Wärmepumpen in einer Kaskade

Im traditionsreichen Gasthaus Baumann im Alpenvorland zwischen München und dem Tegernsee entstand ein Vorzeigeprojekt nachhaltiger Technologie. Einen Schritt Richtung Nachhaltigkeit stellt dabei die Haustechnik dar. Über die Planung und die eingesetzte Technologie ist es möglich, den hohen Bedarf an Raumwärme und Warmwasser ausschließlich mit Wärmepumpen und Erneuerbarer Energien zu decken.

Die Gastronomen-Familie hat einen innovativen Zubau realisiert, der zur Hälfte ein Hotel mit 16 Zimmern und zur anderen Hälft e 10 Wohnungen umfasst. Mit einer Wärmepumpenkaskade, bestehend aus zwei Luft -Wasser-Wärmepumpen für den Hotelbetrieb sowie einer dritten für die Wohnungen wird der Bedarf für Heizung, Warmwasser und auch Kühlung bereitgestellt. Mittels Regelung können die beiden Wärmepumpen durch den bereits inte grierten Kaskadenmanager ohne Probleme miteinander kommunizieren und modulierend den Energiebedarf bereitstellen. Das bringt den Vorteil eines groß abgedeckten Leistungsbereiches, niedriger Energiekosten sowie Betriebssicherheit. Eingesetzt wurden die Wärmepumpen „Belaria pro (24)“ von Hoval sowie die Regelung „TopTronic E“. Im Folgenden wird auf die Besonderheiten, die bei Planung, Bau und Betrieb von Luft -Wasser-Wärmepumpen in vergleichbaren Projekten beachtet werden müssen, eingegangen.

Planungsvorbereitungen und Einbau

Grundsätzlich spielen mehrere Faktoren beim Einbau einer Wärmepumpe eine wichtige Rolle. Vor Beginn der Installation müssen u. a. auch der Aufstellort, die Ausrichtung der Luft -Wasser-Wärmepumpe sowie die maximale Schallausbreitung beachtet werden. Dazu gehört vor allem auch bei dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan), dass die jeweiligen Mindestabstände der Schutzzonen eingehalten werden. Die Außeneinheit der Hoval-Wärmepumpe ist speziell schallgedämmt, und durch die mehrfache Schallentkopplung des Verdichters arbeitet der Kältekreislauf leise. Die Modulationsfähigkeit der Wärmepumpe ist auch in diesem Zusammenhang ein positives Merkmal: Durch diese passt sich die Wärmepumpe an den aktuellen Wärmebedarf an. Die ungünstigsten Schall-Situationen (geringe Außentemperatur und hoher Wärmebedarf) werden selten erreicht.

Gerade bei einer Kaskade ist es wichtig, die Schallausbreitung zu beachten, da das Fundament für die Wärmepumpe an der richtigen Stelle erstellt werden muss. Für die Bewertung der Schallausbreitung kann das Schallprogramm „dBEL.HVAC“ in Anspruch genommen werden. Hierbei können Schallberechnungen auch mit Hoval-Geräten einfach simuliert werden, darunter auch Kaskaden.

Sobald der Aufstellungsort festgelegt ist, kann die Wärmepumpe geliefert und platziert werden. Der Transportweg sollte ausreichend dimensioniert sein, um die Wärmepumpe mithilfe eines Gabelstaplers oder eines Hubwagens sicher an ihren Bestimmungsort zu befördern. Dabei sind sowohl das Gewicht als auch die Abmessungen der Wärmepumpe zu berücksichtigen. In besonderen Fällen kann der Einsatz eines Krans erforderlich sein. Für den Krantransport sind Versteifungswinkel oder KranÖsen in die Wärmepumpe integriert. Generell sollte die Wärmepumpe im verpackten Zustand so nah wie möglich an den endgültigen Aufstellungsort gebracht werden

Kondensatablauf

Luft-Wasser-Wärmepumpen entziehen der Außenluft funktionsbedingt Wärme über eine kalte Oberfläche, dem sogenannten Verdampfer. Ventilatoren saugen Außenluft an und ziehen diese über die kälteren Lamellen des Verdampfers. Dabei wird der Außenluft Wärme entzogen, indem sie abgekühlt wird und den in ihr vorhandenen Wasserdampf entfeuchtet. Luft-Wasser-Wärmepumpen müssen deshalb bedarfsgerecht abgetaut werden. Dies geschieht vollautomatisch per Kreislaufumkehrung. Die dafür notwendige Energie wird dem Heizwasserkreislauf entnommen. Der Abtauvorgang nimmt ein paar Minuten Zeit in Anspruch. Die Bereifung/Vereisung beginnt abzuschmelzen und tropft größtenteils ab, während ein kleinerer Anteil direkt wieder in Wasserdampf zurückgewandelt wird.

