Heizungs-ABC: Was ist ein Schichtenspeicher?

Wir schreiben heute ein neues Kapitel unseres Heizungs-ABC. Darin erklären wir euch, was ein sogenannter Schichtenspeicher (auch Schichtspeicher) ist. Ihr erfahrt, warum eine Solarthermie-Anlage ihn als zentrale Komponente braucht, wie er aufgebaut ist und nach welchem physikalischen Prinzip er arbeitet. Spoiler: Wir ergründen dabei auch die natürliche Temperaturschichtung in einem Fass – also Achtung: Nicht steckenbleiben!

Beim Schichtenspeicher ist der Gerätename Programm, denn dabei handelt es sich um einen Wärmespeicher, der die von der Solarthermie-Anlage (und gegebenenfalls anderen angeschlossenen Wärmeerzeugern) erzeugte Wärme auf besondere Weise speichert: in Schichten.

Weil der Speicher mit dem solar und anders erwärmten Heizwasser schichtweise be- und entladen wird, nennt man ihn alternativ auch Schichtladespeicher.

Und da der Schichtenspeicher die Wärmeenergie zwischenspeichert (also “puffert”), so dass sie zu einem späteren Zeitpunkt abgerufen werden kann, ist er auch ein Pufferspeicher. Um den Schichtenspeicher vom herkömmlichen Pufferspeicher abzugrenzen, wird er mitunter auch Schichtpufferspeicher bezeichnet. Die Tatsache, dass das Speichermedium im Schichtenspeicher Wasser ist, macht ihn auch zu einem Warmwasserspeicher.

Fürs Wärmespeichern gilt: Je länger ein Speicher Wärme speichern kann, desto besser. Die Fähigkeit, Wärme über längere Zeit zu speichern, ist zum einen abhängig davon, wie und woraus der Wärmespeicher aufgebaut ist. Zum anderen spielt auch die Technologie, die er nutzt, eine Rolle für die Speicherfähigkeit des Speichers.

Natürliche Temperaturschichtung einfach erklärt

Um das besondere Schichtsystem eines Schichtenspeichers würdigen zu können, muss man zunächst verstehen, wie ein herkömmlicher Pufferspeicher Wärme puffert. Das lässt sich am Besten am Beispiel eines schlichten Fasses erklären. Angenommen, ihr nehmt dieses, malt es wegen der besseren Absorption der Sonnenstrahlen schwarz an, füllt es mit kaltem Wasser und stellt es in die Sonne. Was geschieht? Die Sonne erwärmt nach und nach das Fass und das darin enthaltene (gespeicherte) Wasser.

Dabei kommt es auf ganz natürliche Weise zu einer Temperaturschichtung, wie sie sich beispielsweise auch in stehenden Gewässern oder strömungsarmen Teilen der Meere einstellt.

Der Grund für die natürliche Temperaturschichtung ist die Dichte von Wasser, die von dessen Temperatur abhängt. Die Dichte von Wasser beträgt etwa ein Kilogramm pro Liter. Unter normalen Druckverhältnissen weist Wasser bei 3,98 Grad Celsius (°C) mit 1,0 Gramm je Milliliter (g/ml) seine größte Dichte auf. Das ist eine Anomalie, denn sowohl bei höherer als auch bei niederigerer Temperatur, ja sogar beim Erstarren zu Eis, einem Aggregatzustandswechsel also, nimmt die Dichte von Wasser ab – und zwar um so mehr, je weiter sich der Wert nach oben oder unten von 3,98 °C entfernt.

Das Ganze führt zu einem statischen Auftrieb: leichteres Wasser steigt auf, schweres bleibt darunter. Physikalisch betrachtet handelt es sich um eine temperaturbedingte Dichteschichtung beziehungsweise Temperaturschichtung. Die Wärmeleitung von warm nach kalt (hier: von oben nach unten) ist dabei vernachlässigbar, das sie recht gering ausfällt.

In unserem Fass zeigen sich nach einer Weile zum Beispiel folgende Temperaturschichten: Oben ist das Wasser mit 50 °C am wärmsten, unten mit 20 °C am kühlsten. Dazwischen ist eine Schicht mit 35 °C warmen Wasser.

