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Ratgeber Erdwärme / Wärmepumpe, Teil 3: Dokumentation

Die Wärmequellen der Erdwärme können an der Oberfläche in 1 bis 2 m Tiefe durch die horizontale Verlegung der Wärmetauscherrohre oder durch vertikale Erdsonden bis in ca. 100 m Tiefe genutzt werden.

Das Erdreich wird bis ca. 30-70 cm Tiefe durch die wechselnde Lufttemperatur beeinflusst und bis ca. 10-20 m durch Jahresschwankungen der Lufttemperatur. Ohne diese Einflüsse würde jeder Standort eine Jahresmitteltemperatur haben, die Temperatur würde mit zunehmender Tiefe um ca. 3 °C pro 100 m ansteigen. Die Stärke des Temperatureinflusses hängt deshalb von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Standortes, von Boden- und Gesteinsart, von der Feuchte, der Homogenität und von Höhenlage, Neigung, Himmelsrichtung und weiteren Faktoren ab.

Die benötigte Fläche für die Wärmequellen liegt in der Regel beim ein- bis zweifachen der Nutzfläche, die beheizt werden soll. Der Wärmebedarf der Nutzfläche schwankt in der Regel zwischen 30 W/Quadratmeter bei einem Niedrigenergiehaus und 80 W/Quadratmeter bei einem Altbau mit Wärmedämmung.

Flächenkollektoren
Flächenkollektoren haben den Vorteil, dass sie unkompliziert und preiswert in der Herstellung sind. Allerdings benötigen Flächenkollektoren eine große Fläche. Bei diesem Verfahren wird die gespeicherte Solarwärme über ein Rohrsystem in der Erde gewonnen. Bei einer zu geringen Kollektorfläche kann die Arbeitszahl kleiner werden. Damit nimmt der "Umweltanteil" der gewonnenen Energie ab und der Stromanteil an der Wärme nimmt zu. Bei der Warmwasserbereitung mit einer Heizungswärmepumpe besteht eine weitere Gefahr: Der Boden kann sich im Sommer nicht mehr ausreichend regenerieren und hat ein schlechteres Pflanzenwachstum und weniger Energieausbeute zur Folge. Auch eine nachträgliche Überbauung der Kollektorfläche und zu geringe Abstände zu Kanal- oder Wasserleitungen mindern die Vorteile dieser Wärmegewinnung.

Bei horizontalen Erdrohren sind Leistungen zwischen 10-40 W/Quadratmeter zu erwarten. Die horizontalen Rohre werden in einer Tiefe von 130-200 cm und in einem Abstand von etwa 50 Zentimeter verlegt. Die benötigte Fläche der Wärmequellen ergibt sich aus der Größe der zu beheizenden Nutzfläche, dem Wärmebedarf der Nutzfläche, der Wärmeentzugsleistung der Wärmequellen sowie der Leistungszahl der Wärmepumpe.

Tiefenbohrung
Die Verfahren der Tiefenbohrung sind zwar auch auf kleinsten Flächen anwendbar, doch sind sie als Wärmequellen verhältnismäßig teuer. Oft wird Tiefenbohrung als Alternative eingesetzt, wenn die Grundfläche für Flächenkollektoren nicht ausreicht. So genannte Entzugsrohre werden bei der Tiefenbohrungen bis in 150 Meter Tiefe gelegt. Je nach Boden lassen sich pro Bohrmeter rund 70 W Heizleistung erzielen. Voraussetzung für die Bohrung ist eine Zufahrtsmöglichkeit für LKW.

Erdsonden werden in der Regel bis zu 100 m Tiefe installiert, am häufigsten zwischen 40 und 50 Meter. Als Material dient vielfach HDPE (High Density Polyethylen), als Kreislaufflüssigkeit oft Wasser mit Frostschutzmittel (Sole). Stahlrohre sind kaum geeignet, da sie anfällig für Korrosion sind und sich dies auf die Lebensdauer der Anlage auswirken kann. Das Bohrloch wird mit plastischen Stoffen wie Ton oder Tongemische verfüllt, um den Kontakt zwischen Sonde und Erdreich sicherzustellen und die verschiedenen Tiefenhorizonte bzw. Grundwasserleiter des Erdreichs gegeneinander abzudichten. Das Wasserwirtschaftsamt erteilt die Genehmigung für Erdsonden bis zu einer Tiefe von 100 m, das Bergamt ist ab 100 m zuständig. In Wasserschutzzonen (I und II) sind Erdsonden untersagt.

Die Wärmeentzugsleistung ist von einer Reihe von Faktoren abhängig: von der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins und des Bodens sowie der Zahl der Betriebsstunden, des plastischen Verfüllmaterials, der Erdsondengeometrie, des Temperaturgradienten etc.. Die Wärmeleitfähigkeit kann bei verschiedenen Materialien stark schwanken: Während sie bei trockenem Sand 0,3 W/m*K beträgt, kann sie bei nassem Lehm bis über 2,0 W/m*K ausmachen und bei gesättigtem Sand sogar bis über 5 W/m*K. Die Wärmekapazität liegt entsprechend von 1,3*106*W*s/(m3*K) bei trockenem Sand bis über 3,0*106*W*s/(m3*K) bei nassem Lehm.

