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 den damit verbundenen notwendigen Genehmigungen
Um die Vorteile von Luft/Wasser-Wärmepumpen auch in großen Objekten 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
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 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 Grad Celsius immer eine Herausforderung für Planer und Anlagenbetreiber.
Grundsätzlich ist der Aufwand bei der Installation einer Luft/Wasser-Wärmepumpe vergleichbar mit dem Montageaufwand von konventionellen Wärme- erzeugern. Wärmepumpen-Kaskaden arbeiten jedoch bei geringeren Vorlauftemperaturen wesentlich wirtschaftlicher. Gleichzeitig ist die Versorgungssicherheit bei mehreren Geräten größer als bei einer einzelnen Wärmepumpe.
Intelligente Kaskaden-Steuerung für höchste Effizienz
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 werden und keine Maschinen übermäßig beansprucht werden.
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. 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 zum Beispiel eine 4er-Kaskade die vierfache Förderung erhalten kann.
Besonders hohen Warmwasser- bedarf 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 Grad Celsius 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) von Mitsubishi Electric für die effiziente Bereitstellung von Trinkwarmwasser zur Verfügung. Doch warum wird überhaupt ein alternatives Kältemittel in der Wärmepumpe
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.
Das aktuelle Modell der CO2-Heißwasser-Wärmepumpe vom Typ QAHV hat 40 kW Heizleistung und stellt Warmwasser mit Temperaturen bis zu 90 Grad Celsius zur Verfügung. Die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe ist in der Lage, selbst bei Außentemperaturen von minus 3 Grad Celsius, die volle Heizleistung zu erbringen. Darüber hinaus sind die Geräte bei Umgebungstemperaturen von bis zu minus 25 Grad Celsius funktionsfähig und in der Lage 90 Grad 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. ¢
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 (>30m), 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.
Das aktuelle Modell der CO2-Heißwasser-Wärmepumpe vom Typ QAHV hat 40 kW Heizleistung und stellt Warmwasser mit Temperaturen bis zu 90 Grad Celsius zur Verfügung. Die QAHV-Heißwasser-Wärmepumpe ist in der Lage, selbst bei Außentemperaturen von minus 3 Grad Celsius, die volle Heizleistung zu erbringen. Darüber hinaus sind die Geräte bei Umgebungstemperaturen von bis zu minus 25 Grad Celsius funktionsfähig und in der Lage 90 Grad 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.
