Puffernutzungsgrad: Wie viel Solarthermie kommt aus dem Wasserhahn?

Wie kürzlich in dem Beitrag „Was ist der solare Puffernutzungsgrad?“ angekündigt, der wie der vorliegende Beitrag auch Teil unserer Artikel-Serie über Speicher als Bauteil einer Heizungsanlage mit Solarthermie ist, liefere ich Euch heute die Ergebnisse der Untersuchung von unserem Experten Dr. Rolf Meißner zum solaren Puffernutzungsgrad von acht verschiedenen Kombispeichern. Los geht’s!

Dr. Rolf Meißner ist Physiker und seit 1990 für das Unternehmen Paradigma tätig. Paradigma ist – wie Ihr wisst – der Teil der Ritter Energie, der sich mit Solarthermie beschäftigt. Die Ritter Energie – auch das wisst Ihr längst, aber der Vollständigkeit halber sei es hier noch einmal erwähnt – steht auch hinter unserem Blog. Dr. Meißner, quasi unser Inhouse-Experte, zeigt anhand acht verschiedener Kombispeicher, dass diese „umso mehr konventionelle Energie sparen, je weniger sie zur Warmwasserbereitung ohne Nachheizung auskommen”. Oder anders ausgedrückt: Je höher der solare Puffernutzungsgrad des Kombispeichers ist, desto mehr konventionelle Energie zum Nachheizen spart er ein.

Acht verschiedene Kombispeicherklassen zur Berechnung des solaren Puffernutzungsgrads

In seiner theoretischen Untersuchung geht Dr. Rolf Meißner der Frage nach, „wie viel Trinkwasser aus verschiedenen Funktionstypen von Kombispeichern bei gleichem Solarwärmeinhalt und gleichen Ausgangsbedingungen maximal gezapft werden kann, ohne dass die Nachheizung bemüht werden muss“.

Damit sich die acht für die theoretische Betrachtung herangezogenen Kombispeicherklassen miteinander vergleichen lassen, gelten folgende Annahmen:

• Sie haben alle die gleiche Größe, sprich: das gleiche Fassungsvermögen (Inhalt).
• Sie werden alle von unten bis oben gleichmäßig auf eine Speichertemperatur TSP erwärmt.
• Aus allen soll so lange Warmwasser mit einer Zapftemperatur Tzapf entnommen werden, bis die Zapftemperatur einen Sollwert TWW unterschreitet (TSP ? Tzapf ? TWW).
• Die Warmwassermenge, die mit der variablen Temperatur Tzapf ? TWW entnommen wird, soll genau der Menge Wasser entsprechen, die mit der Temperatur TWW hatte entnommen werden können.
• Bei Eintritt in den Kombispeicher hat das Trinkwasser die Kaltwassertemperatur TKW.
• Die Zapfrate soll dabei moderat sein, beispielsweise maximal zwölf Liter pro Minute. (Zur “Theorie der Zapfrate” gibt’s demnächst noch einen extra Artikel!)

Der Referenzspeicher ist ein Warmwasserspeicher, in dem sich idealerweise das unten eintretende Kaltwasser mit dem oben entnommenen Warmwasser weder verwirbelt noch vermischt. So gewinnt man eine um den Faktor (TSP-TKW) / (TWW-TKW) größere Menge Warmwasser mit der Temperatur TWW als Heißwasser mit der Temperatur TSP anfangs im Speicher war – das ist das theoretische Maximum.

Der zweite Speicher ist ein Pufferspeicher. Sein heißes Wasser wird durch einen Gegenstromwärmetauscher gepumpt. Bei kleinster Zapfrate ist es hier theoretisch möglich, so Dr. Meißner, einen Temperaturunterschied von minimal 5 Kelvin zwischen TSP und Tzapf zu halten. Damit es sich gleich einfacher rechnet, wird angenommen, dass der Warmwasserstrom genauso groß ist wie der gepumpte Speicherwasserstrom. Demzufolge läge die Speicherrücklauftemperatur TPR gerade 5 Kelvin über der Kaltwassertemperatur TKW.

