Effizienzrisiko Kombispeicher: Herausforderungen bei der Integration von Wärmepumpen in Bestandsanlagen

Eine häufig unterschätzte Konstellation beim Einsatz einer Wärmepumpe im Gebäudebestand

In Bestandsgebäuden werden Wärmepumpen auf Wunsch der Bauherren immer wieder in vorhandene Heizungsanlagen mit großen Kombi- oder Schichtenspeichern eingebunden. Das ist verständlich: Die Speicher sind oft noch nicht alt, waren beim bisherigen Kesselbetrieb unauffällig, haben erhebliche Investitionen verursacht und der Platz für einen getrennten Pufferspeicher und Trinkwassererwärmer fehlt häufig. Zugleich liegen bei älteren Speichern oft weder Schnittzeichnungen noch belastbare Angaben zu inneren Einbauten, Wärmeübertragern, Anschlussfunktionen und zulässigen Volumenströmen vor. Der Installateur übernimmt damit ein erhebliches Planungs- und Haftungsrisiko.

Auf den ersten Blick erscheint ein solches System fortschrittlich: Solarthermie, Photovoltaik, Kamin, Festbrennstoffkessel sowie Gas- oder Ölkessel sollen gemeinsam genutzt werden. In der Praxis funktionieren die Einzelkomponenten jedoch häufig nicht als abgestimmtes Gesamtsystem. Viele ältere Kombispeicher wurden nicht für die hohen Volumenströme und niedrigen Temperaturniveaus einer Wärmepumpe entwickelt. Fehlen eine wirksame Schichtentrennung, eine geeignete Anschlussanordnung bzw. Anschlussdurchmesser und eine übergeordnete Regelung, entstehen Vermischungen und Fehlzirkulationen.

Mögliche Folgen sind zu hohe Vorlauf-, Rücklauf- und Speichertemperaturen, zusätzliche Bereitschafts- und Mischungsverluste, unnötige Umschaltungen auf Trinkwassererwärmung, häufige Verdichterstarts und eine deutlich schlechtere Jahresarbeitszahl. Nicht selten arbeitet die Wärmepumpe überwiegend als Speicheraufheizer, obwohl sie das Gebäude mit möglichst niedrigen Temperaturen versorgen sollte.

1. Der Kombispeicher als vermeintliche Universalzentrale

Ein Kombispeicher soll verschiedene Aufgaben in einem Bauteil vereinen: Speicherung von Heizungswasser, hydraulische Entkopplung von Wärmeerzeugern und Heizkreisen, Aufnahme solarer Wärmeenergie, Einbindung eines wasserführenden Kamins oder Festbrennstoffkessels, Bereitstellung von Wärmeenergie für die Trinkwassererwärmung und teilweise auch die Aufnahme von PV-Überschuss über einen Elektroheizstab.

Diese Vielzahl an Aufgaben führt leicht zu der Annahme, jeder Wärmeerzeuger könne an einem freien Anschlussstutzen des Speichers angeschlossen werden. Entscheidend ist jedoch nicht allein, dass Wärmeenergie in den Speicher gelangt, sondern auf welchem Temperaturniveau sie bereitgestellt wird, in welcher Speicherzone sie eingebracht wird, mit welchem Volumenstrom die Beladung erfolgt, aus welcher Höhe der jeweilige Verbraucher entnimmt, wo die Rückläufe wieder eingespeist werden, welchen Rohr- Durchmesser die Anschlüsse haben,  welche Fühler welche Temperatur erfassen und welche Regelung letztlich über Ein- und Ausschalten entscheidet.

Ein Speicher ist kein neutraler Behälter, in dem sich die Energieströme automatisch richtig ordnen. Er kann nur dann sinnvoll arbeiten, wenn seine innere Konstruktion, seine Anschlussanordnung und die Regelung aufeinander abgestimmt sind.

2. Unterschiedliche Wärmeerzeuger benötigen unterschiedliche Betriebsbedingungen

• Wärmepumpe: Die Wärmepumpe arbeitet umso effizienter, je niedriger die erforderliche Verflüssigungs-, bzw. Vorlauf- und Speichertemperatur ist. Sie benötigt ausreichend große Volumenströme und möglichst lange, gleichmäßige Laufzeiten. Hohe Rücklauftemperaturen, unnötig aufgeheizte Speichervolumen und häufige Umschaltungen verschlechtern ihren Betrieb.
• Gas- oder Ölkessel: Ein vorhandener Kessel kann höhere Temperaturen vergleichsweise einfach bereitstellen. Bei einem Brennwertgerät ist allerdings ebenfalls eine niedrige Rücklauftemperatur wichtig, damit Wasserdampf im Abgas kondensiert und der Brennwerteffekt genutzt wird.
• Thermische Solaranlage: Die Solarthermie liefert stark schwankende Leistungen und Temperaturen. Sie sollte möglichst niedrige Speichertemperaturen vorfinden, damit sie bereits bei geringer Einstrahlung nutzbare Wärme eintragen kann. Wird der Speicher durch die Wärmepumpe oder den Kessel großvolumig auf hohe Temperaturen geladen, sinkt der Solarertrag.
• Wasserführender Kamin oder Festbrennstoffkessel: Diese Wärmeerzeuger sind nur begrenzt modulierbar und benötigen aus Sicherheits- und Betriebsgründen ein ausreichendes Aufnahmevolumen. Sie liefern zeitweise hohe Leistungen und hohe Temperaturen. Gleichzeitig sind Rücklaufanhebung, Überhitzungsschutz und gegebenenfalls thermische Ablaufsicherung zu beachten.
• Photovoltaikanlage mit elektrischer Wärmeeinbindung: Eine Photovoltaikanlage erzeugt zunächst elektrische Energie. Wird der PV-Strom jedoch gezielt über einen Heizstab oder einen anderen elektrischen Wärmeerzeuger in den Speicher eingebracht, kann die PV-Anlage im Rahmen der hydraulischen und regelungstechnischen Gesamtbetrachtung als zusätzlicher Wärmeerzeuger bewertet werden. Bei Speichersystemen mit besonderer PV-Funktion und geregelter Umschichtung, beispielsweise einem Zeeh-Speicher mit PV-Funktion, kann die erzeugte Wärmeenergie gezielt in unterschiedliche Temperaturzonen eingebracht beziehungsweise innerhalb des Speichers verlagert werden. Damit beeinflusst die PV-Einbindung nicht nur das elektrische Energiemanagement, sondern unmittelbar auch die Temperaturschichtung, die Speicherbeladung und die Betriebsweise der übrigen Wärmeerzeuger.

