Sole/Wasser-Wärmepumpe: Funktion, Effizienz & Thermodynamik

Die Sole selbst ist i.d.R. ein Gemisch aus Wasser und Alkohol (Ethylenglykol oder Propylenglykol), das eingesetzt wird, um ein Einfrieren des Sole-Kreislaufes im Winter zu verhindern.

Die Sole entzieht dem Erdreich Wärme, indem es im Vergleich zur Bodentemperatur kälter in den Erdwärmetauscher eintritt und sich mit fortschreitender Zirkulation an die Temperatur im Erdreich anpasst. Die Temperaturdifferenz wird als Spreizung bzw. Delta T (ΔT) bezeichnet.

Die so gewonnene Wärmeenergie wird dann an den Verdampfer der Sole/Wasser-Wärmepumpe abgegeben (Primärkreis), sodass die Wärmepumpe damit das Wasser im Heizkreislauf erwärmen kann (Sekundärkreis).

Von diesem schrittweisen Wärmeübergang leitet sich auch der Name der “Sole/Wasser-Wärmepumpe” ab, die die Wärme von der Sole auf das (Heiz)Wasser überträgt:

• Der erste Teil, „Sole“, gibt an, wie die Wärme bezogen wird,
• der zweite, „Wasser“, bezeichnet das Medium, welches die Wärme überträgt.

Wird im Sommer der Sole-Kreislauf umgekehrt, so kann mit der Sole/Wasser-Wärmepumpe auch das Haus gekühlt werden. Wärme wird dabei aus dem Haus in das Erdreich transportiert werden. Der Fachmann spricht hier vom „passiven Kühlen“, da lediglich die Sole-Umwälzpumpe in Betrieb ist. Dabei wird dann vom Wasser Wärme auf die Sole übertragen.

Grundsätzlich ließe sich der Primärkreis der Wärmepumpe satt mit Sole auch mit reinem Wasser betreiben. Der Wärmetauscher der Wärmepumpe ist hierzu ebenfalls geeignet (siehe Typenschild unten).

Wasser statt Sole hat zudem Vorteile: Da Wasser eine höhere Wärmespeicherfähigkeit besitzt, kann dies die Effizienz der Sole/Wasser-Wärmepumpe etwas verbessern.

Auch in Wasserschutzgebieten kann der Einsatz von Wasser es ermöglichen, entsprechende Bohrungen niederzubringen oder überhaupt Erdwärme nutzen zu können.

Das Problem: Da Wasser als Wärmeträgerflüssigkeit am kalten Verdampfer gefrieren und schwerwiegende Schäden verursachen könnte, muss ein Einfrieren verhindert werden. Dies ist u.a. durch eine deutlich größere Auslegung des Erdwärmetauschers problemlos möglich.

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Die Effizienz von Sole-Wasser-Wärmepumpen hängt von der Soletemperatur und der benötigten Vorlauftemperatur im Haus ab.

Sie wird – wie bei allen Wärmepumpen - durch die Leistungszahl COP (Coefficient of Performance) und die Jahresarbeitszahl JAZ bewertet und setzt die nötige Strommenge ins Verhältnis zur erzeugten Wärmemenge:

\(JAZ = {\text{Heizwärme in kWh} \over \text{Stromverbrauch in kWh}}\)

Eine JAZ von 4,5 bedeutet, dass Sie für 100 % Heizwärme nur ca. 22 % Strom einkaufen müssen. Der Rest ist kostenlose Erdwärme.

Grundsätzlich gilt: Eine höhere Soletemperatur führt zu einer verbesserten Effizienz und einem höheren COP- und JAZ-Wert, wodurch der Stromverbrauch und die Heizkosten gesenkt werden.

Um Wärmepumpen miteinander zu vergleichen, wird der COP auf Basis der DIN EN 14511 ermittelt und an festgelegten Betriebspunkten gemessen.

Der Betriebspunkt wird durch die Eintrittstemperatur des Wärmequellenmediums

• Luft (A steht für Air),
• Sole (B steht für Brine) und
• Wasser (W steht für Water)

in die Wärmepumpe und die Heizwasser-Austrittstemperatur (Vorlauftemperatur im Sekundärkreis) angegeben.