Der dritte Speicher ist ein Pufferspeicher mit effizientem weil internen Gegenstrom-Wärmetauscher. Dieser erzeugt beim Zapfen einen Schwerkraftumlauf des gespeicherten Wassers. Außerdem gibt es einen nachgeschalteten und ganz oben angeordneten Glattrohr-Wärmetauscher. Im Vergleich zu Speicher 2 wird der Schwerkraftumlauf je kleiner, desto mehr der Speicher geleert wird. Theoretisch und gemittelt kann man hier mit dem dreifachen Temperaturunterschied von Speicher 2 rechnen, also etwa 15 Kelvin.

Speicher Nr. 4 ist ein sogenannter Tank-in-Tank-Speicher, in dessen Innern ein kleiner Warmwasserspeicher sitzt. Beide Tanks haben die gleiche Speichertemperatur TSP. Der Tank-in-Tank-Speicher wird wie der Referenzspeicher (siehe oben!) geleert, gleichwohl er dabei wieder eine gewisse Wärmemenge vom Puffer aufnimmt. Das ist der Grund, warum schlussendlich mehr Warmwasser gezapft werden kann, als überhaupt im Innentank ist. Dr. Meißner weist außerdem auf den interessanten Aspekt hin, dass der Puffer dabei bis unter den Wert TWW abkühlen könne. Der Grund: Der Wärmetausch zwischen Tank (Puffer) und Tank-im-Tank (Warmwasserspeicher) sei zeitlich verzögert. Es könne sogar sein, dass man hier mit größerer Zapfleistung mehr Warmwasser entnehmen kann, als mit einer kleineren!

Im fünften Pufferspeicher sitzt ein Gleichstrom-Warmwasser-Wendelwärmetauscher. Der ist nicht nur sehr groß und reicht gleichmäßig durchgehend von oben bis unten, sondern besteht auch aus recht weiten Rohren, um den Druckverlust möglichst klein zu halten. Weite Rohre bedeuten zugleich aber auch viel Inhalt und schlechte Wärmeübertragung. Vergleicht man die durchgehende Wendel mit der flachen von Pufferspeicher 7 (siehe unten!), lässt sich festhalten, dass die durchgehende den Pufferspeicher etwas besser nutzt. Der Grund: Schon der untere Teil der Wendel wärmt das Wasser vor. Das sei der Größe der Wendel zu verdanken und nur dann der Fall, wenn der Pufferspeicher durchgeladen sei, merkt Dr. Meißner an. Er sagt außerdem: „Als Wärmespeicher verhält sich die Wendel wie Speicher 4 (Tankin-Tank).“ Beide Eigenschaften trügen demnach zur Zapfleistung bei. Bei moderater Zapfrate sei hier eine Temperaturdifferenz von etwa 10 Kelvin zwischen TSP und Tzapf möglich.

Pufferspeicher Nr. 6 ist ein Warmwasserspeicher, dessen Anschlüsse scheinbar verkehrt sind: Hier strömt das Kaltwasser nämlich oben ein und das warme entnimmt man unten. Sinnlos? Laut Dr. Meißner ist ein solches System mit komplett vermischtem Warmwasserspeicher Realität. Und zwar in China und anderen Ländern, in denen die Wasserversorgung schwankt. Sie legten demnach größeren Wert darauf, dass der Speicher auch als Wasservorratsbehälter (Reservoir) diene, als auf eine wohltemperierte Schichtung im Pufferspeicher. Theoretisch entspreche das „verkehrt angeschlossene“ System einem Pufferspeicher, in dem oben drinnen ein Warmwasser-Wärmetauscher liegt, dessen Tauscherleistung unendlich groß sei: der perfekte oben und innen liegende Gleichstromwärmetauscher.

