WärmepumpeDie Wärmepumpe stellt eine deutliche Energieeinsparquelle dar. Durch ihren Einsatz als Heizenergie- und Warmwassererzeuger kann sie, bei optimaler Auslegung, einen ganz erheblichen Teil an Energie einsparen, der ansonsten durch fossile Energieträger (Öl, Gas, Kernkraft und Kohle als Strommix) erzeugt werden muss. Der Einsatz einer Wärmepumpe ist ein wesentlicher Faktor zum nachhaltigen Umweltschutz, denn durch Ressourcen schonende und Energie effiziente Nutzung trägt sie zum Klimaschutz erheblich bei.  Grafik: Heizung und Warmwasser machen heute ca. 90 % der Energiekosten im Haushalt aus
Das Funktionsprinzip einer Wärmepumpe Die Wärmepumpe nutzt die Energie aus dem Erdreich (oberflächennahe Geothermie bis zu einer Tiefe von 400 m) für seinen thermodynamischen Prozess. Sie entzieht dem Erdboden Wärme und "pumpt" diese Wärme an die Oberfläche wo sie für Heizung / Kühlung bzw. Warm-/ Kühlwasser nutzbar gemacht wird aber auch zur Stromgewinnung kann die Erdwärme genutzt werden. Der Wärmeträger ist ein für die Wärmepumpe zugelassenes Kältemittel (z.B. Sole) welches durch Verdichtung und Entspannung durch die Leitungen zirkuliert. Dieses Prinzip erfolgt als Kreislauf, immer und immer wieder. Da die Erdwärme über das ganze Jahr hin konstant ist, wird selbst im Winter ohne Probleme geheizt. Je tiefer die Sonden in den Erdboden eingebunden werden, desto besser (wärmer) wird die Nutzbare Energie an die Erdoberfläche gefördert.  Grafik: Wärmeverteilung in den jeweiligen Erdschichten
Quelle: Hessischen Landesamtes für Umwelt und Geologie aus dem Leitfaden für Erdwärmenutzung - www.hlug.de
Die Wärme aus der Erde Wenn wir uns in das Erdinnere begäben, würden wir feststellen, das die oberflächennahe Temperatur kontinuierlich zunimmt - um etwa 1 Grad pro 30 Meter. Woher kommt diese Erdwärme und warum wird es mit zunehmnder Tiefe immer wärmer? Fakt ist: Ein großer Teil der Erdwärme (~70 %) wird durch radioaktiven Zerfall instabiler Kerne freigesetzt. Heute sind dies allerdings nur noch die besonders langlebigen Isotope Uran-235, Uran-238, Thorium-232 und Kalium-40 mit Halbwertszeiten von knapp einer bis zu 14 Milliarden Jahren. Bei der Erdentstehung vor etwa 4,6 Milliarden gab es wesentlich mehr radioaktive Isotope. Diese "natürliche Radioaktivität der Erde" 1 ist für uns Menschen aber nahezu unschädlich, anders ist es bei der Radioaktivität aus Kernspaltungen wie bspw. den Atomkraftwerken. Inzwischen wird die Erdwärme auch zur Energiegewinnung eingesetzt. Mit dem sog. Hot-Dry-Rock-Verfahren decken die Isländer bereits heute 7% des Strombedarfs auf diese Weise. In jüngster Zeit werden in Pilotprojekten auch bei uns Erdwärme und heiße Quellen mehr und mehr zur Beheizung von Gebäuden und ganzen Stadtteilen genutzt. Streng genommen ist die Erdwärme nicht unerschöpflich, wird aber noch Millionen von Jahren weiter bestehen. _______ 1 Die durch Zerfall der instabilen Kerne produzierte Erdwärme ist unter anderem auch für die Konvektionsströmungen im Erdmantel verantwortlich, die wiederum zu den Plattenbewegungen in der äußeren Erdschicht, der Lithosphäre, führen. Auf diese Weise gibt es auch einen engen Zusammenhang zwischen der Radioaktivität im Inneren der Erde und den Kontinentalverschiebungen, Vulkaneruptionen und Erdbeben an ihrer Oberfläche. Wärmepumpe als Erdreich-Flächenkollektor Das Erdreich ist ein