hb.net

Ob ein Haus neu gebaut oder „nur“ modernisiert werden soll, die Wahl der Heizungsart ist heute angesichts der stetig steigenden Energie- und Energieträgerpreise eine der wichtigsten Entscheidungen. Während vor etwa 20 Jahren Hausbauer und –eigentümer bei Heizungsanlagen nur zwischen einer Öl- oder Gasheizung sowie – regional begrenzt – dem Bezug von Fernwärme wählen konnten, ist die Auswahl heute deutlich größer geworden. Das Angebotsspektrum reicht von Anlagen, die in verschiedenem Umfang auf erneuerbare Energien zurückgreifen, bis hin zu Modellen, die zwar auf fossile Brennträger angewiesen sind, deren Verbrauchsdaten jedoch so günstig sind, dass man sie mit ihren älteren Vorgängern nicht vergleichen kann.
Bei der Fülle der derzeit auf dem Markt erhältlichen Heizungsanlagen kann einem Laien leicht der Überblick verlorengehen. Darum informieren wir Sie an dieser Stelle über die wichtigsten Heizungsvarianten.

 

Wärmepumpen – wie arbeiten sie?

Bei kaum einer anderen Heizmöglichkeit ist die Unkenntnis über deren Möglichkeiten so groß wie bei der Wärmepumpe. Das liegt vermutlich daran, dass es mehrere Wärmepumpen-Varianten gibt, die in der Regel unter nur einem Begriff zusammengefasst werden.
Um deren Unterschiedlichkeit zu verstehen, ist jedoch ein Blick auf die grundsätzliche Funktionsweise einer Wärmepumpe nötig. Das Prinzip einer Wärmepumpe kann als die Umkehrung der Arbeitsweise eines Kühlschranks gesehen werden: Der Kühlschrank entzieht seinem Inneren Wärme und gibt sie an die Umgebung ab; dagegen entzieht eine Wärmepumpe dem jeweiligen Wärmeträger (Luft, Erde, Wasser) die Wärme und gibt sie in Form von Heizenergie an das Gebäude ab. Da die entzogene Umweltwärme innerhalb der Anlage auf ein höheres Niveau „gepumpt“ wird, hat sich für diese Heizungsart der Begriff der Wärmepumpe etabliert. Das dahinter stehende physikalische Prinzip ist der sog. Joule-Thomson-Effekt.

 

Wie muss man sich eine Wärmepumpen-Anlage vorstellen?

WärmepumpenWenn es sich um eine Wärmepumpe handelt, die die Wärme aus dem Grundwasser oder dem Erdreich aufnimmt, zirkuliert in der Wärmequellanlage eine Sole, die diese Umweltwärme aufnimmt und zur Wärmepumpe weiterleitet. Bei der Sole handelt es sich um ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel. Luft-Wärmepumpen führen die Umweltwärme mithilfe eines Ventilators zu, der die Außenluft ansaugt. Die Umweltwärme wird in einem Wärmetauscher (Verdampfer) auf das Kältemittel übertragen. Das Kältemittel verdampft und dessen Dampf wird zu einem Verdichter geführt. Dort wird das Kältemittel komprimiert und erwärmt sich durch den so entstehenden höheren Druck. Beim anschließenden Abkühlen und Verflüssigen des Kältemittels wird Energie freigesetzt, die in einem weiteren Wärmetauscher (Verflüssiger) auf die Sole übertragen wird. Das jetzt wieder flüssige Kältemittel wird zurück zum Verdampfer geleitet, und der Kreislauf beginnt erneut.
Im Gebäude ist ein Wärmeverteil- und Speichersystem installiert. Ein Wärmeträger – üblicherweise Wasser – nimmt die durch das Kältemittel abgegebene Wärme auf und leitet sie zu einem Verteilsystem (z. B. Flächenheizungen) oder aber zu einem Warmwasserspeicher.

 

Wärmequellen der Wärmepumpen

 

Erdwärme (Geothermie)

Um die Erdwärme zu erschließen, werden entweder vertikale Erdwärmesonden oder horizontale Erdwärmekollektoren verwendet.