Nach VDI-Richtlinie und zugrunde liegenden 1800 Betriebsstunden pro Jahr ist mit durchschnittlichen Wärmeentzugsleistungen von etwa 50 W/m Sondenlänge bei Erdwärmesonden zu rechnen. Festgestein mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit und ein Untergrund mit hohem Grundwasserfluss haben deutlich höhere Entzugsleistungen.

Grundwasser
Mit der Wärmequelle Grundwasser lassen sich in der Regel gute Arbeitszahlen erreichen, jedoch erfordert diese Methode eine wasserrechtliche Bewilligung, die meist befristet erteilt wird. Eine weitere Voraussetzung ist natürlich eine ausreichende Wassermenge, für ein Einfamilienhaus sollte eine Entnahme von mindestens zwei Kubikmeter Grundwasser pro Stunde möglich sein. Im Normalfall sind ein Entnahme- und ein Schluckbrunnen zu errichten. Grundwasser ist die Wärmequelle mit dem höchsten Temperaturniveau.Wärmepumpen-Einsatz ist in fast allen Gebäuden möglich

Der Wärmepumpen-Einsatz in Deutschland ist noch selten, dabei sind rund drei Millionen alter Heizungen zu modernisieren. Grund für die Zurückhaltung ist die bei alten Gebäuden gegenüber Neubauten benötigte höhere Vorlauftemperatur. Konventionelle Kompressions-Wärmepumpen liefern mit den üblichen Kältemitteln (wie R 407 C, R 404 A usw.) Vorlauftemperaturen bis höchstens 55° C. Das ist für übliche Radiatoren in Altbauten zu gering, um Räume genügend zu erwärmen und somit ist der Wärmepumpen-Einsatz nicht möglich.

Zwei Kreisprozesse erlauben aber neuerdings den wirtschaftlichen Einsatz von Kompressions-Wärmepumpen auch in der Heizungsmodernisierung. Beide verwenden die üblichen Kältemittel und erreichen Temperaturen über 55° C sowie gute Leistungszahlen. Diese Techniken ermöglichen den Wärmepumpen-Einsatz in Altbauten.

Kaskadenschaltung

Die Kaskadenschaltung ist eine der beiden Varianten für den Wärmepumpen-Einsatz mit hohen Vorlauftemperaturen. Dabei schaltet man zwei Wärmepumpenkreisläufe in einem Aggregat hintereinander, in dem man sie durch einen Wärmetauscher thermisch miteinander verbindet. Dieser zentrale Wärmetauscher hat gleichzeitig zwei Funktionen: Er ist der Verflüssiger der ersten und der Verdampfer der zweiten Stufe. So erfolgt eine Wärmeabgabe zum Heizsystem über die erste und eine zweite Stufe, wobei die Kreisläufe andere Kältemittel verwenden. Eine solche Anordnung erfordert dauerhaften Betrieb, da nur auf der zweiten Stufe Wärme an die Heizung abgegeben werden kann.

EVI-Zyklus

Der EVI-Zyklus ist die zweite Möglichkeit für den Wärmepumpen-Einsatz in Altbauten. Mit dem EVI-Zyklus (engl. Enhanced Vapour Injection), dem technischen Verfahren der Dampfeinspritzung, können die benötigten Vorlauftemperaturen über 55° C auch mit dem Kältemittel R 407 C erreicht werden. Bei diesem Verfahren wird ein Teil des Kältemittels über ein Ventil abgeführt, entspannt und über einen Zusatzwärmetauscher zum Verdichter geführt. So wird eine Überhitzung des Kältemittels vermieden.

Die Dampfeinspritzung bei einer Wärmepumpe mit EVI-Zyklus setzt erst bei hohen Wärmeanforderungen bis 65° C ein. Durch die Einspritzung werden die Leistung und damit auch die Leistungszahl erhöht. Die vom Verdichter benötigte elektrische Energie ist beim EVI-Prozess erheblich geringer als für einen vergleichbaren Verdichter ohne Dampfeinspritzung.

Der EVI-Prozess ist besonders bei Luft/Wasser-Wärmepumpen effektiv. Auch bei -15° C ist eine Vorlauftemperatur von 65°C zu erreichen.

Erweiterter Wärmepumpen-Einsatzbereich

Mit der Möglichkeit, höhere Vorlauftemperaturen zu erreichen, können Wärmepumpen auch bei der Modernisierung eingesetzt werden. Vielfach wurden in älteren Gebäuden beispielsweise Heizkörper großzügig ausgelegt. Isolierglasfenster wurden eingebaut und Wärmedämmungen eingerichtet - diese Maßnahmen haben den Bedarf an Heizwärme spürbar gesenkt.

Sollten also in älteren Bauten die ursprünglichen Heizflächen beibehalten werden, so sind hohe Vorlauftemperaturen bis zu 90°C nicht mehr erforderlich und können ohne Einbußen häufig auf 65°C gesenkt werden. So kann etwa eine Wärmepumpe mit EVI-Zyklus auch bei Systemen mit einem 90/70°C-Niveau über das ganze Jahr hinweg für die nötige Wärme sorgen. Moderne Wärmepumpen erreichen dabei Jahreszahlen von 3 im monovalenten Betrieb für Heizung und Trinkwasserbereitung. Auch "Natural Cooling" ist bei diesen Anlagen möglich.
Beide Verfahren sind technisch ausgereift und stehen für den Wärmepumpen-Einsatz im Sanierungsbereich bereit.

