Mehr Leistung durch weniger Aufwand: Kaskadierung von Wärmepumpen mit bis zu 90 kW Gesamtleistung

Kaskadieren von Wärmepumpen bietet einen überraschend effizienten Weg, um Heizleistungen von bis zu 90 kW zu erreichen, ohne dabei auf überdimensionierte Einzelgeräte zurückgreifen zu müssen. Wir haben festgestellt, dass dieser Ansatz besonders in grösseren Gebäuden wie Mehrfamilienhäusern, Schulen oder Hotels zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Was bedeutet kaskadieren im Kontext der Heiztechnik eigentlich genau? Die kaskadieren Definition umfasst die intelligente Verschaltung mehrerer kleinerer Wärmepumpeneinheiten, die gemeinsam eine höhere Gesamtleistung erzielen. Für uns als Fachleute ist diese Methode nicht nur eine technische Lösung, sondern auch ein wirtschaftlicher Ansatz. Hersteller wie Stiebel Eltron haben mit ihrer Stiebel Eltron Kaskadierung bewiesen, dass eine Wärmepumpe bis 90 kW Leistung durch geschicktes Zusammenschalten erreicht werden kann. Dadurch lassen sich erhebliche Vorteile hinsichtlich Effizienz, Redundanz und Betriebssicherheit erzielen.

In diesem Artikel erläutern wir zunächst die grundlegenden Konzepte des Kaskadierens, betrachten anschliessend verschiedene technische Umsetzungen und zeigen praxisnahe Beispiele aus unserer Erfahrung. Ausserdem gehen wir auf die wichtigsten Planungsaspekte ein und geben Tipps zur Fehlervermeidung bei der Installation und dem Betrieb von Kaskadenanlagen.

Was bedeutet Kaskadieren bei Wärmepumpen?

Die Verschaltung mehrerer Wärmepumpen gewinnt besonders bei grösseren Objekten immer mehr an Bedeutung. Doch was verbirgt sich eigentlich genau hinter dem Begriff des Kaskadierens? Und welche Vorteile bietet diese Technik gegenüber herkömmlichen Einzelanlagen?

Kaskadieren Definition im Heiztechnik-Kontext

In der Heiztechnik bezeichnet eine Kaskade die Verschaltung von zwei oder mehreren Wärmeerzeugern, die entweder parallel oder in Reihe miteinander verbunden werden. Es handelt sich dabei um ein bewährtes Konzept, bei dem mehrere gleichartige Geräte zusammenarbeiten, um eine höhere Gesamtleistung zu erzielen.

Bei Wärmepumpenkaskaden werden typischerweise mehrere Luft-Wasser- oder Sole-Wasser-Wärmepumpen nach dem Master-Slave-Prinzip parallel geschaltet. Hierbei übernimmt ein definiertes Mastergerät die Regelung der untergeordneten Slave-Geräte und entscheidet über das Zuschalten oder Modulieren bei erhöhtem Leistungsbedarf. Durch diese intelligente Steuerung passt sich die Gesamtleistung präzise an den aktuellen Wärmebedarf an.

Die grundlegende Idee des Kaskadierens stammt aus der Natur – vergleichbar mit einem Wasserfall, der über mehrere Stufen hinwegfliesst. Ähnlich funktionieren auch kaskadierte Wärmepumpen, indem sie stufenweise ihre Leistung abrufen oder bei serieller Verschaltung die Temperaturen in mehreren Stufen anheben.

Unterschied zu Einzelanlagen

Der entscheidende Vorteil einer Kaskade besteht darin, dass über den gesamten Leistungsbereich eine optimale Anpassung an den Wärmebedarf – ähnlich der Modulation – gewährleistet werden kann. Im Gegensatz zu Einzelgeräten, die oft im ineffizienten Teillastbetrieb arbeiten oder häufig takten müssen, kann in einer Kaskade jedes Teilgerät im optimalen Betriebsfenster arbeiten.

Während bei herkömmlichen Wärmepumpen meist nur zwei Betriebsmodi möglich sind – entweder ausgeschaltet oder mit voller Leistung – ermöglicht die Kaskadierung eine wesentlich feinere Abstufung der Gesamtleistung. Bei geringem Bedarf läuft zunächst nur eine Wärmepumpe. Steigt der Wärmebedarf, schaltet die Steuerung nach und nach weitere Geräte hinzu.

Besonders wichtig: Die Kaskadierung führt zu einer deutlich höheren Betriebssicherheit, da im Störungsfall jedes Heizgerät die Funktion eines anderen übernehmen kann. Diese Redundanz ist besonders bei grösseren Objekten wie Mehrfamilienhäusern, Gewerbeobjekten oder Pflegeeinrichtungen von grosser Bedeutung.

Begriffserklärung: Was heisst Kaskadieren?

Das Kaskadieren bezeichnet in der Wärmetechnik also grundsätzlich die intelligente Zusammenschaltung mehrerer Wärmepumpen zu einem Gesamtsystem. Dabei arbeiten die einzelnen Geräte nicht unabhängig voneinander, sondern werden über eine zentrale Steuerung koordiniert.

In der Praxis lassen sich Wärmepumpen auf drei unterschiedliche Weisen kaskadieren:

1. Parallele Kaskadenschaltung: Alle Wärmepumpen arbeiten auf dem gleichen Temperaturniveau und teilen sich die benötigte Gesamtleistung. Die einzelnen Geräte werden nach Bedarf zugeschaltet.
2. Serielle Kaskadenschaltung: Die Wärmepumpen werden hintereinander geschaltet, wobei jede die Temperatur etappenweise anhebt. Dies ist besonders bei grossen Temperaturhüben sinnvoll, wie sie beispielsweise in Altbauten mit Radiatoren benötigt werden.
3. Kombinierte Kaskadenschaltung: Hierbei werden unterschiedliche Wärmequellen miteinander verbunden, zum Beispiel Luftwärmepumpen und Erdwärmepumpen.

