Wärme aus der Erde

Wärmepumpen sind in aller Munde. Doch halten sie wirklich das, was sich viele Bauherren von ihnen versprechen? Wir sagen Ihnen, wann sich die Nutzung der Wärme aus der Erde, der Luft oder dem Grundwasser lohnt.

Sobald es in Gesprächen um neue Heizsysteme geht, fällt schnell das Wort „Wärmepumpe“, oft auch noch im Zusammenhang mit erneuerbaren Energien. Dabei besteht dieser Zusammenhang nicht automatisch. Wärmepumpen ziehen Energie zwar aus der Luft, der Erde oder dem Grundwasser, doch ohne Strom kommt eine Wärmepumpe nicht in Gang. Ein Gewinn für die Umwelt können Wärmepumpen dann sein, wenn der benötigte Strom aus regenerativen Energien gewonnen wird. Bei ganz speziellen Rahmenbedingungen ist der Einsatz dieser Technologie zu empfehlen. In vielen Fällen bieten sich ökonomischere, ökologischere und einfachere Wege der Wärmeerzeugung an. Aber: Wärmepumpen sind in. Im Jahre 2009 sind laut Angaben des Bundesverbandes Wärmepumpe e.V. 54.800 neue Anlagen in Betrieb gegangen. Das sind gegenüber 2008 rund 7.000 weniger. Deutschlandweit geht der Verband von circa 334.000 installierten Wärmepumpen aus.

Theorie und Praxis stimmen nicht immer überein
Als Faustregel kann gelten, dass für 100 Prozent Nutzwärme rund 25 Prozent Strom und 75 Prozent Umgebungswärme aufgewendet werden müssen. Dieses Verhältnis variiert je nach gewähltem System, örtlichen Gegebenheiten und Hersteller etwas, aber nicht nennenswert, zumindest theoretisch. In der Praxis jedoch können diese Werte abweichen. Folgende Betriebsweisen sind zu unterscheiden.

Monovalent: Die Wärmepumpe versorgt das Haus alleine und komplett mit Wärme und Warmwasser. Sie hat keinen zusätzlichen Elektroheizstab.

Bivalent: An sehr kalten Tagen wird parallel oder alternativ zur Wärmepumpe noch ein Heizkessel eingesetzt. Es kommen also zwei Wärmeerzeuger zum Einsatz.

Monoenergetisch: Statt eines zusätzlichen Heizkessels kann ein elektrischer Heizstab zugeschaltet werden oder die Wärmeversorgung komplett übernehmen. Dies findet man zum Beispiel bei einer Wärmepumpe mit der Wärmequelle Luft. Sie ist bei einer sehr niedrigen Außentemperatur meist nicht in der Lage das Haus alleine zu versorgen, d. h. im Winter braucht die Pumpe zusätzlich noch Unterstützung.

Das Prinzip der Wärmepumpe ist einfach: Der Umgebung wird Wärme entzogen, das ist nichts anderes als die dort gespeicherte Sonnenenergie. Mit dieser Wärme wird das Wasser für Heizung und allgemeinen Warmwasserverbrauch erhitzt. Die Umgebung, der die Wärme entzogen wird, ist entweder die Außenluft (Luft-Wasser-Wärmepumpe), das Erdreich (Sole-Wasser-Wärmepumpe) oder das Grundwasser (Wasser-Wasser-Wärmepumpe). Das Erdreich ist in etwa einem Meter Tiefe auch an frostigen Wintertagen relativ konstant fünf bis zehn Grad warm. Nach Angaben des Bundesverbandes Wärmepumpe e. V. beziehen rund 55 Prozent der 2009 verkauften Wärmepumpen Wärme aus dem Erdreich und Grundwasser und 44,6 Prozent nutzen die Wärme aus der Umgebungsluft. Folgende Kriterien sollte die Wärmequelle erfüllen: Ausreichende Verfügbarkeit, hohes Temperaturniveau, ausreichende Regeneration, kostengünstige Erschließung, geringen Wartungsaufwand, so die Hinweise des Bundesverbandes  der Verbraucherzentralen.