Niedrigenergiehäuser

Die steigenden Anforderungen an den Baustandard und der Trend zur wohnraumnahen Installation der Heiztechnik haben den Typ der monovalenten oder monoenergetisch betriebenen Wärmepumpe hervorgebracht. Es sind komplette Systemlösungen, die eine elektrisch betriebene Kompressions-Wärmepumpe, Speicher-Wassererwärmer und weitere Komponenten integrieren, nicht größer als eine Kühl-Gefrier-Kombination.

Passivhäuser

Auch für die besonderen Anforderungen in Passivhäusern befinden sich solche Systemlösungen auf dem Markt, die einen Wärmepumpen-Einsatz ermöglichen. Passivhäuser benötigen immer eine kontrollierte Wohnungslüftung. Deshalb wird in Kompaktgeräten eine Abluft/Wasser-Wärmepumpe mit einer Anlage zur kontrollierten Wohnungslüftung kombiniert. Die Wärmepumpe nutzt die Wärme in der Abluft, die bei der Wärmerückgewinnung durch die Lüftung nicht verwertet wurde. Dieser Anteil wird zur Nacherwärmung der Zuluft oder zur Trinkwassererwärmung verwendet.

Eine angeschlossene Solaranlage kann die Trinkwassererwärmung unterstützen und eine konventionelle Pumpen-Warmwasserheizung, z. B. für eine Fußbodenheizung, lässt sich ebenfalls anschließen. Passivhaus-Kompaktgeräte können eine beheizte Fläche von max. 120 Quadratmeter - oder ein Volumen von rund 400 Kubikmeter - versorgen. Bei höherem Heizbedarf sind Kompaktgeräte mit einem zusätzlichen Aussenluftstrom für die Wärmepumpe vorhanden. Diese können auch ein gutes Niedrigenergiehaus komplett versorgen. Die kompakte Bauweise dieser Geräte lässt sich auf etwa drei Quadratmetern unterbringen - eingeschlossen sind hier zudem angeschlossene Kanäle des Lüftungssystems. Vorteilhaft sind diese Systeme auch deshalb, weil sie die Installation von Wärmepumpe und Speicher-Wassererwärmer in einem Arbeitsgang möglich machen.

Große Gebäude

In Deutschland wurde der größte Teil der Wärmepumpen seit Beginn der 90-er Jahre mit kleinerer Leistung in Ein- und Zweifamilienwohnhäusern installiert. Dabei ist der Wärmepumpen-Einsatz auch bei größeren Anforderungen realisierbar. Als einziger Wärmeerzeuger liefern diese Aggregate ganzjährig die Wärme für die Heizung und Trinkwasserbereitung von Verwaltungs- und Industriegebäuden, Hotels, Krankenhäusern, Schulen und Mehrfamilienwohnhäusern.

Größere Gebäude benötigen mittelgroße Wärmepumpen mit Leistungen zwischen ca. 20 und 200 kW. In Deutschland zählen allerdings schon Wärmepumpen mit 20 kW zu den Wärmepumpen mittlerer Größe - die Ursache dafür ist wahrscheinlich die geringe Verbreitung.

In der Schweiz dagegen gilt als untere Grenze 50 kW für mittelgroße Wärmepumpen, in Schweden etwa spricht man erst ab der Leistung von 100 kW von einer mittelgroßen Wärmepumpen. Allerdings sind in diesen Ländern eine Reihe von Groß-Wärmepumpen in Betrieb, die im Megawatt-Bereich arbeiten.
Der Wärmepumpen-Einsatz in großen Gebäuden wird in Zukunft nicht mehr die Ausnahme sein.

Hohe Wirtschaftlichkeit - Geringe Betriebskosten Wärmepumpen eignen sich in besonderer Weise für Heizsysteme mit niedrigen Systemtemperaturen, wie etwa Fußbodenheizungen wegen der geringen Vorlauftemperatur. Eine Kombination mit hoher Wirtschaftlichkeit und geringen Betriebskosten. Abhängig von der Temperatur des Heizsystems und der Wärmequelle erzielen moderne Elektro-Wärmepumpen Leistungszahlen zwischen 3,5 bis 5,5. Pro kWh eingesetztem Strom entstehen also 3,5 bis 5,5 kWh Heizwärme. Um einen noch höhere Wirtschaftlichkeit beim Betrieb einer Wärmepumpen-Heizungsanlage zu gewährleisten, bieten die meisten Energieversorger Sonderstromtarife für Wärmepumpen an.

Bei einem Strompreis von 10 Ct/kWh, der den Mittelwert spezieller Tarife und eine Grundgebühr umfasst, ergeben sich bei einer mittleren Jahresarbeitszahl von 4 Betriebskosten von 2,5 Ct pro kWh erzeugter Wärme. Herkömmliche Heizanlagen liegen darüber, bei Heizöl ca. 3,5 Ct/kWh, bei Erdgas ca. 4 Ct/kWh. Kosten für Wartung und Überprüfungstätigkeiten fallen bei Heizöl und Gas außerdem an und zählen auch zu den Betriebskosten.

