Kaskadeninstallation in Wärmepumpensystemen

Was ist eine Kaskadeninstallation in Wärmepumpensystemen?

Eine Kaskadeninstallation ist eine Wärmepumpenkonfiguration, bei der zwei oder mehr Wärmepumpeneinheiten in Reihe geschaltet werden. Jede Einheit verarbeitet dabei die von der vorherigen Einheit bereitgestellte Wärme beziehungsweise den thermischen Ausgangszustand. Diese sequenzielle Anordnung ermöglicht End-Heiztemperaturen, die eine einzelne Wärmepumpeneinheit allein nicht erreichen kann.

In einem Kaskadensystem entzieht die erste Wärmepumpe einer Niedertemperaturquelle Wärme und hebt diese auf ein mittleres Temperaturniveau an. Die zweite Wärmepumpe nutzt dieses mittlere Temperaturniveau als eigene Wärmequelle und hebt die Energie weiter auf eine hohe Vorlauftemperatur an. So entsteht eine thermodynamische Kette, die den Einsatzbereich der Wärmepumpentechnologie über die Grenzen einstufiger Systeme hinaus erweitert.

Die Kaskadeninstallation ist eine eigenständige Konfigurationsart innerhalb der Planung von Wärmepumpenanlagen. Sie unterscheidet sich von der Parallelinstallation, bei der mehrere Einheiten die Last auf derselben Temperaturstufe gemeinsam tragen. Ebenso unterscheidet sie sich von speicherintegrierten Systemen, bei denen eine einzelne Einheit einen thermischen Speicher belädt. Eine Kaskadenkonfiguration bezeichnet speziell eine gestufte, in Reihe geschaltete Anordnung von Kältemittelkreisläufen.

Zweck einer Kaskadeninstallation in Wärmepumpensystemen

Der Hauptzweck einer Kaskadeninstallation besteht darin, hohe Vorlauftemperaturen aus Niedertemperatur-Wärmequellen zu erzeugen. Eine standardmäßige Luft- oder Erdwärmepumpe arbeitet innerhalb eines bestimmten Temperaturhubbereichs effizient. Überschreitet die geforderte Vorlauftemperatur diesen Bereich, fällt die Leistungszahl, also der COP, deutlich ab, und der Verdichter wird thermisch stärker belastet. Die Kaskadeninstallation löst dieses Problem, indem sie den Temperaturhub auf zwei thermodynamische Stufen verteilt.

Eine Kaskadenkonfiguration ermöglicht außerdem den Einsatz von Wärmepumpentechnologie in Anwendungen, die bisher häufig auf fossile Heizkessel angewiesen waren. Prozesswärme, hochtemperierte Trinkwarmwasserbereitung und ältere Heizkörpersysteme benötigen Vorlauftemperaturen, die über dem Bereich liegen, den eine einzelne Wärmepumpenstufe effizient bereitstellen kann. Durch die Kopplung von zwei Kältemittelkreisläufen können diese Temperaturen erzeugt werden, während die Betriebseffizienz erhalten bleibt.

Ein weiterer Zweck ist die Systemflexibilität. Kaskadenkonfigurationen erlauben es, für jede Stufe ein Kältemittel und einen Verdichtertyp zu verwenden, die auf den jeweiligen Temperaturbereich optimiert sind. Die Niedertemperaturstufe nutzt ein Kältemittel, das für kalte Verdampfungsbedingungen geeignet ist. Die Hochtemperaturstufe nutzt ein Kältemittel, das für erhöhte Kondensationsbedingungen ausgelegt ist. Diese Aufteilung der thermodynamischen Aufgaben führt zu einer besseren Gesamtleistung, als wenn ein einziges Kältemittel den gesamten Temperaturbereich abdecken müsste.

Warum eine Kaskadeninstallation erforderlich ist

Das Problem des Temperaturhubs

Die Effizienz einer Wärmepumpe sinkt, je größer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur wird. Diese Differenz wird als Temperaturhub bezeichnet. Jeder zusätzliche Temperaturhub von 10 K senkt die Leistungszahl in Standardkonfigurationen um etwa 2 bis 3 %. Ein großer Temperaturhub lässt die Effizienz deutlich einbrechen und erhöht die Betriebskosten so stark, dass fossile Brennstoffe wirtschaftlich wieder konkurrenzfähig werden können.

Standardmäßig ausgelegte monovalente Wärmepumpen erreichen typischerweise Vorlauftemperaturen von etwa 55 bis 60 °C. Viele Bestandsgebäude in Österreich, Deutschland und der Schweiz wurden jedoch für Heizkörpersysteme ausgelegt, die mit Auslegungsprofilen von 70/55 °C oder sogar 80/60 °C für Vorlauf und Rücklauf arbeiten. Wird ein solches Gebäude mit nur einer Wärmepumpenstufe nachgerüstet, entsteht eine Temperaturdifferenz, die durch eine Kaskadeninstallation gezielt überbrückt werden kann.

