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Fossile Brennstoffe wie Kohle, Öl und Gas entstanden in Millionen von Jahren. Bei der derzeitigen Entwicklung der Schwellenländer wie Indien, China u.a. werden die Ressourcen dieser kostbaren Rohstoffe innerhalb kurzer Zeit verbraucht sein. Neben der Nutzung von Einsparungspotenzialen ist die Wärmeversorgung von Immobilien mittels Umweltwärme möglich.

Die Strahlungsenergie der Sonne selbst bzw. die in der Natur gespeicherte Sonnenwärme wird verstärkt und langfristig zur Energieversorgung herangezogen werden müssen. Die vorhandenen Techniken bieten heute bereits Lösungen, um Erneuerbare Energien zu gewinnen. Solarthermische Anlagen und Wärmepumpen können unabhängig von schwindenden Rohstoffen die fossilen Brennstoffe für die Gebäudeheizung ersetzen. Großflächige Photovoltaik-
anlagen oder eine Vielzahl kleiner Anlagen dienen der Stromerzeugung. Die Wärmepumpentechnik hat sich in den letzten Jahren wesentlich weiterentwickelt.

Prinzip der Wärmepumpe
Das Prinzip der Wärmepumpe besteht darin, aus Umweltwärme Nutzwärme zur Gebäudeerwärmung oder Trinkwassererwärmung zu erzeugen. Wärmequellen sind: Grundwasser, Erdreich, Erdkruste und die Außenluft. Die enthaltene Wärme wird entzogen und mithilfe der Wärmepumpe dem Heizkreis oder der Erwärmung des Trinkwassers zugeführt. Durch Umkehrung des Prozesses kann diese im Sommer zum Kühlen des Gebäudes verwendet werden. Man spricht von einem
reversiblen Betrieb, wenn die Wärmepumpe diese Funktion erfüllt.

Funktionsweise der Wärmepumpe
Die Wärmepumpe ist eine Geräteeinheit, die die Temperatur des Arbeitsme-
diums (Kältemittel) von einem niedrigen Niveau mithilfe von Zusatzenergie (Strom) auf ein höheres Temperaturniveau anhebt. Ein geeignetes Kältemittel wird durch einen Kompressor verdichtet, wodurch sich dessen Temperatur erhöht. Die Wärme wird mittels eines Wärmetauschers an das Heizsystem übertragen. Das Kältemittel wird wieder entspannt (druckreduziert), wodurch dessen Temperatur erheblich abfällt. Entsprechend der Bauart wird das Kältemittel mittels Wärmetauscher
direkt oder indirekt an oder durch eine Wärmequelle erwärmt. Der Druck steigt wieder an, der Kompressor erhöht diesen weiter und die Temperatur steigt erheblich an.
Dieser „physikalische“ Vorgang – Wechsel von Wärmeaufnahme (Druckerhöhung) und -abgabe (Druckabfall) – ermöglicht den Wärmeentzug. Da der Wärmeertrag in kW
höher ist als die zugeführte elektrische
Leistung in kW, ergibt sich ein positives Wärmeertragsverhältnis.
Als Wärmequelle wird der Umgebung auf „niedrigem“ Temperaturniveau Wärme entzogen. Bei der Luft sind es
2 – 5°C, beim Erdreich und Grundwasser etwa 10°C. Im Wärmepumpen-Kreislauf nimmt das Kältemittel, das Temperaturen von -20°C oder noch tiefer besitzt, diese Wärme auf. Die Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Kältemittel hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistungszahl.
Das Bild soll die Arbeitsweise näher veranschaulichen. Das flüssige Kältemittel (Arbeitsmedium) befindet sich bei geringem Druck im Verdampfer (1). Dort nimmt das Kältemittel (z.B. -20°C) die Wärme aus der Wärmequelle (z.B. 15°C) auf. Es verdampft auf eine Temperatur von z.B. -10°C. Der Verdichter (2) saugt das nun gasförmige Arbeitsmedium aus dem Verdampfer ab und verdichtet es. Die Druckerhöhung bewirkt eine erhebliche Temperaturerhöhung auf z.B. +50°C.
Vom Verdichter (2) gelangt der Dampf in den zweiten Wärmetauscher (Verflüssiger, 3), der vom Heizwasser umspült ist. Die aufgenommene Wärme sowie die durch das Verdichten zugeführte Energie werden an das Heizwasser abgegeben. Das Kältemittel kondensiert durch die Wärmeabgabe und wird wieder flüssig.
Danach gelangt das Arbeitsmedium über das Expansionsventil (4) in den Verdampfer zurück. Es wird hierbei auf den niedrigen Druck entspannt und kühlt stark ab. Der Kreislauf beginnt von vorne.
Je größer die Temperaturdifferenz des Kältemittels zum Medium der Wärmezufuhr ist, desto höher ist die Leistungszahl der Wärmepumpe. Heutige Wärmepumpen haben Leistungszahlen von 4 bis 6. Dies bedeutet, dass für die Einbringung von 1 kW elektrischer Leistung der vier- bis sechsfache Ertrag (4 – 6 kW) an das Heizsystem abgegeben wird.

