Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Technik, Risiken und Kosten-Vorteile

• Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nutzt Grundwasser aus 10 bis 20 Metern Tiefe als Wärmequelle. 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 die gleiche Grundwasserschicht zurückgeleitet.
• Der Vorteil: Grundwasser ist ganzjährig in hohen Mengen verfügbar. Selbst an kältesten Tagen liegen die Grundwassertemperaturen konstant bei rund 10°C. So werden viel größere Energiemengen, auch im Winter, nutzbar gemacht als dies mit Erdsonden oder Luftwärmetauschern möglich wäre. Wasser-Wasser-Wärmepumpen erreichen auf diese Weise eine hohe Effizienz mit einer JAZ von häufig über fünf.
• Im Sommer kann man mit der Wasser-Wasser-Wärmepumpe auf energiesparende Weise passiv kühlen. Im passiven Betrieb bleibt die Wärmepumpe ausgeschaltet, lediglich die Umwälzpumpen des Brunnen- und Hauskreislaufes sind in Betrieb und führen die Wärme aus dem Haus über den Wärmetauscher ins Grundwasser ab.
• Häufige Probleme: Durch einen höheren Eisen- und Mangan-Anteil, feinem Sand oder kolloidalen Schmutzstoffen im Grundwasser kann es zu Beeinträchtigungen der Leistungsfähigkeit der Brunnen oder der Wärmetauscher kommen. Während Schäden durch körnige Verunreingungen durch Schmutzfänger oder einen externen Wärmetauscher vermieden werden können, sind zu hohe Eisen- und Mangangehalte ein Ausschlußkriterium.
• Planung & Genehmigung: Bei der Planung müssen daher frühzeitig Wasserproben entnommen und ein Pumptest gemacht werden. Dies macht eine Probebohrung mit den entsprechenden Kosten unumgänglich. Bestehende Brunnen sind für diese Zwecke eher ungeeignet, können aber Hinweise auf die Machbarkeit einer Grundwasser-Wärmepumpe geben. Die Nutzung des Grundwassers als Wärmequelle ist zudem anzeige- und teilweise genehmigungspflichtig. Die Genehmigung ist von der örtlichen Unteren Wasserbehörde einzuholen.
• Kosten und Nutzen: Aufwand und Investitionskosten sind mit Kosten ab 35.000€ deutlich höher als bei Sole/Wasser-Wärmepumpen. Zudem besteht das Risiko, dass die Brunnen an Schüttleistung verlieren. Aufgrund des verhältnismäßig hohen Planungs- und Erkundungsaufwandes und des relativ höheren Anteils von Hilfsenergie für die Wasserpumpen, lohnt sich der Einsatz einer Grundwasser-Wärmepumpe vor allem für größere Ein- und Zweifamilienhäuser ab einem Heizbedarf ab 30.000 kWh.

Das Prinzip der Wasser-Wasser-Wärmepumpe basiert auf der Nutzung des Grundwassers als Energiequelle für Heizung und Kühlung:

• Über einen Entnahmebrunnen wird Grundwasser gefördert, dem mittels eines Wärmetauschers Wärme entzogen oder zugeführt wird.
• Danach wird das abgekühlte oder erwärmte Wasser in denselben Grundwasserleiter über einen Schluckbrunnen zurückgeführt.

Das Besondere daran ist, dass der Wärmepumpe eine konstant große Energiemenge zum Heizen zur Verfügung steht und sie daher hohe Jahresarbeitszahlen von über 5 erreichen kann.

Grundwasser zeichnet sich durch eine relativ konstante Temperatur von 7 bis 12°C aus, die auch in den Wintermonaten verhältnismäßig hoch bleibt. Um saisonale Schwankungen zu vermeiden, wird der Saugbrunnen in der Regel bis in eine Tiefe von etwa 10 bis 15 m gebohrt.

Da es in der Nähe von Flüssen oder Seen, die infiltrierendes Wasser beeinflussen, zu großräumigeren Temperaturschwankungen kommen kann, die im Winter die Temperatur des Grundwassers und somit die Effizienz der Anlage beeinträchtigen könnten, kann es nötig sein, in diesen Bereichen tiefer zu bohren.

Beim Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird das genutzte Grundwasser in der Regel über einen Rückgabebrunnen bzw. Schluckbrunnen in den Untergrund zurückgeführt. Dabei wird das abgekühlte Wasser in den gleichen Grundwasserleiter zurückgeleitet, aus dem es entnommen wurde.

Das entnommene Wasser muss in der Regel auf dem gleichen Grundstück wieder eingeleitet werden, um lokale Grundwasser-Veränderungen zu minimieren.

Kann das entnommene Grundwasser nicht mehr im gleichen Maße über den Schluckbrunnen in den Grundwasserleiter zurückgeführt werden, muss der Brunnen aufgebürstet werden. Sofern noch nicht vorhanden, kann dann auch ein geschlossener Kreislauf eingesetzt werden, um chemische Veränderungen/ Ausfällungen im Wasser durch den Kontakt mit der Luft zu verhindern.

