Ecodan im Mehrfamilienhaus: Modulare Kaskadenhydraulik und Zubadan-Technik für die Sanierung

Dekarbonisierung des Geschosswohnungsbaus: Die Herausforderung im Bestand

Im Zuge des novellierten Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der verschärften Vorgaben der europäischen F-Gase-Verordnung steht die Wohnungswirtschaft vor einer massiven Umstellung. Während Ein- und Zweifamilienhäuser heizungstechnisch meist über kompakte Monoblock- oder Split-Systeme erschlossen werden können, verlangt das Heizen und die Warmwasserbereitung in Mehrfamilienhäusern (MFH) nach differenzierten thermodynamischen und hydraulischen Konzepten. Im Gebäudebestand treffen Planer und Handwerker regelmäßig auf hohe Heizlasten von 40 bis über 100 kW, knapp bemessene Heizflächen und bestehende Heizkörpernetze, die nach Vorlauftemperaturen von 55 bis 65 °C bei Norm-Außentemperaturen verlangen.

Der Austausch bestehender Gas-Etagenheizungen oder zentraler Öl- und Gaskessel gegen Luft/Wasser-Wärmepumpen erfordert Systeme, die auch bei zweistelligen Minusgraden weder drastisch an Heizleistung einbüßen noch auf unwirtschaftliche Direktheizstäbe zurückgreifen müssen. Mitsubishi Electric adressiert diesen Marktbereich mit maßgeschneiderten Ecodan-Kaskaden sowie modularen Großwärmepumpen, die durch die patentierte Zubadan-Flash-Injection-Technologie und moderne Kaskadenregler auch im ungedämmten oder teilsanierten Geschossbau dauerhaft wirtschaftliche Jahresarbeitszahlen (JAZ) sicherstellen.

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Thermodynamische Grundlagen: Flash-Injection und der erweiterte Kältekreis

Klassische Luft/Wasser-Wärmepumpen unterliegen einer thermodynamischen Gesetzmäßigkeit: Sinkt die Außenlufttemperatur, verringert sich die Sauggasdichte am Verdichtereintritt infolge des fallenden Verdampfungsdrucks. Der Kältemittel-Massenstrom bricht ein, wodurch die Heizleistung der Wärmepumpe exakt dann massiv absinkt, wenn das Gebäude die maximale Heizlast anfordert. Bei konventionellen Systemen führt dies zum berüchtigten Bivalenzpunkt, ab dem ein elektrischer Heizstab oder ein fossiler Spitzenlastkessel zuschalten muss.

Mitsubishi Electric begegnet diesem physikalischen Manko mit dem Zubadan-Kältekreis. Kernstück des Prozesses ist die Kombination aus einem Inverter-Scroll-Verdichter und einer zweistufigen Zwischeneinspritzung (Flash Injection):

1. Kondensation und Unterkühlung: Das Heißgas verlässt den Verdichter und wird im Plattenwärmetauscher (Verflüssiger) unter Wärmeabgabe an das Heizungswasser kondensiert. Anschließend durchströmt das flüssige Kältemittel einen internen Unterkühler (HIC – Heat Interchanger).
2. Bypass-Kreislauf mit elektronischem Expansionsventil: Ein definierter Teilstrom wird abgezweigt, über ein separates lineares Expansionsventil (LEV) teilentspannt und kühlt im Gegenstrom den Hauptmassenstrom stark unter. Hierdurch vergrößert sich die spezifische Enthalpiedifferenz des Kältemittels im Hauptverdampfer erheblich.
3. Gezielte Heißgaskühlung via Flash Injection: Der verdampfte Teilstrom wird direkt in die Verdichtungskammern des Scroll-Kompressors injiziert. Dies bewirkt zweierlei: Der Massenstrom im Verdichter wird künstlich angehoben, und die Heißgastemperatur sinkt drastisch ab. Dadurch kann der Verdichter auch bei extrem niedrigen Verdampfungstemperaturen (bis -15 °C oder gar -28 °C Außentemperatur) mit maximaler Drehzahl betrieben werden, ohne thermisch zu überhitzen.

