Auswahl der Wärmequelle
Für den Betrieb einer Wärmepumpe sind verschiedene Wärmequellen möglich. Sie unterscheiden sich nach deren Temperatur und damit Effizienz der Anlage und dem Aufwand zu deren Erschliessung. Übliche Wärmequellen sind
- Luft (Aussenluft, seltener Abluft)
- Erdboden (Erdwärmesonden, Erdkollektor u.a.)
- Wasser (Grundwasser, Fluss- oder Seewasser)
- Abwärme aus Prozessen (Abwasser, Kühlung etc.)
Inhaltsverzeichnis
Energetischer Vergleich
Der Wärmequelle bei einer Wärmepumpenanlage kommt entscheidende Bedeutung zu. Die Wärmepumpe arbeitet nur so gut wie die Wärmequelle. 1 K höhere Quellentemperatur bedeutet rund 2.5 % geringerer Verbrauch der Wärmepumpe um die gleiche Wärmemenge bereitzustellen. Die Temperatur der Wärmequelle ist also eine entscheidende Grösse. Dabei ist auch dessen jahreszeitlicher Verlauf zu beachten. Eine Wärmequelle, die genau dann kalt ist wenn man sie am meisten braucht (Winter) ist schlechter als eine mit konstanter Temperatur auch wenn im Jahresdurchschnitt die Temperaturen gleich sind. Ein weiteres Kriterium ist, wie gut die Wärme vom Quellmedium auf das Kältemittel übertragen werden kann.
Luft
Letzterer Punkt ist einer der Gründe warum Luft im energetischen Vergleich am schlechtesten abschneidet. Die Wärmeübertragung von Luft ist vergleichsweise schlecht im Vergleich zu Flüssigkeiten (Sole oder Wasser Wärmepumpen). Bei gleicher Temperatur führt daher Luft als Wärmequelle zu einer tieferen Verdampfertemperatur als ein flüssiges Übertragungsmedium und damit schlechterer Leistungszahl. Zudem kondensiert Luftfeuchtigkeit am Verdampfer der Wärmepumpe was zu Vereisung führen kann. Das Eis muss regelmässig abgetaut werden, was Nutzenergie verbraucht. Die Heizung läuft genau dann am längsten wenn die Aussenluft die tiefsten Temperaturen aufweist.
Erdboden
Der Erdboden dient als saisonaler Wärmespeicher. Sonnenwärme vom Sommer wird gespeichert und kann im Winter genutzt werden. Erdwärmekollektoren in 1-2 m Tiefe können dabei nur auf einen verhältnismässig geringes Erdvolumen zurückgreifen, das zudem über die Erdoberfläche an Wärme verliert. So liegen die ungestörten Erdreichtemperaturen in rund 1 m Tiefe im Winter nur wenige °C über dem Gefrierpunkt. Durch die Belastung des Kollektors sinkt diese Temperatur weiter ab, es kann sogar zu Eisbildung kommen. Im Sommer hingegen steigt die Bodentemperatur teilweise gegen 20 °C. Nur besteht an dieser Wärme ausser zur Warmwasserbereitung kaum Bedarf. Ähnliche Verhältnisse herrschen bei Erdwärmekörben oder Grabenkollektoren
Ab einer Tiefe von ungefähr 10 m treten keine saisonalen Schwankungen der Bodentemperaturen mehr auf. Erdwärmesonden nutzen die Wärme ab dieser Tiefe bis zu 300 m unter der Erdoberfläche. Die Temperatur nimmt mit der Tiefe um rund 3K/100 m zu was sich bei langen Sonden positiv auf die Soletemperatur auswirkt. Durch die jahreszeitlich konstante Temperatur des ungestörten Erdreichs sinkt die Soletemperatur einer Erdsondenanlage im allgemeinen weniger stark als bei einem Erdwärmekollektor und die Effizienz verbessert sich im Vergleich mit diesem. Die Soletemperatur ist primär von der Belastung abhängig, da ein erhöhter Wärmefluss auch einen erhöhten Temperaturgradienten verlangt. Aber auch eine überlastete Erdwärmesonde kann vereisen. Im Sommer liegt die Soletemperatur tiefer als bei einem Erdwärmekollektor. Erdwärmesonden regenerieren sich im Gegensatz zu Erdkollektoren nicht mehr vollständig. Die Temperatur sinkt stetig, allerdings sehr langsam, nur wenige K über Jahrzehnte [ EUGSTER00 ]. Der stärkste Abfall tritt im ersten Jahr auf. Erdwärmesonden können auch zur passiven Kühlung eingesetzt werden was den Abfall der Temperatur verzögern kann.
Wasser
Grundwasser ist in den meisten Fällen die effizienteste Wärmequelle da es die höchsten und konstantesten Temperaturen der verglichenen Quellen aufweist. Grundwassertemperaturen von 10-15 °C, selten noch höher, sind möglich. Da die Entnahme des Grundwassers und deren Rückführung an unterschiedlicher Stelle erfolgt, wird der Boden bei der Entnahme nicht abgekühlt. Es fliesst immer wieder warmes Wasser nach. Das Grundwasser behält so auch bei starker Entzugsleistung eine konstante Temperatur.
Allerdings ist die Erschliessung meist mit hohem energetischen Aufwand verbunden, da die Grundwasser Förderpumpen eine hohe Leistungsaufnahme aufweisen. Ohne Optimierung der Förderpumpe liegt die Effizienz von Grundwasser Wärmepumpen daher im ähnlichen Bereich wie Erdsondenanlagen.
