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Wärmequellen für Wärmepumpen

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Inhaltsverzeichnis

Einleitung

Bild: Wasser Wärmequelle Wasserkraft
Wasser-Wärmepumpe: Grundwasser als Wärmequelle | © dmgreen44 / pixabay CC0

Der Begriff Wärmepumpe beschreibt den zugrunde liegenden Vorgang der Heizung relativ gut: Wärme wird aus der Umgebung „gepumpt“, beziehungsweise dieser entzogen. Ein Kompressor kann diese Wärme auf ein anderes Temperaturniveau anheben.

Allen Wärmepumpen gemein ist, dass sie mit elektrischem Strom betrieben werden. Dieser wird benötigt, um die „Pumpe“, also den Kältemittelkreislauf und die weitere Gerätetechnik, anzutreiben. Anders als bei einer Elektroheizung wird der Strom also nicht aktiv zum Heizen genutzt.

Diese Wärme ist nichts weiter als Energie und als solche irgendwo gespeichert. Ein wichtiger Aspekt einer Wärmepumpe ist also die Auswahl der richtigen Wärmequelle. Gute Wärmequellen sind all jene, die verlässlich rund ums Jahr Energie liefern können und idealerweise nicht versiegen. Die naheliegenden sind die Umgebungsluft, das Erdreich sowie das Grundwasser. Alle drei existieren überall und erfüllen die Anforderungen.

Während Dir niemand verbieten kann, die Luft auf Deinem Grund und Boden zu nutzen, wie es Dir beliebt, sieht das bei Grundwasser und Erdreich schon anders aus. Nach Paragraf 905 des Bürgerlichen Gesetzbuchs (BGB) gehört Dir der „Erdkörper unter der Oberfläche“. Diese Formulierung schließt das Grundwasser aus, weswegen eine Anzapfung dieser Ressource immer genehmigungspflichtig ist. Auch die Nutzung der Erdwärme ist in Deutschland eingeschränkt. Nach Paragraf 3 des Bundesberggesetzes (BBergG) gilt Geothermie als bergfreier Bodenschatz und gehört somit nicht dem Grundeigentümer, sondern dem Bund. Die Einrichtung einer Erdwärmepumpe ist somit auch genehmigungspflichtig.

Wärmequelle und Wärmemedium

Neben der Wärmequelle, also dem Ort, von dem die Wärme stammt, ist das Wärmemedium von Bedeutung. Unter diesem Begriff versteht man die Substanz, welche die Wärme aus der Wärmepumpe im Haus verteilt. Im Regelfall wird hier Wasser genutzt, wie auch bei einer herkömmlichen Verbrennungsheizung. Nur bei der an die Lüftungsanlage angeschlossenen Luft-Luft-Wärmepumpe wird Luft als Wärmemedium genutzt. Dadurch kann auf Heizkörper verzichtet werden und die Wärme wird über den Zustrom der Lüftungsanlage in die Räume geleitet.

Wärmepumpe Wärmequelle Wärmemedium Art der Heizung
Luft-Wasser Luft Wasser Heizkörper, Flächenheizung
Wasser-Wasser Wasser Wasser Heizkörper, Flächenheizung
Sole-Wasser Erdreich Wasser Heizkörper, Flächenheizung
Luft-Luft Abluft Luft Lüftungssystem

Wie viel Wärme steht in der Umgebung zur Verfügung?

Bild: Wärmequelle Luft
Luft-Wärmepumpe: Umgebungsluft als Wärmequelle | © Hans / pixabay CC0

Die von einer Wärmepumpe genutzte Energie stammt aus einer von zwei Quellen, dem Erdkern oder der Sonne. Geothermische Anlagen (Sole-Wasser-Wärmepumpe, Wasser-Wasser-Wärmepumpe) ziehen die Wärme aus der Energie des Planeten.

Im Erdmittelpunkt werden durch den Zerfall radioaktiver Isotope jährlich etwa 250 Petawattstunden Energie mit einer Leistung von rund 30 Terawatt freigesetzt, die potenziell nutzbar wären. Zum Vergleich: der gesamte jährliche Energiebedarf der Menschheit beträgt „nur“ rund 140 Petawattstunden und die gesamte Leistung, die wir erzeugen, liegt bei ungefähr 16 Terawatt. Wenn schon diese Energiemenge beeindruckend wirkt, ist sie doch schwindend gering im Vergleich zur Menge der Energie, welche die Sonne jährlich zur Erde schickt.

