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Wärmepumpenkaskade: Einsatzbereich, Dimensionierung und Optimierung
Was ist eine Wärmepumpenkaskade?
Setzen Fachplaner mehrere Wärmepumpen anstelle einer großen Anlage in Reihe oder parallel, entsteht eine Wärmepumpenkaskade. Durch diese Wärmepumpe Kaskadenschaltung lässt sich die Heizleistung flexibler und genauer an den aktuellen Wärmebedarf anpassen als mit der einfachen Ein-/Aus-Steuerung einer einzelnen Wärmepumpe. Hersteller bauen die Wärmepumpen vermehrt modular auf, damit sie in Kaskaden eingesetzt werden können.
Aus diesen Gründen bevorzugen Planer Wärmepumpenkaskaden immer häufiger bei der Dimensionierung von Wärmepumpensystemen. Ihre Planung und Steuerung ist jedoch anspruchsvoller als die einer einzelnen, größeren Anlage.
Der Artikel gibt einen Hintergrund zur Funktionsweise von Wärmepumpenkaskaden, zeigt anhand von Wärmepumpenkaskade Schemas Praxisfälle auf und gibt Hilfestellungen für die Planung und Optimierung von Kaskadensystemen.
Eine Zusammenfassung dieses Blogs und einen guten Einstieg ins Thema finden Sie mit untenstehendem Video Dimensionierung, Optimierung und Praxisbeispiele von Wärmepumpenkaskaden.
Kaskade Wärmepumpe: technische Gründe
Wärmepumpenkaskaden werden dort geplant, wo eine große Leistung erforderlich ist, der Bedarf an Heizung, Warmwasser und Kühlung stark schwankt oder Großanlagen an ihre Grenzen stoßen.
Die wichtigsten technischen Gründe für die Kaskadenschaltung von Wärmepumpen sind:
- Herkömmliche Wärmepumpen können nur in zwei Betriebsmodi betrieben werden, das heißt, sie sind entweder aus- oder eingeschaltet. Werden hingegen mehrere Wärmepumpen zusammengeschaltet, kann die Heizleistung besser dem jeweiligen Wärmebedarf angepasst werden. Bei kleinen Wärmemengen genügt oft eine neuere, invertergesteuerte (modulierende) Wärmepumpe. Diese kann die Wärmeleistung über den drehzahlgeregelten Verdichter steuern.
- Bei größeren Anlagen können stärkere Bedarfsschwankungen nicht mehr allein über den Verdichter einer invertergesteuerten Wärmepumpe ausgeglichen werden.
- Gibt es verschiedene Temperaturniveaus, operiert jede Wärmepumpe leistungsoptimiert.
- Bei einer einzelnen großen Anlage wäre das benötigte Luftvolumen einer Luft/Wasser-Wärmepumpe sehr groß, wodurch sich die Anlage aus verschiedenen Gründen als unpraktikabel erweisen würde.
Wärmepumpen Kaskadenschaltung: unterschiedliche Ziele
Für den Einsatz einer Wärmepumpenkaskade gibt es unterschiedliche Ziele und Anwendungsfälle. Planer schalten Wärmepumpen parallel, um die Gesamtleistung zu erhöhen und Leistungsspitzen flexibel abzudecken; müssen sie hingegen höhere Temperaturen oder unterschiedliche Temperaturniveaus realisieren, setzen sie auf eine serielle Schaltung. In der Praxis wird je nach Zielsetzung und Rahmenbedingungen eine entsprechende Systemauslegung geplant. Die verschiedenen Wärmepumpenkaskadenschaltungen sind nachfolgend näher beschrieben.
Parallele Wärmepumpenkaskade
Bei der Parallelschaltung einer Kaskade aus Wärmepumpen arbeiten alle Wärmepumpen gleichzeitig und unabhängig voneinander. Jede Wärmepumpe ist direkt mit dem Vor- und Rücklauf des Heizkreislaufs verbunden. Dadurch haben alle Wärmepumpen das gleiche Temperaturniveau und teilen sich die benötigte Gesamtleistung. Die einzelnen Wärmepumpen schalten sich nacheinander zu, sobald sich der Wärmebedarf erhöht.
Die Hauptkomponenten eines Heizkreislaufs einer parallelen Wärmepumpenkaskade sind mehrere Wärmepumpen, eine Kaskadenregelung bzw. Steuerung, eine hydraulische Weiche oder ein Pufferspeicher, Mischer und Pumpen.
Bei Planung der Steuerung mit Stufenschaltungen von Wärmepumpen sollte Folgendes berücksichtigen:
- Sind die Anlagen überdimensioniert, takten sie häufiger – das führt zu höherem Verschleiß und einem Verlust an Effizienz.
- Das Wärmepumpenkonzept muss an die Aufteilung zwischen Grundlast und Spitzenlast angepasst werden.
- Zur Optimierung der Jahresarbeitszahl lohnt es sich, verschiedene Systemvarianten miteinander zu vergleichen.
- Vor dem parallelen Betrieb der Wärmepumpen gilt es zu prüfen, ob die Energiequelle – etwa Erdsonden oder ein Abwasserwärmetauscher – ausreichend Leistung bereitstellt.
