Erd-Wärmepumpen
Auswahl und Planung
Unbestritten sind nach wie vor Wärmepumpen, die das Grundwasser oder Erdreich als Energiequelle nutzen, die Systeme mit der höchsten Effizienz innerhalb dieser Produktgruppe. Doch genau wie bei Wärmepumpen, die auf den Energieträger Luft setzen, bildet eine exakte Planung und Installation das Fundament, um dauerhaft eine hohe Wirtschaftlichkeit erreichen zu können. Welche Eckpunkte muss das SHK-Fachhandwerk hierfür – gerade auch im Baubestand – beachten?
Eine Wärmepumpenanlage besteht aus drei Hauptkomponenten. Um einen wirtschaftlichen und störungsfreien Betrieb zu gewährleisten, müssen alle drei Teile optimal aufeinander abgestimmt sein. Teil 1 ist die Anlage zur Erschließung der Wärmequelle. Dafür kann das Grundwasser, das Erdreich oder die Umgebungswärme genutzt werden. Für diesen Beitrag sollen ausschließlich das Grundwasser und das Erdreich im Mittelpunkt stehen.
Die 2. Komponente ist die Wärmepumpe, die dafür sorgt, dass die in der Wärmequellenanlage gewonnene Energie auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben wird. Unterschieden werden Wärmepumpen nach der Art der Wärmequelle (Wasser, Sole, Luft) und der Wärmeabgabe an den Raum (Wasser, Luft). Die Wärmenutzungsanlage – idealerweise eine Flächenheizung – schließlich gibt die Wärmeenergie an den Raum ab.
In der Planung einer Anlage für die Nutzung der Energie aus dem Grundwasser oder dem Erdreich erfolgt zunächst die Ermittlung der Normheizlast nach DIN EN 12 831. Anschließend wird der Warmwasserbedarf nach DIN 4708 und DIN EN 15 450 festgelegt. Daraufhin kann bereits eine Wärmepumpe ausgewählt werden. Nach Ermittlung der eventuell erforderlichen Zuschläge durch z. B. Sperrzeiten des Stromversorgers erfolgt die Festlegung der Heizflächentemperatur und die Wahl der Wärmequelle sowie abschließend die Wahl des Hydrauliksystems.
In der Praxis erfolgt die Auswahl sowohl der Wärmepumpenanlage als auch der Energiequelle jedoch häufig nicht anhand der tatsächlich erforderlichen Parameter, sondern auf der Grundlage der vorhandenen Gegebenheiten und Wünsche der Endkunden.
Auswahl Wärmequellen
Gerade die Wahl der Wärmequelle ist einer der entscheidenden Faktoren, der über den wirtschaftlichen Betrieb entscheidet. Als ergiebigste und konstante Energiequelle hat sich das Grundwasser erwiesen, da hier relativ gleichmäßig ganzjährige Wassertemperaturen zwischen 8 und 10 °C vorliegen. Auch das Erdreich bietet ideale Voraussetzungen als Wärmequelle und mit den vier möglichen Alternativen Erd-, Kompakt- oder Grabenkollektor sowie Erdsonde vielfältige Möglichkeiten zur Erschließung. Die Nutzung der Wärmequelle Luft ist dagegen einfach. Gleichzeitig besitzt diese Wärmequelle aber auch die größten Temperaturschwankungen. Bei der Wärmequelle „Erdreich“ ist die Erdsonde insbesondere für kleine Grundstücksflächen geeignet, auf denen nicht genügend Raum für einen Erdkollektor zur Verfügung steht. Für ein typisches Einfamilienhaus mit 150 m² Wohnfläche und einem Heizleistungsbedarf von 9 kW wird eine Erdsonde von ca. 160 m (50 W/m) benötigt. Das Rohrsystem wird über Tiefenbohrungen vertikal in den Boden eingebracht. Die Sondenlänge kann auf mehrere Bohrungen aufgeteilt werden. Für die Ausführung der Arbeiten ist ein Bohrfachbetrieb erforderlich, der nach DVGW Arbeitsblatt W 120 qualifiziert sein sollte.
