Gute Planung sorgt für hohe Effizienz

Sowohl im Wohnungsbau als auch im industriellen sowie 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 Klimaschutz sowie auf die aktuellen Fördermöglichkeiten. Zunehmend häufiger kommen deshalb Wärmepumpen zum Einsatz, die zusätzlich den Kühlbetrieb unterstützen. Um größere, parallele oder stark schwankende Leistungsanforderungen möglichst effzient 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,
• 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 Mehrfamilienhäusern und größeren Wohnungsbauobjekten über Büro-, Verwaltungs- und Hotelgebäude bis hin zu gewerblichen Objekten. Auch große Einfamilienhäuser mit besonderen Anforderungen können vom Einsatz einer Wärmepumpenkaskade profitieren.

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 aktuell die Möglichkeit einer staatlichen Förderung des Kaskadensystems, insbesondere im Rahmen der „Bundesförderung für effiziente Gebäude“ (BEG) für Wohn- und Nichtwohngebäude.
• Der redundante Betrieb mehrerer Wärmepumpen kann die Betriebssicherheit erhöhen. 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 potenziell drohenden Mietkürzungen ein nicht zu unterschätzender Vorteil.
• Eine Kaskade mit intelligenter Einschalt- und Laufzeitoptimierung erhöht die Lebensdauer. Wartungsintervalle verlängern sich dabei und die Ausfallwahrscheinlichkeit sinkt.
• Ist in Objekten phasenweise gleichzeitig eine hohe Heizleistung für Raumwärme und zur Warmwasserbereitung notwendig und/oder besteht an heißen Tagen zudem Bedarf nach einem kontinuierlichen Kühlbetrieb, lassen sich solche Anforderungen 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 nur sehr geringer Leistungsbedarf vor, schalten sich nicht benötigte Wärmepumpen des Verbundes aus. Mit diesen und weiteren Strategien kann sich die energetische Effizienz (wie beispielsweise COP-Werte) insbesondere 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 geringe Leistungen durch die PV-Anlage zur Verfügung gestellt werden können.
• Kommen im Freien aufgestellte Luft -/ Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz, 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 sind besonders umweltfreundlich, wenn sie mit natürlichen Kältemitteln betrieben werden. Die WOLF „CHA-Monoblock“ verfügt über einen hermetisch dichten Kältekreis und arbeitet mit dem natürlichen Kältemittel R290, das ein sehr geringes Treibhauspotential (Global Warming Potential, GWP) von 3 besitzt. Das Wärmepumpenmodell kann mit bis zu fünf Geräten in einer Kaskade betrieben werden.
• Die Größe der Pufferspeicher kann generell kleiner ausfallen als bei der Planung von Einzelgeräten, da die Pufferdimensionierung hinsichtlich Abtauenergie und Spitzenglättung eine untergeordnete Rolle spielt.

Flexible Einsatzmöglichkeiten von Kaskaden

Um flexibel hohe Ansprüche für Warmwasser, Heizung oder Kühlung zeitlich getrennt oder parallel zu erfüllen, 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 die einzelnen Wärmepumpen schnell zwischen den erforderlichen Betriebsmodi (Warmwasser, Heizen, Kühlen) umschalten können.

Aufgrund der hohen Flexibilität einer Wärmepumpenkaskade lässt sich eine Vielzahl von zunehmend umfangreichen und spezifischen Kunden- bzw. Projektanforderungen lösen. So werden heute beispielsweise im Neubau- und Sanierungsbereich vermehrt Gebläsekonvektoren eingesetzt, um den Heiz- und Kühlbetrieb zu unterstützen. Dadurch lässt sich ein effektiver Kühlbetrieb unterhalb des Taupunkts realisieren (wichtig: Kondensatableitung sowie diffusionsdichte Dämmung der Vor- und Rückläufe sicherstellen und bereits in früher Bauphase berücksichtigen).

Ein weiterer Vorteil spricht für die Kaskade: Käme nur eine einzelne Wärmepumpe zum Einsatz, würde die Kühlleistung beispielsweise zugunsten der Warmwasserbereitung unterbrochen. Die Auswirkung wären für die Bewohner der Immobilie unmittelbar zu spüren. Nicht so bei einer intelligenten Wärmepumpenkaskade: Hier übernimmt beispielsweise die eine Wärmepumpe die Warmwasser-Erzeugung, während die andere für die Kühlung oder Heizung zur Verfügung steht. Besteht keine Warmwasseranforderung, können beide Wärmepumpen – je nach Anforderung – gleichzeitig kühlen und/oder heizen.