Noch ist unser Fass aber kein Pufferspeicher. Denn der wird mit solar und anders erwärmten Wasser befüllt. Dabei verwirbelt das Wasser im Speicher und die Temperaturschichtung wird zerstört. Im Ergebnis stellt sich eine Mischtemperatur ein. In unserem Beispielfass könntet ihr das Wasser mit einem Stock rühren und erhieltet einen ähnlichen Effekt: eine Mischtemperatur von etwa 35 °C.

Die Mischwärme in einem Pufferspeicher ist mit 35 °C allerdings noch nicht mal körperwarm – und den meisten von uns zu kalt zum Duschen und Baden. Und als Vorlauftemperatur für die Heizung ist das auch zu niedrig, selbst eine Fußbodenheizung erwartet meist mehr Wärme. Und je mehr Wasser aus dem Pufferspeicher entnommen würde, desto kälter wäre das nachlaufende. Um das Temperaturniveau anzuheben, muss dann zu- beziehungsweise nachgeheizt werden, beispielsweise mit einem Durchlauferhitzer.

Mit einem Schichtenspeicher optimiert man die Temperaturschichtung im Speicher, indem man ihn entsprechend baut, be- und entlädt.

Aufbau  und Funktionsweise eines Schichtenspeichers

Optimal gelänge das schichtenweise Speichern von Warmwasser in einem Schichtenspeicher von hoher, schlanker Form (Säule) mit einem zur Höhe vergleichsweise geringern Durchmesser. Über dessen somit große Oberfläche ginge jedoch viel Wärme verloren. Um die Wärmeverluste so gering wie möglich zu halten und auch aus praktischen Gründen wie Platz am Aufstellort und Transport, muss daher bei der Form ein Kompromiss gemacht werden. Zudem sollte der Speicher rundum gut gedämmt sein, also auch am Deckel, am Boden und vor allem an den Anschlussstellen von Zuläufen und Abläufen.

Damit das Speicherwasser sich so wenig wie möglich vermischt, muss das Beladen des Schichtenspeichers mit heißem Wasser entsprechend sanft geschehen. Das gelingt, wenn der Zulauf möglichst waagerecht und dort erfolgt, wo das heißeste Wasser sich auch natürlich aufschichten würde: oben. Mitunter kommen dabei auch extra Bleche zum Einsatz, auf die das einlaufende Wasser prallt: sogenannte Prallbleche oder Leitbleche. Es gibt auch Schichtenspeicher mit mehreren Be- und Entladeanschlüssen. Das macht zum Beispiel Sinn, wenn die Wärmelieferanten (Solarthermie-Anlage, Heizkessel) unterschiedlich warmes Wasser anliefern. Je nach Temperatur wird dann in entsprechender Schichthöhe beladen. Und auch beim Entladen kann warmes Wasser bedarfsgerecht entnommen werden.

Es hilft zudem, die Fließgeschwindigkeit des einströmenden Wassers möglichst gering zu halten. Wichtig ist dabei vor allem, bloß keinen Wirbel zu machen! Das gilt ebenso fürs Entladen des Schichtenspeichers, das entsprechend unten erfolgen sollte.

Was bringt der Schichtenspeicher?

Je näher die Temperatur des Speicherwassers im oberen Drittel im Speicher an der Temperatur liegt, die das Warmwasser und/oder Heizwasser im Haus haben soll, desto sinnvoller wird der Einsatz des Schichtenspeichers aus energetischer Sicht. Anders ausgedrückt: Desto energieeffizienter arbeitet der Schichtenspeicher. Denn es muss spürbar weniger zu- beziehungsweise nachgeheizt werden. Das spart Heizenergi eund Heizkosten. Selbst wenn der Speicher schon fast leer wäre, ließe sich dann noch immer vergleichsweise warmes Wasser aus ihm entnehmen.

Die nicht zu verhindernden Wärmeverluste des Speichers blieben dabei am geringsten und der Speicher hätte so auch jederzeit die Kapazität, neues Heißwasser von der Solarthermie-Anlage aufzunehmen. Das ist auch der Grund dafür, dass ein Schichtenspeicher kleiner ausfallen darf als ein herkömmlicher Pufferspeicher – seine Anschaffung wird damit günstiger und auch der Platzbedarf zum Aufstellen wird kleiner.

Foto: Tinvo / photocase