Durch die Kaskadenschaltung und die damit verbundene Lastverteilung ergibt sich ausserdem ein sogenanntes Betriebsstunden-Balancing. Dadurch werden alle Geräte gleichmässig beansprucht, was die Lebensdauer der einzelnen Wärmepumpen und damit der gesamten Anlage verlängert.

Insbesondere bei hohem und schwankendem Wärmebedarf, wie er in grösseren Gebäuden typisch ist, bietet die Kaskadierung somit entscheidende Vorteile hinsichtlich Effizienz, Betriebssicherheit und Flexibilität.

Technische Gründe für die Kaskadierung bis 90 kW

Die technischen Vorteile des Kaskadierens von Wärmepumpen zeigen sich besonders deutlich, wenn Leistungen von bis zu 90 kW erforderlich sind. Für grosse Objekte wie Mehrfamilienhäuser, Gewerbeimmobilien oder Pflegeeinrichtungen bietet diese Technik entscheidende Vorteile, die weit über die reine Leistungssteigerung hinausgehen.

Lastverteilung bei schwankendem Wärmebedarf

In grösseren Gebäuden schwankt der Wärmebedarf erheblich – je nach Tageszeit, Nutzung und Jahreszeit. Eine einzelne grosse Wärmepumpe müsste ständig zwischen verschiedenen Betriebszuständen wechseln, was die Effizienz mindert. Durch die Kaskadierung hingegen können wir die Leistung flexibel und bedarfsgerecht anpassen.

Bei kaskadierten Anlagen schalten sich bei sehr geringem Leistungsbedarf nicht benötigte Wärmepumpen automatisch ab. Dadurch arbeitet das System energieeffizienter, besonders in der klimatischen Übergangszeit. Die intelligente Einschalt- und Laufzeitoptimierung verringert zudem den Verschleiss und verlängert die Wartungsintervalle.

Für unterschiedliche Anforderungen bietet die Kaskadierung zusätzliche Flexibilität. In manchen Objekten ist zeitweise gleichzeitig hohe Heizleistung für Raumwärme und zur Warmwasserbereitung nötig, während an heissen Tagen sogar ein kontinuierlicher Kühlbetrieb parallel zur Warmwasserbereitung erforderlich sein kann. Eine kaskadierte Lösung ermöglicht hier, dass eine Wärmepumpe den Warmwasserbetrieb übernimmt, während die andere für Kühlung oder Heizung bereitsteht.

Redundanz und Ausfallsicherheit im Betrieb

Ein entscheidender Vorteil der Kaskadierung ist die erhöhte Betriebssicherheit. Während bei einer Einzelanlage ein technischer Defekt zum kompletten Ausfall der Wärmeversorgung führen kann, sorgt die redundante Auslegung einer Kaskade für kontinuierlichen Betrieb.

Bei einer Kaskadenlösung übernehmen die verbleibenden Geräte im Falle eines Ausfalls oder während Wartungsarbeiten die Versorgung – meist sogar ohne spürbare Nachteile für die Nutzer. Diese Redundanz ist besonders in sensiblen Bereichen wie Hotels, Pflegeheimen oder Schulen von unschätzbarem Wert.

Darüber hinaus ermöglicht das sogenannte Betriebsstunden-Balancing eine gleichmässige Belastung aller Einheiten. Das System verteilt die Laufzeiten intelligent auf alle verfügbaren Geräte, was zu einer verlängerten Lebensdauer der gesamten Anlage führt. Die intelligente Regelungstechnik sorgt ausserdem dafür, dass die einzelnen Kaskadenmodule immer im effizientesten Arbeitsbereich betrieben werden.

Modulation durch Invertertechnik

Die Kombination aus Kaskadierung und moderner Invertertechnik potenziert die Effizienzvorteile nochmals. Inverter-Wärmepumpen passen die Heizleistung präzise dem individuellen Wärmebedarf an. Der Verdichter kann seine Drehzahl je nach Anforderung nahezu stufenlos variieren und erzeugt nur die Leistung, die aktuell benötigt wird.

Die Leistungsmodulation wird dabei über die Drehzahl durch Veränderung der normalen Wechselstromfrequenz von 50 Hz gesteuert. Der Wechselstrom wird zunächst in Gleichstrom umgewandelt, um dann mit Hilfe eines Umformers eine neue Wechselstromfrequenz zu erzeugen, die je nach Leistungsbedarf stufenlos zwischen 30 Hz und 90 Hz verändert werden kann.

Während herkömmliche Wärmepumpen nur ein- oder ausgeschaltet sein können, ermöglicht die Invertertechnik einen gleichmässigen, energieeffizienten Betrieb. Der Vergleich zum Autofahren macht dies anschaulich: Ständiges Gas geben und abbremsen erhöht den Kraftstoffverbrauch deutlich gegenüber kontinuierlicher Fahrt.

Die effizienteste Lösung für grosse Anlagen ist somit eine Inverter-Wärmepumpen-Kaskade. Sie bietet folgende Vorteile:

• Die Anpassung der Kompressor-Drehzahlen ermöglicht eine exaktere und schnellere Modulation
• Der Teillastbetrieb wird wesentlich energiesparender betrieben
• Die Belastung der Bauteile verringert sich, was die Nutzungsdauer verlängert
• Durch intelligente Steuerungstechnik werden die einzelnen Geräte immer im optimalen Effizienzbereich betrieben

Folglich kann eine kaskadierte Anlage mit intelligenter Steuerung im Vergleich zu einer überdimensionierten Einzelanlage den Stromverbrauch um bis zu 20 Prozent senken. Dies ist nicht nur wirtschaftlich vorteilhaft, sondern reduziert gleichzeitig den ökologischen Fussabdruck der Heizanlage.

