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In Reih und Glied: Bei einem hohen Wärmebedarf empfiehlt sich die Kaskadenschaltung

Heizungswärmepumpen lassen sich, abhängig von ihrer Heizleistung, in Klassen einteilen. Kleinwärmepumpen (Bild 1, 1) sind in der Regel Serien- und Einzelgeräte, die mittels Standardschaltungen in die Wärmeerzeugung eingebunden werden. Zur mittleren Klasse (Bild 1, 2) zählen ebenfalls Serienprodukte, die an die Planung und Installation bereits komplexere Anforderungen stellen. Auch Großwärmepumpen (Bild 1, 3) werden immer öfter genutzt und folgerichtig mittlerweile ebenfalls als Serienprodukte gefertigt. Dabei werden diese Geräte oft im Verbund (Kaskade) angeordnet, um große Heizleistungen bereitstellen zu können.

Bild 1: Je nach Heizleistung werden Wärmepumpen als Klein- (1), Mittel- (2) oder Groß-Wärmepumpen (3) eingeteilt.

Bild 2: Die verschiedenen Wärmequellen bieten unterschiedliche Temperaturniveaus.

Bild 3: Die Auslegungstabelle für bivalente Anlagen zeigt den Faktor, um den die Wärmequelle vergrößert werden muss, da die Wärmepumpe ja nicht zu 100% für die Gebäudeheizlast ausgelegt ist. Im gezeigten Beispiel ist die Wärmepumpe bis zur Grenze von 66,7% der Heizlast ausgelegt. In diesem Fall muss die Quelle um den Faktor 1,4 vergrößert werden.

Bild 4: Die verschiedenen Betriebsarten von Wärmepumpenanlagen: (1) monovalenter Betrieb, (2) bivalent-alternativer Betrieb, (3) bivalent-paralleler Betrieb.

Bild 5: Typisches Hydraulikschema einer kühlenden Wärmepumpenanlage.

Bild 6: Eine Wärmepumpen-Kaskade mit vier Geräten, die in diesem Fall über einen Zwischentauscher Grundwasser als Wärmequelle nutzt. Die Anlage in Düsseldorf liefert 344 kW Heizleistung für 129 Wohneinheiten mit insgesamt 10.200 m2 Wohnfläche.

Bild 7: Eine Luft-Wasser-Wärmepumpen-Kaskade. Die vier Großwärmepumpen liefern knapp 120 kW Heizleistung (bei A2/W35). Damit wird ein etwa 7000 m2 großes Logistik-Zentrum in Siegen beheizt.

 

