Große Heiz- und Trinkwasserbedarfe abdecken

Wärme auf Basis Erneuerbarer Energien zu erzeugen und damit umweltschonend zu heizen sowie unabhängig von fossilen Brennstoffen zu sein, liegt voll im Trend. Wärmepumpen sind hierfür die geeignete Lösung. Was ist aber, wenn ein Gebäude einen größeren Wärmebedarf und einen besonders hohen Warmwasserbedarf – wie beispielsweise in Hotels oder Sportstätten – aufweist? Eine Lösung bietet die Kaskadierung von Luft/Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit einer separaten CO₂-Wärmepumpe für Heißwasser.

Wärme auf Basis Erneuerbarer Energien zu erzeugen und damit umweltschonend zu heizen sowie unabhängig von fossilen Brennstoffen zu sein, liegt voll im Trend. Wärmepumpen sind hierfür die geeignete Lösung. Was ist aber, wenn ein Gebäude einen größeren Wärmebedarf und einen besonders hohen Warmwasserbedarf – wie beispielsweise in Hotels oder Sportstätten – aufweist? Eine Lösung bietet die Kaskadierung von Luft/Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit einer separaten CO₂-Wärmepumpe für Heißwasser.

Einzelne Luft/Wasser-Wärmepumpen decken in der Regel einen Leistungsbedarf ab, der auf die Versorgung eines Einfamilienhauses mit Raumwärme und Trinkwarmwasser abgestimmt ist. Um die Vorteile von Luft/Wasser-Wärmepumpen auch in großen Objekten mit höherem Wärmebedarf nutzen zu können, stellen namhaft e Hersteller besonders intelligent verschaltete Lösungen mit mehreren Luft/Wasser-Wärmepumpen zu einer Kaskade zur Verfügung. Die Kaskadenschaltung bietet zahlreiche Vorteile. Bedingt durch die erhebliche Modulationsbandbreite und eine optimale Betriebsweise im Teillastbetrieb verbessert sich die Effizienz der Gesamtanlage.

Intelligente Steuerung für hohe Effizienz

Besonders wichtig für den effizienten Betrieb einer Luft/Wasser-Wärmepumpen-Kaskade ist ein abgestimmtes und präzises Regelmanagement. Hierbei hilft die Inverter-Technologie weiter. Durch die Modulation kann der Verdichter im Außengerät seine Drehzahl je nach Anforderungsbedarf nahezu stufenlos variieren und erzeugt nur die Leistung, die aktuell benötigt wird. Bei Kaskadenlösungen kann über einen automatischen Laufzeitabgleich eine gleichmäßige Betriebszeit aller Außengeräte sichergestellt werden. Der oben genannte Laufzeitabgleich sorgt dafür, dass die Geräte der Anlage gleichermaßen genutzt werden und keine Maschinen übermäßig beansprucht werden.

Die Betriebssicherheit wird zudem noch durch die Redundanzfunktion erhöht, die beim Ausfall (oder auch gewollter Wartungsunterbrechung) eines der Geräte greift. Dank intelligenter Steuerungstechnik arbeiten zum Beispiel die Ecodan-Kaskaden des Herstellers Mitsubishi Electric immer im optimalen Effizienzbereich. Die Systemsteuerung berechnet in Abhängigkeit der Leistungsaufnahme der Außengeräte, der momentanen Heizleistung und der Außentemperatur immer den maximal erreichbaren Coeffecient of Performance (Peak-COP). Das ist deutlich effizienter als ein Modul im Volllastbetrieb arbeiten zu lassen, während sich ein anderes im Stand-by-Modus befindet.

Mit Ecodan-Luft/Wasser-Wärmepumpen können bis zu sechs Geräte in einer Kaskade geschaltet und Heizleistungen bis 138 kW realisiert werden. Die Baureihe erfüllt zudem ausnahmslos die Voraussetzungen für die Förderung im Rahmen des Marktanreizprogramms des BAFA. Dies ist bei mehreren Geräten besonders interessant, da in einer Wärmepumpen-Kaskade jedes Gerät einzeln staatlich gefördert wird. Das bedeutet, dass z. B. eine 4er-Kaskade die vierfache Förderung erhalten kann. Auch das ist ein klarer Vorteil gegenüber einem Einzelgerät mit hoher Leistung.

Hohen Warmwasserbedarf separat abdecken

Für Luft/Wasser-Wärmepumpen ist die Trinkwarmwasserbereitung neben der Raumwärme ein weiterer Anwendungsfall. Die Herausforderung liegt hierbei im Temperatureinsatzfeld. Während Wärmepumpen den Warmwasserbedarf im Ein-und Zweifamilienhaus problemlos bedienen können, muss bei größeren Gebäuden und höheren Leistungsklassen immer eine Speicher-Solltemperatur von mindestens 60 °C bereitgestellt werden. Für Anwendungen mit besonders hohem Warmwasserbedarf – beispielsweise in Mehrfamilienhäusern, Hotels, Sportstätten, Schwimmbädern oder Senioren-Anlagen – steht deshalb eine Heißwasser-Wärmepumpe auf Basis des Kältemittels R744 (CO₂) von Mitsubishi Electric für die effiziente Bereitstellung von Trinkwarmwasser zur Verfügung.

