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Basiswissen Erdwärme und Wärmepumpe

Die Wärme unserer Umwelt setzt sich aus gespeicherter Sonnenenergie und aus geothermischer Energie (Erdwärme) zusammen. Man kann sie für die eigene Wärmeversorgung nutzen. Das Prinzip ähnelt dem eines Kühlschranks: Die Wärme wird den Lebensmitteln entzogen und an die Außenluft abgegeben.

Mit Erde, Wasser und Luft heizen
Funktionsweise von Wärmepumpen
Wärmepumpentypen
Wirtschaftlichkeitsaspekte und Planungshilfen
Genehmigung
Förderung

Mit Erde, Wasser und Luft heizen

Wie viel Energie im Erdinneren schlummert, zeigen z.B. isländische Geysire: Das aus dem Erdreich hochgepresste Grundwasser erreicht Temperaturen von bis zu 100C°.

Die Wärme unserer Umwelt setzt sich aus gespeicherter Sonnenenergie und aus geothermischer Energie (Erdwärme) zusammen. Man kann sie für die eigene Wärmeversorgung nutzen. Das Prinzip ähnelt dem eines Kühlschranks: Die Wärme wird den Lebensmitteln entzogen und an die Außenluft abgegeben.
Genauso kann Wärme der Erde, dem Grundwassers oder der Luft entzogen und mit einer Wärmepumpe an die Oberfläche transportiert werden. In komprimierter Form kann diese thermische Energie zum Beispiel an die Heizungsanlage oder an den Brauchwasserkreislauf abgegeben werden. Da die Temperaturen aber in der Regel niedriger bleiben als beim Heizen mit fossilen Brennstoffen, funktionieren Wärmepumpen meist nur in Verbindung mit großflächigen Heizungen, zum Beispiel Fußbodenheizung.

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Funktionsweise von Wärmepumpen

Funktionsprinzip einer Wärmepumpe — Eine Wärmepumpe funktioniert wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt: Die Wärme wird der Umgebungsluft entzogen, verdichtet und an die Heizung weitergegeben.

Umgebungs- oder Erdwärme kann von verschiedenen Wärmeträgern aufgenommen werden: Sole, Wasser oder Luft. Über thermischen Auftrieb und Pumpenförderung kann der Wärmeträger, auch Sole genannt,(ein Gemisch aus Wasser und Forstschutzmittel oder eine Salzlösung, die schon bei niedriger Temperatur sieden) die Wärme so zur Wärmepumpe transportieren. Hier wird der Wärmeträger mit einem elektrisch betriebenen Kompressor so stark verdichtet, dass die Wärme auf eine nutzbare Temperatur ansteigt (35-55°C). So kann sie über einen Wärmetauscher an den Heiz- oder Brauchwasserkreislauf abgegeben werden. Der herunter gekühlte Wärmeträger wird wieder seinem Kreislauf bzw. Grundwasser, Umgebungsluft zugeführt, um dort erneut Wärme aufzunehmen.

Da die Wärme auf diese Weise fortlaufend gefördert, aber nicht permanent benötigt wird, ist die Installation eines zusätzlichen Warmwasserspeichers sinnvoll. Im Inneren des Speichers durchläuft das Wasser ein spiralförmiges System und kann dank guter Dämmung die Wärme über mehrere Tage speichern.
Es gibt Trinkwasserspeicher, in denen das erwärmte Wasser direkt für den Brauchwasserkreislauf genutzt wird. Um eine mögliche Verkeimung des Brauchwassers zu vermeiden, sollte man sich allerdings für einen Durchlaufspeicher entscheiden: Die gespeicherte Wärme wird über einen Wärmetauscher an frisches Wasser abgegeben.

