So puffern Profis

Puffern ist nicht gleich puffern.

So lässt sich der Speicher je nach Anlagenabnahme auch intelligent beladen, anstatt diesen komplett durchzuladen, wie es bei vielen herkömmlichen Pufferstrategien der Fall ist. Der Systemexperte Buderus setzt dazu auf seinen „LOAD plus“-Ansatz: Die geforderte Wärmemenge, um den aktuellen Wärmebedarf zu decken, wird zielgenauer bereitgestellt. Ergebnis ist eine höhere Effizienz des Heizsystems, der Kesselwirkungsgrad erhöht sich. Dieser Beitrag erläutert, wie die optimierte Beladung des Pufferspeichers funktioniert.

Um die intelligente Pufferbeladung zu verstehen, ist es zunächst wichtig, einen Blick auf die grundsätzlichen Aufgaben des Pufferspeichers zu werfen. Als zentrale Komponente des Heizsystems gleicht ein Pufferspeicher Wärmeangebot und -bedarf aus und federt dadurch Leistungs- und Lastspitzen ab. Er ist für Heizung und Warmwasser ausgelegt und nimmt optional zusätzlich die Energie eines regenerativen Wärmeerzeugers auf – etwa einer Solarthermieanlage zur Heizungsunterstützung. Konventionelle Wärmeerzeuger wie Öl- und Gaskessel lassen sich so einfach mit regenerativen Energien kombinieren. Ist eine Wärmepumpe installiert, sind über den Pufferspeicher Sperrzeiten des Energieversorgers überbrückbar, in denen kein Wärmepumpenstrom zur Verfügung steht.

Die Temperatur im Pufferspeicher ist geschichtet: In den oberen und mittleren Teil speist die Heizanlage Wärme ein, in den unteren, kälteren Teil beispielsweise eine Solarthermieanlage – dadurch können die Kollektoren auch bei wenig Sonnenschein noch einspeisen und der Solarertrag erhöht sich. Der Speicher ist so konstruiert, dass sich die Temperaturzonen nicht vermischen. Das rücklaufende Heizwasser wird über die entsprechend positionierten Anschlüsse in die richtige Temperaturschicht geleitet. Experten bezeichnen dieses Prinzip als Schichtladefunktion, Temperaturschichtung oder auch als temperatursensible Rücklaufeinspeisung. Dadurch bleibt im oberen Teil des Pufferspeichers ein hohes Temperaturniveau für Warmwasser und Heizung vorhanden. Diese Temperaturschichtung ist auch für das „LOAD plus“-Konzept wesentlich.

Zielgerichteter beladen

Ist in einer Anlage mit Heizkessel eine konventionelle Pufferstrategie im Regelsystem hinterlegt, wird der Speicher beladen, sobald ein definierter Temperaturwert am Pufferspeicherfühler unterschritten ist. Im Gegenzug schaltet sich der Brenner ab, wenn der Wert überschritten wird. Parallel zur Kesselleistung moduliert auch die Kesselkreispumpe.

Ein Nachteil dieses Konzeptes: Der Pufferspeicher wird bei einem unterschrittenen Temperaturwert voll beladen. Zugleich bleibt jedoch unklar, wie hoch der Puffer beladen ist, die Temperatur schwankt (Hysterese). Hier greift das „LOAD plus“-Konzept. Der Pufferspeicher dient als zentraler Systempufferspeicher, er nimmt eine Strategie-Pufferfunktion ein. Das „LOAD plus“-Konzept basiert auf zwei Säulen:

• einer speziellen Brenneransteuerung und
• einer speziellen Ansteuerung der Kesselkreispumpe.

