Mit kostenlos verfügbarer Umweltwärme heizen? Das ist mit einer Wärmepumpe kein Problem. Nur für den Antrieb der Pumpe wird Strom als Energie benötigt – und den erzeugt im besten Fall die eigene Solaranlage. Wir zeigen die ganze Bandbreite der möglichen Wärmequellen mit den Vor- und Nachteilen.
Luft-Wasser-Wärmepumpe vor einem Wohnhaus (Bildquelle: thomsond – stock.adobe.com)
Wärmepumpen nutzen verschiedene Umweltenergien
Die Umwelt stellt uns Wärme zum Heizen zur Verfügung, die auf den ersten Blick nicht als solche erkennbar ist. Welche Art der Umweltwärme genutzt werden kann, hängt natürlich von den örtlichen Gegebenheiten und dem Wärmebedarf Ihres Gebäudes ab.
Bei einer Wärmepumpe wird die in der Umwelt enthaltene Wärme auf technischem Weg auf das notwendige Temperaturniveau angehoben, damit sie Ihre Wohnung auf behagliche Temperaturen bringt.
Bedeutung der Temperatur der Wärmequelle
Wesentlicher Einflussfaktor für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Differenz zwischen der Temperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur im Heizkreis. Eine geringe Differenz bedeutet hohe Effizienz und eine hohe Differenz ist ungünstig für die Effizienz der Wärmepumpe.
Die Effizienz ist wichtig für den Stromverbrauch der Wärmepumpe – je höher die Effizienz, desto geringer der Stromverbrauch.
Die Vorlauftemperatur ist vom Gebäude und den Heizflächen abhängig und in der Heizperiode konstant. Die Temperatur der Wärmequelle hingegen kann schwanken. Sinkt sie, sinken auch Effizienz und Leistung der Wärmepumpe. Bei zu geringen Temperaturen kann die Leistung nicht mehr ausreichen. Dann kommt eine zusätzliche Heizquelle (z. B. ein Heizstab) zum Einsatz.
Welche Wärmequellen für Wärmepumpen gibt es?
Einige Arten der Umweltwärme werden oft für Wärmepumpen genutzt und andere sind weniger bekannt. Aber auch sie haben Potenzial.
Außenluft
Die Nutzung der Außenluft als Wärmequelle ist ohne zusätzliche Erschließung möglich. Die Außenluft ist fast überall verfügbar. Allerdings ist die Temperaturschwankung dieser Quelle relativ hoch. Bei niedrigen Außentemperaturen und gleichzeitig höchstem Wärmebedarf ist der Wirkungsgrad einer Luft-Wasser-Wärmepumpe oder Luft-Luft-Wärmepumpe am schlechtesten. Eventuell reicht die Heizleistung in diesem Fall nicht aus und ein elektrischer Heizstab muss für zusätzliche Heizwärme sorgen.
Erdreich (Geothermie) mit Erdkollektoren
Ein waagrecht verlegtes Rohrsystem, etwa 1,5 Meter unter der Erdoberfläche, nimmt mit Hilfe der Erdkollektoren die Wärme im Erdreich als Wärmequelle für eine Sole-Wasser– oder Erdwärmepumpe auf. Die Kollektoren liegen knapp unterhalb der Frostgrenze. Die Schwankung der Temperatur ist geringer als bei der Außenluft, sie ist bis zu einer Tiefe von 5 Metern trotzdem verschiedenen Umwelteinflüssen ausgeliefert.
Die erforderliche Fläche für die Erdkollektoren beträgt ca. das 1,5- bis 2-fache der beheizten Fläche. Es ist keine Genehmigung erforderlich, die Verlegung muss jedoch bei der unteren Wasserbehörde angezeigt werden. Außerdem darf die Fläche über den Kollektoren nicht überbaut oder versiegelt werden.
Erdreich (Geothermie) mit Erdsonden
Ab einer Tiefe von 10 Metern im Erdreich liegt die Temperatur ganzjährig konstant bei rund 10° C. Dadurch ist mit Erdsonden ein Betrieb der Sole-Wasser-Wärmepumpe mit hoher Effizienz und ohne zusätzlichen Heizstab möglich.
Um diese Wärme zu nutzen, sind Bohrungen im Erdreich notwendig. Durch die Sonden zirkuliert eine frostsichere Flüssigkeit, die die Wärme im Untergrund aufnimmt und zur Wärmepumpe transportiert. Die Tiefe der Bohrung hängt vom Wärmebedarf des Gebäudes und vom Untergrund vor Ort ab. Bei einem durchschnittlichen neuen Einfamilienhaus kann sie rund 100 Meter betragen. Die Bohrungen sind genehmigungspflichtig.
Im Sommer können Erdsonden zur passiven Kühlung eingesetzt werden und die Wärme aus dem Gebäude im Erdreich speichern.
Grundwasser
Die Temperatur des Grundwassers liegt auch an kalten Tagen bei konstant 10° C und sorgt somit für einen effizienten Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Das Wasser wird über einen Brunnen an die Oberfläche gepumpt. Hier entzieht ihm die Wärmepumpe die thermische Energie. Anschließend wird das Wasser über einen Schluckbrunnen wieder zurückgeleitet.
Die Nachteile dieser Wärmequelle sind der hohe Planungsaufwand, die Kosten für die Genehmigung und die zwei Bohrungen und die Wartung der Anlagen. Demgegenüber stehen der Vorteil einer verhältnismäßig hohen Effizienz der Wärmepumpe und die Möglichkeit zur passiven Kühlung im Sommer.
