20. Okt 2015

Abbildung: Zusammenhang zwischen Schichtungseffizienz und elektrischem Energiebedarf des Speichersystems am Test-Tag, für 8 kW Wärmepumpe mit und ohne Zeitfenster, sowie für eine Wärmepupe grösserer Leistung.

Wärmespeicher: Schichtung wichtiger als Wärmeverluste

(©MH) Am Institut für Solartechnik SPF der Hochschule für Technik Rapperswil wurde im Auftrag des Bundesamtes für Energie (BFE) eine Testmethode für die Ermittlung der Schichtungseffizienz von Kombi-Wärmespeichern erarbeitet, und sechs Produkte verschiedener Hersteller mit dem Verfahren getestet. Während dem Test wurde auch ermittelt, welche Auswirkungen die Schichtungseffizienz auf den elektrischen Bedarf einer Wärmepumpe hat, die als Ergänzung zur Solaranlage Wärme über den Kombispeicher bereitstellt.


Als thermische Speicherschichtung bezeichnet man das natürliche Phänomen, das sich in einem Wärmespeicher heisses Wasser auf Grund seiner geringeren Dichte immer über kälterem Wasser einschichtet. Dies macht man sich zu Nutze, um beispielsweise in einem Kombi-Wärmespeicher auf verschiedenen Höhen des Speichers Wärme zu unterschiedlichen Zwecken und auf unterschiedlichen Temperaturen einzulagern. So kann oben Warmwasser mit einer Temperatur von 50 °C bereit gehalten werden, während der mittlere Bereich für die Pufferung von Raumwärme mit typischerweise 25 – 40 °C verwendet wird, und darunter die Vorwärmung des Warmwassers von 10 ° C auf 30 °C hauptsächlich mit Solarwärme stattfindet. Dass eine ausgeprägte Speicherschichtung und deren Erhaltung im Betrieb eine positive Auswirkung auf die Effizienz der gesamten Wärmeerzeugungsanlage haben kann, ist bereits seit längerem bekannt.

Bis vor kurzem gab es jedoch keine Testverfahren, mit welchen die Qualität der Speicherschichtung ermittelt und verschiedene Speicher miteinander verglichen werden konnten. Am Institut für Solartechnik SPF der Hochschule für Technik Rapperswil wurde nun, im Auftrag des BFE eine Testmethode für die Ermittlung der Schichtungseffizienz von Kombi-Wärmespeichern erarbeitet. Getestet wurden sechs Produkte verschiedener Hersteller. Während dem Test wurde auch ermittelt, welche Auswirkungen die Schichtungseffizienz auf den elektrischen Bedarf einer Wärmepumpe hat, die als Ergänzung zur Solaranlage Wärme über den Kombispeicher bereitstellt.

Sehr grosse Unterschiede
Es zeigte sich dabei, dass die Unterschiede zwischen den verschiedenen Speichern sehr gross sind. Da eine schlechtere Speicherschichtung immer zur Folge hat, dass die Wärmepumpe höhere Temperaturen für die Beladung bereitstellen muss, wirkt sich die Speicherschichtung direkt auf den elektrischen Energiebedarf und damit die Energiekosten des Besitzers aus. Einen positiven Einfluss auf das Ergebnis hat das Vorhandensein eines Warmwasser-Zeitfensters, welches verhindert, dass die Wärmepumpe im Verlauf eines Tages zu jeder Zeit den Warmwasserbereich nachladen kann.

Schichtung wichtiger als Wärmeverluste
Bemerkenswert ist, dass eine Reduktion der Schichtungseffizienz um 10 % bereits eine Erhöhung des elektrischen Energiebedarfs der Wärmepumpe um 16 % zur Folge hat. Dies gilt für eine Standard-Heizlast* sowohl für den Prüfzyklus, als auch für ein ganzes Jahr. Auf ein Jahr gerechnet hat die "schlechteste" gemessene Variante einer Kombination aus Kombispeicher und Wärmepumpe gegenüber der Besten eine um 21 % geringere Schichtungseffizienz, was einen Mehrbedarf an elektrischer Energie von 860 kWh mit sich bringt. Damit wird der elektrische Energiebedarf dieser Systeme weit mehr durch die Schichtungseffizienz des Speicher-Prozesses bestimmt als durch die Wärmeverluste des Speichers. Die Mehr-Investition in einen besseren Kombispeicher zahlt sich in solchen Fällen aus. Die Frage, die in diesem Zusammenhang bisher nie beantwortet werden konnte, war jedoch immer: welches ist denn der am besten schichtende Speicher? Diese Frage kann nun mit dem neuen 24 Stunden Test-Zyklus endlich beantwortet werden.

Weitere Informationen und Schlussbericht >>

Zusatz zur Grafik links: * Die hier angenommene Standard-Heizlast entspricht 3450 kWh/a für die Warmwasser-bereitung und 8000 kWh/a für die Raumheizung, mit Vor- und Rücklauftemperaturen von 35/30 °C bei Auslegung.


©Text: Michel Haller, Robert Haberl, SPF, unter Mitwirkung von: Patrick Persdorf, Andreas Reber, Andreas Huggenberger, Matthias Kaufmann, Jason Podhradsky, Lukas Lötscher, Corsin Gwerder, Simon Boller, Boris Meier, Igor Mojic

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