Betrieb von Wärmepumpen in Kaskade

Eine Sonderform des bivalenten Betriebs von Wärmepumpen ist die sogenannte Kaskadenschaltung. Dabei werden Wärmepumpen so miteinander zusammengeschaltet, dass sich die Heizleistung flexibel dem jeweiligen Wärmebedarf anpassen kann.

• Die Kaskadierung von Wärmepumpen kommt vor Allem bei hohem Wärmebedarf zum Einsatz.
• Eine intelligente Verschaltung mehrerer Wärmepumpen zu einer Kaskade ist effizienter als eine einfache "On/Off-geregelte" Wärmepumpe ohne Modulation.
• Die Versorgungssicherheit einer Kaskade ist größer als bei einzelnen Wärmepumpen. Die Betriebssicherheit wird durch die Redundanzfunktion erhöht.
• Durch die Modulation einer invertergesteurten Wärmepumpen-Kaskade kann der Verdichter seine Drehzahl je nach Anforderungsbedarf nahezu stufenlos variieren und erzeugt nur die Leistung, die aktuell benötigt wird.
• Ein Laufzeitabgleich sorgt dafür, dass die einzelnen Geräte der Kaskade gleichermaßen genutzt und keine einzelne Wärmepumpe übermäßig beansprucht wird.
• Für Anwendungen mit besonders hohem Warmwasserbedarf kann eine Heißwasser-Wärmepumpe zur Kaskade hinzugefügt werden.
• Bei einer Wärmepumpen-Kaskade wird jedes einzelne Gerät vom BAFA gefördert. So kann die Förderung u.U. höher ausfallen als bei einer einzelnen Großwärmepumpe.

• Eine Wärmepumpenkaskade kann entweder bivalent alternativ oder parallel betrieben werden. Beim bivalent-alternativen Betrieb deckt eine Wärmepumpe die Grundlast ganzjährig ab, während die andere Wärmepumpe immer nur hinzu geschaltet wird, um die Spitzenlast abzudecken (siehe Jahresdauerlinie). Beim bivalent-parallelen Betrieb sind hingegen beide Wärmepumpen in Betrieb und übernehmen sowohl die Grundlast als auch die Spitzenlast.
• Hinsichtlich der zu erzeugenden Wärme lassen sich Wärmepumpenkaskaden dahingehend unterscheiden, dass entweder beide Wärmepumpen das Heiz- als auch das Brauchwasser erzeugen. Oder das Heizungs- und das Brauchwasser jeweils von einer Wärmepumpe getrennt voneinander erzeugen.
• Wird mit der Wärmepumpenanlage sowohl gekühlt als auch geheizt, so können die Wärmepumpen innerhalb einer Kaskade einzelnd jeweils nur zum Heizen oder zum Kühlen als auch gemeinsam zum Heizen und Kühlen eingesetzt werden.
• Wärmepumpenkaskaden können aber auch zur kombinierten zentralen und dezentralen Versorgung von z. B. Neubaugebieten eingesetzt werden. Hierbei übernimmt eine zentrale Wärmepumpe die Grundlast und viele dezentrale Wärmepumpen die einzelnen Spitzenlasten der Häuser.

Die Entscheidung für oder wider eine der vorgenannten Auslegungsoptionen richtet sich in der Regel nach der Verfügbarkeit von Luft-, Erd- und Grundwasserwärme und deren Erschließungs- als auch Betriebskosten. In der Praxis werden daher häufig folgende 3 Auslegungen von Wärmepumpenkaskaden eingesetzt:

1) Kombination von mindestens 2 Luftwärmepumpen: Diese Form der Kaskadierung von Luftwärmepumpen wird häufig in Gebäuden mit hohem Wärmebedarf und Lastspitzen eingesetzt, wenn nahezu kein Beitrag über Erdwärme möglich bzw. wirtschaftlich ist.

2) Kombination von mindestens 2 Erdwärmepumpen mit z. B. unterschiedlichen Erdwärmetauschern: Eine solche Kombination wird meistens dann eingesetzt, wenn der am günstigsten zu erschließende Erdwärmetauscher nicht die volle Wärmeversorgung erbringen kann.

3) Kombination aus Luft- und Erdwärmepumpen: Dabei dient in der Regel die Erdwärmepumpe als Grundlasterzeuger bzw. zur Klimatisierung und die Luftwärmepumpe zur Abdeckung der Spitzenlast.

Eine Kaskadierung von Wärmepumpen mit unterschiedlichen Umweltwärmequellen und insbesondere Erdwärmequellen macht zudem ein Wärmequellenmanagement notwendig, um nicht eine Wärmequelle auszulaugen. Dies kann jedoch auch als Vorteil genutzt werden, indem zum Beispiel in Übergangszeiten, in der nur eine Wärmepumpe erforderlich ist, die Wärmequellen aller Wärmepumpen auf ein Gerät geleitet werden und sich damit die Erdwärmequellentemperatur und die Wärmepumpen-Effizienz deutlich erhöhen können.

Viele Wärmepumpenhersteller wie Alpha-Innotec, Waterkotte, Viessmann, Mitsubishi oder Stiebel Eltron bieten die Regelung der Wärmepumpe bereits standardmäßig so an, dass problemlos zwei Wärmepumpen miteinander zusammengeschaltet werden können. Dann muss der Wärmepumpenfachbetrieb nur noch die Hydraulik spezifizieren und die Soft- und Hardware konfigurieren.

Kaskaden von mehreren Wärmepumpen werden meistens über frei programmierbare Regelungstechnik verbunden, die dann noch auf die individuellen Hydraulik- und Gebäudebedingungen abgestimmt werden muss.

Grundsätzlich sollte bei der Konfiguration der Regelung der Wärmepumpenkaskade darauf geachtet werden, dass die Kompressoren der einzelnen Wärmepumpen nahezu gleichmäßig belastet werden, um den frühzeitigen Verschleiß eines Gerätes zu vermeiden.