Studien
Pufferspeicher Wärmepumpe: Was ist bei der Planung zu beachten?
Ein Pufferspeicher für Wärmepumpen ist ein wichtiger Bestandteil moderner Heizsysteme, da er zu mehr Effizienz, Komfort und Versorgungssicherheit beiträgt. Er speichert überschüssige Wärmeenergie, verhindert das ständige Takten der Wärmepumpe und stellt die gespeicherte Energie bei Bedarf zur Verfügung. Somit trägt der Pufferspeicher zur Optimierung des Systems bei, verlängert die Lebensdauer der Wärmepumpe und macht sie wirtschaftlicher. Doch was genau ist ein Pufferspeicher und warum spielt er für Wärmepumpen eine so große Rolle? Welche Arten von Pufferspeichern – wie konventionelle Speicher, Schichtladespeicher oder bivalente Speicher – stehen zur Auswahl und worin unterscheiden sie sich?
Der Aufbau der Wärmepumpe mit Pufferspeicher ist entscheidend, um die Energie aus Luft, Erdreich oder Wasser bestmöglich zu nutzen. Die hydraulische Einbindung ist dabei ein zentraler Faktor. Sie steuert den Wärmeaustausch zwischen Wärmepumpe, Pufferspeicher und Heizsystem und bestimmt die Effizienz des Systems. Dabei stellt sich oft die Frage, ob Wärmetauscher für Pufferspeicher sinnvoll sind.
In diesem Beitrag erfahren Sie alles Wissenswerte über Pufferspeicher für Wärmepumpen: von den Grundlagen über die verschiedenen Speicherarten bis hin zu Aufbau und Einbindung ins Heizsystem. Zudem zeigen wir Ihnen, welchen Mehrwert die Simulationssoftware Polysun für die Planung von Pufferspeichersystemen bietet.
Was ist ein Pufferspeicher und warum ist er für Wärmepumpen wichtig?
Ein Pufferspeicher einer Wärmepumpe ist ein isolierter Wassertank, der als Wärmespeicher für die Heizung von Gebäuden dient. Er lagert überschüssige Wärmeenergie aus der Wärmeerzeugung entweder kurzfristig oder saisonal. Diese steht bei Bedarf zur Verfügung. Der Pufferspeicher verfügt über mehrere hydraulische Anschlüsse, um die gespeicherte Energie für verschiedene Heizkreise bereitzustellen. Dadurch ist die Integration von beispielsweise solarthermischen Kollektoren, Frischwasserstationen und Heizkörpern möglich.
Die Kombination aus Pufferspeicher und Wärmepumpe verhindert das unnötige Takten der Wärmepumpe, also das häufige Ein- und Ausschalten. Die Wärmepumpe kann die gewonnene Wärmeenergie stattdessen im Pufferspeicher zwischenspeichern. Zusätzliche Optimierungen, wie die Beladung des Pufferspeichers zu Zeiten mit günstigem Strompreis, außerhalb der Ruhezeiten zur Geräuschvermeidung oder die Nutzung von Power-to-Heat, stellen wertvolle Nebeneffekte dar.
Ein Pufferspeicher sorgt für einen gleichmäßigen Betrieb des gesamten Systems und optimiert primär die Effizienz der Heizung und erhöht die Lebensdauer der Wärmepumpe. Zudem garantiert das System eine hohe Versorgungssicherheit, da immer genügend Wärmeenergie im Speicher vorhanden ist.
Aufbau Wärmepumpe mit Pufferspeicher: unterschiedliche hydraulische Einbindungen
Der Aufbau einer Wärmepumpe mit Pufferspeicher gliedert sich in drei Bereiche: Wärmeerzeugung, Speicherung und Heizsystem. Die gängigsten hydraulischen Einbindungen sind in den folgenden Abbildungen dargestellt, wobei eine Luft-Wasser-Wärmepumpe als Wärmeerzeuger, ein Pufferspeicher und eine Fußbodenheizung kombiniert sind.
Bei konventionelle Pufferspeichersysteme ist der Pufferspeicher direkt im Kreislauf eingebunden. Dabei wird das Heizwasser von der Wärmepumpe direkt in den Wärmespeicher oder in die Heizung geleitet. Im Pufferspeicher mischt es sich mit dem Speicherwasser und verteilt sich gleichmäßig darin. Das folgende Schema zeigt das einfachste Wärmepumpen-Pufferspeicher-System mit lediglich einem Kreislauf.