Damit treffen in einem einzigen Speicher Wärmeerzeuger mit teilweise entgegengesetzten Anforderungen zusammen. Ohne ein eindeutiges Betriebs- und Prioritätskonzept entstehen zwangsläufig Zielkonflikte.

3. Die thermische Schichtung ist die Grundlage des Speicherbetriebs

In einem ruhenden Speicher ordnet sich warmes Wasser aufgrund seiner geringeren Dichte oberhalb von kälterem Wasser an. Im Idealfall entstehen unterschiedliche Temperaturzonen: 

• oben eine heiße Zone für die Trinkwassererwärmung, 
• darunter eine mittlere Zone für Heizkreise mit höherer Temperatur und 
• unten eine möglichst kühle Zone für Niedertemperaturheizkreise, solare Beladung und niedrige Rücklauftemperaturen.

Diese Schichtung ist für eine Wärmepumpenanlage von besonderer Bedeutung. Nur wenn die Wärmepumpe tatsächlich eine niedrig temperierte Speicherzone belädt, kann sie effizient arbeiten. Muss sie dagegen den größten Teil des Speichers auf das für die Trinkwassererwärmung erforderliche Temperaturniveau anheben, steigen Stromverbrauch und Speicherverluste.

Eine thermische Schichtung bleibt jedoch nicht von selbst dauerhaft erhalten. Sie kann durch zu hohe Beladevolumenströme, ungünstig angeordnete Anschlussstutzen, fehlende Schichtladeeinrichtungen, hohe Eintrittsgeschwindigkeiten, senkrechte Strömungen im Speicher, Rückläufe in der falschen Speicherhöhe, gleichzeitig arbeitende Lade- und Heizkreispumpen, interne Wärmeübertrager mit ungünstiger Anordnung, zu geringe Temperaturunterschiede zwischen den Speicherzonen und häufige hydraulische Richtungswechsel zerstört werden. 

Bei vielen vorhandenen Kombispeichern wird zwar mit Begriffen wie Schichtenspeicher oder Multifunktionsspeicher geworben. Daraus folgt jedoch nicht automatisch, dass bei jeder denkbaren Anlagenkonfiguration eine stabile Schichtung entsteht. Maßgebend sind die tatsächlich zulässigen Volumenströme, die innere Speichergeometrie und das konkrete Anschluss- und Regelungskonzept.

4. Das eigentliche Problem: Temperaturvermischung statt Temperaturnutzung

In fehlerhaften Anlagen wird die Wärmepumpe häufig an Anschlüsse angebunden, die ursprünglich für einen Kessel vorgesehen waren. Die Wärmepumpe lädt dann mit relativ hohem Volumenstrom in einen Speicherbereich ein, der gleichzeitig von anderen Wärmeerzeugern und Heizkreisen genutzt wird.

Typische Folge: Energie aus dem heißen oberen Speicherbereich wird in tiefere Zonen eingemischt. Die Rücklauftemperatur zur Wärmepumpe steigt, die Abschalttemperatur wird frühzeitig erreicht und der Verdichter beendet den Lauf, obwohl das Gebäude weiterhin Heizenergie benötigt. Fällt die Temperatur am Regelfühler kurze Zeit später wieder ab, startet die Wärmepumpe erneut.

Ein großer Speicher verhindert dann nicht das Takten, sondern kann es durch eine ungeeignete Fühlerposition und eine schlechte Schichtung sogar begünstigen.

Besonders ungünstig ist es, wenn die Wärmepumpe den gesamten Kombispeicher regelmäßig auf 50 °C oder mehr erwärmen muss, nur damit im oberen Bereich ausreichend Warmwasserleistung vorhanden ist. Für die Raumheizung werden möglicherweise nur 30 bis 40 °C benötigt. Trotzdem wird ein großes Wasservolumen ständig auf einem unnötig hohen Temperaturniveau gehalten.

4.1 Fehlzirkulation zwischen Trinkwasser- und Heizungszone

Der in der Gutachterpraxis des Autors am häufigsten festgestellte Fehler ist eine ungewollte Entnahme von Wärmeenergie aus der oberen Trinkwasserzone durch die Heizkreispumpe. Obwohl kein Trinkwarmwasser entnommen wird, sinkt dadurch die Temperatur am Trinkwasserfühler. Die Regelung deutet dies als Warmwasserbedarf und schaltet die Wärmepumpe unnötig auf Trinkwassererwärmung um.

