Zentrale Warmwasserbereitung mit Erdwärme: Wärmespeicher Erde nutzen
Erdwärme ist die im zugänglichen Teil der Erdkruste gespeicherte Wärme aus dem Erdinneren. Im Boden und im gesamten Erdinneren nimmt die Temperatur nach unten um durchschnittlich 30°C je Kilometer zu. Allerdings variieren in der Erdoberfläche die Temperaturverhältnisse durch die Wetterverhältnisse sehr stark. Aber unterhalb der Frostgrenze, ab einer Tiefe zwischen 80 cm und 1,50 m, liegen die Temperaturen das ganze Jahr über relativ konstant zwischen 7°C und 12°C. Diese Erdwärme ist ausreichend um sie durch Verdampfung und Kondensation zur Warmwasserbereitung nutzbar zu machen.
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Kollektoren oder Sonden nehmen die Wärme des Erdreichs auf und geben sie an ein Wasser-Frostschutz-Gemisch ab. Diese Flüssigkeit wird in die Wärmepumpe geleitet. Da diese Temperatur jedoch zu niedrig ist, um Wasser ausreichend stark zu erwärmen, wird die Temperatur technisch erhöht. Dazu wird die Wärme des Wasser-Frostschutz-Gemischs auf ein in der Wärmepumpe zirkulierendes Kältemittel übertragen. Ein Verdichter komprimiert das Kältemittel und erhöht damit dessen Temperatur. Ein Wärmetauscher im Warmwasserspeicher gibt die in der Wärmepumpe gewonnene Wärme dann an das Trinkwasser im Speicher ab. Ist die Wärmepumpe mit der Heizung gekoppelt, erhitzt sie das Brauchwasser im Heizungssystem und unterstützt so die Warmwasserversorgung. Wärmepumpen erlauben Wassertemperaturen von bis zu +65°C.
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Vier Möglichkeiten der Erdwärmegewinnung
Will man den Wärmespeicher Erde anzapften, hat man drei Möglichkeiten. Entweder mit Flächen-, Graben-, oder Spiralkollektoren oder mit Erdsonden.
Bei der Erdwärmegewinnung mit Flächkollektoren (Grafik links) werden Kunststoffrohrleitungen, ähnlich einer Fußbodenheizung, je nach Bodenverhältnissen in einer Tiefe von 1m bis 2m mäanderförmig mit einem Rohrabstand von 1,2 m bis 1,5 m unter die Erde gelegt. Grundsätzlich gilt: Die Rohre des Kollektors werden mindestens 20 cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze ins Erdreich eingebracht. Die Flächen dürfen dabei nicht überbaut sein. Die erzielbare Wärmeleistung ist abhängig von der Beschaffenheit des Bodens. Trockene, grobkörnige Böden sind schlechter geeignet als feuchte Grundwasserböden. Deshalb variiert die Leistung klassischer Flächenkollektoren. Zur Versorgung einer Wärmepumpenheizung mit 6 kW Leistung etwa eine Bodenfläche von 300 m² erforderlich.
Eine platzsparende Form eines Flächenkollektors ist der sogenannte Grabenkollektor (Grafik Mitte). Dabei werden die Rohre in schlaufenform in einem bis zu 2 m tiefen Graben verlegt. Dies erlaubt mehr Erdvolumen bei weniger Aushubvolumen zu erschließen, was die Kosten im Vergleich zum Flächenkollektor senkt. Für die Erdwärmepumpe kann ein Graben mit einer Gesamtlänge von rund 80 Metern genügen. Auch diese dürfen nicht überbaut werden.
Bei einem Spiralkollektor (Grafik links) wird das Kunststoffrohr mit Hilfe von Halteschienen zu einer stabilen Spirale geformt. Die Größe eines Spiralkollektors beträgt im Normalfall 2,5 m bis 3 m in der Höhe sowie einen Durchmesser von etwa 0,5 m. Die Einbautiefe beträgt zwischen 3,5 bis 4,5 m. Die Bohrungen werden mit Hilfe einer Bohrschnecke durchgeführt. Eingebrachte Kollektoren sollte wenigstens mit 1,5 m Erdreich überdeckt sein. Der Spiralkollektor ist eine besonders platzsparende Bauform zur Wärmegewinnung. Sie können auch bei kleineren Grundstücken angewendet werden, wenn weder Platz für Flächenkollektoren vorhanden, noch die Zufahrt von Tiefenbohrgeräten für Erdsonden möglich ist.