- Das Anlagekonzept richtet sich nach den verfügbaren Platzverhältnissen und wird entsprechend angepasst.
Vor- und Nachteile, Anwendungsfälle
Die folgende Tabelle zeigt die Vor- und Nachteile der parallel geschalteten Wärmepumpenkaskade:
| Vorteile | |
| Nachteile | |
| Anwendung | Mehrfamilienhaus mit Fussbodenheizungen oder Bestandsheizkörpern, Hotels mit Wellness, Sportanlagen, Schulen, gewerbliche Gebäude und Bürogebäude |
Serielle Wärmepumpenkaskade
Bei der seriellen Kaskadenschaltung, auch Kaskadenschaltung in Reihe genannt, werden die Wärmepumpen hintereinander geschaltet. Das bedeutet, dass jede Wärmepumpe die Temperatur etappenweise anhebt.
Beispielsweise erwärmt die erste Wärmepumpe das Wasser von 5 °C auf 25 °C und die zweite Wärmepumpe von 25 °C auf 45 °C. Dies ist dort sinnvoll, wo ein großer Temperaturhub benötigt wird, beispielsweise bei industriellen Anwendungen, in Altbauten mit Radiatoren oder in Nahwärmenetzen, in denen es unterschiedliche Temperaturniveaus gibt, beispielsweise für die Temperatur der Fußbodenheizung über das ganze Netz und die höhere Temperatur des Warmwassers pro Gebäude.
| Vorteile | |
| Nachteil | |
| Anwendung | Altbau-Mehrfamilienhäuser mit Radiatoren, industrielle Anwendungen, Nahwärmenetze |
Hybride Kaskadenschaltung: Kombination serieller und paralleler Wärmepumpenkaskaden
Eine Kombination aus seriell und parallel geschalteten Wärmepumpen kommt vor allem in komplexeren oder größeren Heizsystemen zum Einsatz, bei denen unterschiedliche Anforderungen an die Leistungsstaffelung, die Temperaturstufen oder die Redundanz bestehen.
Typische Anwendungen sind:
- Hochtemperatur- und Niedertemperaturstufen
Eine serielle Verschaltung erzeugt mehrere Temperaturniveaus – zum Beispiel 35 °C und 70 °C. Dabei hebt die erste Wärmepumpe die Temperatur auf ein mittleres Niveau und die zweite dann auf ein hohes Niveau. Mehrere Wärmepumpen lassen sich innerhalb einer Temperaturstufe parallel schalten, um die Leistung flexibel anzupassen. Anwendungsbeispiele sind die Sanierung eines Altbau-Mehrfamilienhauses mit Radiatoren (50-70 °C) und Fußbodenheizung (35–40 °C) oder die Bereitstellung von Fernwärme durch Wärmepumpen in zwei Stufen. - Prozesswärme oder Brauchwassererwärmung
Parallele Wärmepumpen dienen der Lastverteilung. Gleichzeitig werden Wärmepumpen auch seriell geschaltet, um den Temperaturhub über mehrere Stufen zu verteilen. Dies kommt hauptsächlich bei größeren Gewerbe- und Industrieanlagen zum Einsatz. - Hybridheizsysteme mit Wärmerückgewinnung
Die seriell geschalteten Wärmepumpen nutzen beispielsweise die Energie der Abwärme aus dem Ablauf; die zweite Wärmepumpe hebt die Temperatur auf ein nutzbares Niveau. Auf jeder Temperaturstufe gibt es eine parallele WP-Kaskade zur Lastabdeckung. - Reversible Systeme mit Heiz- und Kühlbetrieb
Reversible Wärmepumpensysteme, die sowohl Heiz- als auch Kühlbetrieb ermöglichen, können so ausgelegt werden, dass sie gleichzeitig Wärme und Kälte bereitstellen. Dies wird durch die Kombination mehrerer Wärmepumpenstufen mit unterschiedlicher hydraulischer Verschaltung erreicht.
Eine typische Ausführung nutzt zwei Wärmepumpenstufen. Die erste Stufe, die aus einer oder mehreren parallel geschalteten Wärmepumpen besteht, übernimmt die Grundlastversorgung. Diese Einheiten arbeiten in einem moderaten Temperaturbereich mit hoher Effizienz und dienen zur Deckung des allgemeinen Heiz- und Kühlbedarfs.
Die zweite Stufe ist seriell nachgeschaltet und hebt das Temperaturniveau des Heizmediums auf ein höheres Niveau, um Hochtemperaturwärme bereitzustellen, beispielsweise für die Warmwasserbereitung oder für spezifische Anwendungen mit höherem Temperaturniveau.
Diese Lösung wird beispielsweise in Hotels, Krankenhäusern und Nahwärmenetzen eingesetzt.
Anwendungsfälle mit Schema der Wärmepumpenkaskade
Die Auswahl des geeigneten Wärmepumpentyps und der entsprechenden Kaskadenkonfiguration hängt von verschiedenen Faktoren ab, darunter die verfügbaren Wärmequellen, die erforderliche Leistung und die spezifischen Projektanforderungen. Nachfolgend sind Praxisbeispiele mit dem Schema der jeweiligen Wärmepumpenkaskade beschrieben.