Das Resultat ist eine stabile Heizleistung bis -15 °C ohne Leistungsabfall (100 % Nennwärmeleistung). Die Notwendigkeit einer elektrischen Nachheizung entfällt im Auslegungsbereich fast vollständig, was sich unmittelbar in einer normgerechten saisonalen Effizienz nach DIN EN 14825 niederschlägt.

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Hydraulische Einbindung im Mehrfamilienhaus: Trennung von Erzeuger- und Verbraucherkreis

In Mehrfamilienhäusern schwankt der Volumenstrom im Verbrauchernetz durch die Thermostatventile der einzelnen Wohnungen extrem. Wärmepumpen benötigen jedoch für einen störungsfreien Betrieb und den sicheren Abtauzyklus (Kreislaufumkehr) zwingend einen garantierten Mindestvolumenstrom und ein ausreichendes hydraulisches Puffervolumen.

Hydraulische Weiche vs. Reihen-Pufferspeicher

In Kaskadensystemen ab zwei Geräten hat sich die hydraulische Entkopplung über einen ausreichend dimensionierten Trennpufferspeicher oder eine hydraulische Weiche mit nachgeschaltetem Rücklauf-Reihenspeicher bewährt. Die Primärpumpen der einzelnen Ecodan-Außengeräte fördern modulierend über den internen Plattenwärmetauscher in die Weiche. Sekundärseitig bedienen drehzahlgeregelte Hocheffizienzpumpen die gemischten Heizkreise (z. B. Radiatorenkreis mit 55 °C Vorlauf und Fußbodenheizungskreis mit 35 °C Vorlauf).

Praxishinweis zur Schichtung: Bei der Kaskadenschaltung ist auf eine beruhigte Einspeisung im Speicher zu achten, damit die Temperaturschichtung nicht durch hohe Primärvolumenströme verwirbelt wird. Eine gestörte Schichtung treibt die mittlere Rücklauftemperatur zur Wärmepumpe nach oben und senkt den Carnot-Gütegrad der Anlage.

Carnot-Wirkungsgrad: COP_ideal = T_Vorlauf / (T_Vorlauf - T_Quelle)
(Temperaturen in Kelvin)

Jedes Kelvin Absenkung der Vorlauftemperatur durch optimierten hydraulischen Abgleich verbessert die reale Arbeitszahl um rund 2,0 bis 2,5 Prozent.

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Kaskadierung und Redundanz: Auslegungsmatrix im Wohnungsbau

Im Mehrfamilienhaus bietet eine Kaskade aus mehreren Ecodan-Einheiten (z. B. zwei bis sechs Außengeräte PUHZ-SHW / PUZ-SHWM) erhebliche Betriebsvorteile gegenüber einem einzigen Großaggregat. Durch die Modulation der einzelnen Inverter-Verdichter lässt sich die minimale Teillastleistung auf einen Bruchteil der Maximalleistung absenken, wodurch das materialschädigende Takten in der Übergangszeit verhindert wird.

| Kenngröße / Systemkonfiguration | Einzel-Großgerät (Monoblock) | Ecodan Kaskade (3x PUZ-SHWM140) | Modulare Heizzentrale (z. B. PreFab/CAHV) | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Thermische Gesamtleistung (-7/35 °C) | 40,0 kW | 42,0 kW (3x 14,0 kW) | Bis 80+ kW | | Minimale modulierende Teillast | ca. 12,0 kW | ca. 4,5 kW | ca. 10,0 kW | | Redundanz bei Teilausfall | 0 % (Heizstab aktiv) | 66 % gesicherte Heizleistung | Bis 75 % gesichert | | Warmwasserbereitung | Hoher Zyklusaufwand | Dedizierte Master-Slave-Aufteilung | Kontinuierlich bis 65/70 °C | | Kältemittelfüllmenge je Kreis | Hoch (erfordert Sicherheitskonzept) | Aufgeteilt auf autarke Kreise | Hermetisch im Sekundärraum |

Die übergeordnete Regelung verteilt die Betriebsstunden gleichmäßig über die Kaskadenteilnehmer. Bei Bedarf schaltet der Kaskadenmanager ein Gerät gezielt in den Warmwasser-Lademodus, während die übrigen Einheiten unterbrechungsfrei die Gebäudeheizung stützen.

