Welche Wärmetauscherfläche braucht ein Wärmepumpen-Speicher?

Wie viel Wärmetauscherfläche braucht ein Wärmepumpen-Speicher?

Zwischen 2,5 und 3,0 m² bei einem typischen Haushaltsspeicher, und 3,0 m² ist der Wert, auf den sich die meisten Fachplaner und Wärmepumpenhersteller einigen. Als Planungsregel gelten etwa 1 m² Wärmetauscher pro 100 Liter Speichervolumen. Ein üblicher indirekt beheizter Speicher für einen Kessel hat 0,5–0,8 m² – drei- bis viermal weniger.

Diese eine Spezifikation entscheidet mehr über die reale Leistung einer Wärmepumpe als die Marke auf dem Außengerät, und sie ist die eine Zahl, die in den meisten Angeboten fehlt.

Warum ist ein Wärmepumpen-Wärmetauscher drei- bis viermal größer?

Weil die Wärmeübertragung proportional zum Produkt aus Fläche und Temperaturdifferenz ist und die Wärmepumpe den größten Teil der Temperaturdifferenz bewusst aufgibt. Maßgeblich ist die Beziehung Q = U × A × ΔT: Die übertragene Wärme ist gleich dem Wärmedurchgangskoeffizienten mal der Wärmetauscherfläche mal der mittleren treibenden Temperaturdifferenz.

Rechnen Sie es für eine Ladeleistung von 10 kW durch:

• Kessel. Der Primärkreis fährt mit 80 °C Vorlauf und 60 °C Rücklauf, während der Speicher während der Ladung im Mittel 40 °C hat. Mittleres treibendes ΔT ≈ 30 K. Bei einem realistischen Wärmedurchgangskoeffizienten des Wärmetauschers von 300–500 W/m²K beträgt die erforderliche Fläche 0,7–1,1 m².
• Wärmepumpe. Der Primärkreis fährt mit 50 °C Vorlauf und 45 °C Rücklauf, während der Speicher im Mittel 35 °C hat. Mittleres treibendes ΔT ≈ 12 K. Dieselben 10 kW brauchen nun 1,7–2,8 m².

Gegen Ende der Ladung wird es noch knapper. Wenn der Speicher 45 °C überschreitet, hat der Kessel noch 25 K treibende Differenz zur Verfügung; die Wärmepumpe nur noch 3–5 K. Dieses letzte Stück bestimmt die Aufheizzeit, und deshalb landet die Branchenregel bei der dreifachen Fläche statt bei dem 2,5-Fachen, das die durchschnittliche Rechnung nahelegt.

Was kostet ein zu kleiner Wärmetauscher tatsächlich?

Drei Nachteile, die sich alle auf der Stromrechnung niederschlagen:

1. Eine höhere Vorlauftemperatur. Die Regelung gleicht den kleinen Wärmetauscher aus, indem sie die Primärtemperatur anhebt. Oberhalb von 45 °C kostet jedes Grad etwa 2–2,5 % des COP; die Ladung bei 55 °C statt bei 48 °C verbraucht daher für dasselbe Warmwasser etwa 15 % mehr Strom.
2. Heizstab als Zusatzheizung. Wenn der Speicher seine Zieltemperatur nicht innerhalb des geplanten Zeitfensters erreicht, erledigt der Heizstab die Arbeit mit COP 1,0 – zu etwa dem Dreifachen der Kosten pro Kilowattstunde.
3. Schlechtere Temperaturschichtung. Ein kleiner Wärmetauscher, der unten im Speicher konzentriert ist, hinterlässt eine kalte mittlere Zone, sodass das nutzbare Volumen kleiner ist, als die Liter auf dem Typenschild nahelegen.

Wie prüfe ich den Wärmetauscher im Datenblatt?

Fragen Sie nach vier Werten und werten Sie einen fehlenden als Warnsignal:

• Wärmetauscherfläche in m². Nicht „großer Wärmetauscher“, nicht „wärmepumpenkompatibel“ – die Zahl.
• Wärmetauscherleistung in kW bei angegebener Primärtemperatur. Eine Angabe bei 80 °C Primärtemperatur ist für eine Wärmepumpe bedeutungslos; bestehen Sie auf 50 oder 55 °C.
• Aufheizzeit von 15 °C auf 50 °C bei der Nennleistung der Wärmepumpe.
• Die Prüfgrundlage. EN 12977-3 legt die Leistungsprüfverfahren für Solar- und Niedertemperaturspeicher fest, und EN 12897 behandelt die Konstruktion von Druckspeichern. Angegebene Werte sollten nennen, welcher Norm sie folgen und wie der Rohrwendel-Wärmetauscher bewertet wurde.

Die Geometrie des Wärmetauschers ist ebenso wichtig wie die reine Fläche. Ein hoher Wärmetauscher, der über die volle Höhe des Speichers verläuft, lädt das gesamte Volumen; ein kurzer, im Speicherboden zusammengedrängter überlässt die obere Hälfte dem Heizstab. Wärmetauscher mit Lamellen und Prägung erhöhen den effektiven Wärmeübergangskoeffizienten, sodass ein gut gestalteter Wärmetauscher mit 2,5 m² einen glatten mit 3 m² übertreffen kann – genau diese Technik setzt Solimpeks in seinen emaillierten Speichern und Hygiene-Kombispeichern ein.

Gilt dieselbe Regel für Solar- und Kombianlagen?

Die Richtung ist dieselbe, und die Zahlen sind noch großzügiger. Solarkollektoren liefern bei 25–60 °C, einer noch kleineren treibenden Differenz; daher sitzt der solare Wärmetauscher unten im Speicher mit großzügiger Fläche, und ein zweiter, kleinerer weiter oben ist für den Kessel oder die Wärmepumpe vorgesehen. In einem Speicher mit zwei Wärmetauschern bestimmt die Position jedes Wärmetauschers, welchen Teil des Volumens er erwärmt – ein Detail, das der Ratgeber zu Wärmespeichern behandelt.