Pufferspeicher parallel oder in Reihe: So erreicht man Planungssicherheit und Wirtschaftlichkeit

Bei der Planung größerer Wärmepumpenanlagen, beispielsweise in Hotels, Schulen, Kindergärten, Industriegebäuden oder Mehrfamilienhäusern, ist die Anordnung und Auslegung der Pufferspeicher von entscheidender Bedeutung. Die Entscheidung, ob die Pufferspeicher parallel oder in Reihe geschaltet werden, hat Auswirkungen auf die Effizienz, Flexibilität, hydraulische Stabilität und Wartungsfreundlichkeit der Anlage. Dieser Fachbeitrag zeigt die Unterschiede, Einsatzbereiche und Planungsgrundlagen beider Varianten auf. Zusätzlich werden Praxisbeispiele dargestellt, die zeigen, wie sich größere Anlagen mit mehreren Pufferspeichern optimieren und verlässlich planen lassen.

Eine Zusammenfassung dieses Blogs und einen guten Einstieg ins Thema finden Sie mit untenstehendem Video „Pufferspeicher parallel oder in Reihe: Welches Schema passt zu Ihrem Projekt?“

Terminologie und Inhaltsverzeichnis

In der Praxis unterscheidet man zwei Einsatzbereiche, wenn von Pufferspeichern in Parallel- oder Reihenschaltung die Rede ist. Zum einen geht es um die Anordnung mehrerer Pufferspeicher untereinander. Zum anderen betrifft es die hydraulische Einbindung eines einzelnen Pufferspeichers in den Heizkreislauf – ebenfalls parallel oder in Reihe. Über das nachfolgende Inhaltsverzeichnis gelangen Sie direkt zu dem für Sie relevanten Abschnitt.

Einsatzbereich 1: Wann werden Pufferspeicher in Reihe geschaltet?

Die Reihenschaltung (serielle Einbindung) von Pufferspeichern ist für Anlagen geeignet, die einen durchgängigen Volumenstrom und eine lineare, zonierte Temperaturschichtung erfordern. Bei dieser Schaltung liegt der Pufferspeicher vollständig im Haupt-Heizkreislauf, sodass das Heizungswasser immer vollständig durch den Speicher fließt, bevor es zur Wärmepumpe zurück- oder zu den Heizkreisen gelangt.

In der Praxis werden bei größeren Anlagen aus verschiedenen Gründen Pufferspeicher in Reihe geschaltet:

• Höheres Gesamtvolumen bei begrenzter Raumhöhe oder -fläche
  Ein einzelner Pufferspeicher mit sehr großem Volumen ist konstruktiv schwer zu transportieren und kann unter Umständen gar nicht in den Aufstellraum eingebracht werden. Demgegenüber lassen sich mehrere kleinere Speicher leichter einbringen und aufstellen. 
• Bessere Temperaturschichtung
  Bei Reihenschaltung durchströmt das Heizungs- bzw. Kältemedium die Speicher nacheinander. Dadurch bleibt die Temperaturschichtung in jedem Speicher stabiler, da jeder Speicher nur einen Teil der Temperaturdifferenz abbilden muss. Bei parallel geschalteten Pufferspeichern muss hingegen die gesamte Temperaturspreizung abgebildet werden. Das Wasser fließt also ruhiger durch jeden einzelnen Speicher, sodass sich warmes und kaltes Wasser weniger vermischen und die Temperaturschichtung länger erhalten bleibt.
• Höhere Ausnutzung der Speicherkapazität
  Durch Reihenschaltung wird zunächst ein Speicher vollständig „ausgenutzt“, bevor der nächste aktiv befüllt oder entladen wird. Das verhindert Mischzonen und sorgt für eine höhere nutzbare Energiemenge.
• Hydraulische Entkopplung und gleichmäßiger Durchfluss
  Durch die Anordnung mehrerer Speicher in Reihe wird ein konstanter Durchfluss durch alle Speicher gewährleistet. Kurzschlüsse im Strömungsverlauf, wie sie bei einer Parallelverschaltung auftreten können, werden somit verhindert.

