Ist ein Gebäude mit einem Wärmespeicher ausgestattet, lässt sich Warmwasser und Heizwasser dann erzeugen, wenn günstige Energie zur Verfügung steht. Zu gross sollte ein solcher Speicher aber nicht sein, sonst wird das System unwirtschaftlich.
Verfasst von Remo Bürgi
Zu den Herausforderungen der Energiewende zählt bekanntlich die Stromversorgung im Winter. Mehr Wärmepumpen und mehr Elektroautos lassen den Verbrauch ansteigen, und im Gegensatz zu den Sommermonaten liefern im Winter die meisten Photovoltaikanlagen und Wasserkraftwerke weniger Ertrag.
Gefragt sind daher Lösungen, wie sich der Strombedarf reduzieren und flexibilisieren lässt. Wärmespeicher können dazu auf verschiedenen Ebenen einen wichtigen Beitrag leisten. Gemäss der Wärmestrategie 2050 des Bundes «brechen thermische Kurz- und Langzeitspeicher Lastspitzen, integrieren erneuerbare Energien und reduzieren den Winterstrombedarf».
Wärmespeicher sind aber nicht nur aus übergeordneter Perspektive wichtig, sondern können auch in Wohngebäuden dazu beitragen, die Wirtschaftlichkeit eines Systems zu erhöhen. Wie gross sollten solche Speicher sein und wie lassen sie sich am besten einsetzen? Und wie lange können sie Wärme speichern?
Wärmespeicher ermöglichen es, die Produktion für eine gewisse Zeit vom Verbrauch zu entkoppeln. Aus technischer Sicht ist das heute nicht mehr zwingend nötig, aber trotzdem sinnvoll. «Früher erhöhten Speicher die Effizienz von Wärmepumpen, weil diese so nicht ständig ein- und ausschalten mussten», sagt Philipp Heer, stellvertretender Leiter des Empa-Labors «Urban Energy Systems».
Für heutige Wärmepumpen sei ein solcher Teillastbetrieb hingegen kein Problem – «sie lassen sich auch so effizient und verschleissfrei betreiben». Für eine möglichst hohe Wirtschaftlichkeit hingegen sind Speicher nach wie vor von Vorteil.
Für eine hohe Wirtschaftlichkeit sind Speicher von Vorteil.
Da die Wärme nicht zwingend dann erzeugt werden muss, wenn sie direkt benötigt wird, kann man die Produktion auf die Verfügbarkeit von günstiger und nachhaltiger Energie ausrichten. So lassen sich die verschiedenen Typen von Heizsystemen, die in Wohngebäuden meistens im Keller anzutreffen sind, wirtschaftlicher betreiben. Welche Wärmespeicher üblich sind, zeigt die folgende Übersicht.
In praktisch jeder Wohnimmobilie steht ein Speicher für das Warmwasser, der oft umgangssprachlich als «Boiler» bezeichnet wird. Er sorgt dafür, dass im Haushalt stets genug warmes Trinkwasser zur Verfügung steht, beispielsweise zum Kochen, Duschen oder Putzen. Mit der Beheizung des Gebäudes respektive mit dem Heizungswasser hat er klassischerweise nichts zu tun.
Erwärmt wurde das Warmwasser früher meist entweder durch einen Elektro-Heizstab (heute bei Neubauten in einigen Kantonen nicht mehr erlaubt) oder durch einen Heizöl- oder Gas-Brenner. Moderne Warmwasserspeicher lassen sich auch von einer Wärmepumpe und/oder einer Solarthermieanlage mit Energie versorgen.
Viele Gebäude verfügen über einen Pufferspeicher, in dem Heizungswasser kurzfristig zwischengespeichert wird. Im Winter reicht diese Reserve rund 2 Stunden, im Frühling und Herbst auch 12 oder mehr Stunden. So kann zum Beispiel die Wärmepumpe tagsüber, wenn selbst erzeugter, günstiger Solarstrom zur Verfügung steht, Wärme erzeugen und diese im Heizwasser-Speicher einlagern. Muss das Gebäude am Abend oder in der Nacht beheizt werden, kann das Heizsystem die Wärme aus dem Speicher nutzen.
Heute werden mehr und mehr Speicher verbaut, in denen Wärme sowohl für das Heizwasser als auch für das Warmwasser gelagert wird. Weil diese Systeme auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau betrieben werden, entnehmen sie die benötigte Wärme aus unterschiedlichen Schichten des Kombi-Speichers. Die heisseste Schicht ist jene ganz oben – dort wird die thermische Energie für das Warmwasser entnommen. Vorteil: Weil das Warmwasser nach dem Durchlauf-Prinzip erwärmt wird, sind Legionellen kein Thema und das gelegentliche energieintensive Erhitzen auf 60 °C entfällt.
