Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird auch als Grundwasserwärmepumpe bezeichnet. Allein der Name verrät ihre Energiequelle, das Grundwasser. Dieses ist der ideale Energieträger für die Wärmepumpe, da es ganzjährig eine Temperatur zwischen acht und zwölf Grad Celsius aufweist. Saisonale Schwankungen wie bei der Luft-Luft-Wärmepumpe, derer Energiequelle die Umgebungsluft ist, gibt es bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe kaum.

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe steht nach den Sole-Wasser-Wärmepumpen und der Luft-Wasser-Wärmepumpen auf Platz drei der meist verwendeten Wärmepumpen. Auch wenn Grundwasser aufgrund seiner Eigenschaften als Energiequelle für die Wärmepumpentechnik ideal ist, ist der Bau der Anlage aufwendiger und mit entsprechenden Genehmigungen für die Wärmepumpe verbunden. Für den Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind zwei Grundwasserbrunnen erforderlich: ein Förderbrunnen, der auch Saugbrunnen genannt wird, sowie ein Schluckbrunnen. 

Durch den Förderbrunnen wird das Grundwasser nach oben gepumpt, während es über den Schluckbrunnen derselben Grundwasserschicht wieder zugeführt wird. Über die spezielle Funktion der Wärmepumpe lässt sich die Umweltwärme nutzen, um das Heizungswasser sparsam und effizient auf die geforderten Temperaturen zu bringen. Die Tiefe des Förderbrunnens sowie des Schluckbrunnens kann je nach Stand des Grundwassers zwischen 4 und 15 Metern variieren. Tiefer sollte nicht gebohrt werden, da der Energieaufwand für das Pumpen nicht wirtschaftlich wäre.

Ein Grundwasserbrunnen ist genehmigungspflichtig. Gebaut werden darf und kann er dabei nur, wenn neben den technischen auch die hohen gesetzlichen Vorgaben erfüllt werden. Wichtig ist es dabei zum Beispiel, dass:

• ausreichend Grundwasser zur Verfügung steht
  
• das Einzugsgebiet kein Wasser- oder Heilquellenschutzgebiet ist
  
• das Grundwasser ganzjährig relativ konstante Temperaturen hat
  
• bestimmte chemische Grenzwerte des Wassers eingehalten werden
  

Wird ein neuer Grundwasserbrunnen geplant, muss unbedingt auf die Strömungsrichtung der unterirdischen Wasservorkommen geachtet werden. Denn nur wenn Saug- und Schluckbrunnen im richtigen Abstand und in der richtigen Reihenfolge zueinander angeordnet werden, kann ein sogenannter Kurzschluss vermieden werden. Dabei würde die Wärmepumpe das bereits abgekühlte und über den Schluckbrunnen ins Erdreich geleitete Wasser ansaugen, wodurch ihre Leistung auf ein Minimum sinkt.

Wer direkten Zugang zu einem Fluss oder See hat, kann unter bestimmten Voraussetzungen über einen Zwischenkreis auch die Wärme dieser Gewässer nutzen. Allerdings eignet sich Oberflächenwasser für den Betrieb einer derartigen Wärmepumpe nur bedingt, da es aufgrund von Algen zu einer Verschmutzung der Anlage oder wegen der Schneeschmelze zu einer starken Abkühlung kommen kann. Problematisch kann auch die Fließgeschwindigkeit sein, die 0,8 Meter pro Sekunde oder weniger betragen sollte. Ob eine Wärmepumpe mit Grundwasserbrunnen gebaut und betrieben werden kann, entscheidet in der Regel die untere Wasserbehörde der jeweiligen Landkreise.

Aus dem Förderbrunnen, dessen Tiefe sich am Stand des Grundwasserspiegels orientiert, wird Grundwasser nach oben gepumpt und zur eigentlichen Wärmepumpe weitergeleitet. Auch bei der Wasser-Wasser-Wärmepumpe gibt es ebenso wie bei der Sole-Wasser-Wärmepumpe einen Kältemittelkreislauf. Das Kältemittel nimmt die Wärme aus dem Grundwasser auf. Ein mit Strom betriebener Scrollverdichter komprimiert das Kältemittel, sodass der Druck ansteigt und sich die Temperatur weiter erhöht.

Über einen Wärmetauscher wird die Wärme des nun gasförmigen Kältemittels an das Heizungswasser im Haus abgegeben. Dabei kühlt sich das Kältemittel ab und verflüssigt sich wieder. Dieser Vorgang wird durch ein Expansionsventil unterstützt, das gleichzeitig den Druck kontrolliert. Das um durchschnittlich fünf Grad kältere Grundwasser wird über Rohre in den Schluckbrunnen geleitet. Nun startet der Kreislauf erneut mit der Folge, dass das Kältemittel wieder Wärme aus dem Förderbrunnen aufnimmt. Das folgende Video stellt die Funktionsweise von Wärmepumpen anschaulich dar. 

