Wärmequellen - Energie aus der Natur

Im folgenden werden die verschiedenen Wärmequellen für Wärmepumpen näher erläutert.

Erdwärme

Die Wärmequellen der Erdwärme können an der Oberfläche in 1 bis 2 m Tiefe durch die horizontale Verlegung der Wärmetauscherrohre oder durch vertikale Erdsonden bis in ca. 100 m Tiefe genutzt werden.

Das Erdreich wird bis ca. 30-70 cm Tiefe durch die wechselnde Lufttemperatur beeinflusst und bis ca. 10-20 m durch Jahresschwankungen der Lufttemperatur. Ohne diese Einflüsse würde jeder Standort eine Jahresmitteltemperatur haben, die Temperatur würde mit zunehmender Tiefe um ca. 3 °C pro 100 m ansteigen. Die Stärke des Temperatureinflusses hängt deshalb von der Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Standortes, von Boden- und Gesteinsart, von der Feuchte, der Homogenität und von Höhenlage, Neigung, Himmelsrichtung und weiteren Faktoren ab.

Die benötigte Fläche für die Wärmequellen liegt in der Regel beim ein- bis zweifachen der Nutzfläche, die beheizt werden soll. Der Wärmebedarf der Nutzfläche schwankt in der Regel zwischen 30 W/Quadratmeter bei einem Niedrigenergiehaus und 80 W/Quadratmeter bei einem Altbau mit Wärmedämmung.

Flächenkollektoren

Flächenkollektoren haben den Vorteil, dass sie unkompliziert und preiswert in der Herstellung sind. Allerdings benötigen Flächenkollektoren eine große Fläche. Bei diesem Verfahren wird die gespeicherte Solarwärme über ein Rohrsystem in der Erde gewonnen. Bei einer zu geringen Kollektorfläche kann die Arbeitszahl kleiner werden. Damit nimmt der "Umweltanteil" der gewonnenen Energie ab und der Stromanteil an der Wärme nimmt zu. Bei der Warmwasserbereitung mit einer Heizungswärmepumpe besteht eine weitere Gefahr: Der Boden kann sich im Sommer nicht mehr ausreichend regenerieren und hat ein schlechteres Pflanzenwachstum und weniger Energieausbeute zur Folge. Auch eine nachträgliche Überbauung der Kollektorfläche und zu geringe Abstände zu Kanal- oder Wasserleitungen mindern die Vorteile dieser Wärmegewinnung.

Bei horizontalen Erdrohren sind Leistungen zwischen 10-40 W/Quadratmeter zu erwarten. Die horizontalen Rohre werden in einer Tiefe von 130-200 cm und in einem Abstand von etwa 50 Zentimeter verlegt. Die benötigte Fläche der Wärmequellen ergibt sich aus der Größe der zu beheizenden Nutzfläche, dem Wärmebedarf der Nutzfläche, der Wärmeentzugsleistung der Wärmequellen sowie der Leistungszahl der Wärmepumpe.

Tiefenbohrung

Die Verfahren der Tiefenbohrung sind zwar auch auf kleinsten Flächen anwendbar, doch sind sie als Wärmequellen verhältnismäßig teuer. Oft wird Tiefenbohrung als Alternative eingesetzt, wenn die Grundfläche für Flächenkollektoren nicht ausreicht. So genannte Entzugsrohre werden bei der Tiefenbohrungen bis in 150 Meter Tiefe gelegt. Je nach Boden lassen sich pro Bohrmeter rund 70 W Heizleistung erzielen. Voraussetzung für die Bohrung ist eine Zufahrtsmöglichkeit für LKW.