Über 1,5 Millionen Petawattstunden Strahlungsenergie der Sonne erreichen unseren Planeten jedes Jahr. Diese unvorstellbar große Energiemenge wird zu guten Teilen im Boden, im Wasser sowie in der Luft gespeichert und stellt somit indirekt die Energie zur Verfügung, welche die Wärmepumpen nutzen. Aufgrund der täglichen „Nachlieferung“ ist es unter aktuellen Umständen also praktisch unmöglich, die Luft, den Boden oder das Grundwasser hinsichtlich ihres Wärmegehaltes „leerzupumpen“

Unendlich viel Wärme?

Die Frage nach der Unendlichkeit der Sonnen- und Erdenergie kann man auf zwei Arten beantworten. Nein, die zur Verfügung stehende Energie ist nicht unendlich. Irgendwann werden beide Energiequellen erschöpft sein. Dass einer von uns diesen Moment erlebt, ist aber mehr als unwahrscheinlich. Bis diese Quellen versiegen, werden noch Milliarden von Jahren vergehen, es ist also fraglich, ob überhaupt ein Mensch diesen Zeitpunkt erleben wird. Es darf also mit Fug und Recht behauptet werden, dass Erdwärme und Sonnenenergie praktisch unendlich sind.

Wahrscheinlicher als dass die Menschheit die zur Verfügung stehende Energie verbraucht, ist, dass sie irgendwann eine höhere Leistung benötigt, als die Erdwärme zur Verfügung stellen kann. Bei einer flächendeckenden Nutzung könnte die Nutzung der Erdwärme theoretisch langfristig dafür sorgen, dass sich die Erdoberfläche abkühlt. Diese Überlegung ist zum aktuellen Stand der Nutzung aber rein hypothetisch und gehört wohl eher in den Bereich der Verschwörungstheorien. Allein die in der Erdkruste gespeicherte Energie reicht noch für tausende von Jahren.

Bedeutung der Vorlauftemperatur

Wie viel Energie die Heizung an den Raum abgeben kann, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Die in der Vergangenheit zumeist genutzte Variante war die Erhöhung der Heiztemperatur. Nach dem Gesetz der Entropie gleichen zwei Objekte ihre Temperatur schneller einander an, wenn der Temperaturunterschied größer ist. Entsprechend heizt sich ein Raum schneller auf, wenn die Heizkörper 90 statt 70 Grad Celsius erreichen.

Eine Wärmepumpe heizt aber in der Regel weder mit 70 noch mit 90 Grad Celsius, sondern mit 45 bis 55 Grad Celsius. Um dennoch eine gleichwertige Heizleistung zu erzielen, muss an einer anderen Stellschraube gedreht werden. Anstatt die Temperatur zu erhöhen, lässt sich auch die Fläche der Heizung vergrößern. Aus diesem Grund nutzen Wärmepumpen idealerweise keine normalen Heizkörper, sondern Fußboden- oder Wandheizungen.

Auf diese Weise lässt sich bei niedrigeren Temperaturen dieselbe Heizleistung erreichen wie bei Verbrennungsheizungen, was sich in einem Effizienzvorteil niederschlägt, da insgesamt weniger Energie aufgewendet werden muss. Auch der Umgebung muss also nicht „kochend heiße Luft“ entzogen werden, um mit einer Wärmepumpe im Winter nicht zu frieren. Der technische Aufbau in Verbindung mit großflächigen Heizkörpern sorgt für bekannten Komfort bei sehr geringem Energiebedarf.

Wann reicht die Umgebungswärme nicht mehr aus?

Bild: Wärmepumpe Energiequelle zu kalt
Umgebungswärme als Wärmequelle nicht ausreichend? | © Couleur / pixabay CC0

Während die Wärmepumpe für gewöhnlich für einen konstanten Zufluss an Heizwärme sorgt, stößt die Technologie bei extremen Minusgraden an ihre Grenzen. Wärmepumpen können prinzipiell auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt Wärme aus der Umgebung ziehen. Falls die Temperatur einmal zu stark absinkt, kann nicht mehr effizient Wärme aus der Umgebung entnommen werden.