Da alternativ eine oberflächennahe Ableitung in Gräben oder Versickerungsanlage in aller Regel nicht erlaubt ist bzw. einer erneuten (Ausnahme)Genehmigung bedarf, kann es im schlimmsten Fall nötig werden, einen neuen Schluckbrunnen zu bohren.

Saug- und Schluck- bzw. Rückgabebrunnen müssen zudem in ausreichendem Abstand zueinander platziert werden, um einen hydraulischen oder thermischen Kurzschluss zu verhindern.

Dieses Risiko lässt sich bei Kenntnis der Fließrichtung und entsprechender Positionierung der Brunnen aber auch bei geringerem Abstand minimieren.

Dennoch wird zwischen Saug- und Schluckbrunnen ein Abstand von mindestens 15 m in Fließrichtung des Grundwasserstroms empfohlen.

Vom Haus selbst sollten die Bohrungen einen Mindestabstand von 2 m einhalten.

Für den Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind folgende Schüttleistungen mindestens nötig:

• mindestens 2 m³/h für 10 kW Heizleistung bzw.
• mindestens 220 l/h für 1 kW Verdampferleistung

Wie viel Wasser Sie letztlich brauchen hängt von der Heizleistung abzüglich der elektrischen Aufnahmeleistung der Wärmepumpe im Auslegungspunkt ab:

Verdampferleistung = Heizleistung – elektrische Aufnahmeleistung des Verdichters

Der Wasser-Volumenstrom V wird durch die Brunnenpumpe gefördert. Entsprechend der Verdampferleistung Q sollte der Massenstrom so groß gewählt werden, dass sich bei niedrigster Wärmequellentemperatur (7°C) eine Temperaturspreizung ΔT über dem Verdampfer von 2 – 3 Kelvin einstellt.

Mit folgender Formel können Sie das benötigte Wasservolumen pro Stunde mit Hilfe der Wärmekapazität c und Dichte ρ selbst berechnen:

\(V = {Q \over c \cdot ρ \cdot ΔT}\)

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Wenn Sie die Möglichkeit prüfen wollen, in Ihrem Haus eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe zu installieren, empfehlen wir Ihnen, sich sehr frühzeitig mit Ihrer Unteren Wasserbehörde des Kreises auszutauschen.

Diese kennen bereits ähnliche Projekte in Ihrer Nähe, haben Daten zu den hydrogeologischen Verhältnissen und können Ihnen daher schnell sagen, ob ein aufwändigeres Genehmigungsverfahren drohen könnte.

Grundsätzlich spielt natürlich die Hydrogeologie eine wichtige Rolle, um Menge und Qualität abschätzen zu können.

Eine dauerhaft hohe Schüttung versprechen poröse Grundwasserleiter wie Sande und Kiese mit geringem Anteil an Feinbestandteilen (Feinsand, Schluff, Ton) und einem niedrigen Grundwasserspiegel.

Weniger geeignet sind Kluft- und Karstgrundwasserleiter, da hier die Durchlässigkeit unregelmäßig ist und die Erschließung höhere Kosten und Risiken mit sich bring kann.

Grundwasserleiter können in zwei Formen auftreten:

• freies Grundwasser oder
• Grundwasser, das unter einer Deckschicht unter Druck steht (gespanntes Grundwasser).

Beide Varianten können für eine thermische Grundwassernutzung verwendet werden.

Bei gespanntem Grundwasser muss jedoch berücksichtigt werden, dass durch die Entnahme und Rückführung des Wassers der Wasserspiegel stark schwanken kann und eine Druckerhöhung (ergo höherer Strombedarf) für die Rückgabe des Wassers notwendig sein könnte.

Um eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe langfristig störungsfrei mit gleichbleibend hoher Effizienz zu betreiben, sollten

• keine absetzbaren Stoffe im Grundwasser enthalten sein und die
• Eisen- (<0,20 mg/l) und
• Mangan- (<0,10 mg/l) Grenzwerte eingehalten werden.

Hohe Eisen- und Manganwerte führen bei Kontakt mit Sauerstoff zu Ausfällungen und mittelfristig zu einer Verockerung des Saug- und insbesondere des Schluckbrunnens.

Gröbere Bestandteile über 1 mm setzen sich durch einen Mindest-Wasserdurchsatz meist nicht ab. Zudem schützen Schmutzfänger (Maschenweite ~ 0,6 mm) den Verdampfer der Wärmepumpe vor Schäden.

Achtung: Feinste, kolloidale Schmutzstoffe, die zu einer Eintrübung des Wassers führen, wirken oft klebrig, können den Verdampfer belegen und dadurch den Wärmeübergang verschlechtern. Diese sehr kleinen Schmutzstoffe können nicht mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand durch Filter entfernt werden!

Die Eignung des Untergrunds und die Zusammensetzung der Sedimente oder Klüftung des Gesteins variieren stark, sodass für jede Wasser/Wasser-Wärmepumpe eine individuelle Prüfung, oft durch Brunnenbohrungen und Pumpversuche, erforderlich ist.