guter Wärmespeicher, um eine monovalente2 Elektro-Wärmepumpe wirtschaftlich zu betreiben. Die Temperatur im Erdreich nahe der Oberfläche liegt entsprechend der Jahreszeit zwischen -5° C und +17° C. Ein Rohrschlangensystem wird ca. 0,2 m unterhalb der Frostgrenze (in 1 bis 1,2 m Tiefe) verlegt. Bei Neubauten ist die Verlegung meistens problemlos möglich, da ohnehin zahlreiche Erdarbeiten vorgenommen werden. Idealerweise ist der Boden lehmig-feucht, da die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs mit zunehmendem Wassergehalt zunimmt und somit eine gute Wärmespeicherung ermöglicht. Hier können i.M. etwa 25 W/m2 Wärmeleistung entnommen werden. Nachteil: Die Kollektorfläche kann je nach der benötigten Gesamt-Wärmeleistung (Wärmebedarf des Gebäudes) eine relativ große Installations-Fläche beanspruchen. Über den Daumen kann man etwa die 1,5-fache Kollektorfläche zur beheizten Wohnfläche annehmen. ________ 2 monovalent: einwertig; alleine durch diese (ohne weitere Unterstützung) Wärmepumpe als Erdreich-Erdwärmesonde Eine Alternative zu Flächenkollektoren ist die Erdwärmesonde. Das Erdreich hat ab einer Tiefe von 10 m eine relativ konstante Temperatur von etwa 8-10° C - das ganze Jahr hindurch. Für die Erdsonde wird in einem Spül- oder Hammerbohrverfahren eine Bohrung mit einem Durchmesser von ca. 20 cm erstellt. Bei Erdwärmesonden werden vorgefertigte Kunststoffrohrbündel (überwiegend werden Doppel-U-Rohre aus HDPE verwendet) in das Bohrloch eingeführt und der Ringraum mit einem Bentonit / Zement / Wasser-Gemisch abgedichtet. Die Sondentiefe liegt üblicherweise zwischen 25 und 200 m. Da bei Bohrungen über 100 m ein bergrechtliches Verfahren durchgeführt werden muss, beschränken sich viele Anlagen auf diese Tiefe. Zu beachten ist, dass für das Einbringen und Betreiben von Erdwärmesonden eine wasserrechtliche Erlaubnis bei der zuständigen Verwaltungsbehörde eingeholt werden muss. Vorteil: Die Erschließung der Wärmequelle kann mit relativ geringem Geländebedarf sowohl bei Neubauten aber auch im Bestand erfolgen Wärmequellen Nicht jede Wärmepumpe nutzt die Energie aus dem Erdreich. So gibt es Wärmepumpen die die Luft als Wärmequelle nutzen. Dabei wird die Außenluft angesaugt und umgewälzt. Die in der Luft enthaltene Energie wird über einen Wärmetauscher zur Wärmeerzeugung genutzt. Vorteil: Luft steht unbegrenzt zur Verfügung. Nachteil: Die in der Luft enthaltene Energie ist sehr gering und im Winter ist die Aussenluft oftmals zu kalt um für Wärme genutzt zu werden. Aber es gibt auch Wärmepumpen die das Grundwasser (falls vorhanden) als Wärmequelle nutzen. Grundwasser ist ein idealer Wärmespeicher und hat selbst in kalten Wintertagen noch eine Temperatur von + 7 C bis + 12° C. Für diese Technik ist je ein Förder- und Schluckbrunnen zu installieren die den Vor- und Rücklauf darstellen. Die Heizungsanlage Die Wärmeabgabe der Wärmepumpe erfolgt wie bei jeder Zentralheizung über die Heizkörper (Radiatoren, Konvektoren oder integrierte Heizflächen wie z.B. einer Fußbodenheizung). Die Fußbodenheizung, wegen ihrer niedrigen Vorlauftemperatur von 30° C bis 40° C, eignet sich besonders für den Betrieb einer Wärmepumpe. Aber auch für Vorlauftemperaturen von > 55° C gibt es bereits geeignete Wärmepumpen. Diese sind vor allem für den Ersatz in Altbauten interessant und machen den Austausch von bereits vorhandenen