Erdsonden werden in der Regel bis zu 100 m Tiefe installiert, am häufigsten zwischen 40 und 50 Meter. Als Material dient vielfach HDPE (High Density Polyethylen), als Kreislaufflüssigkeit oft Wasser mit Frostschutzmittel (Sole). Stahlrohre sind kaum geeignet, da sie anfällig für Korrosion sind und sich dies auf die Lebensdauer der Anlage auswirken kann. Das Bohrloch wird mit plastischen Stoffen wie Ton oder Tongemische verfüllt, um den Kontakt zwischen Sonde und Erdreich sicherzustellen und die verschiedenen Tiefenhorizonte bzw. Grundwasserleiter des Erdreichs gegeneinander abzudichten. Das Wasserwirtschaftsamt erteilt die Genehmigung für Erdsonden bis zu einer Tiefe von 100 m, das Bergamt ist ab 100 m zuständig. In Wasserschutzzonen (I und II) sind Erdsonden untersagt.

Die Wärmeentzugsleistung ist von einer Reihe von Faktoren abhängig: von der Wärmeleitfähigkeit des Gesteins und des Bodens sowie der Zahl der Betriebsstunden, des plastischen Verfüllmaterials, der Erdsondengeometrie, des Temperaturgradienten etc.. Die Wärmeleitfähigkeit kann bei verschiedenen Materialien stark schwanken: Während sie bei trockenem Sand 0,3 W/m*K beträgt, kann sie bei nassem Lehm bis über 2,0 W/m*K ausmachen und bei gesättigtem Sand sogar bis über 5 W/m*K. Die Wärmekapazität liegt entsprechend von 1,3*106*W*s/(m3*K) bei trockenem Sand bis über 3,0*106*W*s/(m3*K) bei nassem Lehm.

Nach VDI-Richtlinie und zugrunde liegenden 1800 Betriebsstunden pro Jahr ist mit durchschnittlichen Wärmeentzugsleistungen von etwa 50 W/m Sondenlänge bei Erdwärmesonden zu rechnen. Festgestein mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit und ein Untergrund mit hohem Grundwasserfluss haben deutlich höhere Entzugsleistungen.

Grundwasser

Mit der Wärmequelle Grundwasser lassen sich in der Regel gute Arbeitszahlen erreichen, jedoch erfordert diese Methode eine wasserrechtliche Bewilligung, die meist befristet erteilt wird. Eine weitere Voraussetzung ist natürlich eine ausreichende Wassermenge, für ein Einfamilienhaus sollte eine Entnahme von mindestens zwei Kubikmeter Grundwasser pro Stunde möglich sein. Im Normalfall sind ein Entnahme- und ein Schluckbrunnen zu errichten. Grundwasser ist die Wärmequelle mit dem höchsten Temperaturniveau.

Außenluft

Wenngleich sich Wärmepumpen-Anlagen mit der Wärmequelle Außenluft vergleichsweise günstig herstellen lassen, so ist doch deren Arbeitszahl niedriger. Die Luft wird bei diesem Verfahren mit einem Ventilator über den Verdampfer geführt. Unter allen Wärmequellen lassen sich bei der Außenluft die geringsten Arbeitszahlen erzielen.

Massiv-Absorber

Massiv-Absorber als Wärmequellen nehmen sowohl die Wärme der umgebenden Atmosphäre als auch direkte Sonneneinstrahlung auf und speichern sie. Massiv-Absorber aus Beton können doppelt genutzt werden, konstruktiv und energetisch z.B. bei Garagen, Stützmauern, Balkonen oder Fassaden. Beton ist auch für den monovalenten Betrieb ausreichend und hat eine Wärmekapazität von ca. 2.400 kJ/m3K. Besonders günstig ist die Bauform eines Massiv-Absorbers mit luftgekoppeltem und erdgekoppeltem Anteil: Der luftgekoppelte Anteil ist zu schneller Wiederaufnahme von Wärmeenergie aus der Umgebung fähig und der erdgekoppelte Anteil wirkt vergleichmäßigend auf die Soletemperatur. Massiv-Absorber sind als Wärmequellen relativ genau kalkulierbar und erreichen Jahresarbeitszahlen von >3.