Eine Erdsonde wird in der Regel vertikal durch ein Bohrloch ins Erdreich eingelassen. Hier wirkt sich günstig aus, dass die Temperatur des Erdreichs mit zunehmender Tiefe steigt. Am häufigsten verwendet wird dabei eine sogenannte Doppel-U-Sonde. Mit einer mobilen Bohranlage wird dabei eine Bohrung im Spül- oder Trockenbohrverfahren mit einem Bohrdurchmesser von etwa 140 bis 180 mm. Im privaten Wohnungsbau reichen Erdwärmesonden selten tiefer als 100 m.
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Dimensionierung einer Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung
Wärmepumpen zu dimensionieren ist eine Aufgabe für Fachleute! Das wichtigste Kriterium zur Ermittlung der Größe einer Wärmepumpe ist die Heizlast. Diese wird in Kilowatt (kW) gemessen und gibt die Leistung an, die eine Wärmepumpe erbringen muss, um den Warmwasserbedarf eines Hauses zu decken.
Bei der Dimensionierung einer Wärmepumpe zur Brauchwassererwärmung muss bedacht werden, dass über einen Tag betrachtet die benötigte Energie für die Brauchwassererwärmung nur sehr gering ist. Da in der Regel das warme Wasser, wie beim Duschen oder Baden innerhalb kurzer Zeit gezapft wird, muss oft schnell nachgeheizt werden. Daher ist es wichtig, die hierfür benötigte Leistung mit einzuplanen. Für eine Badewanne mit etwa 150 Litern beträgt der Energieaufwand rund 6 kWh, für eine Dusche rund 2 kWh. Als Faustregel sollte man eine zusätzliche Heizleistung von mindestens 0,25 kW pro Person vorsehen.
Die Heizlast berechnet sich nach der DIN 12831. Dient die Wärmepumpe zur Unterstützung des Heizungssystems, springt die konventionelle Heizung beim sogenannte Bivalenzpunkt an, wenn die Wärmepumpe die Wärmeversorgung nicht mehr alleine schaffen kann. Im „bivalenten Betrieb“ kann die Wärmepumpe bedeutend kleiner dimensioniert werden.
Der finanzielle Aufwand
Die Kosten für die Nutzung der kostenlos zur Verfügung stehenden Erdwärme ist vielfältig. So muss man für die Erschließung einer geeigneten Fläche aufkommen. Kollektoren benötigen mehr Fläche, ihre Verlegung ist aber günstiger als Sonden. Pro Quadratmeter Flächenkollektor bei einer Verlege-Tiefe von rund 1,2 m muss man mit Kosten von rund 25 Euro/m² rechnen. Pro Meter Erdsonden-Bohrung muss mit Kosten von 50 bis 75 Euro pro Meter gerechnet werden. Diese Kosten können regional und vor allem durch die Bodenbeschaffenheit vor Ort sehr oft schwanken.
Eine Erdwärmepumpe selbst kostet je nach Ausführung und Leistung zwischen 6.000 bis 10.000 Euro. Möglicherweise kommt ein entsprechend des Heiz- und Warmwasserbedarfes dimensionierter Kombispeicher oder eine Kombination aus einem Puffer- und einem extra Warmwasserspeicher hinzu. Für die Montage der Wärmepumpe, des Speichers und den Anschluss an den Heizungskreislauf sollten 4.000 bis 5.000 Euro einkalkuliert werden. Diese kann je nach baulicher Situation, mit einer aufwändigen Verrohrung, durchaus kostenintensiv werden. Deshalb: schon vorher den Aufstellungsort der Wärmepumpe genau überlegen!
Für den elektrischen Starkstromanschluss und Installation des Zählers muss ein Elektrofachbetrieb bestellt werden! Kosten: etwa 300 bis 400 Euro. Hinzu kommt der Kauf eines Wärmepumpenzählers. Je nach Netzbetreiber entstehen weitere Kosten von 500 bis 1000 Euro oder kann für einen fixen Betrag gemietet werden.
Die laufenden Kosten umfassen lediglich den benötigten Strom. Erdwärmepumpen sind nahezu wartungsfrei und verfügen über eine Lebensdauer von rund zwei Jahrzehnten. Für die Mehrzahl der Geräte raten die Hersteller, Inspektionen und Wartungen alle zwei Jahre durchführen zu lassen.
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