Vertikale Erdwärmesonden bestehen aus einem U-förmigen Kunststoffrohr, das mit einer frostsicheren Sole gefüllt ist und durch seine Form nur einen geringen Bohrdurchmesser von 15 cm benötigt. Die Bohrtiefe und die Sondenlänge sind sowohl vom individuellen Wärmebedarf als auch von der Leitfähigkeit des Bodens abhängig. Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus muss mit einer Bohrtiefe von etwa 100 Metern gerechnet werden. Die Installation einer Erdwärmesonde kann mit Ausnahme von Wasserschutzgebieten fast überall durchgeführt werden, sie ist jedoch genehmigungspflichtig. Zur Vereinfachung empfiehlt es sich, die nötigen Formalien durch den Bohrunternehmer regeln zu lassen. Das Einholen der Genehmigungen sollte deshalb Teil des vereinbarten Leistungsumfangs sein. Gerade im Winter arbeiten diese Wärmepumpen effektiver als diejenigen mit Kollektoren, da die Erdwärme nach jeweils 30 Metern um ca. 1° C zunimmt, jedoch schon in 10 Metern Tiefe ganzjährig etwa 10° C beträgt. Für die Tiefenbohrung müssen pro kW Heizleistung zwischen 600 und 1.000 Euro veranschlagt werden.

Horizontale Erdwärmekollektoren werden als Rohrsystem frostsicher 1,5 Meter unter der Erde in Schlangen verlegt, die an eine Fußbodenheizung erinnern. Die Kollektorfläche richtet sich nach der zu beheizenden Fläche sowie der Regenwasserdurchlässigkeit des Bodens. In den meisten Fällen geht man von einer Kollektorfläche aus, die etwa 1 ½ Mal so groß ist wie die zu beheizende Fläche. Damit das Erdreich sein Energiereservoir z. B. durch Sonnenlicht oder Regenwasser immer wieder auffüllen kann, darf die über dem Kollektor liegende Fläche weder bebaut noch versiegelt werden. Um die Gefahr einer Beschädigung der Rohrleitungen zu vermeiden, muss auch auf tiefwurzelnde Pflanzen verzichtet werden. Der Bau einer Kollektorenanlage muss nur angezeigt, nicht aber genehmigt werden. Ihre Baukosten sind mit 2.500 bis 3.500 Euro deutlich niedriger als die der Erdwärmesonden, außerdem eignen sie sich als gute Alternative, wenn Sonden nur mit hohen Auflagen oder gar nicht genehmigt werden sollten. Für die Wärmepumpe fallen weitere Kosten von etwa 8.000 bis 10.000 Euro an.

 

Grundwasser

Grundwasser kommt als Wärmelieferant für eine Wärmepumpe überall dort infrage, wo es in nicht zu großer Tiefe und in einer ausreichenden Qualität, Menge und Temperatur vorhanden ist. Grundsätzlich geht man davon aus, dass Grundwasser auch an sehr kalten Tagen seine Temperatur von 10° C beibehält. Mit einem Förder- oder Saugbrunnen wird das Grundwasser der Wärmepumpe zugeführt, wo ihm thermische Energie entzogen wird. Über einen sog. Schluckbrunnen wird es dann wieder dem unterirdischen Grundwasserreservoir zugeleitet. Während des Sommers kann so auch energiesparend gekühlt werden. Anlagen dieser Art sind genehmigungspflichtig und sehr effizient. Für den Bau muss jedoch ein sehr hoher Planungs- und Erkundungsaufwand in Kauf genommen werden, außerdem wird relativ viel Hilfsenergie benötigt. Aus diesen Gründen sind sie nur für größere Gebäude zu empfehlen, die einen hohen Heiz- und Kühlbedarf haben. Hier liegen die Kosten für die Tiefenbohrung bei etwa 60 Euro pro Meter, für die Brunnenanlage müssen ca. 4.000 Euro eingeplant werden. Für die beiden Brunnen fallen Kosten von etwa 7.000 Euro an, für die passende Wärmepumpe 8.000 bis 10.000 Euro zuzüglich ca. 3.000 Euro Einbaukosten. Für das Zubehör (Leitungen, Schläuche etc.) sollten etwa 3.000 Euro eingeplant werden. Wenn mit der Wärmepumpe auch die Räume belüftet werden sollen, ist der Einbau eines Lüftungsmoduls nötig, das etwa 5.000 Euro kostet.

