Großen Heizungsbedarf mit Wärmepumpen abdecken

Bild 1: Die Kaskadierung von Luft/Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit einer separaten CO2-Wärmepumpe für Heißwasser ist besonders für Objekte mit einem größeren Wärmebedarf und einem besonders hohen Warmwasserbedarf geeignet; Bildquellen: Misubishi

Wärmepumpen sind die geeignete Lösung, um Wärme auf Basis erneuerbarer Energien zu erzeugen. Wenn ein Gebäude einen größeren Wärmebedarf und einen besonders hohen Warmwasserbedarf hat, bietet sich die Kaskadierung von Luft/Wasser-Wärmepumpen in Verbindung mit einer separaten CO2-Wärmepumpe für Heißwasser an.

Für die Bereitstellung von Raumwärme und die Warmwassererzeugung sind Wärmepumpen heute nicht mehr wegzudenken. Hohe Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Komfort, energetische Standards sowie die gesetzlichen Vorgaben haben sie zu einer echten Alternative zu klassischen Wärmeerzeugern gemacht.

Dabei bietet die Wärmeerzeugung mit einer Wärmepumpe viele Vorteile. Vor allem wenn als Energiequelle die Umgebungsluft genutzt wird. Denn im Gegensatz zu Sole/Wasser- oder Wasser/Wasser-Wärmepumpen entfallen bei der Luft/Wasser-Variante generell aufwendige und kostspielige Erdkollektoren oder Erdbohrungen – samt der damit verbundenen notwendigen Genehmigungen, die für alle Projektbeteiligten nicht selten zum Bremsfaktor werden.

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 (Bild 1) mit höherem Wärmebedarf nutzen zu können, stellen namhafte 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 der Inverter geregelten Wärmepumpen und eine optimale Betriebsweise im Teillastbetrieb verbessert sich die Effizienz der Gesamtanlage.

Kaskaden für größere Leistungsanforderungen

Bild 2: Um die Vorteile der Wärmepumpen-Technologie zu nutzen, können mehrere
Luft/Wasser-Wärmepumpen zu einer Kaskade verschaltet werden

Doch warum sollte überhaupt eine Wärmepumpen-Kaskade statt eines Einzelgeräts eingesetzt werden? Denn der Markt hält auch entsprechend leistungsstarke Großwärmepumpen bereit. Hierbei handelt es sich jedoch meistens um einfache On/Off-Technik ohne Modulation. Dies geschieht nicht nur zulasten der Effizienz, sondern erfordert auch die Erfüllung von anlagentechnischen Voraussetzungen, wie einen vergleichsweise groß ­dimensionierten Pufferspeicher. Darüber ­hinaus ist die Bereitstellung von Trinkwarmwasser aufgrund der Speicher-Solltemperatur von mindestens 60 °C immer eine Herausforderung für Planer und Anlagenbe­treiber.

Grundsätzlich ist der Aufwand bei der In-stallation einer Luft/Wasser-Wärmepumpe ­vergleichbar mit dem Montageaufwand von konventionellen Wärmeerzeugern. Wärmepumpen-Kaskaden arbeiten jedoch bei geringeren Vorlauftemperaturen wesentlich wirtschaftlicher. Gleichzeitig ist die Versorgungssicherheit bei mehreren Geräten größer als bei einer einzelnen Wärmepumpe (Bild 2).

Effizient dank Steuerung

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 und keine Maschinen übermäßig beansprucht werden.

Bild 3: Mit Ecodan Luft/Wasser-Wärmepumpen können bis zu sechs Geräte in einer Kaskade geschaltet werden und eine Heizleistung bis zu 138 kW realisieren

Die Betriebssicherheit wird zudem noch durch die Redundanzfunktion erhöht, die beim Ausfall (oder auch gewollter Wartungsunterbrechung) eines der Geräte greift. Dank intelligenter Steuerungstechnik arbeiten die Ecodan-Kaskaden des Herstellers Mitsubishi Electric beispielsweise 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 (Bild 3). Die Ecodan-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.

Warmwasserversorgung als separate Lösung

Bild 4: Die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe stellt eine energieeffiziente Lösung zur Warmwasser-erzeugung dar

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) für die effiziente Bereitstellung von Trinkwarmwasser zur Verfügung (Bild 4).

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 besonders 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«, erklärt hierzu ­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 (Bild 5).

Bild 5: Anlagenschema mit einer QAHV Heißwasser-Wärmepumpe

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 - 3 °C, die volle Heizleistung zu erbringen. Darüber hinaus sind die Geräte bei Umgebungstemperaturen von bis zu - 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 M-Net-Bus

Mit einem Gerät 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-Speicher 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 Therme, 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 vom Typ PAR-MAA-31 gesteuert werden. Möglich ist auch eine Anbindung an ein Zentralfernbedienungssystem vom Typ AE200, das bei Anlagen dieser Größenordnung sehr häufig zum Einsatz kommt. Eine Einbindung in eine übergeordnete GLT ist bei diesem System ebenfalls möglich.

Fazit

Luft/Wasser-Wärmepumpen gehört zweifelsfrei die Zukunft, wenn es um moderne und emissionsarme Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser geht. Ihre einfache Installation und Bedienung sowie die Möglichkeit die erforderliche elektrische Antriebsenergie vollständig aus regenerativen Quellen zu nutzen, macht diese Technologie so attraktiv. Für größere Leistungsanforderungen können mehrere Wärmepumpen als Kaskade verschaltet werden. Die Kaskadenschaltung bietet zahlreiche Vorteile. Zum einen steigt die Betriebssicherheit, zum anderen verbessert sich durch die erhebliche Modulationsbandbreite die Effizienz der Gesamtanlage.

Für die Trinkwarmwasserbereitung bietet die Kaskadierung von Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Heizen in Verbindung mit einer separaten CO2-Heißwasser-Wärmepumpe für die Warmwassererzeugung eine besonders energieeffiziente Lösung. Für die separate Warmwasserbereitung ist CO2 die beste Alternative, da es das für die Trinkwarmwasserbereitung erforderliche Temperatureinsatzfeld deutlich effizienter abbilden kann. Gleichzeitig ist CO2 ein natürliches Kältemittel, das keine Schädigung der Ozonschicht verursacht und ein extrem niedriges Treibhauspotenzial besitzt.

Mit der QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe steht ein Modell zur Verfügung, das mit 40 kW Heizleistung Warmwasser von bis zu 90 °C bei Außentemperaturen von bis zu - 25 °C erzeugen kann. Damit ist ein monovalenter Betrieb ohne zusätzlichen Warmwassererzeuger problemlos möglich. Bei höheren Leistungsanforderungen ist eine Kaskadierung von bis zu sechzehn Geräten realisierbar.

Autor

Maik Sommer, PR Agentur Schellhorn, Haltern am See

Quelle: www.elektro.net