Die Wärmepumpe, der umgekehrte Kühlschrank
Die Arbeit der Wärmepumpe ist leicht zu verstehen. Sie entspricht der des Kühlschranks, allerdings in umgekehrter Richtung. Die Wärmepumpe verdichtet ein Kühlmittel, das sich verflüssigt und dabei auf bis zu
60 Grad Celsius erhitzt. Diese Wärme wird auf einen Heizkreislauf übertragen. Anschließend wird das Kühlmittel, meist teilfluorierte Kohlenwasserstoffe, wieder entspannt und verdampft. Dabei wird es wieder so kalt, dass es Wärme aus der Umgebung aufnehmen kann.

Alle Wärmepumpen arbeiten am effektivsten, wenn der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauftemperatur gering ist. Deshalb sollte eine Wärmepumpe immer mit einer Flächenheizung (Fußbodenheizung oder Wandheizung), bei der das Heizwasser höchstes 35 Grad Celsius warm ist, betrieben werden. Klassische Heizkörper sind ausgesprochen ungeeignet, um die erzeugte Wärme effizient zu nutzen. Wenn ein Gebäude im Bestand saniert wird und eine Wärmepumpe eingebaut werden soll, müssen die Heizkörper leistungstechnisch überdimensioniert sein. Ist das Haus hervorragend gedämmt, sinken die Erschließungskosten der Wärmequelle, denn es muss weniger tief gebohrt werden, gleichzeitig liegt die Vorlauftemperatur bei 35 Grad Celsius, und die Wärmepumpe arbeitet besonders effizient. Bei Passivhäusern, die ja per se keine Heizung haben, ist die Luft-Wasser-Wärmepumpe die passende Variante.

Grundwasser bietet Konstanz
Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen als Wärmequelle das Grundwasser. Problematisch ist hierbei die Verfügbarkeit. Entweder liegt das Grundwasser in unzureichender Menge oder Qualität vor, oder es ist nicht erlaubt, das Grundwasser zu nutzen. Der Betrieb einer solchen Anlage ist in jedem Fall genehmigungspflichtig. Die Genehmigung wird in der Regel vom Wasserwirtschaftsamt erteilt. Vorteil dieser Pumpe ist die Temperatur des Grundwassers. Diese ändert sich im Lauf des Jahres ab einer Tiefe von 30 Meter nicht mehr stark.

Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen als Wärmequelle das Erdreich. Das kann auch das oberflächennahe Erdreich sein (ein bis zwei Meter Tiefe). Hierzu muss ein horizontaler Kollektor von der zwei- bis dreifachen Größe der zu beheizenden Fläche installiert werden, das bedeutet zum Beispiel bei 150 Quadratmeter Wohnfläche zwischen 300 und 450 Quadratmeter Fläche im Garten. Der horizontale Kollektor nutzt die Wärme, die dem Boden über Niederschläge und Sonneneinstrahlung zugeführt wird. Aus diesem Grund muss die Kollektorfläche frei von Versiegelung sowie Verschattung sein. Werden später Bäume gepflanzt, kann dies wegen der Wurzelbildung ein Problem für den Kollektor darstellen. An dieser Stelle eine kleine Anmerkung: Horizontale Kollektoren entziehen dem Boden Wärme. Dies hat selbstverständlich Einfluss auf die Vegetation im Garten. Auch das sollte berücksichtigt werden.