Wärmequellen

Grundwasser
Das Grundwasser wird über einen Förderbrunnen erschlossen, direkt über eine Wärmepumpe geleitet, die Wärme entzogen und das Wasser in einem Schluck-
oder Sickerbrunnen dem Grundwasservorkommen wieder zugeführt. Es sind zwei Brunnen notwendig. Förder- und Schluckbrunnen müssen in ausreichen-
dem Abstand voneinander in Grundwasserfließrichtung erstellt werden, um einen „Temperaturkurzschluss“ und eine damit verbundene Abnahme der Wärmeentzugsleistung zu verhindern. Das Grundwasser darf nicht zu anderen Zwecken entnommen oder dessen Qualität gefährdet werden. Die Nutzung des Grundwassers muss durch die zuständige Behörde genehmigt werden.
Als Alternative zum Schluckbrunnen kann die Rückführung auch über ein Versickerungssystem erfolgen. Die Versickerungsleistung ist jedoch sicherzustellen.

Erdreich (Sonden)
Es werden eine oder mehrere Sonden bis zu 100 m Tiefe in den Boden eingelassen. Anschließend wird der Hohlraum zwischen den Sondenrohren und der Bohrungswand mit Füllstoff verpresst. Das in den Sonden zirkulierende Wasser-/Frostschutzmittel-Gemisch (Sole) nimmt die Wärme auf. Die abgekühlte Sole wird erneut in den Kreislauf zurückgeführt. Für die Bohrungen sollte ein zertifiziertes Bohrunternehmen beauftragt werden.
Ein stark mit Wasser angereicherter Lehmboden eignet sich besonders gut als Wärmequelle. Ist der Boden stark sandig und trocken, kann weniger Wärme entzogen werden. Der Boden regeneriert sich im Sommer wieder, d.h. er nimmt wieder Wärme auf. Diese steht dann in der folgenden Heizperiode zur Verfügung.
Fachlich richtig ausgeführt haben derartige Anlagen eine Lebensdauer von 30 und mehr Jahren.

Erdreich (Kollektoren)
Großflächig verlegte Kunststoffrohrkollektoren werden unter der Erdoberfläche in die oberste steinfreie Erdschicht in Tiefen von ca. 1,2 bis 1,5 m verlegt. Die einzelnen Rohrstränge, in denen die frost-
sichere Wärmeträgeflüssigkeit (Sole) zirkuliert, sollten nicht länger als 100 m sein. Alle Teilstrecken sollten die gleichen Durchströmungsbedingungen (hydraulischer Abgleich) erreichen, um so dem Boden die Wärme gleichmäßig zu entziehen. Die Rohrenden werden in höher gelegenen Vor- und Rücklaufsammlern (Verteiler)
zusammengefasst und bilden zusammen
den Kollektor. Die Flächen über den Kollektoren darf nicht überbaut oder versiegelt werden.
Steht keine ausreichend große Fläche zur Verfügung, können mithilfe einer Regenwasser-Versickerungsanlage spezielle Kollektoren, die künstlich feucht gehalten werden, eingebaut werden. Hierdurch steigt die Energiedichte und Wärmeleitfähigkeit des Bodens an.

