Pufferspeicher haben in Heizsystemen die Aufgabe, Wärme aufzunehmen, möglichst verlustarm zu speichern und mit dem geforderten Temperaturniveau an die Verbraucher abzugeben. Sinnvoll ist die Zwischenspeicherung der Heizwärme,

• wenn Wärmeangebot und Wärmebedarf zeitlich versetzt auftreten,
• um die Schaltzyklen von Wärmeerzeugern wie BHKWs, Biomasse-Heizkesseln oder Wärmepumpen möglichst gering zu halten,
• um die aus solarthermischen Anlagen oder dem Betrieb von Kraft-Wärme-Kopplungs-Anlagen produzierte Wärmeenergie optimal zu nutzen.

Bei häufigen Ein- und Ausschaltvorgängen oder einer zu geringen Nutzung von Solarwärme liegt die Ursache jedoch meist nicht in der Größe des Pufferspeichers, sondern in der daraus nutzbaren Wärmemenge.

Dieser Vermutung ging auch der SHK-Unternehmer Günther Muck nach, als er bei der SHK-Innung in Schweinfurt einen Fachvortrag der Firma HG Baunach über die hydraulische Optimierung von Heizsystemen besuchte. Sein vermietetes Mehrfamilienhaus im nördlich von Schweinfurt gelegenen Dittelbrunn-Hambach wird von einem Mini-BHKW beheizt (Bild 1). Zu beheizen sind sechs Mietwohnungen sowie Lagerräume, die zu seinem SHK-Betrieb gehören.

Ein Pufferspeicher mit 1000 l Inhalt ist als hydraulische Weiche zwischen den Wärmeerzeugern und der Wärmeverteilung eingebunden. Für das 1996 erbaute Gebäude hatte Günther Muck einen Heizwärmebedarf (zu dieser Zeit noch nach DIN 4701) von 18,1 kW ermittelt. Das Senertec-BHKW liefert 12,5 kWth; für die Spitzenlastabdeckung wurde zusätzlich ein Gas-Brennwertkessel installiert. Die Wärmeabnehmer im Gebäude sind Heizkörper mit einer Auslegung von 70/50 °C. Die Puffereinbindung war wie üblich so ausgeführt, dass der Vorlauf oben und der Rücklauf unten angeschlossen ist. Richtig zufrieden war Günther Muck mit dem Anlagenbetrieb bis dato jedoch nicht, denn das BHKW hatte innerhalb von jeweils 24 Stunden bis zu fünf Start-Stopp-Vorgänge (Bild 2).

Während der Vortragsveranstaltung in Schweinfurt erfuhr er im Gespräch mit Hans-Georg Baunach, dass dieser gerade auf der Suche nach bestehenden Anlagen war, die als Versuchsobjekte für die Mehrwege-Mischer „rendeMIX“ geeignet waren. Im Rahmen einer Kooperation von HG Baunach mit dem Institut für Gebäude- und Energiesysteme der Hochschule Biberach initiierte Baunach daraufhin eine Untersuchung der Pufferspeicheranlage. Das Ziel war, eine effizientere Nutzung des Speichervolumens zu erreichen und damit die BHKW-Laufzeiten zu optimieren.

An der Hochschule Biberach befasste sich Christian Dietrich im Rahmen seiner Diplomarbeit mit dem Thema „Optimierte Integration von Pufferspeichern in hydraulischen Systemen“. Ein erster Ansatz für die Untersuchung der Speichereffizienz war, wieviel kWh Wärmemenge in den 1000 Litern Puffervolumen im Idealfall gespeichert werden könnten und wieviel davon tatsächlich nutzbar sein würde. Unter idealen Bedingungen würde sich aus dem Speichervolumen bei einer BHKW-Vorlauftemperatur von 90 °C und einer Rücklauftemperatur aus dem Heizkreis von 50 °C eine theoretische Speicherkapazität von 47 kWh ergeben. Mit diesen theoretischen Überlegungen passten jedoch die Schaltzyklen des BHKW im Mehrfamilienhaus von Günther Muck nicht zusammen. Dies deutete darauf hin, dass die effektive Speicherkapazität deutlich vermindert sein musste. Um dies festzustellen, wurde die Heizungsanlage des Hauseigentümers für einige Monate zum Versuchslabor: Die vorhandenen Dreiwegemischer wurden durch Mehrwege-Mischverteiler ersetzt. An Speicher und Rohrleitungen wurden Temperaturfühler und Volumenstrommesser platziert.