Die Alternative zu einer Kaskadenschaltung von mehreren Einzelgeräten ist die Anfertigung einer Anlage für das individuelle Vorhaben. Dabei sollten die Vor- und Nachteile bei der Entscheidung, welche Variante im individuellen Fall die geeignetere ist, sorgfältig abgewogen werden.
Das Handling von mehreren Einzelgeräten bei Lieferung, Einbringung in den Technikraum und Aufstellung ist leichter zu bewerkstelligen. Eine einzelne Anlage wird in der Regel vor Ort montiert und installiert. Dabei ist zu berücksichtigen, dass viele Arbeiten ausschließlich von einem Kälteanlagenbauer mit entsprechender Eignung und Qualifikation ausgeführt werden dürfen. Die Einbringung der Einzelgeräte ist im Normalfall problemlos möglich. Dieser Vorteil bleibt auf Jahre hinaus bestehen: Falls ein Gerät der Kaskade ausfällt, ist ein Austausch gut zu bewerkstelligen. Außerdem bleibt die Heizungsanlage auch beim Ausfall eines Gerätes – mit verminderter Leistung – weiterhin funktionsfähig.
Bei der Kaskadenlösung können einzelne Geräte entsprechend der aktuell angeforderten Leistung zu- oder abgeschaltet werden. Das Lastmanagement der Regelung stellt dabei sicher, dass alle Einzelbestandteile der Kaskade kontinuierlich gleich stark beansprucht werden. Dieser Laufzeitausgleich erfolgt unabhängig vom Nutzer. Dank dieser Regelung arbeitet die Kaskadenanlage auch im Teillastbetrieb effektiv.  
Die Vorteile einer lastabhängigen Regelung über das Zu- und Abschalten von einzelnen Komponenten der Kaskadenschaltung gelten nachfolgend auch für die Nebenantriebe. Weniger Geräte benötigen einen geringeren Quellen- bzw. Grundwasser-Volumenstrom, sodass etwa die dafür zuständigen Pumpen entsprechend geregelt oder abgeschaltet werden können.
Ein weiterer Vorteil der Kaskade: Es können ein oder mehrere Geräte unabhängig von der gegenwärtigen Betriebsweise der Gesamtanlage für die Trinkwassererwärmung genutzt werden. Ist beispielsweise eine Wärmepumpe speziell für die Bereitung hoher Warmwassertemperaturen installiert, wird auch nur sie während der Trinkwassererwärmung alleine betrieben. Im normalen Heizbetrieb unterstützt sie die Kaskade.
Letztendlich bietet die Kaskade auch die Möglichkeit, mehrere Betriebsarten zu kombinieren – und so z.B. gleichzeitig zu heizen und zu kühlen. Diese Betriebsweise ist beispielsweise dann nötig, wenn Büroräume geheizt werden müssen, der Serverraum aber gleichzeitig gekühlt werden muss.
Für eine Kaskade spricht zusätzlich der vergleichsweise niedrige Anlaufstrom. Auch die Planungssicherheit dank nach Norm geprüfter und verifizierter Leistungswerte der Einzelgeräte ist insbesondere für die Auslegung und Konzeption der Gesamtanlage ein wichtiger Punkt, der bei der Entscheidung berücksichtigt werden sollte.

Wärmequellenanlagen für Großwärmepumpen und Kaskadenanlagen
Die Wahl der Wärmequelle wird für Großwärmepumpen und Kaskadenanlagen tendenziell schwieriger. Die Quelle muss entsprechend ergiebig sein, dominiert je nach Art die Investitionskosten und Nebenantriebe können hohe Antriebsenergien verursachen sowie ein spezielles Management fordern. Bild 2 zeigt Wärmequellen und nutzbare Temperaturniveaus. Je K (Kelvin) höherer Verdampfungs- bzw. Quellenaustrittstemperatur erhöht sich die Jahresarbeitszahl um 2-2,5%.

Grundwasser
Liegt Grundwasser in ausreichenden Mengen und nutzbarer Qualität vor und wird die Nutzung genehmigt, bietet es ein güns­tiges Temperaturniveau für gute Jahresarbeitszahlen und eine leistungsstarke, effiziente passive Gebäudekühlung. Die Inves­titionskosten steigen nicht proportional zur Entnahmeleistung, jedoch fallen im Vorfeld Kosten für Probebohrungen zum Testen der Ergiebigkeit und Qualität an.
Großer Wert ist auf die Auslegung der Nebenantriebe zu legen. Optimal ist eine Wasserauskühlung von 3-3,5 K. Der für kleinere Spreizungen notwendige Hilfs­energieaufwand übersteigt den Gewinn an höherer Effizienz.
Ein abgestimmter Teillastbetrieb schont die Quelle und erhöht die Gesamteffizienz. Vor allem in „offenen“ Systemen mit Bohrtiefen größer 10 m sollten mehrere lastabhängige Umwälzpumpen einer drehzahlgeregelten Pumpe vorgezogen werden.
Trennwärmetauscher verringern die Effizienz und Heizleistung. Gleichermaßen erhöhen sie aber die Betriebssicherheit, schützen das Aggregat und mindern Wartungskosten. Je nach Wasserqualität und Aggregat kann der Einsatz sinnvoll sein.