Doch warum wird überhaupt ein alternatives Kältemittel in der Wärmepumpe zur Warmwassererzeugung eingesetzt? Jedes Kältemittel bietet Vorteile, die je nach Anwendung genutzt werden können. Sind bei einer Wärmepumpen-Kaskade lange Rohrleitungen zu den Innenmodulen zu überwinden (> 30 m), ist das Kältemittel R410A am besten geeignet, diese Anwendung zu realisieren. Bei kürzeren Entfernungen kann auch eine Kaskadierung auf R32-Basis umgesetzt werden. Die Heißwasser-Wärmepumpe der QAHV-Serie setzt hingegen CO₂ als natürliches Kältemittel ein, das ein extrem niedriges Treibhauspotenzial hat.

Die Kombination aus einer Luft/Wasser-Wärmepumpen-Kaskade zum Heizen mit einer separaten CO₂-Heißwasser-Wärmepumpe für die Warmwassererzeugung ist eine energieeffiziente Lösung. Das liegt daran, dass CO₂ das für die Trinkwarmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden kann als herkömmliche Kältemittel. „Insbesondere als Ergänzung zu einer Wärmepumpen-Kaskade oder einer Klimaanlage als VRF- oder Hybrid-VRF-System bietet die QAHV-Wärmepumpe eine deutliche Steigerung der Gesamt-System-Effizienz“, sagt Michael Lechte, Manager Product Marketing bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. „Gerade in Hotels ist das ein weitverbreitetes Anlagenkonzept. Oft ersetzen diese Anlagen die auf Basis fossiler Brennstoffe betriebene, veraltete Gerätetechnik“, so Lechte weiter.

Das aktuelle Modell der CO₂-Heißwasser-Wärmepumpe vom Typ QAHV hat 40 kW Heizleistung und stellt Warmwasser mit Temperaturen bis zu 90 °C zur Verfügung. Die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe ist in der Lage, selbst bei Außentemperaturen von minus 3 °C, die volle Heizleistung zu erbringen. Darüber hinaus sind die Geräte bei Umgebungstemperaturen von bis zu minus 25 °C funktionsfähig und in der Lage 90 °C heißes Wasser zu liefern, sodass ein weiterer Wärmeerzeuger auch bei sehr tiefen Außentemperaturen nicht erforderlich ist. Die monovalente Warmwasserbereitung ist mit diesem System also problemlos möglich.

Kaskadierung über Datenbus

Mit einem Geräte dieser Leistungsklasse könnte beispielsweise ein Hotel mit höherem Warmwasser-Komfortbedarf und 90 Zimmern versorgt werden. Das entspricht ungefähr 1000 kWh pro Tag. Als Trinkwarmwasserspeicher sind hierfür ca. 2000 l zu veranschlagen, die idealerweise zur guten Wärmeschichtung und einfacheren Installation auf zweimal 1000 l aufgeteilt werden sollten. Auf ein Mehrfamilienhaus umgerechnet, könnte der Bedarf von rund 80 Wohneinheiten mit einer QAHV-Wärmepumpe abgedeckt werden. Auch ein wesentlich höherer Wärmebedarf, beispielsweise für ein Krankenhaus oder eine Th erme, lassen sich mit der CO₂-Wärmepumpe problemlos bedienen.

Wie bei den Pendants für die Raumwärmeerzeugung lassen sich mit dem M-Net Kommunikations-BUS mehrere (bis zu sechzehn) CO₂-Wärmepumpen zu einer Kaskade zusammenschließen. Entsprechend müsste so eine Großanlage mit bis zu 640 kW Heizleistung beispielsweise mit einer Speicherbatterie hydraulisch abgeglichen werden. Regelungstechnisch kann jedes Einzelgerät über eine Kabelfernbedienung gesteuert werden. Möglich ist auch eine Anbindung an ein Zentralfernbedienungssystem, das bei Anlagen dieser Größenordnung sehr häufig zum Einsatz kommt. Eine Einbindung in eine übergeordnete GLT ist bei diesem System ebenfalls möglich.

Text und Bilder: Mitsubishi Electric

Hinweis der Redaktion

Das ist ein Artikel aus dem Sonderheft Wärmepumpen 2020. Die 68-seitige Publikation aus dem STROBEL VERLAG informiert umfassend über den technischen Stand der Geräte, über Hybridheizungen, alternative Kältemittel und Hochtemperatur-Wärmepumpen. Vernetzung, die Kombination mit der Flächenheizung oder der hydraulische Abgleich sind weitere Schwerpunkte des Sonderheft es. Darüber hinaus werden zahlreiche Beispiele aus der Praxis vorgestellt und es wird aufgezeigt, wie sich Planungs- und Ausführungsfehler beim Heizungstausch vermeiden lassen.

Einzelexemplare der Publikation können zum Preis von 10,– Euro per E-Mail leserservice@strobelmediagroup.de angefordert werden.