Wasser aus Seen oder Flüssen kann ebenfalls genutzt werden. Dessen Temperatur kann im Winter jedoch nahe dem Gefrierpunkt sinken, ist daher nicht so effektiv wie Grundwasser.
| Typ | JAZ (SD) |
| Luft/Wasser | 2.6 (0.4) |
| Sole/Wasser | 3.4 (0.7) |
| Wasser/Wasser | 3.4 (0.7) |
Tabelle 1: Jahresarbeitszahlen von Wärmepumpenanlagen je nach Wärmequelle (Mittel aller Anlagen und in Klammer Standardabweichung), aus [ FAWA04 ].
Prozessabwärme
Abwärme aus verschiedenen Prozessen lässt sich mit der Wärmepumpe nutzen. Ein paar Beispiele:
Abwärme aus Kühlanlagen läst sich für Heizzwecke oder zur Warmwasserbereitung nutzen. Das Kühlaggregat fungiert gleichzeitig als Wärmepumpe.
Die im Abwasser gespeicherte Energie kann ebenfalls gewinnbringend genutzt werden. Wärmetauscher in der Abwasserleitung kühlen das Abwasser ab. Solche Anlagen werden vorwiegend in grösseren Bauten und Überbauungen eingesetzt. Es werden auch grössere Mengen Abwasser benötigt.
Die Wärme in der Abluft kann mit Abluftwärmepumpen zurückgewonnen werden. Diese Technik findet in Passivhäusern ihren Einsatzbereich. Da in der Abluft nur wenig Wärme enthalten ist, sind die Heizleistungen der Abluft Wärmepumpen mit 1-3 kW gering. Alternativ kann die Wärme in der Abluft mittels Wärmetauschern an die Zuluft übertragen werden.
Finanzieller Vergleich, Aufwand
Die Erschliessung von Luft als Wärmequelle ist fast kostenlos. Einzig Rohre für die Luftführung müssen verlegt werden bei Innenaufstellung der Wärmepumpe. Bei Aussenaufstellung fällt auch das weg. Aufgrund des Leistungsabfalls bei tiefen Aussentemperaturen muss die Wärmepumpe grösser dimensioniert werden als eine Sole/Wasser Wärmepumpe oder es muss eine Zusatzheizung eingebaut werden. Beides führt zu Mehrkosten beim Gerät.
Die Erschliessung der restlichen Wärmequellen ist mit mehr oder weniger hohen Kosten verbunden. Erdkollektoren gehören dabei zu den kostengünstigsten Varianten. Die genauen Kosten hängen von der Verlegetiefe, der Bodenbeschaffenheit und einiger anderer Faktoren ab und können dadurch stark schwanken. Sie brauchen auch eine grosse Fläche, die nicht mehr bebaut werden kann. Der dadurch allenfalls entstehende Wertverlust sollte auch eingerechnet werden (z.B. kein Anbau mehr möglich). Erdsonden sind teuerer, der Bohrmeter kostet um 80-110 Fr. Bei durchschnittlichem Boden und normaler Auslegung entspricht dies rund 1'600 - 2’200 Fr/kW. Erdwärmekörbe oder Grabenkollektoren können bei knappen Platzverhältnissen eine Alternative sein. Es muss weniger Fläche umgegraben werden. Die Gesamtkosten für Erdwärmekörbe liegen im Bereich von 1'600 - 2'000 Fr/kW [ BASSETTI05 ] und damit etwas tiefer als bei Erdsonden. Ab Leistungen von ca. 12 kW sind Erdsonden günstiger als die Körbe.
Nebst den Investitionskosten müssen auch die Betriebskosten verglichen werden. Diese gehen mit der Effizienz der Gesamtanlage einher, je effizienter desto billiger. Daher haben Luft/Wasser Anlagen in Schnitt höhere Betriebskosten als Sole/Wasser oder Wasser/Wasser Anlagen. Die Unterhaltskosten sind für alle Typen sehr gering. Die Störungsanfälligkeit bei Luft/Wasser Wärmepumpen ist etwas höher als bei Sole Anlagen [ FAWA04 ].
Auswahl
Die Nutzung gewisser Wärmequellen kann je nach Gegebenheiten eine Bewilligung erfordern, behördlichen Auflagen unterliegen oder ganz untersagt sein.
Aufgrund der verschiedenen Faktoren die je nach Situation anders gewichtet sind, kann nicht eine Wärmequelle generell als die am besten geeignete empfohlen werden. Es muss situativ entschieden werden, welche die optimale ist. Dabei ist es auch entscheidend, was einem wichtig ist, eine effiziente Anlage die bei der Investition auch etwas mehr kosten darf dafür im Betrieb Kosten spart oder minimale Investitionskosten bei jedoch geringerer Effizienz und höheren Betriebskosten. In fast allen Fällen muss dieser Kompromiss getroffen werden. Im Gegensatz zu den Investitionskosten lassen sich die Betriebskosten nur schwer kalkulieren. Die künftige Entwicklung der Energiepreise ist nicht absehbar. Eine deutliche Steigerung in den nächsten Jahren ist wahrscheinlich. Aus diesem Gesichtspunkt wäre eine teurere Investition mit kalkulierbaren Kosten empfehlenswerter als eine vorerst günstige Lösung mit unbekannter Kostenentwicklung.
Schlussendlich liegt es auch in unserer Verantwortung zur Umwelt Sorge zu tragen, damit auch unsere Kinder in einer einigermassen intakten Welt leben können. Auch aus dieser Sicht ist eine effiziente Wärmequelle zu empfehlen.
Dimensionierung
Nicht nur die Wahl, sondern vor allem auch die Dimensionierung der jeweiligen Wärmequelle entscheidet über die Effizienz der Gesamtanlage.
Zur Dimensionierung siehe in den jeweiligen Kapiteln:
