Solare Warmwasserspeicher

Der Warmwasserspeicher ist ein wesentlicher Bestandteil einer solaren Trinkwassererwärmungsanlage. Die richtige Auswahl und Dimensionierung ist mitentscheidend für die zu erzielenden solaren Deckungsgrade. Wärmespeicher lassen sich grundsätzlich nach mehreren Kriterien einteilen:

Nach der Temperatur:
Niedertemperaturspeicher (0 ... 100 °C)
Mitteltemperaturspeicher (100 ... 500°C)
Hochtemperaturspeicher (über 500°C)

Nach der Dauer der Wärmespeicherung:
Kurzzeitspeicher
Tages- bzw. Wochenspeicher
Langzeitspeicher (Saisonspeicher)

Nach dem Prinzip der Wärmespeicherung:
sensibel
latent
thermochemisch
Die erreichbare Energiedichte ist bei der sensiblen Wärmespeicherung proportional zum Produkt Dichte mal spezifischer Wärmekapazität (r×cm) des verwendeten Speichermediums, sowie zur nutzbaren Temperaturdifferenz zwischen Ladung und Entladung. Wasser, das am häufigsten verwendete Speichermedium, erreicht einen Wert von r×cm = 1,16 kWh/m³ (Mittelwert bei 0...200°C). Bei einer nutzbaren Temperaturspreizung von 50 K wird somit eine Energiedichte von ca. 58 kWh/m³ erreicht.

Die wichtigsten Speichertypen, die bei Warmwassersolaranlagen und Anlagen zur teilsolaren Heizung Verwendung finden, werden beschrieben.

Standspeicher- bivalent
Die häufigste Bauform ist ein stehender zylindrischer Stahlspeicher (Bild 1), der entsprechend seinem Einsatzgebiet bestimmten Anforderungen entsprechen muss. Durch das ständige Zufließen von Kaltwasser, das mit Sauerstoff angereichert ist, muss als Korrosionsschutz eine lebensmittelechte Speicherinnenbeschichtung vorhanden sein. Die Arten der Beschichtungen reichen von den sehr temperaturfesten Emailschichten bis hin zu meist preisgünstigeren Speichern mit Kunststoffbeschichtungen, deren erlaubte Einsatztemperatur jedoch tiefer liegt. Stahlspeicher sind aufgrund möglicher Fehlstellen in der Speicherinnenbeschichtung oft mit einem zusätzlichen Korrosionsschutz versehen. Der kathodische Korrosionsschutz, bestehend aus einer Opferanode oder einer Fremdstromanode verhindert, dass sich Kupferionen aus den Leitungen oder vom Rippenrohrwärmetauscher in diesen Fehlstellen festsetzen und dort zu Kontaktkorrosion führen.

Etwas seltener, jedoch durchaus gebräuchlich sind Edelstahlspeicher. Sie zeichnen sich durch hohe Korrosionsbeständigkeit und Langlebigkeit aus.
Das Einbringen der Energie in den Brauchwasserspeicher erfolgt meist über bereits eingebaute, fix vorgesehene Rohrregister (Glattrohrwärmetauscher) oder über Rippenrohrwärmetauscher, die über Flansche je nach Bedarf nachträglich eingebaut werden können.
Für solare Warmwasserbereitungsanlagen sind mittlerweile einige Speicher am Markt verfügbar, bei denen die Armaturengruppe (Pumpe, Ausdehnungsgefäß, Befüll- und Entleerungshahn) sowie Regelung am Speicher montiert sind. D.h. bei diesen Speicher ist nur mehr der Solarvor- der Solarrücklauf sowie der Kaltwasseranschluss und der Warmwasserabgang zu montieren.

Kombispeicher (Tank in Tank Speicher)
Eine durch ihre Einfachheit bestechende Lösung, den Brauchwasserspeicher in den Heizenergiespeicher einzubinden, ist ein Kombispeicher (Bild 2). In einem aus Stahl gefertigten Speicher ist ein Boiler eingeschweißt. Das Boilervolumen wird aus hygienischen Gründen relativ klein gehalten, reicht aber durch die Kombination des Speicher- und Durchlauferhitzerprinzips für die Bereitstellung der Warmwasserleistung aus. Der Kaltwasserzulauf ist im unteren Speicherbereich als Vorwärmstrecke in Form eines Glattrohrbündels ausgebildet. Der Vorteil des Systems liegt in der hydraulischen Einfachheit.