Die Folgen sind höhere Verdichtungsend- und Speichertemperaturen, Unterbrechungen des Heizbetriebs, zusätzliche Betriebsstunden und Verdichterstarts sowie eine verschlechterte Arbeitszahl. Ursache können fehlende Schichtentrennung, ungünstige Anschlusspositionen, innere Kurzschlussströmungen, nicht dicht schließende Rückschlagorgane oder falsch abgestimmte Pumpenvolumenströme sein.

Bei der Funktionsprüfung ist deshalb zu kontrollieren, ob die Temperatur der Trinkwasserzone auch ohne Zapfung während des Heizbetriebs deutlich absinkt. Eine Wärmepumpe darf nicht deshalb auf Trinkwassererwärmung umschalten, weil die Heizkreispumpe Wärmeenergie aus der Trinkwasserzone entzieht.

5. Tank-in-Tank-Systeme und Wärmepumpe

Beim Tank-in-Tank-System befindet sich im Heizwasserspeicher ein innerer Trinkwasserbehälter. Das Heizungswasser erwärmt über dessen Behälterwand das gespeicherte Trinkwasser.

Dieses Prinzip kann bei einem Kesselbetrieb funktionieren, ist aber für Wärmepumpen häufig ungünstig. Damit das Trinkwasser ausreichend erwärmt wird, muss ein relativ großer Bereich des umgebenden Heizwassers auf einem hohen Temperaturniveau gehalten werden. Der Wärmeübergang hängt außerdem von der Tauscherfläche, den Temperaturdifferenzen und der jeweiligen Zapfleistung ab.

Bei bestehenden Speichern sind insbesondere die erforderliche Heizwassertemperatur, die tatsächlich wirksame Wärmeübertragungsfläche, die Warmwasserleistung bei vertretbarer Speichertemperatur, die Lage des Trinkwasser-Innenbehälters, die Fühlerposition und die Bereitschaftsverluste zu prüfen.

Gerade bei großen Tank-in-Tank-Speichern besteht das Risiko, dass die Wärmepumpe über viele Stunden auf einem hohen Temperaturniveau arbeitet und dadurch ein erheblicher Teil ihres theoretischen Effizienzvorteils verloren geht.

6. Frischwasserstationen: Hygienisch günstig, hydraulisch anspruchsvoll

Bei einer Frischwasserstation wird Trinkwasser erst während der Entnahme über einen Plattenwärmeübertrager erwärmt. Im Speicher befindet sich nur Heizungswasser. Dadurch wird das bevorratete Trinkwasservolumen reduziert.

Eine Frischwasserstation ist jedoch keine Garantie für einen effizienten Wärmepumpenbetrieb. Ihre Funktion hängt wesentlich von der Temperatur im oberen Speicherbereich, der gewünschten Warmwassertemperatur, dem Zapfvolumenstrom sowie der Leistungsfähigkeit und Regelung des Wärmeübertragers ab.

Für hohe Zapfleistungen benötigt die Frischwasserstation entweder eine ausreichend hohe Speichertemperatur, eine sehr große Wärmeübertragerfläche oder einen hohen Heizwasservolumenstrom. Ein hoher Primärvolumenstrom kann wiederum die Speicherschichtung beeinträchtigen.

Kritisch ist insbesondere der Rücklauf der Frischwasserstation. Bei guter Auslegung und Regelung kann dieser stark abgekühlt in den unteren Speicherbereich zurückgeführt werden. Bei ungeeigneter Auslegung, Verkalkung, falscher Pumpenregelung oder zu hoher Solltemperatur gelangt dagegen ein unnötig warmer Rücklauf in den Speicher.

Auch die Trinkwasserzirkulation ist zu beachten. Eine dauerhaft betriebene Zirkulationspumpe kann erhebliche Wärmeverluste verursachen und den oberen Speicherbereich fortlaufend entladen.

7. Heizkreise und Speicher dürfen sich nicht gegenseitig kurzschließen

Ein parallel eingebundener Speicher trennt Wärmeerzeuger- und Verbraucherkreis hydraulisch. Diese Entkopplung ist jedoch nicht verlustfrei. Entscheidend ist das Verhältnis der Volumenströme.

• Wärmepumpenvolumenstrom größer als Heizkreisvolumenstrom: Ein Teil des warmen Wärmepumpenvorlaufs strömt unmittelbar im Speicher zum Wärmepumpenrücklauf. Die Rücklauftemperatur steigt, die Wärmepumpe schaltet früher ab und die nutzbare Temperaturdifferenz verringert sich.
• Heizkreisvolumenstrom größer als Wärmepumpenvolumenstrom: Der Heizkreis mischt kühles Rücklaufwasser aus dem unteren Speicherbereich in seinen Vorlauf. Die benötigte Heizkreisvorlauftemperatur wird möglicherweise nicht erreicht. Die Regelung reagiert häufig mit einer Anhebung des Speichersollwerts oder der Heizkurve.
• Stark wechselnde Volumenströme: Thermostatventile, Einzelraumregelungen, mehrere Heizkreispumpen und Mischer verändern die Volumenströme fortlaufend. Ohne abgestimmte Pumpenregelung entstehen wechselnde Strömungsrichtungen und Temperaturvermischungen im Speicher.

