Ecodan Wärmepumpen im Mehrfamilienhaus: Kaskadenlösung

Dekarbonisierung im Geschosswohnungsbau: Die hydraulische Herausforderung

Die Wärmewende in Ein- und Mehrfamilienhäusern stellt Fachplaner und SHK-Fachhandwerker vor komplexe technische Aufgaben. Während im Neubau moderne Flächenheizungen mit niedrigen Systemtemperaturen von 35 °C oder darunter Standard sind, dominiert im deutschen Wohnungsbestand die klassische Radiator-Verteilung. Vorlauftemperaturen von 55 °C bis 65 °C an kalten Auslegungstagen sind dort keine Seltenheit. Gleichzeitig verlangt die Trinkwasserhygiene nach DVGW-Arbeitsblatt W 551 im Mehrfamilienhaus verlässlich hohe Wassertemperaturen, um der Bildung von Legionellen vorzubeugen.

Mitsubishi Electric begegnet diesen Anforderungen mit fortschrittlichen Kaskaden- und Systemkonzepten auf Basis der Ecodan-Serie. Insbesondere Mehrfamilienhäuser und größere Zweifamilienhäuser profitieren von modularen Verschaltungen, die Teillastbereiche hocheffizient abdecken und selbst bei zweistelligen Minusgraden ohne Überdimensionierung oder Dauerbetrieb des Heizstabs auskommen.

Der thermodynamische Kältekreisprozess: Warum Standard-Wärmepumpen bei Frost einbrechen

Um die Funktionsweise und Leistungsreserven moderner Luft/Wasser-Wärmepumpen zu verstehen, ist ein Blick auf den thermodynamischen Kreisprozess und den theoretischen Carnot-Wirkungsgrad entscheidend. Die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) einer Kompressionskältemaschine orientiert sich an der idealen Carnot-Leistungszahl:

$$COP_{Carnot} = \frac{T_{warm}}{T_{warm} - T_{kalt}}$$

(wobei alle Temperaturen in Kelvin angegeben werden). Sinkt die Außenlufttemperatur $T_{kalt}$ bei klirrendem Winterwetter ab, vergrößert sich der thermodynamische Temperaturhub signifikant. Bei gewöhnlichen Luft/Wasser-Wärmepumpen führt dies zu einem physikalischen Dominoeffekt: Durch die geringe Dichte des Kältemitteldampfes am Verdampfereintritt sinkt der Massenstrom drastisch ab. In der Konsequenz bricht die erzeugte Heizleistung genau dann ein, wenn das Gebäude den höchsten Wärmebedarf aufweist (Norm-Heizlast nach DIN EN 12831).

Flash-Injection: Die Zubadan-Injektionstechnologie im Detail

Genau an dieser Schwachstelle setzt die patentierte Zubadan-Technologie von Mitsubishi Electric an. Das System arbeitet mit einem zweistufigen Entspannungsprozess über elektronische Expansionsventile (EEV) und einen internen Kältemittel-Unterkühler (Economizer/HIC).

                    ┌──────────────┐
                    │  Verdichter  │◄───────── Sauggas
                    │ (Scroll/DC)  │◄── Flash-Gas (Injection Port)
                    └──────┬───────┘
                           │ Heißgas
                           ▼
                    ┌──────────────┐
                    │ Kondensator  │ (Wärmeabgabe Heizkreis)
                    └──────┬───────┘
                           │ Flüssiges Kältemittel
                           ▼
                    ┌──────────────┐
                    │ Economizer   │◄── Teil-Entspannung via EEV
                    └──────┬───────┘
                           │ Unterkühlte Flüssigkeit
                           ▼
                    ┌──────────────┐
                    │ Haupt-EEV &  │
                    │ Verdampfer   │ (Umgebungsluft)
                    └──────────────┘

Beim Zubadan-Verfahren wird ein Teilstrom des flüssigen Kältemittels abgezweigt, vorentspannt und im Economizer zur Tiefunterkühlung des Hauptstroms genutzt. Der entstehende Zweiphasen-Dampf wird über einen speziellen Einspritzkanal direkt in die Verdichtungskammern des Scroll-Verdichters injiziert (Flash Injection).

Dieser Eingriff führt zu zwei entscheidenden Effekten:

1. Massenstrom-Stabilisierung: Trotz extrem niedriger Verdampfungstemperaturen bleibt der Kältemittel-Massenstrom konstant hoch. Die Nennheizleistung steht typischerweise bis -15 °C Außentemperatur zu 100 Prozent ohne elektrischen Zusatzheizer zur Verfügung.
2. Druckgastemperatur-Begrenzung: Die Heißgastemperatur am Verdichteraustritt wird durch das kühle Einspritzgas thermodynamisch gezügelt. Das verhindert eine thermische Zersetzung des Kältemaschinenöls und schützt mechanische Bauteile vor Überhitzung.

Hydraulische Einbindung und Kaskadierung im Geschossbau

In größeren Wohnanlagen reicht ein einzelner Wärmeerzeuger selten aus, um Heizung und Warmwasser über das gesamte Jahresband sicherzustellen. Eine Kaskadenschaltung aus zwei bis sechs Ecodan-Einheiten bietet hier enorme betriebstechnische Vorteile.

Hydraulische Entkopplung und Speicherdimensionierung

Damit die Inverter-Wärmepumpen modulierend arbeiten können, muss der Mindestvolumenstrom gemäß Herstellerangaben jederzeit gesichert sein. Dies geschieht in der Praxis über eine hydraulische Weiche oder einen seriell/parallel eingebundenen Trennpufferspeicher.