Kosten und Zeit sparen
Der Erdkollektor besteht aus einem Rohrsystem, das großflächig in einer Tiefe von ca. 120 bis 150 cm Tiefe verlegt wird. Diese Wärmequelle eignet sich insbesondere für Häuser mit einer großen Grundstücksfläche, weil für das o. g. Einfamilienhaus etwa 250 m² Fläche im Erdreich benötigt werden. Die richtige Dimensionierung des Erdkollektors ist für einen störungsfreien und effizienten Betrieb wichtig. Hierzu sind Faktoren wie z. B. die Bodenbeschaffenheit zu prüfen. Im Allgemeinen sind die Erstellungskosten günstiger als beim Einsatz einer Erdsonde. Praktisch durchführbar ist der Einsatz eines Erdkollektors meist nur im Neubau.
Eine interessante Alternative zum Standard-Erdkollektor bietet Vaillant (www.vaillant.de) mit dem Kompaktkollektor an. Er verbindet die Vorzüge der Wärmequelle Erdreich und die niedrigen Kosten mit einem geringeren Platzbedarf, sodass auch Häuser mit kleineren Grundstücken auf die Wärmequelle Erdreich zurückgreifen können. Der Kompaktkollektor besteht aus mehreren Kollektormatten, die in 120 bis 150 cm Tiefe horizontal in das Erdreich eingebracht werden. Über eine Verteiler/Sammler Kombination werden die Kollektormatten parallel verschaltet. Die Kosten im Vergleich zur Erdsonde oder auch dem gewöhnlichen Erdkollektor können nochmals reduziert werden. Darüber hinaus ist sogar eine eigene Einbringung und Umsetzung durch den Fachhandwerksbetrieb möglich.
„Viele Bauherren möchten Erdwärme für Heizung und Warmwasser nutzen“, so Andreas Christmann, Leiter Produkt und Marketing bei Vaillant Deutschland. „Unser Kapillarrohr-Kollektorensystem benötigt nur noch einen Bruchteil der bislang für einen Erdkollektor benötigten Fläche.“ Während das Verhältnis zwischen beheizter Fläche und Kollektorfläche normalerweise zwischen 2,5 und 3 liegt, gilt für den Kapillarrohrkollektor mit einem Rohrdurchmesser von 4,5 x 0,8 mm das Verhältnis 1:1,25 bis 1:1,5. Für das o. g. Standard-Einfamilienhaus werden dadurch nur noch ca. 120 m² Fläche benötigt – eine Flächenreduzierung von mehr als 50 %! Die Kollektormatten sind 600 cm lang sowie 1000 mm breit. Die Austauschfläche je Kollektor beträgt 8,142 m². Die Kollektormatten werden durch Muffenschweißen mit dem Vor-/Rücklauf verbunden.
Grundwasserqualität ist wichtig
Die ergiebigste Wärmequelle für Wärmepumpen ist das Grundwasser. Über einen Saugbrunnen wird es mithilfe einer Förderpumpe der Anlage direkt zugeführt und über einen Schluckbrunnen wieder in den Boden eingebracht. Zwischen Saug- und Schluckbrunnen ist ein Abstand von ca. 15 m erforderlich. Die Nutzung von Grundwasserwärme ist grundsätzlich genehmigungspflichtig. Zu beachten ist auch die Qualität des Grundwassers, denn der Verdampfer der Wärmepumpe könnte bei unzureichender Wasserqualität Schaden nehmen. Hierbei kann das Problem der Verockerung durch die An- bzw. Ablagerung unlöslicher Eisen- und Manganverbindungen, die im Grundwasser in erheblich unterschiedlichen Konzentrationen vorhanden sind, auftreten. Wesentlich durch die Grundwasserqualität wird auch die Korrosionsgefahr in der Wärmepumpe bestimmt, die bei der Wärmequelle Grundwasser als offenes System im direkten Kontakt mit dem Grundwasser arbeitet. Sind im Grundwasser hohe Konzentrationen von Inhaltsstoffen vorhanden, die den Verdampfer einer Wärmepumpe korrodieren oder verschlammen könnten, wird in der Regel ein separater Wärmetauscher zwischen Grundwasser und Wärmepumpe installiert. Dabei ist zur Minimierung des Hilfsenergieaufwandes auf eine optimal angepasste Leistung der Brunnenpumpe zu achten.