Die Bezeichnung hydraulisch entkoppelt darf deshalb nicht mit hydraulisch unkritisch verwechselt werden.

8. Mehrere Regelungen kämpfen um denselben Speicher

In gewachsenen Bestandsanlagen besitzt häufig jeder Wärmeerzeuger eine eigene Regelung: Wärmepumpenregelung, Solarregelung, Kesselregelung, Kamin- oder Festbrennstoffregelung, Frischwasserregelung, Heizkreisregelung, PV-Energiemanager und Heizstabregelung. Jede dieser Regelungen wertet eigene Fühler aus und verfolgt eigene Sollwerte. Eine übergeordnete Betriebsstrategie fehlt häufig.

Typische Konflikte sind: Der Kessel lädt den Speicher kurz vor Beginn eines möglichen Wärmepumpenbetriebs auf hohe Temperatur. Die Wärmepumpe erkennt durch einen falsch positionierten Fühler keinen Wärmebedarf. Die Solarregelung kann keine Wärme mehr eintragen, weil der untere Speicherbereich bereits zu warm ist. Der Heizstab wird durch PV-Überschuss aktiviert, obwohl die Wärmepumpe gleichzeitig effizienter Wärme erzeugen könnte. Der Kamin erwärmt den Speicher, während die Wärmepumpe weiterläuft. Die Warmwasseranforderung hebt den Sollwert für ein zu großes Speichervolumen an.

Eine funktionierende Mehrwärmeerzeugeranlage benötigt deshalb eine eindeutige Regelungshierarchie. Es muss festgelegt werden, welcher Wärmeerzeuger Vorrang besitzt, welche Temperaturzone er beladen darf, welche Fühler maßgeblich sind, wann die Wärmepumpe gesperrt wird, wann der Kessel zu- oder übernimmt, wie eine nicht regelbare Feuerstätte berücksichtigt wird, wie Solarenergie vorrangig genutzt wird, wann PV-Überschuss zur Temperaturerhöhung verwendet werden darf und welche Pumpen in den jeweiligen Betriebsarten laufen oder gesperrt werden müssen.

Ohne diese Festlegungen entsteht kein Energiemanagement, sondern lediglich ein Nebeneinander mehrerer Einzelregelungen.

9. PV-Überschuss und PV-Wärmeerzeugung: Temperaturerhöhung nur mit Augenmaß

Die Nutzung von PV-Strom zur Wärmeerzeugung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen: durch Vorziehen eines ohnehin erforderlichen Wärmepumpenlaufs, durch begrenzte Sollwertanhebung der Wärmepumpe oder durch direkte Wärmeeinbringung über einen Heizstab. Bei Speichersystemen mit PV-Funktion kann außerdem eine gezielte Umschichtung vorgesehen sein.

Bei der Gesamtbewertung ist deshalb zu unterscheiden zwischen einer einfachen, ungeregelten Heizstabeinschaltung und einer systematisch geregelten PV-Speicherfunktion. Ein ungeregelt im oberen Speicherbereich arbeitender Heizstab kann die Schichtung und den Wärmepumpenbetrieb erheblich beeinträchtigen. Eine gezielte Beladung oder Umschichtung kann dagegen einen anderen funktionalen Stellenwert haben.

Auch bei PV-Überschuss ist eine starke, pauschale Anhebung des gesamten Speichers kritisch. Mit steigender Vorlauf- bzw. Speichertemperatur sinkt grundsätzlich die Leistungszahl der Wärmepumpe. Bei Luft-Wasser-Wärmepumpen kann eine zeitliche Verlagerung des Betriebs in wärmere Tagesstunden diesen Nachteil teilweise kompensieren; wie stark, hängt jedoch vom konkreten Gerät, der Außentemperatur, dem erforderlichen Temperaturniveau und der Anlagenhydraulik ab. Eine pauschale Aussage, eine Speicherüberhöhung um 20 K sei energetisch unkritisch, lässt sich deshalb nicht allgemein treffen. Sinnvoll kann dagegen eine begrenzte, bedarfsgerechte Taganhebung bei tatsächlich verfügbarem PV-Überschuss sein, wenn dadurch längere Laufzeiten beziehungsweise eine nächtliche Heizpause erreicht werden, ohne Komfort, Schichtung oder Effizienz wesentlich zu beeinträchtigen. In solchen Fällen kann ein ausreichend großes, tatsächlich nutzbares Speichervolumen für Raumwärme vorteilhaft sein. Gleichzeitig steigen mit höherer mittlerer Speichertemperatur die Wärmeverluste des Speichers und der Rohrleitungen.

In der Regel sollte zunächst die Wärmepumpe innerhalb eines sinnvollen Temperaturbereichs betrieben werden. Ein Heizstab kann für echte Stromüberschüsse, hohe Speicherendtemperaturen oder besondere Betriebsfälle vorgesehen werden. Er darf jedoch nicht dazu dienen, eine unzureichende hydraulische oder regelungstechnische Planung zu verdecken.

10. Die Größe des Speichers allein löst das Problem nicht

In der Praxis wird bei Funktionsproblemen häufig ein größerer Speicher vorgeschlagen. Ein größeres Volumen kann Laufzeiten verlängern, Spitzenleistungen aufnehmen oder Wärmeenergie aus einer Feuerstätte speichern. Es beseitigt jedoch keine falschen Anschlusshöhen, ungeeigneten Fühlerpositionen und widersprüchlichen Regelstrategien.

