Erdwärmepumpen

Erdwärmepumpen werden auch als Sole-Wasser-Wärmepumpen bezeichnet. Sie nutzen die in den oberen Bodenschichten bis in etwa 100 Meter Tiefe gespeicherte Sonnenenergie beziehungsweise die Energie aus dem Erdinneren, um das Heiz- und Trinkwassers zu erhitzen. Erdwärmepumpen arbeiten relativ sparsam und verfügen im Vergleich zu anderen Wärmepumpenarten über eine sehr hohe Effizienz. Die Installation von Erdwärmepumpen ist jedoch aufwendig, zudem sind in der Regel behördliche Genehmigungen erforderlich.

Erdwärmepumpen: Funktion

Das Erdreich ist ein riesiger Wärmespeicher. Die mittlere Untergrundtemperatur in 20 Meter Tiefe liegt bei etwa zehn Grad Celsius. Sie nimmt pro 100 Meter um etwa drei Grad zu. Mit Hilfe eines Erdkollektors oder Erdsonden in Verbindung mit einer Wärmepumpe, hier Sole-Wasser-Wärmepumpe, wird die Erdwärme erschlossen.

Bei einer Sole-Wasser-Wärmepumpe zirkuliert durch Sonden oder Kollektoren eine abgekühlte frostsichere Flüssigkeit, die Sole. Sie nimmt die Wärme des Erdreichs besonders gut auf. In dem Verdampfer der Wärmepumpe wird mit Hilfe der Sohle ein Kältemittel verdampft. Die verdampfte Substanz wird anschließend in einem Kompressor verdichtet. Dadurch erhöht sich der Druck des Kältemittels und gleichzeitig dessen Temperatur.

Das erwärmte Kältemittel gelangt dann in den Kondensator, auch Verflüssiger genannt, wo die Wärme über einen Wärmetauscher an das Heizsystem abgegeben wird. Dabei wird das Kältemittel abgekühlt und wieder verflüssigt. In einem Drosselventil wird der Druck weiter abgesenkt und der Prozess beginnt von vorn.

Als weitere mögliche Wärmequellen können das Grundwasser mit einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe oder die Außenluft mit einer Luft-Wasser-Wärmepumpe genutzt werden. Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe wird über einen Ventilator die Außenluft angesaugt und somit die Umgebungswärme der Wärmepumpe zugeführt.

Unabhängig davon, welche Wärmequelle erschlossen wird, arbeiten alle Wärmepumpen wie oben beschrieben prinzipiell gleich. Grundsätzlich gilt für jede Wärmepumpe, je höher die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle, zum Beispiel der Fußbodenheizung, und der erforderlichen Vorlauftemperatur für das Heizsystem ist, desto höher ist der Stromverbrauch und desto weniger effizient arbeitet die Wärmepumpe.

Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren

Die Erdwärmesonden von Sole-Wasser-Wärmepumpen werden in vertikalen Bohrungen installiert. Es handelt sich dabei um ein oder zwei U-Rohre oder auch ein Koaxial-Rohr. Hier fließt in zwei ineinander geführten Rohren im ringförmigen Außenraum das Wärmeträgermedium nach unten und im Innenrohr wieder nach oben. Es besteht üblicherweise aus HDPE-Kunststoff. Erdwärmesonden sind Wärmetauscher und enthalten eine frostsichere Flüssigkeit, die Sole. Sie wird durch eine eingebaute Pumpe stets in Bewegung gehalten und gibt thermische Energie an die Wärmepumpe weiter.

Die Anzahl und die Tiefe der erforderlichen Bohrungen für die Erdwärmesonden sind abhängig von dem vorherrschenden geologischen Aufbau des Bodens und der benötigten Gebäudeheizleistung (Heizlast). Je höher die Heizlast ist, desto mehr und/oder desto tiefer müssen die Sonden in die Erde eingelassen werden.

Erdwärmebohrungen erfordern immer einer Bohr- und Nutzungsanzeige sowie in einigen Fällen zusätzlich einer wasserrechtlichen Erlaubnis nach Wasserhaushaltsgesetz (WHG).

Im Gegensatz zu Erdwärmesonden werden sogenannte Erdwärmekollektoren von Erdwärmepumpen oberflächennah, unterhalb der örtlichen Frostgrenze in etwa einem bis einen Meter zwanzig Tiefe, horizontal verlegt. Sie nehmen eine relativ große Fläche ein, die nicht überbaut werden darf. Erdwärmekollektoren bestehen üblicherweise aus HDPE-Kunststoff und werden als Rohrregister oder Kapillarrohrmatten ausgeführt in denen die Sole fließt.

Auch bei Erdwärmekollektoren spielt die benötigte Heizlast und die Bodenzusammensetzung eine maßgebliche Rolle: Je höher zum Beispiel die erforderliche Heizlast ist, desto mehr Fläche wird benötigt. Deshalb werden Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdkollektoren gerade bei Altbauten selten gewählt.

Auch für Erdwärmepumpen mit Erdwärmekollektoren müssen zum Teil behördliche Genehmigung eingeholt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn Kontakt zum Grundwasser besteht oder die Wärmepumpe in einem Wasserschutzgebiet betrieben wird.

Bevor eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdsonden oder Erdkollektoren gewählt wird, muss die zukünftig benötigte Gebäudeheizleistung (Heizlast) gründlich ermittelt werden. Nur so können die Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren fachgerecht ausgelegt werden.

Eine ausführliche Berechnung der Heizlast berücksichtigt unter anderem die Wärmeverluste eines Hauses und erfolgt nach den gültigen anerkannten Regeln der Technik, zum Beispiel nach DIN EN 12831.

Ändert sich die Heizlast eines Hauses durch einen Anbau, eine Aufstockung oder einem erheblich höheren Warmwasserbedarf, so sollte auch die Auslegung der Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren überprüft und gegebenenfalls angepasst werden, um den höheren Wärmebedarf zu sichern.

Dazu muss die Anzahl der Erdwärmesonden nachträglich erhöht oder die Fläche der Erdwärmekollektoren erweitert werden. Das verursacht zusätzliche Kosten.

Vor- und Nachteile von Erdwärmesonden im Vergleich zu Erdwärmekollektoren

Vorteile der Erdwärmesonde

  • geringer Flächenbedarf, überbaubar
  • sehr effizient, geringe Betriebskosten
  • hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer
  • Heizen, Kühlen und Speichern möglich

Nachteile der Erdwärmesonde

  • aufwändiger in Auslegung und Einbau
  • höhere Anschaffungskosten

Vorteile der Erdwärmekollektoren

  • geringer Aufwand in Hinblick auf Auslegung und Einbau
  • geringere Anschaffungskosten
  • hohe Lebensdauer
  • nahezu überall einsetzbar

Nachteile der Erdwärmekollektoren

  • hoher Flächenbedarf
  • Überbauung/Versiegelung der Fläche nicht möglich

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