies schont sowohl den Heizkessel und die Anlagenkomponenten als auch die Umwelt sowie die Geldbörse des Kunden. Bei Einsatz eines Brennwertkessels kann beispielsweise durch die Verwendung eines Regulierventils vor dem Eintritt in den Kessel bzw. in den Rücklauf vor dem Pufferspeicher die benötigte Temperatur zur Brennwertnutzung erzielt werden. So erhält der Heizkessel z. B. eine Rücklauftemperatur von 30 °C aus dem unteren Bereich des Puffers. Das bedeutet, dass die Einbindung eines Wärmespeichers optimale Voraussetzungen für die Brennwertnutzung – auch ohne Modulation – schafft.
Fazit
Aus technischer Sicht gibt es grundsätzlich keinerlei Einschränkung für den Einsatz eines Pufferspeichersystems. Es ermöglicht die kombinierte Nutzung unterschiedlicher Energiequellen. Und die Funktionalität ist unabhängig vom Energieträger und damit zukunftsfähig für den Einsatz mit z. B. Wasserstoffbatterien, Miniblockheizkraftwerken (BHKW) oder Kleinwindkraftanlagen (KWKA). Aktuell bildet die Pufferspeichertechnik die Schnittstelle zwischen konventioneller Heiztechnik und den zukünftig verstärkt einzusetzenden Regenerativen Energien.
Auf hydraulisch korrekt eingeregelten Prüfständen und unter stationären Betriebsbedingungen funktioniert die heutige Heiztechnik wirkungsvoll und emissionsarm. Diese effiziente Funktionsweise lässt sich aber nicht ohne Berücksichtigung der vor Ort herrschenden Randbedingungen auf die Praxis übertragen. So haben Faktoren wie Aufstellungsort, Witterungsverhältnisse, Wartungszustand, Betreiberverhalten bzw. Einbindung und individuelle Einstellungen durch den Installateur einen maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz und die Umweltfreundlichkeit des Heizkessels. Im Ergebnis zeigt sich ein gänzlich differenziertes Anlagen- und Emissionsverhalten von Öl- und Gasfeuerungen gegen über dem stationären Betrieb.
Häufiges Takten
Entsprechend der Heizlastberechnung wird ein Wärmeerzeuger nach der zu erwartenden höchsten Heizlast, das heißt nach der örtlich tiefsten Außentemperatur, bemessen und ggf. mit einem Zuschlag für die Trinkwassererwärmung beaufschlagt. Während viele kleinere Wohnbauten mit beispielsweise 5 bis 10 kW Heizleistung ausreichend versorgt sind, werden aufgrund des hohen Trinkwasserwärmebedarfs oft Wärmeerzeuger mit 18 oder mehr kW verbaut. Besonders in der Übergangszeit sorgt der verringerte Wärmebedarf jedoch dafür, dass die hohe Heizleistung vom System nicht abgenommen werden kann. Die Folge: Die Kesselbetriebszeiten verkürzen sich und es kommt zum häufigen Takten. Selbst modulierende Brennwertgeräte fangen unterhalb eines bestimmten Leistungsminimums vermehrt an zu takten und arbeiten somit im ineffizienten Intervallbetrieb. Die Vielzahl von Start- und Stoppvorgängen ist u. a. mit energetischen Anfahrverlusten und hohen Emissionen verbunden. Darüber hinaus wird die Problematik der kurzen Betriebs- und Ruhezeiten durch die nachträgliche Dämmung von Bestandsbauten ohne Leistungsanpassung des Wärmeerzeugers verschärft. Und auch der nachträgliche Einbau eines Kaminofens ohne heizungsseitige Einbindung kann diese Situation verursachen, da die vorhandene Kesselleistung jetzt noch seltener benötigt wird. Heizleistung und Auslastung stehen somit in einem starken Missverhältnis. Eine 63 %ige Heizkesselauslastung erfolgt gemäß DIN 4702 lediglich an rund 24,5 Tagen in der Heizperiode. In annähernd der Hälfte der Zeit eines Heizjahres (119,7 Tage) wird der Kessel nur zu 13 % ausgelastet. Und eine 100 %ige Auslastung (bis -12 °C) wird nach DIN 4702 gar nicht erst ausgewiesen.