Regulatorischer und dekarbonisierungsbezogener Kontext

Das deutsche Gebäudeenergiegesetz (GEG) verlangt, dass neue Heizsysteme Mindestanteile erneuerbarer Energien erfüllen. Der österreichische KlimaBonus und der Schweizer MuKEn-2014-Rahmen schaffen finanzielle Anreize für den Ersatz fossiler Heizsysteme. Diese Regelungen beschleunigen den Wechsel von Gas- und Ölheizungen zu Wärmepumpensystemen. Viele der Gebäude, die durch solche Programme adressiert werden, verfügen jedoch über ältere Heizungsinfrastruktur, die hohe Vorlauftemperaturen benötigt. Eine Kaskadeninstallation macht diese Umstellung technisch möglich, ohne dass das gesamte hydraulische System ersetzt werden muss.

Industrieller und gewerblicher Wärmebedarf

Gewerbegebäude, Hotels, Gesundheitseinrichtungen und leichte industrielle Prozesse benötigen Trinkwarmwasser mit Temperaturen von 60 bis 65 °C oder höher, um Anforderungen an die Legionellenprävention nach EN 806 und ÖNORM B 5019 zu erfüllen. Prozesswärmeanwendungen erfordern Temperaturen von bis zu 80 °C oder darüber. Eine einzelne Wärmepumpenstufe kann diese Temperaturen nicht effizient erreichen. Eine Kaskadenkonfiguration erweitert den Einsatzbereich von Wärmepumpen auf Sektoren, die andernfalls weiterhin auf verbrennungsbasierte Systeme angewiesen wären.

Wesentliche Merkmale einer Kaskadeninstallation

Eine Kaskadeninstallation wird durch vier zentrale technische Merkmale geprägt: den Zwischenwärmeübertrager, den gestuften Kältemittelkreislauf, die sequenzielle Temperaturstufung und die unabhängige Verdichterregelung.

Zwischenwärmeübertrager

Definition. Der Zwischenwärmeübertrager, auch Intermediate Heat Exchanger oder IHX genannt, bildet die thermische Schnittstelle zwischen dem ersten und dem zweiten Kältemittelkreislauf eines Kaskadensystems.

Zweck. Der Zwischenwärmeübertrager überträgt Wärme vom Kondensator der ersten Wärmepumpenstufe auf den Verdampfer der zweiten Wärmepumpenstufe. Diese Übertragung erfolgt, ohne dass sich die beiden Kältemittelkreisläufe vermischen.

Vorteile. Der Zwischenwärmeübertrager ermöglicht es, in jeder Stufe ein Kältemittel einzusetzen, das chemisch und thermodynamisch für den jeweiligen Betriebsbereich geeignet ist, auch wenn die Kältemittel untereinander nicht kompatibel sind. Zudem sorgt er für eine thermische Trennung der Kreisläufe und verhindert, dass Druckunterschiede in einer Stufe die andere Stufe beeinflussen.

Praktische Anwendung. In einer iDM-TERRA-SW-Kaskadenkonfiguration wird der Zwischenwärmeübertrager so dimensioniert, dass zwischen den beiden Kältemittelkreisläufen eine minimale Annäherungstemperatur von 3 bis 5 K eingehalten wird. Diese Annäherungstemperatur wirkt sich direkt auf die Gesamtleistungszahl des Kaskadensystems aus. Ist der Zwischenwärmeübertrager zu klein dimensioniert, erhöht sich die Annäherungstemperatur. Dadurch steigt der Verdichter-Enddruck in der zweiten Stufe, und die Systemeffizienz sinkt.

Gestufter Kältemittelkreislauf

Definition. Ein gestufter Kältemittelkreislauf ist eine thermodynamische Anordnung, bei der jede Wärmepumpenstufe über einen eigenen Verdichter, ein eigenes Expansionsventil und eigene Wärmeübertrager verfügt. Die von der ersten Stufe bereitgestellte Wärme dient dabei als Eingangswärme für die zweite Stufe.

Zweck. Die Stufung des Kreislaufs ermöglicht es, Kältemittelauswahl und Druckverhältnisse in jeder Stufe unabhängig voneinander zu optimieren. Der Niedertemperaturkreislauf nutzt Kältemittel mit niedrigen Verdampfungstemperaturen, beispielsweise R290, also Propan, oder R744, also CO₂. Der Hochtemperaturkreislauf verwendet Kältemittel, die für erhöhte Kondensationstemperaturen geeignet sind, etwa R134a oder R1234ze(E).

Vorteile. Die unabhängige Optimierung der Kreisläufe senkt das Verdichtungsverhältnis in jedem Verdichter im Vergleich zu einem einstufigen System, das denselben gesamten Temperaturhub bewältigen müsste. Niedrigere Verdichtungsverhältnisse verringern die mechanische Belastung, verbessern den volumetrischen Wirkungsgrad und verlängern die Lebensdauer der Verdichter.