Die mittlere oder die unterste Schicht versorgt das Heizwasser. Die Wärmequelle, die den Speicher mit Energie versorgt, beliefert die unterschiedlichen Schichten mit unterschiedlichen Temperaturen. «Wichtig für den effizienten Betrieb solcher Schichtspeicher ist, dass die Schichtung möglichst konstant bleibt und es keine Durchmischungen gibt», betont Heer.
Oft geht vergessen, dass auch das Gebäude selbst als Speicher fungieren kann. Wände, Böden und Decken einer Immobilie – vor allem solche aus Backstein, Beton und neuerdings Lehmsteinen – können Wärme aufnehmen und später wieder abgeben.
Wird beispielsweise tagsüber mit günstigem Solarstrom geheizt, nimmt die thermische Speichermasse des Gebäudes die Wärme auf und gibt sie nachts wieder ab. So bleibt die Innenraumtemperatur komfortabel, ohne dass der Wärmeerzeuger nachheizen muss.
Damit ein Speicher die Effizienz und Wirtschaftlichkeit eines Systems erhöhen kann, muss er passend dimensioniert sein. Gemäss Philipp Heer muss man dabei zwischen Heizwasser-Speicher und Warmwasser-Speicher unterscheiden.
Hier sind für die Dimensionierung verschiedene Faktoren einzubeziehen. Wichtig sind unter anderem
«Als Faustregel kann man mit 35 bis 50 l Speichervolumen pro kW Heizleistung rechnen», sagt Heer. «In einem Einfamilienhaus mit einer 7-kW-Wärmepumpe würde also ein Heizwasserspeicher mit 300 l Sinn ergeben.»
Wesentlicher Faktor für die Dimensionierung ist hier die Anzahl der Personen in einem Haushalt. Bei 1 bis 2 Personen sind 80 bis 120 l ausreichend, bei 3 bis 4 Personen kann das Fassungsvermögen zwischen 150 und 200 l betragen. Für 5 bis 6 Personen rechnet man gemäss Heer mit 300 bis 400 l und bei mehr als 6 Personen mit einem Speicherinhalt von mehr als 500 l.
Da ein Wärmespeicher wertvollen Platz benötigt und mit zunehmender Grösse auch in der Anschaffung teurer wird, ist es kaum wirtschaftlich oder effizient, sie grösser zu dimensionieren, um mehr Energie speichern zu können.
Typische Wärmespeicher in Wohngebäuden sind immer verlustbehaftet.
Philipp Heer, Empa-Labor «Urban Energy Systems»
«Typische Wärmespeicher in Wohngebäuden sind immer verlustbehaftet», erklärt Heer. «Einen Vorteil bringen sie deshalb in der Regel nur für die kurzfristige Speicherung über einige Tage.» Dimensioniere man einen Speicher absichtlich grösser, seien Mehrwerte im Vergleich zu den zusätzlichen Wärmeverlusten kaum gegeben. Heer empfiehlt, stattdessen die Gebäudemasse als weiteren Speicher zu aktivieren. Dies braucht keinen zusätzlichen Platz, sondern ist eine «versteckte» Kapazität, die man einfach nutzen kann.
Wärme über Monate speichern? Dazu braucht es andere Lösungen.
Saisonale WärmespeicherImmer mehr Immobilien in der Schweiz verfügen über eine Photovoltaikanlage, sodass selbst erzeugter Solarstrom zur Verfügung steht. Je mehr davon man selbst verbrauchen kann, desto wirtschaftlicher ist die Anlage.
Die Umwandlung von überschüssigem Solarstrom in Wärme, die in einem Speicher über Wochen oder Monate eingelagert wird, kommt aber eher für grosse, auf eine langfristige Pufferung ausgelegte Speicher infrage. Bei einem typischen Wohngebäude liefert eine Photovoltaikanlage im Winter, wenn der Wärmebedarf am grössten ist, nicht so viel Energie, dass sie über eine Wärmepumpe einen grösseren Wärmespeicher komplett laden und den Verbrauch über Tage decken kann. «Dies würde in der Übergangszeit im Herbst und Frühling klappen, wenn die Sonne noch recht stark scheint», sagt Heer. «Aus finanzieller Sicht lohnt sich deswegen eine grössere Dimensionierung des Wärmespeichers aber tendenziell nicht.»
Titelfoto
Heizungsspeicher Mehrfamilienhaus (Foto: Thomas Elmiger)
SPF Institut für Solartechnik
Kommunikator ZFH, arbeitet bei Faktor Journalisten. Sein Schwerpunkt liegt auf den Themen Energie, Nachhaltigkeit und Mobilität.
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