Wie die Temperaturschichtung im Pufferspeicher entsteht
Wasser verändert seine Dichte mit der Temperatur. Wärmeres Heizungswasser hat eine geringere Dichte als kühleres und steigt innerhalb eines stehenden Speichers nach oben. Kühleres Wasser sammelt sich dagegen eher im unteren Bereich.
So kann sich eine vertikale Temperaturverteilung bilden, beispielsweise:
- oben: 70 °C
- obere Mitte: 60 °C
- untere Mitte: 45 °C
- unten: 30 °C
Diese Werte sind nur ein Beispiel. Wie groß die Temperaturunterschiede tatsächlich ausfallen, hängt vom Heizsystem, der Beladung, der Entnahme und dem Speicher selbst ab.
Entscheidend ist weniger, dass einzelne Schichten messerscharf voneinander getrennt sind. In einem realen Pufferspeicher gibt es normalerweise Übergangszonen. Wichtig ist vielmehr, dass heißes und kühleres Wasser nicht unnötig stark vermischt werden.
Eine gute Schichtung kann mehrere Vorteile haben. Der obere Speicherbereich erreicht schneller ein nutzbares Temperaturniveau, während der untere Bereich vergleichsweise kühl bleiben kann. Das kann zum Beispiel für bestimmte Wärmeerzeuger oder Solarsysteme günstig sein.
Wird der gesamte Speicher dagegen stark durchmischt, entsteht eher eine einheitliche Mitteltemperatur. Aus beispielsweise einem heißen oberen und einem kühlen unteren Bereich wird dann ein größerer Bereich mittlerer Temperatur. Energetisch ist die Wärme nicht plötzlich verschwunden – ihre Nutzbarkeit kann sich aber verändern.
Warum die Höhe der Anschlüsse entscheidend ist
Die Anschlussposition bestimmt, in welcher Speicherzone Heizungswasser eintritt oder entnommen wird. Deshalb besitzen viele Pufferspeicher mehrere Anschlüsse in unterschiedlichen Höhen.
Das Grundprinzip ist einfach: Wasser sollte möglichst dort eingespeist werden, wo seine Temperatur zur vorhandenen Speicherzone passt.
Ein sehr warmer Vorlauf gehört normalerweise eher in einen höheren Speicherbereich. Ein kühler Rücklauf wird eher weiter unten eingebracht. Wird dagegen heißes Wasser tief in den Speicher gedrückt oder relativ kühles Wasser weit oben eingeleitet, muss es sich zunächst durch andere Temperaturbereiche bewegen. Dabei kann zusätzliche Durchmischung entstehen.
Eine vereinfachte Einordnung sieht so aus:
Speicherbereich |
Häufige Aufgabe |
|---|---|
Oben |
Bereitstellung besonders warmer Energie |
Oberes Mittelfeld |
Einspeisung oder Entnahme auf höherem Temperaturniveau |
Unteres Mittelfeld |
Heizkreisrückläufe oder mittlere Temperaturniveaus |
Unten |
vergleichsweise kalte Rückläufe und kalte Speicherreserve |
Welche Leitung tatsächlich an welche Höhe gehört, lässt sich daraus allein aber nicht ableiten. Entscheidend ist das komplette Hydraulikschema.
Ein Heizkreis mit Fußbodenheizung arbeitet beispielsweise mit anderen Temperaturen als ein Heizkörperkreis. Eine Frischwasserstation kann wiederum einen Rücklauf erzeugen, dessen Temperatur abhängig von Zapfleistung und Auslegung stark schwankt. Ebenso unterscheiden sich Holzofen, Pelletkessel, Wärmepumpe und Solarthermie hinsichtlich ihrer Betriebsweise.
Manche Speicher verwenden deshalb zusätzlich interne Leitbleche, Schichtrohre oder spezielle Einströmeinrichtungen. Sie sollen Wasser abhängig von Temperatur und Strömung möglichst schonend in den passenden Speicherbereich bringen.
Ein Beispiel aus der Praxis
Angenommen, ein Wärmeerzeuger liefert 75 °C warmes Wasser. Wird dieses Wasser weit oben eingespeist, kann dort relativ schnell eine heiße Zone entstehen.