Luft-Wasser-Wärmepumpe-Kaskade
Der große Vorteil von Luft-Wasser-Wärmepumpen in Kaskaden liegt darin, dass sie oft keine aufwendigen Umbaumaßnahmen erfordern. Sie sind überall kurzfristig einsetzbar und vergleichsweise günstig. Diese Eigenschaften machen sie ideal für Kaskadenanwendungen in urbanen Gebieten sowie bei Gebäuden ohne vollständige Wärmedämmung.
Wärmepumpenkaskade Schema eines Mehrfamilienhaus mit parareller Luft-Wasser-Wärmepumpe-Kaskade
In diesem System versorgt eine parallel-geschaltete Luft-Wasser-Wärmepumpenkaskade ein Mehrfamilienhaus mit Heizwärme und Brauchwarmwasser. Für die gegebene Last sind dreimal 30 kW Leistung installiert. Eine der Wärmepumpen trägt die Hauptlast, während die anderen beiden bei höheren Wärmeanforderungen sukzessive zugeschaltet werden. Serielle Kombi-Pufferspeicher trennen das Temperaturniveau gezielt in einen niedrigen Bereich für die Fußbodenheizung und einen hohen Bereich für die hygienische Brauchwarmwasserbereitung.
Wärmepumpenkaskade Schema einer Schule mit Luft-Wasser-Wärmepumpe-Kaskade
In einer typischen Schule fällt der Brauchwarmwasserbedarf vor allem im Bereich der Sporthalle an. In einer Kaskade aus vier Luft-Wasser-Wärmepumpen wird die Wärmeversorgung des Schulgebäudes und der Sporthalle flexibel gehandhabt. Dies erlaubt vor allem in den warmen Sommermonaten, einen Teil der Wärmepumpen abzuschalten und damit Betriebs- und Wartungskosten zu sparen.
Wärmepumpenkaskade Schema einer gewerbliche Produktionshalle mit parareller Luft-Wasser-Wärmepumpe-Kaskade
Bei dieser gewerblichen Anwendung entfällt nur ein kleiner Teil des Wärmebedarfs auf Niedertemperatur-Heizwärme. Der weitaus grössere Teil entfällt auf Hochtemperatur-Wärme für einen industriellen Prozess. Mit einer Kaskade aus zwei leistungsstarken Luft-Wasser-Wärmepumpen kann die Wärmeerzeugung gut auf den Prozessablauf eingeregelt werden, besonders vor dem Hintergrund, dass das Pufferspeicher-Volumen in diesem Beispiel aus Platzgründen eher klein gehalten werden muss. Die Pufferspeicher sind hier seriell verschaltet, um trotz begrenzter Raumhöhe das Volumen zu maximieren.
Bei komplexeren Projekten mit hybriden Verschaltungen, wie dem Neubauprojekt ProfiCamp Eintracht Frankfurt mit drei Luft/Wasser Wärmepumpen und vier Sole/Wasse-Wärmepumpen oder das Nahwärmenetz Wohnquartier Grünheide mit drei Luft/Wasser-Wärmepumpen werden in der Planung und Simulation der Wärmepumpen verschiedene Wärmequellen kombiniert.
Sole-Wasser-Wärmepumpen-Kaskade
Sole-Wasser-Wärmepumpen können mit mehreren Erdwärmequellen parallel geschaltet sein, falls der am günstigsten zu erschließende Erdwärmetauscher nicht die volle Wärmeversorgung liefern kann. Sole-Wasser-Wärmepumpen lassen sich auch in Reihe mit anderen Wärmepumpen schalten – etwa wenn neben der Fußbodenheizung zusätzlich Warmwasser bereitgestellt werden soll.
Wärmepumpenkaskade Schema serielle (Booster) Wärmpepumpe mit Erdwärme für Hotel
Diese serielle Wärmepumpe Kaskadenschaltung besteht zunächst aus zwei parallelen Sole-Wasser-Wärmepumpen, die ihre Energie aus mehreren Quellen, einem Erdwärmesondenfeld und einer PVT-Anlage, beziehen. Diese Wärmepumpen erzeugen den ersten Temperaturhub auf 40 °C und ermöglichen dank Parallelbetrieb eine optimale Anpassung an den tatsächlichen Wärmebedarf. Für den erheblichen Warmwasserbedarf wird eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe (sog. “Booster-Wärmepumpe”) eingesetzt, die aus dem Niedertemperaturspeicher Wärme auf das erforderliche Temperaturniveau von 65 °C hebt.
Wasser/Wasser-Wärmepumpe-Kaskade
Eine Kaskade aus einer oder mehreren Wasser/Wasser-Wärmepumpen nutzt Wasser als Wärmequelle und Wärmesenke. Typischerweise wird Wasser aus Grundwasser, Geothermie (beispielsweise aus Sondenfeldern), Seen oder Abwärmesystemen genutzt.
