Stark im Team

Kaskade oder Einzelgerät? Diese Frage zieht sich oft wie ein roter Faden durch die letzten Jahrzehnte der Branche. Hat sich beispielsweise in der Gas-Brennwerttechnik ein klarer Trend hin zu kleineren Geräten entwickelt, die einfach kaskadiert werden können, ist die Kaskadierung bei Luft/Wasser-Wärmepumpen noch in der Anfangsphase. „Doch die Wachstumsraten sind enorm“, weiß Marcel Förster, Produktmanager Wärmepumpen bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems zu berichten. „Wir sind selber von dieser hohen Nachfrage überrascht worden, obwohl es sich eigentlich um eine logische Konsequenz aus der Marktentwicklung der Luft/Wasser-Wärmepumpen als Einzelanlage handelt.“

Doch warum sollte überhaupt eine Wärmepumpen-Kaskade statt eines Einzelgerätes eingesetzt werden? „Sicher hält der Markt auch erdgekoppelte Großwärmepumpen bereit. Hierbei handelt es sich jedoch meistens um einfache On/Off-Technik ohne Modula­tion“, erläutert Förster dazu. „Dies geht nicht nur zulasten der Effizienz, sondern erfordert auch die Erfüllung von anlagentechnischen Voraussetzungen wie einen vergleichsweise groß dimensionierten Pufferspeicher. Bei den mittlerweile vom Markt favorisierten Luft/Wasser-Wärmepumpen hingegen wird bei einer Heizleistung bis etwa 16 kW natürlich limitiert. Der Grund dafür liegt u.a. im benötigten Luftvolumenstrom, der größere Anlagen aus verschiedenen Gründen unpraktikabel macht.“ Liegt der Luftvolumenstrom für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe mit 12 kW bei rund 6000 m³/h, beträgt er bei einer Heizleistung von 50 kW bereits rund 25000 m³/h. Für ein Einzelgerät lässt sich diese Leistung kaum sinnvoll umsetzen, in der Kaskade jedoch einfach realisieren.

Ansonsten gelten für Wärmepumpen-Kaskaden die gleichen Vorteile wie bei anderen konventionellen Wärmeerzeugern. Bedingt durch die erhebliche Modulations-Bandbreite verbessert sich die Effizienz. Gleichzeitig ist die Versorgungs-Sicherheit bei mehreren Geräten natürlich größer als bei einer einzelnen Wärmepumpe. „Da die Heizlast eines Gebäudes bei unterschiedlichen Außentemperaturen stark von der Normheizlast abweicht, kann gerade bei größeren Objekten eine einzelne, sehr große Wärmepumpe nicht optimal angepasst werden“, so Förster dazu. „Werden stattdessen Wärmepumpen in einer Kaskade betrieben, liefert bei geringer Heizlast nur eine Wärmepumpe Energie, während bei tiefen Außentemperaturen alle Wärmepumpen gemeinsam die erforderliche Wärme bereitstellen. Eine intelligente Steuerung sorgt dabei für das bedarfsgerechte Anlaufen der einzelnen Geräte und verhindert, dass stets dieselbe Wärmepumpe die Hauptarbeit leistet.“

Was bei der Planung zu berücksichtigen ist

Zunächst sollten die denkbaren Aufstellvarianten und der jeweilige Platzbedarf geprüft werden. Auch die mögliche Leitungslänge zwischen Innen- und Außengeräten spielt dabei gerade im Gewerbebetrieb – z.B. bei einer Aufstellung der Außengeräte auf dem Dach – eine entscheidende Rolle. Hier sollte der Hersteller aber eine maximale Leitungslänge von rund 75 m anbieten. Gleichfalls relevant ist der maximale Höhenunterschied. Stehen die Außengeräte auf dem Dach einer Gewerbehalle und die Innengeräte im Zweifelsfall in einem Technikraum des Untergeschosses, werden deutliche Höhenunterschiede erreicht. Als Standard bieten die namhaften Hersteller hier aber bis zu 30 m Höhenunterschied an, mit denen sich diese Distanzen problemlos überbrücken lassen – ohne zusätzliche Ölhebebögen.