In der Planung einer Wärmepumpenanlage spielt neben der Entscheidung für die Wärmequelle insbesondere das Herzstück – die Wärmepumpe – eine entscheidende Rolle. Vielfach wünschen sich gerade Hauseigentümer von Altbauten, bedingt durch die erheblich gestiegenen Kosten für fossile Energieträger, den Schritt zur regenerativen Energie zu gehen. Hier liegen jedoch oft bauliche Gegebenheiten vor, die keine idealen Voraussetzungen für den Betrieb von Wärmepumpen bieten.
An erster Stelle sind hierbei die vorhandenen wärmeabgebenden Geräte, d. h. die Heizflächen zu nennen. Bilden Flächenheizungen mit Vorlauftemperaturen von 35 °C den Idealfall, sind im Baubestand zumeist Radiatorenheizungen vorhanden, die oft noch auf Vorlauftemperaturen von rund 75 °C ausgelegt worden sind. Hier ist einerseits genau zu prüfen, ob die Wärmepumpe diesen Gegebenheiten gerecht werden kann oder zusätzliche Flächenheizelemente installiert bzw. der Wärmebedarf durch eine bessere Isolation gesenkt oder die Wärmeverteilung optimiert werden kann. Andererseits bieten Hersteller dank neuer Kompressorentechnologie und des Einsatzes von hoch effizienten Kältemitteln Wärmepumpen an, die Vorlauftemperaturen von bis zu 62 °C erreichen können. Nahezu alle namhaften Hersteller empfehlen für einen hoch effizienten Betrieb jedoch eine maximale Vorlauftemperatur von 55 °C.
Einbringungsmöglichkeiten prüfen
Zweite Priorität hat ein prinzipiell einfacher Aspekt, der jedoch oft zu erheblichen Problemen führen kann – die Einbringung der Wärmepumpe. Moderne Produkte bieten oft bereits einen integrierten Warmwasserspeicher an. Dies bedeutet jedoch für den Fachhandwerker vor Ort nicht nur eine voluminöse, sondern auch gleichzeitig schwergewichtige Aufgabe. Enge Treppen, schmale Türen und oft nahezu unmögliche Drehungen der Wärmepumpe um Ecken gehören hier zu den täglichen Aufgaben. Daher sollte darauf geachtet werden, dass sich die einzelnen Elemente der Wärmepumpe einfach voneinander lösen lassen, um eine schnelle, sichere Einbringung zu gewährleisten. „geoTherm“-Wärmepumpen bieten hier z. B. mit ihrem „SplitMountingConcept“ die Möglichkeit durch das Lösen von vier Schrauben und zwei Hydraulikanschlüssen den Warmwasserspeicher vom Wärmepumpenteil zu trennen. Dadurch wird nicht nur der Transport, sondern auch die Montage wesentlich erleichtert.
Dritter Aspekt, der gerade im Baubestand nicht außer Acht gelassen werden darf, ist die richtige Dimensionierung des Pufferspeichers und die dafür vorab durchgeführte genaue Analyse des zur Verfügung stehenden Raumangebotes. Insbesondere dem Kippmaß des Speichers sollte dabei besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Pufferspeicher erfüllen prinzipiell vier Aufgaben innerhalb einer Wärmepumpenanlage. Sie überbrücken – sofern vorhanden – die Sperrzeiten der Energieversorgungsunternehmen, um eine kontinuierliche Wärmeausbringung zu gewährleisten. Sie erhöhen gleichzeitig die Mindestlaufzeiten der Wärmepumpe bei Anlagen mit geringem Wasserinhalt und garantieren die Mindestwasserumlaufmenge bei der Verschaltung des Pufferspeichers als Trennspeicher.
Im Baubestand ist insbesondere der erste Punkt von Belang, denn der für den Betrieb einer Wärmepumpe erforderliche Strom wird zu Sonderkonditionen bezogen. Diese gesonderte Stromlieferung erlaubt es dem Energieversorger, eine Wärmepumpe bis zu dreimal je zwei Stunden vom Netz zu nehmen. Darüber hinaus sind die Anzahl der Starts einer Wärmepumpe begrenzt. Gerade bei den, üblicherweise in Altbauten eingesetzten Radiatorenheizungen ist deswegen eine ausreichende Bevorratung von Wärmeenergie durch Pufferspeicher notwendig. Die Größe des Pufferspeichers ist so auszulegen, dass eine permanente Wärmeversorgung durch den Pufferspeicher während einer eventuellen Sperrzeit gewährleistet ist – der zusätzliche Platzbedarf muss natürlich eingeplant werden.
