Energiespartipp Wärmepumpen
27. Mai 2020
Die Wärmepumpe – das effiziente Multitalent Wie gewohnt berichtet die Energieberatung Emmental über ein aktuelles Energiesparthema und gibt dabei auch einige konkrete Tipps. In diesem Beitrag wird über den Einsatz von Wärmepumpen berichtet. Der Fokus liegt auf den Themen Funktionsweise, Effizienz, Installation und Auswahl der richtigen Lösung.
Wie Funktioniert eine Wärmepumpe?
Elektrisch angetriebene Wärmepumpen erzeugen aus 20-40% Antriebsenergie und 60-80% Umweltwärme 100% Nutzwärme, die für die Raumheizung und die Aufbereitung von Warmwasser eingesetzt werden kann. Die Umweltwärme ist überall in der nahen Umgebung verfügbar. In der Luft, in der Erde und im Wasser sind gewaltige Energiemengen gespeichert, die durch Sonneneinstrahlung, Niederschläge und den Wärmenachfluss aus dem Erdinneren ständig auf natürliche Art erneuert werden.
Prinzip der Wärmepumpe
Die Umweltwärme aus Luft, Erdreich oder Wasser wird dem Verdampfer (Wärmetauscher) zugeführt und so auf das Wärmepumpensystem übertragen. Dank eines tiefen Siedepunktes des Kältemittels erreicht dieses rasch einen gasförmigen Zustand. Im Verdichter (Kompressor) wird der Dampf komprimiert und dadurch erhitzt, anschliessend gibt der heisse Dampf im Kondensator seine Wärme an den Wasserkreislauf des Heizsystems ab. Am Expansionsventil wird dann der Druck abgebaut, und der ganze Kreislauf beginnt von vorne. Jede Wärmepumpe arbeitet umso effizienter, je kleiner die Temperaturdifferenz zwischen der zugeführten Umweltwärme und dem Vorlauf der Raumheizung ist.
Kombinationen sind möglich und sinnvoll
Wird die Heizwärme in einem Haus ausschliesslich durch eine Wärmepumpe erzeugt, spricht man von einem monovalenten Betrieb. Die grosse Mehrheit der installierten Wärmepumpen wird monovalent betrieben. Die Aufbereitung des Brauchwassers erfolgt sinnvollerweise mehrheitlich mit der Wärmepumpe. Wird die Wärmepumpe durch einen zusätzlichen Wärmeerzeuger, zum Beispiel eine Holzfeuerung oder Solarenergie, ergänzt, spricht man von einer bivalenten Anlage.
Ein Wunder an Effizienz
Durch die Wärmepumpe wird Umweltwärme tieferer Temperatur in Heizwärme höherer Temperatur umgewandelt. Diese Umwandlung geschieht im Verdichter (Kompressor) der Wärmepumpe. Um ihn anzutreiben, braucht es elektrische Energie. Die Effizienz einer Wärmepumpe widerspiegelt sich in deren Leistungszahl. Berechnet wird sie als Koeffizient der Heizleistung in kW und der elektrischen Antriebsleistung in kW.
Dynamisch wachsender Wärmepumpenmarkt in der Schweiz
Letztes Jahr (2019) wurden in der Schweiz ca. 24‘000 Wärmepumpen-Heizungen sowie ca. 6‘000 Wärmepumpen-Boiler verkauft und installiert. Der Verkauf von Wärmepumpen-Heizungen hat sich somit in den letzten zehn Jahren beinahe vervierfacht (im 2009 noch 6‘500 Stk.). In 71% aller Fälle wird eine Luft/Wasser Wärmepumpe eingesetzt und auf Platz zwei kommt mit 28% die Sole/Wasser Wärmepumpe. Die Wasser/Wasser Wärmepumpe wird in 1% aller Fälle eingesetzt.