Eisspeicher
Eine alternative Wärmequelle ist der Eisspeicher. Hier wird eine Betonzisterne im Boden vergraben und mit Wasser gefüllt. Durch spiralförmig verlegte Leitungen fließt eine Flüssigkeit mit Frostschutzmittel, die dem Wasser Wärme entzieht und an eine Sole-Wasser-Wärmepumpe abgibt.
Durch den Entzug der Wärme sinkt die Temperatur des Wassers, bis es gefriert. Dieses System nutzt die beim Gefrieren und Auftauen frei werdende Kristallisationsenergie, die der Energie zur Erwärmung von Wasser von 0° auf 81° C entspricht, als Wärmequelle.
Die Regeneration des Speichers erfolgt über die Wärme aus dem Erdreich und über eine Solarthermie-Anlage. Zusätzlich lässt sich das System zur Kühlung des Gebäudes einsetzen, indem die Wärme aus dem Gebäude im Speicher gelagert wird.
Solarthermie
Eine Solarthermie-Anlage, beispielsweise in Kombination mit einer PVT-Anlage, kann die Wärme direkt in den Heizungskreislauf einspeisen oder das durch die Sonneneinstrahlung vorgewärmte Wasser an die Wärmepumpe abgeben. Reicht die Wärme der Solaranlage aus, arbeitet die Wärmepumpe nicht und der Stromverbrauch wird reduziert. Nur wenn die Wärme nicht ausreicht, muss die Wärmepumpe arbeiten. In diesem Fall nutzt die Wärmepumpe die vorgewärmte Energie aus der Solaranlage, wodurch ihr Wirkungsgrad steigt.
Dieses System hat bei geringen Temperaturen und geringer Einstrahlung im Winter die niedrigste Effizienz, wenn gleichzeitig der Wärmebedarf hoch ist.
Abwasser
Für größere Siedlungen und Quartiere kann auch das Abwasser als Wärmequelle einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe genutzt werden. Es hat über das Jahr hinweg eine relativ konstante Temperatur zwischen 10° und 20° C. Ein Wärmetauscher entzieht dem Abwasser die Wärme und gibt sie an die Wärmepumpe ab. Dieses System kann ebenfalls zur Kühlung im Sommer eingesetzt werden.
Fluss- oder Meerwasser
Das Fluss- oder Meerwasser gilt ebenfalls als eine Wärmequelle für Wärmepumpen. Ein Wärmetauscher im Wasser entzieht ihm Energie und gibt sie an die Wasser-Wasser-Wärmepumpe ab. Das Einsatzgebiet dieser Wärmequelle liegt vor allem in Städten, Siedlungen und Quartiere mit Nähe zum Wasser.
Bei Meerwasser muss auf einen geringen Tidenhub geachtet werden. Der Vorteil dieser Wärmequelle: frisches Wasser wird konstant geliefert und abgekühltes Wasser ebenso konstant abtransportiert. Allerdings ist die Nutzung des Wassers aus Flüssen oder dem Meer genehmigungspflichtig.
Prozesswärme
Das warme Kühlwasser, das als Abwärme in industriellen Prozessen anfällt, kann ebenfalls als Wärmequelle für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe genutzt werden. Ein Vorteil dieses Wassers: es ist in der Regel ganzjährig mit konstanter Temperatur verfügbar. Im Sommer kann es über Absorptionskältemaschinen auch zur Kühlung von Produktionsprozessen oder Büroräumen dienen.
Was passiert in einem kalten Winter?
Auch bei Temperaturen um den Gefrierpunkt reicht die Temperatur einer Wärmequelle für die Wärmepumpe aus. Allerdings sinkt mit abnehmender Temperatur die Effizienz der Wärmepumpe und ihr Stromverbrauch steigt. Daher ist eine geringe Schwankung der Temperatur der Wärmequelle von Vorteil.
Auch bei extremen Minusgraden bis -20° C kann eine Luft-Wärmepumpe der Außenluft noch genügend thermische Energie entziehen, um das Haus zu erwärmen. Erst bei noch niedrigeren Temperaturen hilft der elektrische Heizstab, damit die Heizung weiterhin zuverlässig funktioniert.
Fazit
Die Temperaturen der vorgestellten Wärmequellen schwanken im Jahresverlauf unterschiedlich stark. Je geringer die Schwankung ist, desto höher ist die Effizienz einer Wärmepumpe im kalten Winter. Dem gegenüber steht der relativ hohe Aufwand, der für eine geringe Schwankung betrieben werden muss.
In den meisten Fällen werden die Außenluft oder das Erdreich als Wärmequelle genutzt. Der Einsatz anderer Quellen erfordert in jedem Fall einen größeren Aufwand – als Beispiel sei der Eisspeicher genannt. Bei anderen Wärmequellen wiederum ist die Nutzung von der Lage abhängig, wie Fluss- oder Meerwasser.
Es gibt sehr unterschiedliche Wärmequellen für Ihre Wärmepumpe. Wenn die zu Ihrem Ort passende Wärmequelle erschlossen ist, verursacht die Wärmepumpe, abgesehen vom benötigten Strom, keine laufenden Kosten. In Kombination mit einer Photovoltaikanlage auf Ihrem Dach arbeitet Ihre Wärmepumpe besonders kostensparend.
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