Heizungs-ABC: Was ist eine Wärmepumpenkaskade? (Einsatz, Aufbau, Vorteile)

In unserem Experten-Interview: Wann sollte keine Wärmepumpe eingebaut werden? sprach unser Wärmepumpen-Experte Ulf Heidrich unter anderem über den Einsatz einer sogenannten Wärmepumpenkaskade für große Gebäude. Wir erklären euch hier, was eine Wärmepumpenkaskade ist. Ihr erfahrt zudem, wo sie sinnvoll eingesetzt werden kann. Darüber hinaus stellen wir euch die Vorteile einer Wärmepumpenkaskade vor. 

Begriffserklärung: Was ist eine Wärmepumpenkaskade? (Definition)

Beim Begriff “Kaskade” denken die meisten an einen Wasserfall über mehrere Stufen hinweg, wie er auf unserem Titelfoto oben zu sehen ist: Im Beispiel handelt es sich um die Aysgarth-Wasserfälle im Fluss Ure im Nationalpark Wensleydale in Yorkshire, England. Sie gehen über eine Strecke von etwa 800 Metern (m), auf der der Fluss einen Höhenunterschied von 30 m überwindet.

Von einer Wärmepumpenkaskade ist immer dann die Rede, wenn zwei oder mehr Wärmepumpen miteinander verschaltet stufenweise zum Einsatz kommen.

Das Ziel der Verschaltung mehrerer Wärmepumpen ist es, mit vereinter Kraft größere Wärmemengen zu erzeugen. Somit ist die Wärmepumpenkaskade eine Alternative zu einer entsprechend größeren Wärmepumpe.

Wann wird eine Wärmepumpenkaskade eingesetzt?

Eine Wärmepumpenkaskade wird immer dann eingesetzt, wenn der Wärmebedarf eines Gebäudes oder einer Anlage (bei Prozesswärme) die Leistungskapazität einer einzelnen Wärmepumpe übersteigt. Mit dem sogenannten Kaskadieren mehrerer technischer Einheiten lassen sich höhere Leistungen erreichen. Aber nicht nur das: Auch der Heizbetrieb wird damit optimiert. Denn dank der vereinten Leistungskapazität ist es möglich, flexibler und effizienter auf unterschiedliche Heizlasten zu reagieren.

Wie ist eine Wärmepumpenkaskade aufgebaut?

Der Aufbau einer Wärmepumpenkaskade ist schnell beschrieben: Sie besteht aus mehreren Wärmepumpen, die parallel zueinander oder in Reihe in einem hydraulischen System verschaltet sind. Die einzelnen Geräte werden von einer Steuerung aufeinander abgestimmt (synchronisiert). Die Steuerung schaltet die Wärmepumpen nach Bedarf ein oder aus.

Eine Wärmepumpenkaskade ist typischerweise aus folgenden Komponenten aufgebaut:

• zwei oder mehr Wärmepumpeneinheiten ( je nach Einsatzgebiet Luft-, Erd- oder Wasserwärmepumpen)
• hydraulische Verbindungen zwischen den einzelnen Wärmepumpen und dem Heizsystem
• Steuerungs- und Regelungseinheit, die den Betrieb der Kaskade effizient steuert
• Pufferspeicher, um kurzfristige Lastschwankungen abzufangen

Wie funktioniert eine Wärmepumpenkaskade? (Funktionsweise)

Die Funktionsweise einer Wärmepumpenkaskade ist darauf ausgelegt, den Heiz- und Warmwasserbedarf des Gebäudes oder der technischen Anlage (bei Prozesswärme) optimal zu decken.