Der kritische Punkt ist bei einer Umgebungstemperatur von etwa 20 Grad Celsius unter Null erreicht. In diesem Fall schaltet sich ein elektrischer Heizstab ein. Die Wärmepumpe funktioniert dann als Elektroheizung. Auch wenn diese Temperaturen in Deutschland selten sind, kommen sie bisweilen vor. Diesen Umstand solltest Du beim Einbau einer Wärmepumpe bedenken.

Luft als Wärmequelle

Die Umgebungsluft wird durch die Sonne erwärmt und stellt damit eine hervorragende Wärmequelle dar. Mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe kann diese Energie nutzbar gemacht und in einen Wasserkreislauf übertragen werden.

Die Luft-Luft-Wärmepumpe nutzt nicht die Energie der Umgebungsluft, sondern die Abluft des Hauses selbst. Über eine Lüftungsanlage geht eine große Menge Wärme verloren. An dieser Stelle setzt die Wärmepumpe an, entzieht der Abluft die Energie und leitet sie mit der frischen Luft zurück ins Haus.

Erde als Wärmequelle (Geothermie)

Um Geothermie nutzbar zu machen, gibt es verschiedene Ansätze. Die beiden Alternativen sind bodennahe Kollektoren und Körbe oder tief unter der Erde versenkte Wärmesonden. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile. Die Temperatur des Bodens nimmt mit größerer Tiefe zu.

Entsprechend ist es effizienter, die Energie aus größerer Tiefe (meist bis zu 100 Meter, danach sind gesonderte Genehmigungen nötig) zu nutzen, anstatt die Energie direkt unter der Oberfläche. Die andere Seite der Medaille sind die Kosten. Diese sind bei der Verwendung von Sonden erheblich höher als bei der Verwendung von Kollektoren oder Körben.

Wasser als Wärmequelle

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe funktioniert etwas anders als die anderen Wärmepumpen, da sie kein geschlossenes Kältemittelsystem nutzt, um die Wärme aus der Umgebung zu ziehen. Stattdessen verfügt sie über ein offenes System aus einem Zu- und einem Abfluss, durch welche das Grundwasser direkt in die Heizung und wieder in den Boden gepumpt wird. Die Wärme wird dem Grundwasser dabei direkt entzogen, sodass das zurückgeleitete Wasser einige Grade abkühlt.

Fazit: Die beste Wärmequelle?

Die Wärmequellen sind von ihrer Nutzbarkeit her äquivalent, wobei sie unterschiedliche Effizienzgrade erzielen können. Welche man wählt, ist also vor allem eine Frage von Präferenzen, Finanzen und eventuellen Genehmigungen.

Wärmequelle Wärmepumpe Vorteile Nachteile
Umgebungsluft Luft-Wasser-Wärmepumpe Überall verfügbar, günstige Erschließung der Wärmequelle Nicht ganz so effizient wie Sole-/Wasser-Wasser-Wärmepumpen
Abluft Luft-Luft-Wärmepumpe Nutzt ansonsten ungenutzte Abwärme, günstig Nur in Verbindung mit Lüftungsanlage, begrente Leistung
Grundwasser Wasser-Wasser-Wärmepumpe Sehr effizient, hohe Förderung Genehmigungspflichtig, teuer
Erdreich Sole-Wasser-Wärmepumpe Sehr effizient, hohe Förderung Genehmigungspflichtig, teuer

Rein aus Gesichtspunkten der Effizienz liefert das Grundwasser aktuell die besten Ergebnisse. Dem entgegen stehen die hohen Kosten einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe, die höher sind als bei anderen Modellen. Zudem ist das Grundwasser, auf die gesamte Kapazität bezogen, eine eher schwache Quelle und kann insgesamt weit weniger Haushalte versorgen als das Erdreich oder die Luft.

Die Luft wiederum ist weit weniger effizient als andere Quellen, steht dafür aber dauerhaft und überall zur Verfügung. Damit ist sie oftmals die naheliegendste Option. Die Geothermie ist eine der ergiebigsten Quellen, die zur Verfügung stehen, die Probleme sind hier allerdings die gleichen wie bei der Grundwasser-Wärmepumpe. Auch hier stehen der hohen Effizienz ebenso hohe Erschließungskosten und eine Genehmigungspflicht gegenüber.

Ebenso sollten alternative Wärmequellen nicht vernachlässigt werden. Es werden bereits Wärmepumpen genutzt, die direkte Solarthermie nutzen (Eisspeicher) oder auf die Abwärme der Kanalisation zurückgreifen.

Quelle: © Bauherren-Schutzbund e.V. / youtube.com

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