Parallele Kaskadenschaltung: Aufbau und Vorteile

Bei der parallelen Verschaltung mehrerer Wärmepumpen entstehen beeindruckende Leistungen – ein entscheidender Baustein, wenn wir über Systeme mit bis zu 90 kW sprechen. Im Unterschied zur seriellen Kaskadenschaltung arbeiten bei der Parallelschaltung alle Wärmepumpen auf dem gleichen Temperaturniveau und teilen sich die benötigte Gesamtleistung.

Die Hauptkomponenten eines solchen Systems umfassen mehrere gleichartige Wärmepumpen, eine intelligente Kaskadenregelung, hydraulische Verbindungselemente sowie ein durchdachtes Speicherkonzept. Das Zusammenspiel dieser Komponenten ermöglicht eine präzise Anpassung an schwankende Wärmebedarfe, wie sie in grösseren Gebäuden typisch sind.

Hydraulische Weiche und Pufferspeicher

Der Pufferspeicher fungiert bei parallelen Kaskadenlösungen als zentrales Element und stellt den minimalen Volumenstrom über die einzelnen Wärmepumpen sicher. Er übernimmt gleichzeitig die Rolle einer hydraulischen Weiche zwischen Wärmeerzeugern und Wärmeverteilsystem. “Ein Pufferspeicher stellt den minimalen Volumenstrom über die Wärmepumpe sicher und agiert als hydraulische Weiche zwischen Wärmeerzeuger und Wärmeverteilung”, erklärt Experte Oliver Joss. “Aus Platzgründen darauf zu verzichten ist definitiv nicht empfehlenswert.”

Die hydraulische Weiche sorgt dafür, dass trotz unterschiedlicher Volumenströme in den einzelnen Kreisläufen ein optimaler Betrieb gewährleistet wird. Dies ist besonders wichtig, da:

• Die bestehende Rohrinstallation (besonders im Altbau) nicht immer für Wärmepumpen geeignet ist
• Der Druck im Heizkreis zu hoch sein könnte, wenn man das Heizwasser direkt einleiten würde
• Geschlossene Heizungsthermostate die Durchflussmenge so stark reduzieren könnten, dass die Wärmepumpe in den Fehlermodus geht

Darüber hinaus unterstützt ein Pufferspeicher den Abtauvorgang bei Luft-Wasser-Wärmepumpen, der bei Temperaturen unter 5°C notwendig wird. Zudem verhindert er das sogenannte “Takten” – das häufige An- und Ausschalten der Wärmepumpen – und verlängert somit die Lebensdauer der Verdichter.

Stufenschaltung bei steigender Last

Die Kaskadenschaltung ermöglicht eine flexible Leistungsanpassung an wechselnde Anforderungen. Bei geringem Bedarf arbeitet zunächst nur eine Wärmepumpe, während bei steigender Last weitere Geräte zugeschaltet werden. Diese stufenweise Zuschaltung erfolgt vollautomatisch durch die intelligente Steuerungstechnik.

Über die Kaskadenschaltung decken ein oder mehrere Geräte die Grundversorgung ab, während bei Verbrauchsspitzen weitere Geräte aktiviert werden. Dadurch wird eine effiziente Leistungsmodulation möglich, was die Jahresarbeitszahl und somit die Wirtschaftlichkeit der Anlage verbessert.

Besonders interessant: Die Inverter-Technologie kommt bei Kaskadensystemen voll zur Geltung. Nicht nur jede einzelne Wärmepumpe, sondern die gesamte Kaskade arbeitet als Inverter. So wird die Heizleistung präzise dem individuellen Wärmebedarf angepasst.

Ein weiterer Vorteil ist das sogenannte Betriebsstunden-Balancing, das durch den Lastausgleich innerhalb der Kaskade möglich wird. Hierbei werden die Laufzeiten gleichmässig auf alle Geräte verteilt, was den Verschleiss minimiert und die Lebensdauer aller Komponenten verlängert.

Typische Einsatzbereiche: MFH, Schulen, Hotels

Parallele Wärmepumpenkaskaden eignen sich hervorragend für Objekte mit höherem oder stark schwankendem Wärmebedarf. Die typischen Einsatzgebiete umfassen:

• Mehrfamilienhäuser (besonders ab 5-6 Wohneinheiten)
• Schulgebäude und Bildungseinrichtungen
• Hotels mit Wellnessbereich
• Bürogebäude und gewerbliche Immobilien
• Pflegeeinrichtungen und Krankenhäuser

Für Mehrfamilienhäuser sind Kaskadenlösungen besonders vorteilhaft, da der Wärmebedarf ab etwa fünf bis sechs Wohneinheiten eine Grössenordnung erreicht, bei der einzelne Wärmepumpen an ihre Grenzen stossen. Die Kaskade passt sich flexibel an diese unterschiedlichen Anforderungen an und stellt eine zuverlässige Wasser- und Wärmeversorgung sicher.

Während eine grosse Einzelanlage oftmals Platzprobleme verursacht, lassen sich die kompakten Geräte einer Kaskade problemlos durch normale Türöffnungen (80er Türen) transportieren und platzsparend aufstellen. Zudem erhöht sich der Schallpegel bei mehreren Wärmepumpen am gleichen Standort nur minimal – eine Verdopplung führt lediglich zu einer Addierung von 3 dB(A).

Folglich bietet die parallele Kaskadenschaltung eine effiziente und störungsfreie Betriebsweise, die optimal auf den jeweiligen Bedarf abgestimmt ist. Durch die Kombination kleinerer Einheiten erreichen wir nicht nur hohe Leistungen von bis zu 90 kW, sondern gewinnen gleichzeitig an Flexibilität, Effizienz und Betriebssicherheit.

