Wärmepumpen Einsatzmöglichkeiten

Vorwort

Häufig werde ich im täglichen Berufsalltag von Bauherren auf die richtige Wahl des Heizsystems angesprochen. Viele der Bauherren haben höchstens eine kleine Vorstellung was für ein Heizsystem das sie möchten. Wie wir bei den letzten Bauten bemerkten geht der momentane Trend der Bauherren eindeutig Richtung Wärmepumpe. Jedoch können sie sich die Funktionsart-/ weise, dieser nicht so gut vorstellen. Aus diesem Grunde habe ich gerade aktuell für einen Bauherren eine kleine Dokumentation zusammengestellt, in welcher ich versucht habe seine wichtigsten Fragen und Ungereimtheiten zu Beseitigen.Weiter ist auch zu sagen, dass das Thema Wärmepumpen so ein grosses Gebiet ist und ich mit dieser Dokumentation sicherlich nicht die ganze Bandbreite der Wärmepumpen abgedeckt habe. Ich habe mich versucht auf die wichtigsten Bestandteile zu konzentrieren.

Schlüsseltechnologie

Grosse Potenziale von Abwärme, Umweltwärme und untiefer Erdwärme sind, von Ausnahmen abgesehen, überall verfügbar. Einziger Nachteil ist in der Regel das Temperaturniveau. Eine direkte Nutzung als Raumwärme kommt deshalb häufig nicht in Betracht. Mit einem motorisch angetriebenen Kreisprozess lässt sich dieses Manko beheben. Daher bildet die klassische Wärmepumpe eine Schlüsseltechnologie zur Nutzung erneuerbarer Energiequellen.
Ohne Antrieb läuft gar nichts. Dies gilt auch für die Wärmepumpe. Es gilt aber auch: Mit verbesserten Rahmenbedingungen kann der Temperaturhub – und damit der Aufwand für den Antrieb einer Wärmepumpe – minimiert werden. In erster Linie sind die besseren Häuser zu erwähnen: Gut gedämmte Bauten mit Bodenheizungen sind für den Einsatz von Wärmepumpen ideal und mit ein Grund für den Marktanteil von mehr als 50 Prozent bei Neubauten. Wesentliche Energieeinsparungen können zudem beim Ersatz von konventionellen Heizungsanlagen und von Elektrospeicherheizungen realisiert werden. Eine gleichzeitige Sanierung der Gebäudehülle ermöglicht dabei tiefere Vorlauftemperaturen – ein wichtiges Kriterium für den optimierten Betrieb von Wärmepumpen.
Die an sich schon Ressourcen schonende Wirkungsweise der Wärmepumpe lässt sich toppen. Durch Verwendung von Strom aus erneuerbaren Quellen oder gar von zertifiziertem Ökostrom wird die Wärmepumpe dem Anspruch einer nachhaltigen Energieversorgung vollends gerecht.

Komponenten der Wärmepumpe

Die vier Hauptkomponenten, ohne die kein herkömmlicher Kaltdampf-Kreisprozess (Verdichtungskältesystem) funktioniert, sind:

• Verdichter (Kompressor)

• Verflüssiger (Kondensator)

• Drosselorgan (Expansionsventil)

• Verdampfer

Wärmequellen

Folgende Wärmequellenarten können mit Wärmepumpen genutzt werden:

• Aussenluft
• Erdwärme
• Grund- und Oberflächenwasser
• Abwärme
  

Grundsätzlich gilt, je tiefer das Temperaturniveau der Wärmequelle, desto schlechter ist die Effizienz (COP) der Wärmepumpe.

Aussenluft

Die Aussenluft steht uns in unbeschränkter Menge als Wärmequelle zur Verfügung und erfordert keine behördliche Bewilligung. Nachteilig ist, dass die Wärmequellentemperatur gegenläufig zur Heizsystemtemperatur ist.

Man unterscheidet folgende Bauarten:

• Kompakt-Anlage für Innenaufstellung
• Kompakt-Anlage für Aussenaufstellung
• Split-Anlage

Die kompakte Bauart für Innenaufstellung wird in der Regel für kleinere und mittlere Anlagen eingesetzt. (Heizleistung: 5 kW bis 50 kW). Die kompakte Bauart für Aussenaufstellung kommt dort zum Einsatz, wo im Gebäude kein Platz vorhanden ist.
Split-Anlagen kommen dort zum Einsatz, wo die Aussenluft aufgrund der erforderlichen Luftvolumenstrommenge nicht direkt dem im Gebäude platzierten Aggregat zugeführt werden kann. Der Verdampferteil wird im Freien aufgestellt und der Verdichter und Verflüssiger im Gebäude.