Praktische Anwendung. In transkritischen CO₂-Kaskadensystemen nutzt die Niedertemperaturstufe R744 in einem transkritischen Kreislauf, der Verdampfungstemperaturen bis hinunter zu −40 °C ermöglicht. Die Hochtemperaturstufe verarbeitet anschließend diese Wärme auf mittlerem Temperaturniveau und liefert Vorlauftemperaturen von über 80 °C. Diese Konfiguration eignet sich direkt für die industrielle Warmwassererzeugung in der Lebensmittelverarbeitung und der pharmazeutischen Produktion in der DACH-Region.

Sequenzielle Temperaturstufung

Definition. Sequenzielle Temperaturstufung bezeichnet den Prozess, bei dem die Vorlauftemperatur nicht in einem einzigen Verdichtungsschritt, sondern schrittweise über zwei oder mehr Wärmepumpenstufen angehoben wird.

Zweck. Die sequenzielle Stufung verteilt den insgesamt erforderlichen Temperaturhub auf mehrere kleinere Hübe. Jede Stufe arbeitet dadurch innerhalb ihres optimalen thermodynamischen Effizienzbereichs, anstatt an den äußeren Grenzen ihres Leistungsbereichs betrieben zu werden.

Vorteile. Die Verteilung des Temperaturhubs erhöht die Gesamtleistungszahl des Systems im Vergleich zu einer einzelnen Stufe, die den gesamten Temperaturbereich allein abdecken müsste. Außerdem kann das System häufig im Teillastbetrieb weiterlaufen, wenn eine Stufe in einen Fehlerzustand geht. Das verbessert die Betriebssicherheit.

Praktische Anwendung. Ein Kaskadensystem, das einen Heizkörperkreis mit 70 °C aus einer Erdquelle mit 5 °C versorgt, könnte in der ersten Stufe die Temperatur von 5 °C auf 35 °C anheben und in der zweiten Stufe von 35 °C auf 70 °C. Die kombinierte Leistungszahl der beiden gestuften Temperaturhübe liegt über der Leistungszahl, die eine einzelne Stufe über den gesamten Temperaturhub von 65 K erreichen würde.

Unabhängige Verdichterregelung

Definition. Unabhängige Verdichterregelung bedeutet, dass die Leistung jedes Stufenverdichters separat moduliert werden kann, ohne dass beide Einheiten synchron betrieben werden müssen.

Zweck. Die unabhängige Regelung ermöglicht es dem System, die Heizleistung jeder Stufe getrennt an den jeweiligen Bedarf anzupassen. Dadurch werden häufiges Takten, Teillastverluste und ineffiziente Betriebszustände reduziert. Gleichzeitig kann das System über einen breiten Betriebsbereich lastgeführt arbeiten.

Vorteile. Drehzahlgeregelte Verdichter in jeder Stufe ermöglichen in Verbindung mit einer unabhängigen Regelungslogik einen effizienten Betrieb bei Teillast. Viele Kaskadensysteme erreichen ihre besten COP-Werte nicht bei Volllast, sondern bei etwa 50 bis 70 % der Nennleistung.

Praktische Anwendung. Das Regelungssystem iDM Navigator 2.0 steuert die Stufensequenzierung, die Überwachung der Zwischentemperatur und die Verdichtermodulation beider Stufen über eine zentrale Benutzeroberfläche. Diese Integration reduziert die Installationskomplexität und ermöglicht die Fernüberwachung der Betriebsparameter jeder Stufe über Smart-Grid-Schnittstellen.

Detaillierte Erläuterung der Merkmale

Thermodynamische Effizienz in Kaskadensystemen

Die Gesamtleistungszahl eines Kaskadensystems wird anders berechnet als die Leistungszahl eines einstufigen Systems. Die thermische Eingangsenergie der zweiten Stufe ist die thermische Ausgangsenergie der ersten Stufe. Aufgrund dieser Abhängigkeit ergibt sich die Gesamtleistungszahl des Systems aus dem Zusammenspiel beider Stufenleistungszahlen, angepasst an den Anteil der thermischen Leistung, den jede Stufe zur endgültigen Nutzlast beiträgt.

Für die technische Planung erreicht ein Kaskadensystem mit einer Wärmequelle von 0 °C und einer Vorlauftemperatur von 70 °C typischerweise eine saisonale Leistungszahl, also SCOP, im Bereich von 2,8 bis 3,5. Der genaue Wert hängt von der Stabilität der Wärmequelle, der Annäherungstemperatur im Zwischenwärmeübertrager und der Verdichtereffizienz jeder Stufe ab. Im Vergleich dazu liegt die theoretische Leistungszahl eines einstufigen Systems unter denselben Betriebsbedingungen etwa bei 1,8 bis 2,2.