Strömt dasselbe Wasser dagegen mit hoher Geschwindigkeit im unteren Speicherbereich ein, steigt es innerhalb des Speichers nach oben. Auf diesem Weg kann es größere Wassermengen mitreißen. Die gewünschte Temperaturgrenze wird dadurch unschärfer.
Die Position eines Anschlusses ist deshalb nicht nur eine Frage der Rohrführung. Sie beeinflusst unmittelbar, wie sich Energie im Speicher verteilt.
Weshalb hohe Volumenströme die Schichtung stören können
Neben der Temperatur und Anschlussposition ist die Strömungsgeschwindigkeit ein wichtiger Faktor.
Fließt Wasser langsam in einen Pufferspeicher, kann der Dichteunterschied zwischen warmer und kühler Flüssigkeit vergleichsweise gut wirken. Bei hohen Einströmgeschwindigkeiten nimmt dagegen der mechanische Impuls der Strömung zu.
Vereinfacht gesagt: Das Wasser wird stärker in den Speicher hineingedrückt und setzt dort weiteres Wasser in Bewegung.
Dadurch können Turbulenzen entstehen und Temperaturbereiche stärker miteinander vermischt werden.
Ob ein bestimmter Volumenstrom problematisch ist, lässt sich allerdings nicht pauschal in Litern pro Minute festlegen. Ein Wert, der bei einem kleinen Speicher ungünstig ist, kann bei einem großen Speicher mit größeren Anschlussquerschnitten völlig anders wirken.
Relevant sind unter anderem:
- Speichervolumen
- Anschlussdurchmesser
- Einströmrichtung
- Bauform des Speichers
- vorhandene Schicht- oder Beruhigungseinrichtungen
- Temperaturunterschied zwischen einströmendem Wasser und Speicher
- Pumpenleistung
- gleichzeitig arbeitende Heizkreise und Wärmeerzeuger
Deshalb bedeutet „Pumpe möglichst langsam einstellen“ ebenfalls nicht automatisch, dass das System besser funktioniert. Wärmeerzeuger benötigen bestimmte Mindestvolumenströme, damit Wärme sicher abgeführt werden kann. Heizkreise brauchen wiederum ausreichenden Durchfluss, um ihre Leistung zu erreichen.
Die Aufgabe besteht also nicht darin, den Volumenstrom möglichst klein zu machen, sondern ihn passend zur Anlage einzustellen.
Wenn Erzeuger- und Heizkreisvolumenstrom nicht zusammenpassen
Ein Pufferspeicher kann außerdem hydraulische Unterschiede zwischen Wärmeerzeuger und Heizkreis ausgleichen.
Ein Beispiel:
Der Wärmeerzeuger fördert 1.000 Liter Heizwasser pro Stunde in Richtung Speicher, während der Heizkreis gleichzeitig 700 Liter pro Stunde benötigt.
Die übrigen 300 Liter pro Stunde laden den Speicher.
Dreht sich das Verhältnis um und der Heizkreis fordert 1.200 Liter pro Stunde, während der Wärmeerzeuger weiterhin nur 1.000 Liter liefert, müssen die fehlenden 200 Liter aus dem Speicher kommen.
Genau solche Betriebszustände sind völlig normal. Problematisch kann es werden, wenn Vor- und Rückläufe so angeordnet sind, dass dabei große interne Strömungen entstehen oder warmes Vorlaufwasser direkt in einen Rücklauf gelangt.
Dann spricht man je nach Hydraulik auch von Kurzschlussströmungen.
Die Anlage kann beispielsweise gleichzeitig Wärme erzeugen und verbrauchen, während nur ein relativ kleiner Teil des Speichervolumens tatsächlich genutzt wird.
Auch die Platzierung der Anschlüsse beeinflusst deshalb die nutzbare Speicherkapazität. Werden Vor- und Rücklauf sehr dicht beieinander angeschlossen, kann sich ein Teil des Wassers bevorzugt zwischen diesen Anschlüssen bewegen.
Ein großer Speicher ist dann vorhanden, wird hydraulisch aber möglicherweise nur teilweise durchströmt oder sinnvoll geladen.