Serielle Kaskadenschaltung für hohe Vorlauftemperaturen

Im Unterschied zur parallelen Verschaltung zielt die serielle Kaskadenschaltung auf das Erreichen besonders hoher Vorlauftemperaturen ab. Diese Technik gewinnt besonders dort an Bedeutung, wo konventionelle Heizkörper höhere Temperaturen benötigen, als eine einzelne Wärmepumpe effizient bereitstellen kann.

Temperaturhub in mehreren Stufen

Bei der seriellen Kaskadenschaltung werden die Wärmepumpen hintereinander geschaltet. Jede Wärmepumpe hebt dabei die Temperatur etappenweise an. Während beispielsweise die erste Wärmepumpe das Wasser von 5°C auf 25°C erwärmt, erhöht die zweite Wärmepumpe die Temperatur von 25°C auf 45°C. Dieses Prinzip folgt dem physikalischen Grundsatz, dass Wärme immer von einem Körper hoher Temperatur zu einem Körper mit niedrigerer Temperatur fliesst.

Die technische Herausforderung besteht darin, dass jede einzelne Wärmepumpe zwar effizient arbeitet, jedoch nur innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs. Durch die serielle Anordnung nutzen wir den jeweiligen optimalen Betriebsbereich jeder Einheit. Dies erklärt, warum bei seriellen Kaskaden in den verschiedenen Kreisläufen oft unterschiedliche Kältemittel zum Einsatz kommen müssen.

Insbesondere für Anwendungen, die einen grossen Temperaturhub erfordern, bietet diese Verschaltungsart entscheidende Vorteile. Der schrittweise Temperaturanstieg verbessert die Gesamteffizienz des Systems erheblich, da jede Einheit in ihrem optimalen Wirkungsgrad arbeiten kann.

Einsatz in Altbauten mit Radiatoren

Altbauten mit konventionellen Heizkörpern stellen für den Einsatz von Wärmepumpen eine besondere Herausforderung dar, da sie oft Vorlauftemperaturen von 50-70°C benötigen. Bei der Modernisierung solcher Gebäude sind hohe Vorlauftemperaturen bis 70°C unverzichtbar, um bestehende Heizkörper effizient zu betreiben. Hier zeigt die serielle Kaskadenschaltung ihre Stärken.

Die leistungsgeregelten Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Invertertechnologie eignen sich durch serielle Kaskadierung hervorragend für den Einsatz in sanierten Altbauten. Selbst bei einer Aussentemperatur von -22°C erreichen moderne Anlagen noch eine Vorlauftemperatur von bis zu 64°C.

Darüber hinaus bietet diese Technologie weitere Vorteile für den Altbaubereich:

• Kompakte Bauweise ermöglicht Einbringung in Bestandsgebäude durch normale 80er Türen
• Hohe Betriebssicherheit durch redundante Auslegung
• Bedarfsgerechte Anpassung der Vorlauftemperatur an verschiedene Heizkörpersysteme im selben Gebäude

Beispiel: 2-stufige Luft-Wasser-Kaskade

Ein typisches Beispiel für eine serielle Kaskadenschaltung ist die 2-stufige Luft-Wasser-Kaskade. In solchen Systemen erzeugt die erste Stufe aus Luft-Wasser-Wärmepumpen Warmwasser mit Zwischentemperaturen (25-50°C), während die zweite Stufe als Booster Wasser mit höherer Temperatur (bis zu 120°C) produziert.

Besonders im innerstädtischen Bereich, wo oft nur Luft als Wärmequelle zur Verfügung steht, haben sich solche Lösungen bewährt. Hier kommt häufig eine Kombination zum Einsatz, bei der eine Luft-Wasser-Wärmepumpe effizient Niedertemperaturwärme erzeugt, die dann von einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe als Quelle genutzt und auf bis zu 75°C aufgeheizt wird.

Führende Hersteller wie Stiebel Eltron bieten mittlerweile ausgereifte Kaskadensysteme mit bis zu sechs aussenaufgestellten, leistungsgeregelten Luft-Wasser-Wärmepumpen an. Diese eignen sich dank der bedarfsgerechten Vorlauftemperaturen ganzjährig für grössere Leistungsanforderungen beim Heizen und Kühlen. Durch die kombinierte Dampf-/Nassdampfzwischeneinspritzung wird der Scrollverdichter bei niedrigen Aussentemperaturen gekühlt und eine höhere Heizleistung sowie höhere Vorlauftemperaturen erzielt.

Allerdings muss beachtet werden, dass bei der Sonderform, bei der zwei Wärmepumpenkreisläufe in einem Aggregat hintereinandergeschaltet werden, beide Wärmepumpen dauerhaft zusammen in Betrieb sein müssen. Dies liegt daran, dass nur von der zweiten Wärmepumpe Wärme an das Heizungssystem abgegeben wird.

Mittels Kaskade von bis zu fünf Wärmepumpen lassen sich Leistungen bis zu 279 kW erreichen. Folglich stellen serielle Kaskadenschaltungen eine durchdachte Lösung für Anwendungen dar, bei denen sowohl hohe Temperaturen als auch grosse Leistungen gefordert sind – ein Leistungsspektrum, das mit herkömmlichen Einzelgeräten kaum abzudecken wäre.

Hybride Kaskadenlösungen mit kombinierter Verschaltung

Fortschrittliche Wärmepumpentechnik ermöglicht heute noch komplexere Verschaltungsvarianten, die über die rein serielle oder parallele Kaskadierung hinausgehen. Diese hybriden Kaskadenlösungen kombinieren die Vorteile beider Ansätze und bieten besonders in anspruchsvollen Anwendungsfällen erhebliche Leistungsvorteile.