Für den Bau von Entnahme- und Rückgabebrunnen wird zunächst eine Probebohrung durchgeführt, um die Ergiebigkeit und Zusammensetzung des Grundwassers zu prüfen (Kosten rund 800 bis 1.000€). Tipp: Ist der Brunnen nicht ergiebig, kann dieser zumindest zur gelegentlichen Gartenbewässerung genutzt werden.

Um die Eignung des Grundwassers zu prüfen, wird eine Wasserprobe entnommen und zu einem entsprechenden Labor geschickt. Dies kostet häufig um die 80 bis 120 Euro und dauert rund 2 Wochen.

Die Planung und Errichtung der Brunnenanlage mit Förder- und Schluckbrunnen sollte einem vom internationalen Wärmepumpenverband mit Gütesiegel zertifizierten bzw. nach DVGW W120 zugelassenen Bohrunternehmen übertragen werden. In Deutschland ist die VDI 4640 Blatt 1 und 2 zu berücksichtigen.

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Der rechtliche Rahmen für die Nutzung des Grundwassers, einschließlich Grundwasserwärmepumpenanlagen, wird durch das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) und das Wassergesetz (WG) geregelt.

Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) definiert u.a. die Differenz zwischen Ein- und Auslauftemperatur einer Wasser/ Wasser-Wärmepumpe. Diese Werte sind wie folgt definiert:

• Zulässige Temperaturveränderung des einzuleitenden Wassers gegenüber der Entnahmetemperatur des Grundwassers: +/- 6 K
• Mindesttemperatur des einzuleitenden Wassers: 5 °C
• Höchsttemperatur des einzuleitenden Wassers: 20 °C

Zum Wärmeentzug aus Grundwasser muss grundsätzlich die Zustimmung der zuständigen Wasserbehörde vorliegen. Sie wird außerhalb von Wasserschutzzonen im Allgemeinen erteilt, ist jedoch an bestimmte Bedingungen, wie z.B. an eine maximale Entnahmemenge bzw. eine Wasseranalyse gebunden.

Um eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe in der Nähe von Wasserschutzgebieten zu betreiben, kann teilweise eine Genehmigung erteilt werden, wann man einen Zwischenkreislauf mit Wasser als Wärmeträger verwendet, um das Grundwasser vor Kältemittel-Leckagen zu schützen.

Ein ähnliches Vorgehen wird bei Erdwärmesonden und auch Flächenkollektoren praktiziert, in denen nur reines Wasser ohne Glykolanteil zirkuliert.

Die Bohrungen für den Saug- und Schluckbrunnen der Wasser/Wasser-Wärmepumpe sind grundsätzlich anzeigepflichtig. Je nach der Lage zu oder in Wasserschutzgebieten kann auch eine Genehmigungspflicht gelten.

Die Anzeige muss i.d.R. mindestens 1 Monat vor Beginn der Bohrarbeiten bei der Unteren Wasserbehörde oder Landratsamt erfolgen. Teilweise kann auch eine wasserrechtliche Erlaubnis für den Pumpversuch erforderlich sein.

Die letztlich Entnahme von Grundwasser zur thermischen Nutzung und die Wiedereinleitung des genutzten Grundwassers stellen einen „erlaubnispflichtigen Benutzungstatbestand“ nach § 9 Abs. 1 Nr. 5 WHG dar. Der Betreiber einer Grundwasserwärmepumpe benötigt somit eine wasserrechtliche Erlaubnis, die beim örtlich zuständigen Amt beantragt werden muss.

Nach dem Geologiedatengesetz müssen alle Bohrungen zudem spätestens zwei Wochen vor Beginn beim zuständigen Landesamt angezeigt werden. Dies dient der Dokumentation und der Überwachung der geologischen Schichten und der durchgeführten Bohrungen.

Seit 2024 ist für Privathaushalte bei „kleineren Grundwasserwärmepumpen“ die Notwendigkeit einer wasserrechtlichen Genehmigung entfallen (Weitere Infos). Stattdessen reicht es aus, die Installation der Wärmepumpe bei der zuständigen Behörde anzuzeigen.

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Die Anschaffung und Installation einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe umfasst verschiedene Komponenten, die sowohl einmalige Investitionen als auch laufende Betriebskosten beinhalten.

Besonders die Erschließung des Grundwassers durch die Bohrung von Brunnen und die hydraulische Installation der Wasser/Wasser-Wärmepumpe je nach den individuellen Anforderungen spielen eine entscheidende Rolle bei den Gesamtkosten.

Die Kosten für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe setzen sich aus mehreren Positionen zusammen. Hierzu gehören die Wärmepumpe selbst, die Errichtung der Brunnenanlage sowie die Einbau- und Zusatzkosten für eventuelle Erweiterungen.

Aufgrund der hohen Jahresarbeitszahl sind die laufenden Betriebs- bzw. Heizkosten einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sehr niedrig. Für eine 15 kW Wasser/Wasser-Wärmepumpe kann man bei 2.000 Heizstunden und einem Strompreis von 0,30 €/kWh von Stromkosten von 1.800 € Heizkosten pro Jahr ausgehen.

15 kW / 5 * 0,3 €/kWh * 2.000 h = 1.800 €