Allgemein gilt: Wärmepumpen können Heizungssysteme für fossile Brennstoffe ersetzen. Als Energiequelle kommen in der Regel die Außenluft, das Erdreich oder Wasser infrage. Die Wärmequelle und die Platzverhältnisse im und um das zu beheizende Gebäude herum führen zu unterschiedlichen Lösungen.
Luft als Wärmequelle
Zur Nutzung der Energiequelle Luft gibt es drei unterschiedliche Technologien:
Luft / Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise
Der Kältekreislauf und damit die zentralen Komponenten der Wärmepumpe befinden sich in einem geschlossenen System in der Außeneinheit. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Platzbedarf im Haus. Die Wärmeenergie wird über gut gedämmte, wasserführende Leitungen ins Haus geführt. Um Wärmeverluste möglichst zu vermeiden, sollten die Leitungen von der Außen- zur Inneneinheit im Idealfall kurz geplant werden. Ist das nicht möglich, können auch bis zu 30 m lange Leitungen im Erdreich unterhalb der Frostgrenze verlegt werden.
Die Installation ist einfach, da keine Arbeiten am Kältekreislauf erforderlich sind. Weder eine regelmäßige Überprüfung auf Kältemittel-Leckagen noch ein Sachkundenachweis zur Installation sind erforderlich. Der Eingriff in die Gebäudehülle ist aufgrund des Durchmessers der gedämmten Leitungen etwas größer als bei den unten beschriebenen Split-Geräten.
Luft / Wasser-Wärmepumpe in Split-Bauweise
Hier verläuft der Kältemittelkreislauf zwischen Innen- und Außeneinheit.
Bei der Split-Wärmepumpe sind die Inneneinheit und die Außeneinheit mit einer kältemittelführenden Leitung miteinander verbunden. Nachteilig ist, dass der Fachhandwerker einen Sachkundenachweis (in der Branche oft als „Kälteschein“ bezeichnet) und spezielles Werkzeug für ihre Installation benötigt. Nur mit dieser Zusatzausbildung darf er an einer Split-Wärmepumpe Arbeiten durchführen oder es muss als weiteres Gewerk der Kälteanlagen-Mechatroniker mit hinzugezogen werden. Für Arbeiten mit und an Kälteanlagen ist immer eine besondere Qualifikation erforderlich, da insbesondere wenig effiziente Kältemittel extrem umweltschädigende Eigenschaften haben.
Ebenfalls ungünstig ist, dass mit steigendem Abstand der Außeneinheit vom Haus die Kältemittelmenge im gesamten System zunimmt. Überschreitet das im Kältekreislauf vorhandene Kältemittel das CO2-Äquivalent von 5 t (10 t bei hermetisch geschlossenen Kältekreisen), ist zum Schutz der Umwelt eine jährliche Dichtigkeitsprüfung vorgeschrieben.
Luft / Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise zur Innenaufstellung
Moderne und effiziente Wärmepumpen werden mit natürlichen Kältemitteln bzw. Kältemitteln mit einem sehr niedrigen GWP (Global Warming Potential = Umwelteinwirkung auf die Erderwärmung) betrieben. Der Nachteil dieser Kältemittel ist, dass sie schwerer als Luft und fließfähig wie Wasser sind. Sie dürfen daher ab bestimmten Mengen nicht in innerhalb von Gebäuden aufgestellten Wärmepumpen und Kälteanlagen eingesetzt werden. Aus diesem Grund werden bei Wärmepumpen zur Innenaufstellung herkömmliche Kältemittel verwendet.
Soll eine solche Wärmepumpe dennoch installiert werden, sollte man einen erhöhten Platzbedarf berücksichtigen, eine nicht unerhebliche Geräuschentwicklung im Gebäude einkalkulieren sowie die Herstellerangaben zum Wirkungsgrad vergleichen.
Die gesamte Technik ist kompakt in einem Gerät vereint. Als Wärmequelle dient die Außenluft der direkten Umgebung. Die Zu- und Abluft strömt durch oberirdische Mauerdurchbrüche mit einem Durchmesser von rund 50 cm in den Aufstellraum. Pro Kilowatt Wärmepumpenleistung benötigen derartige Geräte ca. 300 m³ Luftvolumen, bei 10 kW sind es bereits 3000 m³/h. Mit zunehmender Leistung vergrößert sich entsprechend der Durchmesser der Mauerdurchbrüche.
Energiequelle erd- bzw. wassergekoppelt
Die Wärmeenergiegewinnung aus dem Erdreich oder dem Grundwasser ist gegenüber der Energiequelle Umgebungsluft etwas effizienter, da im Erdreich sowie im Grundwasser über das Jahr hinweg betrachtet relativ konstante Temperaturen vorherrschen. Im Winter hat das den Vorteil, dass die Temperaturdifferenz von der Energiequelle zur Vorlauftemperatur kleiner ist als bei einer Luft / Wasser-Wärmepumpe. Nachteilig ist die generell aufwendige und teure Technik zur Erschließung der Wärmequelle sowie der erhöhte Platzbedarf im Gebäude.
Bei der Erdwärmenutzung unterscheidet man vertikale Erdwärmesonden, auch Sondenfeld oder Erdregister genannt (Tiefenbohrung von 50…100 m) und horizontale Erdwärmekollektoren (oberflächennahe, waagerechte Verlegung im frostfreien Bodenhorizont). Die Anzahl der Erdsonden und ihre Bohrtiefe bzw. die Größe der Erdkollektoren hängen von der Heizlast des Gebäudes sowie dem geologischen Bodenaufbau (Regenwasserdurchlässigkeit) ab.
