Allgemein gilt: Wärmepumpen können Heizungssysteme für fossile Brennstoffe ersetzen. Als Energiequelle kommen in der Regel die Außenluft, das Erdreich oder Wasser infrage. Die Wärmequelle und die Platzverhältnisse im und um das zu beheizende Gebäude herum führen zu unterschiedlichen Lösungen.
A: Luft als Wärmequelle
Zur Nutzung der Energiequelle Luft gibt es drei unterschiedliche Technologien:
- Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise: Hier befindet sich der komplette Kältekreis im Außengerät. Diese abgeschlossene Einheit ist bereits vom Hersteller befüllt und abgedrückt. Sie kommt daher druck- und dichtheitsgeprüft auf die Baustelle.
- Luft/Wasser-Wärmepumpe in Split-Bauweise: Zwischen der Innen- und Außeneinheit fließt das Kältemittel in dünnen Kältemittelleitungen. Daher befindet sich auch im Gebäude Kältemittel, das bei Undichtigkeiten ins Gebäude gelangen kann. Meist sind diese Kältemittel ungefährlich, jedoch auch weniger effizient.
- Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise zur Innenaufstellung: Auch bei diesen im Gebäude aufgestellten Modellen werden überwiegend Kältemittel verwendet, die heute als nicht besonders effizient gelten. Auch hier befindet sich das Kältemittel ausschließlich im Gebäude.
1. Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise mit Kältekreis im Außengerät
Der Kältekreislauf und damit die zentralen Komponenten der Wärmepumpe befinden sich in einem geschlossenen System in der Außeneinheit. Ein Vorteil ist der geringere Platzbedarf im Haus. Die Wärmeenergie wird über gut gedämmte, wasserführende Leitungen ins Haus geführt. Um Wärmeverluste möglichst zu verringern, sollten die Leitungen von der Außen- zur Inneneinheit im Idealfall kurz geplant werden. Ist das nicht möglich, können auch bis zu 30 Meter lange Leitungen im Erdreich unterhalb der Frostgrenze verlegt werden.
Die Installation ist einfach, da keine Arbeiten am Kältekreislauf erforderlich sind.
2. Luft/Wasser-Wärmepumpe in Split-Bauweise mit Kältemittelkreislauf zwischen Innen- und Außeneinheit
Bei der Split-Wärmepumpe sind die Inneneinheit und die Außeneinheit mit einer kältemittelführenden Leitung miteinander verbunden. Bedingung für die Installation ist, dass der Fachhandwerker einen Sachkundenachweis (in der Branche oft als „Kälteschein“ bezeichnet) und spezielles Werkzeug für ihre Installation benötigt. Nur mit dieser Zusatzausbildung darf er an einer Split-Wärmepumpe Arbeiten durchführen oder es muss als weiteres Gewerk der Kälteanlagen-Mechatroniker mit hinzugezogen werden. Für Arbeiten mit und an Kälteanlagen ist immer eine besondere Qualifikation erforderlich, da insbesondere wenig effiziente Kältemittel extrem umweltschädigende Eigenschaften haben.
Ungünstig ist, dass mit steigendem Abstand der Außeneinheit vom Haus die Kältemittelmenge im gesamten System zunimmt.
3. Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise zur Innenaufstellung
Moderne und effiziente Wärmepumpen werden mit natürlichen Kältemitteln bzw. Kältemitteln mit einem sehr niedrigen GWP (Global Warming Potential = Umwelteinwirkung auf die Erderwärmung) betrieben. Der Nachteil dieser Kältemittel ist, dass sie schwerer als Luft und fließfähig wie Wasser sind. Sie dürfen daher ab bestimmten Mengen nicht in innerhalb von Gebäuden aufgestellten Wärmepumpen und Kälteanlagen eingesetzt werden. Aus diesem Grund werden bei Wärmepumpen zur Innenaufstellung herkömmliche Kältemittel verwendet.
Die gesamte Technik ist kompakt in einem Gerät vereint. Als Wärmequelle dient die Außenluft der direkten Umgebung. Die Zu- und Abluft strömt durch oberirdische Mauerdurchbrüche mit einem Durchmesser von rund 50 cm in den Aufstellraum. Pro Kilowatt Wärmepumpenleistung benötigen derartige Geräte ca. 300 m³ Luftvolumen, bei 10 kW sind es bereits 3.000 m³/h. Mit zunehmender Leistung vergrößert sich entsprechend der Durchmesser der Mauerdurchbrüche.
Bild: WOLF GmbH
B: Die Energiequelle ist erd- bzw. wassergekoppelt
Die Wärmeenergiegewinnung aus dem Erdreich oder dem Grundwasser ist gegenüber der Energiequelle Umgebungsluft etwas effizienter, da im Erdreich sowie im Grundwasser über das Jahr hinweg betrachtet relativ konstante Temperaturen herrschen. Nachteilig gegenüber anderen Wärmepumpentypen ist die generell aufwendige und teure Technik zur Erschließung der Wärmequelle sowie der erhöhte Platzbedarf im Gebäude.