Kombination aus seriell und parallel

Hybride Kaskadenlösungen mit kombinierter Verschaltung kommen besonders in komplexeren oder grösseren Heizsystemen zum Einsatz, bei denen unterschiedliche Anforderungen an die Leistungsstaffelung, die Temperaturstufen oder die Redundanz bestehen. Während die serielle Verschaltung verschiedene Temperaturniveaus erzeugt – beispielsweise 35°C und 70°C – ermöglicht die parallele Schaltung mehrerer Wärmepumpen innerhalb einer Temperaturstufe eine flexible Leistungsanpassung.

Diese kombinierte Kaskadierung eignet sich hervorragend für unterschiedliche Anwendungsszenarien:

• Sanierung von Mehrfamilienhäusern: Wohngebäude mit gemischten Heizsystemen (Radiatoren 50-70°C und Fussbodenheizung 35–40°C) können optimal versorgt werden
• Prozesswärme und Brauchwassererwärmung: Parallele Wärmepumpen für die Lastverteilung, serielle Schaltung für den verteilten Temperaturhub
• Hybridheizsysteme mit Wärmerückgewinnung: Die erste WP-Stufe nutzt Abwärme, die zweite hebt die Temperatur auf ein nutzbares Niveau an

Bei der Planung von kombinierten Systemen muss zunächst die Grundlast definiert werden. Hierbei übernimmt eine oder mehrere Wärmepumpen die durchgängige Versorgung, während bei Spitzenlast zusätzliche Geräte zugeschaltet werden. Dadurch wird gewährleistet, dass jede Wärmepumpe der Kaskade möglichst im optimalen Betriebspunkt arbeitet.

Darüber hinaus ermöglicht eine kombinierte Kaskadenschaltung die Integration unterschiedlicher Wärmequellen. Beispielsweise kann eine Luft-Wasser-Wärmepumpe bis zu einer Aussentemperatur von -2°C die Heizung bedienen, während darunter eine Sole-Wasser-Wärmepumpe die Versorgung übernimmt. Dies maximiert die Systemeffizienz unter allen Bedingungen. Mehr finden Sie hier: https://www.haustec.de/heizung/waermepumpen/so-funktionieren-waermepumpenkaskaden-regelung-vorteile-kombinationen

Reversible Systeme mit Heiz- und Kühlfunktion

Eine besonders fortschrittliche Anwendung der hybriden Kaskadierung sind reversible Wärmepumpensysteme, die gleichzeitig Wärme und Kälte bereitstellen können. Solche Systeme wechseln nicht nur saisonal zwischen Heiz- und Kühlbetrieb, sondern können beide Funktionen parallel ausführen.

Technisch funktionieren reversible Wärmepumpen durch Umkehrung der Fliessrichtung des Kältemittels mittels eines Vierwegeventils und eines zweiten Expansionsventils. Im Kühlbetrieb wird dem Gebäude Wärme entzogen und nach aussen abgeführt – vergleichbar mit einem Kühlschrank. Besonders effizient wird das System, wenn die abgeführte Wärme nicht ungenutzt an die Umgebung abgegeben, sondern zur Trinkwassererwärmung verwendet wird.

Die typische Ausführung solcher Systeme nutzt zwei Wärmepumpenstufen: Die erste Stufe besteht aus einer oder mehreren parallel geschalteten Wärmepumpen, die die Grundlastversorgung übernehmen und in einem moderaten Temperaturbereich mit hoher Effizienz arbeiten. Die zweite Stufe ist seriell nachgeschaltet und hebt das Temperaturniveau des Heizmediums auf ein höheres Niveau an, etwa für die Warmwasserbereitung.

Für komplexe Anforderungen wie in Hotels, Krankenhäusern oder bei Nahwärmenetzen stellen diese hybriden Lösungen oft die einzige Möglichkeit dar, alle Betriebszustände effizient abzudecken. Sie eignen sich besonders für Objekte mit schwankenden Lastprofilen und gleichzeitigem Bedarf an unterschiedlichen Temperaturniveaus.

Beispiel: Nahwärmenetz mit Booster-Wärmepumpe

Ein anschauliches Praxisbeispiel für hybride Kaskadenschaltungen sind Nahwärmenetze mit Booster-Wärmepumpen. In einer Pilotanlage hebt eine kaskadierte Booster-Wärmepumpe die Vorlauftemperatur im Nahwärmenetz von 45°C auf etwa 68°C an. Die zentrale Heizung und Trinkwassererwärmung erfolgt dann durch ein Heizungsmodul und eine Frischwasserstation.

Interessanterweise sind die Steuerungen der einzelnen Module des Booster-Wärmepumpen-Systems autark, während ein übergeordneter Masterregler die individuellen Anforderungen koordiniert. Pufferspeicher dienen hierbei als Wärmespeicher zum Ausgleich von Verbrauchsspitzen im Durchflusssystem.

In städtischen Gebieten, wo oft nur Luft als Wärmequelle zur Verfügung steht, werden häufig zweistufige Systeme eingesetzt: Eine Luft-Wasser-Wärmepumpe erzeugt effizient Niedertemperaturwärme, die eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe als Quelle nutzt und auf bis zu 75°C aufheizt. Dadurch wird trotz begrenzter Wärmequellen eine effiziente Trinkwasserhygienisierung in Mietobjekten gewährleistet.

Die kaskadierte Verschaltung zweier Wärmepumpenkreisläufe in einem Aggregat stellt eine Sonderform dar, die besonders für Altbauten mit hohen Vorlauftemperaturen eine monovalente Heizwärmeversorgung ermöglicht. Die beiden Kreisläufe sind durch einen Wärmetauscher thermisch miteinander verbunden, der sowohl als Verflüssiger der ersten als auch als Verdampfer der zweiten Wärmepumpe dient.

Folglich bieten hybride Kaskadenlösungen mit kombinierter Verschaltung die nötige Flexibilität für komplexe Anwendungsfälle, bei denen weder rein serielle noch rein parallele Systeme alle Anforderungen optimal erfüllen können. Sie vereinen das Beste beider Welten und erweitern damit das Einsatzspektrum der Wärmepumpentechnik erheblich.