Die Sonderstromtarife der Energieversorger sind jedoch meist mit der Anforderung verbunden, dass die Versorgung für Wärmepumpen in Zeiten hoher Netzbelastung (Sperrzeiten) unterbrochen werden kann. So kann die Stromversorgung für monovalente Wärmepumpenanlagen vom Energieversorger an einem ganzen Tag dreimal für maximal zwei Stunden unterbrochen werden. Die maximale Unterbrechungsdauer bei bivalenten Wärmepumpenanlagen liegt innerhalb einer Heizperiode bei 960 Stunden.

Beim Neubau hat sich eine Betriebsweise durchgesetzt, die monovalent unterbrechbar ist. Bei dieser Betriebsweise deckt die Wärmepumpe den Wärmebedarf im ganzen Jahr, ohne dass die Unterbrechungszeiten ihre Funktion beeinträchtigen. Eine Fußbodenheizung überbrückt dank ihrer Speicherfähigkeit die Sperrzeiten ohne dass die Bewohner Veränderungen der Raumtemperatur wahrnehmen. Laufzeitoptimierungen können in einem solchen Fall mit einem Pufferspeicher erreicht werden um die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.

Für Modernisierungen eignen sich bivalente Betriebsweisen, weil normaler Weise ein Wärmeerzeuger vorhanden ist. Dieser sorgt für eine Deckung der Lastspitzen an kalten Wintertagen mit erforderlichen Vorlauftemperaturen über 55 °C. Keinen Sonderstrompreis bieten die Energieversorger bei durchgängigem Betrieb der Wärmepumpe an. Die Abrechnung wird in diesem Fall gemeinsam mit dem Stromverbrauch des Haushaltes oder des Gewerbebetriebes gemacht. Betriebskosten sind dann natürlich höher, Wirtschaftlichkeit ist aber immer noch vorhanden.

Gegenüber herkömmlichen Brennwert-Heizungsanlagen bei einem Einfamilienwohnhaus ist mit Mehrinvestitionen von ca. 1000 € für eine Luft/Wasser-Wärmepumpe zu rechnen.
Bei Sole/Wasser- und Wasser/Wasser-Wärmepumpen sind die Kosten für die Wärmequelle (Kollektor-Sonde, Brunnen) noch zusätzlich erforderlich.

Bei Kompaktgeräten mit integrierter Lüftung sind im Vergleich zur Brennwerttechnik mit separater Lüftung Mehrinvestitionen von ca. 1000 € erforderlich. Durch die geringeren Betriebskosten ist mit einer Amortisation bereits nach 3 Jahren zu rechnen.

Dabei sind allerdings keine Kostenvorteile eingerechnet:
Schornstein, Öllagerstätte bzw. der Gasanschluss sind beim Wärmepumpen-Betrieb nicht erforderlich.
Elektro-Wärmepumpen mit ausgereiften Heizsystemen gelten derzeit als die ökologisch beste Variante. Selbst der konventionell im Kraftwerksmix hergestellte Strom verbraucht weniger Primärenergiemenge, bezogen auf die mit einer Wärmepumpe erzeugte Nutzwärme.

Gegenüber einer konventionellen Heizungstechnik ist die Wärmepumpe ausgesprochen günstig. Das lässt sich mit einem einfachen Beispiel zeigen, in dem Wirtschaftlichkeit und Betriebskosten verdeutlicht werden. Auf dem Prüfstand steht ein mittleres Einfamilienhaus mit einem Heizwärmebedarf von 15.000 Kilowattstunden (kWh) pro Jahr, das einmal mit Gas und zum andern mit einer Wärmepumpe beheizt wird.

Die Voraussetzungen: Das Haus mit Gasheizung wird mit einer Erdgas-Therme beheizt, das Wärmepumpen-Haus dagegen mit einer erdgekoppelten Wärmepumpe. Die Wirkungsgrade bzw. Jahresarbeitszahlen sind Mittelwerte. Bei den Energiekosten handelt es sich um realistische Werte zweier Energieversorger am selben Standort, Preisstand war der 1. Januar 2003 (brutto). Als Kosten werden nur jene Komponenten aufgeführt, die unbedingt notwendig bzw. gesetzlich vorgeschrieben sind, um die Heizung zu betreiben.

Aufbau der EWS

Die Erdwärmesonde (EWS) besteht aus zwei doppelten Rohrleitungen (Doppelsonde). Die Umlenkung erfolgt entweder am unteren Ende (Sondenfuß) durch ein eingeschweißtes U-Stück, das durch eine Schrumpfkappe mechanisch geschützt wird oder in einem massiven Sondenfuß, in dem die U-förmige Umlenkung eingefräst ist.

In der Mitte der Rohrbündel ist ein Injektionsrohr angebracht, durch das nach dem Einbringen der Sonde eine Bentonit/Zement-Injektion gepresst wird („klassische Sonde“). Beim neueren Sondentyp fehlt das Injektionsrohr. Die Injektion erfolgt über ein unten offenes Stahl-Gestänge, das nach der Verpressung wieder entfernt wird.

