Sole/Wasser-Wärmepumpen

Neben der Luft/Wasser-Wärmepumpe wird am häufigsten die Sole/Wasser-Wärmepumpe eingebaut. Statt der Außenluft nutzt sie die Erdwärme. Die dem Erdreich entzogene Wärmeenergie hebt („pumpt“) die Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau an. Das Erdreich besitzt ganzjährig annähernd konstante Temperaturen unabhängig von Jahreszeit und Wetter. Dadurch ist ein monovalenter Betrieb der Sole/Wasser-Wärmepumpe ohne weiteren Wärmeerzeuger möglich. Mit reversiblen Geräten lässt sich ein Gebäude im Sommer auch kühlen.

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Überblick und Arten

Die Erde ist ein großer Wärmespeicher, in dem Wärme als Erdwärme bzw. Geothermie gespeichert ist. Sie entsteht unter anderem durch Sonnen- und Bioenergie wie auch durch die Hitze des Erdkerns. Diese Erdwärme kann nun mittels Sonden (Tiefenbohrung) oder Kollektoren (Fläche) gewonnen und als Umweltwärme in einer Wärmepumpe nutzbar gemacht werden. Die Wärmepumpe selbst nutzt diese Wärmeenergie – wie bei allen Wärmepumpenarten – zur Erzeugung von Heizenergie und zur Warmwasserbereitung. Sole/Wasser-Wärmepumpen stellen eine recht effektive Alternative im Bereich der Wärmepumpen dar, da die Wärmeenergie aus dem Erdreich ganzjährig weitestgehend konstant ist. Dadurch sind sie, was die Nutzung der Umweltenergie angeht, den Luft/Wasser-Wärmepumpen überlegen, auch wenn Luft/Wasser-Wärmepumpen heutzutage sehr effizient bis zu einer Außentemperatur von teils bis zu -28 °C betrieben werden können. Sole/Wasser-Wärmepumpen sind wegen des höheren Aufwands für die Tiefenbohrung oder die Verlegung der Erdkollektoren in der Erstinstallation teurer als Luft/Wasser-Wärmepumpen, die lediglich ein weitestgehend frei aufstellbares Außengerät benötigen.

Flächen-Erdkollektoren

Für Bauwerke mit größerer Freifläche sind Flächen-Erdkollektoren geeignet. Sie werden horizontal und schleifenförmig in etwa 1,20 bis 1,50 m Tiefe verlegt, was gleichzeitig der frostfreien Gründungstiefe entspricht. In dieser Tiefe liegen die Temperaturen je nach Jahreszeit zwischen 0 und 17 Grad Celsius. Der Abstand zwischen den Leitungen (meist aus PE-Rohr) beträgt etwa 0,5 bis 1,0 m. Die Entzugsleistung des Kollektors ist abhängig von der Bodenbeschaffenheit und liegt zwischen 10 und 15 W/m² bei trockenem, sandigem Boden und bei bis zu 40 W/m² bei Grundwasser führendem Boden. Als grobe Faustregel gilt: Für die zu beheizende Fläche im Gebäude wird ungefähr die doppelte Erdreichfläche für die Kollektorverlegung beansprucht. Die tatsächlich benötigte Kollektorfläche hängt von der im Gebäude benötigten Wärmeenergie ab.

Die mit der Umweltenergie aus Flächen-Erdkollektoren versorgte Wärmepumpe kann im Sommer auch zum Kühlen genutzt werden, wobei der Wärmekreislauf der Wärmepumpe umgekehrt wird. Sinnvoll ist der Einsatz von „Free Cooling“, also der reinen Nutzung der Kälte aus dem Boden, ohne die Wärmepumpe selbst zu aktivieren. Die geringe Wärme bzw. Kälte aus dem Erdreich wird dabei über die Wärmetauscher ohne Kompression direkt zum Heizkreis weitergeleitet. Dadurch wird nur minimale Energie zum Betrieb des Systems benötigt und eine fast kostenfreie Klimatisierung der Innenräume erreicht. Kleinere Kollektorflächen sind im Einzelfall möglich. Zur Verlegung von Flächenkollektoren benötigt man üblicherweise keine Bewilligung durch die Behörden, die zur Sicherheit aber über die bevorstehenden Erdarbeiten informiert werden sollten.