Pufferspeicher
Die Größe des Heizenergiespeichers wird einerseits von der gewünschten solaren Deckung, andererseits aber auch vom Zusatzheizsystem bestimmt. Da in solchen Speichern (Bild 3) nur sauerstoffarmes Heizungswasser zirkuliert, sind keine besonderen Vorkehrungen gegen Korrosion notwendig. Die Speicher sind nur außen mit einem passivierenden Anstrich grundiert. Bei Einfamilienhäusern ist es wirtschaftlich sinnvoll Pufferspeicher mit einer Größe von 1 bis 5 m³ einzusetzen. Um die Mischungsverluste beim Beladen des Speichers zu reduzieren, ist es empfehlenswert, die Pufferspeicher mit Schichtladeeinrichtungen auszuführen. Das Funktionsprinzip der Schichtbeladung lässt sich folgendermaßen erklären:
Solange das im Schichtenlader aufsteigende Wasser eine höhere Temperatur hat als das Wasser der umgebenden Speicherschicht, bleiben die Klappen wegen der hydrostatischen Druckdifferenz zwischen außen und innen verschlossen. Bei Temperatur- und somit Dichtegleichheit innerhalb und außerhalb des Rohres wird der Druck auf die jeweilige Klappe aufgehoben und das aufwärts steigende Wasser kann durch die Klappe austreten. Eine weitere Möglichkeit der Schichtbeladung ist mittels Ventilsteuerung gegeben. Dieses System besteht aus Ventilen und mehreren Rohranbindungen (in verschiedenen Höhen) an den Speicher. In Abhängigkeit von der Wassertemperatur (Solaranlagenvorlauftemperatur und Wassertemperatur im Speicher) erfolgt mittels Ventilregelung die Einschichtung des Wassers in den Speicher.
Die vorhin beschriebenen Speicher für Kombianlagen werden als Tages und Wochenspeicher, in denen Heizungswasser gespeichert wird, verwendet. Die Speichergrößen variieren entsprechend der geforderten Energiemenge, die gespeichert werden soll, von 1 m³ bis 100 m³.

Für Monatsspeicher oder gar saisonale Speicher werden im Rahmen von Forschungsprojekten neue Speicherkonzepte entwickelt. Dabei werden neben Heizungswasser mit neuen Speicherkonzepten (Kies/Wasser-, Erdsonden- und Aquifer-Wärmespeicher) auch andere Speichermedien (Silikagel, Parafine) verwendet.

Speicherabmessungen
Bei Brauchwasserspeichern im Anwendungsbereich des Einfamilienhauses sind die Abmessungen der Behälter beim Liefern und Aufstellen meist kein Problem. Deshalb werden Brauchwasserspeicher werksseitig mit einer geschäumten Dämmhülle ausgestattet, die wärmetechnische Vorteile gegenüber einer nachträglich montierten Schalenisolierung aufweist.
Pufferspeicher werden jedoch Großteils wegen der besseren Manipulierbarkeit mit demontierbaren Hartschaumisolierschalen angeboten. Die Durchmesser der Behälter sind auf gängige Türbreiten angepasst (80 cm, 95 cm), so dass das Einbringen in den Heizkeller erleichtert wird, und die Isolierung dann mit wenigen Handgriffen am Aufstellungsort angebracht werden kann. Größere Speicher werden mit Mineralwollplatten, die mit einer Blechummantelung abgeschlossen sind oder mit schüttbaren Dämmmaterialien wärmegedämmt.
Die Speicherdimensionen lassen leicht erkennen, dass Speicher mit einem Volumen über 1000 l nicht mehr ohne Weiteres in den Keller eines Einfamilienhauses eingebracht werden können. Die Berücksichtigung der Speichergröße ist während der Planungsphase des Hauses sinnvoll. In den Kellerboden eingelassene Absenkungen sind nicht sehr aufwendig und der Speicher kann in den Keller gehoben werden, bevor die Kellerdecke fertiggestellt ist.
Bei bestehenden Gebäuden, bei denen der Aufstellungsraum für den Puffer schwer zugänglich ist, werden von manchen Speicherherstellern auch Platzschweißungen angeboten.