Nahwärmenetz mit Büro-, Sport- und Wellnessgebäude
Ein Anwendungsfall ist beispielsweise ein BAFA gefördertertes Wärmenetz mit einer Grundwasserwärmepumpe und kaskadierender Versorgung mit dezentralen Wärmepumpen sowie einem geschlossenen Verteilernetz für Strom mit Photovoltaik.
Wärmepumpenkaskade mit Abwasserwärmetauscher
Bei einer Wärmepumpenkaskade mit einem Abwasserwärmetauscher und einer Abwasserwärmepumpe wird das Abwasser als Wärmequelle und Wärmesenke genutzt. Abhängig von der Abwassertemperatur und der Effizienz des Wärmepumpensystems schalten Betreiber zusätzlich zur Abwasserwärmepumpe weitere Wärmepumpen in Reihe, um Warmwasser bereitzustellen.
Ein Beispiel für ein kaltes Nahwärmenetz in einem Wohngebiet und ein Beispiel für ein großes Nahwärmenetz mit Mischnutzung von Neubau und Altbau sowie einem Schwimmbad sehen Sie im Webinar „Abwasserwärme nutzen”.
Wärmepumpenkaskade Schema Nahwärmenetz mit (Booster) Wärmpepumpe Nahwärmenetz
Um 60 °C Warmwassertemperatur zu erreichen, kommt eine Boosterwärmepumpe in serieller Schaltung zum Einsatz; die Wärmequelle bildet hier ein Abwasserwärmetauscher für Heiz- und Kühlzwecke.
Bedeutung für die Auslegung des Pufferspeichers
Grundsätzlich spielen bei der Dimensionierung einer parallelen Wärmepumpenkaskade die Abtauenergie und die Spitzenglättung eine untergeordnete Rolle im Vergleich zu einer einzelnen größeren Wärmepumpe. Dadurch können die Pufferspeicher kleiner ausfallen.
Nachfolgend werden die Einflüsse einer parallelen und seriellen Wärmepumpenkaskade auf das Auslegen der Pufferspeicher näher charakterisiert. In der Anlagensimulation ist zu berücksichtigen, dass in Praxisprojekten die Platzverhältnisse oft begrenzt sind.
Auswirkung einer parallelen Wärmepumpenkaskade auf die Planung der Pufferspeicher
Alle Wärmepumpen speisen bei gleichem Temperaturniveau in das Heizsystem bzw. in den Pufferspeicher ein. Dies hat folgende Auswirkungen auf die Planung der Pufferspeicher:
- Gleichmäßigeres Temperaturniveau im Speicher, was eine stabile Schichtung ermöglicht.
- Effizientere Nutzung des Speichers durch eine gleichmäßige Beladung.
- Flexiblere Leistungsanpassung durch gestaffelten Betrieb (z. B. nur eine Wärmepumpe bei Teillast).
- Da keine hohen Temperaturunterschiede oder Zwischenpuffer erforderlich sind, ist weniger Speichergröße benötigt als bei einer seriellen Kaskade
- Die Integration in bestehende Speicherstrukturen ist einfacher.
Serielle Wärmepumpenkaskade: Auswirkung auf die Planung der Pufferspeicher
Die serielle Wärmenpumpenkaskade hat folgende Auswirkungen auf die Planung der Pufferspeicher:
- Es sind höhere Vorlauftemperaturen möglich als bei einer parallelen Kaskade.
- Der Speicher muss eventuell höheren Temperaturen standhalten.
- Die Schichtung wird komplexer, da mehrere Temperaturniveaus im Speicher auftreten können.
- Es ist möglich, mehrere Speicher oder Schichtspeicher einzusetzen, um eine klare Trennung der Temperaturniveaus zu erreichen.
- Es entsteht ein größerer Speicherbedarf, um eine ausreichende Entkopplung der Wärmepumpenstufen zu gewährleisten.
Wie kann eine Wärmepumpe Kaskadenschaltung präzise geplant und optimiert werden?
Aufgrund der komplexen Interaktionen zwischen den Komponenten und den variablen Betriebsbedingungen ist für die Auslegung von Wärmepumpenkaskaden eine dynamische Anlagensimulation erforderlich. Herkömmliche statische Berechnungen können weder die Effizienzvorteile noch die hydraulischen Systeme präzise abbilden.
Mithilfe einer speziellen Simulationssoftware wie Polysun kann das dynamische Verhalten von Wärmepumpensystemen präzise abgebildet werden. Da sich Wärmepumpenkaskaden im Tages- und Jahresverlauf nicht linear verhalten, sondern auf Lastspitzen, Teillastzeiten und Änderungen der Außentemperatur unterschiedlich reagieren, ist eine solche Simulation unerlässlich.