Pumpen nicht unabhängig voneinander betrachten
In Anlagen mit mehreren Pumpen sollte deren Zusammenspiel berücksichtigt werden. Dazu gehören beispielsweise:
- Ladepumpe des Wärmeerzeugers
- Heizkreispumpe
- Pumpengruppe einer Frischwasserstation
- Solarkreispumpe
- weitere gemischte Heizkreise
Ändert sich die Pumpendrehzahl eines Kreises, verändern sich häufig auch die Strömungsverhältnisse am Pufferspeicher.
Eine hohe Heizkreispumpenleistung kann beispielsweise deutlich mehr Wasser aus einem bestimmten Speicherbereich ziehen, als dort gleichzeitig eingespeist wird. Umgekehrt kann eine kräftige Ladepumpe warmes Wasser mit hoher Geschwindigkeit in den Speicher drücken.
Deshalb sollte eine hydraulische Optimierung immer das gesamte System einbeziehen und nicht nur eine einzelne Pumpe.
Woran du eine ungünstige Schichtung erkennen kannst
Von außen lässt sich die tatsächliche Strömung im Pufferspeicher natürlich nicht sehen. Temperaturfühler an unterschiedlichen Höhen liefern aber wichtige Hinweise.
Verdächtig kann beispielsweise sein, wenn sich die Temperaturen oben, mittig und unten innerhalb kurzer Zeit stark angleichen, obwohl eigentlich eine deutliche Schichtung zu erwarten wäre.
Weitere mögliche Hinweise sind:
- Der obere Speicherbereich wird trotz laufendem Wärmeerzeuger nur langsam warm.
- Schon kurze Pumpenlaufzeiten verändern die Temperaturen im gesamten Speicher deutlich.
- Der untere Speicherbereich wird ungewöhnlich schnell warm.
- Ein heißer Speicherbereich verliert beim Start eines Heizkreises sehr schnell Temperatur.
- Die Wärmeerzeugung taktet häufiger als erwartet.
- Wärme ist im Speicher vorhanden, erreicht aber den vorgesehenen Verbraucher nicht auf ausreichendem Temperaturniveau.
Ein einzelner Temperaturwert reicht für eine Bewertung allerdings selten aus.
Hilfreicher ist es, mehrere Temperaturen über einen längeren Zeitraum zu beobachten. Interessant sind besonders die Phasen vor, während und nach einer Speicherladung sowie beim Start eines Heizkreises.
Auch die Rohrtemperaturen direkt an den Anschlüssen können wichtige Hinweise liefern.
Bei der Fehlersuche sollte außerdem nicht vorschnell angenommen werden, dass immer die Schichtung die Ursache ist. Ähnliche Symptome können beispielsweise durch falsch positionierte Temperaturfühler, falsch arbeitende Ventile, Rückschlagklappen, Pumpeneinstellungen oder Fehler in der Regelungslogik entstehen.
Änderungen an Pumpen, Ventilen oder der Anschlussbelegung sollten deshalb nicht allein nach einzelnen Temperaturmessungen vorgenommen werden. Gerade bei wasserführenden Feuerstätten und anderen Wärmeerzeugern müssen vorgeschriebene Durchflussbedingungen und sicherheitstechnische Anforderungen eingehalten werden.
Entscheidend ist die Hydraulik als Gesamtsystem
Eine funktionierende Temperaturschichtung entsteht aus mehreren Faktoren gleichzeitig. Warmes Wasser sollte möglichst in einer passenden Höhe eingebracht, kühleres Wasser entsprechend weiter unten zurückgeführt und unnötige Turbulenz vermieden werden.
Dabei darf der Volumenstrom nicht isoliert betrachtet werden. Pumpen müssen den Wärmeerzeuger und die Heizkreise zuverlässig versorgen. Zu geringe Durchflüsse können ebenso problematisch sein wie unnötig hohe.
Besonders bei Anlagen mit mehreren Wärmeerzeugern, Heizkreisen oder einer Frischwasserstation lohnt sich daher ein Blick auf das komplette Hydraulikschema. Entscheidend ist nicht, ob der Pufferspeicher grundsätzlich warm wird, sondern ob die gespeicherte Wärme zur richtigen Zeit am richtigen Anschluss und auf dem benötigten Temperaturniveau zur Verfügung steht.