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Wärmepumpentypen

Sole-Wasser-Wärmepumpen (Geothermie)
Sole-Wasser-Wärmepumpen transportieren geothermische Energie (Erdwärme) an die Erdoberfläche. Als Wärmeträger dient eine frostfreie Sole aus Wasser und Glykol. Sie zirkuliert in Kunststoffrohren zwischen Erdreich und Oberfläche, nimmt die Wärme auf und fördert sie zur Wärmepumpe. Zur Erschließung der Erwärme kommen Kollektoren, die in 1,0 bis 1,5 m Tiefe verlegt werden, Erdwärmesonden, die meistens bis zu 100 m tief gebohrt werden, Energiezäune und -pfähle oder Energiekörbe zum Einsatz.

Die verschiedene Sole-Wasser-Systeme unterscheiden sich bezüglich der Investitionskosten, Heizleistung und des Flächenbedarfs. Eine Übersicht über die Vor- und Nachteile der Systeme können Sie am Ende des Artikels herunterladen (Download: "Wärmepumpentypen im Vergleich).

Grundwasserwärmepumpe
Grundwasserwärmepumpen arbeiten mit der Wärme des Grundwassers. Über einen Förderbrunnen wird das Wasser zur Wärmepumpe geleitet und nach dem Wärmetausch abgekühlt durch einen Schluckbrunnen wieder dem Grundwasser zugeführt. Diese Wärmpumpe arbeitet am effektivsten und kostengünstigsten, da die Grundwasserwärme fast das ganze Jahr über konstant bleibt.
Durch die Abhängigkeit vom Grundwasser ist das System aber anfällig für Schlamm- und Rostablagerungen, sodass neben der aufwändigen Bohrung auch höhere Wartungskosten zu beachten sind. Zusätzlich benötigt man eine Genehmigung und vorab ist in einem Wassergutachten die Fließrichtung zu bestimmen, da der Förderbrunnen in Fließrichtung zuerst platziert werden muss. Der Wasserspiegel darf nicht mehr als 15m tief liegen, die Brunnen müssen mindestens 15m voneinander entfernt und außerhalb von Trinkwasserschutzgebieten liegen.

Luft-Wasser-Wärmepumpe
Die Luft-Wasser-Wärmepumpe entzieht der Außenluft ihre Wärme mithilfe von Ventilatoren. Über den Kompressor der Wärmepumpe wird die Luftwärme dann gesteigert und an Heiz- und Brauchwasser abgeben.
Die platzsparende Wärmepumpe kann entweder in einem Abstellraum oder außerhalb des Gebäudes installiert werden. In jedem Fall ist jedoch auf den Lärmschutz zu achten, da die Ventilatoren relativ laut arbeiten.
Die Nutzung der Luftwärme ist bei den Anschaffungskosten die günstigste Wärmepumpe, da nur verhältnismäßig kleine Bohrungen durch die Hauswand und die Installation von Ventilatoren, Wärmepumpe und Speicher durchgeführt werden müssen. Nachteilig ist allerdings, dass die Außenwärme nicht konstant ist, sodass die Wärme an kälteren Temperaturen stärker verdichtet werden muss und dadurch deutlich mehr Strom benötigt wird. Da Luft-Wärmepumpen somit einen witterungsabhängigen Wirkungsgrad aufweisen, wird häufig eine zusätzliche Nachheizung erforderlich. Auch wenn an Sommertagen der Strombedarf sinkt, haben Luft-Wärmepumpen insgesamt die schlechteste Jahresarbeitzahl.

Sonderfall Luft-Luft-Wärmepumpe
Die Luft-Luft-Wärmepumpe ist der Sonderfall unter den Wärmepumpen, da sie sich nicht an ein herkömmliches Heizsystem anschließen lassen, sondern in Verbindung mit einer Lüftungsanlage die Räume mit vorgewärmter Frischluft versorgen. Eine solche zentrale Luftheizung erfordert mindestens einen Niedrigenergiehausstandard, da Luftdichtigkeit und niedriger Heizbedarf Grundvoraussetzungen sind.
Da die Wärmepumpen lediglich einen Wärmetauscher und keinen Verdampfer enthalten, nennt man sie auch "Klein-Wärmepumpen": Die Außenluft wird über Ventilatoren zur Wärmepumpe gebracht, wo sie dann über einen Wärmetauscher die Wärme der rückkehrenden Abluft aufnimmt, über ein Rohrsystem in die Wohnräume verteilt und anschließend selbst als Abluft wieder heruntergekühlt zurückgeführt wird. Bei sehr kalter Außenluft muss auch bei kontrollierter Wohnraumlüftung manchmal nachgeheizt werden.