Erdreich
Flächenkollektoren sind aufgrund des immensen Platzbedarfes enge Grenzen gesetzt. Häufig vorteilhafter sind Erdsondenfelder, obwohl auch hier der verfügbare Platz zum begrenzenden Faktor werden kann. Die Erstellungskosten steigen proportional zur Entnahmeleistung und sind maßgebend für die Beurteilung der Wirtschaftlichkeit. Die Kosten pro Meter Erdsonde sinken um bis zu 10% im Vergleich zu Kleinwärmepumpen. Trotz hoher Erstellungskosten sind Erdsondenfelder interessant, da Nebenantriebe die Jahresarbeitszahl kaum mindern, ein Wartungsaufwand vernachlässigt werden kann und passive Kühlanwendungen realisierbar sind.
Bivalente Wärmepumpenanlagen erfordern eine genaue Dimensionierung der Wärmequelle. Bild 3 zeigt den Vergrößerungsfaktor für die Quellenanlage. Maßgebend ist das Verhältnis von Wärmepumpenheizleis­tung zu Gebäudeheizlast. Pro Meter Doppelrohr-Erdsonde sollten nicht mehr als 80 bis 100 kWh/Jahr entzogen werden.
Monovalente Anlagen können mit typischen Entzugsleistungen pro Meter Sonde überschlägig ausgelegt werden. Besonders Erdsondenfelder >30 kW erfordern jedoch numerische Simulationen, das heißt, eine detaillierte Aussage zu möglichen Entzugsleistungen und langfristigen Entwicklungen bei kombinierten Heiz-/ Kühlanwendungen.

Prozesswasser
Die Nutzung von Abwärme ist doppelt interessant. Nutzt eine Heizungswärmepumpe zum Beispiel Abwärme eines geschlossenen Kühlkreislaufs, profitiert dieser von der entzogenen Kältearbeit. Ist Wärme und Kälte für einen definierten Prozess wie in einer Brauerei nötig, bieten Heizungswärmepumpen in Kombination mit prozesseigenen Speichermassen die ideale Lösung. Folgende Fragen sind für den Anlagenplaner wichtig:

  • Wird der Auslegungspunkt durch die Wärmesenke oder Wärmequelle definiert?
  • Sind Volumenströme, Temperaturniveaus, Wärmeträger und Einsatzgrenzen für Heizungswärmepumpen geeignet?
  • Ist mit wechselnden Randbedingungen zu rechnen und sind die Komponenten dafür ausgelegt?
  • Ist der Aufbau zusätzlicher Speichermassen sinnvoll?
  • Beeinflusst das Wärmepumpensystem den Prozess negativ (beispielsweise minimale Kühlmitteltemperatur)?
  • Wie gestaltet sich der zeitliche Ablauf und die Kontinuität des Prozesses und welche regelungstechnischen Anforderungen sind nötig?

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Abwasser
Die im Abwasser enthaltene Wärme wird meist ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Heizungswärmepumpen eignen sich durchaus für die Nutzung dieser Abwärme. Wirtschaftlich wird die Anwendung sinnvoll, wenn Wohnsiedlungen oder Nahwärmenetze eine Heizlast von mindestens 150 kW erfordern und eine Abwassermenge von 15 l/Sek. zur Verfügung steht. Voraussetzung ist auch die Nähe des Objektes zu einem großen Abwasserkanal oder einer Kläranlage. Für die Übertragung der Wärme aus dem Abwasser werden überwiegend Wärmetauscher in die Sole von Abwasserkanälen eingebracht. Für den Einbau ist ein Leitungsdurchmesser von mindestens 800 mm erforderlich. An die Form des Kanals werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Um Abwärme aus einem Kanal zu gewinnen, ist in jedem Fall das Einverständnis der Betreiber von Kläranlage und Kanalisation erforderlich, da die Abkühlung den Betrieb der Abwasserreinigungsanlage beeinflussen kann.
Nicht zu vernachlässigen sind die Betriebskosten von Abwasser-Wärmequellen. Mit der Zeit bildet sich ein Biofilm, der den Wärmeübergang reduziert und eine regelmäßige Reinigung oder eine entsprechende Überdimensionierung notwendig macht.

