Wär­me­pum­pe

Erdwärmepumpen - Behaglichkeit aus der Tiefe

In rund 20 Metern Tiefe herrschen das ganze Jahr über Temperaturen von rund 10 Grad über Null. Erdwärmepumpen machen sich die konstanten Temperaturen unter der Erde zu Nutze, um auch im Winter für behagliche Wärme zu sorgen.

Die meisten handelsüblichen Wärmepumpen gewinnen Heizwärme entweder aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser. Da eine Wärmepumpe am besten funktioniert, wenn die Umgebung aus der die Wärme bezogen wird verhältnismäßig warm ist, haben sich besonders Erdwärmepumpen hierzulande etabliert. Bei Erdwärmepumpen unterscheidet man zwischen Wärmepumpen welche dem Boden die Wärme mittels Flächenkollektor entziehen und Modellen, die mittels Tiefenbohrung Wärme gewinnen. 

Bei Wärmepumpen mit Flächenkollektoren werden mehrere hundert Meter Kunststoffrohre in einer Tiefe von rund 1,2 bis 1,5 Metern im Garten um das Haus vergraben. Die Rohre verlaufen jeweils 30 Zentimeter unter der maximalen Frostgrenze. Wer sich für eine Wärmepumpe mit Flächenkollektoren entscheidet, braucht in jedem Fall eine entsprechend große Fläche rund um sein Haus. Als Faustregel gilt rund das Doppelte der Grundfläche des Gebäudes. Die exakte Länge der Kunststoffrohre hängt unter anderem von der Größe des Hauses, der erwarteten Heizleistung, der Beschaffenheit des Erdbodens sowie dem künftigen Warmwasserverbrauch ab.

Ein Garten in dem Flächenkollektoren liegen darf nicht versiegelt sein. Wichtig ist, dass die Sonne und auch der Regen das Erdreich ausreichend erwärmen können. Über den Leitungen darf also keine Asphalt- oder Betonschicht liegen. Zudem ist es günstig, wenn kein größerer Schatten (etwa jener des Hauses) auf die Fläche mit den Kollektoren fällt. Wer neu baut sollte sich gleich überlegen, wo eine Einfahrt  oder ein Swimmingpool möglich sind. Auch Bäume mit tiefen Wurzeln können im Bereich der Kunststoffrohre nicht gepflanzt werden. Da Flächenkollektoren das Erdreich abkühlen in dem sie ihm Wärme entziehen, sind auch gewisse Abstände zum eigenen Haus und zu den Nachbar-Grundstücken einzuhalten - je nach Bauordnung sind dies um die zwei Meter. Wird ein Flächenkollektor zu nahe an der Erdoberfläche verlegt, leidet neben der Effizienz der Wärmepumpe auch das Wachstum der Pflanzen in Garten.

Die Verlegung von Flächenkollektoren ist in der Regel deutlich günstiger als Tiefenbohrungen. Aus diesem Grund wird vor allem dann in die Tiefe gebohrt, wenn Flächenkollektoren aus Platzgründen nicht möglich sind. Wärmepumpen in Verbindung mit Tiefenbohrungen sind technisch sehr ausgereift. Gebohrt werden ein oder mehrere Löcher, die mit Sonden in denen Flüssigkeit zirkuliert bestückt werden. Die Tiefe und die Anzahl der Löcher sind neben dem Wärme- und Warmwasserbedarf des Hauses vor allem von der Beschaffenheit des Bodens abhängig. In der Regel sind die Löcher zwischen 50 und 100 Metern tief, oft reicht dabei ein einziges Loch aus.

Wer auf einem neuen Grundstück zu bauen plant, sollte nach Grundwasser suchen. Sprudelt es reichlich, können Wärmepumpen außerordentlich energieeffizient und kostensparend betrieben werden. Im Prinzip funktionieren Grundwasser- bzw. Wasser-Wasser-Wärmepumpen denkbar einfach: Aus einem Brunnen wird mit einer Saugpumpe Grundwasser entnommen, das auch im Winter selten eine Temperatur von weniger als 10 Grad Celsius hat. Die Wärmepumpe entzieht dem Wasser die Wärme-Energie, mit der vorzugsweise eine Wand- oder Fußbodenheizung betrieben wird. Das durch den Wärme-Entzug nunmehr um einiges kältere Wasser wird anschließend in einen sogenannten Schluckbrunnen geleitet und gelangt auf diesem Weg wieder ins Grundwasser.

