Grundlagen: Wärmequellen für Wärmepumpen 

• System 1: Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle
• System 2: Erd- oder wassergekoppelte Wärmepumpen
• System 3: Wasser/Wasser-Wärmepumpen

Wenn sich Bauherren oder Heizungsmodernisierer für eine neue Heizung auf Basis einer Wärmepumpe entschieden haben, eröffnet sich ihnen ein weites Feld verschiedener Wärmepumpen-Technologien. Deren wesentlichen Unterschiede ergeben sich aus der Wahl der Umweltwärmequelle. Die meisten Wärmepumpen nutzen als Energiequelle entweder die Umgebungsluft oder sie sind erdgekoppelt (Erde und Grundwasser). Dabei führen die Wahl der Wärmequelle und die Platzverhältnisse im und um das zu beheizende Gebäude herum zu unterschiedlichen Lösungen, die nachfolgend beschrieben werden.

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System 1: Wärmepumpen mit Luft als Wärmequelle

Zur Nutzung der Wärmequelle Luft gibt es drei unterschiedliche Technologien:

Variante 1: Luft/Wasser-Wärmepumpen in Monoblockbauweise mit Kältekreis im Außengerät

Bei dieser Bauart (Abbildung 2) befinden sich der Kältekreislauf und alle zentralen Komponenten der Wärmepumpe in einem geschlossenen System in der Außeneinheit. Diese ist bereits vom Hersteller mit Kältemittel befüllt und abgedrückt. Sie kommt daher druck- und dichtheitsgeprüft auf die Baustelle. Ein weiterer Vorteil ist der geringere Platzbedarf im Haus. Die von der Wärmepumpe erzeugte Wärmeenergie wird über gedämmte, wasserführende Leitungen von der Außeneinheit ins Haus geführt. Um dabei die Wärmeverluste gering zu halten, sollten die Leitungen von der Außen- zur Inneneinheit im Haus möglichst kurz sein. Allerdings können auch bis zu 30 m lange Leitungen im Erdreich unterhalb der Frostgrenze verlegt werden. Die Installation und Inbetriebnahme der Wärmepumpe ist einfach, da keine Arbeiten am Kältekreislauf erforderlich sind, sondern lediglich an der hydraulischen Anlage. Weder eine regelmäßige Überprüfung auf Kältemittel-Leckagen (meist geringe Füllmengen) noch ein Sachkundenachweis zur Installation sind erforderlich. Der Eingriff in die Gebäudehülle ist aufgrund des Durchmessers der gedämmten Leitungen etwas größer als bei den nachfolgend beschriebenen Split-Geräten.

Variante 2: Luft/Wasser-Wärmepumpe in Split-Bauweise mit Kältemittelkreislauf zwischen Innen- und Außeneinheit

Bei Luft/Wasser-Wärmepumpen in Split-Bauweise (Abbildung 3) fließt zwischen der Innen- und der Außeneinheit das Kältemittel in dünnen Kältemittelleitungen. Daher befindet sich auch im Gebäude Kältemittel, das bei Undichtigkeiten ins Gebäude gelangen kann. Während bisher für Split-Wärmepumpen meist ungefährliche Kältemittel eingesetzt wurden, die aber ein hohes Treibhauspotenzial aufweisen, geht aus Gründen des Umweltschutzes der Trend zu Substanzen mit geringen Treibhauspotenzialen. Diese sind allerdings meist entflammbar oder brennbar. Zur Installation von Split-Systemen benötigen Fachhandwerker einen Sachkundenachweis (in der Branche oft als „Kälteschein“ bezeichnet) und spezielles Werkzeug. Nur mit dieser Zusatzausbildung darf ein nicht speziell geschulter Monteur an einer Split-Wärmepumpe Arbeiten durchführen oder es muss als weiteres Gewerk der Kälteanlagen-Mechatroniker mit hinzugezogen werden. Ungünstig ist, dass mit steigendem Abstand der Außeneinheit zum Innengerät im Haus die Kältemittelmenge im gesamten System zunimmt. Überschreitet das im gesamten Kältekreislauf vorhandene Kältemittel das CO2-Äquivalent von 5 t (10 t bei hermetisch geschlossenen Kältekreisen), ist zum Schutz der Umwelt eine jährliche Dichtigkeitsprüfung vorgeschrieben. Dieses CO2-Äquivalent von 5 t ist zum Beispiel bei der Verwendung von R410A bei knapp 2,4 kg und bei R32 bei etwa 7,4 kg Füllmenge erreicht.

