Der Einsatz von Wärmepumpenkaskaden ist vor allem überall dort möglich, wo
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 Mehrfamilienhäusern und 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 CHA-Monoblock von Wolf verfügen über einen hermetisch dichten Kältekreis mit dem natürlichen Kältemittel R 290, 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.
Bild: Wolf
Bild: Wolf
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:
Aufgrund der hohen Flexibilität einer Wärmepumpenkaskade lässt sich eine Vielzahl von 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 Auswirkung 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 KM-2 V 2 von Wolf, 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 Bedienmodul BM-2 von Wolf mit großem Farbdisplay). Eine Kombination von Wärmepumpenkaskade und beispielsweise Gas-Brennwerttherme (Gas-Hybridheizung) lässt sich auch 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 CWL-2 von Wolf, die einen signifikanten Beitrag zur Senkung der Gebäudeheizlast leisten können. So können wiederum Wärmeerzeuger mit kleineren Leistungsgrößen ausreichend sein.
Bild: Wolf
Bild: Wolf
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.
Vorgehensweise des Fachhandwerkers:
Wolf / Schmidt