Regelung einer Wärmepumpenkaskade

Für den intelligenten Kaskadenbetrieb wird eine wärmepumpenübergreifende Regelintelligenz benötigt. Beispiel für einen solchen zentralen „Manager“ ist das Kaskadenmodul WOLF „KM-2 V2“, welches die Regelung von bis zu fünf 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 gemeinsame Regelung für alle Wärmeerzeuger notwendig.

Eine Kombination von Wärmepumpenkaskade und Gas-Brennwerttherme (Gas-Hybridheizung) lässt sich über die staatliche „Bundesförderung für effiziente Gebäude“ (BEG) fördern. Erwähnenswert sind auch die Fördermöglichkeiten dezentraler und zentraler (Wohnraum-) Lüftungsanlagen, die einen signifikanten Beitrag zur Senkung der Gebäudeheizlast leisten. So können wiederum Wärmeerzeuger mit niedrigeren Leistungsgrößen eingebaut werden.

Beispielhafte Planungsschritte einer Kaskade

Das folgende Beispiel soll den Planungsablauf einer Wärmepumpenkaskade verdeutlichen: Ein Modernisierer möchte ein Mehrfamilienhaus sanieren und dafür eine besonders leise Wärmepumpenanlage einbauen, 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 Fernwartung kontrolliert werden können.

Vorgehensweise durch den Fachhandwerker:

• Kundengespräch führen und individuelle Vorstellungen eruieren.
• Die örtlichen bzw. bauseitigen Gegebenheiten überprüfen.
• Den erforderlichen Heizleistungsbedarf analysieren. Ergebnis: Weil sich die nach dem Austausch der Fenster verbleibende Heizlast nicht mit einer einzelnen Wärmepumpe decken lässt, wird eine Kaskade mit zwei Luft/Wasser-Wärmepumpen in Betracht gezogen, die mit dem langfristig verfügbaren und natürlichen Kältemittel R290 arbeitet. Es wurde zudem für jede Wohneinheit eine zentrale Wohnraumlüftung eingeplant, welche die erforderliche Heizlast reduziert.
• Betriebsweise der Wärmepumpenkaskade definieren und das dafür benötigte Hydraulikschema des Herstellers unter Berücksichtigung der projektspezifischen Anforderungen auswählen. [1]
• 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 Schalldruckpegel 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 des Bundesverbands Wärmepumpe erfolgen. [2] [3]
• Detailplanung und anschließende Angebotsstellung. 

Nachgefragt

IKZ-FACHPLANER: Die Ermittlung der erforderlichen Heizlast im Bestandsbau gestaltet sich in der Praxis aufgrund fehlender Gebäudedaten schwierig, gleiches gilt für die Bemessung der erforderlichen Heizflächenanpassung. Gerade bei Luft/Wasser-Wärmepumpen im Bestand müssen Radiatoren vergrößert werden, um eine akzeptable Jahresarbeitszahl zu erreichen. Welche Tools empfehlen Sie?

Maximilian Schmidt: Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Anpassung vorzunehmen. Der Einsatz größerer Heizflächen ist immer abhängig von der Ausgangssituation im jeweiligen Gebäude, zum Beispiel Platzangebot, Aufbau Nischen, Fenster, Bilder, Wandbeschaffenheit usw. Hier kann man auf renommierte Heizkörperhersteller und ihre spezifischen Tools verweisen (z. B. Wärmepumpe. de). Dazu muss gesagt werden, dass Tools dennoch in der Regel nur eine grobe Orientierung/Abschätzung geben. Der Einzelfall muss immer sorgfältig betrachtet und berechnet werden. Der Austausch des Verteilsystems wird im Zuge der Förderungen mitgefördert. Ein Umstieg auf größere Radiatoren ist nicht zwingend notwendig. Ein Umstieg auf eine Flächenheizung bzw. Fußbodenheizung ist aber der energetisch sinnvollere Weg.

IKZ-FACHPLANER: Angesichts des großen Berechnungsaufwands stellt sich die Frage nach der Sinnhaftigkeit einer detaillierten Planung in der Angebotsphase für Fachbetriebe. Bekommt man den Auftrag nicht, sind ein Dutzend Arbeitsstunden für die Katz. Empfiehlt sich nicht vielmehr eine grobe Kalkulation, um dann, nach der Vergabe, sauber zu projektieren?

Maximilian Schmidt: In der Praxis und im Zuge der hohen Auftragsvolumina in den Gewerken sind grobe Planungen im Vorfeld mit überschlägigen Berechnungen eigentlich die Regel. Der Fachhandwerker bedient sich hier bei den gängigsten Richtwerten bzw. Berechnungsgrundlagen. Bei einer detaillierten Planung im Vorfeld empfiehlt insbesondere aus Sicht des Fachbetriebes eine kostenpflichtige Detail-Planung.