Betriebsweisen von Großwärmepumpen
Die grundsätzlichen Möglichkeiten, Heizungswärmepumpen zu betreiben, gelten auch für mittlere- und Großwärmepumpen und natürlich Kaskadenanlagen. Voraussetzung für einen alleinigen, also monovalenten Betrieb (Bild 4, 1), ist die Einhaltung der Einsatzgrenzen: Vorlauftemperatur und Quellentemperatur über den Betrachtungszeitraum.
Ist dies aufgrund des Wärmeverteilsys­tems nicht gegeben, kann das System bivalent alternativ, d.h. mit einem zweiten Wärmeerzeuger, betrieben werden. Erreicht die Systemvorlauftemperatur einen für Wärmepumpen ungeeigneten und unwirtschaftlichen Bereich, schaltet das System auf den alternativen Erzeuger (Bild 4, 2).
Neben dem monovalenten Betrieb ist der bivalent parallele Betrieb (Bild 4, 3) interessant. Übersteigt die Gebäudeheizlast die installierte Wärmepumpenheizleis­tung am sogenannten Bivalenzpunkt, arbeiten Grund- und Spitzenlastwärmeerzeuger parallel.
Generell stellt sich die Frage, ob eine Kombination sinnvoll, und wenn, welches Verhältnis von Grund- zu Spitzenlast am wirtschaftlichsten ist. Eine pauschale Beantwortung dieser Frage ist nicht möglich. Vielmehr lässt sich feststellen, dass sowohl monovalente als auch bivalent parallele Lösungen wirtschaftlich sein können.
Basis für Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen ist der zu erwartende Deckungsanteil für bivalent parallele und – alternative Kombinationen. Je geringer die Kosten für das Wärmequellensystem und je höher die zu erwartende Effizienz des Wärmepumpensystems, desto eher rechnet sich die monovalente Betriebsweise.
Hohe Heizungsvorlauftemperaturen erfordern und rentieren meist eine Kombination mit Spitzenlastwärmeerzeugern. Das optimale Verhältnis liegt zwischen 40 und 70% und wird vor allem durch die Kosten für den alternativen Erzeuger und die Mehrkosten für die Wärmequellenanlage (Erdreich) bestimmt. Tabelle 1 zeigt beispielhaft den Neubau eines Mehrfamilienhauses in verschiedenen Kombinationen.

Trinkwarmwasserbereitung
Große Heizleistungen lassen sich über externe Wärmeübertrager an das Trinkwarmwasser übertragen. Kurze Aufheizzeiten und verhältnismäßig hohe Ladetemperaturen garantieren einen hohen Komfort. Dennoch fungieren über ein Wärmepumpensystem geladene Trinkwasserspeicher aus hygienischen Gründen meist als Vorwärmstufe. Nacherwärmer sichern Auslauftemperatur und Legionellenschutz, müssen bei guter Auslegung aber weniger als fünf Prozent des Wärmebedarfs decken.

Gebäudekühlung
Die überaus attraktive Möglichkeit, eine Sole-/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpe für die Gebäudekühlung nutzen zu können, ist hinreichend bekannt. Dies gilt auch für Groß- und mittlere Wärmepumpen. Besonders passiv kühlende Anlagen lassen sich günstig erstellen und quasi emissionsfrei betreiben. Bild 5 zeigt eine typische Anlagenhydraulik. Im Kühlbetrieb fördern lastabhängig gesteuerte Antriebe den Quellen- und Systemvolumenstrom über einen Wärmeaustauscher. Sekundär lassen sich, besonders für die Bauteilaktivierung, günstige Vorlauftemperaturen von 15 bis 19°C erzielen. Werden gleichzeitig Teile des Gebäudes beheizt oder wird Warmwasser bereitet, profitiert das Wärmepumpensystem von höheren Quelleneintrittstemperaturen.
Überschlägig leistet eine Erdsonden-Quellenanlage 50 bis 70% der Auslegungskälteleistung im Kühlbetrieb. Eine genaue Simulation unter Berücksichtigung der Gebäude-Kühllast ist dennoch unerlässlich und sichert den langjährigen Erfolg.

Fazit
Sorgfältig geplant können Heizungswärmepumpen größerer Heizleistung genauso gute Ergebnisse wie Kleinwärmepumpen erzielen. Der Anlagenplaner trifft die konzeptionellen Entscheidungen, die die Gesamteffizienz des Systems erheblich beeinflussen. Vollkostenbetrachtungen sind Grundlage für jede Anlage und entscheiden über die Betriebsweise des Systems.

Bilder: Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, Holzminden

www.stiebel-eltron.de

 


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