Variante 3: Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise zur Innenaufstellung

Bei dieser Wärmepumpenausführung (Abbildung 4) ist die gesamte Technik kompakt in einem Gerät vereint, das im Gebäude installiert wird. Als Wärmequelle dient Außenluft. Die ins Gerät angesaugte Außenluft und die abzuführende Abluft strömen durch oberirdische Mauerdurchbrüche mit einem Durchmesser von rund 50 cm in den Aufstellraum. Pro kW Wärmepumpenleistung benötigen derartige Geräte etwa 300 m³/h Luftvolumenstrom, bei zehn kW sind das bereits 3.000 m³/h. Mit zunehmender Leistung vergrößern sich entsprechend die Durchmesser der Mauerdurchbrüche.
Auch bei diesen Modellen befindet sich das Kältemittel ausschließlich im Gebäude. Moderne und effiziente Wärmepumpen werden mit natürlichen Kältemitteln oder Kältemitteln mit sehr niedrigen GWP-Werten (Global Warming Potential = Umwelteinwirkung auf die Erderwärmung) in hermetisch dichten Kältekreisläufen betrieben. Der Nachteil dieser Kältemittel ist, dass sie schwerer als Luft, entflamm- oder brennbar und fließfähig wie Wasser sind. Sie dürfen daher ab bestimmten Mengen (ohne ergänzende technische Sicherheitsmaßnahmen) nicht in innerhalb von Gebäuden aufgestellten Wärmepumpen und Kälteanlagen eingesetzt werden. Aus diesem Grund werden bei Wärmepumpen zur Innenaufstellung meist noch herkömmliche, nicht entflamm- oder brennbare Sicherheitskältemittel verwendet. Möchten sich Hauseigentümer eine solche Wärmepumpe anschaffen, sollten sie deren erhöhten Platzbedarf berücksichtigen, eine nicht unerhebliche Geräuschentwicklung im Gebäude einkalkulieren sowie die Herstellerangaben zum Wirkungsgrad und zu den Arbeitszahlen vergleichen.

System 2: Erd- oder wassergekoppelte Wärmepumpen

Der Wärmeentzug aus dem Erdreich oder aus dem Grundwasser ist gegenüber der Energiequelle Umgebungsluft effizienter, da im Erdreich und im Grundwasser über das Jahr hinweg betrachtet relativ konstante Temperaturen vorliegen. Im Winter bei niedrigen Außentemperaturen hat das den Vorteil, dass die Temperaturdifferenz von der Energiequelle zur von der Wärmepumpe zu erzeugenden Heiz-Vorlauftemperatur geringer 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.
Die Erdwärmenutzung unterscheidet in vertikale Erdwärmesonden, auch Sondenfeld oder Erdregister genannt (Tiefenbohrung 50 bis 100 m), und horizontale Erdwärmekollektoren (oberflächennahe, waagerechte Verlegung im frostfreien Bodenhorizont). Die Anzahl der Erdsonden und ihre Bohrtiefe sowie die Größe der Erdkollektoren hängen von der Heizlast des Gebäudes sowie dem geologischen Bodenaufbau (Regenwasserdurchlässigkeit) ab.
Erdarbeiten in der Fläche sind bei horizontalen Kollektoren 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 sind für Brunnen- oder Tiefenbohrungen Genehmigungen nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) erforderlich. Zuständig dafür sind die Unteren Wasserbehörden der einzelnen Bundesländer, jedoch sind die Vorgaben und Voraussetzungen für eine Genehmigung Ländersache und nicht einheitlich geregelt. Bereits in der Planungsphase sollten sich daher Bauherren zuerst bei ihrem zuständigen Bauamt über die Formalitäten informieren. Zur Nutzung von erd- oder wassergekoppelter Wärme als Energiequelle stehen folgende drei Technologien zur Verfügung.