Die serielle Einbindung eines Pufferspeichers hat verschiedene Nachteile. Besonders ungünstig wirkt sie sich im Teillastbetrieb aus. Bei geringem Wärmebedarf, wie er etwa in den Übergangszeiten auftritt, fließt unnötig viel Heizungswasser durch den Speicher. Das führt zu deutlichen Effizienzverlusten. Zudem erhöht sich durch die Führung des gesamten Heizkreislaufs über den Speicher der hydraulische Widerstand. Dadurch muss die Umwälzpumpe mehr Leistung erbringen, was zu einem erhöhten Strombedarf führt.

Wann werden Pufferspeicher parallel geschaltet?

Die Parallelschaltung (auch hydraulische Entkopplung genannt) ist in größeren Wärmepumpensystemen mit mehreren Heizkreisen, variablem Volumenstrom oder bei der gleichzeitigen Versorgung unterschiedlicher Verbraucher (z. B. Heizung, Lufterhitzer, Warmwasserbereitung) Standard.

In der Praxis sind bei größeren Anlagen aus verschiedenen Gründen Pufferspeicher parallel geschaltet:

• Geringerer Strömungswiderstand
  Bei einer Parallelschaltung der Pufferspeicher teilt sich der Gesamtvolumenstrom auf mehrere Speicher auf, im Vergleich zur Reihenschaltung. Dadurch fließt in jedem Speicher nur ein Teilstrom mit niedrigerer Strömungsgeschwindigkeit, was zu einem geringeren Druckverlust im Gesamtsystem führt. Dies ist besonders bei sehr großen Anlagen mit hohen Durchflussmengen, wie beispielsweise Fernwärmezentralen oder Großheizungen, von Vorteil.
• Gleichmäßige Temperaturversorgung
  Da jeder Speicher direkt am Vor- und Rücklauf hängt, werden alle Speicher gleichzeitig be- und entladen. Das ist vorteilhaft, wenn in der Anlagenauslegung immer das gleiche Temperaturniveau in allen Speichern benötigt wird.
• Flexibilität bezüglich Auslastung
  Bei Teil- oder Volllastbetrieb ist es möglich, einzelne Speicher über Absperrungen vom Netz zu trennen (z. B. für Wartungsarbeiten oder wenn weniger Speichervolumen benötigt wird). So kann man Verluste durch unnötig warm gehaltene Speicher reduzieren.
• Erweiterbarkeit ohne komplette Umbauten
  Neue Pufferspeicher lassen sich ganz einfach parallel zum Vor- und Rücklauf anschließen, ohne dass die bestehende Hydraulik stark verändert werden muss.
• Günstiger bei sehr großen Gesamtvolumen
  Sehr große einzelne Speicher sind teuer und schwer zu transportieren. Mehrere kleinere Speicher sind dagegen oft kostengünstiger zu beschaffen, zu montieren und zu transportieren.

Die Planung und Realisierung von parallel geschalteten Pufferspeichern ist aufwendiger. Bei diesen muss die Strömungsverteilung sauber hydraulisch abgeglichen werden, da sich sonst ein Speicher stärker als die anderen lädt. Ebenso kann die Temperaturschichtung in den Speichern schneller verloren gehen, wenn der Volumenstrom hoch ist oder ungleichmäßig verteilt wird.

Im Folgenden werden die häufigsten Anwendungsfälle vorgestellt, in denen TGA-Planer und Ingenieure Pufferspeicher parallel oder in Reihe planen.

Beschreibung von Anwendungsfällen mit Pufferspeichern in Reihenschaltung und deren Schema

Pufferspeicher werden beispielsweise in folgenden Anwendungsbereichen in Reihe geschaltet:  

• Energetische Sanierung Mehrfamilienhaus mit begrenzter Raumhöhe
• Schule mit konstantem, linearem Energiebedarf,
• Anlagen mit nur einem Heizkreis und wenig dynamischen Lasten.
• Industrieanwendungen mit durchgehender Prozesswärmeversorgung ohne große Lastsprünge,

Nachfolgend werden häufige Praxisbeispiele beschrieben und die Reihenschaltung von Pufferspeicher in Schemas aufgezeigt.