Ein großer Speicher kann sogar Nachteile verursachen: höhere Bereitschaftsverluste, längere Aufheizzeiten, eine größere auf hohem Temperaturniveau gehaltene Wassermenge, langsamere Reaktion auf wechselnde Anforderungen, höheren Platzbedarf und höhere Investitionskosten.

Die Speichergröße muss daher aus den tatsächlich zu erfüllenden Funktionen abgeleitet werden. Dabei sind Wärmepumpenleistung, Mindestlaufzeit, Abtauenergie, Heizlast, Leistung nicht modulierbarer Wärmeerzeuger, Warmwasserbedarf und zulässige Temperaturspreizung getrennt zu betrachten.

11. Wann sollte ein vorhandener Kombispeicher weitergenutzt werden?

Die Weiterverwendung eines vorhandenen Speichers kann sinnvoll sein, wenn seine Eigenschaften vollständig bekannt sind und zum neuen Gesamtkonzept passen.

Dazu werden mindestens benötigt: 

• Hersteller und genaue Typenbezeichnung, 
• Speicherinhalt und Dämmstandard, 
• Schnittzeichnung oder innerer Aufbau, 
• Lage und Funktion aller Anschlüsse, 
• zulässige Beladevolumenströme, 
• Lage und Größe interner Wärmeübertrager, 
• Positionen der Fühlerhülsen, 
• Kennwerte zur Warmwasserleistung, 
• Angaben zu Bereitschaftsverlusten sowie 
• das bisherige und das geplante Hydraulik- und Regelungsschema.

Fehlen diese Unterlagen, lässt sich die Eignung häufig nicht belastbar beurteilen. Eine Lösung nach dem Grundsatz, zunächst auszuprobieren, ob es funktioniert, ist angesichts der Investitionskosten einer Wärmepumpenanlage nicht fachgerecht.

12. Getrennte Speicher können die bessere Lösung sein

Die Zusammenfassung aller Funktionen in einem Speicher spart zunächst Platz und Bauteile. Sie erhöht jedoch die hydraulische und regelungstechnische Komplexität.

In vielen Anlagen ist eine funktionale Trennung sinnvoller: Niedertemperatur-Heizbetrieb über einen kleinen Reihen- oder Parallelpuffer, Trinkwassererwärmung über einen getrennten Speicher oder ein geeignetes Frischwassersystem, separater Speicherbereich oder eigener Speicher für Solarthermie und Festbrennstoffwärme, klar definierte bivalente Einbindung des vorhandenen Kessels sowie elektrische Einbindung der PV-Anlage über ein abgestimmtes Energiemanagement.

Zwei kleinere, klar zugeordnete Speicher können energetisch und regelungstechnisch besser funktionieren als ein großer Universal-Kombispeicher. Dies gilt jedoch nur, wenn auch die Einzelspeicher hydraulisch geeignet ausgeführt sind. Fehlen Strömungsberuhigung, geeignete Anschlussanordnungen oder eine wirksame Schichtung, können auch getrennte Speicher durch Vermischung erhebliche Verluste verursachen. Die funktionale Trennung ersetzt daher nicht den Nachweis einer guten Speicherhydraulik. Besonders vorteilhaft ist sie, wenn Raumheizung und Trinkwassererwärmung stark unterschiedliche Temperaturniveaus benötigen.

13. Weiterentwickelte Multifunktions- und Schichtenspeicher für Wärmepumpenanlagen

Neben einer konsequenten funktionalen Trennung können bei Anlagen mit mehreren Wärmeerzeugern auch speziell für den Wärmepumpenbetrieb entwickelte Multifunktions- oder Schichtenspeicher eine geeignete Lösung sein. Positive Entwicklungen sind insbesondere konstruktive Maßnahmen zur Strömungsberuhigung, definierte Schichtzonen, abgestimmte Anschlussanordnungen sowie auf den Speicher zugeschnittene Hydraulik- und Regelungskonzepte. Als Praxisbeispiel kann der Zeeh-Multifunktionsspeicher in Wärmepumpenausführung (MTL-WP) genannt werden. Nach den Erfahrungen des Autors ist insbesondere das abgestimmte Gesamtkonzept mit Schichtentrennplatte von Interesse. Diese Nennung stellt jedoch keinen vergleichenden Produktnachweis und keine pauschale Empfehlung gegenüber anderen Speichern dar. Selbstverständlich möchte der Wärmepumpenhersteller sicherheitshalber die von ihm entwickelten und geprüften Speicher verkaufen.

Bei Ausführungen mit PV-Funktion ist zwischen der Nutzung des PV-Stroms über die Wärmepumpe und einer direkten elektrischen Wärmeeinbringung über einen Heizstab zu unterscheiden. Energetisch sollte grundsätzlich zunächst geprüft werden, ob der PV-Überschuss mit der Wärmepumpe auf einem sinnvollen Temperaturniveau genutzt werden kann. Ein Heizstab kann ergänzend für echte Stromüberschüsse, höhere Speicherendtemperaturen oder besondere Betriebsfälle eingesetzt werden. Eine vorgesehene Umschichtung kann dabei helfen, die erzeugte Wärme gezielt in geeignete Speicherzonen zu verlagern.