Wärmedämmung
Auf die Reduzierung der Speicherverluste sollte vor allem bei Kombianlagen großer Wert gelegt werden, da die Speicher größer sind als bei reinen Warmwasseranlagen und außerdem viele verschiedene hydraulische Kreise daran angeschlossen werden. Dabei genügt es nicht, den Speicher selbst gut zu isolieren, es ist auch wichtig, wie die Anschlüsse an den Speicher ausgeführt sind. Eine schlechte Isolierung oder schlecht angebrachte Isolierung führt zu hohen Systemverlusten und daher auch zu einem schlechten Systemwirkungsgrad.
Es ist sinnvoll, den Speicher auf stabiles Isoliermaterial wie z. B. Gummifüße zu stellen, um die Wärmeverluste durch die Speicherfüße an den Boden zu verringern. Es ist außerdem darauf zu achten, dass auch Blindstopfen isoliert werden. Statt der üblichen Rundinstrumente, mit denen die Temperaturen im Speicher oder in Vor- und Rücklaufleitungen angezeigt werden, ist es besser, Fühler zu verwenden, die an die Regelung angeschlossen werden, so dass die Isolierung nicht beeinträchtigt wird.
Die Speicherisolierung sollte an möglichst wenigen Stellen durchbrochen sein und, wenn ein Durchbruch nötig ist, möglichst im unteren kälteren Speicherbereich. Eine gute Möglichkeit ist es, die Rohre von den Anschlüssen innerhalb der Isolierung nach unten zu führen. Eine andere Variante ist es, alle Anschlüsse unten am Speicher zu setzen und dann Rohre oder Schichtenlader innerhalb des Speichers zu verwenden, um die Ein- bzw. Auslasshöhe zu bestimmen.
Bei Speichern, die nicht so gebaut sind, dass alle Anschlüsse innerhalb der Isolierung nach unten geführt werden, ist es wichtig, freie Konvektion in den Anschlüssen zu verhindern, wie im folgenden Abschnitt beschrieben ist.
Es ist außerdem wichtig, dass die Speicherisolierung eng anliegt, so dass keine freie Konvektion zwischen Speicherwand und Isolierung entstehen kann, was zu größeren Verlusten führen würde.
Weitere Verursacher von Wärmeverlusten sind Speicheranschlüsse. Diese Anschlüsse werden häufig ohne einen Thermosiphon ausgeführt. Dies führt zu internen Rohrzirkulationen, bei denen die Wärme aus dem Speicher sich in den Anschlussrohren verbreitet und an die Umgebung abgegeben wird oder sogar zu einer Zirkulation im gesamten Heizkreis führt
Mit Hilfe eines Thermosiphons an jedem Anschluss kann Abhilfe geschaffen werden.


Schichtung in einem Speicher
Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass jede Vermischung von verschieden temperierten Stoffströmen einen Verlust an "Arbeitsfähigkeit" verursacht. Ein irreversibler Vorgang wie das Vermischen von zwei Stoffströmen verschiedener Temperatur vermindert die "Qualität" der Energie. Für den Anwendungsfall einer Solaranlage wird dieser Verlust erst dann irrelevant, wenn das Temperaturniveau im Speicher über dem Nutztemperaturniveau der Anlage liegt (Vorlauftemperatur der Heizung oder Brauchwassertemperatur).
Die entsprechend diesen physikalischen Tatsachen naheliegende Idealvorstellung für einen Solarspeicher wäre daher ein temperaturgeschichteter, undurchmischbarer Behälter.

Dieser abstrahierte ideale Fall hätte mehrere Vorteile:
Bei der Entnahme aus dem Speicher findet keine Vermischung statt, die einen "letzten Rest" warmen Wassers abkühlen und somit unter das geforderte Temperaturniveau kühlen würde. Die Nachheizung wird im Grenzfall nicht gebraucht, die Solaranlage erwärmt das Wasser beim nächsten Anlaufen.
Wenn keine Vermischungen stattfinden, bleibt das Temperaturniveau des Speichers auch im kalten Speicherbereich erhalten, was wiederum dem Kollektorwirkungsgrad zugute kommt.
In der Realität spielen jedoch einige Faktoren, welche die ideale Schichtung im Speicher verhindern, mit.
Dies sind einerseits Vermischungen, sie treten beim Eintritt in den Speicher bei der Vernichtung der kinetischen Energie auf und andererseits speicherinterne Zirkulationen, die durch den Temperaturgradienten zur Wand hin entstehen und die Schichtung stören.
In der Praxis versucht man die Auswirkungen dieser Effekte einzudämmen. Dazu kommen beispielsweise Speichereinlaufberuhigungen in Form von Prallplatten oder Wirbelbremsen zum Einsatz. Fast alle Speicherhersteller bestücken jedoch nur den untersten Anschluss damit, Anschlüsse für Zirkulationsleitungen oder Öffnungen zur Nachheizung werden durchwegs nicht bestückt.
Zur Eindämmung der Mischungsverluste, also zur temperaturorientierten Beladung der Speicher, werden am Markt verschiedene Konzepte angeboten. Sie reichen von elektrisch gesteuerten Ventilsystemen bis zu schwerkraftbewegten Membranklappen.