Die Norm EN 14825 regelt die Prüfung und Berechnung der Wärmepumpeneffizienz unter Teillastbedingungen. Kaskadensysteme, die im Rahmen von Förderprogrammen in der DACH-Region eingesetzt werden, müssen SCOP-Werte nach dieser Norm nachweisen, um beispielsweise für eine BAFA-Förderung in Deutschland oder eine KlimaBonus-Förderung in Österreich infrage zu kommen.

Kältemittelauswahl nach Stufe

Die Auswahl der Kältemittel in Kaskadensystemen richtet sich nach zwei Kriterien: dem Betriebstemperaturbereich und der Einhaltung der EU-F-Gas-Verordnung (EU 517/2014) sowie ihrer Nachfolgeregelungen. Kältemittel der Niedertemperaturstufe müssen bei Temperaturen unter −20 °C effizient verdampfen können. Kältemittel der Hochtemperaturstufe müssen bei Temperaturen über 70 °C effizient kondensieren können.

Zu den gängigen Kältemitteln der Niedertemperaturstufe gehören R290, also Propan mit einem GWP von 3, R744, also CO₂ mit einem GWP von 1, und R1270, also Propylen mit einem GWP von 2. Diese natürlichen Kältemittel dominieren neue Kaskadendesigns aufgrund ihres geringen Treibhauspotenzials. Die F-Gas-Verordnung hat den Einsatz von Kältemitteln mit hohem GWP in neuen Anlagen schrittweise eingeschränkt. Installateure in Deutschland, Österreich und der Schweiz müssen prüfen, ob die ausgewählten Kältemittel dem jeweils aktuellen Phase-down-Zeitplan entsprechen.

Zu den Kältemitteln der Hochtemperaturstufe gehören R134a, R1234ze(E) und R513A. Diese Kältemittel besitzen Kondensationseigenschaften, die für Vorlauftemperaturen über 65 °C geeignet sind. Bei Anlagen, die nach EN 378 zertifiziert sind, müssen die maximalen Betriebsdrücke jeder Stufe vom Hersteller angegeben und bei der Inbetriebnahme überprüft werden.

Hydraulische Integration der Zwischenstufe

Der Zwischenwärmeübertrager verbindet die beiden Kältemittelkreisläufe hydraulisch und thermisch. In der hydraulischen Planung des gesamten Heizsystems bestimmt die Zwischentemperatur außerdem das Betriebsfenster eines Pufferspeichers, der zwischen den beiden Wärmepumpenstufen eingebunden sein kann.

Einige Kaskadenkonfigurationen enthalten zwischen erster und zweiter Stufe einen Zwischenspeicher. Dieser Speicher entkoppelt das Taktverhalten der beiden Stufen und verhindert Kurzzyklusbetrieb, wenn der Wärmebedarf schnell schwankt. Andere Systeme arbeiten mit direkt gekoppeltem Zwischenwärmeübertrager; in diesem Fall übernimmt die Stufenregelung die Synchronisierung ohne zwischengeschalteten Speicher.

Die Richtlinie VDI 4645 stellt in Deutschland den Planungsrahmen für die Integration von Wärmepumpensystemen bereit, einschließlich hydraulischer Schemata für Kaskadenanordnungen. In Österreich regelt die ÖNORM H 5151 die Anforderungen an die hydraulische Planung. Die Norm EN 14336 definiert die Inbetriebnahmeverfahren, die sowohl für einstufige als auch für kaskadierte Wärmepumpenanlagen gelten.

Arten von Kaskadenkonfigurationen

Zweistufige Luft-Wasser-Kaskade

Beschreibung. Zwei Luft-Wasser-Wärmepumpen werden in Reihe geschaltet. Die erste Stufe entzieht der Außenluft Wärme und erzeugt eine mittlere Wassertemperatur. Die zweite Stufe nutzt diese Zwischentemperatur als Wärmequelle und liefert Hochtemperaturwasser an das Heizungsverteilungssystem.

Anwendung. Diese Konfiguration eignet sich für Hochtemperatur-Nachrüstungen von Luft-Wasser-Systemen in städtischen Gebäuden, in denen Erdsondenbohrungen nicht möglich sind. Sie kommt häufig bei der Modernisierung von Mehrfamilienhäusern in Wien, München und Zürich zum Einsatz.

Regulatorische Relevanz. Die Schallemissionen von zwei Außeneinheiten müssen in Deutschland die Anforderungen der TA Lärm und in Österreich die Anforderungen der ÖNORM S 5021 erfüllen. Bei der Platzierung der Geräte muss die kombinierte Schallleistung beider Einheiten innerhalb der Kaskade berücksichtigt werden.

Erdquellen-Kaskade: Sole-Wasser oder Wasser-Wasser

Beschreibung. Eine erdgekoppelte Primärstufe entzieht Wärme aus Erdsonden- oder Grundwasserquellen mit stabilen niedrigen Temperaturen. Eine zweite Stufe nutzt diese Zwischentemperatur, um hohe Vorlauftemperaturen zu erzeugen. Erdgekoppelte Primärstufen profitieren von ganzjährig gleichmäßigen Quellentemperaturen. Dadurch werden die Betriebsbedingungen der gesamten Kaskade stabilisiert.

