Stark im Team: Wärmepumpenkaskade

Für größere oder stark schwankende Heizleistungsanforderungen bietet sich der Einsatz einer Wärmepumpenkaskade an.

Sowohl im Haus- und Wohnungsbau als auch im industriellen und gewerblichen Bereich spielt der Einsatz von erneuerbaren Energien für Heizung, Kühlung und Warmwasser eine immer wichtigere Rolle. Dies gilt vor allem mit Blick auf den Umweltschutz sowie auf bestehende Fördermöglichkeiten. Zunehmend häufiger kommen deshalb Wärmepumpen zum Einsatz, die zusätzlich auch den Kühlbetrieb unterstützen. Um größere, parallele oder stark schwankende Leistungsanforderungen möglichst effizient und sicher zu decken, bietet sich eine Wärmepumpenkaskade an.

Der Einsatz von Wärmepumpenkaskaden ist vor allem überall dort möglich, wo

• große Heizleistungen erforderlich sind,
• der Heiz-, Warmwasser- und Kühlbedarf stark schwankt oder parallel gedeckt werden muss,
• selbst Großwärmepumpen an ihre Leistungsgrenze stoßen.

Bei einer Kaskadenschaltung werden projektorientiert mindestens zwei Wärmepumpen hydraulisch und regelungstechnisch so miteinander gekoppelt, dass sie die jeweilige Aufgabenstellung möglichst zuverlässig, energieeffizient und kostengünstig erfüllen können. Die Bandbreite der Anwendungsfälle reicht von Mehrfamilienhäusernund größeren Wohnungsbauobjekten über Büro-, Verwaltungs- und Hotelgebäude bis hin zu gewerblichen Objekten. Auch große Einfamilienhäuser mit besonderen Anforderungen können zu den potentiellen Einsatzfeldern einer Wärmepumpenkaskade zählen.

Welche generellen Vorteile bietet eine Wärmepumpenkaskade?

Am häufigsten kommt die Kombination mehrerer Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz. Die generellen Vorteile einer Wärmepumpenkaskade sind:

• Der Einsatz kleinerer und kaskadierbarer Wärmepumpen kann – bezogen auf die Investitionskosten– günstiger sein, als der von projektbezogen gefertigten Spezialmodellen und von bestimmten Großwärmepumpen.
• Es besteht die Möglichkeit einer staatlichen Förderung des Kaskadensystems, insbesondere im Rahmen der "Bundesförderung für effiziente Gebäude" (BEG) bei Wohn- und Nichtwohngebäuden.
• Der redundante Betrieb mehrerer Wärmepumpen kann die Betriebssicherheit erhöhen. Denn sollte ein Aggregat ausfallen oder eine Wartung notwendig werden, lässt sich die Gesamtanlage weiter betreiben – meistens sogar ohne spürbare Nachteile für die Nutzer bzw. Betreiber. Dies ist z.B. in vermieteten (Wohn-)Gebäuden mit Blick auf die Zufriedenheit der Bewohner und potentiell drohende Mietkürzungen ein nicht zu unterschätzender Vorteil.
• Eine Kaskade mit intelligenter Einschalt- und Laufzeitoptimierung verringert den Verschleiß bzw. die Wartungsintervalle sowie die Ausfallwahrscheinlichkeit.
• In verschiedenen Objekten ist phasenweise gleichzeitig eine hohe Heizleistung für Raumwärme und zur Warmwasserbereitung notwendig. An heißen Tagen kann zudem Bedarf nach einem kontinuierlichen Kühlbetrieb bestehen, selbst während der Warmwasserbereitung. Solche Anforderungen lassen sich i.d.R. nur mit einer Kaskade effizient lösen.
• Die Anpassung der produzierten Leistung an die jeweils tatsächlich benötigte Heizleistung (Teillastbetrieb) ist insbesondere mit kaskadierten, modulierenden Modellen wesentlich besser möglich als z.B. mit einer Großwärmepumpe, die nur ein- oder zweistufig arbeitet. Liegt ein sehr geringer Leistungsbedarf vor, schalten sich nicht benötigte Wärmepumpen aus. Mit diesen und weiteren Strategien kann sich die energetische Effizienz (wie beispielsweise COP-Werte) in bestimmten Fällen, z.B. während der klimatischen Übergangszeit, erheblich verbessern.
• Der Einsatz mehrerer Wärmepumpen mit kleiner Leistung ermöglicht die Nutzung von selbst erzeugtem Photovoltaik-Strom. Dies gilt insbesondere in Phasen, in denen nur geringere Leistungen durch die PV-Anlage zur Verfügung gestellt werden können.
• Kommen im Freien aufgestellte Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz, wie z.B. die umweltfreundliche WOLF "CHA-Monoblock", wird im Gebäude selbst nur relativ wenig Platz für das Wärmeerzeugungssystem benötigt. Meist arbeiten die kleineren Modelle auch leiser als eine typische Großwärmepumpe. Dies kann z.B. in Wohngebieten ein großer Vorteil sein.
• Luft/Wasser-Wärmepumpen wie die WOLF "CHA-Monoblock" verfügen über einen hermetisch dichten Kältekreis mit dem natürlichen Kältemittel "R290", das ein sehr geringes Treibhauspotential (Global Warming Potential; auch GWP genannt) von 3 besitzt. Das Wärmepumpenmodell "CHA-Monoblock" kann mit bis zu fünf Geräten in einer Kaskade betrieben werden.