Starts und Stopps eines Wärmeerzeugers tragen in hohem Maß zur Emissionsbelastung bei. Die am Prüfstand theoretisch erreichbaren Werte bestätigen Schornsteinfeger für den Praxisbetrieb. Dazu müssen sie aber für die Messung den Volllastbetrieb mittels Schornsteinfegertaste simulieren, wobei die Messung erst nach der Stabilisierung des Brenners durchgeführt wird. Tatsächlich lassen sich im Praxisbetrieb, insbesondere in der langen Übergangszeit, Brennerlaufzeiten von lediglich zwei bis drei Minuten beobachten. Wissenschaftlichen Untersuchungen zufolge schalten Wärmeerzeuger in der Heizzeit zwischen 14 000- und 43 000-mal. Die bei Gasfeuerungen oft höhere Anzahl an Start- und Stoppvorgängen kann zum Teil auf wesentlich geringere Kesselwasserinhalte zurückgeführt werden. Moderne Gas-Brennwertgeräte für die Wandmontage verfügen heutzutage in der Regel nur noch über einen Wasserinhalt von etwas über 1 bis rund 5 l. Weitere Folgen sind ein erhöhter Verschleiß der Kesselelektronik und insbesondere bei Ölkesseln die Neigung zu einer verstärkten Rußbildung auf den Kesselinnenflächen. So ist der Mehrverbrauch bei z. B. 2 mm Ruß mit annähernd 10 % beachtlich.
Lösung: Pufferspeicher
Im Neubaubereich ist die Einbindung eines Pufferspeichers aufgrund gesetzlicher Vorschriften zur Nutzung Erneuerbarer Energien quasi schon zum Standard geworden. Bei Bestandsanlagen, bei denen die Energieeffizienz erhöht, das Emissionsverhalten optimiert oder die Option für die Einbindung von Erneuerbaren Energien geschaffen werden soll, bietet der Speicher einen idealen Lösungsansatz. Die Hydraulik erlaubt eine witterungsgeführte heizungsseitige Lastabfuhr und z. B. die problemlose Nachrüstung einer thermischen Solaranlage bei Einsatz eines Puffers mit Solarschlange oder aber eines wassergeführten Kaminofens. Ist bei diesem Anlagenaufbau der Pufferspeicher geladen, so springt der Heizkessel lediglich zur Trinkwasserbereitung an. Das System bedient sich nun exakt nach seinem Bedarf. Ein erneutes, heizungsseitiges Anspringen erfolgt jetzt ausschließlich zum Laden des entleerten Pufferspeichers. Durch den Einsatz eines Pufferspeichers verlängert sich zwangsläufig die Brennerlaufzeit, bei gleichzeitiger Abnahme der Brennerstarts. Dies schont sowohl den Heizkessel und die Anlagenkomponenten als auch die Umwelt sowie die Geldbörse des Kunden. Bei Einsatz eines Brennwertkessels kann beispielsweise durch die Verwendung eines Regulierventils vor dem Eintritt in den Kessel bzw. in den Rücklauf vor dem Pufferspeicher die benötigte Temperatur zur Brennwertnutzung erzielt werden. So erhält der Heizkessel z. B. eine Rücklauftemperatur von 30 °C aus dem unteren Bereich des Puffers. Das bedeutet, dass die Einbindung eines Wärmespeichers optimale Voraussetzungen für die Brennwertnutzung – auch ohne Modulation – schafft.
Fazit
Aus technischer Sicht gibt es grundsätzlich keinerlei Einschränkung für den Einsatz eines Pufferspeichersystems. Es ermöglicht die kombinierte Nutzung unterschiedlicher Energiequellen. Und die Funktionalität ist unabhängig vom Energieträger und damit zukunftsfähig für den Einsatz mit z. B. Wasserstoffbatterien, Miniblockheizkraftwerken (BHKW) oder Kleinwindkraftanlagen (KWKA). Aktuell bildet die Pufferspeichertechnik die Schnittstelle zwischen konventioneller Heiztechnik und den zukünftig verstärkt einzusetzenden Regenerativen Energien.