Wichtig ist dabei auch im Baubestand und dem Ersatz eines konventionellen Wärmeerzeugers das bestehende Wärmeverteilnetz. Der Grund dafür liegt in der geringeren Temperaturspreizung im Vergleich zu einem Heizgerät auf der Basis fossiler Energieträger. Dementsprechend sind auf der Wasserseite größere Volumenströme erforderlich, die sich praktikabel vor allen Dingen mit einer entsprechenden Rohrdimensionierung erreichen lassen. Hier sollte in jedem Fall vorab eine Rohrnetzberechnung durchgeführt werden, um die maximalen Strömungsgeschwindigkeiten nicht zu überschreiten. „Der einfache Austausch eines 80-kW-Heizkessels gegen eine 80 kW leistende Wärmepumpen-Kaskade, ohne vorherige Prüfung der bestehenden Anlage, lässt sich nur in den seltensten Fällen durchführen“, erläutert Förster seine Erfahrungen. „Jedoch können eventuelle Probleme in der vorhandenen Rohrdimensionierung durch den Einsatz eines entsprechend ausgelegten Pufferspeichers gelöst werden, der über eine neu dimensionierte Sammelleitung versorgt wird.“

Der Pufferspeicher ist entscheidend für das System

In der Planung des Pufferspeichers spielen die Kalkulation der Laufzeiten, der Spitzenwärmebedarf und die Abdeckungs-Bandbreite sowie das Lastverhalten des Gebäudes eine wesentliche Rolle. Die Möglichkeiten in der Auslegung des Pufferspeichers sind dabei vielfältig. Soll nur der Mindestbedarf abgedeckt werden oder Wärmeenergie für einen gewissen Zeitraum wie Sperrzeiten des Energieversorgers vorgehalten werden? Soll die Kompressorlaufzeit im effizienten Teillastbereich und damit die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage maximiert werden? Dabei sollte auch stets auf die notwendigen Abtauzyklen geachtet werden.

Auch kurzfristig auftretende Spitzenlasten müssen Berücksichtigung finden. Werden beispielsweise nur zeitweise große Gebäudeabschnitte beheizt, die anschließend wieder unbeheizt bleiben? Eine praktikable Lösung dafür: Beträgt der dauerhafte Heizbedarf z.B. 60 kW und sporadisch werden weitere 20 kW Heizleistung Spitzenbedarf erforderlich, kann es sinnvoller sein, diese 20 kW über den Einsatz entsprechend ausgelegter Pufferspeicher abzufangen.

Bei der Dimensionierung des Pufferspeichers sollte außerdem darauf geachtet werden, dass am Verflüssiger eine Temperaturspreizung von 5 bis maximal 10 K zugrunde gelegt wird. Ein Temperaturdifferenz größer 10 K sollte vermieden werden, um negative Effekte auf die Effizienz des Kältekreislaufes auszuschließen. Hierfür bieten die namhaften Hersteller entweder Planungs-Software oder direkte Unterstützung durch Planerberater an.

Schallemissionen berücksichtigen

Keine Frage: Die Außengeräte von Luft/Wasser-Wärmepumpen emittieren Schall. Deswegen ist es gerade bei einer Kaskade besonders wichtig, wie die Produkte aufgestellt und auch zueinander ausgerichtet werden. Hier müssen die Aufstell- und Installationshinweise der Hersteller genau beachtet werden. In Bezug auf die Schallemissionen ist die TA Lärm einzuhalten. Hersteller bieten hierzu Berechnungsprogramme auch für Kaskaden an. „Kaskaden verhalten sich in ihrer Ge­räusch­entwicklung anders als Einzelgeräte. Hier spielen viele Faktoren zusammen, bei denen es sich besonders um die Aufstellung der Geräte dreht – gerade auch bei der möglichen Stapelung der Außengeräte übereinander“, so Förster. „Doch auf der Grundlage unserer Planungs-Software und den klaren Angaben z.B. zu Abständen und den eigentlichen Aufstellungen lässt sich nahezu jeder Anlagenwunsch umsetzen.“

Werden die Außengeräte – wie im gewerblichen Einsatz oft üblich – auf dem Dach aufgebaut, sind darüber hinaus die Trag- und Windlasten zu berücksichtigen. Dabei sollten dann handelsübliche Verankerungen sowie Windschutzblenden zum Einsatz ­kommen.