Energetische Sanierung Mehrfamilienhaus mit begrenzter Raumhöhe

Bei dieser energetischen Sanierung eines Mehrfamilienhauses werden aufgrund der begrenzten Raumhöhe drei Pufferspeicher seriell verschaltet. Zur Wärmeerzeugung kommen eine PVT-Anlage, eine Wärmepumpe und eine Erdsonde zum Einsatz. Die PVT-Anlage speist die Pufferspeicher im Sommer mit Wärme und regeneriert gleichzeitig die Erdsonde. Abhängig von der Vorlauftemperatur des Pufferspeichers erfolgt die Beladung über unterschiedliche Stutzen. Die Entladung erfolgt über den entsprechenden Stutzen, je nach erforderlicher Austrittstemperatur für Brauchwasser und Fußbodenheizung.

Schule mit Frischwasserstation und Kühlung

Erdwärme dient als Energiequelle, die mit der Wärmepumpe auf verschiedene Temperaturniveaus zur Fussbodenheizung und Brauchwasserversorgung angehoben wird. Entsprechend der benötigten Temperatur wird der Pufferspeicher beim jeweiligen Stutzen beladen. Der Kühlkreislauf ist seperat dargestellt:  Der untere Kreislauf dient zur aktiven Kühlung. Das Kühlelement entzieht dem Gebäude im Sommer die Wärme und speichert sie in der Erdsonde, die damit regeneriert wird.

Beschreibung von Anwendungsfällen mit parallelen Pufferspeichern und deren Schema

Pufferspeicher Tichelmann System

Die Einbindung von Pufferspeicher kann nach Tichelmann-System erfolgen. Zwei parallele Pufferspeicher werden nach dem Tichelmann-Prinzip so eingebunden, dass der erste Speicher im Vorlauf und der zweite im Rücklauf näher an der Quelle liegt, wodurch beide hydraulisch gleich lange Strömungswege haben.
Dadurch entstehen gleiche Druckverluste in beiden Speichersträngen und die Volumenströme verteilen sich ohne zusätzlichen hydraulischen Abgleich gleichmäßig.
In der Simulation wird dies durch identische Rohrparameter und symmetrische Anschlussbedingungen der beiden Pufferspeicher abgebildet.

Das Tichelmann-Prinzip sorgt dafür, dass alle parallel angeschlossenen Verbraucher (oder Speicher) gleiche hydraulische Widerstände haben. In der Simulation bedeutet das:
identische Rohrlängen (Vorlauf + Rücklauf), gleiche Rohrdurchmesser, gleiche Druckverluste und dadurch gleiche Volumenströme ohne aufwändigen hydraulischen Abgleich.

Für die detaillierte Abbildung und Simulation des Tichelmann System müssen die Druckverluste und Armaturen detailliert modelliert werden können.
In Energie-/und Gebäudesimulationssoftware wird mit vereinfachten Hydrauliken energetisch gerechnet. Diese Software wie Polysun oder EnergyPlus verteilen die Volumenströme automatisch oder idealisiert.

Dies genügt für die Plangenauigkeit in den allermeisten Anwendungsfällen in der Praxis. Die Umsetzung des Tichelmann-System ist oft vielmehr ein Problem der korrekten Bauweise/Ausführung oder der langen Rohrlängen, respektive des vorhandenen Platzes.

In der Praxis wird nicht nur bei einer Anordnung nach Tichelmann von parallelen Pufferspeicher gesprochen. Nachfolgend werden häufige Praxisbeispiele beschrieben und die Anordnung von parallelen Pufferspeicher in Schemas aufgezeigt.

• Mehrfamilienhaus-Neubau mit großem Heizleistungsbedarf
• Bürogebäude oder Hotels mit stark schwankenden Energiebedarfen und Spitzenlastanforderungen
• Nah- und Fernwärmeanlagen mit hohen Volumenströmen, die gleichmäßig aus mehreren Speichern gedeckt werden sollen
• Industrieanwendungen mit variablen Lasten, bei denen Redundanz und Flexibilität in der Speicherbewirtschaftung gefordert sind.

