Eine Erdwärmepumpe nutzt die natürlich vorhandene Wärme des Erdreichs, um Gebäude zu heizen und zu kühlen. Ihr größter Vorteil ist, dass das Erdreich das ganze Jahr über eine konstante Temperatur aufweist. Dadurch ist die Erdwärme auch im Winter verfügbar und bietet somit hohe Versorgungssicherheit. In diesem Ratgeber gehen wir tiefer auf die Funktion der Erdwärmepumpe ein.
Und auf diese Fragen geht der Artikel ein:
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Wie funktioniert eine Erdwärmepumpe?
Eine Erdwärmepumpe entzieht mittels Erdkollektoren und Erdkollektoren Wärme aus dem Erdreich. Diese Wärme erhöht das Temperaturniveau eines Kältemittels, das anschließend zur Heizung und Warmwasserbereitung im Haus verwendet wird.
Der Prozess besteht aus vier Phasen:
- Wärmeaufnahme
- Verdichtung des Kältemittels
- Wärmeübertragung an das Heizsystem
- Entspannung des Kältemittels
So funktioniert eine Erdwärmepumpe
Wärmeaufnahme
Damit die Wärme aus dem Erdreich für die Erdwärmepumpe verfügbar ist, wird sie mithilfe eines Erdwärmetauschers aufgenommen. In dem Erdwärmetauscher zirkuliert die sogenannte Sole, ein Wasser-Glykol-Gemisch, im Verhältnis 1:4. Diese nimmt die Erdwärme auf und gibt sie dann an den Verdampfer der Wärmepumpe ab. Für die Zirkulation der Sole wird eine Umwälzpumpe benötigt, die meist in der Nähe der Wärmepumpe platziert wird.
Die verfügbaren Erdwärmetauscher sind:
Die Erdwärmetauscher werden in zwei Kategorien aufgeteilt, die oberflächennahen Geothermie (bis 400 Meter) und die Tiefengeothermie (über 400 Meter hinaus). Für Einfamilienhäuser wird nur die oberflächennahe Geothermie genutzt, auch wenn bei Erdsonden eine Tiefenbohrung notwendig ist.
Erdwärme mit Tiefenbohrung und Erdsonden
Zur Nutzung von Erdwärme mit Tiefenbohrung wird eine Erdsonde in das Bohrloch gelegt, die wie ein Wärmetauscher funktioniert. Dieser besteht aus einer oder zwei U-förmigen Soleleitungen und nimmt die Erdwärme mithilfe eines zirkulierenden Wasser-Glykol-Gemischs auf.
Erdwärme über Erdkollektoren
Ein Erdkollektor ist ein technisches System, das mithilfe von erdverlegten Soleleitungen dem Erdreich Wärme entzieht und Energie für Erdwärmepumpen liefert. Dabei werden die Erdkollektoren flächendeckend bis zu 1,5 Meter Tiefe im Erdreich verlegt. Dadurch nutzen sie nicht nur die Wärme aus dem Erdreich, sondern auch aus der Sonneneinstrahlung und Niederschlägen.
Erdwärme über Erdwärmekörbe
Erdwärmekörbe bestehen aus spiralförmigen Soleleitungen, die in einer Art Korb zusammengebracht und in einer Tiefe von 1 bis 4 Meter vergraben werden. Das Funktionsprinzip ähnelt dem der Erdkollektoren, nur dass diese nicht flächendeckend, sondern in mehreren Löchern verlegt werden.
Erdwärme über Eisspeicher
Eine weitere Wärmequelle für die Erdwärmepumpe ist der Eisspeicher. Dieser Speicher, mit Volumen zwischen 10 und 20 Kubikmeter, wird im Erdreich untergebracht. Es nutzt die Erdwärme und Umgebungsluft mittels Solar-Luftabsorber, um das Wasser innerhalb des Speichers im Sommer zu erwärmen, sodass diese Wärme dann im Winter für die Wärmepumpe verfügbar ist. Beim Einfrieren des Wassers setzt sich zudem Kristallisationswärme frei, was für eine besonders hohe Jahresarbeitszahl sorgt.
Verdichtung des Kältemittels
Nachdem die Erdwärme über den Verdampfer in den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe aufgenommen wird, fließt das Kältemittel zum Verdichter. Dieser erhitzt das bereits erwärmte Kältemittel mithilfe von elektrischer Energie, indem es dessen Druck durch Kompression erhöht. Dieser Schritt ist wichtig, um die gewünschte Vorlauftemperatur zu erzeugen.