Ist dies nicht gewünscht, bleibt den Betrieben in der Regel nichts anderes übrig, als überschlägig zu planen. Eine detaillierte Planung in der Angebotsphase ist also immer nur dann für den Fachhandwerker sinnvoll, wenn diese in Rechnung gestellt wird, um dem Aufwand gerecht zu werden.

IKZ-FACHPLANER: Ein Pufferspeicher hat insbesondere bei Luft/Wasser-Wärmepumpen neben der hydraulischen Trennung und der Laufzeitenoptimierung auch die Aufgabe, bei Bedarf eine zügige Abtauung ohne Einsatz des Heizstabs vornehmen zu können. Auch lassen sich Sperrzeiten überbrücken und Spitzen glätten. Wie groß sollte der Puffer bei einer Kaskadenlösung gewählt werden?

Maximilian Schmidt: Eine generelle Empfehlung zur Dimensionierung des Pufferspeichers lässt sich nicht ohne Weiteres geben. Bei Kaskaden gibt es den wesentlichen Unterschied zu Einzelgeräten, dass die Abtauenergie vom jeweiligen zweiten, dritten Gerät zur Verfügung gestellt wird und eben nicht vom Pufferspeicher. Die Grundprinzipien zu Mindestenergie für Abtauenergie – ca. 10 l pro kW – als auch die ca. 30 l pro kW zur Laufzeitverlängerung (Optimierung) sind nur zum Teil auf Kaskadenanlagen übertragbar.

Modulierende Wärmepumpen in Verbindung mit der Kaskadierung weisen einen zusätzlichen, sehr breiten Modulationsbereich auf, was in der Regel gegen eine konservative Dimensionierung des Pufferspeichers spricht. Hydraulische Puffer haben bei Kaskaden primär eine Entkopplungsfunktion. Die Pufferdimensionierung spielt hinsichtlich Abtauenergie und Spitzenglättung eine untergeordnete Rolle. Die Größe der Speicher kann deshalb generell kleiner ausfallen als bei der Planung von Einzelgeräten.

IKZ-FACHPLANER: Welche besonderen Aspekte gilt es bei der Kombination von PV-Anlage und Wärmepumpen-Kaskade zu berücksichtigen?

Maximilian Schmidt: Ich sehe hier keine besonderen Aspekte bei Wärmepumpen-Kaskaden, die es zu berücksichtigen gibt.

IKZ-FACHPLANER: Aufgrund der größeren Leistung fällt bei Kaskadenlösungen auch mehr Kondensat an. Lässt sich das noch versickern oder empfiehlt sich generell die Ableitung ins Abwassersystem, und worauf ist dabei ggf. zu achten?

Maximilian Schmidt: In der Regel lässt sich das anfallende Kondensat von Wärmepumpenkaskaden auch versickern. Wenn dies jedoch nicht möglich ist (z. B. bei der Aufstellung auf Dächern), sollte ein eigener Kondensatablauf mit Ablauf ins Abwassersystem eingeplant werden. Bei einer Ableitung ins Abwassersystem ist dabei das jeweilige Kältemittel zu berücksichtigen. Unter Umständen wird ein Siphon genutzt, um das Kondensat in das Abwassersystem zu leiten.

IKZ-FACHPLANER: Inwieweit unterstützt Wolf bei Planung und Auslegung von Wärmepumpen-Kaskaden? Und welche Daten werden vom Planer/Fachhandwerker benötigt?

Maximilian Schmidt: Wolf unterstützt bei der Auslegung von Wärmepumpen-Kaskaden beispielsweise direkt über die entsprechenden Außendienstkollegen. Außerdem stehen individuell diverse Projektteams mit Spezialisten zur Verfügung. Die wichtigsten Daten und Vorgaben für die Fachplaner stellt Wolf in einer übersichtlichen Planungsunterlage und der Website parat.

Literatur: 

[1] „Hydraulik Assistent“ https://konfig.wolf.eu/hydraulik/assistent

[2] „Schallrechner“ https://www.wolf.eu/ shk-profi/tools/schall-rechner/

[3] „Schallrechner Wärmepumpe“ https://www.waermepumpe.de/ normen-technik/schallrechner/

Autor: Maximilian Schmidt, Master of Engineering, Market Launch Manager Wolf GmbH

Bilder: Wolf GmbH

www.wolf.eu