In beiden Fällen füllt die Bentonit/Zement-Injektion das Bohrloch von unten nach oben und schließt dabei alle Ritzen und Hohlräume zwischen den Sondenrohren. Diese Maßnahme gewährleistet eine vollständige Verbindung der EWS mit dem umgebenden Erdreich, dichtet evtl. vorhandene wasserführende Schichten gegeneinander ab und schützt die Sonde.

Jede Sonde wird auf der Baustelle vor und unmittelbar nach dem Einbau durch eine Druckprobe auf Dichtheit überprüft. Dabei wird sie mit dem 5 bis 10fachen des späteren Betriebsdrucks belastet. Diesem Test werden auch solche Sonden unterzogen, die schon vom Hersteller mit einem entsprechenden Testat versehen sind.

Da an einer einmal ins Erdreich eingebrachten Erdwärmesonde keine späteren Nachbesserungen mehr möglich sind, muss die Einbindung ins Erdreich besonders zuverlässig erfolgen. Die Druckprüfungen, die Verpressung mit einer gut wärmeleitenden Suspension und die notwendigen Abdichtungen zwischen evtl. vorhandenen Grundwasserschichten sind Voraussetzungen für eine dauerhafte Funktion der EWS.

Wärmepumpe - die ökologische Alternative

Die Wärmepumpe ist eine einfache, technisch robuste und preiswerte Heizung, die ihre Energie überwiegend aus der Luft, aus dem Grundwasser oder der Erdwärme bezieht. Wärmepumpen nutzen die in diesen Medien gespeicherte Sonnenenergie und können Gebäude hundertprozentig mit Wärme versorgen.

Wärmepumpen-Heizungen sind heute im Hinblick auf ihren Primärenergieverbrauch und ihren CO2-Ausstoß Gas- und Ölheizungen deutlich überlegen. Gesamtwirtschaftlich gesehen leisten sie einen wichtigen Beitrag zur Einsparung von Energie und zur Minderung von Kohlendioxid. Doch im Gegensatz zu anderen Ländern ist die Wärmepumpe in Deutschland noch wenig verbreitet - zu Unrecht, denn primärenergetisch betrachtet gehört sie heute zu den besten Heiztechnologien. In Österreich und in der Schweiz gehört die Wärmepumpe vielfach schon zum Alltag, in der Schweiz arbeiten bereits 40 Prozent aller Häuser mit einer Wärmepumpe.

Die Technik der Wärmepumpe ist ausgereift und hat sich in der Praxis bewährt. Wärmepumpenheizungen versorgen heute Gebäude zu 100 Prozent zuverlässig mit Wärme. Nicht nur im Neubau sind Heizungssysteme mit dem Betrieb einer Wärmepumpe angezeigt - auch der große Markt der Sanierung und Modernisierung hält für Bauherren, Architekten und Planern sinnvolle Systemlösungen mit der Wärmepumpe bereit. Mit der Wärmepumpe steht ihnen ein großes Spektrum in der Gestaltung von Heizsystemen im Neubau und bei Altbauten zur Verfügung.
Den alten Heizkessel gegen eine Wärmepumpe auszutauschen und dabei das alte Heizsystem mit Vorlauftemperaturen bis 65 0C beizubehalten, ist ohne weiteres möglich und hält für Handwerker und Betreiber einfache und preiswerte Lösungen bereit.

Auch die Energie-Einspar-Verordnung (EnEV), die offizielle Richtschnur für effiziente Heizsysteme und gültig seit Februar 2002 zeigt, dass die Wärmepumpe eine überzeugende Alternative zu konventionellen Heiztechniken bietet.

Der Blick auf den Energieverbrauch eines Haushaltes zeigt schnell, dass die Heizung den Löwenanteil der Energiekosten ausmacht. Ganz gleich, ob mit Öl oder Gas geheizt wird - die Kosten sind immens und steigen weiter. Außerdem sind Öl und Gas fossile und damit endliche Energieressourcen - sie können nicht reproduziert werden. Ganz im Sinne eines umfassenden Umweltschutzes verringern Wärmepumpen den Schadstoffausstoß von Kohlendioxid (CO2), Schwefeldioxid, Stickstoff und Staub erheblich.

Damit liefern die Wärmepumpen gleich mehrere Vorteile: Sie senken den Energieverbrauch, reduzieren den Schadstoffausstoß und nutzen das natürlich vorhandene Wärmepotenzial aus Luft, Wasser und Erde. Diese auch für den Umweltschutz wichtigen Vorteile machen sich aber auch beim Verbraucher bemerkbar: Alle Arten der Wärmepumpe lassen sich langfristig preiswerter betreiben als herkömmliche Öl- und Gasheizungen. Eine ganze Reihe von Heizsystemen bieten mittlerweile Bauherren, Planern und Architekten bei der Verwendung von Wärmepumpen eine große Bandbreite in der Gebäudegestaltung - und die Nutzer der Wärmepumpe können auf eine zuverlässige Technik vertrauen, die fast wartungsfrei arbeitet.