Bei der Erdwärmenutzung unterscheiden Experten vertikale Erdwärmesonden, auch Sondenfeld oder Erdregister genannt (Tiefenbohrung von 50-100 Meter) und horizontale Erdwärmekollektoren (oberflächennahe, waagerechte Verlegung im frostfreien Bodenhorizont). Die Anzahl der Erdsonden und ihre Bohrtiefe bzw. die Größe der Erdkollektoren hängen von der Heizlast des Gebäudes sowie dem geologischen Bodenaufbau (Regenwasserdurchlässigkeit) ab.
Erdverlegte Kollektoren und Sonden müssen sorgfältig geplant werden, um durch den Wärmeentzug ein dauerhaftes Einfrieren des Untergrundes („Permafrost“) zu verhindern.
In der Regel ist für Brunnen- oder Tiefenbohrungen eine Genehmigung nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) erforderlich. Bereits in der Planungsphase sollten sich daher Bauherren zuerst bei ihrem zuständigen Bauamt über die Formalitäten informieren.
Zur Nutzung von erd- bzw. wassergekoppelter Wärme als Energiequelle haben sich drei Technologien durchgesetzt:
1. Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Sonden
Für Erdwärmesonden werden Kunststoffrohre in ein vertikal oder schräg verlaufendes Bohrloch eingebracht. Die Temperatur des Erdreiches ab zehn Metern Tiefe liegt ganzjährig konstant bei etwa 10 °C. Daher arbeitet eine Wärmpumpe mit Erdsonden das ganze Jahr über mit annähernd der gleichen Außentemperatur.
Nachteil bei einer Tiefenbohrung: Die Geothermie-Nutzung ist aus Sicherheitsgründen nicht überall in Deutschland erlaubt und außerdem immer genehmigungspflichtig. Zusätzlich ist ein Gutachten über Bodenqualität, -beschaffenheit und -ergiebigkeit von einem unabhängigen Sachverständigen erforderlich.
2. Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Kollektoren
Werden Kollektoren in ein Grundstück eingebaut, geschieht dies entweder durch das Ziehen von rund 150 cm tiefen und 70 cm breiten Gräben oder indem das gesamte Grundstück bis in diese Tiefe ausgebaggert wird und dann horizontal Kunststoffrohre eingebaut werden. Platzsparender ist eine übereinander angeordnete Einbringung – damit steigt jedoch der Aufwand für die Erdarbeiten.
Nach Tabellen des Bundesverbandes Wärmepumpe entzieht ein horizontaler Flächenkollektor mit einer Rohrnennweite von 25 mm und einem Verlege-Abstand von 60 cm einem Lehmboden etwa 25 W/m². Bei einer Heizlast von 25 kW wird somit eine Fläche von 800 m² benötigt.
Für Erdwärmepumpen mit Flach-, Flächen- oder Ringgrabenkollektoren, die keinen Kontakt zum Grundwasser haben und nicht in einem Wasserschutzgebiet liegen, ist in der Regel keine Genehmigung der Unteren Wasserbehörde erforderlich, wenn maximale fünf Meter Einbautiefe nicht überschritten werden.
3. Wasser/Wasser-Wärmepumpen
Als Wärmequelle kommen das Grundwasser, aber auch Kühlwasser aus Industrieprozessen oder Wasser aus Oberflächengewässern in Frage. Eine weitere Form nutzt die Wärmeenergie des Abwassers im städtischen oder industriellen Kanalsystem.
Grundwasser hat ganzjährig eine konstante Temperatur zwischen 8 und 12 °C. In der Regel sind je nach Grundwasserstand genehmigungspflichtige tiefe Bohrungen zwischen 10 und 20 Metern erforderlich, die Bohrtiefe für die Brunnen kann aber auch bis zu 50 Meter betragen. Zum Betrieb der Wärmepumpe wird ein offenes System aus einem Förder- und einem Schluckbrunnen benötigt. Der Förderbrunnen pumpt das Grundwasser zur Wärmepumpe, über den Schluckbrunnen fließt es abgekühlt wieder zurück in den Grundwasserleiter.
Fazit
Die zahlreichen Vorteile von Luft/Wasser-Wärmepumpen haben dazu geführt, dass dieser Markt deutlich schneller wächst als der von erdgekoppelten Systemen. 2021 betrug der Marktanteil von Luft/Wasser-Wärmepumpen in Deutschland 82 %. Von diesen insgesamt 127.000 Wärmepumpen wurden rund 83.500 Monoblock-Geräte eingebaut.
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise wie die WOLF CHA ist nicht nur schnell und einfach installiert, sondern kommt zusätzlich mit nur wenig Erdarbeiten aus. Sie ist zudem genehmigungsfrei. Ihr im Vergleich zu erdgekoppelten Systemen etwas geringerer Wirkungsgrad wird derzeit wirtschaftlich durch die deutlich niedrigeren Installationskosten aufgefangen.
Mehr Informationen zur Luft/Wasser-Wärmepumpe CHA-Monoblock unter www.wolf.eu/cha
Bild: WOLF GmbH
Bild: BWP
Autor
Bild: WOLF GmbH