Je tiefer – desto besser

Vertikalkollektoren (auch Erdspieße genannt) bedienen Sole/Wasser-Wärmepumpen und sind der Renner bei den Wärmequellen, obwohl die Investitionskosten vergleichsweise hoch sind, rund 20.000 Euro ohne Erschließung. Der Einbau kann um die 10.000 Euro teuer werden. Dafür liefert diese Wärmequelle sehr stabil und langfristig Wärme und Kälte, ohne von Störgrößen beeinflusst zu werden. Sogar ein Überbauen der in der Regel zwischen 50 und 100 Meter tiefen Sonden ist möglich, da diese Wärmetauscher die Energie nicht von der Sonne, sondern zum großen Teil aus dem Wärmestock der Erde beziehen. Sofern kein Platz für das Bohrgerät vorhanden ist oder es keine Zufahrt für die entsprechenden Fahrzeuge gibt, wird das Herstellen der Bohrlöcher schwierig. Bei einem schon angelegten Garten will diese aufwendige Maßnahme wohl überlegt sein.

Der vertikale Kollektor benötigt weniger Platz als der Flächenkollektor, allerdings ist diese Variante anzeigepflichtig und muss unter Umständen von der Unteren Wasserbehörde genehmigt werden. Der Ertrag liegt je nach Bodenbeschaffenheit zwischen 30 und 100 Watt je Meter Tiefenbohrung. Sollte die mögliche Bohrtiefe nicht ausreichen, in der Regel 100 Meter tief, besteht auch die Möglichkeit mehrere Bohrungen zu kombinieren.

Auch Kühlung ist möglich
Die Erdwärmepumpe kann auch zur Kühlung genutzt werden. Hierbei wird der Wärmepumpenprozess einfach umgekehrt. Dem Raum wird Wärme entzogen und dem Erdreich zurückgegeben. Das setzt voraus, dass eine einfache Umschaltung am Aggregat möglich ist. Alternativ kann bei ausgeschaltetem Kompressor der Wärmepumpe der Sole- und Heizkreis durch die Pumpen in Betrieb gehalten werden. Auch das sorgt für Kühlung. Beide Vorgehensweisen benötigen allerdings Strom.

Luft-Wasser-Wärmepumpen nutzen als Wärmequelle die Umgebungsluft, das erspart kostenintensive Erdarbeiten. Die Wärmekapazität ist deutlich kleiner als die des Wassers, sodass große Luftmengen bewegt werden müssen. Das kann zu nennenswerter Geräuschentwicklung führen. Großer Nachteil bei dieser Technik ist, dass die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Heizungsvorlauftemperatur dann besonders hoch ist, wenn die Heizung benötigt wird, nämlich im Winter. Für jede kWh-Wärmeleistung werden circa 0,33 kWh an Strom benötigt. Laut Bundesverband der Verbraucherzentralen eignet sich diese Variante allenfalls bei Passivhäusern in Kombination mit einer Lüftungsanlage.
Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE führt seit Sommer 2006 einen Feldtest von Wärmepumpen für neue Einfamilienhäuser mit Niedrigenergiehaus-Standard durch. In Zusammenarbeit mit sieben Herstellern und zwei Energieversorgern werden Daten von rund 110 Anlagen erfasst. Der Test wird noch bis Sommer 2010 laufen. Empfehlungen spricht das ISE allerdings jetzt schon aus. Anhand von ausgewerteten Messdaten und Vor-Ort Besichtigungen von mehreren Wärmepumpenanlagen kristallisiert sich für das Institut als wichtig heraus:

  1. Sorgfältige Auslegung der gesamten Anlage, gute Anpassung der einzelnen Komponenten der Wärmepumpenanlage (Wärmequelle, Speicher) und integrale und objektspezifische Planung.
  2. Überprüfung der Beladungsstrategien der Speicher, insbesondere bei Kombispeichern, und Kontrolle der Vorlauftemperatur.
  3. Durchführung des hydraulischen Abgleichs sowie sorgfältige und lückenlose Dämmung der Rohrleitungen und anderer Komponenten.
  4. Deaktivierung der Heizstäbe bei Sole-Wasser-Wärmepumpen. Korrekt ausgelegte Soleanlagen erfordern keine zusätzliche Elektroheizung. Eine Ausnahme bei dieser Empfehlung ist die Bautrocknung. Eine zu hohe Beanspruchung der Erdsonde könnte im schlimmsten Fall zu deren Schädigung führen.
  5. Planung und Bau von Anlagen mit einfachen hydraulischen Schemata – mehrere Wärmeerzeuger, komplexe Hydrauliken und Speicherungssysteme weisen oft nicht die gewollte Effizienz auf.

