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Sole-Wasser-Wärmepumpe: Wärmegewinnung aus dem Erdreich

Die Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt als Energiequelle die Erdwärme. Das Erdreich ist nämlich ein hervorragender Speicher thermischer Energie. Die Temperaturen liegen das ganze Jahr zwischen sieben und 13 Grad Celsius. Das gilt auch für die kalte Jahreszeit; selbst dann noch, wenn die obere Erdschicht vereist ist. Die tieferen Regionen bleiben davon unberührt, sodass die Funktionsfähigkeit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe niemals wirklich gefährdet ist. Um diese Wärme für den Betrieb einsetzen zu können, gibt es zwei Varianten der Gewinnung: sogenannte Erdsonden und Erdkollektoren wie zum Beispiel Flächenkollektoren.

Erdsonden: Wärme aus tieferen Erdschichten

Erdsonden werden bis zu einer Tiefe von 40 bis 100 Metern in das Erdreich eingebracht, weshalb der Platzbedarf vergleichsweise gering ist. Die Sonden werden durch eine Bohrung vertikal in die Erde eingelassen. In seltenen Fällen erfolgt eine tiefere Bohrung, die jedoch einer Zulassung durch die Bergbehörde bedarf. Grundsätzlich unterliegen Tiefenbohrungen für Erdsonden bergrechtlichen Bestimmungen und müssen der zuständigen Bergbehörde gemeldet werden. Die Tiefenbohrung für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe erfordert außerdem einen hydrogeologisch einwandfreien Standort. Das bedeutet, dass er den Vorgaben nach dem Wasserhaushaltsgesetz genügen muss. Eine Genehmigung für die Wärmepumpe durch die untere Wasserbehörde wird nicht erteilt, wenn durch die Bohrarbeiten das Grundwasser gefährdet wird.

Erdkollektoren: Wärme aus der oberflächennahen Erdschicht

Im Gegensatz zu Erdsonden sind Erdkollektoren horizontal und großflächig angeordnet. Sie werden in einer Tiefe von mindestens 0,8 bis 1,5 Metern schlangenförmig im Erdboden verlegt, also unterhalb der Frostgrenze, um ein Einfrieren in der kalten Jahreszeit zu vermeiden. Der Abstand zwischen den einzelnen Rohren beträgt 0,6 bis 0,8 Meter. Diese großflächige Variante der Sole-Wasser-Wärmepumpe hat einen Platzbedarf, der sich an der Größe der zu beheizenden Fläche orientiert. Als Faustformel für die Berechnung der Fläche für Erdkollektoren wird die zu beheizende Quadratmeterfläche verdoppelt. Platzsparender sind Grabenkollektoren. Diese lassen sich bei Bedarf auch senkrecht verlegen und nehmen dadurchnur wenig Platz in Anspruch.

Tipp: Leistung der Erdkollektoren erhöhen

Die Sole-Wärmepumpe entzieht dem Boden in der Regel Solarwärme. Geht es darum, die Entzugsleistung der Kollektoren zu erhöhen, lohnt es sich, Regenwasser auf den jeweiligen Flächen versickern zu lassen. Denn das erhöht die Wärmespeicherfähigkeit der Erdschichten und die Effizienz der Wärmepumpenheizung. Diese verbraucht dadurch weniger Strom oder Gas und die Heizkosten sinken. Günstig ist außerdem die Kombination der Heizung mit einer groß ausgelegten Solaranlage. Diese schickt den ganzen Sommer überschüssige Wärme in das Erdreich und erhöht somit die Quelltemperatur. Im Winter entzieht die Wärmepumpenanlage die thermische Energie mit hohen Temperaturen und arbeitet besonders sparsam.