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Legionellenschutz und Trinkwarmwasser nach DVGW W 551

Ein zentraler Streitpunkt bei Großwärmepumpen im MFH ist das Warmwasserkonzept. Gemäß DVGW-Arbeitsblatt W 551 müssen Warmwasserspeicher in Großanlagen (> 400 l Speichervolumen oder > 3 l Rohrleitungsinhalt zwischen Abgang und Entnahmestelle) am Speicheraustritt dauerhaft eine Warmwassertemperatur von mindestens 60 °C bereitstellen; im Zirkulationssystem darf die Temperatur 55 °C nicht unterschreiten.

Da der direkte Betrieb einer Standard-Wärmepumpe auf 60 °C Dauer-Vorlauf den COP mindert, realisiert man moderne Ecodan-Konzepte häufig über zwei Wege:

1. Frischwasserstationen im Durchlaufprinzip: Das Heizungswasser wird im Pufferspeicher auf 50 bis 55 °C gehalten. Ein nachgeschalteter Edelstahl-Plattenwärmetauscher erwärmt das Trinkwasser im Durchflussprinzip just-in-time auf 45 bis 48 °C. Da das Systemvolumen der Trinkwasserseite unter 3 Litern liegt, entfällt die strikte 60-°C-Vorgabe, was die System-JAZ spürbar anhebt.
2. Hochtemperatur-Wärmepumpen (EcodanPro / Zubadan HT): Werden zentrale Warmwasserspeicher mit Zirkulation betrieben, nutzen Planer die Ecodan-Systeme mit Heißgas-Nutzung oder CAHV-Modelle, die Vorlauftemperaturen von bis zu 70 °C über R454C/R32 thermodynamisch stabil bereitstellen, ohne dass ein fossiler Brenner zugeschaltet werden muss.

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Vorgefertigte Heizzentralen: Serielles Sanieren ohne Platzverlust

Im städtischen Geschosswohnungsbau scheitert die Wärmepumpenumstellung oft schlicht an zwei Engpässen: Fehlende Stellflächen im Außenbereich (Grenzabstände, TA Lärm) und unzureichende Einbringöffnungen im Heizungskeller.

Um die Installationszeiten drastisch zu verkürzen, forciert Mitsubishi Electric zusammen mit Partnern wie PreFab schlüsselfertige, externe Wärmepumpen-Heizzentralen. Hierbei wird die gesamte Kaskadenhydraulik samt Trennspeichern, Pumpengruppen, Entgasungseinheiten und Schaltschränken in wetterfesten, schallisolierten Containermodulen oder auf Dachrahmen vorgefertigt. Vor Ort müssen lediglich die Fernwärmerohre an die bestehende Steigleitung angebunden werden. Durch optimierte Eulenflügel-Ventilatoren und schallgedämmte Verdichtergehäuse halten moderne Außeneinheiten die TA-Lärm-Grenzwerte in reinen Wohngebieten (nachts maximal 35 dB(A) am Immissionsort) auch bei dichter Bebauung ein.

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Fazit und Planungsempfehlung

Die Heizungssanierung im Mehrfamilienhaus ist keine Frage des Ob, sondern der exakten hydraulischen und regelungstechnischen Systemabstimmung. Mit modulierenden Ecodan-Kaskaden und der Flash-Injection-Technik steht ein ausgereiftes Instrumentarium bereit, um hohe Heizkörper-Vorlauftemperaturen und strenge Trinkwasservorgaben wirtschaftlich zu meistern.

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• LinkedIn – Mitsubishi Electric HVAC: Neue Generation hocheffizienter Wärmepumpensysteme und All-Climate-Technologien für den Gebäudesektor.