Wärmepumpe: Heizwärme aus der Erde

Wärmepumpen nutzen die Wärme im Erdreich und im Grundwasser. Das Temperaturniveau in 10m Tiefe liegt während des gesamten Jahres bei ca.10°C. Damit befindet es sich zwar deutlich unterhalb der angestrebten Heizungstemperatur, mit Hilfe eines physikalischen Tricks kann es dennoch nutzbar gemacht werden.

Das Prinzip der Wärmepumpe

Bereits im Jahre 1852 entdeckte William Thomson das thermodynamische Phänomen, dass sich Gase bei der Kompression erwärmen und bei der Expansion abkühlen. Auf das System der Wärmepumpe übertragen bedeutet dies, dass in einem geschlossenen Kreislauf ein Wärmemittel (z.B. Propan) zirkuliert, das durch Expansion unter die Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Durch diese Temperaturdifferenz kommt es zu einem Wärmestrom zum Wärmemittel. Anschließend wird das Wärmemittel zum Verdichter geleitet, wo die Temperatur durch Kompression über das Niveau der Hausheizung angehoben wird. Es kommt zu einem Wärmestrom vom Wärmemittel zur Heizung. Das Wärmemittel kühlt ab, kondensiert und wird über ein Ventil entspannt.

Aufbau einer Wärmepumpenanlage

Im privaten Wohnungsbau werden in erster Linie strombetriebene Kompressionswärmepumpen eingesetzt. Im Hinblick auf die Wärmequellen sind vor allem die Erdwärmesonde, der Erdwärmekollektor und das Grundwasser von Bedeutung. Grundsätzlich käme auch die Luft als Wärmequelle in Frage. Aufgrund der ungünstigeren Kenndaten spielt sie in der Praxis aber nur eine untergeordnete Rolle.

Erdwärmesonde

Quelle: Tecalor

Bei der Erdwärmesonde wird in einem Bohrloch ein Rohrbündel verlegt, in dem meist ein Wasser-Glykol-Gemisch als Trägerflüsigkeit zirkuliert. Die Tiefe des erforderlichen Bohrlochs hängt von den örtlichen Gegebenheiten und der Leistungsanforderung ab. Für Ein- Zweifamilienhäuser muss aber meist nicht tiefer als 100-150m gebohrt werden. Erdwärmesonden sind nicht nur zur Wärmegewinnung, sondern prinzipiell auch zur Kühlung geeignet. Dabei wird der Vorgang einfach umgekehrt und die Wärme aus den Räumen über die Sonde ins Erdreich gepumpt. Dort steht sie im Winter dann wieder für Heizzwecke zur Verfügung. Die Kosten für die Erstellung einer Erdwärmesonde belaufen sich auf ca. 5000-6000 €.

Erdwärmekollektor

Quelle: Tecalor

Beim Erdwärmekollektor wird ein horizontales Rohrleitungssystem in mindestens 1,2m Tiefe verlegt. Wie in der Erdwärmesonde zirkuliert in diesem System eine Trägerflüssigkeit und transportiert die Wärme zur Wärmepumpe. Da auf eine teure Tiefenbohrung verzichtet werden kann ist dieses System günstiger als die Erdwärmesonde (ca 2500-300 Euro). Dieser Kostenvorteil kann allerdings in erster Linie bei Neubauten voll ausgeschöpft werden. Durch die stärker schwankenden Temperaturenund dem niedrigeren Temperaturniveau während der Heizperiode ist der Wirkungsgrad etwas geringer als bei der Erdwärmesonde.

Grundwasserwärmepumpe

Während es sich bei der Erdwärmesonde und dem Erdwärmekollektor um geschlossene Systeme handelt, wird bei der Nutzung des Grundwassers als Wärmequelle dieses direkt nach oben zur Wärmepumpe gefördert. Vorraussetzung für dieses Verfahren ist ein hinreichendes oberflächennahes Grundasserangebot. Der Untergrund muss so beschaffen sein, dass das Wasser ohne Probleme reinfiltriert werden kann. Auch muss die Wasserqualität geeignet sein, da es vor allem bei Zurückleiten des Wassers zum Ausfällen von Mineralien kommen kann. Die Errichtung einer Grunwasserwärmepumpe erfordert eine wasserrechtliche Genehmigung.

Energiebilanz

Zur Anwendung in Heizungssystemen kam die Wärmepumpentechnik in steigendem Maße erst während der Ölpreiskrise der 70er Jahre. Mittlerweile basieren in Deutschland 2 % der Heizungssysteme auf der Wärmepumpentechnik (Schweiz 30 %). Aufgrund der steigenden Öl- und Gaspreise ist die Tendenz allerdings steigend.

Die Effizienz einer Wärmepumpe hängt entscheidend von der Temperaturdiffernz zwischen Wärmequelle und Heizungstemperatur ab. Wärmequellen, die im Winter über hohe Temperaturen verfügen und Wärmeabgabesysteme mit niedrigen Vorlauftemperaturen (z.B. Wandheizung, Fußleistenheizung, Strahlungsheizkörper) sind deshalb als günstig zu bewerten. Da Wärmepumpen bereits über einen Pufferspeicher verfügen läßt sich die Effizienz durch die Kombination mit einer thermischen Solaranlage zur Warmwasserbereitung weiter steigern.

Die Energieeffizienz einer Wärmepumpe wird durch die sogenannte Jahresleitzahl ausgedrückt. Sie gibt das Verhältnis von eingesetzter Energie (i.d.R. elektrischer Strom) zu gewonnener Energie an und liegt bei günstigen Bedingungen zwischen 3,5 und 4. Die Jahresarbeitszahl macht allerdings keine Aussage über die eingesetzte Primärenergie. Bei strombetriebenen Wärmepumpen muss deshalb noch der Wirkungsgrad der Elektrizitätskraftwerke mit einberechnet werden, der in Deutschland bei ca. 36% liegt. Bezogen auf die eingesetzte Primärenergie erreichen Wärmepumpen damit einen Wirkungsgrad von 126-144 %.

Übersicht: Wärmepumpe Hersteller

Wärmepumpe von Tecalor

Ausführliche Informationen zu Wärmepumpen von Tecalor aus Holzminden. [mehr]