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Wärmequellen

Wärmepumpen nutzen verschiedene Wärmequellen, aus denen sie die Umweltenergie beziehen. Die wichtigsten Wärmequellen sind die Erdwärme, das Grundwasser sowie die Außen- bzw. Abluft. Analog dazu unterscheidet man zwischen Sole/Wasser-, Wasser/Wasser- und Luft/Wasser-Wärmepumpen. Aber auch alternative Wärmequellen werden zunehmend genutzt.

Je nach Wärmequelle unterscheiden sich die Investitions- und Betriebskosten sowie die baulichen, geologischen/hydrologischen und rechtlichen Anforderungen.

 

 

Erdwärme

 

Bei der Nutzung von Erdwärme, auch oberflächennahe Geothermie, zapft man die im Erdreich gespeicherte Wärme an. Dafür stehen zwei verschiedene Wärmequellanlagen zur Verfügung: vertikale Erdwärmesonden oder horizontale Erdwärmekollektoren. Beide Anlagen zählen zu den sogenannten geschlossenen Systemen.


 

 

Erdwärmesonden

 

Bei Erdwärmesonden fließt eine frostsichere Flüssigkeit, die Sole, durch ein u-förmiges Kunststoffrohr in einem senkrechten Bohrloch. Dadurch benötigen sie nur wenig Fläche – der Bohrlochdurchmesser ist etwa so groß eine CD. Da ab einer Tiefe von 10 Metern die Temperatur das ganze Jahr über nahezu konstant und damit von saisonalen Schwankungen unabhängig ist, ist die Erdwärmesonde insbesondere im Winter bei tiefen Temperaturen sehr effektiv und gut für den monovalenten Betrieb geeignet. Im Sommer eignen sie sich hervorragend für die passive Kühlung. Die notwendige Länge der Sonde und damit die Tiefe der Bohrung hängt vom Wärmebedarf und der Wärmeleitfähigkeit des Bodens ab. Bei einem neuen Einfamilienhaus liegt sie im Durchschnitt bei rund 100 Metern. Erdwärmesonden können, außer in Wasserschutzgebieten, fast überall eingesetzt werden. Die Installation ist jedoch genehmigungspflichtig. Die erforderlichen Genehmigungen besorgt in der Regel der Bohrunternehmer; der Auftraggeber sollte dies im Leistungsumfang explizit vereinbaren.


 

Erdwärmekollektoren

 

Kollektoren arbeiten mit einem waagerechten Rohrsystem, das unter der Erde ähnlich einer Fußbodenheizung in Schlangen verlegt ist. Dieses befindet sich unterhalb der Frostgrenze in einer Tiefe von rund 1,5 Metern. Die Fläche, die der Kollektor benötigt, hängt hauptsächlich von der Größe der zu beheizenden Fläche und der Regenwasserdurchlässigkeit des Bodens ab; in der Regel liegt sie beim Eineinhalbfachen der Heizfläche. Die Fläche über dem Kollektor darf nicht versiegelt oder bebaut werden, damit der Boden sein Energiereservoir durch die Sonneneinstrahlung oder Regenwasser wieder auffüllen kann. Auch tiefwurzelnde Pflanzen, wie z.B. Bäume, sollten dort nicht gepflanzt werden, da sie das Rohrsystem beschädigen können. Anders als Erdwärmesonden sind Kollektoren nicht genehmigungs-, sondern lediglich anzeigepflichtig. Durch den geringeren Aufwand bei der Erschließung spart man bei Erdwärmekollektoren gegenüber einer Sonde in der Regel Kosten. Sie stellen damit eine gute Alternative dar, wenn Sonden nicht oder nur mit hohen Auflagen genehmigt werden.

 

 

 

 

Grundwasser


 

Selbst an kältesten Tagen liegen die Grundwassertemperaturen konstant bei rund 10°C. Wenn Grundwasser in ausreichender Menge, Temperatur und Qualität und in nicht zu großer Tiefe vorhanden ist, kann man diese Wärmequelle mit einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe erschließen.

 

Das Wasser wird über einen Förderbrunnen an die Oberfläche gepumpt, wo die Wärmepumpe ihm einen Teil der thermischen Energie entzieht. Anschließend wird das Wasser über einen Schluckbrunnen wieder in das unterirdische Grundwasserreservoir zurückgeleitet. Im Sommer kann man mit dieser Technik auf energiesparende Weise passiv kühlen. Die Effizienz dieser Anlagen ist aufgrund der konstanten Quelltemperaturen hoch.

 

Die Nutzung des Grundwassers als Wärmequelle ist genehmigungspflichtig. Aufgrund des verhältnismäßig hohen Planungs- und Erkundungsaufwandes – für den Bau sind Kenntnisse der hydrogeologischen und hydrochemischen Verhältnisse vor Ort entscheidend – und des relativ großen Anteils von Hilfsenergie für die Wasserpumpen, lohnt sich der Einsatz einer Grundwasser-Heizung vor allem für größere Objekte mit einem hohen Heiz- und Kühlbedarf.