Eine weitere Möglichkeit, eine Wärmepumpe mit einem Pufferspeicher zu kombinieren, ist die direkte Kopplung der beiden Komponenten über ein T-Stück-Rohr. Diese Kopplung ermöglicht die direkte Versorgung einer Fußbodenheizung und gleichzeitig die Speicherung der überschüssigen Wärme im Pufferspeicher. Das Heizwasser wird in der warmen Schicht aus dem Pufferspeicher entnommen und über einen Plattenwärmetauscher das Brauchwasser erwärmt. Der Vorteil dieses Aufbaus liegt darin, dass der Kreislauf der Wärmepumpe und des Speichers vollständig vom Trinkwasserkreislauf getrennt ist. Somit ist der Legionellenschutz, also der Schutz vor Bakterienbildung im Speicher, sichergestellt und die hygienischen Voraussetzungen für das Trinkwasser sind gegeben. Das folgende Schema zeigt den Aufbau eines Wärmepumpen-Pufferspeichers mit externem Wärmetauscher und Trinkwasserkreislauf.
In vielen größeren Gebäuden ist es wünschenswert, neben einer Wärmepumpe zusätzliche Energiequellen zu verwenden. Durch einen internen Wärmetauscher in Form einer Wendel im Pufferspeicher können Solarthermiekollektoren problemlos eingebunden werden. So entsteht ein bivalenter Pufferspeicher mit unterschiedlichen Temperaturniveaus. Die Integration von Solarthermie entlastet die Wärmepumpe und sorgt gleichzeitig für eine höhere Stabilität des Systems. In dieses System können verschiedene Verbraucher, also Heizung und Trinkwasser, effizient integriert werden. Ein externer Plattenwärmetauscher ermöglicht zudem die Trennung des Trinkwasserkreislaufs vom Heizkreislauf der Wärmepumpe und der Heizung. Somit sind die Verbraucher unabhängig voneinander steuerbar und die hygienischen Standards des Trinkwassers sind gewährleistet. Das folgende Schema zeigt den Aufbau einer Wärmepumpe mit Pufferspeicher und integrierter Solarthermie.
Pufferspeicher können entweder parallel oder in Reihe geschaltet werden. Bei der Parallelschaltung wird der Pufferspeicher hydraulisch zwischen Wärmepumpe und Heizsystem eingebunden. Dadurch kann das Heizwasser je nach Bedarf direkt in den Heizkreis oder über den Speicher fließen. Bei der Reihenschaltung wird das gesamte Heizwasser zunächst vollständig durch den Pufferspeicher geleitet, bevor es in den Heizkreis gelangt. Genauere Informationen zur parallelen und seriellen Verschaltung von Pufferspeichern mit Wärmepumpen finden Sie in unserem Blogartikel zum Thema.
Anwendungsfälle für Pufferspeicher bei Wärmepumpen
Pufferspeicher für Wärmepumpen kommen in verschiedenen Gebäudetypen zum Einsatz, insbesondere in größeren und komplexeren Heizsystemen. Nachfolgend sind typische Anwendungsfälle sowie deren Verwendungszweck aufgelistet.
| Gebäudeart | Verwendungszweck |
| Einfamiliehäuser | gleichmässige Wärmeversorgung |
| Mehrfamilienhäuser | Effiziente Lastverschiebung, Entkopplung von Wärmeerzeugung und Verbrauch, Integration mehrerer Energiequellen |
| Hotels | Ausgleich schwankender Wärmebedarfe im Tagesverlauf, Komfortsteigerung |
| Gewerbegebäude | Reduzierung von Lastspitzen, hohe Speichervolumina, wirtschaftlicher Betrieb |
| Bürogebäude | Ausgleich fluktuierender Nutzung, Energieeinsparung |
| Krankenhäuser | Hohe Versorgungssicherheit, Sicherstellung kontinuierlicher Wärmeversorgung |
| öffentliche Gebäude | Nachhaltige und zuverlässige Wärmeversorgung |
Welche Arten von Pufferspeichern gibt es und worin unterscheiden sie sich?
Grundsätzlich lassen sich vier Arten von Pufferspeichern unterscheiden, welche bei Heizsystemen eingesetzt werden. Diese sind nachfolgend exemplarisch aufgezeigt.