Das Einbinden des Kondensatablaufs ist demnach neben der Wahl der richtigen Aufstellungsorte ein weiterer Aspekt, der beachtet werden muss. Während des Betriebs kann je nach Leistungsgröße der einzelnen Maschinen, unter anderem auch während der Abtauung, Kondensat anfallen, das fachgerecht abgeführt werden muss. Dieses muss auch bei Außentemperaturen unter 0 °C kontrolliert abgeführt werden können. Für die Abführung des Kondensates gibt es zwei Varianten: Die Versickerung in einen Schacht bzw. Kieskoffer oder in die Kanalisation. Entscheidet man sich, die Anlage in eine Kanalisation einzubinden, muss man zusätzlich einen Siphon bei Frostgefahr berücksichtigen und die Schachtdurchführung in den Boden so abdichten, dass kein Kältemittel unkontrolliert in die Kanalisation gelangt.

Wird ein fachgerechter Kondensatablauf in der Planung nicht berücksichtigt, können unter anderem Vereisungen entstehen. Sollte die Außeneinheit nahe einem Gehweg platziert sein, können durch die Vereisung Unfälle und damit einhergehend Versicherungsfälle entstehen. Damit das Kondensat nicht einfriert, ist die Kondensatablaufleitung mit einem Heizband gesichert und die fachgerechte Ableitung des Kondensats gewährleistet.

Hydraulik bei Wärmepumpen

Der wichtigste Grund, eine Wärmepumpe als Wärmeerzeuger zu nutzen, ist ihr effizienter Betrieb und die Einsparung von Heizkosten. Damit sie jedoch effizient arbeitet, müssen mehrere Faktoren zusammenwirken. Unter anderem trägt die minimale Laufzeit und die damit einhergehende Pufferspeichergröße sowie der Endbedarf des Kunden einen wesentlichen Faktor dazu bei. Ist die Wärmepumpe überdimensioniert, gerät sie ins Takten, was den Verschleiß des Kompressors erhöht und die Lebensdauer negativ beeinflusst. Ist sie zu klein dimensioniert, wird die erforderliche Wärme nicht erreicht. Es muss also die richtige Leistungsgröße abhängig vom Endbedarf des Kunden gewählt werden.

Eine weitere wichtige Rolle spielt der Pufferspeicher für die Entkopplung der Volumenströme zwischen Wärmepumpen- und Heizungsseite. Dadurch kann die Wärmepumpe optimal betrieben werden und wird nicht von dem oftmals höheren Volumenstrom der Heizungsseite beeinflusst. So können hohe Jahresarbeitszahlen (JAZ) erzielt werden und für den Abtauprozess die benötigte Wärme aus dem Puffer gezogen werden.

Im Falle des Hotel Baumann wurde mit der Hoval Dimensionierungssoftware „HovalSelect heatpump“ die optimale Wärmepumpen-Kaskade ermittelt. Dabei wurde die Wärmepumpen-Kaskade nach der VDI 4650 und einer projektbezogenen Jahresarbeitszahl ausgelegt. Die Wärmepumpen-Kaskade deckt den Heiz-, Warmwasser- und Kühlbedarf vollständig bis zu einer Außentemperatur von -14 °C ab.

Da mit der Kaskaden-Lösung ein viel größerer Modulationsbereich abgedeckt werden kann, fällt auch die Dimensionierung des Pufferspeichers geringer aus. Das führt zu weniger Wärmeverlusten und demnach weniger Energiekosten. Um Wärmeverluste zwischen der Außen-und Inneneinheit zu minimieren, wurde die bereits vordimensionierte, gerätespezifische Wärmepumpenleitung verwendet. Diese wird frostsicher im Erdreich verlegt und ist in verschiedenen Längen verfügbar, um sich optimal an die Gegebenheiten anzupassen. Dadurch wird der Anschluss der Wärmepumpe erleichtert, während die gedämmten Wärmepumpenrohre die Wärmeverluste zusätzlich reduzieren.

Vorteile von Kaskadenlösungen

Eine Kaskadenlösung ist oftmals sinnvoll, um größere Leistungsbereiche zu bedienen, wenn diese durch einen einzelnen Wärmeerzeuger nicht ausreichend abgedeckt werden können. Gleichzeitig wird durch die Kaskade nur die Energie erzeugt, die auch vom Gebäude benötigt wird. Daraus resultieren geringe Energieverluste durch kleinere Heizungspuffer. Dies macht sich vor allem in der Übergangszeit zwischen den Jahreszeiten bemerkbar, in der nicht die gesamte Leistung benötigt wird. In dieser Zeit können die Wärmepumpen abwechselnd betrieben werden. Das reduziert die Startvorgänge der Wärmepumpe, schont den Verdichter und verlängert die gesamte Lebensdauer.