Auch ein konstruktiv geeigneter Multifunktionsspeicher darf nicht pauschal für jede Anlage freigegeben werden. Speichergröße, Wärmepumpenleistung, Warmwasserbedarf, erforderliche Zapfleistung, Volumenströme, weitere Wärmeerzeuger, Anschlusspositionen und Regelungsstrategie müssen zum konkreten Gebäude passen. Das vom jeweiligen Hersteller vorgesehene Hydraulik- und Regelungskonzept sollte vollständig berücksichtigt und nur nach fachlicher Prüfung verändert werden.

Für Bestandsanlagen mit Solarthermie, wasserführendem Kamin, Gas- oder Ölkessel, Wärmepumpe und PV-Wärmeeinbindung können solche abgestimmten Multifunktions- oder Schichtenspeichersysteme eine Alternative zu improvisierten Sonderhydrauliken oder zu einem ungeprüft weiterverwendeten Alt-Kombispeicher darstellen. Für eine objektive Produktbewertung sind jedoch vergleichbare Prüfwerte zur Schichtungseffizienz und klar definierte Einsatzgrenzen wünschenswert. Voraussetzung bleibt in jedem Fall eine objektbezogene Planung und eine dokumentierte Funktionsprüfung aller Betriebszustände.

14. Anforderungen an Planung und Dokumentation

Vor dem Einbau der Wärmepumpe sollte ein vollständiges Anlagenkonzept erstellt werden. Ein Hersteller-Standardschema kann eine Grundlage sein, muss aber auf die tatsächlich vorhandenen Komponenten und Betriebsbedingungen angepasst werden.

Erforderlich sind insbesondere: Bestandsaufnahme aller Wärmeerzeuger und Verbraucher, Ermittlung der Heizlast und der erforderlichen Systemtemperaturen, Prüfung der Heizflächen und des hydraulischen Abgleichs, Ermittlung des realistischen Warmwasserbedarfs, Festlegung der Betriebsweise der Wärmepumpe, Prüfung des vorhandenen Speichers, Festlegung der Speicherzonen und Anschlusshöhen, Abstimmung aller Volumenströme, Festlegung der Regelungshierarchie, Beschreibung aller Betriebszustände, Messkonzept für Strom, Wärmemengen und Temperaturen sowie eine dokumentierte Inbetriebnahme und Funktionsprüfung.

Ein Hydraulikschema, in dem lediglich Rohrleitungen und Pumpen dargestellt sind, genügt nicht. Ebenso wichtig sind die regelungstechnischen Verknüpfungen, Fühlerpositionen, Sollwerte, Freigaben und Verriegelungen.

15. Funktionsprüfung statt bloßer Sichtprüfung

Bei der Abnahme oder Begutachtung sollte die Anlage in ihren wesentlichen Betriebszuständen geprüft werden: Wärmepumpe im Heizbetrieb und in der Trinkwasserbereitung, Frischwasserstation bei kleiner und großer Zapfung, Betrieb des Kessels, der thermischen Solaranlage und des Kamins oder Festbrennstoffkessels, gleichzeitige Wärmeerzeugung mehrerer Quellen, PV-Überschussbetrieb, Abtauvorgang einer Luft-Wasser-Wärmepumpe, Verhalten bei geschlossenen Heizkreisen und Umschaltung zwischen Heiz- und Warmwasserbetrieb.

Dabei sollten Temperaturen und Volumenströme nicht nur an der Wärmepumpe, sondern an den wesentlichen Speicheranschlüssen gemessen werden. Erst Temperaturverläufe über mehrere Fühlerhöhen zeigen, ob die Speicherzonen tatsächlich bestehen bleiben oder während des Betriebs vermischt werden.

16. Messung und Anlagenmonitoring

Komplexe Anlagen lassen sich ohne geeignete Messwerte kaum beurteilen. Mindestens sinnvoll sind ein separater Stromzähler für die Wärmepumpe einschließlich relevanter Hilfsantriebe, Wärmemengenzähler für Raumheizung und Trinkwassererwärmung, Temperaturfühler in mehreren Speicherhöhen, Aufzeichnung von Vorlauf- und Rücklauftemperaturen, Betriebsstunden und Verdichterstarts, Laufzeiten von Heizstab und Kessel, Fehlermeldungen und Abtauvorgänge sowie die Erfassung von PV-Erzeugung, Eigenverbrauch und Netzbezug.

Ein Monitoring ersetzt keine fachgerechte Planung. Es ermöglicht jedoch, Fehler zu erkennen, Regelparameter zu optimieren und die tatsächliche Effizienz nachzuweisen. Eine KI-gestützte Permanentüberwachung des Wärmepumpenreglers meldet Anomalien und überwacht die Effizienz der Wärmepumpe.

17. Zertifizierung der Schichtungseffizienz: Notwendig, aber allein nicht ausreichend

Verbraucher, Planer und Installateure können meist nicht erkennen, wie gut ein als Schichten-, Kombi- oder Multifunktionsspeicher bezeichnetes Produkt unter realistischen Wärmepumpenbedingungen arbeitet. Die Produktbezeichnung allein enthält weder eine vergleichbare Kennzahl zur Schichtung noch eine Aussage darüber, bis zu welcher Wärmepumpenleistung und welchem Beladevolumenstrom die Temperaturzonen erhalten bleiben.