Zusammenspiel aller Akteure muss stimmen
Weiter weist das Institut daraufhin, dass hauptsächlich drei Gruppen dafür verantwortlich sind, ob eine Wärmepumpe effizient arbeitet und zur Klimaentlastung beiträgt – die Wärmepumpenhersteller, die Planer und die Installateure. Das Nutzerverhalten spielt allerdings ebenfalls eine Rolle. Es kann die Arbeit der Systeme sehr beeinflussen. Es ist deswegen von großer Bedeutung, dass die Bewohner entsprechende Anweisungen und Unterstützung zum besseren Verständnis der Arbeitsweise der Wärmepumpen bekommen. Das ISE nimmt auch die Hersteller in die Pflicht. Sie werden aufgefordert, weiter an der Erhöhung der Effizienz und an Verbesserungen der Wärmepumpenanlagen und deren einzelnen Komponenten zu arbeiten. Auch die Schulung und Weiterbildung der entsprechenden Fachkräfte spiele eine große Rolle. Die Planer und SHK-Fachhandwerker haben letztendlich eine sehr große Verantwortung. Die richtige Planung sowie die sorgfältige und fachgerechte Installation der Wärmepumpenanlagen sind entscheidend für die korrekte und effiziente Arbeit der Systeme. Nur unter diesen Bedingungen können die Wärmepumpen die ökonomischen und ökologischen Vorteile und Erwartungen voll erfüllen.

Mustervereinbarung schafft Sicherheit
Die Verbraucherzentralen bieten im Rahmen ihrer Energieberatungen in den jeweiligen Stützpunkten inzwischen Mustervereinbarungen zur Effizienz von Wärmepumpen an. Hierbei wird vor der Installation durch ein Unternehmen die JAZ schriftlich fixiert. Dazu Peter Kafke, Energietechnischer Referent des Bundesverbands der Verbraucherzentrale e. V.: „In der Praxis führen fehlerhafte Planung und Installation häufig zu niedrigeren Jahresarbeitszahlen, als von den Anbietern in der Werbung und in Vorab-Berechnungen versprochen. In der neuen Vereinbarung sichert der Unternehmer vor der Installation einer Wärmepumpe eine Mindest-Jahresarbeitszahl zu. Wird die zugesicherte Effizienz nicht erreicht, muss er sich an den zusätzlichen Stromkosten der Wärmepumpe beteiligen. Mit diesem Mustervertrag bleiben die Heizkosten kalkulierbar und Verbraucher werden vor bösen Überraschungen besser geschützt. Wir versprechen uns langfristig eine Verbesserung der Qualität im Markt für Wärmepumpenanlagen.“

Aufgrund der Komplexität der Thematik rät Kafke dazu, mit einem Generalunternehmer zusammenzuarbeiten. Das kann ein Handwerksbetrieb oder ein Planer sein. Der Kunde muss sich dann nicht mehr mit Detailfragen befassen und hat im Problemfall nur einen Ansprechpartner. Somit entfällt dann das Hin- und Herschieben der Verantwortung zwischen Brunnenbohrer, Heizungsbauer und Elektriker.
Die Anschaffung einer Wärmepumpe kann nur unter ganz speziellen Bedingungen sinnvoll sein. Ein energetisch stimmiges Gesamtkonzept, gute Planung und Installation sind unerlässlich. Eine ökologische Allzweckwaffe ist sie nicht.

Der Artikel wurde von Gabriele Neimke für das greenhome Magazin verfasst

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