Konventionelle Pufferspeicher
Diese Speicher sind direkt in den Heizkreislauf von Wärmepumpe und Heizung integriert. Die Wärmepumpe leitet das Warmwasser in den Speicher, wo es sich mit dem Speicherwasser mischt. Somit stellt sich im Speicher die gewünschte Temperatur ein. Im Inneren des Pufferspeichers gibt es idealerweise keine großen Temperaturunterschiede. Diese Speicherart ist für kleine Wärmesysteme ohne komplexe Hydraulik geeignet. Zudem sind die Kosten niedrig und die Installation simpel. Nachteile dieser Speicherart sind jedoch die geringere Effizienz in Heizkreisen im Vergleich zu anderen Speicherarten und die nicht ideale Integration von Solarthermie.
Schichtladespeicher
Ein Schichtladespeicher ist in mehrere Temperaturzonen unterteilt, wobei es oben wärmeres und unten kälteres Wasser gibt. Diese Zonen bilden sich durch Grenzschichten, die sich nach der Dichte des Wassers bei unterschiedlichen Temperaturen richten. Die Temperaturschichtung kann entweder durch den direkten Einlass des Heizwassers in die gleich temperierte Schicht oder durch Schichtlanzen erfolgen. Diese Lanzen befinden sich innerhalb des Speichers und besitzt seitliche Löcher. Das eintretende Warmwasser strömt so lange durch die Lanze, bis es auf eine Zone mit ähnlicher Temperatur trifft. Dort tritt das Wasser in den Pufferspeicher, Durch die langsame Beladung des Speichers vermischen sich die Schichten nicht und unterschiedlich warmes Speicherwasser steht jederzeit zur Verfügung.
Bei Bedarf entnehmen die Heizkreise das optimal temperierte Speicherwasser aus der richtigen Schicht, was die Effizienz der Heizkreise erhöht. So kann ein Schichtladespeicher mehrere Systeme mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen versorgen. Darüber hinaus ermöglicht die Schichtung eine effiziente Integration von Solarthermie und reduziert die Belastung der Wärmepumpe. Nachteile sind die höheren Kosten sowie die aufwändigere Installation und Wartung.
Bivalente Pufferspeicher
Diese Speicher nutzen zwei verschiedene Energiequellen. Neben der Wärmepumpe können auch solarthermische Kollektoren, Elektroheizstäbe, fossil betriebene Kessel oder Pelletkessel als Wärmequelle dienen. Die zusätzlichen Energiequellen sind entweder direkt oder über einen Wärmetauscher mit dem Speicherwasser verbunden.
Bivalente Pufferspeicher versorgen Heizungen zuverlässig mit Warmwasser und eignen sich zudem für die Kombination mit einem Trinkwasserkreislauf als Kombispeicher. Sie bieten eine hohe Versorgungssicherheit und lassen sich gut mit erneuerbaren Energiequellen integrieren. Nachteile sind die komplexe Bauweise und die höheren Kosten. Außerdem ist eine Steuerung erforderlich, um die verschiedenen Energiequellen optimal aufeinander abzustimmen.
Integrierte Pufferspeicher
Diese Speicher sind direkt in die Wärmepumpe integriert. Sie sind sehr platzsparend, da die Wärmepumpe mit dem Speicher vereint sind und somit kein zusätzlicher Platz benötigt wird. Durch die Integration in die Wärmepumpe entstehen zudem geringere Wärmeverluste beim Energietransport. Diese Speicherart eignet sich besonders für Einfamilienhäuser oder kleine Gebäude. Nachteile sind jedoch das vergleichsweise geringe Speichervolumen und die eingeschränkten Möglichkeiten zur Integration von Solarthermie oder eines Trinkwasserkreislaufs.
Simulation Pufferspeicher Wärmepumpe in Polysun – welche Mehrwerte bietet die Software?
