Wasser/Wasser-Wärmepumpen

Unter allen Wärmepumpenarten ist die Wasser/Wasser-Wärmepumpe die effizienteste. Sie nutzt als Umweltenergiequelle das Grundwasser, das ganzjährig eine konstante Temperatur zwischen 8 und 12 °C aufweist und ist daher von der Außentemperatur unabhängig. Dieses wird über einen Saug- bzw. Förderbrunnen entnommen und seine Wärmeenergie über einen Wärmetauscher für die Wärmepumpe nutzbar gemacht. Anschließend wird das Wasser über einen Schluck- bzw. Sickerbrunnen wieder zurückgeleitet. Die Qualität des Grundwassers wird dabei nicht beeinträchtigt.

Funktionsweise einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe
Beispiel einer Wasser-Wasser-Wärmepumpen-Anlage zur Heizung und Warmwasserbereitung

Ist in einer Tiefe von maximal zwanzig Metern Grundwasser vorhanden, kann sich der Einbau einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe lohnen. Wasser/Wasser-Wärmepumpengeräte werden im Haus aufgestellt. Für den Betrieb im Einfamilienhaus ist eine Aufstellfläche von etwa einem Quadratmeter notwendig. Allerdings bedarf es einiger Voraussetzungen und Voruntersuchungen, ehe Bauherren der Einbau einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe vorgenommen wird.

Voraussetzungen für den Einbau

Bei der Nutzung von Grundwasser ist grundsätzlich die Genehmigung der Unteren Wasserbehörde erforderlich, also auch beim geplanten Einsatz einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Die maximale Bezugstiefe von zwanzig Metern ergibt sich aus Gründen der Wirtschaftlichkeit, denn die Förderung des Grundwassers sollte mit geringem Energieaufwand möglich sein. Aber nicht nur die Tiefe ist wichtig, sondern auch die Menge: Je mehr Grundwasser zur Verfügung steht, desto mehr Wärme lässt sich daraus gewinnen. Wichtig ist außerdem:

  • Die Grundwasserqualität bzw. -zusammensetzung sollte zuvor durch eine Wasserprobe überprüft werden, da zu hohe Eisen- und Mangananteile die Lebenszeit von Brunnen und Wärmetauscher verkürzen können.
  • Das Einzugsgebiet sollte kein Wasser- oder Heilquellenschutzgebiet sein.
  • Steht das Grundwasser unter Druck (gespanntes Grundwasser), ist keine Bohrung möglich.
  • Auf dem Grundstück muss ausreichend Platz für den Saug- und den Schluckbrunnen sein, deren Abstand zueinander sollte mindestens 15 Meter betragen.
  • Beide Brunnen müssen angeordnet werden können, dass in Strömungsrichtung zuerst der Saug- und dann der Schluckbrunnen kommt.
  • Das für die Wärmepumpe genutzte Grundwasser muss wieder zurückgeleitet werden.
Funktionsweise
Wie bei allen gängigen Wärmepumpen-Typen handelt es sich bei einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe um eine Kompressionswärmepumpe. Die Umweltwärmeenergie aus dem Grundwasser wird durch Kompression (meist in einem strombetriebenen Scroll-Verdichter) auf ein höheres, für die Heizung nutzbares Temperaturniveau gehoben. Technisch betrachtet geschieht die Umwandlung der Umweltenergie in Heizenergie in einem Kreislauf:
  • Gewinnung: Das im Saugbrunnen gewonnene Grundwasser wird nach oben zur eigentlichen Wärmepumpe im Gebäude gepumpt und dort in einen Wärmetauscher geleitet, in dem die Wärmeenergie an den Kältemittelkreislauf übergeben wird. Ab hier funktioniert die Wasser/Wasser-Wärmepumpe wie jedes andere Wärmepumpen-System.
  • Verdampfer: Die Wärmeenergie genügt, um ein Kältemittel in dem geschlossenen Kreislauf zum Verdampfen zu bringen. FCKW-freies Fluid besitzt einen sehr tiefen Siedepunkt (Aus dem Grund können Luft/Wasser-Wärmepumpen heute auch weit unter dem Gefrierpunkt betrieben werden).
  • Verdichtung/Kompression: Das verdampfte Kältemittel wird durch Verdichtung in einem meist elektrisch betriebenen Kompressor auf ein 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.
Effizienz und Wirkungsgrad
Die Nutzung des Grundwassers als Umweltenergiemedium ist besonders effizient. Gegenüber anderen Wärmepumpenarten sind die Jahresarbeitszahlen JAZ von Wasser/Wasser-Wärmepumpen sogar am höchsten. Sie reichen bis zur einem Wert von 5 (JAZ von Sole-Wasser-Wärmepumpen 4 bis 4,5; JAZ von Luft-Wasser-Wärmepumpen 3). Pro eingesetzter Kilowattstunde Strom können also fünf Kilowattstunden Wärme erzeugt werden. Damit lässt sich die gesamte Heizleistung eines Gebäudes abdecken. Wasser/Wasser-Wärmepumpen sind somit für den monovalenten Betrieb, also ohne zusätzlichen (fossilen) Energieträger geeignet. Noch nachhaltiger werden sie, wenn der Strom regenerativ erzeugt wird, etwa durch eine Photovoltaikanlage.

Vor- und Nachteile

Wasser/Wasser-Wärmepumpen sind leise, benötigen nicht viel Platz, arbeiten effizient und umweltfreundlich und unabhängig von der Außentemperatur. Die Betriebs- und Wartungskosten sind außerdem gering. Durch spezielle Wärmepumpen-Stromtarife können die Betriebskosten weiter gesenkt werden. Im Sommer kann die Wasser/Wasser-Wärmepumpe außerdem – je nach Gerätetyp – zur Kühlung nach dem „Free-Cooling-Prinzip“ eingesetzt werden, bei dem die Kühlung direkt, also ohne Einsatz der Wärmpumpen-Kompression genutzt wird. Wie bei fast allen Wärmepumpenarten entstehen keine Emissionen, da für Pumpen und Kompression elektrische Energie eingesetzt wird. Für den Einbau von Wasser/Wasser-Wärmepumpen kann man mit Zuschüssen im Rahmen der Bundesförderung bis zu 45 Prozent rechnen.

Von Nachteil sind die vergleichsweise hohen Anlagenkosten durch die Voruntersuchungen und Planungen, die Tiefenbohrungen für die Brunnen sowie die erhöhten Ansprüche an den Wärmetauscher gegen Verockerung bzw. Oxidierung bei eisen- und manganhaltigem Wasser. Bei geringer Wasserqualität wird ein zusätzlicher, gut zu reinigender Wärmetauscher zwischengeschaltet. Abschreckend können die engmaschigen gesetzlichen Vorgaben bei der Planung einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe sein. Bei Betrieb ist zu beachten, dass der Grundwasser-Kreislauf regelmäßig von Fachleuten kontrolliert wird. Der Verdacht der Gefährdung des Grund- bzw. Trinkwassers kann zur Stilllegung der Anlage führen. Auch bauliche Veränderungen an der Anlage müssen den zuständigen Verwaltungsbehörden gemeldet werden. Ein Versicherungsschutz kann also notwendig und sogar sinnvoll sein.

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