Bereich 5: Pufferspeicher

9. November 2020
TechnikPufferspeicher

Bereich 5: Pufferspeicher

Folgende Informationen beziehen sich vor allem auf die Funktionsprinzipien WW3/HU3 mit spezifischen Ergänzungen fürWW4/HU4 und WW5/HU5.

Allgemeine Merkmale

Zum Bereich "Pufferspeicher" gehören der Pufferspeicher selbst inklusive aller benötigten Pumpen und Ventile sowie die notwendige Peripherie im Speicherkreis.

Aufbau

Der Pufferspeicher verwaltet die von Kollektorkreis und Nachheiz-Wärmeerzeuger bereitgestellte Energie und gibt sie bei Bedarf an die Wärmeverbraucher ab.

Variationen

Die Industrie bietet eine Fülle an Pufferspeichern in Größen von einigen hundert Litern bis zu mehreren tausend Litern. Eingesetzt werden Druckspeicher oder drucklose Speicher, die wahlweise mit Wärmetauschern oder Schichtladeeinrichtungen ausgestattet sein können. Beachten Sie die Herstellerempfehlungen und die Aussagen inBereich 2 (solare Beladung) sowie Bereich 6 (Trinkwasserstation).

Variationen entstehen beispielsweise durch unterschiedliche Strategien in der Beladung (1) oder Entladung (2):

  • Solare Beladung (1)
    Beachten Sie die Herstellerempfehlungen und die Aussagen inBereich 2 (solare Beladung).
  • Entladekreis (2)
    Unabhängig davon, ob ein- oder mehrere Pufferspeicher eingesetzt werden, kann der Rücklauf vom Entladewärmetauscher durch Schichtlanzen oder Drei-Wege-Umschaltventile entsprechend den Temperaturniveaus zoniert in den Puffer eingeschichtet werden.

Weitere Variationen entstehen durch die Verwendung mehrerer Speicher vom selben Typ anstelle eines einzelnen Speichers, die in den Verschaltungsvarianten parallel, seriell, in Vorrang oder in Kaskade verschaltet werden. Beachten Sie die Ausführungen zur Verschaltung.

Auslegung und Detailplanung

Die Auslegung des Pufferspeichervolumens orientiert sich an der Kollektorfläche (ca. 50 l/m², bei Heizungsunterstützung und in Kombination mit Röhrenkollektoren auch bis zu 80 l/m²). Das Puffervolumen kann auf einen oder mehrere Speicher aufgeteilt sein. Beachten Sie die Herstellerangaben sowie die detaillierten Planungshinweise der VDI 6002 Blatt 1.

Entscheidende Kriterien für die Puffer-Dimensionierung:

  • notwendiges Volumen für die Solaranlage
  • notwendiges Bereitschaftsvolumen und notwendige Bereitschaftstemperatur für die Trinkwasserbereitung (z. B. durch eine nachgeschaltete Trinkwasserstation)

Knackpunkte

Häufiger Knackpunkt für den Pufferspeicher ist die Einbringung und Speichergeometrie (Kippmaß, erforderliche Raumhöhen und Türbreiten, Platzbedarf für Aufstellung etc.).
Aber:
Für nahezu jeden Keller lässt sich ein geeigneter Speicher finden:

  • Speicher mit Sondermaßen
  • Das Speichervolumen kann auf mehrere Speicher aufgeteilt werden.
  • Es können kellermontierte Speicher eingesetzt werden (geschweißte Druckspeicher oder drucklose Kunststoffspeicher als Bausatz).
  • Alternative Aufstellorte wie Dachheizzentralen (ausreichende Statik prüfen!) oder beispielsweise das benachbarte Gartenhaus

Weitere Knackpunkte sind die häufig unzureichende Wärmedämmung sowie Nachlässigkeiten bei der Speichermontage (Wärmedämmung nicht eng anliegend, keine ausreichende Dämmung der Anschlüsse, keine Maßnahmen zur Vermeidung von Einrohrzirkulation etc.).

Ergänzungen für bestimmte Funktionsprinzipien

WW3

Auslegung und Detailplanung

Die Auslegung der Trinkwasserstation ist gekoppelt an die Leistung des Wärmeerzeugers, an das Pufferspeichervolumen und an die notwendige Auslegungs-Bereitschaftstemperatur.

WW4

Drei-Wege-Ventil im Pufferentladekreis zum Schutz des Entladewärmetauschers vor Verkalkung

Zum Schutz des Entladewärmetauschers vor Verkalkung wird im Entladekreis ein thermisches oder ein geregeltes Drei-Wege-Mischventil eingesetzt. So wird die primärseitige Temperatur auf maximal 65 °C begrenzt.

Kleine Wissenssammlung

Verschaltung von Pufferspeichern

Aufteilung Puffervolumen

Es sollten so wenig Speicher wie möglich zum Einsatz kommen, um Regelung, Installationsaufwand, thermische Verluste und Kosten gering zu halten.

