Die Erdwärmepumpe: Funktionsprinzip verständlich erklärt

Das Funktionsprinzip einer Erdwärmepumpe

Die  Sole-Wasser-Wärmepumpe, ein Alternativbegriff für die Erdwärmepumpe, zieht Wärme aus dem Erdboden. Dafür verantwortlich sind wahlweise  Sonden, die mit einer Tiefe von 50 Metern bis 100 Metern in den Erdboden gebohrt werden, oder aber sogenannte  Erdkollektoren, welche eine weitläufige Fläche unterhalb der Erdoberfläche abdecken. Die Lösungen bestehen aus Leitungen, die ein Wasser-Frostschutz-Gemisch durchfließt. Letzteres nimmt Wärme aus dem Boden auf und transportiert sie zur Erdwärmepumpe.  

Die vier Schritte der Wärmeübertragung

Die Erdwärmepumpe funktioniert mittels der im Erdinneren befindlichen Wärme. Diese wird letztlich an das lokale Heizungssystem übergeben. Davor sind vier Arbeitsschritte zu bewerkstelligen:

1. Aufnahme: Die Erdwärme wird von der in den Kollektoren bzw. Sonden zirkulierenden Sole (Wasser-Frostschutz-Gemisch) aufgenommen und über einen Wärmeübertrager an die eigentliche Wärmepumpe weitergegeben. Hier erwärmt sie ein spezielles Medium (Kältemittel), das dabei verdampft.
   
2. Verdichtung: Ein meist mit Strom betriebener Verdichter komprimiert den Kältemitteldampf und erhöht somit Temperatur und Druck.
   
3. Abgabe: Ein weiterer Wärmeübertrager leitet die Wärme des Kältemittels an das Heizsystem, wodurch die Temperatur des Kältemitteldampfes sinkt.
   
4. Entspannung: Ein Entspannungsventil unterstützt das bereits abgekühlte Kältemittel bei der Regenerierung, sodass Temperatur und Druck ihren Ausgangszustand annehmen. Das Medium verflüssigt sich und der Vorgang kann von vorn beginnen.
   

Aktive und passive Kühlung der Sole-Wasser-Wärmepumpe

Durch die spezielle Funktionsweise der Erdwärmepumpe ist es möglich, die Systeme im Sommer auch zum Kühlen zu verwenden. Experten unterscheiden dabei die aktive und die passive Kühlung. Bei der aktiven Kühlung (auch  active cooling) nimmt die Erdwärmepumpe Wärme des Heizungswassers auf. Sie nutzt den technischen Prozess, um das Temperaturniveau anzuheben, und überträgt die Wärme anschließend mithilfe der Sole an das Erdreich. Bei der passiven Kühlung ist der energieintensive Wärmepumpenprozess nicht erforderlich. Denn hier geht die Wärme des Heizungswassers direkt auf die Sole über. Letztere kühlt sich im Erdreich ab und strömt regeneriert zurück.  

In beiden Fällen erfolgt die Kühlung im Raum mit einer  Fußbodenheizung. Strömt das von der Wärmepumpe gekühlte Heizungswasser durch diese hindurch, nimmt es Wärme aus dem Raum auf, was dort zu einem Abfall der Temperatur führt.

Wärmequelle Erde: Wie anzapfen?

Soll die Erde mit einer Erdwärmepumpe als Wärmequelle angezapft werden, funktioniert das generell über Kunststoffrohrleitungen, die von einem Wasser-Frostschutz-Gemisch – der sogenannten Sole – durchflossen werden. Diese nimmt die Energie aus dem Erdreich auf und transportiert sie zur Erdwärmepumpe. Bei der Art, in der die Leitungen in den Boden eingebracht wird, unterscheidet man zum Beispiel:

• Sondenbohrungen
  
• Flächenkollektoren
  
• Grabenkollektoren (Künetten)
  

Erdwärme über Sondenbohrungen gewinnen

Bei einer Sondenbohrung werden die Kunststoffleitungen senkrecht in den Boden eingebracht. Günstig ist das, da die Temperatur des Erdreichs mit zunehmender Tiefe steigt. Abhängig von der Qualität des Bodens kann eine Erdwärmepumpe so etwa 50 Watt je Bohrmeter gewinnen. Für ein modernes Einfamilienhaus wird dabei eine Sondenlänge von 150 Metern benötigt, die in der Regel auf verschiedene Bohrungen aufgeteilt wird. Wichtig zu wissen ist, dass Sondenbohrungen generell genehmigungspflichtig sind.

Erdwärme über Flachkollektoren gewinnen

Bei Flachkollektoren werden die Rohrleitungen flächig – in etwa wie bei einer Fußbodenheizung – in einer Tiefe von ein bis zwei Metern unter der Erde verlegt. Bei günstigen Bodenverhältnissen können so etwa 25 Watt je Quadratmeter gewonnen werden. Soll die Erdwärmepumpe in einem modernen Einfamilienhaus installiert werden, muss eine freie, nicht überbaute Fläche von rund 350 Quadratmetern vorhanden sein.