Wärmequelle Luft
Umgebungsluft ist überall und in beliebigen Mengen vorhanden und kann deshalb problemlos und einfach als Wärmequelle genutzt werden – kostenlos. Luft/Wasser-Wärmepumpen geben die gewonnene Wärme an ein herkömmliches Wärme-verteilsystem (Bodenheizung, Radiatoren) oder an eine Wassererwärmungsanlage ab, Luft/Luft-Wärmepumpen an ein Lüftungssystem. Luft/Wasser-Wärmepumpen können sowohl im Gebäude als auch im Freien aufgestellt werden, sind bewilligungspflichtig und benötigen dazu einen Lärmschutznachweis.
Wärmequelle Erdreich (Sole)
Die im Erdreich gespeicherte natürliche Energie lässt sich auf einfache Art nutzen: mit vertikalen Erdwärmesonden, die bis 500 Meter tief in den Untergrund eingebaut werden. Der Einbau von Erdwärmesonden ist bewilligungspflichtig. Daneben gibt es weitere Möglichkeiten zur Erdwärmenutzung: Energiepfähle, Energiekörbe oder Erdregister. Diese Systeme haben gemeinsam, dass sie auf der Quellenseite alle aus geschlossenen Kreisläufen bestehen. Im Untergrund wird also kein Material ausgetauscht, sondern nur Wärme. Im Rohrsystem im Untergrund zirkuliert vorwiegend eine Sole, welche aus Wasser und Frostschutzmittel besteht. Diese Wärmepumpe wird deshalb als Sole/Wasser-Wärmpumpe bezeichnet. Der geothermische Wärmefluss strömt aus dem Erdinneren nach aussen. Von der Erdoberfläche bis zu einer Tiefe von 300 Meter steigt die Temperatur linear auf ungefähr 18 Grad an (12 Grad bei 100 Meter von der Oberfläche). Daher kann mit einer Erdsonde auch gekühlt werden (Freecooling). Der von der Erdwärmesonde abgekühlte Untergrund wird durch natürliche Wärmeleitung laufend wieder erwärmt. Je nach Untergrundeigenschaften geschieht dies schneller oder langsamer. Deshalb müssen Erdwärmesonden so dimensioniert werden, dass immer ausreichend Wärme nachfliesst. Dies wird mit der Tiefe und der Anzahl der Bohrungen reguliert. Erdsonden sind bewilligungspflichtig, benötigen jedoch keine Konzession.
Wärmequelle Wasser
Das Grundwasser eignet sich ebenso wie die Erdwärme als Wärme- und Kühlquelle, jedoch unterliegt die Grundwassertemperatur jahreszeitlichen Schwankungen (7-14°C), welche je nach Situation gleich- oder auch gegenläufig zu den Aussentemperaturen sein kann. Der sogenannte Grundwasserleiter (wasser-führende Gesteinsschicht) wird über eine Brunnenbohrung (Förderbrunnen) erschlossen. Über ein Rohr wird das zu nutzende Wasser zur Wärmepumpe geleitet, welche dem Grundwasser Wärme entzieht. Das abgekühlte Wasser wird über eine weitere Rohrleitung «flussabwärts» über einen Sickerschacht wieder zurückgeführt. Es ist also kein geschlossenes, sondern ein offenes System. Neben Grundwasser kann auch Oberflächenwasser aus Seen, Flüssen und Bächen als Wärmequelle dienen.
Der Bau und Betrieb einer solchen Wasser/Wasser-Wärmepumpe ist bewilligungs- und konzessionspflichtig. Dies erfordert eine hydrogeologische Vorabklärung und im Zweifelsfall eine Wasseranalyse.
Nutzungsmöglichkeiten für Grundwasser sowie Erdwärmsonden im Kanton Bern
Auf dem Kantonalen Geoportal kann für jeden Standort im Kanton Bern ganz einfach überprüft werden, ob Nutzungsmöglichkeiten für das Grundwasser oder zum Bau einer Erdwärmsonde vorhanden sind. Die beiden Karten sind unter folgendem Link abrufbar:
