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 dann, wenn als Energiequelle die Umgebungsluft genutzt wird. Denn im Gegensatz zu Sole- / Wasser- oder Wasser- / Wasser-Wärmepumpen entfallen bei der Luft/Wasser-Variante aufwändige und kostspielige Erdkollektoren oder Erdbohrungen – samt der damit verbundenen notwendigen Genehmigungen.
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 Hersteller intelligent verschaltete Lösungen mit mehreren Luft- / Wasser-Wärmepumpen zu einer Kaskade bereit. Die Kaskadenschaltung bietet zahlreiche Vorteile. Bedingt durch die große Modulationsbandbreite der Inverter geregelten Wärmepumpen und eine günstige Betriebsweise im Teillastbetrieb verbessert sich die Effizienz der Gesamtanlage.
Bild: Mitsubishi Electric
Kaskaden für größere Leistungsanforderungen
Doch warum sollte überhaupt eine Wärmepumpen-Kaskade statt eines Einzelgeräts eingesetzt werden? Denn der Markt hält auch entsprechend leistungsstarke Großwärmepumpen bereit. Hierbei handelt es jedoch meistens um einfache On- / Off-Technik ohne Modulation. Dies geht nicht nur zulasten der Effizienz, sondern erfordert auch die Erfüllung spezifischer anlagentechnischer Voraussetzungen, darunter 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 Installation einer Luft- / Wasser-Wärmepumpe vergleichbar mit dem Montageaufwand von konventionellen Wärmeerzeugern. Wärmepumpen-Kaskaden ar-beiten jedoch bei geringeren Vorlauftemperaturen deutlich wirtschaftlicher. Gleichzeitig ist die Versorgungssicherheit bei mehreren Geräten größer als bei einer einzelnen Wärmepumpe.
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Intelligente Kaskaden-Steuerung: hohe Effizienz
Besonders wichtig für den effizienten Betrieb einer Luft- / Wasser-Wärmepumpen-Kaskade ist ein abgestimmtes und präzises Regelmanagement. Hier hilft die Invertertechnik 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 bewirkt, dass die Geräte der Anlage gleichermaßen genutzt und keine Maschinen übermäßig beansprucht werden.
Die Betriebssicherheit wird zudem durch die Redundanzfunktion erhöht, die beim Ausfall (oder auch gewollter Wartungsunterbrechung) eines der Geräte greift. Mithilfe intelligenter Steuerungstechnik arbeiten beispielsweise die Ecodan-Kaskaden von Mitsubishi Electric immer im optimalen Effizienzbereich. Die Systemsteuerung berechnet dazu in Abhängigkeit der Leistungsaufnahme der Außengeräte, der momentanen Heizleistung und der Außentemperatur stetig 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 Ecodan-Baureihe erfüllt zudem 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.
Bild: Mitsubishi Electric
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Besonders 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-Wohnanlagen – steht deshalb eine Heißwasser-Wärmepumpe von Mitsubishi Electric auf Basis des Kältemittels R 744 (CO2) 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 R 410 A am besten geeignet, diese Anwendung zu realisieren. Bei kürzeren Entfernungen kann auch eine Kaskadierung auf R 32-Basis umgesetzt werden. Die Heißwasser-Wärmepumpe der QAHV-Serie setzt hingegen CO2 als natürliches Kältemittel ein, das ein besonders 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 ermöglicht die QAHV-Wärmepumpe des Herstellers eine deutliche Steigerung der Gesamt-System-Effizienz. Gerade in Hotels ist das ein weit verbreitetes Anlagenkonzept. Oft ersetzen diese Anlagen die auf Basis fossiler Brennstoffe betriebene, veraltete Gerätetechnik.
Das aktuelle Modell der CO2-Heißwasser-Wärmepumpe QAHV hat 40 kW Heizleistung und stellt Warmwasser mit Temperaturen bis zu 90 °C zur Verfügung. Die Heißwasser-Wärmepumpe kann selbst noch bei Außentemperaturen von - 3 °C die volle Heizleistung 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 möglich.
Kaskadierung über M-Net-Datenbus
Mit einem Gerät dieser Leistungsklasse könnte beispielsweise ein Hotel mit höherem Warmwasser-Komfortbedarf und 90 Zimmern versorgt werden. Das entspricht ungefähr 1 000 kWh pro Tag. Als Trinkwarmwasserspeicher sind hierfür ca. 2 000 l zu veranschlagen, die idealerweise zur guten Wärmeschichtung und einfacheren Installation auf zwei 1 000 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, ließe sich mit der CO2-Wärmepumpe abdecken.
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 PAR-MAA-31 von Mitsubishi Electric gesteuert werden. Möglich ist auch eine Anbindung an ein Zentralfernbedienungssystem AE 200, das bei Anlagen dieser Größenordnung häufig zum Einsatz kommt. Eine Einbindung in eine übergeordnete Gebäudeleittechnik (GLT) ist bei diesem System ebenfalls möglich.
Fazit
Luft- / Wasser-Wärmepumpen gehört die Zukunft, wenn es um die emissionsarme Bereitstellung von Raumwärme und Warmwasser geht. Ihre einfache Installation und Bedienung sowie die Möglichkeit, den erforderlichen Antriebstrom vollständig aus regenerativen Energiequellen zu nutzen, macht diese Technik attraktiv. Für größere Leistungsanforderungen können mehrere Wärmepumpen als Kaskade verschaltet werden. Die Kaskadenschaltung steigert zum einen die Betriebssicherheit, zum anderen verbessert sich durch die große 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 besonders niedriges Treibhauspotenzial besitzt.
Mit der QAHV Heißwasser-Wärmepumpe mit 40 kW Heizleistung lässt sich Warmwasser von bis zu 90 °C bei Außentemperaturen von bis zu - 25 °C erzeugen. Damit ist ein monovalenter Betrieb ohne zusätzlichen Warmwassererzeuger möglich. Bei höheren Leistungsanforderungen ist eine Kaskadierung von bis zu sechzehn Geräte realisierbar.
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