Anwendung. Diese Konfiguration eignet sich für Gewerbegebäude, Hotels und Gesundheitseinrichtungen, die gleichzeitig Hochtemperaturheizung und Kühlung benötigen. Sie ist häufig in Neubauprojekten zu finden, die den strengen Anforderungen der österreichischen OIB-Richtlinie 6 zur Gesamtenergieeffizienz entsprechen müssen.

Regulatorische Relevanz. Grundwasserbasierte Kaskadensysteme benötigen Genehmigungen nach dem österreichischen Wasserrechtsgesetz (WRG) beziehungsweise nach den kantonalen Gewässerschutzvorschriften in der Schweiz. Die Auslegung von Erdsondenfeldern muss in Deutschland der VDI 4640 entsprechen.

Transkritische CO₂-Kaskade

Beschreibung. Die Niedertemperaturstufe nutzt CO₂, also R744, in einem transkritischen Kältemittelkreislauf. Die Hochtemperaturstufe verarbeitet die daraus resultierende Wärme auf mittlerem Temperaturniveau und erzeugt Vorlauftemperaturen von über 80 °C. Transkritische CO₂-Kaskaden erreichen das niedrigste GWP aller Kältemittelkonfigurationen für Kaskadensysteme.

Anwendung. Diese Systeme eignen sich für industrielle Prozesswärme in der Lebensmittelindustrie, Milchverarbeitung und pharmazeutischen Herstellung. Außerdem kommen sie für großskalige Trinkwarmwassersysteme in Hotels und Krankenhäusern infrage, in denen die Legionellenprävention Mindesttemperaturen von 65 °C im Zirkulationssystem verlangt.

Regulatorische Relevanz. Transkritische CO₂-Systeme arbeiten mit deutlich höheren Drücken als konventionelle Kältemittelsysteme. Daher gelten die Druckgeräteanforderungen nach EN 378. Techniker müssen über Kältemittel-Sachkundezertifikate gemäß Artikel 10 der EU-F-Gas-Verordnung verfügen.

Hybridkaskade mit fossiler Zusatzheizung

Beschreibung. Eine Wärmepumpenkaskade bildet das primäre Heizsystem. Ein Gas- oder Ölkessel wird als Zusatzstufe für extreme Außentemperaturen oder Spitzenlasten eingebunden. Das Regelungssystem wählt je nach Betriebsbedingung die energieeffizienteste Kombination der Stufen aus.

Anwendung. Diese Lösung eignet sich für Übergangs- und Sanierungsprojekte in Bestandsgebäuden, bei denen eine vollständige Wärmepumpenabdeckung wirtschaftlich noch nicht darstellbar ist. Sie ist insbesondere für Gebäude in Deutschland relevant, in denen das GEG zwar einen Anteil von mindestens 65 % erneuerbarer Energie verlangt, Hybridkonfigurationen jedoch zur Erfüllung dieser Anforderung zulässt.

Regulatorische Relevanz. § 71 GEG erlaubt hybride Wärmepumpensysteme. Die BAFA-Förderbedingungen für Hybridsysteme legen eine Mindestleistung der Wärmepumpe im Verhältnis zur Auslegungsheizlast fest. Die Schweizer MuKEn 2014 erlaubt Hybridsysteme, wenn die Wärmepumpe die Grundlast abdeckt und die Verbrennungstechnik nur für Spitzenlasten eingesetzt wird.

Anwendungsfälle

Heizkörpernachrüstung in bestehenden Wohngebäuden

Viele Wohngebäude, die vor 1990 in Österreich, Deutschland und der Schweiz errichtet wurden, verwenden Hochtemperatur-Heizkörpersysteme, die für Vorlauf- und Rücklaufprofile von 75/65 °C oder 80/60 °C ausgelegt sind. Der Austausch des gesamten Heizkörper- und Verteilungssystems ist kostenintensiv und mit erheblichen Eingriffen verbunden. Eine Kaskadeninstallation ermöglicht es, mit einem Wärmepumpensystem die Anforderungen dieser älteren Vorlauftemperaturen zu erfüllen, ohne die Heizkörper austauschen zu müssen. Dadurch sinken Kosten und Dauer des Sanierungsprojekts.

Der wirtschaftliche Nutzen wird durch den KlimaBonus in Österreich, die BEW-Förderung in Deutschland und kantonale Energiezuschüsse in der Schweiz zusätzlich gestärkt. Diese Förderinstrumente können Kaskaden-Wärmepumpeninstallationen in Sanierungsanwendungen teilweise finanzieren.

