Umweltwärme: Energiequelle für Wärmepumpen

Umweltenergie ist mit einer Wärmepumpe nutzbar  

Thermische Energie ist überall in unserer Umwelt verfügbar. Sie steckt im Boden, im Wasser und ist sogar im tiefsten Winter in der Außenluft enthalten. Die bedeutendste Quelle ist dabei die Sonne. Denn der Stern sendet tagtäglich Unmengen an Umweltenergie in Form elektromagnetischer Wellen zur Erde. Das Problem: Luft, Wasser und Böden sind in der Regel zu kalt, um die darin gespeicherte Umweltwärme ohne Weiteres zum Heizen nutzen zu können. Es ist also eine technische Lösung nötig, die das Temperaturniveau der Umweltenergiequellen mit überschaubarem Aufwand über das Niveau der Heizwassertemperaturen bringt. Denn nur so lässt sich thermische Energie aus der Umwelt tatsächlich auf das Heizsystem übertragen. Möglich ist das mit einer Wärmepumpe.

Die Wärmepumpe macht Umweltwärme zum Heizen nutzbar  

Wärmepumpe setzen auf technische Prozesse, um die kostenfreie Umweltwärme zum Heizen nutzen zu können. Am bekanntesten ist dabei die sogenannte Kompressionswärmepumpe, die in ihrer Funktionsweise einem Kühlschrank oder einer  Klimaanlage  gleicht. Sie überträgt Umweltwärme auf ein spezielles  Kältemittel, das bereits bei geringen Temperaturen verdampft. Der Dampf strömt anschließend über einen mit Gas oder Strom betriebenen Kompressor, der mit dem Druck auch die Temperatur des Mediums anhebt. Ist der Kältemitteldampf wärmer als die Vorlauftemperatur der Heizung, überträgt die Anlage Energie an das Heizungswasser. Der Kältemitteldampf kühlt sich ab, verflüssigt wieder und der Vorgang kann von vorn beginnen. Neben den weitverbreiteten Kompressionswärmepumpen gibt es auch die sogenannten Ad- und Absorptionswärmepumpen. Beide arbeiten in der Regel mit einer thermischen Verdichtung. Damit diese möglich ist, nutzen sie einen festen Stoff oder ein flüssiges Medium, um das dampfförmige Kältemittel aufzunehmen.  Die Beiträge Wärmepumpe, Adsorptionswärmepumpe und Absorptionswärmepumpe erklären, wie das im Detail funktioniert.

Verschiedene Arten der Umweltwärme anzapfen

Wie bereits beschrieben, ist Umweltenergie in der Luft, der Erde und dem Wasser gespeichert. Nutzen lässt sie sich dabei mit ganz unterschiedlichen Wärmepumpenarten.

Umweltenergie aus der Luft lässt sich einfach direkt anzapfen  

Geht es darum, kostenfreie Umweltwärme ohne großen Aufwand aus der Umwelt zu gewinnen, kommt nur die Luft infrage. Denn diese umgibt uns ständig und ist lediglich über den Verdampfer der Wärmepumpe zu führen. Möglich ist das mit einem Ventilator, der Außenluft ansaugt, über den  Wärmetauscher  leitet und anschließend wieder nach außen abgibt. Während das passiert, überträgt die Luft thermische Energie an das Kältemittel. Dieses verdampft und der Prozess setzt sich in Gang. Der große Nachteil ist aber, dass die Luft in der Heizperiode im Winter meist sehr kalt ist. Die Wärmepumpe muss dadurch einen größeren Temperaturhub realisieren und verbraucht mehr Strom oder Gas.

Erdwärme gelangt über einem Solekreislauf zur Wärmepumpe  

Effizienter ist es, Umweltwärme aus dem Boden zu gewinnen. Denn dieser speichert Energie auf einem höheren Temperaturniveau. Um diese zu gewinnen, kommen sogenannte Solekreisläufe zum Einsatz. Diese bestehen einfach beschrieben aus Kunststoffrohren, die ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel (die Sole) durch das Erdreich leiten. Die Sole nimmt dabei Umweltwärme auf und erwärmt sich. Sie strömt anschließend zum Verdampfer und überträgt die mitgeführte Energie an das Kältemittel. Dessen Temperatur steigt an. Es verändert seinen Aggregatzustand und der Wärmepumpenprozess kann starten. Je nachdem, in welcher Art und Weise der Solekreis in den Boden eingebracht ist, unterscheiden Experten unter anderem:

• den Flachkollektor
  
• den  Grabenkollektor
  
• die  Sondenbohrung
  
• den  Wärmekorb
  
• den  Energiezaun
  

Durch die hohen Temperaturniveaus lässt sich die Erdwärme effizient nutzen. Nachteilig sind jedoch die hohen Kosten zum Erschließen der Energiequelle. Wer Erdsonden verwenden möchte, benötigt außerdem eine spezielle Genehmigung.

Umweltwärme aus See- und Grundwasser für die Heizung  

Die dritte Quelle für Umweltenergie ist das Wasser. Es kommt unter anderem als Grund- oder Seewasser auf der Erde vor und speichert die Wärme der Sonne mit hohen Temperaturen. Grundwasser lässt sich dabei zum Beispiel mit einem System aus zwei Brunnen anzapfen. Während ein Brunnen Wasser aus der Tiefe nach oben befördert, schickt ein zweiter das Grundwasser zurück unter die Erde. Bevor das passiert, strömt es jedoch über den Verdampfer, um thermische Energie an das Kältemittel zu übertragen. Auch das Wasser aus Seen lässt sich auf ähnliche Art und Weise nutzen, um Umweltwärme zu gewinnen. Da es sich bei dem Medium jedoch um ein Lebensmittel handelt, ist die technische Verwendung nicht immer erlaubt. Auch die Eignung des Wassers ist nicht immer gegebenen. So kann es zum Beispiel Bestandteile enthalten, die der Heiztechnik auf Dauer schaden.

Umweltwärme: Pflicht bei Neubau und Sanierung 

Im Kontext der Energiewende verpflichtet der Staat Hausbesitzer, bei Neubau- und Sanierungsvorhaben auch erneuerbare Energie einzusetzen. Im Neubaubereich gilt das mit dem EEWärmeG deutschlandweit. Geht es um einen Heizungstausch, bestehen die Anforderungen mit dem EWärmeG BW aktuell nur in Baden-Württemberg. Eine Möglichkeit ist dabei die Verwendung von Umweltwärme mit einer Wärmepumpe. Wichtig zu wissen ist, dass der Gesetzgeber diesen auch einiges abverlangt. So fordert er eine hohe Effizienz, gemessen an der Jahresarbeitszahl (JAZ). Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Grenzwerte (ausgenommen Bauvorhaben der öffentlichen Hand):

Erfüllen lassen sich die hohen Effizienzwerte in der Regel nur dann, wenn die Wärmepumpe mit einer Flächenheizung kombiniert wird. Wandheizungen oder Fußbodenheizungen nutzen dabei große Heizflächen, sodass bereits geringe Vorlauftemperaturen ausreichen. Die Umweltheizung muss dazu einen geringeren Temperaturhub realisieren und arbeitet sparsamer.