Ein weiterer wichtiger Grund für eine Kaskadenlösung, insbesondere im Gewerbebereich, ist die Betriebssicherheit. Durch den Einsatz von zwei Wärmepumpen bleibt bei einem Ausfall oder während Wartungsarbeiten eine Einheit in Betrieb, sodass zumindest ein Teil der Heizleistung weiterhin zur Verfügung steht.

Aufstellung, Befestigung, Montage

Neben der korrekten Platzierung der Außeneinheiten ist auch eine sichere Befestigung essenziell. Sie müssen auf einer festen Oberfläche in waagerechter Position wie einem Betonsockel installiert werden. Dabei sind die Herstellerangaben zu berücksichtigen, insbesondere zur Tragfähigkeit und zur optimalen Positionierung der Außeneinheit, in Abhängigkeit von den Standfüßen. Zusätzlich muss die Wärmepumpe mit Schrauben am Betonsockel fixiert werden, um ein Verrutschen zu verhindern.

Monovalentes vs. bivalentes System

Auch die verschiedenen Betriebsarten der Wärmepumpe sind zu berücksichtigen: In einem monovalenten System dient sie als alleiniger Wärmeerzeuger für Heizung und Warmwasserbereitung. Wird jedoch ein zusätzlicher Wärmeerzeuger integriert, erfolgt die Wärmebereitstellung in einer bivalenten Betriebsweise. Dabei übernimmt der zweite Wärmeerzeuger ab einer bestimmten Außentemperatur den verbleibenden Wärmebedarf. Voraussetzung dafür ist, dass die Wärmepumpe bis zur tiefsten Außentemperatur weiterhin betrieben werden kann.

Optionen zur Trinkwassererwärmung

Die Wahl der Trinkwassererwärmung hängt vom Warmwasserbedarf und der benötigten Schüttleistung des Projektes ab. Warmwasserspeicherlösungen sind typischerweise in kleineren Projekten wie Einfamilienhäusern oder Doppelhaushälften zu finden. Aufgrund der begrenzten Personenzahl sind diese Speicher in der Regel kleiner, was zu geringeren Energieverlusten führt. In größeren Warmwasserbehältern kann die hohe Wassermasse hingegen ein Legionellenproblem begünstigen, wenn keine Legionellenschaltung vorhanden ist oder die Warmwasserabnahme zu gering ausfällt.

Für größere Objekte ist die Frischwasserstation oft die ideale Lösung. Dank des vorgeschalteten Pufferspeichers kann das Wiederaufheizen i. d. R. schneller erfolgen als mit einem herkömmlichen Warmwasserspeicher. Im Projekt Hotel Baumann wurde eine Frischwasserstation Hoval „TransTherm aqua F“ verbaut.

Die kompakte anschlussfertige Frischwasserstation besteht aus einem Edelstahl-Plattenwärmetauscher, einer primären Umwälzpumpe für die Heizwasserseite, einem Dreiwegeventil samt Stellantrieb, den Durchflusssensor für das Signal zum Pumpenstart sowie einem Strangregulierventil für die maximale Wassermenge in einem Gehäuse. So wird mit einem Pufferspeicher die Trinkwassererwärmung bereitgestellt. Sobald Warmwasser gezapft wird, registriert der Durchflusssensor den Volumenstrom und gibt das Signal an die integrierte, drehzahlgeregelte Ladepumpe weiter. Diese lässt das warme Heizungswasser über den Plattenwärmetauscher strömen und erhitzt dadurch das Trinkwasser bedarfsgerecht.

www.hoval.de

Technische Eckdaten zum Projekt 

• Gesamte beheizte Fläche: 1306 m²
• Prognostizierter Wärmebedarf (Raumwärme/Trinkwarmwasser): 44,4 kW
• Verbaute Wärmepumpen: Hoval Belaria pro (24), 24 kW (bei A2/W35)
• Prognostizierte JAZ (Heizung und Warmwasser: 4,6
• Kondensatablauf: Das Kondensat wird versickert (Schacht/Kieskoffer)
• Verbaute Pufferspeicher: Hoval EnerVal 500 und 1000
• Verbaute Frischwasserstation, sowie Leistung: Hoval TransTherm aqua F (6 – 80), 580 kW (Primär: 70 °C/30 °C, Sekundär: (10 °C/60 °C)
• Zusätzliche Erneuerbare Energien: Das Hotel hat eine 120 kWp PV-Anlage