 

Luft

Auch Luft kann als Wärmequelle für eine Wärmepumpe genutzt werden. Da für diese Anlagen weder Grabungen noch Bohrungen nötig sind, unterliegen sie keiner Genehmigungspflicht und sind relativ preisgünstig, da keine Bohrarbeiten durchgeführt werden müssen. Es müssen allerdings einige Lärmschutzvorschriften beachtet werden. Die Luft kann als Wärmequelle aus der Außen- oder der innerhalb der Räume entstehenden Abluft genutzt werden. Die Kosten hängen stark von der Leistungsfähigkeit der Wärmepumpe ab und können zwischen 3.000 und 15.000 Euro liegen.

Außenluft
Wärmepumpen, die die Außenluft nutzen, sind sowohl im Sommer als auch im Winter nutzbar. Voraussetzung ist, dass die Außentemperatur höher als der Siedepunkt des eingesetzten Kältemittels ist. Allerdings lässt die Effizienz dieser Anlagen im Winter etwas nach, weil dann mehr Antriebsenergie benötigt wird. Dagegen sind die Investitionskosten jedoch vergleichsweise gering.

Abluft
Abluft-Wärmepumpen nutzen diejenige thermische Energie, die durch die verschiedensten Wärmequellen (Heizung, Körperwärme, Beleuchtung, elektrische Geräte) entsteht und üblicherweise mit dem Lüften verlorengeht. Daher muss bei dieser Variante ein System installiert werden, dass neben der Abluft-Wärmepumpe aus Wärmerückgewinnung und kontrollierter Lüftung besteht. Ergänzend wird Energie aus der Außenluft genutzt, da die nach außen transportierte Abluft durchschnittlich kälter ist als die nachströmende Außenluft.

Hinsichtlich der Effizienz von Luftwärmepumpen gibt es viele Mythen.

 

Alternative Wärmequellen für Wärmepumpen

Die alternativen Wärmequellen werden erst in letzter Zeit weiter erschlossen und bislang nur selten verbaut.

Solar-Eisspeicher

Bei einem Solar-Eisspeicher wird eine Betonzisterne mit Wasser gefüllt und in vier Metern Tiefe im Erdreich vergraben. In ihrem Inneren befinden sich mit einer frostsicheren Flüssigkeit gefüllte Leitungen, die dem Wasser ständig Wärme entziehen. Dieses Verfahren funktioniert auch dann, wenn die Temperatur des gespeicherten Wassers unter den Gefrierpunkt sinkt. Das Wasser in der Zisterne bleibt bei konstant bei 0° C, so wird die sog. Kristallisationswärme freigesetzt. Mit dieser Wärme, die vom Wasser während des Gefrierprozesses bis zum Zeitpunkt der Erstarrung freigegeben wird, könnte man eine gleich große Wassermenge von 0° C auf 80° C erwärmen. Das Wärmereservoir des Eisspeichers wird vom umgebenden Erdreich sowie von einer Solarthermie-Anlage immer wieder aufgefüllt. Die Methode eignet sich für Gebäude bis zu einer Heizlast von bis zu 20 kW sowohl zum Heizen und zur Warmwasserbereitung als auch zur Kühlung im Sommer. Ein Solar-Eisspeicher ist nicht genehmigungspflichtig. Für ein Einfamilienhaus mit einer maximalen Heizlast von 7,5 kW sind ein 12 Kubikmeter großer Speicher, eine Steuereinheit sowie sechs Kollektoren mit einer Größe von je zwei Quadratmetern nötig, wofür etwa 12.000 Euro Kosten entstehen.