Erdwärme über Grabenkollektoren gewinnen

Grabenkollektoren oder Künetten ähneln Flachkollektoren. Der einzige Unterschied: Die Rohre werden hier nicht flächig, sondern in etwa einen Meter breiten Gräben verlegt. Das spart Platz und ermöglicht eine Entzugsleistung von bis zu 100 Watt, die entsprechende Qualität des Bodens vorausgesetzt. Für die Erdwärmepumpe in einem Einfamilienhaus können dabei Gräben mit einer Gesamtlänge von rund 80 Metern genügen. Auch diese dürfen nicht überbaut werden.

Kosten einer Erdwärmepumpe: Allgemein und im Detail

Die Anschaffungskosten für eine Erdwärmepumpe teilen sich in mehrere einzelne Bereiche. Die Wärmequelle unter dem Erdboden selbst muss erschlossen werden, weil keinesfalls jeder Platz gleichermaßen gut oder generell geeignet ist. Weiterhin muss die Wärmepumpe  gekauft und von einem Installateur aufgebaut werden. Hier entstehen Kosten für das Gerät und den Dienstleister. Eventuell notwendiges Zubehör schlägt ebenso auf das Budget wie das notwendige Lüftungsmodul. Letzteres wird benötigt, wenn Sie das Funktionsprinzip der Erdwärmepumpe durch das Kühlen im Sommer ergänzen möchten.  

Kosten im Detail aufgeschlüsselt

Für das Erschließen des geeigneten Platzes unter der Erdoberfläche muss bereits die Entscheidung zwischen den eingangs erwähnten Kollektoren oder einer Sonde getroffen werden. Sonden kosten häufig mehr, da diese tief unter der Erdoberfläche eingesetzt werden. Hier ist mit rund 6.000 bis 12.000 Euro zu rechnen. Kollektoren schlagen mit rund 8.000 bis 9.000 Euro zu Buche.

Die Erdwärmepumpe selbst kostet ungefähr 6.000 bis 11.000 Euro, die Montage weitere 2.000 bis 3.000 Euro. Für das Zubehör kommen noch rund 500 bis 1.500 Euro hinzu. Wenn Sie die Funktion der Erdwärmepumpen im Sommer als indirekte Klimaanlage nutzen möchten, wird ein zusätzliches Lüftungsmodul notwendig. Dieses kostet zusätzlich ungefähr 4.000 bis 8.000 Euro.

Die laufenden Kosten umfassen den benötigten Strom. Denn die Erdwärmepumpe ist nahezu wartungsfrei und verfügt über eine Lebensdauer von rund zwei Jahrzehnten. Die Stromkosten variieren und hängen vom energetischen Zustand sowie von der Größe des Gebäudes ab.

Vor- und Nachteile der Erdwärmepumpe

Zu den  Vorteilen  der Erdwärmepumpe zählen folgende Punkte:

• Funktionsweise der Erdwärmepumpe macht Heizen und Kühlen möglich
  
• Erdwärme als unerschöpfliche, regenerative Energiequelle
  
• Besonders effizient bei hoher Bodentemperatur
• Geringer CO₂-Ausstoß, da keine Verbrennung stattfindet
  
• Erdwärme nahezu überall verfügbar (Genehmigungen erforderlich)
  
• Wartungsarme Heizung ohne Schornstein und herkömmliche Brennstoffversorgung

Nachteile  der Funktionsweise der Erdwärmepumpe sind vor allem bei den hohen Investitionskosten zu finden. Diese sind sicher nicht für jedermann finanzierbar. Jedoch kann die finanzielle Unterstützung über eine  Förderung für eine Wärmepumpe  helfen. Außerdem sind eine gute Dämmung und ausreichend Platz notwendig. Als Nachteil kann auch die Ökobilanz gewertet werden, welche aufgrund der Abhängigkeit zum Strom schlechter ausfällt als beispielsweise bei einer Pelletheizung. Doch hier haben Hausbesitzer die Möglichkeit, auf Ökostrom zu setzen. Zudem kann ein optimales Heizverhalten sowie der Einsatz von Flächenheizungen den Stromverbrauch reduzieren. Denn Fußboden- oder Wandheizungen kommen mit einer niedrigen  Vorlauftemperatur  gut zurecht und begünstigen damit den effizienten Betrieb der Erdwärmepumpe.

Wann lohnt sich eine Erdwärmepumpe?

Wie andere Typen lohnt sich auch eine Erdwärmepumpe ganz besonders, wenn die Differenz zwischen Umwelt- und Heiztemperatur niedrig ist. Auf diese Weise kann der Strombedarf des elektrischen Verdichters reduziert werden. Möglich ist das etwa dann, wenn das Heizgerät in energiesparenden Gebäuden installiert wird. Ideal ist die Kombination mit einer Flächenheizung, die generell mit niedrigen Systemtemperaturen auskommt. Auch die Verbindung mit einer Solaranlage zur Warmwasserbereitung ist günstig, um zusätzlich Heizkosten zu sparen.