Simulation der Wärmepumpe Kaskadenschaltung notwendig für präzise Planung
Während eine manuelle Auslegung diese Komplexität kaum erfassen kann, ermöglicht eine Wärmepumpen-Software wie Polysun eine stündliche oder sogar minutengenaue Simulation über das gesamte Jahr. Das ermöglicht eine optimale Abstimmung aller Systemkomponenten. Dies betrifft insbesondere das Taktverhalten, die Modulation und den Wirkungsgrad der Wärmepumpen bei Teillast, das Schichtungs- und Ladeverhalten sowie die thermischen Verluste der Pufferspeicher. Die Simulation berücksichtigt auch den Einfluss von Mischventilen auf die Rücklauftemperatur und die Speicherzonen sowie die hydraulische Verschaltung und Regelung des Gesamtsystems. Dadurch lässt sich gezielt steuern, wann welche Wärmepumpe startet, welche Temperatur geregelt wird und wie die Wärmeströme verteilt werden.
Optimierung der Wärmepumpenkaskade, unnötige Kosten vermeiden
Nur durch eine Simulation können die Unterschiede in der Jahresarbeitszahl (JAZ) bei verschiedenen Kaskadenstrategien realistisch dargestellt werden. Betriebsstunden, Stillstandszeiten und Takthäufigkeit werden transparent ausgewiesen, was eine fundierte Bewertung der Energieeffizienz und der Betriebskosten ermöglicht. Auch bei der Dimensionierung und der Investitionssicherheit bietet die Simulation entscheidende Vorteile. Zu große Speicher verursachen unnötige Kosten, während zu kleine Speicher die Effizienz verschlechtern und das Takten der Wärmepumpen erhöhen. Die Simulation hilft dabei, den optimalen Kompromiss zu finden und ermöglicht zudem Systemvergleiche, etwa mit Einzel-Wärmepumpen oder Hybridsystemen. Damit sparen Bauherren, Energieversorgung und Contractoren.
Risiko einer Fehlplanung minimieren
Ohne Simulation in einer Wärmepumpen-Simulationssoftware wie Polysun besteht das Risiko von Fehlauslegungen. Unterdimensionierte Puffer reduzieren die Laufzeitoptimierung, falsche Hydraulik führt zu ineffizientem Teillastbetrieb, und unzureichende Redundanz gefährdet die Betriebssicherheit. Softwarelösungen wie Polysun ermöglichen eine ganzheitliche Bewertung aller Komponenten unter realen Bedingungen, was manuelle Berechnungen nicht leisten könnte.
Fazit:
Mit der Simulation der Wärmepumpenkaskade und Optimierung der Wirtschaftlichkeit des Wärmepumpensystems können Bauherren, Immobilieninvestoren, Energiecontractoren und Energiedienstleister bis zu 40 % der Energiekosten sparen. Bei Neubauten und Umbauten erhalten sie Planungssicherheit, um ihre CO₂-Ziele zu erreichen, und minimieren das Risiko von Fehlplanungen.
FAQ
Was sind typische Fehler bei der Planung von Wärmepumpe Kaskadenschaltung?
Bei der Planung und Auslegung von Wärmepumpenkaskaden können Fehler in der Systemauslegung auftreten, die sich negativ auf Effizienz, Lebensdauer und Betriebskosten auswirken.
Ungenaue Dimensionierung der Kaskadenstufen
Ein zentrales Problem ist die fehlerhafte Dimensionierung der Kaskadenstufen. Wird eine oder mehrere Stufen überdimensioniert, führt dies zu häufigem Takten – also ständigem Ein- und Ausschalten – was wiederum den Verschleiß erhöht und die Effizienz deutlich reduziert. Eine ungleiche Leistungsverteilung wirkt sich besonders kritisch aus: Eine überdimensionierte Wärmepumpe trägt dauerhaft die Hauptlast, während die anderen kaum zum Einsatz kommen. Dies führt zu Energieverschwendung und einer ungleichmäßigen Abnutzung der Komponenten. Eine mögliche Folge: Der Stromverbrauch kann um z.B. 15% bis 30 % steigen, während die Lebensdauer der Anlage sinkt.
Hydraulische Einbindung des System ohne hydraulischen Abgleich
Ein weiterer häufiger Fehler liegt in der hydraulischen Einbindung des Systems. Ohne hydraulischen Abgleich verteilt sich die Wärme nicht gleichmäßig auf die Wärmepumpen. Das führt zur Überlastung einzelner Einheiten. Zudem können komplizierte hydraulische Systeme mit vielen Mischkreisen oder unklaren Strömungswegen hohe Druckverluste verursachen. Dies wiederum erfordert mehr Pumpenleistung und senkt die Gesamteffizienz der Anlage erheblich.
Regelungstechnische Defizite
Auch regelungstechnische Defizite wirken sich negativ aus. Eine unkoordinierte Stufenschaltung – also die fehlende Abstimmung, welche Wärmepumpe wann und in welcher Reihenfolge aktiv wird – kann dazu führen, dass mehrere Geräte gleichzeitig anlaufen. Dies erzeugt unnötige Stromspitzen und belastet das Netz.
Unzureichende Einbindung der Warmwasseraufbereitung
Ein oft unterschätzter Punkt ist die unzureichende Einbindung der Warmwasserbereitung. Zu kleine Pufferspeicher führen dazu, dass bei gleichzeitiger Warmwasserentnahme und Heizbetrieb der Kaskadenbetrieb unterbrochen wird.
