Wärmepumpe

Eine alternative energieeffizientere Möglichkeit für die Wärmeerzeugung ist die Nutzung der Umweltwärme im Boden und in der Luft. Diese Umweltwärme liegt aber auf einem niedrigen Temperaturniveau (2 bis 10°C), das für die Heizzwecke so nicht nutzbar ist.

Soll diese ''kalte'' Energie aus der Umwelt zu Heizzwecken genutzt werden, so muss das Temperaturniveau mittels einer Wärmepumpe angehoben werden.

Eine Wärmepumpe funktioniert nach dem umgekehrten Prinzip eines Kühlschranks. Letzterer entzieht dem Kühlfach die Wärme und transportiert sie über einen Wärmetauscher nach außen, die Wärmepumpe hingegen nutzt die Wärme der Umgebung und gibt sie an das Heizungssystem des Hauses ab. Die aktuell verfügbaren Geräte können bereits als technisch ausgereift bezeichnet werden. Dennoch finden auch stetige Weiterentwicklungen zum Zweck der Anpassung statt. Bei der Nutzung der bereitgestellten Wärme zu Heizzwecken sollte auf niedrige Vorlauftemperaturen im Heizungssystem geachtet werden, um den Bedarf an Antriebsenergie möglichst gering zu halten. Somit bietet sich der Einsatz einer Wärmepumpe insbesondere in Gebäuden mit Flächenheizungen (z.B. Fußboden- oder Wandheizung) an. Ist die Jahresarbeitszahl (Wärmeerzeugung pro Jahr im Verhältnis zum Stromverbrauch pro Jahr) kleiner als 3, wird weder der Einsatz fossiler Energieträger noch der CO₂-Ausstoß verringert.

Zwar beziehen Wärmepumpen die Heizenergie direkt aus der Umwelt, zum Antrieb benötigen sie dennoch einen erheblichen Anteil an Fremdenergie. Abhängig von den äußeren Bedingungen kann dieser Anteil 25 bis 50 Prozent der genutzten Wärmeenergie sein. Wird jedoch regenerativer Strom genutzt, entstehen hierbei keine CO₂-Emissionen. Bei fachgerechter Planung und Ausführung ist der Betrieb dieser Anlagen für den Boden und das Grundwasser unbedenklich. Zur Brauchwassererwärmung und zur Beheizung von Einfamilienhäusern dienen kleine Wärmepumpen, welche mittels eines Elektromotors angetrieben werden.

Bei größeren Anlagen rechnet sich der Gasmotor, der zwar einerseits einen höheren primärenergetischen Wirkungsgrad aufweist, andererseits aber auch einen größeren Betriebs- und Wartungsaufwand sowie höhere Investitionskosten mit sich bringt. In naher Zukunft sollen auch für geringe Leistungen ausgelegte gasmotorisch betriebene Wärmepumpen auf dem Markt eingeführt werden. Eine weitere Entwicklung sind so genannte Adsorptions- oder Absorptionswärmepumpen. Bei diesen wird durch das Mischen oder Anlagern von verschiedenen Stoffen (z.B. Zeolit - Wasser) die Aufnahme von Umweltwärme erreicht. Die Wärmepumpen nutzen dabei thermische Antriebsenergie für diese Prozesse, wobei ein Erdgasbrenner die Wärme zur Verfügung stellt. Vorteil dieser Technologie ist ebenso wie bei den Gaswärmepumpen, dass die Wärme auf einem hohen Temperaturniveau anfällt. Auch hier werden Nutzungsgrade von bis zu 140 Prozent erreicht. Gegenwärtig befinden sich Geräte von zwei verschiedenen Herstellern im Feldtest.

Das Potential für diese Wärmepumpen liegt ebenso in der Bestandssanierung. Parallel dazu wird an der Verbesserung der Effizienz elektromotorisch betriebener Wärmepumpen gearbeitet.  

Bei den Wärmequellenanlagen kann auf verschiedene Formen zurückgegriffen werden.

Erdwärme besteht einerseits aus der Restwärme bei der Erdentstehung und andererseits aus dem natürlichen radioaktiven Zerfall im Erdinneren. Bis zu einer Tiefe von ungefähr 10 - 20 m unter der Erdoberfläche beeinflussen außerdem klimatische Temperaturschwankungen und die Sonneneinstrahlung die Bodentemperatur. Unterhalb von 20 m liegen die Temperaturen in unseren Breitengraden bei etwa 10 °C und steigen pro 100 m Tiefe um ca. 3 Grad an.

Bei Neubauten findet die oberflächennahe Geothermie, die in Form von Wärme gespeicherte Energie in den oberen Erdschichten, am häufigsten Anwendung. Unabhängig von der Tages-, Nacht und Jahreszeit steht diese Form der erneuerbaren Energie jederzeit ausreichend zur Verfügung. Bei der oberflächennahen Geothermie werden z.B. horizontale Erdwärmekollektoren verwendet, die großflächig in Schlangenlinien im Erdreich verlegt werden.

Für eine Anlage mit 9 kW Heizleistung wird je nach Bodenbeschaffenheit eine Fläche von knapp 300 bis 500 m² benötigt. Um die Erdwärme in tieferen Regionen zu nutzen, werden Erdsonden durch tiefe Bohrungen von bis zu über 100 m installiert. Dabei sind die Kosten etwas höher, aber es wird weniger Fläche und 40 Prozent weniger Rohrlänge benötigt. 50 Prozent der derzeit installierten Anlagen sind mit Erdwärmesonden ausgestattet.

Es existiert eine Vielzahl von Sonderformen oberflächennaher Systeme, welche eine Übergangsform zwischen Sonden und Kollektoren darstellen. Bei Energiepfählen werden Gründungspfähle zur Verbesserung der Standsicherheit von Gebäuden genutzt, welche ohnehin aus statischen Gründen installiert werden und somit keine Mehrkosten darstellen. Energiekörbe haben auf Grund der kompakten Bauweise (mehr Rohrmeter) eine höhere Effizienz als Kollektoren, die "Speisung" erfolgt jedoch genau wie bei den Kollektoren über das Regen- und Grundwasser.

Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser aus dem Boden entnommen und der Wärmepumpe zugeführt, welche dem Wasser die Wärme entzieht. Das abgekühlte Wasser wird danach in einen Schluckbrunnen zurückgeleitet. Lage und Abstand der beiden Brunnen sind abhängig von der Fließrichtung, dem Gefälle und der Fließgeschwindigkeit des Grundwassers. Weiterhin ist die chemische Zusammensetzung des Grundwassers zu berücksichtigen, da es sich hierbei um ein "offenes System" handelt, bei dem die Wärmetauscher direkt mit dem Grundwasser in Berührung kommen.

Bei der Luftwärmepumpe wird der Umgebungsluft Wärme entzogen und von der Wärmepumpe auf ein nutzbares Temperaturniveau gehoben. Außenluft als Wärmequelle hat jedoch den Nachteil, dass sie dann am kältesten ist, wenn die meiste Heizwärme benötigt, und sich durch den hohen Anteil der Antriebsenergie für die Temperaturanhebung in den nutzbaren Bereich die Energieeffizienz der Wärmepumpe deutlich verschlechtert.