Erdsonden

Im Vergleich zu Flächenkollektoren brauchen Erdsonden nur wenig Platz – ein Bohrloch hat einen Durchmesser vor meist weniger als 15 cm. Die Sonden entziehen dem Erdreich in bis zu 100 m Tiefe (für Ein- und Zweifamilienhäuser) die Wärme. Der Temperaturbereich liegt in tieferen Schichten bei rund +8 bis +12 Grad Celsius. Für das Verlegen sind mit speziellen Bohrgeräten ein oder mehrere genehmigungspflichtige Bohrungen notwendig. Für die Bohrungen müssen, je nach Bundesland, Genehmigungen nach Wasser-, Berg- und/oder Lagerstättengesetz eingeholt werden.

Die meisten Bohrungen werden bis zu einer Tiefe von 50 m ausgeführt. Die Entzugsleistung liegt zwischen 30 und 100 W pro Meter pro Erdwärmesonde, wobei sich mehrere Erdwärmesonden zu einer Anlage zusammenschalten lassen. In die Bohrungen werden Schleifen aus Kunststoffrohr eingelassen, pro Bohrung zwei Schleifen. Die Tiefe und Anzahl der Bohrungen hängt von den Bodenverhältnissen und von der benötigten Heizleistung für das zu beheizende Gebäude ab. In Verbindung mit einer Erdwärmesonde kann die Wärmepumpenanlage je nach Variante im Sommer auch zum Kühlen genutzt werden. Auch hier ist der besonders günstige Einsatz von „Free Cooling“ möglich.

Erdwärmepumpen mit Direktverdampfung im Flächenkollektor

Neben den mit Sole durchflossenen Kollektoren gibt es auch Erdwärmepumpensysteme mit Direktverdampfung. Hier fließt im horizontalen Kollektorsystem aus Kupferrohren ein Kältemittel. Die Kupferrohre besitzen eine PE-Ummantelung. Ein Wärmetauscher wie beim Sole/Wasser-System entfällt. Dadurch treten weniger Energieverluste auf und die Arbeitszahl ist höher als bei herkömmlichen Sole/Wasser-Wärmepumpen. Der Nachteil ist, dass das Direkt-Verdampfersystem im Sommer nicht zum Kühlen genutzt werden können. Erdwärmepumpen mit Direktverdampfung im Flächenkollektor kommen nur selten zum Einsatz.

Funktionsweise

Zwischen Flächenkollektor und Wärmepumpe zirkuliert größtenteils unterirdisch die sogenannte Sole (Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel) in einem geschlossenen Kreislauf. Das Sole-Fluid nimmt die über das Jahr annähernd konstante Erdwärme auf und gibt sie über einen Wärmetauscher als Umweltenergie an die Wärmepumpe ab. Ab diesem Punkt funktioniert das Sole/Wasser-Wärmepumpen-System wie jeder andere Wärmepumpen-Typ. Technisch betrachtet geschieht die Umwandlung der Umweltenergie in Heizenergie in verschiedenen Schritten, die einen Kreislauf ergeben. Dabei wird der Effekt der Verdampfungswärme genutzt:

• Gewinnung: Durch Erdsonden oder Flächen-Erdkollektoren wird die Wärmeenergie der Erde (Geothermie) an einen Sole-Kreislauf übergeben, der die gewonnene Wärmeenergie zur Wärmepumpe im Innenraum transportiert.
• Verdampfer: Die eigentliche Wärmepumpe besitzt einen Wärmetauscher, mit dem diese Wärmeenergie an den Wärmepumpen-Kreislauf übergeben wird. Die Wärmeenergie genügt, um ein Kältemittel in dem geschlossenen Kreislauf zum Verdampfen zu bringen. FCKW-freies Fluid besitzt einen sehr tiefen Siedepunkt, weswegen Luft/Wasser-Wärmepumpen heute auch weit unter dem Gefrierpunkt betrieben werden können.
• Verdichtung/Kompression: Das verdampfte Kältemittel wird durch Verdichtung in einem meist elektrisch betriebenen Kompressor auf einen hohes Druckniveau gebracht, wodurch gleichzeitig die Temperatur steigt.
• Verflüssiger/Kondensator: Die Heizenergie im dampfförmigen und verdichteten Medium wird wiederum durch einen Wärmetauscher an das Heizmedium des Heizkreises übergeben. Dabei kühlt das Medium (Arbeitsmittel/Kältemittel) ab und verflüssigt sich.
• Im Expansions-, Drossel- oder Entspannungsventil wird der Druck abgebaut, sodass das Medium im Ursprungszustand wieder in den Verdampfer geleitet werden und der Wärmepumpen-Kreislauf von vorne beginnen kann. Elektronisch gesteuerte Ventile können dabei die Effizienz einer Wärmepumpe noch einmal steigern.

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