Flexible Einsatzmöglichkeiten von Kaskaden

Egal, ob bei einem Projekt hohe Ansprüche für Warmwasser, Heizung oder Kühlung zeitlich getrennt oder parallel bestehen – mit einer Wärmepumpenkaskade lässt sich eine Vielzahl von Anforderungen flexibel lösen. Dazu werden die Wärmepumpen an einen gemeinsamen Vorlauf angebunden, der dann beispielsweise in einer hydraulischen Weiche mündet.

Eine hydraulische Weiche kann vor allem folgende Vorteile bieten:

• Trennung von Primärkreis (Wärmepumpenseite) und Sekundärkreis (Haustechnik bzw. Verteilerseite) für einen sicheren Betrieb.
• Geringes Volumen im Vergleich zu (Trenn-) Pufferspeichern, so dass schnell auf das Umschalten zwischen den erforderlichen Betriebsmodi (Warmwasser, Heizen, Kühlen) reagiert werden kann.

Aufgrund der hohen Flexibilität einer Wärmepumpenkaskade lässt sich eine Vielzahl der immer umfangreicheren und spezifischeren Kunden- bzw. Projektanforderungen lösen. So werden beispielsweise im Neubau- und Sanierungsbereich zunehmend mehr Gebläsekonvektoren eingesetzt, um den Heiz- und Kühlbetrieb zu unterstützen. Dadurch lässt sich beispielsweise ein effektiver Kühlbetrieb unterhalb des Taupunkts realisieren (wichtig: Kondensatableitung sowie diffusionsdichte Dämmung der Vor- und Rückläufe sicherstellen und bereits in früher Bauphase berücksichtigen). Käme nur eine einzelne Wärmepumpe zum Einsatz, würde die Kühlleistung während der Warmwasserbereitung unterbrochen werden, da die Wärmepumpe vom Kühlbetrieb auf den Warmwasserbetrieb umschalten würde. Die Auswirkungen wären für die Bewohner der Immobilie unmittelbar zu spüren. Nicht so bei einer intelligenten Wärmepumpenkaskade: Hier übernimmt beispielsweise die eine Wärmepumpe den Warmwasser-Betrieb, während die andere für die Kühlung oder Heizung zur Verfügung steht. Besteht keine Warmwasseranforderung, können beide Wärmepumpen – je nach Anforderung – gleichzeitig kühlen oder heizen.