Neues Mehrfamilienhaus, Quartierüberbauung oder Bürokomplex mit Eisspeicher

Dieses System, das beispielsweise in einem Mehrfamilienhaus, einer Quartierüberbauung oder einem Bürokomplex eingesetzt werden kann, nutzt einen Eisspeicher als zentrale Energiequelle, da er auf kleinem Raum große Wärmemengen speichern und dank kontinuierlicher Regeneration durch die PVT-Module zuverlässig betrieben werden kann. Die im Eisspeicher gespeicherte Energie wird von der Wärmepumpe genutzt, um sowohl die Gebäudeheizung als auch die Trinkwasserbereitung zu versorgen. Damit die unterschiedlichen Anforderungen beider Anwendungen erfüllt werden können, werden separate Pufferspeicher installiert: Einer für den Heizkreis der Fußbodenheizung, der mit niedrigen Vorlauftemperaturen arbeitet und so den effizienten Betrieb der Wärmepumpe unterstützt, und ein weiterer für das Trinkwarmwasser, das deutlich höhere Temperaturen benötigt, um die hygienischen Anforderungen zu erfüllen. Die Wärmepumpe muss dadurch nicht ständig zwischen unterschiedlichen Temperaturniveaus umschalten, sondern kann die beiden Pufferspeicher gezielt beladen. Für den Eisspeicher bedeutet dies eine gleichmäßigere und planbarere Belastung, da die Pufferspeicher kurzfristige Leistungsspitzen abfangen. Dadurch wird die Regeneration des Eisspeichers erleichtert, die Lebensdauer erhöht und die Gesamteffizienz des Systems gesteigert.

Hotel mit bivalentem System

Ein Hotel mit Hybrid-Wärmepumpensystem nutzt eine Kombination aus Wärmepumpe und Gaskessel, was insbesondere bei der Sanierung von Altbauten sinnvoll ist. Dort finden sich häufig sowohl moderne Fußbodenheizungen mit niedrigen Vorlauftemperaturen als auch ältere Heizkreise mit Radiatoren, die höhere Temperaturen benötigen. Um diese unterschiedlichen Anforderungen effizient zu erfüllen, werden zwei separate Pufferspeicher eingesetzt: Ein Pufferspeicher versorgt die Heizkreisläufe und stellt die jeweils erforderliche Vorlauftemperatur für Fußbodenheizung und Radiatoren bereit, während der zweite Pufferspeicher für die Trinkwassererwärmung genutzt wird und entsprechend auf einem höheren Temperaturniveau betrieben wird.

Sowohl die Wärmepumpe als auch der Gaskessel sind mit beiden Pufferspeichern verbunden. Die Wärmepumpe übernimmt die Grundlastversorgung, arbeitet dabei bevorzugt mit den niedrigen Temperaturen der Fußbodenheizung und erreicht so einen besonders hohen Wirkungsgrad. Bei erhöhter Nachfrage, etwa in Spitzenlastsituationen, wird der Gaskessel zugeschaltet. Dieser kann flexibel beide Pufferspeicher aufladen und so sowohl die Warmwasserversorgung als auch die Beheizung der Radiatoren sicherstellen. Durch diese Aufteilung übernehmen die Pufferspeicher eine wichtige Puffer- und Entkopplungsfunktion: Sie glätten Lastschwankungen, ermöglichen den gleichzeitigen Betrieb von Heizkreisen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus und verhindern, dass Wärmepumpe und Gaskessel ständig zwischen verschiedenen Betriebszuständen umschalten müssen. Das Ergebnis ist ein zuverlässiger, effizienter und bedarfsgerechter Betrieb des gesamten Hybridsystems.