Das Funktionsprinzip einer Sole-Wasser-Wärmepumpe im Detail

Möglich wird das mit dem sogenannten Solekreis. Dieser besteht aus langen Kunststoffrohren, die das Erdreich mit der Heizung verbinden. Um die Energie aus dem Erdreich zu transportieren, fließt Sole durch die Leitungen. Die Flüssigkeit besteht aus Wasser und Frostschutzmittel und friert selbst bei Temperaturen unter null Grad Celsius nicht ein. Sie nimmt die thermische Energie aus dem Erdreich auf und wird dadurch selbst wärmer. An einem Wärmeübertrager der Heizung gibt sie die Energie wieder ab. Dabei sinkt die Temperatur der Sole und der Kreislauf kann von vorn beginnen. Um einen hohen Stromverbrauch der Solepumpe zu vermeiden, unterteilt man die Leitungen in einzelne Kreise. Diese verbinden die Kollektoren mit einem Verteiler, der wiederum an die Sole Wärmepumpe angeschlossen ist. Der Verteiler oder Sammler ähnelt dabei dem einer Flächenheizung.

Temperaturhub in der Sole-Wärmepumpe

Je nach Bodenbeschaffenheit und Art des Kollektors beträgt die Temperatur der Umweltenergie rund fünf bis zehn Grad Celsius. Da diese aber nicht ausreicht, um ein Gebäude zu beheizen, muss das Niveau technisch angehoben werden. Hier ist entscheidend, dass die Effizienz einer Sole-Wärmepumpe steigt, je niedriger der Unterschied zwischen den Temperaturen der Quelle und des Heizsystems ist. Übrigens: Die Effizienz lässt sich mit der Leistungszahl (COP) oder der Jahresarbeitszahl (JAZ) angeben. Während der COP nur eine Momentaufnahme darstellt, beinhaltet die JAZ alle Gewinne und Verluste eines Jahres.

Wärmeverteilung im Gebäude

Nach dem Temperaturhub über den Wärmepumpenprozess lässt sich die Wärme im Haus nutzen. Wie bei einem konventionellen Kessel erwärmt sie dabei das Heizwasser, das die Energie im gesamten Haus verteilt. Damit die Heizkosten besonders niedrig ausfallen, lohnt sich die Kombination der Sole-Wärmepumpe mit einer Flächenheizung. Denn diese erwärmt das Haus mit niedrigen Oberflächentemperaturen, wodurch der Strom- oder Gasverbrauch sinkt. Wichtig: Arbeitet die Sole-Wasser-Wärmepumpe dagegen mit herkömmlichen Heizkörpern in einem Haus in energetisch schlechtem Zustand, können die Heizkosten sogar steigen. Geht es um die Warmwasserbereitung, lohnt es sich, die Sole-Wärmepumpe mit einer Solaranlage zu kombinieren. Denn diese sorgt mit kostenfreier Solarwärme für warmes Trinkwasser und entlastet die Wärmepumpenanlage. Wie das im Detail funktioniert, erklären wir im Beitrag „Solaranlage zur Warmwasserbereitung“.

Die Vorteile einer Sole-Wasser-Wärmepumpe

Im Vergleich zu anderen Typen der Wärmepumpe, der Luft-Wärmepumpe oder der Wasser-Wasser-Wärmepumpe, verfügt die Sole-Wasser-Wärmepumpe über einige Vorteile:
  • Zur Wärmegewinnung stehen gleich mehrere Absorber-Systeme zur Verfügung. Dazu gehören Erdkollektoren, Grabenkollektoren oder Erdsonden.
  • Bei der Nutzung von Erdkollektoren oder Grabenkollektoren ist keine behördlichen Genehmigungen (zum Beispiel die Untere Wasserbehörde bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe) notwendig.
  • Die Erdwärme als Energiequelle ist im Vergleich zur Umgebungsluft im Winter sehr hoch (circa zehn Grad Celsius und das konstant).
  • Auch die staatlichen Fördersummen für Sole-Wasser-Wärmepumpen sind deutlich höher als die für Luft-Wasser-Wärmepumpen.
  • Mit einer Wärmepumpe Sole-Wasser ist es möglich, nicht nur zu heizen und Brauchwasser aufzubereiten, sondern bei hochsommerlichen Temperaturen auch zu kühlen.