Umgebungsluft
Hier wird die Außenluft zur Wärmegewinnung genutzt. Sie wird angesaugt, im Verdampfer der Wärmepumpe abgekühlt und wieder an die Umgebung abgegeben. Bis zu -15°C kann noch Wärme nutzbar gemacht werden. Es sind jedoch selbst für kleinen Wärmebedarf große Luftvolumen von 3000 bis 4000 m³/h erforderlich. Die Zu- und Abluftführung zur Wärmepumpe erfolgt durch Kanäle oder Schläuche.
Zur Abdeckung des Spitzenwärmebedarfes im Winter ist ein konventioneller Wärmeerzeuger oder ein elektrischer Heizstab notwendig. Dies ergibt sich zwangsläufig aus niedrigen Lufttemperaturen bei steigendem Wärmebedarf.
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind sowohl für Außen- als auch für Innenaufstellung möglich. Sie können je nach Bauart im Umluft- oder Abluftbetrieb genutzt werden.

Wärmerückgewinnung
Die Wärmepumpe wird in Verbindung mit einer Anlage zur kontrollierten Wohnraumlüftung eingesetzt. Die Wärme, die vom Kreuzstromwärmetauscher nicht verwertet werden kann, wird aus der Abluft über die Wärmepumpe weiter entzogen und zur Erwärmung der Zuluft oder zur Trinkwassererwärmung genutzt.

Kühlung
Wärmepumpen können auch zur Kühlung eingesetzt werden. Hierbei werden zwei unterschiedliche Methoden unterschieden:

Umkehrbarer Betrieb
Die Funktionsweise der Wärmepumpe wird reversibel (umgekehrt), sodass sie wie ein Kühlschrank arbeitet. Hierzu ist die Wärmepumpe mit einem 4-Wege-Ventil und einem 2. Expansionsventil ausgestattet. Die Umschaltung kann durch das 4-Wege-Ventil erfolgen. Die Förderrichtung kann so beibehalten werden.

Direkte Kühlung
Die Soleflüssigkeit nimmt über einen Wärmetauscher die Wärme aus dem „Heizkreis“ auf und führt sie nach außen oder in das Erdreich ab. Flächen, die zuvor der Wärmeabgabe dienten, sammeln nun diese ein und kühlen so die Umgebung. Gut geeignet hierfür sind Fußbodenheizungen, Kühldecken oder Gebläsekonvektoren. Zur Vermeidung von Gebäude- bzw. Feuchteschäden ist eine Taupunktüberwachung einzubauen, die eine Abkühlung unter 15 bzw. 18°C vermeidet.

Planung der richtigen Wärmepumpe
Hier sind die einzelnen Planungsschritte für die Ermittlung einer Wärmepumpenanlage zusammengetragen:
1. Heizenergie- und Warmwasserbedarf (Kühlbedarf) ermitteln,
2. Wärmeübergabeart festlegen (Heizkörper/Fußbodenheizung),
3. Systemtemperaturen festlegen,
4. evtl. Zusatzfunktionen wie Kühlen/Lüften als Komfortmöglichkeiten prüfen,
5. Aufstellungsort der Wärmepumpe festlegen (innen/außen),
6. Transportweg der Anlage überprüfen (Außenflächen, Türen, Treppen),
7. Bauliche Gegebenheiten und Platzverhältnisse prüfen:

• Evtl. Genehmigungsverfahren beachten (Erdsonde/Brunnen),
• Statik Wanddurchführung prüfen, Fundament bei Außenaufstellung vorsehen,
• Geräuschbelästigung beachten.

8. Wärmepumpe unter Beachtung der Punkte 1 bis 6 auswählen, u.a.:

• Dimensionierung (Leistungsbestimmung) der Wärmepumpe,
• Betriebsweise,
• Wärmequelle,
• Volumen des Trinkwasserspeichers dimensionieren,
• Sperrzeiten berücksichtigen.

9. Fördermöglichkeiten prüfen (staatlich/örtlich durch das EVU),
10. Elektroinstallation vorsehen

• Zählerantrag,
• erforderliche Leitungen,

11. Bohrfirma auswählen und beauftragen (Sonden dimensionieren).

Literaturhinweise: Viessmann Werke GmbH & Co. KG, Allendorf
Stiebel Eltron GmbH & Co. KG, Holzminden