Diese möglichen Planungsfehler zeigen, dass eine sorgfältige und ganzheitliche Betrachtung der Wärmepumpenkaskade – sowohl hydraulisch als auch regelungstechnisch – unerlässlich ist, um eine effiziente, langlebige und wirtschaftliche Anlage zu realisieren.
Gibt es auch Wärmepumpenkaskaden mit modulierenden Wärmepumpen?
Wärmepumpe Kaskadenschaltung mit modulierenden Wärmepumpen und sie werden sogar zunehmend bevorzugt, insbesondere in Anwendungen mit stark schwankendem Wärmebedarf, wie beispielsweise in Mehrfamilienhäusern, Hotels oder Bürogebäuden.
Bei der Planung und Umsetzung solcher Kaskaden gibt es einige wichtige Aspekte zu beachten, um einen zuverlässigen und effizienten Betrieb sicherzustellen. Zunächst muss die Kaskadenregelung die Modulation tatsächlich unterstützen. Das bedeutet, dass die Steuerung nicht nur einfache Ein/Aus-Signale senden darf, sondern auch über geeignete Schnittstellen wie 0–10 V, Modbus, CAN oder vergleichbare Protokolle in der Lage sein muss, die Leistungsanpassung der einzelnen Wärmepumpen stufenlos anzusteuern.
Darüber hinaus ist eine passende hydraulische Planung unerlässlich. Auch bei modulierenden Geräten bleibt der hydraulische Abgleich ein zentrales Thema. In vielen Fällen ist zusätzlich ein Pufferspeicher mit definiertem Mindestvolumen erforderlich, um die thermische Trägheit des Systems zu erhöhen und eine stabile Regelung zu ermöglichen. Ohne diese Maßnahmen kann es trotz Modulationsfähigkeit zu instabilem Verhalten oder unnötigem Takten kommen.
Ein weiterer kritischer Punkt betrifft die Herstellerkompatibilität innerhalb der Kaskade. Werden Wärmepumpen unterschiedlicher Hersteller oder mit abweichenden Leistungsgrößen kombiniert, muss sorgfältig geprüft werden, ob deren Steuerungssysteme miteinander kommunizieren können. Falls dies nicht möglich ist, kann eine übergeordnete Gebäudeleittechnik oder MSR-Regelung erforderlich sein, um die Koordination und die optimale Leistungsaufteilung sicherzustellen.
Was ist ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem?
Ein Mehrquellen-Wärmepumpensystem, auch Multiquellen-Wärmepumpensystem genannt, kombiniert mindestens zwei verschiedene Wärmequellen, um die Effizienz und Zuverlässigkeit der Wärmeversorgung zu erhöhen. Typische Wärmequellen sind das Erdreich (über Sonden oder Kollektoren), die Außenluft, Grundwasser, Seewasser, Solarthermie, Abwasser oder Abwärmequellen. Das System ist so ausgelegt, dass jeweils die günstigste oder effizienteste Quelle genutzt wird, beispielsweise wenn eine höhere Quellentemperatur vorliegt oder der Energieaufwand für eine bestimmte Quelle besonders niedrig ist.
Vorteile von Mehrquellen-Wärmepumpensystemen
Die Kombination verschiedener Wärmequellen bietet zahlreiche Vorteile. Einerseits wird die mittlere Quellentemperatur erhöht, was die Effizienz der Wärmepumpe deutlich steigert. Andererseits kann der Platzbedarf für Erdwärmesonden, der insbesondere in innerstädtischen Gebieten oft limitierend ist, erheblich reduziert werden, da ein Teil der Wärme flexibel aus anderen Quellen, wie der Außenluft, bezogen werden kann. Darüber hinaus bietet ein Mehrquellen- bzw. Multiquellen-Wärmepumpensystem eine hohe Ausfallsicherheit: Sollte eine Quelle etwa durch Vereisung oder Leistungsengpässe zeitweise ausfallen oder weniger effizient arbeiten, kann das System problemlos auf eine andere Quelle umschalten.
Systemvarianten
In der Praxis werden verschiedene Systemvarianten eingesetzt. Häufig speisen alle Wärmequellen einen gemeinsamen Kältekreis, in dem ein oder mehrere Verdampfer die Energie aufnehmen. Alternativ können mehrere Verdampfer – jeweils einer pro Quelle – in einem Kältekreis seriell oder parallel geschaltet werden. Es gibt auch Anlagen, bei denen mehrere Wärmepumpen für unterschiedliche Quellen an ein gemeinsames Heizsystem gekoppelt sind.
So kann beispielsweise ein grösseres Mehrfamilienhaus mit einem Mehrquellen-System aus Erdreich und Außenluft versorgt werden. In der Planung sind Mehrquellen- oder Multiquellen-Wärmepumpensysteme notwendig, um typische Hemmnisse bei der Wärmequellenerschließung – wie Platzmangel oder Lärmemissionen – zu überwinden und Investitionskosten zu senken.
Was bringt eine Simulation des Muiltquellen-Wärmepumpensystems?