Das Wichtigste rund um die Wärmepumpe

Ausser Argumenten für Wärmepumpen wird auf den folgenden Seiten die Wärmepumpen-Funktion, die für Planung und Betrieb wichtigen Wärmepumpen-Kennzahlen und die Wärmepumpen-Technik in ihren Bestand- und Bauteilen beschrieben. Die Beschäftigung mit dem Funktionsbetrieb hat eine Reihe unterschiedlicher Wärmepumpen-Bauarten hervorgebracht - sie unterscheiden sich in ihrer Funktionsweise und reichen von der Kompressions-Wärmepumpe bis hin zur Vuilleumier-Wärmepumpe. Wärmepumpen-Typen dagegen unterscheiden sich nach ihrer Wärmequelle, nach der Art ihrer Technologie und schließlich nach der Art der Wärmenutzung. Auf dem Markt haben sich überwiegend Sole/Wasser-Wärmepumpen, Luft/Wasser-Wärmepumpen, Luft/Luft-Wärmepumpen und Wasser/Wasser-Wärmepumpen durchgesetzt. Darunter befinden sich Heizungswärmepumpen, die auch Warmwasser erzeugen können und jene Wärmepumpen für die alleinige Erzeugung von Warmwasser.
Entscheidend für den Einsatz der Wärmepumpe sind mitunter die Wärmequellen - nicht jeder Bauherr hat alle Voraussetzungen für jeglichen Wärmepumpen-Typ. So ist auch die Lage des Grundstücks entscheidend, ob eher die Luft, das Erdreich oder das Wasser als Wärmequelle infrage kommt. Neben der Wärmequelle ist das zu planende oder das bereits bestehende Heizsystem ein wichtiger Aspekt, um sich für die optimale Wärmepumpenheizung entscheiden zu können. Doch Wärmepumpen spenden nicht nur Wärme, sie können im reversiblen Betrieb als Wärmepumpenkühlung auch die Klimaanlage ersetzen.

Wenn Wärme aus Erdreich, Wasser und Luft mit der Wärmepumpe gewonnen wurde, stellt sich schnell auch die Frage nach der Speicherung von Wärme. Warmwasserspeicher und Pufferspeicher können die von der Wärmepumpe gewonnene Wärme speichern, um sie zum erforderlichen Zeitpunkt an das Heizsystem abzugeben. Möglichkeiten für den Wärmepumpen-Einsatz, Wirtschaftlichkeit/Betriebskosten und Vergleiche von Heizsystemen sind wichtige Punkte, um sich leichter für den Einsatz von Wärmepumpen entscheiden zu können. Es ist auch wichtig die bevorzugte Behandlung der Wärmepumpe in der EnEV (Energieeinsparverordnung) zu kennen. In der EnEV wird die Wärmepumpe als Technologie der Zukunft gesehen.

Selbst wenn Wärmepumpen in der Anschaffung verglichen mit konventionellen Heizungen teurer sind, so liegen sie bei Energie- und Betriebskosten doch deutlich niedriger und sind deshalb auch wirtschaftlich attraktiv.
Für jene, die sich bereits für die Wärmepumpe entschieden haben, sind Installation und Betrieb sowie die Auslegung von Bedeutung und eine ganze Reihe von Förderungen trägt dazu bei, die erforderlichen Investitionskosten zu senken. Förderungsprogramme gibt es von der EU, von Bund und Ländern. Die Entwicklung von Wärmepumpen aber ist noch lange nicht abgeschlossen, viele Innovationen befinden sich in der Forschung und Erprobung und werden die Zukunft der Wärmepumpe mitbestimmen.

Wärmepumpen-Funktion - Wie Wärmepumpen arbeiten

Die Wärmepumpen-Funktion ist durch einen geschlossenen Kreisprozess gegeben. Die Wärmepumpe verwandelt auch bei winterlichen Minusgraden Wärme niedriger Temperatur in Wärme hoher Temperatur. Verantwortlich dafür ist das physikalische Prinzip, das sich - analog zum Kühlschrank - bei Wärmepumpen durch einen geschlossenen Kreisprozess vollzieht: Das Arbeitsmedium ändert kontinuierlich seinen Aggregatzustand, verdampft, wird komprimiert, verflüssigt sich und expandiert. Arbeitsmedien (Kältemittel) sind Stoffe, die bei niedrigen Temperaturen verdampfen und zugleich hohe innere Wärme besitzen. Heute sind FCKW- und H-FCKW-freie, ungiftige, biologisch abbaubare und nicht brennbare Arbeitsmedien im Einsatz.
Wärmepumpen entziehen der Hausumgebung - also dem Erdreich, dem Wasser oder der Luft - die enthaltene (Sonnen-) Wärme und gibt diese inklusive der elektrischen Antriebsenergie als Wärme an den Heiz- und Warmwasserkreislauf ab.

Die Wärmepumpen-Funktion bzw. der Kreislauf typischer Wärmepumpen, also etwa einer Kompressions-Wärmepumpe mit Elektro-, Gas- oder Dieselantrieb, vollzieht sich im Verdampfen, Verdichten, der Kondensation und Expansion des Arbeitsmediums. Zum Zeitpunkt der Aufnahme von Wärme aus der Umwelt ist das flüssige Arbeitsmedium (Kältemittel) bei geringem Druck auf der Primärseite im Verdampfer. Die Temperatur der Umweltwärme außerhalb des Verdampfer ist höher als der Siedepunkt des Arbeitsmediums. Dies bewirkt, dass Wärme von der Wärmequelle auf das Arbeitsmedium übertragen wird.

