Die Wärmepumpe als Anwendung der oberflächennahen Geothermie

Was ist eine Wärmepumpe?

Generell kann eine Wärmepumpe als ein Aggregat bezeichnet werden, das Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau aufnimmt und unter Hinzunahme von Antriebsenergie Wärme auf einem höheren, nutzbaren Temperaturniveau abgibt. Damit eignet sich eine Wärmepumpe grundsätzlich für die Nutzung oberflächennaher Geothermie zu Heizzwecken; Wärme wird aus der Erde bei Temperaturen von etwa -5 °C bis +10 °C gewonnen und mit etwa. 35 °C bis 55 °C an die Heizung abgegeben. Je niedriger dabei die Temperaturdifferenz ist, desto weniger Antriebsenergie wird benötigt, und desto besser die Wirtschaftlichkeit der Anlage. Deshalb ist eine wichtige Kenngröße der Wärmepumpenanlage die Leistungszahl »e«. Sie beschreibt das Verhältnis von abgegebener Heizleistung zur aufgewendeten Antriebsleistung.

Eine Leistungszahl von 4 bedeutet daher, dass das Vierfache der eingesetzten elektrischen Leistung in nutzbare Wärmeleistung umgewandelt wird.

Ein Gegenstück zur Wärmepumpe finden wir in jedem Haushalt - Ein Kühlschrank. Er fördert die Wärme von niedrigem Niveau, dem Innenraum des Kühlschrankes, auf ein höheres Niveau, und gibt sie über die Kühlschrankrückseite an die Umgebungsluft ab. Den Wärmetransport übernimmt ein flüssiges Kältemittel, das mittels elektrischen Kompressor vom gasförmigen in den flüssigen Zustand umgewandelt wird.

Die Bilanz der Wärmepumpe: 40 % weniger CO2-Emissionen und nur die Hälfte Heizkosten.

1945 begann in den Vereinigten Staaten die Entwicklung der erdgekoppelten Wärmepumpe. In Indianapolis wurde das Haus von Robert C. Webber, einem Mitarbeiter der Indianapolis Power & Light Co., mit einer Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen ausgerüstet. Als Wärmequelle wurden Kupferrohre in drei Kreisen mit zusammen 152 m Länge in bis zu 2 m tiefen Gräben verlegt. Die Wärmepumpe speiste über ein Gebläse eine der damals schon in den USA verbreiteten Warmluftheizungen.

In Kanada ist die erste erdgekoppelte Wärmepumpe in einem Versuchshaus der University of Toronto im Jahr 1949 dokumentiert.

In Deutschland begann der Boom mit steigenden Ölpreisen Anfang der achtziger Jahre und hat sich bis heute aber nur zögerlich fortgesetzt. Dagegen haben sie sich in den USA, Japan, Spanien, Schweden, Österreich und der Schweiz voll durchgesetzt.

Funktionsweise der Wärmepumpe

Das Funktionsschema einer Wärmepumpe zeigt als wesentliche Baugruppen den Verdampfer, den Verdichter oder Kompressor, den Verflüssiger mit Wärmetauscher und das Expansionsventil. Diese sind über Rohrleitungen zu einem geschlossenen Kreislauf verbunden, in dem sich ein Kältemittel befindet.

Schema Kompressionswärmepumpe
Schema einer Kompressions-Wärmepumpe
Quelle:
B. Sanner

Auf der linken Seite befindet sich der Bereich mit der niedrigen Temperatur und niedrigem Druck des Kältemittels. Auf der rechten Seite ist der Bereich der hohen Temperatur und hohem Druck. Bei einem Umlauf des Kältemittels entnimmt das in den Verdampfer eintretende kalte und flüssige Kältemittel dem Träger (z.B. Grundwasser, Erde) die Umweltwärme und verdampft somit. Das entstandene Gas wird mit dem Kompressor auf einen höheren Druck und somit auch auf eine höhere Temperatur gebracht. Das erhitzte Gas durchströmt den Verflüssiger. Dort erfolgt der eigentliche Wärmeaustausch zum Heizkreis. Durch die Wärmeabgabe verringert sich die Temperatur des Kältemittels. Beim anschließenden Durchströmen des Expansionsventils sinkt der Druck und das Kältemittel kühlt sich weiter ab, so dass es wieder flüssig wird und im Verdampfer erneut Umweltwärme aufnehmen kann.

Wir erkennen, das sich ein Arbeitsregime von Arbeits- und Pausenzeiten einstellt. Im Interesse einer langen Lebensdauer der Wärmepumpe ist eine Reduzierung der Ein- und Ausschaltspiele pro Zeiteinheit von Vorteil. Dies kann man erreichen indem zwischen Wärmepumpe und Verbraucher ein Pufferspeicher eingeschaltet wird. Dieser hat zur Folge, das sich sowohl die Betriebs- als auch die Pausenzeiten verlängern und damit die Zahl der Schaltspiele reduziert werden.

Schema Wärmepumpenheizung
Grundanordnung einer Wärmepumpenheizung
Quelle:
B. Sanner

Das Schema zeigt die Grundanordnung einer Wärmepumpenheizung mit den üblichen Baugruppen: Umwälzpumpe, Sicherheitsventil, Ausdehnungsgefäß sowie den Pufferspeicher

Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe

Die Nutzung der Umweltwärme mittels Wärmepumpe unterscheidet sich in einem wesentlichen Punkt von der anderen erneuerbaren Energien. Die Wärmepumpe braucht zum Antrieb Fremdenergie, die größtenteils auf konventionelle Art und Weise erzeugt wird. Die Wärmepumpe ist somit eher ein Zwitter zwischen konventioneller Energie und erneuerbarer Energie. Wärmepumpen haben im Vergleich zu herkömmlichen Gas- oder Ölheizanlagen höhere Investitionskosten. Insbesondere verursachen die Tiefenbohrungen für die Wärmesonden oder die Verlegung der Erdkollektoren höhere Kosten. Dafür entfallen aber Heiz- und Brennstofflager oder ein Kamin. Vorteilhaft dagegen gestalten sich die Betriebskosten, die bis 30  % unter denen konventioneller Heizungen liegen und damit neben dem ökologischen Aspekt auch finanzielle Einsparungen über die Betriebsjahre bringen.