Planungshinweise

• Die Nutzung von Aussenluft als Wärmequelle ist nicht bewilligungspflichtig.
• Der Elektroanschluss ist jedoch durch das zuständige Elektrizitätswerk zu bewilligen.
• Die Heizsystemtemperatur ist aufgrund der zeitweise tiefen Quellentemperatur eingeschränkt.
• Bei Aussentemperaturen unter ca. +5°C und entsprechender Luftfeuchtigkeit vereist der Verdampfer. Es ist ein automatische Abtauung notwendig.-
• Durch die Abkühlung unter den Taupunkt der Luft entsteht Kondenswasser. Dieses muss gesammelt und in einer frostsicheren Leitung abgeführt werden.Es ist zu beachten, dass die abgekühlte Luft der Wärmepumpe nicht vom Aussenluftstrom erfasst wird (Kurzschluss)
• Mit dem Einsatz von Erdluftwärmetauschern oder durch Luftfassung an „warmen“ Standorten (Autoeinstellhalle, Gebäudeabluftanlage) kann die Energieeffizienz der Wärmepumpe gesteigert werden.
• Die Wärmepumpe ist vor Beschädigung durch Personen sowie Schnee, Laub, Staubpartikeln und Kleintieren zu schützen.
• Eine feste Installation von Aussengeräten bedingt eine Baubewilligung.
• Bei der Planung einer Split-Anlage sind die kältetechnischen Grundregeln besonders zu beachten.
• Grosse Beachtung ist dem Thema Schallemissionen zu widmen.

Erdwärme
Das Erdreich ist ein idealer Wärmelieferant. Bereits etwa 10 m unter der Erdoberfläche weist das Erdreich eine über das ganze Jahr annähernd konstante Temperatur auf. Mit zunehmender Tiefe erhöht sich die Temperatur im Untergrund um ca. 3 K pro 100 m. Die jahreszeitliche Konstanz bildet eine ideale Voraussetzung zur Nutzung von Erdwärme zu Heizzwecken. Erdwärmesonden werden normalerweise zwischen 50 m bis zu 350 m tief gebohrt.

Erdwärmesonden (EWS)
Zur Wärmegewinnung aus dem Erdreich werden heute in der Regel mit Wasser oder einem Wasser-Glykol-Gemisch gefüllte EWS oder EWS-Felder eingesetzt.
Es handelt sich praktisch durchwegs um PE-Kunststoffrohre, die in verschiedenen Anordnungen eingesetzt werden können. Durchgesetzt haben sich vor allem die Anordnung mit zwei Doppelrohren.

Erdwärmeregister
Anstelle von EWS werden auch Erdwärmeregister verwendet. Diese bestehen aus horizontal verlegten Rohrschlangen im Erdreich, 1,2 bis 1,5 Meter unter der Terrainoberfläche. Die Erdwärmeregister entziehen dem Erdreich mehrheitlich jene Wärme, welche durch Sonneneinstrahlung und Regen eingetragen wird. In der Regel wird ein Frostschutz-Gemisch als Wärmeträger verwendet.
Erdwärmeregister werden in der Regel aus Kunststoffrohren oder kunststoffummantelten Kupferrohren verlegt, die im Gebäude, oder in einem Schacht ausserhalb des Gebäudes, auf einem Verteiler respektive Sammler zusammengefasst werden.

Grundwasser

Grundwasservorkommen
Wasser, welches im Untergrund Gesteinsporen, Risse oder Klüfte füllt, wird als Grundwasser bezeichnet. Es fliesst unter Einwirkung der Schwerkraft vorwiegend entlang der durchlässigeren Zonen in Locker- und Festgesteinen (kies- und sandreiche Lagen, Sandstein, geklüfteter oder verkarsteter Fels). Oberflächennahes Grundwasser wird meist aus Tiefen von wenigen Metern bis mehreren 10 Metern vorwiegend aus kiesreichen Lockergesteinsvorkommen (Schotter) gefördert. Die mittlere Jahrestemperatur von oberflächennahem Grundwasser liegt in der Regel bei 9 °C bis 11 °C und damit über dem Mittelwert von Aussenluft. Die Temperatur kann durch zusickerndes Oberflächenwasser oder durch die Lufttemperatur beeinflusst werden. Ist der Einfluss durch Oberflächengewässer relativ gering und liegt die Fördertiefe mehrere Meter unter Terrain, sind die jahreszeitlichen Temperaturschwankungen jedoch sehr gering. Auch steigt die Verzögerung der Maximal- und Minimalwerte mit zunehmender Tiefe. Die maximale Temperaturschwankung liegt bei etwa 5 K (Abbildung 4.10). Aufgrund des relativ hohen und konstanten Temperaturniveaus ist Grundwasser eine ideale und zuverlässige Wärmequelle für Wärmepumpen.