Für eine erste Versuchsphase wurden die „rendeMIX“-Mischverteiler zunächst so eingestellt, dass das Be- und Entladeverfahren der bisherigen Schaltung über Dreiwegemischer entsprach. Von Mitte Oktober 2007 bis Mitte Februar 2008 erfasste ein im Heizraum aufgestellter PC die Messdaten, um das Be- und Entladeverhalten zu untersuchen (Bild 4a + 4b). Während dieser Zeit herrschten nach den Beobachtungen von Günther Muck nahezu alle typischen Witterungsverhältnisse einer Heizperiode.

Die Messdaten wurden per Datenfernübertragung in die Hochschule Biberach übermittelt und dort von Christian Dietrich ausgewertet. Damit ging der Diplomand der tatsächlichen Speichereffizienz auf die Spur. Dietrich entwickelte dazu eigens eine zeichnerische Darstellungsform, die sich Speicher-Effizienz-Diagramm nennt.

Darin werden die Höhe des Speichers auf der senkrechten Y-Achse und die Temperatur waagrecht auf der X-Achse aufgetragen. Am Pufferspeicher waren über die Höhe mehrere Temperaturfühler positioniert (Bild 5). Aus den Koordinaten von Temperatur und Speicherhöhe lässt sich bei der Eintragung in das Speicher-Effizienz-Diagramm die Speicherkapazität zeichnerisch als Fläche darstellen (Bild 6).

Das Ergebnis: Die effektive Speicherkapazität lag bei konventioneller Entladung bei rund 17 kWh und war damit um den Faktor 2,7 geringer als die theoretisch nutzbare Speicherkapazität von 47 kWh.

Im nächsten Schritt der Untersuchung wurde betrachtet, welche Parameter die effektiv nutzbare Speicherkapazität beeinflussen. Die reale, wie in Bild 7 (Speichergrafik rechts) dargestellte Be- und Entladung führt zwangsläufig zu einer Durchmischung im Pufferspeicher, welche die effektiv nutzbare Wärmemenge deutlich einschränkt. In der bestehenden Anlage hatte diese Art der Pufferbe- und entladung regelmäßig die Schichtung zerstört. Die Durchmischung während der Be- und Entladung führt also dazu, dass die Temperatur im unteren Speicherbereich angehoben wird, im oberen Bereich dagegen absinkt. Es lässt sich daraus der Schluss ableiten, dass die Effizienz eines hydraulischen Puffers maßgeblich von der Temperaturverteilung im Pufferspeicher abhängt. Die Speichereffizienz wird beeinflusst von

• hohe Vorlauftemperatur des Wärmeerzeugers,
• möglichst niedrige Rücklauftemperatur des Verbraucherkreises,
• Strömungsverhältnisse und -geschwindigkeiten beim Eintritt in den Pufferspeicher.

Anstelle von Dreiwege-Mischern ist im Wärmeerzeugerkreis und im Verbraucherkreis jeweils ein Mehrwege-Mischer eingebunden. Für den weiteren Teil des Versuchs wurde die Ladestrategie auf die Betriebsart „Zwei-Zonen-Be- und Entladung“ umgestellt. Dazu wurden die bereits installierten Mehrwege-Mischer so umgestellt, dass je nach Sollwertvorgabe nicht heißes mit kaltem, sondern heißes mit warmem oder warmes mit kaltem Wasser vermischt wird. Bei Beladung wird zuerst die obere Pufferzone (heiß) beladen; die untere Zone bleibt länger kalt. Bei Entladung wird zuerst über den mittleren Speicheranschluss Wärme aus der unteren Pufferzone entnommen, die dadurch schneller abkühlt. Die obere Pufferzone bleibt länger auf hohem Temperaturniveau.

Die Mehrwege-Mischer werden wie die zuvor eingesetzten Dreiwegemischer über ein Dreipunktsignal (230 V) angesteuert. Während bei Entladung die Vorlauftemperatur des Heizkreises einer witterungsgeführten Heizkurve folgt, ist bei Beladung die Rücklauftemperatur zum Wärmeerzeuger auf einen festen Sollwert eingestellt. Die Zwei-Zonen-Beladung ersetzt damit auch eine sonst notwendige Rücklaufanhebung.

Im Zuge der Untersuchung wurde deutlich, dass die Positionierung der Temperaturfühler am Speicher einen erheblichen Einfluss auf die Speichereffizienz hat. Das in der Anlage vorhandene Senertec-BHKW verfügt über zwei getrennte Temperaturfühler auf unterschiedlichen Höhen: Beim Unterschreiten des Sollwerts am oberen Fühler startet das Aggregat; wird der Sollwert am unteren Fühler unterschritten, schaltet die Maschine ab. Durch die Zwei-Zonen-Be- und Entladung erhöhte sich die effektive Speicherkapazität um rund 60 % von 17 kWh auf 27,4 kWh. Würde zusätzlich der untere Fühler noch weiter nach unten versetzt, ließe sich die nutzbare Puffereffizienz noch einmal um ca. 30 bis 50 % vergrößern.