Der Brunnen aus dem die Wärmepumpe das Wasser entnimmt und der Schluckbrunnen müssen unbedingt mehr als 15 Meter auseinanderliegen.  Alternativ zum Schluckbrunnen kann das abgekühlte Wasser - die entsprechenden Genehmigungen vorausgesetzt - auch in einen angrenzenden Bach oder Teich geleitet werden.  Um eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe zu betreiben, ist Grundwasser in ausreichender Menge nötig, mindestens aber 160 Liter / Pro Stunde je Kilowatt Heizleistung.  Die Temperatur des Grundwassers sollte auch im Winter nicht unter acht Grad sinken, die Temperatur des durch die Wärmepumpe abgekühlten Wassers muss aus Umweltschutzgründen über vier Grad Celsius liegen. Außerdem ist auch auf die Wasserqualität Wert zu legen: Um den (Edelstahl)Wärmetauscher durch den das Grundwasser fließ vor Korrosion zu schützen ist es günstig, wenn das Wasser relativ eisen- und manganarm ist. Beim Wärmetauscher empfiehlt es sich, auf besonders korrosionssichere Modelle zu setzen.

Finden sich auf einem Grundstück die technischen Voraussetzungen für den Betrieb einer Grundwasser-Wärmepumpe, geht es vor allem darum eine wasserrechtliche Genehmigung zu bekommen. Ohne diese Genehmigung der jeweiligen Landesregierung dürfen in Österreich keine Grundwasser-Wärmepumpen betrieben werden. Die Genehmigung beantragt man am Einfachsten in Zusammenarbeit mit einem Installationsbetrieb, der Erfahrung im Bau von Wasser-Wasser-Wärmepumpen hat. Wie hoch die Kosten für die Hilfestellung sind, sollte vorab abgeklärt werden. Informationen, welche Gutachten erforderlich sind und was eingereicht werden muss bekommt man auch bei den jeweiligen Landesregierungen.

Zu den wesentlichen Kosten bei der Errichtung einer Grundwasser-Wärmepumpe zählt vor allem die Errichtung der Brunnen. Je nach Tiefe des Grundwassers betragen diese oft mehrere Tausend Euro. Davon abgesehen sind die Investitionskosten relativ moderat. Ist ein bestehender Brunnen bereits vorhanden, kann man prüfen, ob daraus Wasser entnommen werden kann. Brunnenwasser kann nicht nur für die Wärmepumpe, sondern auch zur Gartenbewässerung oder für Brauchwasser herangezogen werden.

Wenn alle Voraussetzungen erfüllt sind, arbeiten Wasser-Wasser-Wärmepumpen in der Regel sehr effizient und kostensparend. Da Grundwasser auch im Sommer meist Temperaturen um erfrischende 10 Grad hat, können mit diesen Wärmepumpen Gebäude sehr einfach gekühlt werden. Im Winter ist allerdings darauf zu achten, dass die Wasserrohre aus dem Brunnen nicht vereisen bzw. dass sich die Wärmepumpe im Falle einer Vereisung automatisch abstellt. Wenn die Wärmepumpe bei Minusgraden dauerhaft in Betrieb ist und das Wasser sich dadurch ständig in Bewegung befindet, ist die Vereisungsgefahr äußerst gering.

Wärmepumpen entziehen der Erde, der Luft oder dem (Grund)wasser Wärme und "pumpen" die entzogene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau, mit dem dann Heizungen betrieben werden.  Die meisten handelsüblichen Wärmepumpen funktionieren nach folgendem Prinzip: Flüssigkeiten, die verdunsten oder verdampfen nehmen Wärme auf, Gase bzw. Dämpfe die wieder flüssig werden (= kondensieren) geben Wärme ab. Bei vielen Kompressionswärmepumpen wird eine leicht verdampfende Flüssigkeit (häufig Fluorkohlenwasserstoff, FKW) durch ein geschlossenes Rohrsystem ins Erdreich gepumpt, wo die Temperaturen auch im Winter deutlich wärmer als in der Außenluft sind.

Das flüssige FKW verdampft bei bereits äußerst geringen Temperaturen und nimmt dabei Wärme aus dem umgebenden Erdreich auf. Ein Kompressor saugt das verdampfte FKW an und presst es zusammen bzw. verdichtet es. Dadurch wird es wieder flüssig und gibt dabei genug Wärme ab, um eine Heizung betreiben. Das flüssige FKW gelangt wieder in das unterirdische Rohrsystem und der Kreislauf beginnt von neuem.