In dem aufgeführten Beispiel bedeutet A7/W55, dass eine Luftwärmepumpe bei einer Außenlufttemperatur von 7 °C eine Wärmeleistung von 3,5 kW erzeugt und damit Wasser auf 55 °C erwärmt bei einem Stromeinsatz von 1 kW.

Für marktgängige Sole/Wasser-Wärmepumpen kann unter Normbedingungen bei B0/W35 (0°C Soletemperatur, 35°C Heizungsvorlauf) mit mittleren Leistungszahlen von 4,1 bis über 5,3 gerechnet werden.

Die JAZ (Jahresarbeitszahl) hingegen ist der entscheidende Praxiswert über ein ganzes Jahr.

Bei einer gut geplanten Sole/Wasser-Wärmepumpe liegt die JAZ zwischen 3,6 bis 5,4, im Mittel bei 4,3 (Quelle: „WP-QS im Bestand“ Fraunhofer 2025).

Bei Einsatz eines Erdwärmekollektors als Wärmequelle verringert sich die Jahresarbeitszahl geringfügig um ~ 0,2, da sich im gesamten Jahresmittel eine geringere Quellentemperatur als bei einer Erdwärmesonde ergibt.

Vorteilhaft gegenüber Luft/Wasser-Wärmepumpen ist hingegen, dass Abtauzyklen komplett entfallen. Während Luft-Wärmepumpen bei Kälte und Feuchtigkeit regelmäßig vereisen und mit letztlich Strom abgetaut werden müssen, steigert dieser Wegfall bei Sole-Systemen die Effizienz und erhöht den Komfort.

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In einer Sole/Wasser-Wärmepumpe dient die Sole als Wärmeträgerflüssigkeit, die im Erdsonden- oder Flächenkollektor-System zirkuliert und Wärme aus dem Boden aufnimmt.

Die Sole selbst kühlt sich auf ihrem Weg durch die Wärmepumpe um einige Grad ab, bevor sie wieder in den Boden zurückfließt.

Mit Hilfe der Grundgleichung der Wärmelehre lässt sich die vom Erdreich an die Sole übertragene Wärmemenge (Erdwärme) berechnen:

\[Q = m \cdot c \cdot ΔT\]

Dabei gilt:

• Q = Wärmemenge
• m = Masse der Sole
• c = spezifische Wärmekapazität der Sole
• ΔT = Temperaturdifferenz der Sole zwischen Ein- und Austritt

Die Wärmemenge Q ist letztlich die im System benötigte Kälteentzugsleistung, die die Bohrtiefe bzw. die Fläche des Kollektors definiert.

Der Boden hat eine relativ konstante Temperatur (je nach Tiefe etwa 8 - 12 °C), weshalb die Sole auch im Winter zuverlässig Wärme aufnehmen kann.

Aufgrund der nahezu gleichbleibenden Quellentemperatur übers Jahr können Sole-Wasser-Wärmepumpen daher auch monovalent betrieben werden.

Wie viel Energie der Boden hergibt – die spezifische Entzugsleistung - wird von der thermischen Leitfähigkeit des Bodens bestimmt, die von verschiedenen Faktoren (Bodenart, Feuchtigkeit) abhängt.

Wie viel Wärme dem Verdampfer der Sole/Wasser-Wärmepumpe zugeführt werden kann, hängt dabei aber nicht nur von der Ergiebigkeit des Bodens, sondern auch vom Volumenstrom ab, der den Erdwärmetauscher durchströmt, und kann mit folgender Formel berechnet werden:

\[V = {Q \over ρ \cdot c \cdot ΔT}\]

Dabei gilt:

• Q = Leistung
• ρ = Dichte
• c = spezifische Wärmekapazität
• ΔT = Spreizung

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Erdwärmesonden benötigen nur eine geringe Fläche. Für die Einbringung muss das Grundstück jedoch genügend Platz und Zugang für das Bohrgerät bieten. Je nach Heizlast werden mehrere Erdsonden eingebracht, die für eine gleichmäßige Durchströmung gleich lang und parallel geschaltet sein .

Länge und Anzahl der Erdsonden sind von einem Fachbetrieb detailliert zu berechnen. Als Näherungswert für normales Festgestein gelten 50 W/m.

Da die Schwankungen bei der tatsächlich vorliegenden Entzugsleistung erheblich sein können, werden während des Bohrens Proben genommen, um neben der Anlage eines Schichtenverzeichnisses auch die geplante Entzugsleistung zu verifizieren.