Kaltes Nahwärmenetz mit Abwasserwärmetauscher und freier Kühlung

In einem kalten Nahwärmenetz mit Abwasserwärmenutzung wird die Quellenergie zentral bereitgestellt. Jedes angeschlossene Mehrfamilienhaus verfügt jedoch über eine eigene Wärmepumpe, die die im Netz verfügbare Wärme auf das erforderliche Temperaturniveau anhebt. Innerhalb jedes Hauses sorgen zwei Pufferspeicher für die effiziente Nutzung dieser Energie: Ein Pufferspeicher deckt den Heizkreislauf ab, der zweite die Warmwasserbereitung.

Die Pufferspeicher dienen dabei als Zwischenspeicher und hydraulische Entkopplung zwischen dem kalten Nahwärmenetz und den individuellen Heiz- und Warmwassersystemen der Wohnungen. Dadurch kann die Wärmepumpe gleichmäßig arbeiten, ohne direkt auf Lastspitzen im Heizkreis reagieren zu müssen. Im Sommer wird das System zusätzlich für die freie Kühlung genutzt. Überschüssige Wärme aus den Gebäuden wird zurück in das Nahwärmenetz eingespeist und über den zentralen Abwasserwärmetauscher abgeführt, wodurch die Gebäude gekühlt werden.

Einsatzbereich 2: Hydraulische Einbindung des Pufferspeichers– parallel, Stich oder seriell?

Ein Pufferspeicher kann bei Wärmepumpenanlagen auf unterschiedliche Weise in den hydraulischen Kreislauf eingebunden werden. Ein Überblick, inklusive der verschiedenen Arten von Pufferspeicher, finden Sie in unserem Beitrag Pufferspeicher mit Wärmepumpe. Die hydraulische Einbindung des Pufferspeichers und Wärmepumpe hat entscheidenden Einfluss auf Effizienz (COP), Taktverhalten, Rücklauftemperaturen und Regelbarkeit der Anlage. Nachfolgend werden drei gängige Einbindungsarten – parallel, nach Stich und seriell – beschrieben und eingeordnet.
Während in der Schweiz (z. B. durch WPSM) überwiegend serielle oder stichartige Einbindungen empfohlen werden, sind in Deutschland (z. B. durch den BWP) auch parallele Einbindungen, auch 4-Anschluss-Einbindung genannt, verbreitet. Die Unterschiede sind technisch erklärbar und anwendungsabhängig.

Pufferspeicher parallel einbinden

Will man den Pufferspeicher parallel einbinden, so muss der Pufferspeicher sowohl auf der Vorlauf- als auch auf der Rücklaufseite parallel zum Heizkreis angeschlossen sein. Man spricht auch von einer 4-Anschluss-Einbindung des Pufferspeichers. Wärmepumpe und Wärmesenke (Heizkreise) sind dadurch hydraulisch entkoppelt; beide Seiten verfügen über eigene Umwälzpumpen mit jeweils eigenem Volumenstrom.
Der Pufferspeicher wirkt in dieser Konfiguration als hydraulische Weiche. Unterschiedliche Volumenströme zwischen Primärseite (Wärmepumpe) und Sekundärseite (Heizkreis) führen zwangsläufig zu Durchmischung im Speicher.
Dies kann jedoch auch Nachteile haben: Ist der primärseitige Volumenstrom höher als der sekundärseitige, kann es zu einem internen Kurzschluss kommen: Ein Teil des warmen Vorlaufwassers fließt direkt über den Pufferspeicher wieder zur Wärmepumpe zurück, ohne von der Wärmesenke aufgenommen zu werden.

Kritische Punkte:

• Mögliche Anhebung der Rücklauftemperatur zur Wärmepumpe
• Verschlechterung des COP (typisch mehrere 10 %)
• Erhöhte Taktneigung durch fehlende echte Wärmesenke
• Zusätzliche Pumpenverluste

Diese Einbindung ist energetisch kritisch, insbesondere bei modulierenden Wärmepumpen mit leistungsabhängigem Volumenstrom. Sie kann in Sonderfällen (z. B. komplexe Mehrverbraucher-Systeme oder Altanlagen mit unklarer Hydraulik) funktionieren, ist jedoch für moderne, effizient ausgelegte Wärmepumpenanlagen meist nicht die bevorzugte Lösung.