Außerdem kommen bei „LOAD plus“ zwei Temperaturfühler zum Einsatz, ein Vorlauffühler (FVS = Fühler Vorlauftemperatur Strategie) oben am Pufferspeicher und ein Rücklauffühler unten (FRS = Fühler Rücklauftemperatur Strategie). Der obere Fühler wird so platziert, dass das Volumen oberhalb des Fühlers der gewünschten Auslegung entspricht – es dient als Bereitschaftsvolumen und deckt Lastspitzen ab. Ziel ist es, den Sollwert am oberen Temperaturfühler FVS – also eine definierte Zieltemperatur im Puffer-Bereitschaftsteil – durch stetige Anpassung der Kesselleistung zu erreichen und konstant zu halten, ohne den kompletten Pufferspeicher vollzuladen.

Die erforderliche Kesselvorlauftemperatur wird sehr schnell über eine Anpassung des Volumenstroms durch die Kesselkreispumpe erreicht. Bei Reduzierung der Wärmeabnahme wird im gleichen Maße die Kesselleistung reduziert und somit eine Art Balance zwischen Wärmeerzeugung und -abnahme geschaffen. Erst, wenn die Wärmeabnahme geringer ist, als die minimale Kesselleistung, wird von oben bis unten mit minimaler Kesselleistung durchgeladen. Die Kesselvorlauftemperatur während des Ladevorgangs entspricht stets der Zieltemperatur plus einer einstellbaren Vorlauftemperaturanhebung.

Die Funktionsweise lässt sich anhand unterschiedlicher Betriebszustände wie folgt erläutern:

Anlagenabnahme > aktuelle Kesselleistung

Ist die Anlagenabnahme größer als die aktuelle Kesselleistung, wird die Kesselleistung kontinuierlich bis auf das Maximum erhöht. Die Kesselleistung kann durch Anpassen der Brennerleistung (Modulation) geändert werden. Sofern vorhanden, können weitere Kessel angefordert werden (Abb. 3).

Anlagenabnahme = aktuelle Kesselleistung

Entspricht die Anlagenabnahme der aktuellen Kesselleistung, ist dies ausreichend, um den derzeitigen Wärmebedarf zu decken. Die Kesselleistung wird in diesem Sollzustand gehalten (Abb. 4).

Anlagenabnahme < aktuelle Kesselleistung

Ist die Anlagenabnahme kleiner als die aktuelle Kesselleistung, wird die Kesselleistung kontinuierlich gesenkt. Die Kesselleistung wird bei Bedarf bis zur minimal möglichen Brennerleistung reduziert (Abb. 5).

Anlagenabnahme < minimale Kesselleistung

Ist die Anlagenabnahme kleiner als die minimale Kesselleistung, wird der Führungskessel mit minimaler Leistung betrieben. Die Brennerleistung entspricht der minimalen Brennermodulation. Der Brenner wird nach Erreichen der Solltemperatur am Sensor FRS ausgeschaltet (Abb. 6).

Gezielt laden statt durchladen

Die Vorteile dieses Ansatzes: Die geforderte Wärmemenge, um den aktuellen Wärmebedarf zu decken, wird viel zielgenauer bereitgestellt als bei herkömmlichen Konzepten zur Pufferspeicherbeladung. Die Kesselkreispumpe moduliert vorlauftemperaturgeführt. Durch diese pumpenseitig optimierte Beladung wird die Solltemperatur besonders schnell erreicht. Der Pufferspeicher wird nicht immer komplett durchgeladen.

Mit der „LOAD plus“-Technologie erhöht sich der Kesselwirkungsgrad auf das Maximum, weil der Anlagenrücklauf dem Kesselrücklauf entspricht. Der Brennwertnutzen wird besser ausgereizt, weil die Rücklauftemperatur über lange Zeit niedrig bleibt bei minimaler Brennerleistung. Eine primärseitige Durchmischung des Pufferspeichers wird vermieden. Außerdem verlängert sich die Brennerlaufzeit deutlich, das heißt, es gibt keine häufigen Brennerstarts (Takten) – das trägt wiederum zu einer höheren Lebensdauer der Heizsystemkomponenten bei.

