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Erdwärme Wärmepumpe - Prinzip der Wärmepumpen über Strom oder Gas mit Grundwasser, Luft, Wasser, Sole, Erdsonde und Wärmetauscher
Eine Heizung mit Waermepumpe auch für den Altbau mit Fußbodenheizung im Haus

Wärmepumpen und Kältemaschinen unterscheiden sich nicht in ihrem Aufbau. Das Prinzip ist aber, dass bei der Wärmepumpe die Wärmeleistung des Kondensators und bei der Kältemaschine die Kühlleistung des Verdampfers genutzt wird.
Der Vorteil des Prinzip der elektrischen Wärmepumpe gegenüber der herkömmlichen Heizungsanlage ist, dass bei der Anlage mit Wärmepumpe je 1 kW elektrischer Motorleistung eine Wärmelieferung von 3 bis 4 kW erzielt wird, bei der herkömmlichen Heizungsanlage für 1 kW Kesselleistung aber nur maximal 1 kW Wärme abgegeben werden kann. Wärmepumpen mit Gas statt Strom zu betreiben ist im Prinzip auch möglich, technisch aber zu umständlich und wird daher kaum genutzt.
Der Strom wird bei der Wärmepumpe nur für den Kompressor zum verdichten für die Temperaturerhöhung des Wärmeträgers verwendet, sowie für die Förderpumpen.
Wärmepumpen eignen sich als monovalente Anlagen (ohne zusätzlichen Heizkessel) vor allem für Heizungsanlagen mit niedrigen Vorlauftemperaturen wie bei der Fußbodenheizung oder wie in gut wärmegedämmten Energiesparhäusern. Bei höherem oder hohem Wärmebedarf im Haus, wie bei einem Altbau, ist eine bivalente Anlage mit Wärmepumpe und mit zusätzlichem Heizkessel für die Bedarfsspitzen im Winter empfehlenswert.

Die Wirtschaftlichkeit einer Wärmepumpen Anlage wird größtenteils bestimmt durch die Wärmequelle. Dabei gibt es verschiedenen Möglichkeiten, wie Grundwasser, Oberflächenwasser, Luft, Erdreichwärme oder Umwelt wie die Sonne. Grundwasser ist dabei wohl die am besten geeignete Wärmequelle für die Wärmepumpe, da es eine durchgängig gleichmäßige Temperatur von 8 bis 10°C über das Jahr aufweist. Mit dieser Temperatur kann man den Heizbedarf über den gesamten Winter abdecken, wenn das Haus entweder ein Neubau ist oder zumindest der Wärmeschutzverordnung von 1995 entspricht und damit niedrigere Heizungs-Vorlauftemperaturen möglich sind. Bei diesen Wärmepumpen Anlagen müssen zwei Brunnen gebohrt werden: ein Förderbrunnen, Saugbrunnen, aus welchem die Wärmequelle für die Wärmepumpe gefördert wird und ein zweiter Brunnen, Sickerbrunnen, in dem dann das 4 bis 5°C abgekühlte Wasser wieder in das Erdreich zurückgegeben wird. Der Abstand des Sickerbrunnen sollte vom Saugbrunnen ungefähr 15 bis 20m in Fließrichtung des Grundwassers entfernt sein. Die Heizleistung beträgt pro Kubikmeter Grundwasser 6-7 kW. Die überwiegende Mehrzahl der Wärmepumpen Anlagen werden so betrieben. Mit Probebohrungen muss meistens vorher geklärt werden, ob eine ökonomisch vertretbare Tiefe vorhanden ist und die Bohrung selbst nicht durch Felsgestein zu teuer wird. Es sind diverse Genehmigungen notwendig, die örtlich unterschiedlich sind.
Oberflächenwasser ist für den Wärmepumpen Betrieb ungünstig, da es an kalten Tagen einfrieren kann und deshalb oft ein zusätzlicher Heizkessel mit Öl, Gas etc. notwendig ist.
Außenluft wäre eigentlich für die Wärmepumpe eine gute Wärmequelle, da sie einfach nutzbar ist, ohne das Bohrungen und Genehmigungen notwendig wären. Aber je kälter die Außenluft im Winter wird, um so mehr Heizenergie muss die Wärmepumpen Anlage für das Haus liefern. Das bedeutet aber technisch gesehen zum Beispiel, das der Verdichter in der Wärmepumpen Anlage bei einer Lufttemperatur von -15°C gegenüber einer Lufttemperatur von +5°C um das 5-fache größer sein muss, um die gleiche Heizleistung zu erzielen. Dazu sind aber die Investitionskosten und der Stromverbrauch zu hoch.
Erdreich als Wärmequelle ist eine fast unerschöpfliche Wärmequelle und auch immer vorhanden. Die Wärmegewinnung für die Wärmepumpe erfolgt über Erdsonden oder Erdkollektoren mit Rohrschlangen oder Rohrregister, die in das Erdreich ca. 1-2m oder tiefer eingelassen werden und mit Wasser oder Sole gefüllt sind. Je tiefer desto besser, da sich das Erdreich im Winter bei sehr niedrigen Außentemperaturen auch in tiefere Regionen abkühlt oder gar gefriert, was die Wirkung der Wärmepumpen erheblich beeinträchtigen kann (aber auch die Investitionskosten (durch die Tiefbauarbeiten) steigen lässt). Die Konsistenz des Erdreich ist auch wichtig. Lehmige Böden sind besser als Sand oder Kies, da sie eine höhere Wärmespeicherfähigkeit aufweisen. Bei einem Gebäude-Wärmebedarf von 70W/m2 benötigt man bei einem monovalenten Betrieb, ohne zusätzl. Heizkessel, ungefähr pro Quadratmeter Wohnfläche 2 m2 Erdreichfläche. Bei bivalenten Betrieb mit Waermepumpe ist diese Erdfläche um so kleiner, je größer der zusätzliche Heizkessel ist.
Die Umwelt ist auch eine interessante Wärmequelle für die Waermepumpe, da sie überall vorhanden ist. Wenn aber zum Beispiel über Sonnenkollektoren auf dem Dach oder an der Fassade im Winter Wärme an die Wärmepumpen Anlage geliefert werden soll, ist dies in deutschen Breitengraden nur als bivalente Anlage mit Wärmepumpe und mit zusätzl. Heizkessel möglich, da die Sonnendauer und Sonnenintensität im Winter sehr niedrig ist.