Gerade bei Mehrquellen- oder Multiquellen-Wärmepumpensystemen ist eine Wärmepumpen- bzw. Anlagesimulation unerlässlich. Nur so können das komplexe Zusammenspiel der unterschiedlichen Wärmequellen, die dynamischen Betriebsbedingungen und die standortspezifischen Faktoren realitätsnah abgebildet werden. Mithilfe einer Simulation lassen sich verschiedene Systemvarianten und Betriebsstrategien im Vorfeld detailliert analysieren. Dadurch vermeiden Fachleute Planungsfehler, maximieren die Effizienz und steigern die Wirtschaftlichkeit. Zudem können mögliche Probleme, wie eine unzureichende Heizleistung oder ein zu hoher Stromverbrauch, frühzeitig erkannt und behoben werden, sodass teure Nachbesserungen und Betriebsausfälle vermieden werden.
Wie dimensioniert man eine Wärmepumpenkaskade präzise mit einem Wärmepumpensimulationsprogramm?
Eingabe Systemparameter
Die präzise Dimensionierung einer Wärmepumpenkaskade mit einer Simulationssoftware erfolgt in mehreren Schritten, die das reale Betriebsverhalten und alle relevanten Systemparameter abbilden. Zunächst werden Gebäudedaten, Heiz- und Warmwasserbedarf sowie Standortbedingungen in die Software eingegeben. Mithilfe dynamischer Wetter- und Lastprofile simuliert die Software den tatsächlichen Wärmebedarf über das Jahr hinweg. Anschließend wählen die Anwender marktübliche Wärmepumpen aus einer Komponentendatenbank aus und platzieren sie als einzelne Kaskadenstufen im Systemmodell. Die Planer konfigurieren die hydraulische Verschaltung – inklusive Pufferspeicher, Pumpen und Regelungen – entsprechend der geplanten Anlage.
Simulation reales Betriebsverhalten
Im nächsten Schritt simuliert die Software den Betrieb der gesamten Kaskade über ein typisches Jahr. Dabei werden für jede Wärmepumpe und jeden Zeitschritt Quellentemperaturen, Vorlauftemperaturen, elektrische Leistungsaufnahmen und abgegebene Wärmeleistungen berechnet. Die Planer bilden die Regelung der Kaskade und verschiedene Schaltstrategien realitätsnah ab und optimieren sie, um die optimale Anzahl und Leistung der einzelnen Wärmepumpenstufen zu ermitteln. Ziel ist eine gleichmäßige Auslastung, minimale Takthäufigkeit und eine hohe Effizienz.
Variantenvergleich und Optimierung
Ein zentraler Vorteil einer Simulationssoftware ist der Variantenvergleich und Variantenoptimierung: Verschiedene Auslegungsvarianten – etwa unterschiedliche Kaskadenkonfigurationen, Speichergrößen oder Regelstrategien – können direkt miteinander verglichen werden. Die Software liefert dazu detaillierte Auswertungen zu Stromverbrauch, Jahresarbeitszahl, Laufzeiten und Temperaturverläufen für jede Kaskadenstufe sowie das Gesamtsystem. So lassen sich die Varianten gezielt hinsichtlich der Projektziele wie CO₂-Einsparung oder Wirtschaftlichkeit optimieren. Im Ergebnisbericht können beispielsweise die CO₂-Einsparung und die jährlichen Betriebskosten unter Berücksichtigung von Energieverbrauch, Lebensdauer der Komponenten und Energiepreissteigerungen transparent dargestellt werden.
Durch dieses methodische Vorgehen stellt die Simulationssoftware sicher, dass die Wärmepumpenkaskade exakt auf die Anforderungen des Projekts zugeschnitten ist und unter realen Bedingungen optimal funktioniert.
Wie viele Geräte sind optimal in einer Kaskade für ein grösseres Schulhaus?
Die Wahl der optimalen Geräteanzahl hängt von mehreren Faktoren ab. Für ein größeres Schulhaus liegt die optimale Anzahl an Wärmepumpen in einer Kaskade typischerweise zwischen zwei und drei Geräten. Praxisbeispiele zeigen, dass bei hohen Heiz- und Warmwasserbedarfen – etwa 150 kW oder mehr – häufig zwei leistungsstarke Wärmepumpen in Kaskade eingesetzt werden.
Für größere Schulhäuser mit sehr hohem Energiebedarf kann die Kaskade im Einzelfall auch aus mehr als drei Geräten bestehen, dies ist jedoch eher selten und sollte anhand einer detaillierten Simulation geprüft werden. In den meisten Fällen sind zwei bis drei Wärmepumpen optimal, um Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit zu kombinieren
Wie verändert sich die Jahresarbeitszahl (JAZ) bei einer Kaskade?
Eine Wärmepumpenkaskade kann im Vergleich zu einer Einzelanlage die Jahresarbeitszahl erhöhen, weil die einzelnen Geräte häufiger im optimalen Betriebsbereich laufen und besser auf den Bedarf abgestimmt werden können. Voraussetzung hierfür ist eine effiziente Regelung und Auslegung der Anlage. Fachleute ermitteln die genaue JAZ stets individuell für das jeweilige System und Gebäude, da zahlreiche Faktoren darauf Einfluss nehmen.