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Wirtschaftlichkeitsaspekte und Planungshilfen

Wärmepumpenheizungen eignen sich besonders für energieeffiziente Neubauten oder für gut sanierte Gebäude im Bestand. Ein niedriger Heizwärmebedarf durch eine optimale Dämmung und eine Wärmeverteilung auf niedrigem Temperaturniveau, etwa bei einer Fußboden- oder Wandflächenheizung, sind ideal für ihren sparsamen Einsatz.

Ein Maß für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl. Sie beschreibt das Verhältnis von jährlich erzeugter Heizenergie zu eingesetzter elektrischer Energie. Für eine positive Öko-Bilanz sollte die JAZ mindestens 4,0 betragen, also aus 1,0 KWh Strom sollten sich mindestens 4,0 KWh Wärme erzeugen lassen. Im Idealfall nutzt man für diese zugeführte Energie Öko-Strom aus dem öffentlichen Netz oder z.B. durch Photovoltaik selbsterzeugten Öko-Strom.
Eher niedrigere Jahresarbeitszahlen, z.B. von Luft-Wärmepumpen, müssen auch nicht zwangsläufig durch Nachheizen mit Primärenergie ausgeglichen werden, denn oft gibt es ökologisch sinnvollere Kombinationsmöglichkeiten. Zum Beispiel können Heizung und Warmwasserbereitung durch Zuschalten von solarthermischen Anlagen oder Holzpellet-Öfen an kälteren Tagen unterstützt werden.

Eine erste Abschätzung, ob Ihr Grundstück für den Einsatz von Erdwärmesonden oder Erdwärmekollektoren geeignet ist, kann mit dem kostenlosen Standortcheck des Geologischen Dienstes vorgenommen werden (Link unten auf der Seite).

Das optimale Heizsystem für Ihr Objekt finden Sie am besten mit Hilfe eines unabhängigen Energieberaters. Kontaktdaten finden Sie auf der ALTBAUNEU-Plattform (siehe Link unten auf der Seite). Dieser kann bei Bedarf auch eine produktunabhängige Wirtschaftlichkeitsberechnung durchführen oder Angebote von Fachfirmen beurteilen.

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Genehmigung

Sondenbohrung — Die Erdwärmesonde der Sole-Wasser-Wärmepumpe wird mit einem Spezialgerät bis zum 100m tief in den Erdboden gebohrt.

Die überirdischen Installationen von Wärmepumpenanlagen (Wasser-Luft bzw. Luft-Luft-Wärmepumpe und Energiezaun) sind in der Regel genehmigungsfrei.
Für die Installation und den Betrieb von Erdwärmesonden, -kollektoren oder -körben sowie für Grundwasserwärmepumpen ist in Nordrhein-Westfalen eine wasserrechtliche Genehmigung bei der Unteren Wasserbehörde des Kreises einzuholen. Dies ist durch den Runderlass des Ministeriums für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten vom 29.01.1982 geregelt. In Sondergebieten (z. B. Wasserschutz-, Quellenschutzgebiete) können besondere Auflagen Anwendung finden.
Zusätzlich benötigt man für Sonden, die über 100m tief ins Erdreich reichen, eine weitere Genehmigung der zuständigen Bergbehörde.

Weitere Informationen zur Sicherung der Belange des Grundwasserschutzes sowie zur Beantragung der wasserrechtlichen Erlaubnis beim Kreis Gütersloh erhalten Sie bei der unteren Wasserbehörde (Link unten auf der Seite).

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