Die Kaskade passt ihre Heizleistung dank der smarten Steuerung automatisch an die benötigte Wärmemenge an. Bei geringem Bedarf läuft zunächst nur eine Wärmepumpe. Steigt der Wärmebedarf, schaltet die Steuerung nach und nach weitere hinzu. Die Last wird dabei gleichmäßig auf die kaskadierten Geräte verteilt, was die Lebensdauer der einzelnen Wärmepumpen und damit auch die der Kaskade verlängert und ihre Effizienz steigert. Sinkt der Wärmebedarf wieder, lässt sich eine Wärmepumpe herunterfahren, während der Betrieb der noch laufenden an den aktuellen Wärmebedarf angepasst werden kann.

Das heißt, dass die Heizleistung der Wärmepumpenkaskade präzise an den spezifischen Wärmebedarf angepasst wird. Über die intelligente (smarte) Kaskadenschaltung decken ein oder mehrere Geräte die Grundversorgung ab, bei Verbrauchsspitzen werden weitere Geräte zugeschaltet. So lässt sich die Leistung modulieren und die Jahresarbeitszahl (JAZ) sowie die Wirtschaftlichkeit der Anlage optimieren.

Besonders in Verbindung mit einem Pufferspeicher kann eine Kaskade flexibel auf Lastspitzen reagieren, ohne dass alle Wärmepumpen gleichzeitig in Betrieb sind. Das steigert die Effizienz und reduziert den Energieverbrauch.

Wärmepumpentypen in Wärmepumpenkaskaden

Gut zu wissen: Es ist durchaus möglich, unterschiedliche Wärmepumpentechniken miteinander in einer Wärmepumpenkaskade zu kombinieren, um die Effizienz der Wärmeerzeugung insgesamt zu maximieren. Beispielsweise ließen sich Luftwärmepumpen für moderate Außentemperaturen und Erdwärmepumpen für extreme Witterungsbedingungen zu einer Kaskade vereinen.

Unterschiedliche Wärmepumpentechniken in einer Kaskade

In Wärmepumpenkaskaden können – je nach den Anforderungen des Projekts – verschiedene Wärmepumpentypen integriert werden:

Luftwärmepumpen (Luft-Wasser-Wärmepumpen): Sie nutzen die Umgebungsluft als Wärmequelle. Sie sind relativ einfach zu installieren, jedoch weniger effizient bei sehr niedrigen Außentemperaturen.

Erdwärmepumpen (Sole-Wasser-Wärmepumpen): Diese Geräte nutzen die Erdwärme

• entweder über Erdkollektoren

• oder Erdwärmesonden.

Sie bieten eine hohe Effizienz, da die Erdreichtemperatur das ganze Jahr über relativ konstant bleibt.

Wasserwärmepumpen (Wasser-Wasser-Wärmepumpen): Diese entziehen Grundwasser Wärme, was eine der effizientesten Wärmepumpenlösungen ist. Allerdings ist die Installation aufwendiger, da Genehmigungen für die Grundwassernutzung erforderlich sind.

Was sind typische Einsatzorte von Wärmepumpenkaskaden?

Wärmepumpenkaskaden werden bevorzugt in großen Wohngebäuden, Gewerbebauten oder Industrieanlagen mit einem großen und andauernden (kontinuierlichen) Wärmebedarf eingesetzt. Typische Anwendungen sind:

• Mehrfamilienhäuser (auch Altbauten)
• Hotels und Bürogebäude
• Schulen und Krankenhäuser
• Industrieanlagen mit Prozesswärmebedarf

Was ist beim Einsatz von Wärmepumpenkaskaden in Altbauten zu beachten?

Wärmepumpenkaskaden sind bei sorgfältiger Planung und gegebenenfalls bautechnischer Anpassung eine flexible, effiziente und umweltfreundliche Heizlösung.