Es gibt aber auch gute Gründe, das Volumen auf zwei oder mehrere Speicher aufzuteilen:

  • Platzbedarf und Verfügbarkeit: Der gewünschte Speicher ist aufgrund seiner Maße nicht einbring- oder aufstellbar oder nicht verfügbar.
  • Gewünschte hydraulische Zonierung von Speicherebenen bei Be- und Entladung (z. B. in Kombination mit geregelten Drei-Wege-Ventilen als Vorrangschaltung; Trennung von Solarbereich und Bereitschaftsbereich, etc.)

Die Verschaltung von Speichern in der Praxis

In der Praxis betrachtet man die Verschaltung von Speichern getrennt nach den zwei Vorgängen Beladung und Entladung.

Verschaltungsmöglichkeiten in der Beladung

Für die Beladung kommen alle Verschaltungsmöglichkeiten wie parallel, seriell, in Vorrang oder kaskadierend zum Einsatz. Die Entscheidung des Planers erfolgt nach den Optimierungskriterien wie "ausreichende solare Wärmetauscherfläche", "ausreichendes Puffervolumen" oder eventuell "thermische Zonierung".

Verschaltungsmöglichkeiten in der Entladung

Für die Entladung von Speichern kommt fast ausschließlich die serielle Verschaltung zum Einsatz. Sie ist kostengünstig und effektiv, da sie keinen hydraulischen Abgleich benötigt und die thermische Zonierung auch während der Entladung erhält.

Prinzipielle Möglichkeiten der Verschaltung

Pufferspeicher können parallel, seriell, in Vorrang oder in Kaskade verschaltet werden.

Parallele Verschaltung

Bei der parallelen Verschaltung werden mehrere getrennte Speicher gleichzeitig beladen bzw. entladen. Die sich dabei einstellenden Speichertemperaturen sollten für beide Speicher gleich sein. Das setzt voraus, dass die Speicher sorgfältig hydraulisch abgeglichen werden, da ansonsten keine gleichmäßige Durchströmung stattfindet. Praxiserfahrungen zeigen, dass dies in den meisten Fällen nicht mit der gebotenen Sorgfalt erfolgt und eine gleichmäßige Temperaturverteilung nur selten erreicht wird.

Vorteile

  • Volumenvergrößerung
  • Addition der Wärmetauscherflächen für erhöhte Anzahl von Kollektoren

Knackpunkte

  • Zur gleichmäßigen Be- oder Entladung von parallel geschalteten Puffern sind Abgleicharmaturen notwendig. Ansonsten entstehen durch ungleiche Temperaturverteilung eine Reihe von Regelungsproblemen in Be- und Entladung.
  • Eine Variation der parallelen Verschaltung ist die parallele Kopplung von Speichern, bei der benachbarte Speicher an mindestens vier über die gesamte Speicherhöhe verteilten Anschlüssen hydraulisch gekoppelt werden. Ziel der Kopplung ist der thermische Ausgleich selbst bei ungleichmäßiger Durchströmung. Der hydraulische Abgleich ist nicht erforderlich.

Verschaltung in Reihe / serielle Verschaltung

Bei der seriellen Verschaltung werden mehrere Speicher, die in Fließrichtung miteinander hydraulisch verbunden sind, zeitlich hintereinander durchflossen und dabei beladen bzw. entladen. Das sich dabei einstellende Temperaturniveau ist für den als erstes durchflossenen Speicher in der Be- und Entladung höher als für die folgenden und sinkt mit jedem nachfolgenden Speicher. Eine serielle Verschaltung bewirkt also eine thermische Zonierung.

Vorteile

  • Addition der Wärmetauscherfläche
  • ansatzweise thermische Zonierung
  • klare Durchströmungsbedingungen, kein hydraulischer Abgleich erforderlich

Knackpunkte

  • Verschleppung von Wärme in den/die nachrangigen Speicher kann nicht unterdrückt werden.
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Vorrangschaltung

Bei der Vorrangschaltung werden getrennte Speicher nach dem Entweder-Oder-Prinzip in einer wählbaren Reihenfolge be- oder entladen. Das sich dabei einstellende Temperaturniveau unterscheidet sich deutlich.

Vorteile

  • klare thermische Zonierung möglich
  • Verschleppung von Wärme in den/die nachrangigen Speicher wird unterdrückt

Knackpunkte

  • keine Addition der Wärmetauscherfläche möglich

Kaskaden-Schaltung

In einer Kaskaden-Verschaltung werden in Vorrang sämtliche Speicher seriell durchflossen. Der als erstes durchflossene Speicher erhält dabei, wie für die Reihenschaltung üblich, das höchste Temperaturniveau. In der Praxis entspricht das z. B. der Beladung bei voller Sonneneinstrahlung.

Anschließend werden in Nachrang nur noch der oder die Nachrang-Speicher durchflossen. In der Praxis entspricht dies dem Ende des Tages mit gefülltem Vorrang-Speicher bzw. nur noch geringer Sonneneinstrahlung.

Vorteile

  • Durch die serielle Beladung sämtlicher Speicher in Vorrang lassen sich die Wärmetauscherflächen der Speicher addieren.
  • Gleichzeitig findet eine thermische Zonierung statt.

Die Kaskaden-Schaltung kombiniert damit die Vorteile der Vorrangschaltung mit denen der Reihenschaltung.

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