• Puffervolumen: Im Bestand empfiehlt sich ein Speichervolumen von 20 bis 35 Litern pro Kilowatt Heizleistung, um unzulässiges Takten in der Übergangszeit zu unterbinden und ausreichende Abtauenergie bereitzustellen.
• Abtauprozess: Die Abtauung erfolgt durch Kreisumkehr. Der Kältekreis entzieht dem Pufferspeicher für circa 2 bis 4 Minuten Wärme, um Eisansatz am Lamellen-Verdampfer rasch abzutauen. Ein ausreichend dimensionierter Speicher verhindert dabei das Absinken der Heizkörpertemperaturen im Wohnbereich.
• Druckverluste: Plattenwärmetauscher im Innenmodul erfordern eine sorgfältige Rohrnetzdimensionierung. Fließgeschwindigkeiten sollten zwischen 0,5 und 1,0 m/s liegen, um Strömungsgeräusche und hydraulischen Druckverlust gering zu halten.

Warmwasserkonzept nach DIN 1988-200 und DVGW W 551

Im Mehrfamilienhaus ist die hygienische Trinkwassererwärmung zentral. Stehende Speichervolumina über 400 Liter müssen dauerhaft auf mindestens 60 °C gehalten werden, während im Zirkulationsrücklauf 55 °C nicht unterschritten werden dürfen. Um die Jahresarbeitszahl (JAZ nach VDI 4650) nicht unnötig zu verschlechtern, bietet sich eine Zweiteilung an: Die Wärmepumpenkaskade hebt das Trinkwasser im Vorwärmspeicher auf 48 °C bis 50 °C an, während eine nachgeschaltete Hochtemperaturstufe oder Frischwasserstationen mit Plattenwärmetauschern wohnungsweise für die Bereitstellung sorgen.

Praxisvergleich: Kaskadenlösung vs. Monolithisches Großsystem

| Kriterium | Ecodan-Kaskade (z. B. 2x 14 kW Zubadan) | Monolithische Groß-Wärmepumpe (1x 28 kW) | | :--- | :--- | :--- | | Teillast-Modulation | Exzellent (Modulation bis herab zu ~3 kW) | Eingeschränkt (Mindestlast oft > 8-10 kW) | | Ausfallsicherheit (Redundanz) | Sehr hoch (bei Störung läuft 1 Modul weiter) | Gering (Totalausfall bei Verdichterschaden) | | Schallmanagement | Flexibel aufteilbar, Nachtbetrieb staffelbar | Hoher Schalleistungspegel an einer Stelle | | Abtauverhalten | Zeitversetzte Abtauung ohne Systemabkühlung | Gesamtes System schaltet zeitweise auf Kühlen | | Installationsaufwand | Mehr Verbindungsleitungen, Kaskadenregler | Größere Rohrdimensionen, schweres Einbringen |

Dimensionierungsbeispiel: Mehrfamilienhaus mit 6 Wohneinheiten

Ein teilsaniertes 6-Familienhaus aus dem Baujahr 1978 mit 480 m² beheizter Wohnfläche besitzt nach Heizlastberechnung (DIN EN 12831) eine Auslegungsheizlast von 24 kW bei einer Norm-Außentemperatur von -12 °C. Das bestehende Rohrsystem versorgt Kompaktheizkörper mit einer maximalen Vorlauftemperatur von 58 °C.

• Gewählte Systemkonfiguration: Zwei parallel geschaltete Mitsubishi Electric Zubadan-Außengeräte mit je 12 kW Nennheizleistung, gekoppelt an Ecodan-Hydromodule und einen 600-Liter-Trennpufferspeicher.
• Bivalenzpunkt: Da die Zubadan-Aggregate ihre Leistung bis -15 °C stabil halten, liegt der Bivalenzpunkt unterhalb der Norm-Außentemperatur. Das System arbeitet somit monovalent bzw. monoenergetisch ohne fossilen Zusatzkessel.
• Jahresarbeitszahl-Kalkulation: Durch die jahreszeitliche Verschiebung – nur ca. 5 % der Heizstunden entfallen auf Temperaturen unter -5 °C – erreicht die Anlage im Heizbetrieb bei einer gemittelten Vorlauftemperatur von 45 °C eine berechnete Jahresarbeitszahl von ca. 3,65 nach VDI 4650.

Fördermittel und GEG-Konformität im Modernisierungsalltag

Mit den Anforderungen des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und der Pflicht zu mindestens 65 Prozent erneuerbaren Energien bei jedem Heizungstausch sind Fachbetriebe gefordert, verlässliche Lösungen anzubieten. Über die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) lassen sich im Bestand attraktive Zuschüsse sichern. Um die maximalen Förderquoten abzugreifen, müssen die Systeme die Prüfnormen EN 14511 und EN 14825 erfüllen und netzdienliche Schnittstellen nach § 14a EnWG (z. B. SG-Ready-Kontakte) mitbringen, die bei Ecodan-Steuerungen standardmäßig integriert sind.

Wer moderne Wärmepumpensysteme, Invertertechnik oder passendes Montage- und Hydraulikzubehör für Sanierungsobjekte plant, findet bei Fachgroßhändlern und Plattformen wie Klimacorner.de umfassende Beratung sowie sofort verfügbare Systemkomponenten führender Markenhersteller.

Fazit

Die Modernisierung von Mehrfamilienhäusern erfordert keine Kompromisse zwischen Versorgungssicherheit und Dekarbonisierung mehr. Dank Technologien wie der Zubadan-Dampfeinspritzung und kaskadierbaren Ecodan-Hydrauliken lässt sich auch der anspruchsvolle Gebäudebestand mit Vorlauftemperaturen bis 60 °C oder darüber zuverlässig und normkonform beheizen.