Für welche Gebäudetypen sind Kaskadenlösungen sinnvoll? (z. B. Schulen, Bürogebäude, MFH)
Wärmepumpenkaskaden sind besonders sinnvoll für Gebäude und Anwendungen mit hohem oder stark schwankendem Wärme-, Warmwasser- oder Kühlbedarf. Typische Einsatzbereiche sind:
Mehrfamilienhäuser (MFH) und größere Wohnanlagen:
Kaskadenlösungen eignen sich hervorragend für Mehrfamilienhäuser, da hier der Heiz- und Warmwasserbedarf hoch und oft zeitlich unterschiedlich ist.
Büro- und Verwaltungsgebäude:
In Bürogebäuden schwankt der Heiz- und Kühlbedarf je nach Nutzung und Tageszeit stark. Kaskaden ermöglichen eine flexible Anpassung der Leistung und sorgen für effizienten Teillastbetrieb
Schulen und Bildungseinrichtungen:
Schulen haben einen wechselnden Heiz- und Warmwasserbedarf (z. B. morgens, mittags, Sportbetrieb). Kaskaden bieten die nötige Flexibilität und Redundanz, um auch bei Ausfall einzelner Geräte den Betrieb sicherzustellen
Hotels, Sportstätten, Pflegeheime:
In Gebäuden mit hohem und gleichzeitigem Bedarf an Raumwärme und Warmwasser (z. B. Hotels, Fitnesscenter, Pflege- und Seniorenzentren) sind Kaskaden besonders vorteilhaft. Sie ermöglichen die gleichzeitige Bereitstellung von Heizung, Warmwasser und ggf. Kühlung
Gewerbe- und Industrieobjekte:
Auch in Gewerbeimmobilien, Produktionsstätten oder Lagerhallen mit großem oder wechselndem Wärmebedarf bieten Kaskaden Vorteile durch Skalierbarkeit und Ausfallsicherheit
Altbauten mit schwankendem Bedarf:
In Altbauten mit unterschiedlichen Isolationsstandards und variabler Heizlast können Kaskaden die Leistung optimal anpassen und so die Effizienz steigern
Große Einfamilienhäuser mit besonderen Anforderungen:
Selbst in großen Einfamilienhäusern, etwa mit Einliegerwohnung oder Homeoffice, kann eine Kaskade sinnvoll sein, wenn hohe Flexibilität oder Redundanz gefragt ist.
Wie integriere ich eine Kaskade in bestehende Systeme (Hybridlösungen)?
Die Integration einer Wärmepumpenkaskade in bestehende Heizsysteme erfolgt meist im Rahmen einer Hybridlösung, bei der die Kaskade mit einem weiteren Wärmeerzeuger (z. B. Gas-, Öl-Brennwertkessel, Solarthermie oder Photovoltaik) kombiniert wird. Ziel ist es, die Vorteile beider Systeme optimal zu nutzen und eine hohe Effizienz sowie Versorgungssicherheit zu gewährleisten.
Vorgehen bei der Integration:
Bestandsaufnahme und Planung
Zunächst analysieren Fachleute das bestehende Heizsystem, um festzustellen, wie die Wärmepumpenkaskade am sinnvollsten eingebunden werden kann. Entscheidend sind dabei der Wärmebedarf, die vorhandene Infrastruktur und die gewünschte Betriebsstrategie (monovalent, bivalent, parallel oder alternativ).
Kaskadensteuerung und Regelung
Die Wärmepumpenkaskade wird mit einer intelligenten Steuerung ausgestattet, die sowohl den Betrieb der einzelnen Wärmepumpen als auch die Zusammenarbeit mit dem bestehenden Wärmeerzeuger koordiniert.
Festlegung des Bivalenzpunktes:
In Hybridlösungen übernimmt die Wärmepumpenkaskade die Grundlast, während der konventionelle Wärmeerzeuger (z. B. Gas- oder Ölkessel) bei sehr niedrigen Außentemperaturen oder Spitzenlasten zugeschaltet wird.
Hydraulische Einbindung:
Die Wärmepumpenkaskade wird in das bestehende Heizungsnetz eingebunden, meist über einen Pufferspeicher, der als hydraulische Weiche dient und eine flexible Versorgung aller Verbraucher sicherstellt. Berücksichtigung der bestehenden Heizsysteme und Rohrdurchmesser.
Praxisbeispiele für Hybridlösungen
Die verschiedenen Hybridlösungen sind in einem separaten Blog verglichen. Diese können auch als Kaskade abgebildet werden.
Eine sorgfältige Planung und Dimensionierung der Hybridlösung ist unerlässlich, um eine optimale Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu erreichen.
Gerade bei komplexeren Wärmepumpensystemen hilft die Simulation, verschiedene Varianten zu vergleichen und die beste Lösung für das jeweilige Projekt zu finden und das Erreichen der spezifischen Projektziele schon in einer frühen Planungsphase aufzuzeigen.