Einbindung nach Stich

Bei der Stichanbindung ist der Pufferspeicher seitlich an den Hauptvolumenstrom zwischen Wärmepumpe und Heizkreis angebunden. Im Normalbetrieb durchströmt der Hauptvolumenstrom direkt die Wärmepumpe und die Wärmesenke; der Pufferspeicher wird nur bei Volumenstromabweichungen oder temporären Überschüssen be- oder entladen.
Der Pufferspeicher ist kein Durchflussorgan, sondern ein „atmender“ Speicher. Er nimmt Energie auf, wenn der Wärmeerzeuger mehr Leistung liefert als die Wärmesenke abnimmt, und gibt Energie ab, wenn kurzfristig mehr Leistung benötigt wird. Die Hauptströmung bleibt dabei weitgehend unbeeinflusst.

Auswirkungen:

• Geringe Durchmischung
• Keine systematische Rücklaufanhebung
• Gute COP-Werte
• Reduzierte Taktneigung

Die Stichanbindung stellt einen guten Kompromiss dar, wenn ein Pufferspeicher aus betrieblichen Gründen notwendig ist (z. B. für Abtauenergie, Mindestvolumen oder hydraulische Beruhigung), ohne die Effizienz der Wärmepumpe signifikant zu verschlechtern.

Pufferspeicher seriell einbinden

Bei der seriellen Einbindung wird der Pufferspeicher vollständig in den Hauptvolumenstrom integriert. Der gesamte Volumenstrom der Wärmepumpe durchströmt zuerst den Pufferspeicher und anschließend die Wärmesenke – oder umgekehrt, je nach Konzept.
Der Pufferspeicher wird zur echten thermischen Masse im System. Es existiert nur ein gemeinsamer Volumenstrom für Wärmeerzeuger und Wärmesenke. Volumenstromkonflikte, Kurzschlüsse oder Mischprozesse treten nicht auf.

Auswirkungen:

• Definierte, niedrige Rücklauftemperaturen
• Maximale Effizienz der Wärmepumpe
• Sehr stabiles Betriebsverhalten
• Deutlich reduzierte Taktung

Die serielle Einbindung gilt heute als hydraulisch und energetisch bevorzugte Lösung, insbesondere bei modulierenden Wärmepumpen in Ein- und Mehrfamilienhäusern. Sie setzt voraus, dass der Pufferspeicher korrekt dimensioniert und schichtungsoptimiert ausgeführt ist.

In der Praxis werden je nach Land und Anwendungsfall unterschiedliche Hydrauliken empfohlen. Näheres dazu inklusive Vergleich zwischen BWP (Deutschland) und WPSM (Schweiz) und die Top 6 Anwendungsfälle in der Praxis erfahren Sie im Blog Hydraulikschema Wärmepumpe mit Pufferspeicher.

Fazit

Bei der Dimensionierung größerer Wärmepumpenanlagen und der Planung von Nahwärmenetzen ist die richtige Anordnung der Pufferspeicher entscheidend für die Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe und Betriebssicherheit der Anlage. Die Reihenschaltung von Pufferspeichern ist besonders für Anwendungen mit linearem Volumenstrom und stabiler Temperaturschichtung geeignet, da sie eine höhere Ausnutzung der Speicherkapazität und einen gleichmäßigen Durchfluss gewährleistet. Parallel geschaltete Pufferspeicher bieten hingegen Vorteile bei variablen Lasten und mehreren Heizkreisen, da sie hydraulisch entkoppeln, den Strömungswiderstand reduzieren und eine flexible Nutzbarkeit sowie eine einfache Erweiterung ermöglichen. Die Wahl zwischen Pufferspeicher parallel und in Reihe hängt somit maßgeblich von den spezifischen Anforderungen der Anlage, dem Wärmebedarf und der Hydraulik ab. Beide Schaltungsarten bieten wichtige Vorteile und sollten situationsgerecht geplant werden, um optimale Leistung sowie einen zuverlässigen Betrieb sicherzustellen.

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