Rechen-Beispiel: Für eine Sole-Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 9,5 kW und einer Kälteleistung von 8 kW ergibt sich bei einer Entzugsleistung von 50 W/m eine notwendige Bohrtiefe von etwa 160 m. Es sind zwei Bohrungen von je 80 m Länge erforderlich.

Erdwärmekollektoren werden hingegen oberflächennah im frostfreien Bereich in einer Tiefe von ca. 1,2 bis 1,5 m verlegt. Sie benötigen eine ausreichend große Fläche, die nicht überbaut werden darf, um eine Regeneration des Erdreichs im Sommer durch Außenluft, Solarstrahlung und Niederschläge zu gewährleisten.

Je nach Bodenbeschaffenheit und Klimazone sind Entzugsleistungen für das Erdreich zwischen 10 und 35 W/m² und eine Entzugsenergie zwischen 20 und 60 kWh/m²a möglich.

Rechen-Beispiel: Für eine Sole-Wärmepumpe mit einer Heizleistung von 9,5 kW und einer Kälteleistung von 8 kW ergibt sich bei einer mittleren Entzugsleistung von 25 W/m² eine notwendige Kollektorfläche von etwa 320 m². Die Mindestfläche aus der maximalen Entzugsenergie von 45 kWh/m²a beträgt circa 290 m².

PVT-Kollektoren bzw. PVT-Module kombinieren ein PV-Solarmodul zur Stromerzeugung mit einem thermischen Wärmetauscher, der eine Flüssigkeit (z. B. Sole oder Wasser) durchströmt und sowohl die Abwärme der Solarzellen als auch Umgebungs- bzw. Luftwärme als Niedertemperaturwärmequelle für die Wärmepumpe nutzt. (siehe auch PVT-Wärmepumpe)

Unabgedeckte („ungedämmte“) PVT-Kollektoren können als alleinige Wärmequelle für die Sole-Wärmepumpe fungieren, da sie auch Umgebungsluft- bzw. Umgebungswärme nutzen.

Diese Modulart bietet gegenüber klassischen Luft-Wärmepumpen Vorteile bei der Wärmequelle: größere Lamellenabstände ermöglichen natürliche Luftzirkulation ohne Lüfter, geringeres Vereisungsrisiko und keine Außeneinheit notwendig.

Die Auslegung der Quelle erfordert eine ausreichende Kollektorfläche. Üblich sind etwa 3,3 - 4,3 m² Dach-/Fassadenfläche pro kW Heizleistung, je nach Ausrichtung, Neigung, Quelltemperaturbereich (typisch -20 °C bis +50 °C) und Speicherintegration.

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Dem Temperaturbereich, der an den Verdampfer der Sole/Wasser-Wärmepumpe herangeführt werden darf, sind allerdings Grenzen gesetzt.

Damit der Wärmepumpen-Kreislauf stabil funktioniert, muss die Sole-Eintrittstemperatur inklusive der abzugebenden Temperaturdifferenz über der Verdampfungstemperatur (Phasenwechsel-Temperatur) des Kältemittels liegen.

Eine Feinregelung erfolgt mit Hilfe des Expansionsventils, Sensoren und automatischen Regelsystemen, die den Druck und die Temperatur im Verdampfer anpassen.

Eine optimal eingestellte Verdampfungstemperatur ist entscheidend für den Wirkungsgrad (COP) und die Lebensdauer der Sole/Wasser-Wärmepumpe.

• Ist sie zu niedrig, drohen Wirkungsgradverluste und Vereisung.
• Ist sie zu hoch, kann es zu Überhitzung und höherem Energieverbrauch kommen.

Die Sole muss daher einen bestimmten, dem Kältemittel entsprechenden Temperaturbereich aufweisen. Typischerweise liegt dieser bei −10 °C bis +5 °C, bei Propan (R290) ist der zulässige Temperaturbereich etwas größer.

Moderne Sole-Wasser-Wärmepumpen weisen einen gemessenen Schallleistungspegel von etwa 40 bis 50 dB(A) auf und sind damit deutlich leiser als Luft/Wasser-Wärmepumpen.

Bei der Aufstellung des Geräts im Gebäude und der Anbindung an die Wärmeverteilung sollten dennoch Maßnahmen vorgesehen werden, um Betriebsgeräusche in den Wohnräumen und die Übertragung von Schwingungen zu vermeiden.