Trinkwarmwasserbereitung im größeren Maßstab

Mehrfamilienhäuser, Hotels und Krankenhäuser benötigen Trinkwarmwasser mit 60 bis 65 °C, um Anforderungen an die Legionellenprävention einzuhalten. Die Normen EN 806 und ÖNORM B 5019 definieren Mindesttemperaturen für Speicherung und Zirkulation. Eine einstufige Wärmepumpe kann diese Temperaturen bei hoher Zapflast häufig nicht effizient und dauerhaft halten. Eine Kaskadeninstallation liefert die dauerhaft hohen Vorlauftemperaturen, die für normgerechte Warmwassersysteme erforderlich sind.

Industrielle Prozesswärme

Leichte industrielle Prozesse, darunter Lebensmittelzubereitung, Wäschereien, Oberflächenbehandlung und pharmazeutische Produktion, benötigen Prozesswasser oder Dampf mit Temperaturen zwischen 70 °C und 120 °C. Transkritische CO₂-Kaskadenkonfigurationen können Prozesswärme bis etwa 90 °C bereitstellen und erreichen dabei COP-Werte, die bei den aktuellen Energiepreisverhältnissen in der DACH-Region wirtschaftlich mit gasbefeuerten Systemen konkurrieren können.

Übergabestationen in Fernwärmenetzen

Kommunale Fernwärmenetze in Österreich und Deutschland integrieren zunehmend Wärmepumpen-Übergabestationen, die Rücklauftemperaturen aus Netzkreisen anheben und Vorlauftemperaturen für sekundäre Verteilungssysteme bereitstellen. Kaskadenkonfigurationen ermöglichen es diesen Übergabestationen, den Temperaturhub von Fernwärme-Rücklaufbedingungen, typischerweise 30 bis 50 °C, auf sekundäre Vorlauftemperaturen von 70 bis 80 °C effizient zu bewältigen.

Vorteile

Vorteile für die Systemeffizienz

• Höhere erreichbare Vorlauftemperaturen bei besserem COP als bei einstufigen Alternativen
• Betrieb jeder Stufe innerhalb ihres optimalen thermodynamischen Effizienzbereichs
• Natürliche Kältemittel wie R290 und R744 in Niedertemperaturkreisläufen reduzieren regulatorische Risiken im Zusammenhang mit F-Gasen
• SCOP-Werte im Bereich von 2,8 bis 3,5 bei Hochtemperaturanwendungen gegenüber 1,8 bis 2,2 bei vergleichbarem einstufigem Betrieb

Vorteile bei Installation und Nachrüstung

• Ermöglicht den Einsatz von Wärmepumpentechnologie in Gebäuden mit bestehenden Hochtemperatur-Heizkörpersystemen
• Reduziert oder vermeidet bei Sanierungen den vollständigen Austausch des hydraulischen Systems
• Modulare Struktur erlaubt eine stufenweise Installation: zunächst die erste Stufe, später die zweite Stufe, wenn das Budget dies zulässt
• In vielen Fällen kompatibel mit bestehenden Pufferspeichern und vorhandener Verteilinfrastruktur

Vorteile im Betrieb und bei der Betriebssicherheit

• Effizienter Teillastbetrieb durch unabhängige Verdichtermodulation in jeder Stufe
• Bei einem Fehlerzustand in einer Stufe kann das System häufig mit reduzierter Temperatur weiterlaufen
• Die zweistufige Architektur verteilt den mechanischen Verschleiß auf zwei Verdichter und verlängert dadurch die Lebensdauer
• Smart-Grid-Integration auf Stufenebene ermöglicht Lastmanagement und Optimierung der Stromkosten

Regulatorische und finanzielle Vorteile

• Ermöglicht die Einhaltung der Anforderungen des GEG an den Anteil erneuerbarer Energien in Deutschland
• Kann bei geeigneten Gebäudetypen für BAFA-BEW-Förderungen in Deutschland und KlimaBonus-Förderungen in Österreich infrage kommen
• Unterstützt die Erfüllung der Anforderungen aus OIB-Richtlinie 6 und MuKEn 2014 an Niedrigstenergiegebäude
• Unterstützt Dekarbonisierungsziele, ohne dass die gesamte ältere Heizungsinfrastruktur ersetzt werden muss

Auswahlkriterien

Erforderliche Vorlauftemperatur

Das wichtigste Auswahlkriterium ist die maximale Vorlauftemperatur, die das Heizsystem benötigt. Wenn die Auslegungs-Vorlauftemperatur regelmäßig über 60 °C liegt, sollte eine Kaskadeninstallation geprüft werden. Wenn die Auslegungs-Vorlauftemperatur über 70 °C liegt, ist eine Kaskadeninstallation für einen effizienten Betrieb in der Regel erforderlich.

Systeme mit variablen Vorlauftemperaturen, beispielsweise witterungsgeführte Regelungen, bei denen die Temperaturen im Sommer unter 50 °C bleiben, im Winter jedoch Spitzenwerte von 70 °C erreichen, können Kaskadenkonfigurationen mit Stufenabschaltung bei geringer Last nutzen. Dadurch wird vermieden, dass beide Stufen bei milden Bedingungen unnötig betrieben werden.