Das am SPF Institut für Solartechnik in Rapperswil-Jona, Schweiz entwickelte Prüfverfahren zeigt, dass die Schichtungseffizienz von Kombispeichern unter einem realitätsnahen Lastprofil ermittelt und verglichen werden kann. Die Kennzahl beschreibt die durch Vermischung verursachte Entropieproduktion im Verhältnis zu einem vollständig durchmischten Speicher. Untersuchungen zeigen einen direkten Zusammenhang zwischen Schichtungseffizienz und elektrischem Energiebedarf der Wärmepumpe. Eine Reduktion der Schichtungseffizienz um 10 % verursacht eine Steigerung des elektrischen Energiebedarfs um 16 %. Die Unterschiede in der Schichtungseffizienz der untersuchten Speicher beträgt bis zu ca. 20%, woraus ein erheblich erhöhter Strombedarf von ca. 30-35% resultiert. 

Das Schweizer Wärmepumpen-System-Modul verlangt für bestimmte Kombispeicher und Frischwassersysteme Nachweise zur Schichtung und zur richtigen Dimensionierung. Dieser Ansatz ist grundsätzlich geeignet, Mindestqualität sichtbar zu machen und ungeeignete Speicherlösungen von geförderten Wärmepumpensystemen auszuschließen.

Ein vergleichbarer Qualitätsnachweis könnte auch in Deutschland eine sinnvolle Orientierung bieten. Ob eine Zertifizierung allein ausreicht, lässt sich aus der Gutachterpraxis jedoch nicht abschließend beurteilen. Eine reine Bauteilprüfung greift zu kurz: Entscheidend ist das Speichersystem in einer konkreten hydraulischen und regelungstechnischen Konfiguration. Zu berücksichtigen sind insbesondere Wärmepumpenleistung, Beladevolumenstrom, Anschlusspositionen, Rücklaufeinschichtung, Fühlerlagen, Pumpenregelung und Umschaltstrategie.

Hersteller sollten deshalb neben einem Prüfwert verbindlich angeben, für welche hydraulischen Schemata, Leistungsbereiche und Volumenströme der Nachweis gilt. Komplettsysteme aus Wärmepumpe, Speicher und Regelung können die Systemsicherheit erhöhen, wenn die Komponenten tatsächlich aufeinander abgestimmt und gemeinsam geprüft sind. Eine Qualitätssicherung sollte jedoch nicht dazu führen, technisch gleichwertige oder unabhängig geprüfte Speicher anderer Hersteller ohne sachlichen Grund auszuschließen. Entscheidend müssen nachvollziehbare technische Anforderungen und der Nachweis der Funktion im Gesamtsystem sein. Die freiwillige Teilnahme einzelner Hersteller an bestehenden Prüfverfahren zeigt, dass eine branchenweite Qualitätssicherung grundsätzlich möglich ist. Eine fachliche Diskussion über Förderanforderungen sollte gemeinsam mit Herstellern, Verbänden und Verbraucherorganisationen geführt werden, ohne die Einzelfallprüfung der realen Anlage zu ersetzen.

18. Fallbeispiel: Große Wirkung einer geänderten Anschlussbelegung

Ein Anlagenbetreiber berichtete über einen Schichtenspeicher mit rund 915 Litern Inhalt, der zusammen mit einer Wärmepumpe und einer PV-Funktion betrieben wird. Nach der ursprünglich vorgegebenen hydraulischen Einbindung standen nach seiner Auswertung lediglich etwa 200 Liter für Raumwärme- und PV-Wärmespeicherung zur Verfügung. Durch eine Änderung der Anschlüsse wurde das nutzbare Volumen nach seinen Angaben auf etwa 550 Liter vergrößert.

Der Betreiber führte die Messungen der ursprünglichen Hersteller-Hydraulik vor dem Umbau und anschließend Messungen mit der geänderten Anschlussbelegung durch. Nach seiner Auswertung verringerte sich der elektrische Energieverbrauch um etwa 17 Prozent, die Betriebsstunden um rund 18 Prozent und die Zahl der Verdichterstarts nahezu um 50 Prozent. Als wesentliche Ursache bewertet er die Verringerung von Durchmischungen und der daraus resultierenden exergetischen Verluste: Wärmeenergie ist zwar weiterhin im Speicher vorhanden, liegt aber teilweise nicht mehr auf dem für den jeweiligen Verbraucher nutzbaren Temperaturniveau vor.

Diese Größenordnungen sind fachlich bedeutsam, beruhen jedoch auf einer Einzelfalluntersuchung und dürfen deshalb nicht ohne Weiteres auf andere Anlagen übertragen werden. Positiv hervorzuheben ist, dass der Vorher-Nachher-Vergleich nach Angaben des Betreibers sowohl Tageswerte als auch Einzelzyklen berücksichtigt und der Speicherzustand über Temperaturmessungen sowie Nutz- und Restenergie betrachtet wurde. Zusätzlich wurden die Energieströme bilanziert. Für eine wissenschaftlich belastbare Verallgemeinerung wären dennoch reproduzierbare Vergleichsmessungen an mehreren Anlagen beziehungsweise unter definierten Prüfbedingungen erforderlich. Bei der Bewertung solcher Vergleiche sind insbesondere Witterung, Raumtemperaturen, beheizte Fläche, Warmwasserverbrauch, Heizkurve, Pumpeneinstellungen und sonstige Regelungsänderungen zu berücksichtigen.