Die Simulation eines Systems in Polysun bietet zahlreiche Vorteile für die optimale Auslegung eines Pufferspeichers mit Wärmepumpe. Für ein effizientes Energiemanagement mit einer Wärmepumpe und Pufferspeicher sollten dabei folgende Faktoren berücksichtigt werden:
- Speicherbare Wärmemenge beziehungsweise das Fassungsvermögen des Speichers
- Hydraulische Einbindung (seriell, parallel oder von der Wärmeerzeugung entkoppelt)
- Benötigte Vorlauftemperaturen für die Heizkreise
- Regelung und Steuerung der Komponenten
- Integration zusätzlicher Energiequellen wie Solarthermie oder Geothermie
- Gebäudeeigenschaften, insbesondere Heizlast und Energiebedarf
- Energetische Anforderungen an den Warmwasserspeicher
Möglichkeiten der Simulation in Polysun
Mithilfe einer Simulationssoftware wie Polysun lassen sich diese Faktoren auch für anspruchsvollere Anwendungsfälle in größeren Gebäuden optimal abstimmen. Dabei ergeben sich folgende Mehrwerte:
- Einsparung der Energiekosten um bis zu 40 %: Die Wirtschaftlichkeit von Wärmepumpensysteme verbessert sich. Die optimierte Energieversorgungsvariante kann bis zu 40 % der Energiekosten einsparen, als ohne Optimierung.
- Ermittlung wichtiger Parameter zur Auslegung des Pufferspeichers: Die Simulation erlaubt eine präzise Abstimmung von Speichervolumen, Vorlauftemperaturen für Heizkreise, Leistung des Wärmeerzeugers sowie Anzahl und Position der hydraulischen Anschlüsse auf den Wärmebedarf des Gebäudes.
- Realistische Simulation dynamischer Lastprofile: Alle relevanten Komponenten – Wärmepumpe, Pufferspeicher, Verbraucher und zusätzliche Energiequellen wie Solarthermie oder Photovoltaik – werden berücksichtigt. So kann der Wärmespeicher optimal dimensioniert und gegebenenfalls die Leistung der Wärmepumpe reduziert werden.
- Vermeidung typischer Planungsfehler: Probleme, wie das zu häufige Takten der Wärmepumpe, werden sichtbar. Solche Planungsfehler führen zu geringerer Effizienz, Komfortverlusten und einer verkürzten Lebensdauer.
- hydraulische Einbindung des Pufferspeichers: Unterschiedliche Varianten, etwa paralleler oder serieller Anschluss, lassen sich simulieren, um die technisch und wirtschaftlich sinnvollste Lösung zu ermitteln.
- Umfangreiche Komponentenkatalog mit Vorlagen: Zahlreiche Vorlagen beschleunigen den Planungsprozess zur Dimensionierung von Wärmepumpensystemen, gleichzeitig können Details wie Abtauzyklen, variable Arbeitspunkte oder Temperaturdifferenzen präzise simuliert werden.
- Berechnung saisonaler Leistungszahlen: Die Effizienz von Wärmepumpensystemen mit Pufferspeicher lässt sich realitätsnah abbilden, was die Planungssicherheit deutlich erhöht.
- Simulation der Steuerung: Eine intelligente Steuerung kann Lastverschiebungen (Strombezug in Niedertarifzeiten), die Optimierung des Eigenverbrauchs und eine prognosebasierte Betriebsoptimierung in Systemen automatisieren.
Die Hydraulikschemas der wichtigsten in der Praxis verwendeten Wärmepumpensysteme mit Pufferspeicher haben wir Ihnen in einem separaten Blog zusammengestellt.
FAQ
Wie deckt man verschiedene Nutzungbereiche im Gebäude (Heizkreise, Trinkwasser, Einzelraumregelungen) hydraulisch ab?
Bei einem Wärmepumpensystem mit Pufferspeicher übernimmt der Speicher eine zentrale Rolle bei der Versorgung der verschiedenen Nutzungsbereiche eines Gebäudes. Die Wärmepumpe liefert die erzeugte Wärme zunächst in den Pufferspeicher. Dieser fungiert als Wärmespeicher für die Heizung. Über Wärmetauscher für Pufferspeicher können von dort aus die einzelnen Heizkreise – etwa Fußbodenheizung oder Heizkörper – sowie die Warmwasserbereitung bedarfsgerecht mit Wärme versorgt werden. Insbesondere bei Einzelraumregelung oder unterschiedlichen Nutzerprofilen sorgt der Pufferspeicher dafür, dass das System stabil bleibt, da er Temperatur- und Volumenstromschwankungen ausgleicht. Dies schont die Wärmepumpe und sorgt für eine effizientere und gleichmäßigere Wärmeverteilung im ganzen Gebäude. So beliefert der Speicher alle Bereiche – Heizkreise, Trinkwarmwasser und einzelne Räume – optimal mit Wärme. Der Aufbau einer Wärmepumpe mit Pufferspeicher ist weiter oben in diesem Artikel beschrieben.