Praxisbeispiele: Kaskadenlösungen bis 90 kW

Stiebel Eltron bietet konkrete Kaskadenlösungen, die unsere bisherigen theoretischen Betrachtungen praktisch umsetzen. Anhand dieser Praxisbeispiele zeige ich, wie das Kaskadieren von Wärmepumpen in unterschiedlichen Gebäudetypen funktioniert und welche Leistungsdaten tatsächlich erreicht werden.

3er-Kaskade WPL 20/25 A(C) von Stiebel Eltron

Die aussenaufgestellte 3er-Kaskade WPL 20/25 A(C) eignet sich hervorragend für Mehrfamilienhäuser. Diese Luft-Wasser-Wärmepumpenkaskade bietet eine leistungsgeregelte Heizleistung von etwa 10 bis 39 kW bei A-7/W35. Dank der hohen Vorlauftemperaturen bis 65°C wird selbst bei tiefen Aussentemperaturen eine zuverlässige Wärmeversorgung gewährleistet.

Ein wesentlicher Vorteil dieser Konfiguration liegt in der Inverter-Technik, die erstklassige Effizienz- und Schallwerte erreicht. Besonders im Hinblick auf die Nachbarschaft ist dies von entscheidender Bedeutung. Zunächst übernimmt die primäre Wärmepumpe die Grundlast, während die beiden anderen je nach Wärmebedarf zugeschaltet werden.

Zusätzlich bietet diese Kaskade auf Wunsch eine integrierte Kühlfunktion, wodurch sie ganzjährig flexibel eingesetzt werden kann. Die maximale Kaskadenlösung umfasst bis zu sechs Geräte, wobei durch die einfache Kaskadierung der Wärmebedarf eines Mehrfamilienhauses problemlos abgedeckt wird.

4er-Kaskade WPL 19/24 I für Innenaufstellung

Für Anwendungen, bei denen die Wärmepumpen innen aufgestellt werden sollen, empfehle ich die 4er-Kaskade WPL 19/24 I. Diese Konfiguration liefert eine leistungsgeregelte Heizleistung von etwa 10 bis 55 kW bei A-7/W35. Bis zu sechs dieser leistungsgeregelten Luft-Wasser-Wärmepumpen werden zentral gesteuert und ermöglichen einen kontinuierlichen Abgleich der Laufzeiten innerhalb der Kaskade.

Die innovative Inverter-Technologie sorgt für eine optimal angepasste Heizleistung durch den drehzahlgeregelten Verdichter. Bemerkenswert ist ausserdem, dass diese Kaskadenlösung wegen der ganzjährig hohen Vorlauftemperatur auch für Sanierungen und für die Warmwasserbereitung geeignet ist.

Überdies zeichnet sich diese Lösung durch ihren besonders leisen Betrieb aus. Der gekapselte Kältekreis und die stufenlos angepasste Lüfterdrehzahl minimieren die Geräuschemission. Kaskaden aus kleinen Einzelgeräten sind punkto Schall grossen Luft-Wasser-Wärmepumpen deutlich überlegen. Die spezielle Luftführung mit Luftschläuchen oder Kanälen reduziert den Schall zusätzlich mit jedem Laufmeter und jedem Bogen.

Sole-Wasser-Kaskade WPE-I 33-87 H 400 Premium

Für grössere Wohnanlagen sowie Gewerbe- und Industriebauten entwickelte Stiebel Eltron die Sole-Wasser-Kaskade WPE-I 33-87 H 400 Premium. Diese leistungsstarken Wärmepumpen bieten eine Heizleistung von 33 bis 87 kW bei B0/W35 und erreichen beeindruckende Leistungszahlen von bis zu 4,71.

Ein besonders praktischer Vorteil: In Kaskadenschaltung können diese Geräte platzsparend aufeinander gestellt werden und liefern so eine Wärmeleistung von bis zu 1,4 MW. Durch die Kaskadierung wird zudem die Betriebssicherheit massiv erhöht, was diese Sole-Wasser-Wärmepumpen ideal für Grossbauten wie Schulhäuser macht.

Diese Premium-Wärmepumpen überzeugen ausserdem mit Vorlauftemperaturen bis 65°C und einer optionalen Passiv- oder Aktiv-Kühlfunktion. Die Invertertechnologie ermöglicht einen äusserst vielseitigen Einsatz und kann mit der entsprechenden Option bequem über das Smartphone gesteuert werden.

Beeindruckend ist die Vielfalt der verfügbaren Ausführungen: WPE-I 33 H mit 10-33 kW, WPE-I 44 H mit 11-44 kW, WPE-I 59 H mit 14-59 kW und WPE-I 87 H mit 21-87 kW. Bis zu 16 dieser Wärmepumpen können zu einer fein abgestuften Kaskade kombiniert werden, was eine optimal abgestimmte Leistungsanpassung ans Gebäude ermöglicht.

Mit diesen Praxisbeispielen wird deutlich, wie vielfältig und leistungsstark Wärmepumpenkaskaden sein können. Dank fortschrittlicher Regelungstechnik und durchdachter Verschaltungskonzepte erreichen wir heute Gesamtleistungen von bis zu 90 kW und darüber hinaus – ganz ohne überdimensionierte Einzelgeräte.

Planung und Dimensionierung von Kaskadenanlagen

Die Planung von Kaskadenanlagen erfordert deutlich mehr Sorgfalt als die Dimensionierung einzelner Wärmepumpen. Im Gegensatz zu Einzelgeräten müssen bei einer Kaskade zahlreiche Faktoren aufeinander abgestimmt werden, um optimale Effizienz und Betriebssicherheit zu gewährleisten.

