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Betrieb von Wärmepumpen in Kaskade

Was versteht man unter einer Wärmepumpen-Kaskade? Wie werden Wärmepumpen zusammengeschaltet? Welche Vorteile bietet eine Kaskadierung? In welchen Anwendungen lohnt sich eine 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.

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Sinn und Zweck einer Kaskadenschaltung von Wärmepumpen

Die Kaskadierung (Zusammenschalten) von Wärmepumpen wird heute vielfach bei größeren Wärmepumpenanlagen angewendet, um eine dem jeweiligen Heizwärmebedarf entsprechende Leistung gegenüberzustellen. Denn während heutige Wärmepumpen im kleineren Leistungsbereich über eine entsprechende Verdichtertechnik (Inverter-Verdichter bzw. modulierende Wärmepumpen) verfügen, um die Heizleistung je nach Bedarf anzupassen, so kann die Wärmepumpenleistung bei größeren Bedarfsschwankungen nicht mehr allein über den Verdichter angepasst werden. Durch eine Kaskadenschaltung und eine weitgehende Leistungsmodulation erhöht sich die Jahresarbeitszahl und verbessert somit die Wirtschaftlichkeit eines Kaskadensystems gegenüber Hybrid-Wärmepumpen.

Vielfach werden Luftwärmepumpen bei Großanlagen zu Kaskaden zusammengeschaltet (Foto: energie-experten.org)
Vielfach werden Luftwärmepumpen bei Großanlagen zu Kaskaden zusammengeschaltet (Foto: energie-experten.org)

Vorteile der Leistungsmodulation durch Kaskadenschaltung

In der Regel können Wärmepumpen nur in zwei Leistungsstufen betrieben werden: Entweder sind sie außer Betrieb oder ihre Leistung wird zu 100 % abgerufen. Lediglich in Abhängigkeit der Temperaturen der Wärmequelle und der benötigten Vorlauftemperaturen des Wärmeabgabesystems schwankt auch die Heizleistung der Wärmepumpe.

Schaltet man nun Wärmepumpen in einer Kaskaden zusammen, so können einzelne Wärmepumpen zu- oder abgeschaltet werden und die gesamte Heizleistung der Wärmepumpen verändert sich. Neben einer Steigerung der Wärmepumpeneffizienz erhöht sich aber auch die Ausfall- und Betriebssicherheit, da der Heizwärmebetrieb problemlos von einer zweiten Wärmepumpe übernommen werden kann.

In Kaskadenschaltung lassen sich Wärmepumpen - wie hier die Baureihe Terra SW Max - in mittleren Leistungsbereichen zu Groß-Wärmepumpen mit mehreren hundert kW Leistung zusammenschließen. (Foto: iDM Energiesysteme GmbH)
In Kaskadenschaltung lassen sich Wärmepumpen - wie hier die Baureihe Terra SW Max - in mittleren Leistungsbereichen zu Groß-Wärmepumpen mit mehreren hundert kW Leistung zusammenschließen. (Foto: iDM Energiesysteme GmbH)

Optionen zur Auslegung von Wärmepumpenkaskaden

  • 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.

Kaskadierung von Wärmepumpen nach Wärmequellen

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.

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Zusammenschaltung von Kältemittelkreisläufen in Kaskaden

Eine Sonderform der Wärmepumpenkaskadierung stellt das Hintereinanderschalten zweier Wärmepumpenkreisläufe in einem Aggregat dar, um in Altbauten mit hohen Vorlauftemperaturen eine monovalente Heizwärmeversorgung zu gewährleisten. Die beiden Kreisläufe sind dabei durch einen Wärmetauscher thermisch miteinander verbunden, der zwei Funktionen übernimmt. Zum einen dient der Wärmetauscher als Verflüssiger der ersten Wärmepumpe und zum anderen als Verdampfer der zweiten Wärmepumpe. Aufgrund der unterschiedlichen Medientemperaturen müssen in den jeweiligen Wärmepumpen jedoch unterschiedliche Kältemittel eingesetzt werden. Beide Wärmepumpen müssen zudem dauerhaft zusammen in Betrieb sein, da nur von der zweiten Wärmepumpe Wärme an das Heizungssystem abgegeben wird.

Mit der Schnittstelle PAC-IF013 lassen sich bis zu sechs Außengeräte Mr. Slim zu einer Kaskade verbinden und ein Lüftungsgerät in elf Leistungsstufen zielgerichtet mit der jeweils benötigten Wärme- und Kälteenergie versorgen. (Grafik: Mitsubishi Electric)
Mit der Schnittstelle PAC-IF013 lassen sich bis zu sechs Außengeräte Mr. Slim zu einer Kaskade verbinden und ein Lüftungsgerät in elf Leistungsstufen zielgerichtet mit der jeweils benötigten Wärme- und Kälteenergie versorgen. (Grafik: Mitsubishi Electric)

Standardisierte und individuelle Regelung von Kaskadenlösungen

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.

"Betrieb von Wärmepumpen in Kaskade" wurde am 19.02.2020 das letzte Mal aktualisiert.