Temperatur und Stabilität der Wärmequelle

Erdgekoppelte Primärstufen werden bevorzugt, wenn eine stabile Quellentemperatur für eine konstante Leistung der Hochtemperaturstufe entscheidend ist. Luftbasierte Primärstufen unterliegen stärkeren Schwankungen und erfordern eine Kaskadenregelung, die größere Veränderungen der Zwischentemperatur ausgleichen kann.

Bei Außentemperaturen, die regelmäßig unter −10 °C fallen, wie sie in alpinen Regionen Tirols, Vorarlbergs, Salzburgs und Bayerns auftreten, liefern erdgekoppelte Kaskadenkonfigurationen zuverlässiger Hochtemperaturwärme als luftbasierte Kaskadensysteme.

Kältemittelverträglichkeit und F-Gas-Phase-down

Der Phase-down-Zeitplan der EU-F-Gas-Regelungen schränkt die Verfügbarkeit von Kältemitteln mit hohem GWP in neuen Anlagen ab 2025 zunehmend ein. Kaskadenkonfigurationen, die in beiden Stufen natürliche Kältemittel wie R290 und R744 verwenden, sind die zukunftssicherste Wahl. Hersteller wie iDM bieten Kaskaden-Produktlinien an, die auf natürlichen Kältemittelkreisläufen basieren, um Risiken durch eingeschränkte Kältemittelverfügbarkeit zu reduzieren.

Verfügbare elektrische Infrastruktur

Kaskadeninstallationen benötigen eine ausreichende elektrische Anschlussleistung für zwei Verdichtereinheiten. In manchen Bestandsgebäuden muss die Hauptstromzuleitung aufgerüstet werden, bevor ein Kaskadensystem in Betrieb genommen werden kann. Diese Prüfung der Infrastruktur muss bereits in der Planungsphase erfolgen, bevor die Geräte ausgewählt werden, um Verzögerungen bei der Installation zu vermeiden.

Platzbedarf

Eine Kaskadenkonfiguration erfordert Platz für zwei Wärmepumpeneinheiten im Technikraum oder im Außenbereich. Der Platzbedarf für beide Einheiten, den Zwischenwärmeübertrager, die zugehörige Verrohrung und den Servicezugang muss mit den räumlichen Gegebenheiten am Projektstandort abgeglichen werden. Bei getrennt aufgestellten Konfigurationen, in denen sich die beiden Stufen in unterschiedlichen Technikbereichen befinden, muss die Kältemittelleitung zwischen den Stufen innerhalb der vom Hersteller vorgegebenen maximalen Leitungslängen geplant werden, um Leistungsverluste zu vermeiden.

Vergleiche

Kaskadeninstallation im Vergleich zur einstufigen Hochtemperatur-Wärmepumpe

Kaskade im Vergleich zum bivalenten System

Ein bivalentes System kombiniert eine Wärmepumpe mit einem zweiten Wärmeerzeuger, in der Regel einem Heizkessel, der parallel zur Deckung von Spitzenlasten betrieben wird. Wärmepumpe und Heizkessel speisen denselben Verteilungskreis. In einem Kaskadensystem sind dagegen zwei Wärmepumpenstufen thermodynamisch in Reihe verbunden. Das Kaskadensystem erreicht hohe Vorlauftemperaturen durch gestuftes Wärmepumpen und nicht durch die Ergänzung mit Verbrennungstechnik.

Bivalente Systeme sind kostengünstiger zu installieren und geeignet, wenn eine Gas- oder Öl-Zusatzheizung unter den lokalen regulatorischen Bedingungen zulässig ist. Kaskadensysteme sind besser geeignet, wenn eine vollständige Dekarbonisierung erforderlich ist und verbrennungsbasierte Zusatzheizungen nicht erlaubt oder nicht gewünscht sind.

Kaskade im Vergleich zur parallelen Mehrgeräteinstallation

Parallele Mehrgerätesysteme verbinden zwei oder mehr Wärmepumpeneinheiten mit demselben Verteilungskreis auf derselben Temperaturstufe. Dadurch wird die Heizleistung erhöht, nicht jedoch die erreichbare Vorlauftemperatur. Eine Kaskadeninstallation erhöht dagegen die Fähigkeit des Systems, höhere Vorlauftemperaturen zu erzeugen. Es handelt sich also um unterschiedliche Lösungen für unterschiedliche Aufgaben: Parallelinstallationen dienen der Leistungssteigerung, Kaskadeninstallationen der Erhöhung des Temperaturhubs.

Integration mit anderen Systemen

Integration von Pufferspeichern

Kaskadensysteme profitieren von einer hydraulischen Trennung zwischen den Wärmepumpenstufen und dem Heizungsverteilungssystem durch Pufferspeicher. Ein korrekt dimensionierter Pufferspeicher nimmt die thermische Leistung des Kaskadensystems in Zeiten geringer Nachfrage auf und gibt sie während Spitzenlastzeiten wieder ab. Dadurch wird Kurzzyklusbetrieb der Verdichter in beiden Stufen vermieden, und die Zwischentemperatur zwischen den Stufen wird stabilisiert.