Neben Fluorkohlenwasserstoffen können auch Propan oder CO2 als sogenannte Kältemittel eingesetzt werden. Bis Mitte der 1990er Jahre war Fluorkohlenwasserstoff (FCKW) das gängigste Kältemittel in Wärmepumpen und Kühlschränken, wegen seiner Wirkung auf die Ozonschicht wird es aber heute kaum mehr verwendet. Handelsübliche Kompressionswärmepumpen bestehen zumindest aus folgenden Bestandteilen. - Kältemittel - Rohrsystem, in dem sich das Kältemittel bewegt - Verdichter/Kompressor - Verflüssiger/Wärmeüberträger an das Heizungssystem - Expansionsventil, dass das flüssige Kältemittel wieder auf eine richtige Temperatur bzw. richtiges Volumen bringt

Damit Wärmepumpen arbeiten können, benötigen sie externe Energiequellen. Bei Wärmepumpen in Einfamilienhäusern sorgt meist ein Elektromotor dafür, dass das Kältemittel zirkuliert. Es gibt aber auch Modelle, die von Gas- oder gar Dieselmotoren angetrieben werden und welche die Abwärme dieser Motoren zusätzlich nutzen. In der Praxis bedeutet der Betrieb einer Wärmepumpe für einen Haushalt zumeist deutlich höhere Stromkosten. Ob der Einsatz einer Wärmepumpe kosteneffizient ist, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab.

Als Grundregel gilt: Je geringer der Temperaturunterschied zwischen der Erde, dem Grundwasser oder der Luft einerseits und der Wassertemperatur in den Heizkörpern (=Vorlauftemperatur)andererseits, desto besser. Oft kommen deshalb Erdwärmepumpen in Verbindung mit Fußboden- und/oder Wandheizungen zum Einsatz, die eine sehr geringe Vorlauftemperatur haben. Grund dafür: Selbst im tiefsten Winter sinkt die Temperatur in der Erde ab einer gewissen Tiefe nicht unter Null Grad, und die Vorlauftemperaturen von Wand- und Fußbodenheizungen sind relativ niedrig. Die Wärmepumpe muss demnach nur ein relativ geringes Temperaturniveau überwinden. Ein gut isoliertes Haus trägt ebenfalls dazu bei, dass sich Wärmepumpen gegenüber anderen Heizsystemen rechnen.

Wer sich eine Heizanlage anschafft und in der heißen Jahreszeit sein Haus auch kühlen möchte, der sollte sich überlegen, eine Wärmepumpe zu wählen, die sowohl heizen als auch kühlen kann. Damit erspart man sich die Anschaffung einer eigenen Klimaanlage. Denn die Wärmepumpe kühlt angenehm zugfrei, wirkungsvoll und kostensparend. Dafür wird der Kreisprozess der Wärmepumpe umgekehrt, die Hitze über die Fußboden- oder Wandheizung im Haus entzogen und außen an die Umwelt abgegeben - ganz ohne zusätzliche Systeme. Bei Erdwärme ergibt sich dabei sogar der Vorteil, dass die im Sommer an das Erdreich abgegebene Wärme den "Erdspeicher" auflädt. Im Winter führt dies zu einer Effizienzerhöhung der Wärmepumpe, da im Erdreich mehr gespeicherte Wärme zur Verfügung steht. Der Wärmeeintrag hilft zudem dem Erdreich, sich nach dem Winter rascher zu regenerieren.  

Generell muss man zwischen aktiver und passiver Kühlung unterscheiden. Bei einer aktiven Kühlung, bei der die innen entzogene Wärme auf ein höheres Temperaturniveau gebracht wird um außen abgegeben zu werden, bringt die Wärmepumpe auch nach vielen Wochen die vollwertige Kühlleistung und kann so den Erdspeicher effizienter aufladen.

Im Gegensatz dazu erschöpft sich die passive Kühlung, bei welcher die Wärmeabgabe an den Erdspeicher nur über einen Wärmetauscher alleine erfolgt, nach wenigen heißen Tagen. Am häufigsten wird für Kühlzwecke die Fußbodenheizung verwendet, welche idealerweise durch Wandheizungselemente ergänzt wird. Aber auch jene, die Radiatoren einsetzen, müssen nicht auf eine Kühlung verzichten. Tauscht man die herkömmlichen Radiatoren gegen Spezialradiatoren, so erzielt man auch hier eine ausgezeichnete Kühlwirkung. Somit sind auch Nachrüstungen ohne weiteres möglich.

Ein weiterer Vorteil sind die niedrigen Betriebskosten, da im Vergleich zu herkömmlichen Klimageräten mit wesentlich besseren Wirkungsgraden gekühlt wird. Dadurch, dass die Kühlfunktion bei der Wärmepumpe nur eine Erweiterung der ohnehin notwendigen und bestehenden Heizung darstellt, ist der Aufpreis für diese Funktion praktisch immer günstiger als der einer eigenen Klimaanlage.