Variante 1: Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Sonden

Für Erdwärmesonden (Abbildung 5) werden Kunststoffrohre in ein vertikal oder schräg verlaufendes Bohrloch eingebracht. Die Temperatur des Erdreiches ab 10 m Tiefe beträgt ganzjährig konstant etwa 10 °C. Daher arbeitet eine Wärmpumpe mit Erdsonden das ganze Jahr über mit etwa der gleichen Wärmequellentemperatur und Wärmemenge. Nachteil bei einer Tiefenbohrung: Die Geothermienutzung 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.

Variante 2: Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Kollektoren

Werden Kollektoren für eine Wärmepumpe verbaut (Abbildung 6), 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 der Rohre, damit steigt jedoch der Aufwand für die Erdarbeiten. Nach Tabellen des Bundesverbands Wärmepumpe (BWP) entzieht ein horizontaler Flächenkollektor mit einer Rohrnennweite von 25 mm und einem Verlegeabstand von 60 cm einem Lehmboden etwa 25 W/m². Für einen Wärmebedarf von 25 kW ergibt sich so eine Fläche von rund 800 m². 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 eine Einbautiefe bis 5 m eingehalten wird.

System 3: Wasser/Wasser-Wärmepumpen

Als Wärmequelle für diese Systeme kommen das Grundwasser, aber auch Kühlwasser aus Industrieprozessen oder Wasser aus Oberflächengewässern in Frage (Abbildung 7). Eine weitere Bauart 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 saugt das Grundwasser zur Wärmepumpe. Dort wird dem Wasser Wärme entzogen, und über den Schluckbrunnen fließt es abgekühlt wieder zurück in den Grundwasserleiter.

Fazit

Die zahlreichen Vorteile von Luft/Wasser-Wärmepumpen haben dazu geführt, dass der Markt für diese Geräte deutlich schneller wächst als der von erdgekoppelten Systemen.

2021 betrug der Marktanteil von Luft/Wasser-Wärmepumpen in Deutschland 82 %. Von diesen insgesamt 127.000 Wärmepumpen wurden rund 83.500 Monoblock-Geräte eingebaut.
Eine Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise ist nicht nur schnell und vergleichsweise einfach installiert, sondern kommt zusätzlich mit nur wenig Erdarbeiten aus. Sie ist zudem genehmigungsfrei. Ihr im Vergleich zu Systemen mit den Wärmequellen Erdreich oder Grundwasser geringerer Wirkungsgrad wird wirtschaftlich durch die deutlich niedrigeren Installationskosten aufgefangen.

Der Autor Frank Richert ist Energieberater und Manager Normen und Verbändearbeit bei der Wolf GmbH, Mainburg. Der Beitrag wurde von der Redaktion von cci Wissensportal inhaltlich überarbeitet und ergänzt (zum Beispiel um die Schema-Abbildungen des Bundesverbands Wärmepumpe).

Wichtige Beiträge zu technischen Regeln für Wärmepumpen in cci Wissensportal

Zu folgenden technischen Regeln gibt es Zusammenfassungen in cci Wissensportal (Artikelnummer ins Suchfeld eingeben):

• VDI 4640 Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrunds – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen (Artikelnummer cci78603)
• VDI 4650 Blatt 1 „Berechnung der Jahresarbeitszahl von Wärmepumpenanlagen – Elektrowärmepumpen zur Raumheizung und Trinkwassererwärmung (Artikelnummer cci76395)
• BWP-Leitfaden „Außenaufstellung von Wärmepumpen mit brennbaren Kältemitteln“ (Artikelnummer cci135611) Zum Stichwort „Wärmepumpe“ enthält cci Wissensportal weit über 1.000 Beiträge.

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