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Optimierung der Quellentemperatur zur Steigerung der Arbeitszahl

Welchen Einfluss hat die Wärmequelle auf die Effizienz einer Wärmepumpe? Wie lässt sich die Quellentemperatur von Wärmepumpen steigern?

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Bedeutung der Quellentemperatur für den Wärmepumpenbetrieb

Maßstab für die Effizienz einer Wärmepumpe ist die Jahresarbeitszahl (JAZ). Diese wird vornehmlich von der Temperatur der Wärmequelle und der Vorlauftemperatur des Heizungssystems bestimmt: Je gößer die Quellentemperatur und je niedriger die Vorlauftemperatur, desto höher ist die Arbeitszahl.

Aber nicht nur die Effizienz der Wärmepumpe ist von der Quellentemperatur abhängig. Auch die Leistung der Wärmepumpe ändert sich entsprechend der Temperatur der Wärmequelle. Daher schwankt die Wärmepumpenleistung je nach genutzter Wärmequelle übers Jahr hinweg mehr oder weniger stark.

Reduziert sich die Temperatur der Wärmequelle z. B. um 1 °C, so sinken auch die Leistung als auch die JAZ der Wärmepumpe um etwa 2 bis 4%. Daher müssen bei der Planung einer Wärmepumpe immer auch die Eigenschaften der jeweils genutzten Wärmequelle mit berücksichtigt werden.

Besonderheiten der Nutzung von Erdwärme zu Heizzwecken

Während die Temperatur der ersten Bodenmeter immer auch von der jeweiligen Außentemperatur beeinflusst wird, herrscht in den obersten Bodenschichten ab einer Tiefe von rund 10 m eine Temperatur von ganzjährig ungefähr 10 °C. Ab dieser Tiefe steigt die Temperatur der Erdwärme allmählich an. Ab rund 100 m Tiefe erfolgt dann ein relativ konstanter Temperaturanstieg von etwa 3 °C pro 100 m (sogenannte geothermische Tiefenstufe bzw. geothermischer Gradient).

Um die Wärmequelle Erdwärme nutzbar zu machen, werden vielfach sogenannte Flächenkollektoren oder Erdwärmesonden eingesetzt. Während Flächenkollektoren bis in Tiefen von 1,50 m horizontal im Boden verlegt, werden Erdwärmesonden bis zu 100 m tief senkrecht in den Boden eingebracht.

Aufgrund der unterschiedlichen Einbringung nimmt auch die nutzbare Quellentemperatur bei Flächenkollektoren aufgrund des Heizbetriebes und dem daraus resultierenden Wärmeentzug aus dem Boden sowie niedriger Außentemperaturen im Winter schneller ab als bei Erdwärmesonden und kann am Ende der Heizperiode sogar bis unter 0 °C absinken.

Erdwärmesonden nutzen hingegen ein nahezu ganzjährig stabiles Temperaturniveau der Wärmequelle. Daher nimmt auch die Heizleistung und die Effizienz von Erdwärmepumpen mit Flächenkollektoren im Vergleich stärker ab als bei Wärmepumpen mit Erdsonden und muss bei der Planung der Erdwärmepumpe berücksichtigt werden.

Hier sehen Sie eine Grafik des oberflächennahen Erdboden-Temperaturverlaufs je nach Jahreszeiten.
Die Erdwärme-Temperatur oberflächennaher Schichten werden auf den ersten Metern in erheblichem Maße durch die Sonne und damit die Jahreszeiten beeinflusst. Erst ab ungefähr 15 Metern Tiefe verstetigt sich die Temperatur zu rund 10 °C. (Grafik: energie-experten.org)

Vor- und Nachteile beim Einsatz von Luftwärme als Wärmequelle

Die Quellentemperatur bei Luft/Wasser-Wärmepumpen variiert je nach Wetterlage und Jahreszeit. Neben dem Vorteil einer an sich unerschöpflichen und im Vergleich zur Erdwärme kostengünstig und technisch einfach erschließbaren Wärmequelle hat die Nutzung der Außenluft im Vergleich zu anderen Wärmequellen jedoch den Nachteil, dass gerade im Winter der größte Heizwärmebedarf bei tiefster Quellentemperatur gedeckt werden muss.

Da die Wärmequelle Luft sehr großen Schwankungen der Quellentemperatur von im Sommer um 35 °C bis hinein in den Winter von rund - 15 °C unterliegt, schwankt auch die Leistung der Wärmepumpe und deren Effizienz in einem ähnlich großen Ausmaß.

Der niedrige Energiegehalt der Wärmequelle im Winter macht daher je nach Dimensionierung und Technik der Luftwärmepumpe ein Nachheizen mit einem elektrischen Heizstab notwendig, der wiederum den Stromverbrauch in dieser Zeit erhöht. Daher muss auch die Leistung einer Luftwärmepumpe im Vergleich zu einer Erdwärmepumpe bei der selben Immobilie deutlich höher sein.

Im Gegensatz dazu kann die Wärmequelle Luft im Sommer bei hohen Außenlufttemperaturen äußerst effizient zur Warmwassererzeugung eingesetzt werden. Über das Jahr hinweg gleichen sich die hohe Quellentemperatur im Sommer und die niedrige Temperatur der Luftwärme im Winter annähernd wieder aus, sodass trotz dieser Schwankungen der Quellentemperatur eine wirtschaftliche Jahresarbeitszahl der Luftwärmepumpe resultiert.