Abwasser

Da Abwasser immer zwischen 10° C und 20° C warm ist, ist es sehr gut für eine Wärmepumpe geeignet und kann sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet werden. Die größte Effizienz kann erreicht werden, wenn Gebäude oder Gebäudeanlagen mit einem hohen Wärmebedarf in der Nähe von großen Abwasserkanälen oder Kläranlagen stehen. Daher werden diese Anlagen in der Regel in Heizzentralen ab etwa 150 kW Heizleistung installiert, also ab ca. 30 Wohneinheiten. Bei der Installation können Kosten gespart werden, wenn der Neubau oder die Sanierung eines Abwasserkanals genutzt werden, Wärmetauscher zu installieren. Hochrechnungen zufolge könnten mit dem stringenten Einsatz von Abwasser-Wärmepumpen in Deutschland zwei bis vier Millionen Haushalte mit Heizwärme versorgt werden. Die entstehenden Kosten können hier nicht genau beziffert werden und hängen von der Breite der Wärmetauscher-Elemente ab. Pro laufenden Meter sind etwa 2.500 bis 3.500 Euro einzuplanen.

 

Zeolith-Gas-Wärmepumpe

Eine gewöhnliche Wärmepumpe wird mithilfe von Strom betrieben. Die Zeolith-Gas-Wärmepumpe nutzt hingegen die Energie einer kleinen Gasheizung mit den Eigenschaften eines Zeolithspeichers. Es ist eine sparsame Möglichkeit, mit wenig Gas die Energie zu speichern und damit zu nutzen. Zeolith ist als Mineral in der Lage Wasser, ähnlich wie ein Schwamm, aufzunehmen. Mithilfe eines Wärmetauschers wird die entstehende Wärme auf das Heizungswasser übertragen. Seit 2012 ist die Wärmepumpe auf Grundlage des Sorptionsprinzips erhältlich. Dadurch ist es möglich eine Energiekostenersparnis von rund 20% im Vergleich zur traditionellen Gasheizung zu erzielen. Die  Gas-Brennwert-Einheit enthält  ein Vakuum-Zeolith-Modul mit Zeolithen und Wasser.

Der Sorptionsprozess läuft dabei in zwei Schritten ab:

  1. Der Wasserdampf aus dem Zeolith wird ausgetrieben und durch den Adsorber strömt der Wärmeträger (Wasser), der von einer Gasbrennwertwärmezelle auf etwa 110 °C erhitzt wird. Der erwärmte Zeolith gibt dann das gespeicherte Wasser ab. Der so entstehende heiße Dampf verteilt sich im gesamten Modul, kühlt im unteren Bereich ab und kondensiert anschließend. Die dabei freigesetzte Kondensationsenergie wird als dann Nutzwärme abgeführt.

  2. Die Desorptionsphase wird hydraulisch umgeschaltet, sodass die Wärmezufuhr zum Adsorber unterbrochen wird. Druck und Temperatur im Modul sinken dadurch ab. Sobald die Temperatur des Verdampfers bzw. Kondensators unter die Temperatur der Umgebungswärme gesunken ist, wird die Solepumpe eingeschaltet. In dieser Phase wird dem Verdampfer kalte Energie zugeführt. Dieses Kältemittel im unteren Teil des Moduls verdampft damit der Kaltdampf nach oben strömt und vom Zeolith adsorbiert wird. Die dabei freiwerdende Adsorptionswärme wird dann ebenfalls als Nutzwärme genutzt.

Vorteile:

  • Einsparungen von bis zu 20 % Energie und Emissionen im Vergleich zu herkömmlicher Gasbrennwerttechnik mit der Nutzung von Strom
  • Das zusätzliche Nutzen von Sonnenenergie kann auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen geschehen. Dadurch ist die Zeolith-Gas-Wärmepumpe besonders in den Übergangszeiten zwischen sehr kalten und warmen Temperaturen deutlich effizienter als ein herkömmliches Gasbrennwertgerät mit Solar
  • Das Zeolith-Modul ist  nach Angaben der Hersteller wartungsfrei über die gesamte Lebensdauer

Nachteile

  • Die Effizienz der Zeolith Wärmepumpe entspricht in den kalten Wintermonaten etwa der eines  herkömmlichen Gasbrennwertgerätes mit einer Warmwasserbereitung
  • Seit November 2009 befinden sich 100 Geräte im Praxis-Feldtest. Eine Langzeitstudie im Hinblick auf die Langlebigkeit gibt es jedoch nicht.

Weitere Informationen finden Sie auf http://www.heizungsfinder.de/.

 

 

 

Grafik: © arahan - Fotolia.com

 

© 2016 hausbau-berater.de