Erdarbeiten in der Fläche sind meist nicht günstiger als eine Tiefenbohrung und benötigen viel Platz auf dem Grundstück, da sie frostgeschützt im Erdreich in einer Tiefe von etwa 1,5 m verlegt werden. Die Fläche darf weder versiegelt, überbaut noch mit Tiefwurzlern bepflanzt werden. Erdverlegte Kollektoren und Sonden müssen sorgfältig geplant werden, um durch den Wärmeentzug ein dauerhaftes Einfrieren des Untergrundes („Permafrost“) zu verhindern.
In der Regel ist für Brunnen- oder Tiefenbohrungen eine Genehmigung nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) erforderlich. Zuständig dafür ist die Untere Wasserbehörde der einzelnen Bundesländer, jedoch sind die Vorgaben und Voraussetzungen für eine Genehmigung Ländersache und nicht einheitlich geregelt. Bereits in der Planungsphase sollte man sich daher zuerst beim zuständigen Bauamt über die Formalitäten informieren.
Zur Nutzung von erd- bzw. wassergekoppelter Wärme als Energiequelle haben sich drei Techniken durchgesetzt.
Sole / Wasser-Wärmepumpen mit Sonden
Für Erdwärmesonden werden Kunststoffrohre in ein vertikal oder schräg verlaufendes Bohrloch eingebracht. Die Temperatur des Erdreiches ab 10 m Tiefe liegt ganzjährig konstant bei etwa 10 °C. Daher arbeitet eine Wärmpumpe mit Erdsonden das ganze Jahr über mit der gleichen „Außentemperatur“ bzw. Wärmemenge.
Nachteil bei einer Tiefenbohrung: Die Geothermie-Nutzung ist aus Sicherheitsgründen nicht überall in Deutschland erlaubt und außerdem immer genehmigungspflichtig. Zusätzlich ist ein Gutachten über Bodenqualität, -beschaffenheit und -ergiebigkeit von einem unabhängigen Sachverständigen erforderlich.
Sole / Wasser-Wärmepumpen mit Kollektoren
Werden Kollektoren in ein Grundstück eingebaut, geschieht dies entweder durch das Ziehen von rund 150 cm tiefen und 70 cm breiten Gräben oder indem das gesamte Grundstück bis in diese Tiefe ausgebaggert wird und dann horizontal Kunststoffrohre eingebaut werden. Platzsparender ist eine übereinander angeordnete Einbringung – damit steigt jedoch der Aufwand für die Erdarbeiten.
Nach Tabellen des Bundesverbandes Wärmepumpe (BWP) entzieht ein horizontaler Flächenkollektor mit einer Rohrnennweite von 25 mm und einem Verlege-Abstand von 60 cm einem Lehmboden etwa 25 W/m2. Bei einer Heizlast von 25 kW wird somit eine Fläche von 800 m2 benötigt.
Für Erdwärmepumpen mit Flach-, Flächen- oder Ringgrabenkollektoren, die keinen Kontakt zum Grundwasser haben und nicht in einem Wasserschutzgebiet liegen, ist in der Regel keine Genehmigung der Unteren Wasserbehörde erforderlich, wenn 5 m Einbautiefe eingehalten werden.
Wasser / Wasser-Wärmepumpen
Als Wärmequelle kommen das Grundwasser, aber auch Kühlwasser aus Industrieprozessen oder Wasser aus Oberflächengewässern in Frage. Eine weitere Form nutzt die Wärmeenergie des Abwassers im städtischen oder industriellen Kanalsystem.
Grundwasser hat ganzjährig eine konstante Temperatur zwischen 8 und 12 °C. Daher ist eine Wasser / Wasser-Wärmepumpe besonders für höhere Heizlasten geeignet.
In der Regel sind je nach Grundwasserstand genehmigungspflichtige tiefe Bohrungen zwischen 10 und 20 m erforderlich, die Bohrtiefe für die Brunnen kann aber auch bis zu 50 m betragen. Zum Betrieb der Wärmepumpe wird ein offenes System aus einem Förder- und einem Schluckbrunnen benötigt. Der Förderbrunnen pumpt das Grundwasser zur Wärmepumpe, über den Schluckbrunnen fließt es abgekühlt wieder zurück in den Grundwasserleiter.
Fazit
Die zahlreichen Vorteile von Luft / Wasser-Wärmepumpen haben dazu geführt, dass dieser Markt deutlich schneller wächst als der von erdgekoppelten Systemen. 2022 betrug der Marktanteil von Luft/Wasser-Wärmepumpen in Deutschland 87 Prozent. Von diesen insgesamt 205 000 Wärmepumpen wurden rund 140 000 Monoblock-Geräte eingebaut.
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise wie der Typ CHA von Wolf ist nicht nur schnell und einfach installiert, sondern kommt zusätzlich mit nur wenig Erdarbeiten aus. Sie ist zudem genehmigungsfrei. Ihr im Vergleich zu erdgekoppelten Systemen etwas geringerer Wirkungsgrad wird wirtschaftlich durch die deutlich niedrigeren Installationskosten aufgefangen.r
Bild: Wolf/Richert