Grundwasserqualität
Die Qualität von Grundwasser kann durch Infiltration aus Oberflächengewässern entscheidend beeinflusst werden (Abbildung 4.11). Neben der thermischen Beeinflussung ist auch der Beeinflussung der Grundwasserqualität Beachtung zu schenken. Grundwasser ist in den meisten Fällen nicht aggressiv. Insbesondere der Eintrag von organischem Material oder Sauerstoff durch Zutritt von Oberflächenwasser kann zu unerwünschten Reaktionen führen. Aus diesen Gründen ist eine einfache Analyse der Grundwasserqualität empfehlenswert.

Grundwasserfassung und Rückgabe
Die Dimensionierung des Entnahme- und Rückgabebrunnens (siehe Abbildung unten) richtet sich vor allem nach den Eigenschaften des wasserführenden Gesteins sowie der von der Wärmepumpe benötigten Fördermenge. Die optimale Entnahmemenge aus einem Förderbrunnen liegt im Bereich der halben maximalen Entnahmemenge (Abbildung 4.12). Die benötigte Fördermenge pro kW Wärmebedarf liegt in der Regel zwischen 150 l/h und 200 l/h. Mit steigender Entnahmemenge sind in der Regel grössere Bohrdurchmesser notwendig. Die Dimensionierung der Bohrungen hängt aber stark von den lokalen Gegebenheiten ab und sollte durch eine Fachperson erfolgen. Die Rückgabe erfolgt oft auch über einen untiefen Versickerungsschacht. Dazu muss die Sickerfähigkeit des Untergrundes abgeklärt werden. Fallweise kann die Rückgabe in ein nahe liegendes Oberflächengewässer erfolgen.

Planung und Umsetzung

Folgende Punkte sind bei der Planung und Umsetzung zu beachten:

• Planung und Umsetzung sollten unter Einbezug eines beratenden Geologen oder Hydrogeologen erfolgen.
• Bei Fassungen in der Nähe von Oberflächengewässern ist eine mögliche Infiltration durch diese zu beachten.
• Bei der Lokalisierung von Entnahme und Rückgabestelle ist die Grundwasserströmung zu berücksichtigen (keine Rückgabe im Anströmbereich der Entnahme).
• Eine einfache Wasseranalyse ist empfehlenswert.
• Die Leistung der Förderpumpe sollte auf den niedrigsten zu erwartenden Grundwasserstand ausgelegt werden. Eine Temperatur- und Strömungsüberwachung bietet Schutz vor Abkühlung des genutzten Wassers unter den Gefrierpunkt sowie vor Übernutzung der Fassung.
• Für eine Grundwassernutzung ist eine amtliche Bewilligung notwendig. Die Bewilligungspraxis ist kantonal unterschiedlich.

Weitere Wärmequellen sind noch:

• Oberflächenwasser
• Abwärme
• Gebäudekühlung

Lernprozess

Bei der Recherche zu dieser Dokumentation wurde ich mir sehr schnell klar, dass es sich noch schwierig gestaltet die wichtigsten Informationen herauszupicken. Man kann sich sehr schnell in technische Details verlieren, welche für die Dokumentation und für das Verständnis der Wärmepumpe von Nachteil ist. Aus diesem Grunde musste ich ein Auswahl treffen, welche auch den Bauherrn interessierten. Weiter habe ich wie in der Einleitung angetönt auf einige Themen konzentriert wie:

• Komponenten der Wärmepumpe
• Kältemittel
• Wärmequellen

Wobei auch die folgenden Punkte nicht ausser Acht zu lassen sind:

• Wärmeabgabe
• Einbindung der Wärmepumpe in die Haustechnik
• Akustik und Schallschutz
• Projektierung
• Inbetriebsetzung
• Betrieb
  

Quellen:
www.hoval.ch
www.fws.ch
www.energie.ch

17.05.08 / Peter Ljuna