3 häufige Herausforderungen beim Wärmepumpeneinsatz in Altbauten

Altbauten mit erneuerbarer Umweltwärme zu beheizen, stellt die Planer:innen und Handwerker:innen vor ganz besondere Herausforderungen:

• unzureichende Dämmung (Isolierung) des Gebäudes: Altbauten sind oft noch gar nicht bis unzureichend gedämmt, was den Wärmeverlust des Gebäudes an die Umgebung erhöht. Infolgedessen steigt der Heizbedarf des Altbaus.
• alte Heizsysteme: Altbauten nutzen oft noch Heizungsanlagen mit hohen Vorlauftemperaturen, die nicht optimal zu modernen Wärmepumpen passen, da diese mit niedrigen Temperaturen besonders effizient arbeiten.
• schwankender Wärmebedarf: Aufgrund der Altbauweise und Nutzung des Gebäudes schwankt der Wärmebedarf (sowohl Grundlast als auch Spitzenlast) oft stark (sogenannte Lastfluktuation).

Um Altbauten dennoch mit Wärmepumpen beheizen zu können, sind gegebenenfalls bestimmte bautechnische Anpassungen erforderlich. Dazu zählen unter anderem:

3 typische bautechnische Anpassungen im Altbau für Wärmepumpenkaskade

• Heizsystem anpassen: Unter Umständen müssen bestehende Heizsysteme modernisiert werden, um mit niedrigeren Vorlauftemperaturen zurecht zu kommen (Einbau von Flächenheizungen).
• Platz für Wärmepumpenkaskade schaffen: Für die Installation mehrerer Wärmepumpen, die zu einer Wärmepumpenkaskade vereint werden, muss ausreichend Platz vorhanden sein. Wobei Wärmepumpen für Kaskaden oft kleiner und kompakter ausfallen können.
• Anlage absichern: Wärmepumpen arbeiten mit sogenannten Kältemitteln wie R290. Für einen sicheren Betrieb sind bestimmte Maßnahmen zur Belüftung und Leckageerkennung zu ergreifen.

Wichtig: Die anfänglich hohen Kosten gleichen sich mit den langfristigen Energieeinsparungen aus, die die Wärmepumpenkaskade im Altbau bringt. Wozu auch angemerkt werden muss, dass ihr die Investitionskosten deutlich senken könnt, wenn ihr die verschiedenen staatlichen Förderungen für energieeffiziente Gebäudesanierungen inklusive erneuerbare Heizungen beansprucht.

Welche Vorteile bringt eine Wärmepumpenkaskade?

Eine Wärmepumpenkaskade bringt mehrere Vorteile mit sich:

• skalierbare Leistung: Mit dem Kombinieren mehrerer Wärmepumpen lässt sich die Heizleistung flexibel und passgenau an den jeweiligen Wärmebedarf anpassen (Stichworte: Lastausgleich innerhalb der Kaskade, Betriebsstunden-Balancing, Heizkostenersparnis).
• höhere Effizienz: Die Kaskadierung ermöglicht den Betrieb mehrerer Wärmepumpen im optimalen Effizienzbereich, was den Energieverbrauch des Systems reduziert.
• zuverlässiger Betrieb (Redundanz): Bei Ausfall einer Wärmepumpe bleibt das System in Betrieb, da die anderen Einheiten weiterhin Wärme liefern (Stichworte: Versorgungssicherheit, Betriebssicherheit).
• längere Lebensdauer: Die Lastverteilung auf mehrere Wärmepumpen in der Kaskade reduziert den Verschleiß der einzelnen Geräte.
• flexible Wartung: Wartungsarbeiten an einer einzelnen Wärmepumpe können durchgeführt werden, ohne den gesamten Heizbetrieb de Wärmepumpenkaskade zu unterbrechen.

Fazit

Eine Wärmepumpenkaskade ist eine effiziente Lösung für Gebäude oder Anlagen mit hohem Wärmebedarf. Sie bietet flexible, skalierbare Heizleistungen, eine hohe Effizienz und Redundanz im Betrieb. Je nach Anforderung können unterschiedliche Wärmepumpentechniken in einer Kaskade kombiniert werden.

Fotos und Grafiken: RamblingTog- Stock.Adobe.com (Titelfoto), Paradigma (Paradigma Wärmepumpe WP Aero Calima), Grafiken: bwp