Regelung einer Wärmepumpenkaskade

Für den intelligenten Kaskadenbetrieb wird meist eine wärmepumpenübergreifende Regelintelligenz benötigt. Beispiel für einen solchen zentralen "Manager" ist das Kaskadenmodul "WOLF KM-2 V2", welches das regelungsseitige Management von bis zu fünf "CHA-Monoblock" Wärmepumpen übernimmt. Bei Bedarf ist auch eine Hybrid-Kombination mit einem Zusatzwärmeerzeuger (z.B. einem Gasbrennwert-Gerät) möglich. Für die Zuschaltung gibt es verschiedene Betriebsweisen sowie einen automatischen Führungswechsel für eine gleichmäßige Verteilung der Betriebsstunden. Ergänzend zum Kaskadenmodul ist eine Regelung für alle Wärmeerzeuger notwendig (wie z.B. das WOLF Bedienmodul "BM-2" mit großem Farbdisplay). Eine Kombination von Wärmepumpenkaskade und beispielsweise Gas-Brennwerttherme (Gas-Hybridheizung) lässt sich auch staatlich über die "Bundesförderung für effiziente Gebäude" (BEG) fördern. Bei Sanierungsvorhaben sind auch Sonderformen wie die "Renewable Ready"-Heizung möglich. Erwähnenswert sind auch die Fördermöglichkeiten von dezentralen und zentralen (Wohnraum-)Lüftungsanlagen wie z.B. der WOLF "CWL-2", welche einen signifikanten Beitrag zur Senkung der Gebäudeheizlast leisten können. So können wiederum Wärmeerzeuger mit kleineren Leistungsgrößen ausreichend sein.

Beispielhafte Planungsschritte einer Kaskade

Das folgende Beispiel soll den Planungsablauf einer Wärmepumpenkaskade skizzenhaft verdeutlichen: Ein Modernisierer möchte eine besonders leise Wärmepumpenanlage, weil nur wenig Abstand zum Nachbargrundstück vorhanden ist und die TA-Lärm eingehalten werden muss. Eine Förderung des Sanierungsprojekts wird angestrebt. Die Vorlauftemperaturen des Heizkörpersystems betragen ca. 45 °C. Es werden auch die Fenster erneuert, weswegen nach der Maßnahme eine hohe Dichtigkeit des Gebäudes vorliegen wird. Zudem sind dem Hausbesitzer geringe Betriebskosten sowie ein zukunftsfähiges und umweltschonendes Kältemittel wichtig. Die Anlage soll mittels Ferndiagnose durch den Hausmeister kontrolliert werden können.

Weitere Vorgehensweise durch den Fachhandwerker:

• Kundengespräch führen und individuelle Vorstellungen eruieren.

• Die örtlichen bzw. bauseitigen Gegebenheiten überprüfen.

• Den erforderlichen Heizleistungsbedarf analysieren. Das Ergebnis: Weil sich die verbleibende Heizlast nicht mit einer einzelnen Wärmepumpe decken lässt, wird eine Kaskade mit zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen "CHA-Monoblock" von WOLF in Betracht gezogen, die mit dem langfristig verfügbaren und natürlichen Kältemittel "R290" arbeiten. Es wurde zudem für jede Wohneinheit eine hochwirksame zentrale Wohnraumlüftung eingeplant, welche die erforderliche Heizlast reduziert und die Bausubstanz schützt. Außerdem sorgt die Wohnraumlüftung für eine kontrollierte Zufuhr von gesunder, gefilterter Außenluft.

• WOLF "Link home" ermöglicht den Fernzugriff auf die gesamte Anlage. Hausverwalter, Hausmeister und auch der Fachhandwerker können sich über einen eigenen Zugang aufschalten, um Störungen zu beheben und die Anlage für einen effizienten und kostengünstigen Betrieb zu optimieren.

• Betriebsweise der Wärmepumpenkaskade definieren und das benötigte Hydraulikschema des Herstellers unter Berücksichtigung der projektspezifischen Anforderungen auswählen. Hier geht´s zum Hydraulikassistenten von WOLF.

• Passendes Wärmepumpenmodell ermitteln, wobei die Herstellerhinweise zur Aufstellung des Außen- und Innenmoduls der Wärmepumpe zu berücksichtigen sind. Diese lassen sich in der Regel der Montageanleitung oder auch einer entsprechenden Planungsunterlage entnehmen.

• Überprüfung der Schallpegelleistungen der Wärmepumpenkaskade zur Einhaltung der TA-Lärm mittels Herstellerangaben. Sollten diese in der Planungsunterlage für eine Kaskade nicht angegeben sein, müssen sie berechnet werden. Die Überprüfung des Abstands zum Nachbargrundstück kann beispielsweise über den Schallrechner von WOLF oder den Schallrechner des Bundesverbands Wärmepumpe erfolgen.

• Detailplanung und anschließende Angebotsstellung.

[Maximilian Schmidt, Master of Engineering, Market Launch Manager WOLF GmbH]