Wichtig für den ökonomischen Betrieb einer Wärmepumpen -Anlage ist die Jahresarbeitszahl, eine mittlere Leistungszahl über die Betriebsperiode. Diese Zahl besagt, wie hoch ist der Energieverbrauch der mit Strom betriebenen Wärmepumpen Anlage gegenüber den Betriebskosten einer konventionellen Heizungsanlage mit Öl, Gas oder anderen Energieträgern. Dafür gibt es Tabellen mit der notwendigen Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe mit Strom im Vergleich zu Heizungsanlagen mit anderen Energieträgern. Anhand dieser Angaben muss dann im Einzelfall entschieden werden, ob die mit Strom betriebene Wärmepumpen Anlage ökonomisch sinnvoller ist als eine herkömmliche Heizung, z.B. Brennwert - Heizung, Niedertemperatur - Heizung.




Bild: Links - Wärmepumpe mit Saugbrunnen und Sickerbrunnen.  Rechts - Wärmepumpe mit Erdsonde, ähnlich dem Erdkollektor, für Erdwärme im Erdreich.


Bilderklärung - Prinzip der Wärmepumpen für eine monovalente Heizung:
Wärmepumpen Anlage mit Grundwasser
1: Das über den Saugbrunnen (1) angezapfte Grundwasser (ca. 10°C) wird über eine Saugrohrleitung in die Wärmepumpen Anlage (2) gefördert.
2: Im Verdichter der Wärmepumpen Anlage wird durch mehr Druck die Temperatur des Wassers erhöht, um dann über einen Wärmetauscher das Heizungswasser der Heizung im Haus damit zu erwärmen und z.B. die Fußbodenheizung zu betreiben.
3: Nach dem Wärmetauscher wird das Wasser wieder entspannt (Druck wird wieder niedriger) und um ca. 5°C abgekühlt wieder über den Sickerbrunnen dem Erdreich zugeführt, damit der Grundwasserspiegel konstant bleibt.
Wärmepumpen Anlage mit Erdsonde
4: Eine in die Erde eingelassene Erdsonde (6) fungiert wie ein Wärmetauscher, indem die in der Sonde verlaufende Rohrleitung (4) (Wasser, Sole) die Erdwärme (8-10°C) aufnimmt und zur Wärmepumpen Anlage (5) transportiert.
5: In der Wärmepumpen Anlage wird das Wasser oder die Sole noch einmal verdichtet, um eine höhere Temperatur zu erreichen und über einen Wärmetauscher der Heizung, z.B. Fußbodenheizung, zuzuführen.
6: Das abgekühlte Wasser oder die abgekühlte Sole wird wieder zur Erdsonde (6) transportiert, um erneut Erdwärme aus dem Erdreich aufzunehmen.

Die Erklärungen auf dieser Seite von Gas-Strom-Waermepumpe.de sollen Ihnen einen kurzen Überblick über Wärmepumpen vermitteln, um eine erste Information zu erhalten. Die Wärmepumpen Anlage ist übrigens auch nachrüstbar im Altbau. Die Planung und Bauausführung von solchen Anlagen mit Waermepumpe sollten aber immer Fachplanern und Fachfirmen übertragen werden.


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