Bei der Aufstellung der Innengeräte wiederum muss vor allen Dingen der Platzbedarf einer Wärmepumpen-Kaskade mit der darauf abgestimmten Speichertechnik im Mittelpunkt stehen. Insbesondere im Wohnungsbau sollte darüber hinaus die zulässige Tragfähigkeit des Bodens geprüft werden. Der Grund dafür liegt nicht in den Wärmepumpen, sondern beim Speicher. Bei einem Pufferspeicher mit einem Fassungsvermögen von 1000 l wird eine Last von mindestens 1000 kg/m² erreicht. Von den Wärmepumpen wiederum muss eine entsprechend dimensionierte Sammelleitung zum Pufferspeicher vorgesehen werden.

Die Stromzuführung zu den Wärmepumpen ist entsprechend der Richtlinien des Energieversorgers auszuführen. Auch hier spielen inverterbetriebene Luft/Wasser-Wärmepumpen ihren Vorteil aus: Der Anlaufstrom sollte maximal drei bis fünf Ampere betragen. Ein einfacher Vergleich mit dem Anlaufstrom einer Groß-Wärmepumpe und dem standardmäßig verbauten Fixspeed-Kompressor macht dies besonders deutlich.

Darüber hinaus sollte die eingesetzte Kaskaden-Regelung keinen gemeinsamen Anlauf von mehreren Wärmepumpen-Aggregaten zulassen. „Wir haben in unserer Regelung entsprechende Algorithmen hinterlegt, die nach einer bestimmten Wartezeit entscheiden, wann welche Außengeräte dazugeschaltet oder außer Betrieb genommen werden“, beschreibt Förster die Systematik der Steuerung. „Entscheidungen werden aufgrund der Gesamt-Vor- und -Rücklauftemperatur getroffen. Bei Wärmebedarf wird sukzessive ein Außengerät nach dem anderen angefahren und in seiner Leistung an den optimalen Betriebspunkt gebracht. Genauso erfolgt bei zurückgehender Spreizung die stufenweise Abschaltung der Außengeräte.“

Maßgeblich wird in der Planung auch die Frage nach der optimalen Planung der Anzahl der Wärmepumpen und ihrer jeweiligen Leistungsfähigkeit. Das heißt: Wie viel Einzelgeräte sollten idealerweise die Gesamt-Heizleistung erzeugen? Grundsätzlich gilt hierbei in erster Linie das Kriterium, die Kaskade so kostengünstig wie möglich zu erstellen. Die Investitionskosten sollten je kW Heizleistung berechnet und dann minimiert werden.

Kühlung ist eine häufig nachgefragte Zusatzfunktion

„Vielfach wollen Fachplaner und Fachhandwerker mit unseren Wärmepumpen-Kaskaden im Sommer auch eine aktive Kühlung umsetzen“, beschreibt Förster diese Aufgabenstellung. „Dafür ist dann aus mehreren Gründen ein zweites Rohrleitungssystem und der Einsatz von z.B. Kaltwasser-Kassetten ­erforderlich. Diese aktive Kühlfunktion ist in ­jedem Fall ein interessanter Zusatznutzen.

Auch bei der Kühlung erfüllt der Pufferspeicher eine wichtige Funktion in der kontinuierlichen Versorgung. Zusammen mit dem Rohrleitungsnetz muss der Pufferspeicher für Kaltwasser diffusionsdicht ausgeführt werden. „Das ist natürlich deutlich aufwendiger als die Installation eines VRF-Systems mit Kältemittel führenden Leitungen“, weiß Förster. „Aber grundsätzlich ist es ja die Mehrfach-Funktionalität mit den Möglichkeiten unserer Wärmepumpen-Kaskadentechnik, die gerne genutzt wird, um auch im Sommer einen höheren Klimakomfort zu genießen.“

In der generellen Auslegung sollte auch im Baubestand immer ein monovalentes System im Mittelpunkt stehen. Denn jede weitere Energiequelle verursacht im Gesamtsystem einen weiteren Kostenfaktor. „Natürlich spielt die benötigte Vorlauftemperatur in der ­monovalenten Auslegung die entscheidende Rolle, aber wir haben speziell für den Baubestand die Zubadan-Technologie im Produktprogramm, die auch bei –15 °C noch 100 % Heizleistung ohne elektrische Zusatzheizung gewährleistet. Damit können Fachplaner sicher kalkulieren und entsprechende rechnerische Nachweise in der Auslegung führen“, erläutert Förster. „Im Neubau empfehlen wir oft unsere Power-Invertertechnik, die ebenfalls ohne elektrische Beiheizung arbeiten kann, aber generell auf die energetischen Rahmenbedingungen im Neubau ausgerichtet ist.“

