Technologie 06.10.2022, 11:11 Uhr

Wärmepumpe: Luft, Erdreich oder Wasser – was sind die Unterschiede?

Energiekrise und Gasmangel leisten der Elektrifizierung der häuslichen Wärmeversorgung maßgeblichen Vorschub. Die Wärmepumpe boomt. Doch welches Gerät passt für welche Anwendung und wie unterscheiden sich die verfügbaren Technologien?

Während Wärmepumpen früher beinahe ausschließlich in Neubauten zum Einsatz kamen, wird die Technologie heute immer häufiger auch in der Sanierung genutzt. Foto: Wolf GmbH

Während Wärmepumpen früher beinahe ausschließlich in Neubauten zum Einsatz kamen, wird die Technologie heute immer häufiger auch in der Sanierung genutzt.

Foto: Wolf GmbH

Ist von Bauherren und Heizungsmodernisierern die Entscheidung für das Heizungssystem Wärmepumpe gefallen, tut sich ein weites Feld unterschiedlicher Wärmepumpen-Technologien auf. Ihre 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). 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:

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  • Luft/Wasser-Wärmepumpe in Monoblockbauweise: Hier befindet sich der komplette Kältekreis im Außengerät. Diese abgeschlossene Einheit ist bereits vom Hersteller befüllt und abgedrückt. Sie kommt daher druck- und dichtheitsgeprüft auf die Baustelle. 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 Meter 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 anderen Split-Geräten.
  • Luft/Wasser-Wärmepumpe in Split-Bauweise mit Kältemittelkreislauf zwischen Innen- und Außeneinheit: Zwischen der Innen- und Außeneinheit fließt das Kältemittel in dünnen Kältemittelleitungen. Daher befindet sich auch im Gebäude Kältemittel, das bei Undichtigkeiten ins Gebäude gelangen kann. Meist sind diese Kältemittel ungefährlich, jedoch auch weniger effizient. 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 fünf Tonnen (zehn Tonnen 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. Möchten sich Hauseigentümer eine solche Wärmepumpe anschaffen, sollten sie ihren 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 Zentimetern in den Aufstellraum. Pro Kilowatt Wärmepumpenleistung benötigen derartige Geräte etwa 300 Kubikmeter Luftvolumen, bei zehn Kilowatt sind es bereits 3.000 m³/h. Mit zunehmender Leistung vergrößert sich entsprechend der Durchmesser der Mauerdurchbrüche.

Grafik: BWP/ BDH Absatzstatistik

Die zahlreichen Vorteile von Luft/Wasser-Wärmepumpen haben dazu geführt, dass dieser Markt 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.

 Erd- beziehungsweise wassergekoppelte Wärmepumpen

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 unterscheiden Experten vertikale Erdwärmesonden, auch Sondenfeld oder Erdregister genannt (Tiefenbohrung von 50 bis 100 Meter) und horizontale Erdwärmekollektoren (oberflächennahe, waagerechte Verlegung im frostfreien Bodenhorizont). Die Anzahl der Erdsonden und ihre Bohrtiefe beziehungsweise 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 Metern 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 sollten sich daher Bauherren zuerst bei ihrem zuständigen Bauamt über die Formalitäten informieren.

 Welche Technologien dominieren bei der Gewinnung von erd- beziehungsweise wassergekoppelter Wärme?

  • Sole/Wasser-Wärmepumpen mit Sonden: Für Erdwärmesonden werden Kunststoffrohre in ein vertikal oder schräg verlaufendes Bohrloch eingebracht. Die Temperatur des Erdreiches ab zehn Metern Tiefe liegt ganzjährig konstant bei etwa 10 °C. Daher arbeitet eine Wärmepumpe mit Erdsonden das ganze Jahr über mit der gleichen „Außentemperatur“ beziehungsweise 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 Zentimeter tiefen und 70 Zentimeter 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 entzieht ein horizontaler Flächenkollektor mit einer Rohrnennweite von 25 Millimetern und einem Verlege-Abstand von 60 Zentimetern einem Lehmboden etwa 25 W/m². Bei einer Heizlast von 25 kW wird somit eine Fläche von 800 Quadratmetern 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 fünf Meter 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 zehn und 20 Metern erforderlich, die Bohrtiefe für die Brunnen kann aber auch bis zu 50 Meter 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.

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Von Frank Richert ist Energieberater und Manager „Normen und Verbändearbeit“ bei der Wolf GmbH, Mainburg.