Wie kann der Pufferspeicher in das Hydraulikschema eingebunden werden (Vorlauf-, Rücklauf-, Misch- oder Schichtspeicher)?
Ein Pufferspeicher kann die Temperatur im Rücklauf glätten, das Wasservolumen vergrößern und somit das Takten der Wärmepumpe reduzieren. Diese einfache und effiziente Methode eignet sich besonders für kleinere Anlagen oder Nachrüstungen.
Im Vorlauf dient der Speicher als direkte Energiequelle, entkoppelt die Wärmepumpe hydraulisch von den Heizkreisen und sorgt für stabile Vorlauftemperaturen. Ein Nachteil sind die höheren Wärmeverluste. Diese Lösung wird typischerweise in Mehrfamilienhäusern eingesetzt.
Als hydraulische Weiche entkoppelt ein Pufferspeicher die Volumenströme und versorgt mehrere Heizkreise mit unterschiedlichen Temperaturen. Diese aufwendigere, aber ideale Lösung kommt in großen Gebäuden wie Hotels oder Krankenhäusern zum Einsatz.
Schichtladespeicher arbeiten am effizientesten, indem sie verschiedene Temperaturniveaus speichern. Sie sind ideal für bivalente Systeme, bieten höchste Effizienz und Flexibilität, sind jedoch teurer und komplexer.
Mehr zu Hydraulikschemata von Pufferspeichern finden Sie hier.
Wie kann Solarthermie, Fernwärme oder ein Spitzenlastkessel in ein Wärmepumpensystem mit Pufferspeicher eingebunden werden?
Solarthermie, Fernwärme und ein Spitzenlastkessel können so in ein Wärmepumpensystem mit Pufferspeicher eingebunden werden, dass die Wärmepumpe effizient arbeitet und Lastspitzen zuverlässig abgefangen werden. Bei Solarthermie speisen die Kollektoren in der Regel oben in den Pufferspeicher ein, sodass die heißeste Schicht genutzt wird. Dadurch können Warmwasser und Heizkreise teilweise oder vollständig solar versorgt werden, während die Wärmepumpe den unteren Bereich lädt. Fernwärme wird üblicherweise über einen Plattenwärmetauscher angeschlossen und kann direkt in den Pufferspeicher einspeisen, um den Bedarf bei hohen Lasten oder während Wartungszeiten der Wärmepumpe zu decken. Spitzenlastkessel – beispielsweise Gas- oder Ölkessel – werden ebenfalls oberhalb oder in einer speziellen Hochtemperaturzone des Pufferspeichers eingebunden. Sie übernehmen die Versorgung bei sehr kalten Außentemperaturen oder hoher Warmwasserlast und stellen sicher, dass die Vorlauftemperaturen stabil bleiben. Auf diese Weise werden alle Energiequellen kombiniert, wobei der Pufferspeicher als hydraulische Entkopplung und flexibler Energiespeicher fungiert.
Welche Auswirkungen hat die Grösse des Pufferspeicher auf die Jahresarbeitszahl (JAZ) der Wärmepumpe?
Die Größe des Pufferspeichers hat einen erheblichen Einfluss auf die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Wärmepumpe, da sie das Betriebsverhalten steuert. Ein ausreichend großer Pufferspeicher ermöglicht längere Laufzeiten und reduziert das häufige An- und Abschalten der Wärmepumpe. Kurzes Takten verbraucht zusätzlich Energie und senkt die Effizienz. Ein glattes Betriebsprofil erhöht daher die mittlere JAZ. Außerdem sorgt der Speicher dafür, dass die Wärmepumpe überwiegend bei niedrigen Vorlauftemperaturen arbeitet, was den Wirkungsgrad erhöht. Lastspitzen werden aus dem Pufferspeicher gedeckt, sodass die Wärmepumpe nicht gezwungen ist, mit hohen Leistungen ineffizient zu arbeiten. Insgesamt führt also ein gut ausgelegter Pufferspeicher zu stabilen Temperaturen, geringeren Takten und einer höheren Jahresarbeitszahl.