In puncto Regelungstechnik sollten aktuell am Markt verfügbare Wärmepumpen generell keine besondere Zusatzausstattung benötigen. Vielmehr ist die für Kaskaden erforderliche Hard- und Software bereits in den Wärmepumpen vorhanden. Hier muss dann einfach eine Regelung als Masterplatine und alle anderen Steuerungen als Slave-Platinen eingebunden werden. Dann entscheidet die Masterplatine zunächst über die Betriebsart heizen oder kühlen und welche Außengeräte mit welcher Leistung ein- bzw. ausgeschaltet werden. Über die Masterplatine wird dann in der Regel auch eine Max-COP-Funktion umgesetzt. Das heißt: Die Gesamtanlage wird aufgrund ihrer außerordentlichen Modulations-Bandbreite immer mit dem höchsten COP und damit im wirtschaftlichsten Betrieb gefahren. Sinnvoll und oft erforderlich ist die Möglichkeit der Anbindung der Regler und damit der Kaskade über den Modbus an eine übergeordnete Gebäudeleittechnik.

Fazit

Kaskaden von Luft/Wasser-Wärmepumpen sind eine praktikable und wirtschaftliche Lösung, um die Heizwärme-Versorgung von größeren Gebäuden sicherzustellen. Die namhaften Hersteller haben ihre Geräte bereits auf diesen Einsatzzweck vorbereitet. So lassen sich oft ohne weiteres die Einzelgeräte zu Kaskaden zusammenschließen. Neben der Planung weniger Details wie z.B. der Dimensionierung des Rohrnetzes dreht es sich dann oft um die besonders relevante Auslegung des Pufferspeichers. Dieser hat bei einer Wärmepumpen-Kaskade zahlreiche Aufgaben zu erfüllen, die auch über die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems entscheiden. Generell sollten auch im Baubestand Wärmepumpen-Kaskaden monovalent ausgelegt werden, um Kostenvorteile zu generieren. Der Markt hält hier Lösungen in Form von entsprechender Kompressortechnik bereit. Die aktuellen Zuwachsraten bei Kaskaden von Luft/Wasser-Wärmepumpen zeigen deutlich, dass der Markt diese Lösung mit ihren zahlreichen Vorzügen bereits intensiv nutzt.

Das Projekt bei Contura

Die Contura MTC GmbH ist ein Dienstleister für die Spritzguss-Prozessoptimierung. Das Unternehmen entwickelt Verfahren für die Temperierung von Spritzgießwerkzeugen, mit denen eine verbesserte Produktqualität erreicht werden kann. Bei der Auswahl der Heizungsanlage hat das Unternehmen für seinen gewerblichen Neubau besonderen Wert auf eine effiziente Technologie gelegt. Die nächste Doppelseite zeigt Fotos von diesem Projekt.

Die Voraussetzungen für eine Wärmeerzeugung über Luft/Wasser-Wärmepumpen sind hier günstig: Die gut gedämmte Gebäudehülle sorgt für einen geringen Wärmebedarf, während die Systemtemperatur der Wärmeverteilung – Fußbodenheizung im Büro und Bauteilaktivierung in der Lagerhalle – mit niedriger Vorlauftemperatur arbeitet. Zum Einsatz kommen drei Ecodan Luft/Wasser-Wärmepumpen, die als Kaskade miteinander verschaltet sind. Die Aufteilung der erforderlichen Gesamtleistung auf eine Kaskade führt zu einer sehr hohen Betriebssicherheit sowie einer gleichmäßigen Auslastung der drei Einheiten. Die Außengeräte gewinnen hinter dem Gebäude Wärme aus der Außenluft, die über Hydromodule und zwei Pufferspeicher zu den Verbrauchern geführt wird. Eine überdurchschnittlich hohe Jahresarbeitszahl wird durch den Einsatz der invertergesteuerten Wärmepumpen erzielt, die ihren höchsten Wirkungsgrad im Teillastbetrieb erreichen.