Im nächsten Schritt der Wärmepumpen-Funktion verdampft das Arbeitsmedium und entzieht auf diese Weise der Umgebung Wärme. Die Temperatur der Umgebung kann dabei durchaus bis -15 °C betragen. Nun wird das verdampfte Arbeitsmedium vom Verdichter aus dem Verdampfer abgesaugt und verdichtet. Bei diesem Vorgang steigen Druck und Temperatur des Dampfes. Das dampfförmige Arbeitsmedium wird jetzt auf der Sekundärseite in den Verflüssiger transferiert, der vom Heizwasser umgeben ist. Da die Temperatur des Heizwassers niedriger ist als die Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums, kühlt der Dampf ab und wird wieder flüssig. Das Heizwasser erhält also die im Verdampfer aufgenommene Wärme und die zusätzliche, durch das Verdichten zugeführte Energie. Danach gelangt das Arbeitsmedium über ein Expansionsventil wieder in den Verdampfer. Hier entspannt sich das Arbeitsmittel vom hohen Druck des Kondensators auf den niedrigen Druck des Verdampfers und kühlt ab. Auf diese Weise schließt sich der Kreislauf der Wärmepumpen-Funktion.

Vergleichbar ist die Wärmepumpen-Funktion mit dem rückwärtslaufenden (idealen) Carnot-Prozess, entspricht also dem Prinzip der Kraft-Wärme-Maschine. Aus dem Carnot-Prozess lässt sich der theoretische Wirkungsgrad (ec) der Wärmepumpe errechnen. Allerdings fällt die Leistungszahl (e) bei einem realistischen Wärmepumpenprozess geringer aus, weil betriebsbedingt thermische, mechanische und elektrische Prozesse sowie der Energiebedarf des Hilfsantriebs die Leistung schmälern. Grundlegend gilt für die Wärmepumpen-Funktion: Je geringer der Unterschied zwischen Temperaturquelle und Wärmeverteilung ist, desto wirtschaftlicher arbeitet eine Wärmepumpe.

Wärmepumpen-Kennzahlen - Was Wärmepumpen wirklich leisten

Leistungszahl und Jahresarbeitszahl sind die wichtigsten Wärmepumpen-Kennzahlen. Die Leistungszahl (e) gibt das Verhältnis zwischen der Wärmeleistung (kW), die ans Heiznetz abgegeben wird und der aufgenommenen elektrischen Leistung der Wärmepumpe (kW) an. Die Leistungszahl gilt jedoch nur für einen bestimmten Betriebspunkt, sie ändert sich permanent je nach Quellen- und Heizungsvorlauftemperatur. Elektro-Wärmepumpen neuerer Bauart erzielen (je nach Wärmequelle) Leistungszahlen zwischen 3,5 und 5,5. Pro kWh Strom werden also 3,5 bis 5,5 kWh Heizwärme erzeugt. Die Leistungszahl lässt allerdings die Leistung elektrischer Hilfsaggregate, die nicht unmittelbar zum Wärmepumpen-Prozess gehören, unberücksichtigt (etwa Heizungsumwälzungspumpen, Grundwasser-Förderpumpen).

Der COP-Wert dagegen gibt auch die Leistungen von Hilfsaggregaten, die Abtau-Energie und die anteilige Pumpenleistung für Heizungs-, Sole- und Grundwasser-Förderpumpen wider. Damit ist der COP-Wert ein Gütekriterium für Wärmepumpen - Prüfinstitute ermitteln diesen Wert nach einer definierten Messmethode (DIN EN 255). Leistungszahl und COP-Wert erlauben allerdings keine energetische Bewertung der Gesamtanlage. Für eine solche Bewertung ist die Jahresarbeitszahl entscheidend.

Die wichtigere Wärmepumpen-Kennzahl für den Wirkungsgrad ist somit die Jahresarbeitszahl ß. Sie bezeichnet über ein Jahr hinweg das Verhältnis zwischen abgegebener Wärmemenge (Heizwärme) und zugeführter Energie (Antriebsenergie). Wie der COP-Wert enthält auch die Jahresarbeitszahl anteilig die Leistungen von Heizungsumwälzpumpen und Grundwasser- bzw. Sole-Förderpumpen. Die Jahresarbeitszahl kann somit auch als Anlagennutzungsgrad verstanden werden. Sie eignet sich damit gut zur energetischen Bewertung der Gesamtanlage. In der Praxis erreichen z.B. Luft/Wasser-Wärmepumpen Werte von 2 bis 4, moderne Luft/Wasser-Wärmepumpen sollten also die Jahresarbeitszahl von 3,5 übertreffen.

Gelegentlich wird bei der Berechnung der Primärenergiefaktor bestimmt, der die Jahresarbeitszahl auf den Wirkungsgrad der eingesetzten Fremdenergieerzeugung bezieht. So ergäbe sich für eine Elektro-Wärmepumpe, die ihren Strom aus einem Kraftwerk mit 40 Prozent Wirkungsgrad bezieht, bereits bei einer Jahresarbeitszahl von 3 ein Primärenergiefaktor von 1,2.