Pufferspeicher 7 ist ein echter Frischwasserspeicher, in dessen oberem Bereich ein innen liegender Gleichstrom-Wärmetauscher liegt, dessen Fassungsvermögen zu vernachlässigen ist.

Schließlich Pufferspeicher Nr. 8: Er vereint Eigenschaften von Pufferspeicher 5 und 7. Die Wendel in seinem Innern hat einen vernachlässigbaren Inhalt und eine kleine Wärmetauscherfläche.

Die Berechnung des solaren Puffernutzungsgrads

Das Ergebnis der theoretischen Betrachtung ist verblüffend: Die Warmwassermenge Vww, die maximal mit der Temperatur TWW gezapft werden kann, ist von Pufferspeicher zu Pufferspeicher sehr unterschiedlich und nimmt von Nr. 1 zu Nr. 8 stetig ab. Die folgenden beiden Grafiken verdeutlichen das:

Speicher-Experte Meißner schreibt: „Allerdings heißt das nicht einfach, dass die Speicher im selben Maße, wie sie Solarwärme speichern können, auch konventionelle Wärme einsparen. Tatsächlich sind diese Speicher immer in Kombination mit Heizkreisen und mit konventionellen Nachheizungen anzutreffen. Und diese sorgen dafür, dass die zur Warmwasserbereitung notwendige Speichertemperatur TSP möglichst immer bereitgestellt wird. Wenn TSP sinkt, weil gezapft wird, startet die konventionelle Heizung.“

Aber: Die Solarwärme gehe dabei nicht verloren, sie werde von Speicher 1 bis 8 jedoch in zunehmendem Maße „verhindert“, so Dr. Meißner weiter, weil sie mit ziemlich hohen Temperaturen TSP von den Kollektoren zur Verfügung gestellt werden muss und deshalb nur zu immer geringeren Teilen genutzt werden könne. Man bezeichne das als „Vorwärmung“, weil die konventionelle Nachheizung ebenfalls auf einem von Speicher 1 bis 8 immer weiter zunehmenden Temperaturniveau beginne. Diese Ineffizienz schlage sich demnach vor allem in den Bereitschaftswärmeverlusten des Speichers, der Solaranlage und der konventionellen Heizung im Sommer nieder.

Weiterhin verhindere ein einmal geladener Speicher, dass noch mehr Wärme aufgenommen werden könne. Im ungünstigsten Fall gehe die Solaranlage für den Rest des Tages in den Stillstand. Insofern gelte für eine Kombi-Solaranlage generell, dass sie umso mehr konventionelle Energie spare, je weniger sie zur Warmwasserbereitung ohne Nachheizung auskomme.

“Für Kombispeicher gibt’s kaum realistische mathematische Modelle!”

Nicht vorenthalten möchte ich Euch die Schlussbemerkung von Dr. Meißner. Der fragt zunächst, warum die Unterschiede nicht auch deutlich in den Simulationsergebnissen marktüblicher Programme erscheinen – und antwortet gleich selbst: Dies sei nicht zu erwarten, solange die Stillstands-und Bereitschaftsverluste immer wieder klein gerechnet würden. Es gebe demnach auch erst für ganz wenige Kombispeicher wirklichkeitsnahe mathematische Modelle. Für viele Anbieter von Kombispeichern wäre es laut Meißner wenig attraktiv, wenn ihre Speicher realistischer abgebildet würden, ganz abgesehen davon, dass sie für diese Modellierung auch noch sehr viel bezahlen müssten…

Und dann weist der Experte noch auf Folgendes hin: „Die Unterschiede im solaren Pufferwirkungsgrad korrelieren weder mit den Preisdifferenzen zwischen den verschiedenen Kombispeicherklassen noch mit deren Marktanteilen – ein deutlicher Beweis für die Dominanz von Marktmacht und starkem Marketing.“

Gut zu wissen, oder? Was meint ihr dazu?