Quellentemperatur von Grundwasser, Abwasser und Abwärme

Im Gegensatz zur Erd- und Luftwärme ist die Temperatur von Grundwasser-, Abwasser- und auch Abwärmequellen in aller Regel unabhängig von saisonalen Temperaturschwankungen nutzbar. So lässt sich die Wärme des Grundwassers ganzjährig mit einer Temperatur von etwa 12 °C mit einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe oder einer Sole/Wasser-Wärmepumpe mit vorgeschaltetem Wärmetauscher mit einem Saug- und einem Schluckbrunnen aus einer Tiefe von häufig 10 bis 20 Metern nutzen.

Abwasserwärme mit einer ebensolchen Quellentemperatur wird mit speziellen Wärmetauschern in Abwasserkanälen vielfach zu Heizzwecken von städtischen Immobilien eingesetzt. Abwärme aus z. B. industriellen Prozessen oder auch aus Serverräumen wird hingegen über Absorptionskältemaschinen eher zur Kühlung von Produktionsprozessen oder Büroräumen verwendet. Die Nutzung dieser Wärmequellen ist technisch jedoch vergleichsweise aufwändig und findet daher bislang keine größere Verbreitung in Deutschland.

Kühlung und Solarthermie zur Steigerung der Quellentemperatur

Da Erdwärme im Sommer eine niedrigere Quellentemperatur als das Raumtemperaturniveau aufweist, kann Erdwärme auch zur Kühlung eingesetzt werden. Dabei nimmt Wasser z. B. über Kühldecken oder "aktivierte" Bauteile die Raumwärme auf und gibt sie über einen Wärmetauscher an den Erdwärmetauscher ab. Dieser führt dann diese Wärme in den Boden ab.

Je nach den hydrogeologischen Bedingungen im Untergrund erwärmt sich daher die Umgebung um den Erdwärmetauscher und die Quellentemperatur wird erhöht. So steht der Wärmepumpe zu Beginn der nächsten Heizperiode eine höhere Quellentemperatur zur Verfügung und die Effizienz der Wärmepumpe steigt. Gleichzeitig wird durch das Kühlen mit der Wärmepumpe der Stromverbrauch der herkömmlichen Gebäudekühlung reduziert. Grundsätzlich unterscheidet man dabei eine passive und eine aktive Wärmepumpenkühlung.

Das Erdwärmetemperaturniveau kann neben einer Kühlung auch über den Eintrag von Solarthermie angehoben werden. Dabei wird in aller Regel überschüssige Solarwärme, die nicht mehr im Solarthermie-Speicher zwischengespeichert werden kann, ebenfalls über einen Erdwärmetauscher an den Boden abgegeben. Dadurch erhöht sich wiederum die Quellentemperatur und die Arbeitszahl der Wärmepumpe kann im Winter teilweise gesteigert werden.

Zudem ergibt sich bei der "Solargeothermie" auch eine bessere Auslastung der Solarthermie-Anlage, die insbesondere im Sommer vielfach zuviel ungenutzte Wärme produziert. Ein ähnlicher Effekt ist auch mit einem sogenannten Energiezaun zu erreichen. Der Energiezaun, dessen Absorberrohren zur Hälfte unter- und überirdisch verlegt sind, nimmt Sonnenenergie auf und erwärmt hiermit die Erdwärmequelle. So lässt sich das Quellentemperaturniveau auch im Winter tagsüber kurzfristig erhöhen.

Optimierte Wärmequellennutzung durch bivalenten Heizungsbetrieb

Bei besonders hohem Wärme- und Temperaturbedarf im Winter macht es vielfach wirtschaftlich keinen Sinn, einen Erdwärmetauscher derart groß auszulegen, dass dieser die entsprechende Spitzenleistung dauerhaft gewährleistet. Entsprechendes gilt für Luftwärmepumpen in Immobilien mit sehr hohen Vorlauftemperaturen.

Daher greift man vielfach auf sogenannte bivalente Wärmepumpen-Systeme zurück, bei denen die Wärmequelle Erdwärme nur im Sommer, in den Übergangsmonaten und zur Bereitstellung der Wärmegrundlast auch im Winter eingesetzt wird. Die Wärmequelle Luft wird hingegen nur im Sommer und in den Übergangsmonaten eingesetzt, wenn die Quellentemperatur einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe gewährleistet. Zur Spitzenlastabdeckung kommt im Winter dann z. B. eine Gas-Brennwertheizung zum Einsatz.

Für eine je nach Quellentemperatur optimale Nutzung der Wärmepumpe gibt es bereits spezielle Wärmepumpe, die Luft- als auch Erdwärme gleichermaßen nutzen können. Je nach Außen- und Erdwärmetemperatur wird dann jeweils die Wärmequelle mit der höchsten Arbeitszahl eingesetzt. In den Zeiten in denen nur die Luftwärmepumpe arbeitet, regeneriert sich die Quellentemperatur des Erdreichs.

Dieses Konzept hat zudem den Vorteil, dass der Erdwärmetauscher kleiner ausgelegt werden kann. Sinkt die Außenlufttemperatur ab und ist auch die Erdwärme nicht mehr ausreichend, kann trotzdem eine Spitzenlastheizung zum Einsatz kommen.

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"Wärmequellen-Temperaturen von Wärmepumpen im Vergleich" wurde am 12.11.2018 das letzte Mal aktualisiert.