Bei bestimmten Sachverhalten kann die Genehmigung für den Bau beziehungsweise Betrieb einer solchen Wärmepumpe verweigert werden. 

• Wenn es sich zum Beispiel um die Nutzung von Grundwasser aus einem Wasserschutzgebiet oder einem Heilquellenschutzgebiet handelt.
• Aus technischen Gründen ist eine Genehmigung für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ausgeschlossen, wenn es sich um die Nutzung von gespanntem Grundwasser handelt. Dies ist Grundwasser, das unter Druck steht.
• Ein Verbot wird auch dann ausgesprochen, wenn das Grundwasser für die Wärmepumpe genutzt werden soll, ohne dass es in die Grundwasserschicht zurückgeleitet wird.
• Ist die vorhandene Grundwassermenge nicht ausreichend, wird der Bau ebenfalls verweigert. Die Ergiebigkeit kann in einem dreitägigen Dauerpumpversuch überprüft werden.

Der Bau einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist nicht empfehlenswert, wenn das Grundwasser am geplanten Standort einen zu hohen Gehalt an Mangan oder Eisen aufweist. Es könnten sich Oxide anlagern, die die Funktionsfähigkeit des Wärmetauschers beeinträchtigen. Deshalb ist eine Analyse des Grundwassers vor dem Bau ratsam.

Eine Wärmepumpe für Wasser-Wasser-Anwendungen bietet einige Vorteile. Dazu gehört der geringe Platz, den sie benötigt. Unter der Voraussetzung, dass die Temperatur des Grundwassers relativ hoch ist, erweist sich das Heizsystem als sehr wirtschaftlich.

Ein weiterer Vorteil gegenüber anderen Wärmepumpen besteht in der konstanten Temperatur des Grundwassers durch alle Jahreszeiten, sodass die Anforderungen an die Anlage sehr genau berechnet und individuell angepasst werden können. Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe kann nicht nur zum Aufwärmen von Brauchwasser, sondern auch zur Erwärmung von Heizwasser sowie im Sommer zum Kühlen verwendet werden.

Wärmepumpenanlagen, die aus Grundwasser gespeist werden, eignen sich hervorragend für den monovalenten Betrieb. Das heißt, dass als Heizenergie allein die Nutzung der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ausreicht und die Inbetriebnahme einer weiteren Heizanlage entbehrlich ist.

Ein Nachteil ist, dass der Aufwand für die Installation einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe aufgrund der beiden Brunnenbohrungen vergleichsweise hoch ist. Das gilt nicht nur für den Planungs- und Arbeitsaufwand, sondern auch für die damit verbundenen Kosten. Je nach Energieaufwand für den Pumpvorgang und den damit verbundenen Stromverbrauch kann sich die Effizienz der Anlage verschlechtern. Ein weiterer Nachteil sind die engmaschigen gesetzlichen Vorgaben, die den Betrieb einer Wärmepumpe für Wasser-Wasser-Anwendungen deutlich erschweren. Den Kreislauf sollte ein Fachmann regelmäßig kontrollieren. Bei einer geringen Gefährdung des Trinkwassers kann es passieren, dass die Anlage stillgelegt werden muss. Außerdem ist die zuständige Verwaltungsbehörde über bauliche Veränderungen an der Anlage oder ihre Stilllegung umgehend zu informieren.

Die Ausgaben für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe sind vor allem durch die nötigen Brunnenbohrungen vergleichsweise hoch. So kosten diese abhängig von den örtlichen Gegebenheiten zwischen 5.000 und 8.000 Euro. Hinzu kommen die Kosten der Wasser-Wasser-Wärmepumpe selbst, die mit 8.000 bis 12.000 Euro zu Buche schlagen. Erreicht die Wärmepumpenanlage jedoch eine hohe Effizienz, gemessen an der jahreszeitbedingten Raumheizungseffizienz (ETAs), unterstützt der Staat Interessenten mit hohen Zuschüssen. Im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude werden dabei bis zu 35 Prozent der Investitionskosten bezuschusst. Bis zu 45 Prozent sind es, wenn Sie eine alte Ölheizung ersetzen. Alles Wichtige zur Beantragung erklären wir im Beitrag Förderung für eine Wärmepumpe.

Ein Spezialfall der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist die Abwasser-Wärmepumpe. Diese kommt ganz ohne Bodenbohrung aus und nutzt – wie der Name es vermuten lässt - die thermische Energie im Abwasser, die ansonsten ungenutzt in die Kanalisation landen würde. Im Einfamilienhaus kommt diese Form der Wärmepumpe allerdings nicht zum Einsatz. Ihre Anschaffung lohnt sich erst in großen Komplexen wie Krankenhäusern, Schwimmbädern oder Wohngebäuden mit über 25 Wohneinheiten. Um Spitzenlasten abfedern zu können, kommt sie meist im bivalenten Betrieb mit einem BHKW zum Einsatz.