Im Fokus stehen dabei die Anbindung und Führung der Sole-Leitungen im Haus. Da gerade in der Heizsaison die Sole vielfach umgewälzt wird und die Leitungen mit bis zu 10 bar unter Druck stehen, können sich Strömungsgeräusche entwickeln.

Daher sollten die Sole-Leitungen schwingungsentkoppelt ins Haus und durch das Haus geführt werden. Die Leitungen im Haus sollten so kurz wie möglich ausgeführt werden und z.B. unter der Kellerdecke mit entsprechenden Rohrschellen mit Schallschutzeinlage befestigt werden.

Bei einem Betrieb der Wärmepumpe in Verbindung mit einer Photovoltaik-Anlage – am Besten mit Stromspeicher - kann die Sole-Wasser-Wärmepumpe mit selbst erzeugtem Strom betrieben werden. Die Ansteuerung erfolgt über einen auf Smart Grid Ready (SG-Ready) oder Photovoltaik Ready (PV-Ready) ausgelegten Eingang.

Eine optimierte Nutzung des Stroms aus Photovoltaik-Anlagen ist bei Wärmepumpen mit Invertertechnologie besonders effektiv, da bei ihnen der Strombedarf durch die Anpassung an die benötigte Heizleistung sinkt und der PV-Strom kontinuierlich verbraucht wird.

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Der Großteil der Kosten für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe entfällt auf die Anschaffung der Wärmepumpe, den Erdwärmetauscher und dessen Anbindung ans Haus sowie die Heizungs- und Elektro-Installation im Haus.

• Sole-Wasser-Wärmepumpen selbst kosten für Heizleistungen von rund 8 bis 12 kW etwa zwischen 8.000 bis 10.000 €.
• Für horizontal verlegte Erdkollektoren können Kosten für Aushubarbeiten und Installation von rund 50€/m² kalkuliert werden - bei Eigenleistung 25€/m² bis 35€/m².
• Wer bohren will muss – je nach Zugänglichkeit zum Bohrplatz – mit mindestens 100€ pro Bohrmeter rechnen. Eine 5 kW Sonde kostet entsprechend rund 10.000€.
• Die Kosten der hydraulischen Anbindung, die Installation der Wärmepumpe und auch die Verkabelung der Wärmepumpe ist in hohem Maße von den baulichen Umständen abhängig. Als Richtwert sollte man im Einfamilienhaus von mindestens 5.000€ ausgehen.

Die Kosten für eine 10 kW Sole/Wasser-Wärmepumpe belaufen sich damit auf mindestens 21.500€ bis 29.000€ netto. Im typischen „Altbau“ sollten Sie zusätzlich mit rund 30% Mehrkosten kalkulieren!

Für die Wirtschaftlichkeit entscheidend, sind hingegen die Heizkosten.

Mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe, die eine JAZ von 4,5 aufweist, in einem durchschnittlichen Einfamilienhaus, welches einen jährlichen Heizenergiebedarf von rund 15.000 kWh hat, belaufen sich die jährlichen Heizkosten bei einem Wärmepumpenstrom-Tarif von 26 Cent pro kWh auf etwa 1.000 €.

15.000 kWh Heizenergiebedarf : JAZ 4,5 = 3.333 kWh Stromverbrauch

3.333 kWh x 0,26 €/kWh Strom = 870 € Heizkosten pro Jahr

Hinzu kommen noch Wartungskosten, die bei etwa 150 € jährlich liegen.

Bei Investitionskosten abzüglich Förderung von 22.000€, einer vergleichbaren Ersatz-Investition in eine Gasheizung von 12.000€ mit rund 1.800€ Gaskosten pro Jahr (15.000 kWh x 0,12€/kWh) haben sich die Mehrkosten nach rund 12,5 Jahren amortisiert.

Wer sich für den Kauf einer Sole-Wasser-Wärmepumpe entscheidet, kann mit finanziellen Hilfen vom Staat rechnen. Im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) sind Zuschüsse beim Umstieg zur Wärmepumpe möglich.

Zu den förderfähigen Kosten gehören nicht nur die Kosten für die Anschaffung des Geräts, sondern auch Kosten für beispielsweise Beratung und Planung, Installation sowie Entsorgung einer alten Heizung.

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