Auslegung der Wärmepumpenstufen

Die präzise Dimensionierung der Wärmepumpenstufen bildet das Fundament jeder erfolgreichen Kaskadenlösung. Zunächst muss der jährliche Heiz- und Warmwasserbedarf des Gebäudes sowie die maximale Spitzenlast ermittelt werden. Anschliessend erfolgt die sinnvolle Aufteilung der Gesamtleistung auf die einzelnen Wärmepumpen, wobei häufig eine oder mehrere Wärmepumpen die Grundlast abdecken, während weitere Geräte bei Spitzenlasten zugeschaltet werden.

Bei der Auslegung müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden:

• Überdimensionierte Anlagen takten häufiger, was zu höherem Verschleiss und Effizienzverlusten führt
• Das Wärmepumpenkonzept muss an die Verteilung zwischen Grund- und Spitzenlast angepasst sein
• Vor dem parallelen Betrieb mehrerer Wärmepumpen muss die Leistungsfähigkeit der Energiequelle geprüft werden

Besonders effizient arbeiten Wärmepumpenkaskaden mit Invertertechnologie, da die Anpassung der Kompressor-Drehzahlen eine noch exaktere Modulation ermöglicht. Die korrekte Dimensionierung jeder einzelnen Stufe ist entscheidend für einen effizienten und störungsfreien Betrieb der Gesamtanlage.

Hydraulische Einbindung und Speichergrössen

Die erfolgreiche Installation einer Kaskade erfordert eine durchdachte hydraulische Einbindung. Hierbei dient ein gemeinsamer Pufferspeicher als Herzstück der Anlage. Er stellt den minimalen Volumenstrom über die einzelnen Wärmepumpen sicher und fungiert gleichzeitig als hydraulische Weiche zwischen Wärmeerzeugern und Wärmeverteilsystem.

Die hydraulische Weiche sorgt für optimale Volumenströme und eine gleichmässige Wärmeverteilung im System. Darüber hinaus müssen einheitliche Vor- und Rücklauftemperaturen im gesamten System sichergestellt werden. Bei seriellen Kaskaden sind ausserdem folgende Faktoren zu beachten:

• Höhere Anforderungen an die Temperaturbeständigkeit des Speichers
• Komplexere Schichtung durch mehrere Temperaturniveaus im Speicher
• Eventuell grösserer Speicherbedarf für ausreichende Entkopplung der Stufen

Für die Steuerung wird typischerweise ein Kaskadenmodul eingesetzt, das bis zu fünf Wärmepumpen koordinieren kann. Die intelligente Regelung sorgt für die Kommunikation zwischen allen Geräten und programmiert die optimalen Betriebsparameter.

Simulation mit Polysun oder vergleichbarer Software

Aufgrund der komplexen Interaktionen zwischen den Komponenten und den variablen Betriebsbedingungen ist für die Auslegung von Wärmepumpenkaskaden eine dynamische Anlagensimulation unerlässlich. Während eine manuelle Auslegung die vielfältigen Abhängigkeiten kaum erfassen kann, ermöglicht eine spezielle Simulationssoftware wie Polysun eine stündliche oder sogar minutengenaue Simulation über das gesamte Jahr.

Polysun bietet spezifische Vorlagen für Wärmepumpenkaskaden, welche die Dimensionierung optimal unterstützen. Die Software berücksichtigt:

• Den Einfluss von Mischventilen auf Rücklauftemperaturen und Speicherzonen
• Die hydraulische Verschaltung und Regelung des Gesamtsystems
• Unterschiede in der Jahresarbeitszahl bei verschiedenen Kaskadenstrategien

Durch Simulation können verschiedene Auslegungsvarianten, Speichergrössen und Regelstrategien direkt miteinander verglichen werden. Dies minimiert das Risiko von Fehlplanungen und sorgt für Investitionssicherheit. Folglich können durch die optimale Auslegung und Steuerung von Wärmepumpensystemen erhebliche Kosten eingespart werden – bis zu 40% der Energiekosten sind realistisch.

Fehlervermeidung und Optimierung im Betrieb

Für einen effizienten und langlebigen Betrieb von Wärmepumpenkaskaden spielt die Fehlerprävention eine entscheidende Rolle. Während meiner Arbeit mit Kaskadensystemen habe ich festgestellt, dass bereits kleine Planungsfehler gravierende Folgen für Effizienz und Betriebskosten haben können.

Vermeidung von Takten durch richtige Auslegung

Eine fehlerhafte Dimensionierung der Kaskadenstufen führt häufig zu unnötigem Takten – dem ständigen Ein- und Ausschalten der Anlagen. Dies erhöht den Verschleiss und reduziert die Effizienz erheblich. Bei überdimensionierten Komponenten steigt der Stromverbrauch um 15% bis 30%, während gleichzeitig die Lebensdauer der Anlage sinkt.

Besonders problematisch ist eine ungleiche Leistungsverteilung innerhalb der Kaskade: Trägt eine überdimensionierte Wärmepumpe dauerhaft die Hauptlast, während andere kaum zum Einsatz kommen, führt dies unweigerlich zu Energieverschwendung und ungleichmässiger Abnutzung. Daher ist ein intelligenter Laufzeitabgleich unverzichtbar – er sorgt dafür, dass alle Geräte gleichmässig genutzt werden und kein Gerät übermässig beansprucht wird.

Hydraulischer Abgleich und Regelung

Ohne korrekten hydraulischen Abgleich verteilt sich die Wärme nicht gleichmässig auf die Wärmepumpen, was zur Überlastung einzelner Einheiten führt. Komplizierte Systeme mit vielen Mischkreisen oder unklaren Strömungswegen verursachen zudem hohe Druckverluste, was mehr Pumpenleistung erfordert und die Gesamteffizienz erheblich senkt.