Wärmeübertragung an das Heizsystem
Das erhitzte Kältemittel fließt anschließend zu einem weiteren Wärmetauscher, dem Verflüssiger. Hier wird die Wärmeenergie an das Heizsystem übergeben, indem das Heizungswasser die Wärme aufnimmt. Dadurch kühlt das Kältemittel ab, bleibt aber weiterhin unter hohem Druck.
Entspannung des Kältemittels
Damit das Kältemittel wiederholt die Erdwärme aufnehmen kann, muss es vollständig regenerieren. Für die Entspannung des Kältemittels ist das Expansionsventil verantwortlich. Dieses dehnt das Kältemittel aus, wodurch es an Druck und somit weiter an Temperatur verliert. Somit kehrt das Kältemittel an seinen ursprünglichen Aggregatzustand. Dieser Schritt ist essenziell für die Regulierung des Kältemittelkreislaufs.
Wie funktioniert das Kühlen mit einer Erdwärmepumpe?
Dadurch, dass das Erdreich das ganze Jahr über eine konstante Temperatur zwischen 5 und 12 °C aufweist, kann die Erdwärmepumpe die geringeren Temperaturen des Erdreichs im Sommer zur Kühlung nutzen. Weil diese Methode keinen zusätzlichen Strom verbraucht, spricht man in diesem Fall von natürlicher oder passiver Kühlung. Dafür wird der ganze Kältemittelkreislauf umgekehrt. Das heißt, dass:
- Die im Haus vorhandene Wärme wird von den Heizflächen aufgenommen und über den Verflüssiger an das Kältemittel übergeben.
- Der Verdichter spielt in diesem Fall keine Rolle und wird mittels eines Vier-Wege-Ventils übergangen.
- Die Wärme wird an das Erdreich abgeleitet, was gleichzeitig zur Regeneration des Erdreichs und Erhöhung des Jahresarbeitszahl führt.
- Das Expansionsventil hilft, das Kältemittel zu regenerieren, wodurch die Wärme aus dem Gebäudeinneren wiederholt aufgenommen werden kann.
Was sind die Vor- und Nachteile einer Erdwärmepumpe?
Die Erdwärmepumpe ist ein hocheffizientes Heizsystem, das 80% der Wärmeenergie aus dem Erdreich schöpft. Lediglich 20% der gesamten erzeugten Wärmeleistung entstehen aus zugeführter elektrischer Energie. Dadurch sind die Betriebskosten der Erdwärmepumpe sehr gering. Die Planung und Installation sind zwar kostenintensiv, werden jedoch mit bis zu 40% vom Staat subventioniert. Dadurch amortisiert sich die Investition binnen 10 bis 15 Jahren.
Alle Vor- und Nachteile im Überblick:
| Vorteile Erdwärmepumpe | Nachteile Erdwärmepumpe |
|---|---|
| Nutzung von frei verfügbarer und erneuerbarer Energie | hohe Investitionskosten |
| hoher Wirkungsgrad | nicht in allen Gebäuden umsetzbar |
| geringe Betriebskosten | große Grundstücksfläche notwendig (Erdkollektor und Erdwärmekörbe) |
| wartungsarm | Ausführung von Genehmigung abhängig (Erdsonde) |
| umweltfreundliches und langlebiges System | |
| zukunftssicheres System mit hoher Versorgungssicherheit | |
| passive Kühlung möglich | |
| attraktive Förderungen bis 40% |
Fazit
Erdwärmepumpen sind eine Art von Heiz- und Kühlsystem, das Energie aus der Erde nutzt. Sie gelten als umweltfreundlich und kosteneffizient im Vergleich zu anderen Heizsystemen. Während sie zu Einsparungen bei den Heizkosten führen können, sind sie in der Regel teurer in der Anschaffung. Um die Kosten auszugleichen, gibt es Förderungen zwischen 25 und 40%. Eine Erdwärmepumpe gilt als langfristig gute Investition, denn sie bietet hohen Komfort, hohe Versorgungssicherheit und verursacht nur geringe Betriebskosten.
Die Erschließung der Erdwärme erfordert Planung und hohe Fachkompetenz. Aus diesem Grund sollten Sie sich unbedingt von einem Fachmann beraten lassen und mehrere Angebote vergleichen. Gerne unterstützen wir Sie dabei.
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