 

 

 

Außen- und Abluft

 

Neben dem Wasser und dem Erdboden kann auch Luft als Wärmequelle für eine Wärmepumpe dienen. Luft als Wärmequelle kann extrem einfach und nahezu überall erschlossen werden. Hierfür sind keine Bohrungen, Grabungen oder besonderen Genehmigungen erforderlich. Allerdings sind baurechtliche Vorschriften hinsichtlich des Lärmschutzes zu beachten. Nähere Informationen dazu finden Sie in unserem Leitfaden Schall.


 
 

 

Außenluft

 

Besonders effizient arbeiten Luft/Wasser-Wärmepumpen im Sommer bei hohen Außentemperaturen. Aber auch im Winter, wenn die Außentemperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, kann sie zur Raumheizung oder Warmwasserbereitung genutzt werden. Denn solange die Außentemperatur höher liegt als der Siedepunkt des verwendeten Kältemittels, kann die Anlage Wärme liefern. Im Vergleich mit erdgekoppelten Systemen arbeiten Luft/Wasser-Wärmepumpen aber im Winter, wenn der Heizbedarf am größten ist, etwas weniger effizient und benötigen mehr Antriebsenergie. Im Gegenzug fallen die Investitionskosten aufgrund der weniger aufwendigen Wärmequellenerschließung geringer aus. Luft/Wasser-Wärmepumpen können sowohl außen als auch innen aufgestellt werden.

 

Abluft

 

Ähnlich wie Grundwasser und das Erdreich ist Abluft eine Wärmequelle, die das ganze Jahr über auf einem ähnlich hohen Temperaturniveau zur Verfügung stellt. Abluft-Wärmepumpen nutzen die thermische Energie, die die Raumluft durch das Wärmeverteilsystem (Heizkörper, Flächenheizungen), aber auch durch Beleuchtung, elektrische Geräte oder Körperwärme aufnimmt. Diese geht in der Regel beim Lüften durch die Fenster verloren. Durch ein System mit kontrollierter Wohnungslüftung, Wärmerückgewinnung und Abluft-Wärmepumpe lässt sich diese bereits erzeugte und normalerweise verlorene Energie recyceln. Zusätzlich kommt es zu einer anteiligen Nutzung von Energie aus der Außenluft, da die Temperatur der nach außen geführten Abluft im Mittel niedriger ist als die Temperatur der in das Gebäude nachströmende Außenluft


 
 

 

Sonstige Wärmequellen

 

Neben den klassischen Wärmequellen Geothermie, Grundwasser und Luft werden zunehmend auch alternative Wärmequellen eingesetzt.

 

Solar-Eisspeicher

 

Ein Solar-Eisspeicher ist eine im Erdboden vergrabene, mit Wasser gefüllte Betonzisterne, in der innen Leitungen verlegt sind. Durch diese fließt eine frostsichere Flüssigkeit, die dem Wasser im Speicher die Wärme entzieht. Selbst wenn die Temperatur des Wassers unter den Gefrierpunkt sinkt, kann das System weiter Energie gewinnen.

 

Im Verlauf des Gefrierprozesses, während dem die Temperatur des Wassers konstant bei 0°C liegt, wird die so genannte Kristallisationswärme frei. Die Energie, die das Wasser in dieser Phase freisetzt, ist enorm. Mit der Wärme, die das Wasser während des Gefrierprozesses bis zur vollständigen Erstarrung abgibt, könnte man dieselbe Menge Wasser von 0 auf 80°C erhitzen.

 

Das Wärmereservoir des Eisspeichers wird von einer auf dem Dach befindlichen einfachen Solarthermie-Anlage konstant wieder aufgeladen. Auch aus dem Erdboden bezieht der Speicher beständig Wärme. Neben der Heizung und ganzjährigen Warmwasserbereitung eignet sich das System besonders gut zur Gebäudekühlung im Sommer. Zu diesem Zweck wird die Wärme aus dem Gebäudeinneren in dem Speicher zwischengelagert, um später wieder zu Heizzwecken zur Verfügung zu stehen.

 

Abwasser

 

Die Abwassertemperatur beträgt im Jahresverlauf 10 bis 20°C, so dass es eine hervorragende Wärmequelle abgibt. Da es im Sommer kühler, im Winter jedoch deutlich wärmer als die Außentemperatur ist, kann es sowohl zum Heizen als auch zur Kühlung eingesetzt werden. Durch einen Wärmetauscher wird dem Abwasser Energie entzogen, die dann von der Wärmepumpe zum Heizen nutzbar gemacht wird.

 

Besonders günstig sind die Voraussetzungen dort, wo in der Nähe großer Abwasserkanäle oder Kläranlagen Gebäude mit einem hohen Wärmebedarf stehen, wie zum Beispiel öffentliche Gebäude, Gewerbebauten oder Wohnsiedlungen. Durch die kontinuierlich hohe Temperatur des Wassers ist das System besonders effizient. Kostensparend lassen sich die Wärmetauscher etwa beim Neubau oder der Sanierung eines Abwasserkanals einbauen. Schätzungen zufolge könnte mit der in der Kanalisation gespeicherten Wärme durch den konsequenten Einsatz von Abwasser-Wärmepumpen 2 bis 4 Millionen Haushalte in Deutschland mit Wärme versorgt werden.