Ein fachgerecht durchgeführter hydraulischer Abgleich stellt hingegen sicher, dass sich die Wärme gleichmässig im Gebäude verteilt. Dadurch steigt nicht nur der Wohnkomfort, sondern auch die Energieeffizienz – und zwar um bis zu 15 Prozent. Ausserdem vermindert sich die Geräuschbelästigung durch zu hohe Fliessgeschwindigkeiten in der Anlage.

Wartung und Monitoring der Einzelgeräte

Intelligente Monitoring-Systeme wie die Aquarea Service Cloud ermöglichen heute eine kontinuierliche Fernüberwachung der Kaskadenanlagen. Dadurch können Fachhandwerksbetriebe über das Internet auf die Anlagen zugreifen und Fernwartungen durchführen. Bis zu 28 verschiedene Parameter, wie Vor- und Rücklauftemperaturen, können online abgelesen werden.

Für den intelligenten Kaskadenbetrieb wird meist eine wärmepumpenübergreifende Regelintelligenz benötigt. Ein Beispiel hierfür ist das Kaskadenmodul “KM-2 V2” von Wolf, das bis zu fünf Monoblock-Wärmepumpen koordinieren kann. Dieses System ermöglicht verschiedene Betriebsweisen sowie einen automatischen Führungswechsel für eine gleichmässige Verteilung der Betriebsstunden.

Durch regelmässige Wartung und präventives Monitoring laufen die Geräte stets optimal und sparen Energiekosten. Zudem können durch rechtzeitiges Eingreifen Reparaturkosten niedrig gehalten und die Lebensdauer der Geräte erhöht werden.

Fazit: Mehr Leistung mit weniger Aufwand durch Kaskadierung

Die Kaskadierung von Wärmepumpen stellt zweifellos eine zukunftsweisende Technologie für anspruchsvolle Heizsysteme dar. Tatsächlich haben wir gesehen, dass dieser Ansatz weit mehr als nur eine simple Verschaltung mehrerer Geräte bedeutet – vielmehr handelt es sich um ein durchdachtes Konzept, das erhebliche Vorteile gegenüber überdimensionierten Einzelanlagen bietet.

Besonders hervorzuheben sind dabei die gesteigerte Betriebssicherheit durch redundante Auslegung sowie die präzise Anpassung an schwankende Wärmebedarfe. Dank intelligenter Steuerungstechnik arbeitet jede Wärmepumpe stets im optimalen Betriebsfenster, was zu beeindruckenden Effizienzgewinnen führt.

Parallele Kaskadenschaltungen eignen sich hervorragend für Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, während serielle Systeme vor allem dort punkten, wo hohe Vorlauftemperaturen benötigt werden. Die hybride Kombination beider Ansätze ermöglicht undoubtedly noch komplexere Lösungen für besondere Anforderungen.

Praxisbeispiele von Herstellern wie Stiebel Eltron belegen, dass kaskadierte Systeme zuverlässig Leistungen von bis zu 90 kW und darüber hinaus bereitstellen können. Dennoch erfordert die erfolgreiche Umsetzung eine sorgfältige Planung und Dimensionierung, wobei Simulationstools wie Polysun wertvolle Unterstützung bieten.

Die richtige Auslegung der Wärmepumpenstufen, ein korrekter hydraulischer Abgleich sowie regelmässige Wartung und Monitoring sind entscheidende Faktoren für langfristigen Erfolg. Fehler in diesen Bereichen können die Effizienz erheblich mindern und die Lebensdauer der Anlagen verkürzen.

Abschliessend lässt sich festhalten: Wärmepumpenkaskaden bieten einen überraschend effizienten Weg, um hohe Heizleistungen zu erzielen. Diese Technologie wird angesichts steigender Anforderungen an klimafreundliche Heizlösungen für grössere Gebäude in Zukunft noch weiter an Bedeutung gewinnen. Wer auf der Suche nach einer zukunftssicheren, effizienten und flexiblen Heizlösung ist, findet in der Kaskadierung von Wärmepumpen eine überzeugende Antwort.

FAQs

Q1. Was sind die Vorteile einer Wärmepumpen-Kaskadenschaltung? Eine Kaskadenschaltung ermöglicht eine effiziente Anpassung der Heizleistung an den Bedarf, erhöht die Betriebssicherheit durch Redundanz und kann grosse Gebäude besonders effizient mit Wärme versorgen.

Q2. Wie funktioniert die Steuerung einer Wärmepumpenkaskade? Ein Kaskadenregler koordiniert mehrere Wärmepumpen, schaltet sie nach Bedarf zu oder ab und sorgt für eine gleichmässige Auslastung. So kann die Gesamtleistung variabel an den aktuellen Wärmebedarf angepasst werden.

Q3. Welche Leistung sollte eine Wärmepumpenkaskade für grössere Gebäude haben? Für grössere Gebäude wie Mehrfamilienhäuser oder Gewerbeimmobilien können Kaskadenlösungen mit Gesamtleistungen von bis zu 90 kW oder mehr sinnvoll sein. Die genaue Auslegung hängt vom individuellen Wärmebedarf ab.

Q4. Welche Arten von Kaskadenschaltungen gibt es bei Wärmepumpen? Es gibt drei Hauptarten: parallele Kaskaden für hohe Leistungen, serielle Kaskaden für hohe Vorlauftemperaturen und hybride Lösungen, die beide Ansätze kombinieren. Die Wahl hängt von den spezifischen Anforderungen des Gebäudes ab.

Q5. Worauf ist bei der Planung einer Wärmepumpenkaskade zu achten? Wichtige Faktoren sind die korrekte Dimensionierung der einzelnen Stufen, ein sorgfältiger hydraulischer Abgleich, die Wahl der richtigen Speichergrössen sowie eine intelligente Regelungsstrategie. Eine Anlagensimulation kann bei der optimalen Auslegung helfen.