Regelsystem steuert Kesselkreispumpe

Um einen Kessel oder eine Kesselkaskade über einen zentralen Pufferspeicher in die Anlage zu integrieren, ist das Regelsystem „Logamatic 5000“ erforderlich. Die Ansteuerung einer modulierenden Kesselkreispumpe, die in „LOAD plus“-Hydrauliken als Speicherladepumpe fungiert, ist im Grundregelgerät enthalten – eine wichtige Voraussetzung für die intelligente Pufferspeicherbeladung.

Fachhandwerker können auch Komplettpakete mit vorausgewählten Komponenten bestellen, die für die intelligente Beladung per „LOAD plus“-Technologie vorbereitet sind (Kessel, Pumpe, Strangregulierventil, „Logamatic 5000“, Funktionsmodul FM-CM, Kesselzubehör). Das Funktionsmodul FM-CM wird in das digitale Regelgerät „Logamatic 5000“ gesteckt und automatisch erkannt. Das Modul ermöglicht es, bis zu vier konventionelle Wärmeerzeuger in das Heizsystem einzubinden sowie eine Lastbegrenzung wahlweise nach Außentemperatur oder externem Kontakt umzusetzen.

Die nachfolgenden Anlagenbeispiele veranschaulichen mögliche Einsatzbereiche der „LOAD plus“-Technologie:

Beispiel 1: Bodenstehender Gas-Brennwertkessel mit zentralem Pufferspeicher zur Versorgung von Wohnungsstationen

Ein Gas-Brennwertkessel „Logano plus KB372“ mit modulierender Kesselkreispumpe ist über den zentralen Pufferspeicher so eingebunden, dass er die komplette Anlagenlast abdeckt. Das im Regelgerät „Logamatic 5000“ enthaltene Funktionsmodul FM-CM ermöglicht die Strategie-Pufferfunktion „LOAD plus“. Der zentrale Pufferspeicher versorgt die Wohnungsstationen (Abb. 7).

Beispiel 2: Gas-Brennwertkessel, Wärmepumpe, zentraler Pufferspeicher und Wohnungsstationen

Die Wärmepumpe ist über einen Niedertemperatur-Pufferspeicher ins System integriert, sie übernimmt die Grundversorgung der Anlage. Der Gas-Brennwertkessel mit modulierender Kesselkreispumpe ist über einen Hochtemperatur-Pufferspeicher mit „LOAD plus“ optimiert eingebunden, er deckt die Spitzenlast ab. Die beiden zentralen Pufferspeicher sind anlagenseitig in Reihe geschaltet, sie versorgen die Verbraucher. Die Einhaltung der gewünschten Netzversorgungstemperatur wird durch gemischte Heizkreise gewährleistet (Abb. 8).

Beispiel 3: Gas-Brennwertkessel, BHKW und zentraler Pufferspeicher

Das BHKW ist über zwei Pufferspeicher eingebunden, es deckt die Grundlast der Anlage ab. Der Gas-Brennwertkessel dient zur Spitzenlastabdeckung. Er ist mit seiner modulierenden Kesselkreispumpe über einen Hochtemperatur-Pufferspeicher mit „LOAD plus“ optimiert eingebunden. Die beiden zentralen Pufferspeicher sind auch hier in Reihe geschaltet. Über gemischte Heizkreise wird die gewünschte Netzversorgungstemperatur eingehalten (Abb. 9).

Fazit

Die optimierte Beladung eines Pufferspeichers über eine modulierende Kesselkreispumpe bringt Anlagenbetreibern mehrere Vorteile: Mit der „LOAD plus“-Funktion werden Solltemperaturen schneller erreicht und die geforderte Wärmemenge exakt bereitgestellt. Der Kesselwirkungsgrad erhöht sich, zugleich reduziert sich das fürs Heizsystem schädliche Takten. Das Heizsystem läuft gleichmäßiger, was der Lebensdauer der Komponenten zuträglich ist. Weil „LOAD plus“ bereits in das Regelsystem „Logamatic 5000“ integriert ist, können Fachhandwerker die Regelstrategie aufwandsarm umsetzen.

[Andreas Engel]