Die wichtigste Wärmepumpen-Kennzahl ist der Nutzungsgrad. Er ist das Maß für die in einer Heizperiode tatsächlich verwendete Menge an Energie, die in einem Energieträger gespeichert ist. Er wird über einen längeren Zeitraum bestimmt. Der Wirkungsgrad dagegen wird nur in einem Betriebspunkt gemessen. Er ist in der Regel höher als der Nutzungsgrad, weil der Wirkungsgrad aufgrund des optimalen Betriebszustandes bestimmt wird. So hat ein Ölkessel beispielsweise bei Vollast am Prüfstand einen Wirkungsgrad von 85 Prozent. Unter realen Nutzungsbedingungen erreicht er über eine Heizperiode möglicherweise lediglich einen Nutzungsgrad von 60 Prozent, denn er wird fast nie im optimalen Betriebspunkt betrieben, sondern immer nur im Teillast- oder Taktbetrieb. Die Beurteilung einer Wärmepumpe sollte also nicht alleine über deren Wirkungsgrad getroffen werden, sondern sollte über die Betrachtung des gesamten praxisrelevanten Betriebsbereiches und aller Wärmepumpen-Kennzahlen erfolgen.

Die moderne Wärmepumpen-Technik ist den Kinderschuhen entwachsen

Kernstück der Wärmepumpen-Technik ist der Verdichter, der das Temperaturniveau von der Wärmequelle zum Heizkreis erhöht. Im Gegensatz zu älteren Modellen der Wärmepumpen-Technik läuft die neue Generation vollhermetischer Scroll-Verdichter für Elektro-Wärmepumpen bis zu 15 Jahre wartungsfrei und erreicht im Betrieb lediglich die Lautstärke eines leistunsgleichen Kühlschranks. Der Grund für die lange wartungsfreie Laufleistung ist die hermetische Abdichtung des Verdichters. Ein Spiralverdichter (Scroll-Verdichter) mit zwei archimedischen Spiralen verdichtet das Arbeitsmedium. Der exzentrische Antrieb einer der Spiralen bewirkt, dass jeweils zwei gegenüberliegende halbmondförmige Volumen eingeschlossen und von außen nach innen bewegt werden. Dabei verkleinert sich das eingeschlossene Volumen. Die bewegten Massen sind auf wenige Teile reduziert, die eine kreisende Bewegung ausführen. Vibrationen entstehen durch diese bauliche Anordnung und das Fehlen oszillierender Massen erst gar nicht. Die sehr präzise Fertigung macht Dichtungselemente an den Spiralspitzen überflüssig. Ein Ölfilm bewirkt zudem, dass die eingeschlossenen Volumenelemente gegeneinander gasdicht abgeschlossen sind.

Die Wärmepumpen-Technik arbeitet heute in der Regel mit Kältemitteln, also mit Stoffen, die bei niedrigen Temperaturen verdampfen und gleichzeitig eine hohe innere Wärme besitzen. Dazu gehören R 407 C, R 410 A, R 404 und R 134. Sie sind FCKW- und H-FCKW-frei, ungiftig, biologisch abbaubar und nicht brennbar.

Wärmetauscher

Mit der Ausnahme von Luft/Wasser-Wärmepumpen werden vorzugsweise Edelstahl-Plattenwärmetauscher als Verdampfer und Kondensatoren in der Wärmepumpen-Technik eingesetzt. Sie haben im Gegensatz zu Rohrbündel-Wärmetauschern kein laminares, sondern ein turbulentes Strömungsbild, das für eine bessere Wärmeübertragung sorgt. Zusätzlicher Vorteil: Der kompakte Aufbau spart Platz.

Zwischen-Wärmetauscher

Ein Zwischen- oder Zusatzwärmetauscher nutzt die Restenergie, die im vorherigen Prozess nicht zum Einsatz gekommen ist. Dabei wird - abhängig vom jeweiligen Arbeitsmedium - dieses Medium vor dem Eintritt in den Verdichter überhitzt. Wenn das Kältemittel aus dem Verflüssiger kommt, ist es wärmer als nach dem Austritt aus dem Verdampfer. Ein Teil dieser Wärme wird im Zusatz-Wärmetauscher nun zur Überhitzung des Kältemittels aus dem Verdampfer benötigt. So verdampfen auch die restlichen Flüssigkeitstropfen.

Regelung

Regelungstechnisch hatte die Wärmepumpen-Technik in der Vergangenheit erhebliche Defizite. Doch nun bieten Wärmepumpen bei der Regelung Funktionen wie Witterungsführung, Heizkurvenauswahl, Timerfunktionen für Absenk- und Ferienbetrieb an. Displays zeigen grafisch aufbereitete Hilfemenüs an, erlauben eine menügesteuerte Bedienerführung und BUS-Ankopplungen, so dass eindeutige Betriebs- und Fehlermeldungen möglich sind. Neueste Regelungstechniken integrieren beispielsweise Sonnenkollektoren und das "Natural cooling" in der Wärmepumpen-Technik.

Mit freundlicher Unterstützung von www.geothermiebohrer.de