19. Vorschlag für eine wirksame Qualitätssicherung

Die physikalischen Grundlagen von Temperaturschichtung, Durchmischung und strömungsberuhigter Speicherbeladung sind seit Langem bekannt. Mit dem zunehmenden Einsatz von Wärmepumpen und der stärkeren Nutzung erneuerbarer Energien gewinnt ihre konsequente Anwendung jedoch zusätzlich an Bedeutung: Energieverluste, die durch eine geeignete Systemauslegung vermieden werden, müssen weder erzeugt noch gespeichert oder bereitgestellt werden. 

Eine wirksame Qualitätssicherung für Kombispeicher in Wärmepumpenanlagen sollte deshalb aus mehreren Stufen bestehen: einer reproduzierbaren Laborprüfung der Schichtungseffizienz, einer herstellerseitig festgelegten und geprüften hydraulischen Einbindung, einer Begrenzung der zulässigen Beladevolumenströme und Wärmepumpenleistungen, einer dokumentierten Regelungsstrategie sowie einer Funktionsprüfung bei der Inbetriebnahme.

Für Förderprogramme wäre denkbar, bei Kombispeichern einen anerkannten Nachweis der Schichtungseffizienz zu verlangen. Zusätzlich müsste der Fachunternehmer bestätigen, dass der Speicher entsprechend der geprüften Konfiguration eingebunden und eingestellt wurde. Bei Sonderanlagen mit Solarthermie, wasserführender Feuerstätte, fossilem Spitzenlastkessel oder PV-Heizstab mit Umschichtung sollte ein objektspezifisches Hydraulik- und Regelungsschema Bestandteil des Förder- und Abnahmeverfahrens sein.
Eine solche Regelung verursacht nicht zwangsläufig höhere Materialkosten. 

Gute Schichtung beruht häufig vor allem auf einer geeigneten inneren Konstruktion, sinnvoller Anschlussanordnung, Strömungsberuhigung und abgestimmter Regelung. Zusätzlicher Aufwand entsteht allerdings für Entwicklung, Prüfung, Dokumentation und qualifizierte Inbetriebnahme. 

Wärmespeicher gehören bei fachgerechter Auslegung, Installation und Betriebsweise häufig zu den langlebigen Komponenten einer Heizungsanlage und können über mehrere Erzeugergenerationen weiter genutzt werden. Eine pauschale Lebensdauer von 40 bis 50 Jahren lässt sich jedoch nicht allgemein belegen, da Werkstoff, Korrosionsschutz, Wasserqualität, Betriebsbedingungen und konstruktive Ausführung maßgeblich sind. Gerade deshalb lohnt sich eine hohe Speicher- und Planungsqualität: Sie kann den Verbraucher über einen langen Nutzungszeitraum vor vermeidbarem Mehrverbrauch schützen und verhindern, dass Fördermittel in technisch unzureichende Gesamtsysteme fließen.

20. Fazit

Die Einbindung einer Wärmepumpe in einen vorhandenen Kombispeicher mit mehreren Energiequellen gehört zu den anspruchsvollsten Aufgaben bei der Sanierung von Heizungsanlagen.

Die Zahl der eingebundenen Energiequellen ist kein Qualitätsmerkmal. Entscheidend ist, ob jede Quelle auf einem geeigneten Temperaturniveau arbeitet und ob die bereitgestellte Energie ohne unnötige Vermischung und Fehlzirkulation zum richtigen Zeitpunkt genutzt werden kann.

Der häufigste Fehler besteht darin, eine weitere Komponente an eine bestehende Anlage anzuschließen, ohne das Gesamtsystem neu zu planen. Eine Wärmepumpe kann nicht wie ein Gas- oder Ölkessel behandelt werden. Sie benötigt niedrige Temperaturen, ausreichend große Volumenströme, lange Laufzeiten und eine Regelung, die ihre besonderen Betriebsbedingungen berücksichtigt.

Ein Kombispeicher kann Bestandteil einer guten Lösung sein, wenn eine wirksame Schichtentrennung sowie ein abgestimmtes Hydraulik- und Regelungskonzept nachgewiesen sind. Wo es räumlich möglich ist, ist die funktionale Trennung in einen Heizungs-Pufferspeicher und einen separaten Trinkwassererwärmer häufig die effizientere und robustere Lösung. Dabei kann der bestehende Kombispeicher weiterhin als normaler Pufferspeicher genutzt werden, während die Wärmepumpe den neuen separaten Warmwasserspeicher belädt. 

Bewährt hat sich in der Praxis auch eine trinkwasserseitige Reihenschaltung zwischen der Warmwasserbereitung im Kombispeicher und einem nachgeschalteten neuen Warmwasserspeicher. Die Wärmepumpe erwärmt das Trinkwasser im nachgeschalteten Speicher nur dann weiter, wenn die erforderliche Warmwassertemperatur noch nicht erreicht ist. Wird das Trinkwasser im Kombispeicher bereits durch Solarthermie, einen Festbrennstoffkessel oder mittels PV-Strom erwärmt, muss die Wärmepumpe nur die noch fehlende Temperaturdifferenz bis zur Soll-Warmwassertemperatur bereitstellen. Ist die Solltemperatur bereits erreicht, ist keine Nacherwärmung durch die Wärmepumpe erforderlich. Das ist regelungstechnisch eine vergleichsweise einfache, sichere und effiziente Lösung.

Tabelle: Wichtige Hinweise bei der Anbindung einer Wärmepumpe an einen Kombispeicher im Bestand