Heizkörpern meist unnötig. Eine bivalente Nutzung in (noch) nicht modernisierten Altbauten ist zweckmäßig, da die Wärmeleistung der Wärmepumpe an den späteren Stand des Gebäudes angepasst werden kann. Damit kann man erreichen, dass das 2te Heizungssystem später entfernt und die Wärmepumpe als alleiniger Wärmeerzeuger (monovalent oder monoenergetisch) betrieben werden kann. Achten Sie bei der Planung auf diesen entscheidenden Punkt. Die Warmwasser-Nutzung Die Warmwasserversorgung erfolgt zentral über einen Warmwasserspeicher oder Pufferspeicher. Die Anlage kann zusätzlich (optional) mit einem Latentwasserspeicher ausgerüstet (oder Nachgerüstet) werden. Der Latentwasserspeicher unterstüzt die Gesamtanlage sowohl für die Warm- als auch die Kühlwassernutzung. Die Kühlwassernutzung ist insbesondere im Sommer zur Kühlung der Räume sinnvoll. Der End-Energiebedarf einer Wärmepumpe Die eingesetzte Endenergie, auch Hilfsenergie genannt, ist im Normalfall der Strom der benötigt wird um die Pumpen anzutreiben. Der Endenergiebedarf einer Wärmepumpe hängt ganz entscheidend von der Effizienz, d.h. Auslegung der jeweiligen Anlage ab. Die Arbeitszahl β (beta) gibt das Verhältnis von NUTZEN zum AUFWAND, also die HEIZARBEIT zur ANTRIEBSART an. Je größer das Verhältnis (bspw. 4,0) umso höher (besser) der NUTZEN (Heizen/Kühlen) umso geringer (besser) der Aufwand an Hilfsenergie (Strombedarf). Die Arbeitszahl β=4,0 bedeutet somit, das die Wärmepumpe lediglich 1Teil Strom benötigt um 4Teile Heizkraft zu erzeugen. Bei niedrigen Aussentemperaturen kann die Arbeitszahl der Wärmepumpe ungünstiger sein. Die Kosten einer Wärmepumpe Selbst wenn Wärmepumpen in der Anschaffung verglichen mit konventionellen Heizungen teurer sind, so liegen sie bei Energie- und Betriebskosten doch deutlich niedriger und sind deshalb mittel- bis langfristig wirtschaftlich attraktiver. Bei Erdsonden in Verbindung mit Wärmepumpen liegen die Investitionskosten bei etwa 800 bis 1000 EUR je kW Entzugsleistung bzw. bei 70 bis 80 EUR/m Sondenlänge. Bei der Grundwassernutzung hängen die Kosten stark von den örtlichen Gegebenheiten ab und müssen im Einzelfall ermittelt werden. Fördermittel für Wärmepumpen Für den Einbau von Wärmepumpen gibt es eine Reihe von Fördermitteln. Der Bund, die Länder oder auch Gemeinden verfügen über Fördermittel, die z.T. als nicht rückzahlbare Zuschüsse oder als zinsgünstige Darlehen vergeben werden. Neben Fördermitteln bieten EVU fast immer Sondertarife für Strom an, die deutlich unter den normalen Preisen liegen. Sonderverträge enthalten entweder einen einheitlichen Arbeitspreis über die gesamte Freigabedauer, oder es werden zwei Preise für die Schwachlastzeit und für die übrige Freigabezeit vereinbart. In einigen Fällen kann eine kostenlose Planungsunterstützung und Beratung mindestens bis zur Inbetriebnahme der Anlage in Anspruch genommen werden. Alle Programme sind normalerweise zeitlich begrenzt und werden laufend angepasst. Eine rechtzeitige Erkundigung oder Beratung über aktuelle Fördermittel ist deshalb ratsam. Lassen Sie sich für Ihr Bauvorhaben frühzeitig beraten, denn ein bereits begonnenes Bauvorhaben kann i.d.R. nicht mehr gefördert werden. Die Vorteile einer Wärmepumpe (bei optimaler Auslegung des Gesamtsystems):
Weiterführende Infos finden Sie unter de.Wikipedia.org oder beim Budesverband Wärmepumpe e.V.  |
