Die benötigte Umweltwärme wird dem Erdreich, dem Grundwasser, dem Abwasser oder der Luft entzogen und dem Kreisprozess der Wärmepumpe zugeführt. Für jede Wärmequelle gibt es entsprechende Methoden, um die gespeicherte Energie anzuzapfen. Erdwärme wird per Erdsonde, Erd- oder Kompaktkollektor gewonnen. Das Grundwasser wiederum wird mit einem Saug- und Schluckbrunnen genutzt. Die einfachste Möglichkeit ist schließlich die Nutzung der Außenluft mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe. Als alternative Wärmequelle können auch Abwässer genutzt werden. Die Wärmequellen besitzen unterschiedliche Ergiebigkeiten, aus denen entsprechend verschiedene Wärmeentzugsleistungen resultieren.
Folgende Wärmequellen können also für die Wärmepumpe erschlossen werden:
- Erdreich
- Grundwasser
- Abwässer (waste-water heating)
- Luft
Wärmequelle Erdreich
Das Erdreich ist das ganze Jahr über eine Wärmequelle mit hoher Wärmeleistung. Die in der Erde gespeicherte Wärme kann durch Erdsonden, Erdkollektoren oder Kompaktkollektoren genutzt werden.
Erdsonde
Eine oder mehrere senkrecht in den Boden eingelassene Sonden nutzen die Erdwärme, die ab einer Tiefe von ca. 10 Metern unabhängig von der Jahreszeit weitgehend konstant bei ca. 5 °C liegt. Erdsonden nutzen die Wärme sehr effektiv und sind besonders für kleine Grundstücksflächen geeignet, auf denen nicht genügend Platz für die Installation eines Erdkollektors vorhanden ist. In eine Bohrung wird eine U-förmige Sonde (überwiegend Doppel-U-Sonde) eingebracht, die durch eine eingepresste Suspension (Betonit) fest mit dem umgebenden Erdreich verbunden wird. Durch die Sonden wird „Sole” gepumpt. Dabei handelt es sich um Wasser, das aus Frostschutzgründen z. B. mit einer umweltverträglichen Glykollösung angereichert ist. Die aus der Wärmepumpe kommende Sole ist kälter als die Rohrwandung bzw. als das die Sonde umgebende Erdreich (z. B. 5 °C), so dass sie beim Herunterpumpen und Aufsteigen dem Erdreich Wärme entzieht. Die Soletemperatur steigt z. B. auf 5 °C bis 7 °C an und erreicht mit dieser Temperatur die Oberfläche. Da ab einer Tiefe von etwa 10 Metern die Temperatur das ganze Jahr über nahezu konstant ist, ist die Erdwärmesonde insbesondere im Winter bei tiefen Temperaturen sehr effektiv. Im Sommer kann man mit Hilfe einer Erdwärmesonde auch eine passive Kühlung der Wohnräume realisieren.
Erdkollektor
Der Erdkollektor besteht aus einem Rohrsystem, das großflächig ca. 20 cm unterhalb der Frostgrenze waagerecht verlegt wird. Das Rohrsystem wird in 1,2 – 1,5 m Tiefe verlegt. In dieser Tiefe herrschen das ganze Jahr über relativ konstante Temperaturen von 5 bis 15 °C. Die Fläche über dem Rohrsystem darf nicht versiegelt oder überbaut werden, da der Boden die Wärme aus Regenwasser und Sonneneinstrahlung aufnimmt.
Kompaktkollektor
Der Kompaktkollektor ist eine platzsparende Lösung, um die Wärmequelle Erdreich zu erschließen. Er besteht aus mehreren Kollektormatten, die horizontal in das Erdreich eingebracht werden. Die einzelnen Kollektormatten werden über eine Verteiler/Sammler Kombination parallel verschaltet. Wie der Erdkollektor werden die Kompaktkollektoren 20 cm unterhalb der Frostgrenze in 1,2 – 1,5 m Tiefe waagerecht verlegt.
In der folgenden Tabelle sind die grundsätzlichen Rahmenbedingungen dargestellt, die bei der Erschließung der Wärmequelle Erdreich zu beachten sind. Zusammen mit den Vor- und Nachteilen der jeweiligen Kollektorarten finden Sie hier wichtige Anhaltspunkte zur Auswahl der passenden Wärmequelle und des entsprechenden Kollektors.
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Wärmequelle Grundwasser
Grundwasser ist die ergiebigste Wärmequelle. Durch die über das Jahr konstante Temperatur von 8 - 10 °C lassen sich die im Vergleich aller Systeme höchsten Wärmeentzugsleistungen erzielen. Wenn Grundwasser in ausreichender Menge, Temperatur, Qualität und in einer möglichst geringen Tiefe vorhanden ist, kann dieses mit einer Wasser/Wasser Wärmepumpe sehr wirtschaftlich genutzt werden.
Über einen Saugbrunnen wird das Grundwasser mit Hilfe einer Tauchpumpe der Wärmepumpe zugeführt. Diese entzieht dem Grundwasser Wärme und anschließend wird das abgekühlte Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das Grundwasser eingebracht. Eine Abkühlung des Grundwassers ist in den meisten Regionen durchaus erwünscht (bis auf ca. 5 °C), da die Grundwassertemperaturen durch Kultureinflüsse vielerorts angestiegen sind.
Saug- und Schluckbrunnen werden in einem Abstand von ca. 15 m installiert. Eine Wasser/Wasser-Lösung lohnt sich insbesondere für größere Objekte mit einem hohen Heizbedarf. Ein genereller Nachteil dieser Wärmequelle ist der hohe Planungsaufwand. So muss die Nutzung von Grundwasserwärme grundsätzlich durch die Untere Wasserbehörde (D) bzw. Wasserrechtsbehörde (AT) genehmigt werden. Dazu kommt ein verhältnismäßig großer Anteil von Hilfsenergie für die Brunnenpumpe.
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Wärmequelle Luft
Außenluft erfordert den geringsten Aufwand zur Erschließung einer Wärmequelle und kann nahezu überall genutzt werden.
Die Luft/Wasser-Wärmepumpe nutzt die von der Sonne erwärmte Außenluft. Diese steht überall und in unbegrenzter Menge zur Verfügung. Die Umgebungsluft unterliegt jedoch jahreszeitlich bedingt hohen Temperaturschwankungen. So liegt die Temperatur dieser Wärmequelle im Winter – also zu Zeiten des größten Heizbedarfs – recht niedrig, was die Luft/Wasser-Wärmepumpe etwas weniger effizient als erdgekoppelte Systeme macht. Bis zu einer Außenlufttemperatur von -20 °C kann die Luft/Wasser- Wärmepumpe noch Heizwärme erzeugen. Allerdings wird bei einer optimierten Auslegung bei extrem niedrigen Außenlufttemperaturen der Wärmebedarf für die Beheizung des Gebäudes nicht mehr vollständig gedeckt. Eine in der Wärmepumpe integrierte Elektro Zusatzheizung schaltet sich deshalb beim Erreichen des sogenannten Bivalenzpunktes zu.
Ein wichtiger Punkt bei der Planung von Luft/Wasser-Wärmepumpen ist die Geräuschentwicklung der Lüfter. Hier sind der geeignete Aufstellort und die Abstände zu Grundstücken bei der Planung zu beachten. Außerdem sind die großen Temperaturschwankungen der Wärmequelle (Außenluft) bei der Auslegung der Wärmepumpe zu berücksichtigen.
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