VDI 4645 legt in Deutschland Mindestvolumina für Pufferspeicher in Wärmepumpensystemen in Abhängigkeit von der Leistung der Wärmepumpe fest. Die ÖNORM H 5151 bietet entsprechende Hinweise für österreichische Installationen. Der Pufferspeicher muss so ausgelegt sein, dass die Anforderungen an die Temperaturschichtung beider Kaskadenstufen berücksichtigt werden.

Kopplung mit Solarthermie

Solarthermische Kollektoren können Wärme in die Zwischenstufe eines Kaskadensystems einspeisen. Wenn die Temperatur der solarthermischen Wärme dem Temperaturniveau zwischen erster und zweiter Stufe entspricht, ersetzt diese Solarwärme Verdichterenergie in der ersten Stufe. Dadurch sinkt der elektrische Energieverbrauch des Kaskadensystems während Zeiten mit ausreichender solarer Verfügbarkeit. Diese Konfiguration ist besonders relevant für gewerbliche und landwirtschaftliche Gebäude in den sonnenreicheren österreichischen Regionen Steiermark und Burgenland.

Smart-Grid- und Demand-Response-Integration

Kaskadensysteme mit drehzahlgeregelten Verdichtern und individueller Stufenregelung eignen sich gut für Smart-Grid-Demand-Response-Anwendungen. Stromnetzbetreiber in Österreich, Deutschland und der Schweiz bieten zunehmend Anreiztarife für flexible Wärmepumpenlasten an. Dazu zählen etwa APG in Österreich, 50Hertz, Amprion, TenneT und TransnetBW in Deutschland sowie Swissgrid in der Schweiz. Kaskadensysteme können daran teilnehmen, indem der Betrieb von erster und zweiter Stufe unabhängig voneinander in Zeiten niedriger Netztarife oder hoher Verfügbarkeit erneuerbaren Stroms verschoben wird.

Die Regelungsplattform iDM Navigator 2.0 stellt standardmäßig SG-Ready-Schnittstellen bereit. Dadurch kann das Kaskadenregelungssystem direkt mit Lastmanagementsignalen des Energieversorgers kommunizieren. Die Lastverschiebung erfolgt automatisiert, ohne dass ein manueller Eingriff erforderlich ist.

Integration von Photovoltaik

Die zweistufige Architektur eines Kaskadensystems erhöht die elektrische Last, die sinnvoll zur Nutzung von vor Ort erzeugtem Photovoltaikstrom eingesetzt werden kann. Bei hoher PV-Erzeugung können beide Stufen gleichzeitig betrieben werden, um Wärme zu erzeugen und in einem Pufferspeicher für die spätere Nutzung zu speichern. Bei geringer PV-Erzeugung arbeitet nur die Stufe, die für die jeweils priorisierte Last erforderlich ist. Diese lastangepasste Betriebsweise verbessert den Eigenverbrauchsanteil von Photovoltaikanlagen, die mit Kaskaden-Wärmepumpeninstallationen kombiniert werden.

Anschluss an Fernwärmenetze

In Konfigurationen mit gemischten Wärmequellen kann ein Fernwärmenetz die Zwischenstufe eines Kaskadensystems mit Wärme auf Rücklauftemperaturniveau versorgen. Die zweite Stufe hebt diese Zwischentemperatur anschließend auf die vom Gebäude benötigte Vorlauftemperatur an. Dadurch sinkt der elektrische Energiebedarf des Kaskadensystems, weil Netzrücklaufwärme als Niedertemperaturquelle genutzt wird. Gleichzeitig behält das Gebäude die unabhängige Kontrolle über seine Vorlauftemperatur.

Die Kaskadeninstallation erweitert die Möglichkeiten der Wärmepumpentechnologie, indem sie hohe Vorlauftemperaturen aus Niedertemperatur-Energiequellen effizient bereitstellt. Durch gestufte Kältemittelkreisläufe, sequenzielle Temperaturerhöhung und unabhängige Verdichterregelung erreichen Kaskadensysteme eine höhere Effizienz, größere betriebliche Flexibilität und bessere Zuverlässigkeit als einstufige Alternativen.

Während Gebäude, Industrieanlagen und Fernwärmenetze zunehmend von fossilen Brennstoffen auf erneuerbare und elektrische Wärmelösungen umstellen, bieten Kaskaden-Wärmepumpensysteme eine praxistaugliche Lösung für Hochtemperaturheizung, Trinkwarmwasserbereitung und Prozesswärmeanwendungen. Ihre Kompatibilität mit natürlichen Kältemitteln, intelligenten Energiesystemen und modernen Dekarbonisierungsanforderungen macht die Kaskadeninstallation zu einem zukunftssicheren Ansatz für nachhaltige Wärmeversorgung in Sanierungs- und Neubauprojekten.