Heizen und Kühlen mit einer Wärmepumpe – Teil 3

Erdwärmepumpen

Erdwärmepumpen nutzen die Erde oder das Grundwasser im Heizbetrieb als Wärmeenergiequelle und im Kühlbetrieb als Senke zur Energieabgabe. Diese Art von Systemen enthält zwei Schlüsselkomponenten:

• Erdwärmetauscher: Hierbei handelt es sich um den Wärmetauscher, mit dem der Erde oder dem Boden Wärmeenergie zugeführt oder entzogen wird. Verschiedene Wärmetauscherkonfigurationen sind möglich und werden später in diesem Abschnitt erläutert.
• Wärmepumpe: Erdwärmepumpen nutzen anstelle von Luft eine durch den Erdwärmetauscher strömende Flüssigkeit als Quelle (beim Heizen) oder Senke (beim Kühlen).
  Auf der Gebäudeseite sind sowohl Luft- als auch Hydronik-(Wasser-)Systeme möglich. Bei hydraulischen Anwendungen sind die Betriebstemperaturen auf der Gebäudeseite von großer Bedeutung. Wärmepumpen arbeiten beim Heizen bei niedrigeren Temperaturen von unter 45 bis 50 °C effizienter und eignen sich daher besser für Fußbodenheizungen oder Gebläsekonvektorsysteme. Bei der Verwendung mit Hochtemperaturheizkörpern, die Wassertemperaturen über 60 °C erfordern, ist Vorsicht geboten, da diese Temperaturen im Allgemeinen die Grenzwerte der meisten Wohnwärmepumpen überschreiten.

Abhängig vom Zusammenspiel von Wärmepumpe und Erdwärmetauscher sind zwei unterschiedliche Systemklassifizierungen möglich:

• Sekundärkreislauf: Im Erdwärmetauscher wird eine Flüssigkeit (Grundwasser oder Frostschutzmittel) verwendet. Die vom Erdreich auf die Flüssigkeit übertragene Wärmeenergie wird über einen Wärmetauscher an die Wärmepumpe abgegeben.
• Direktexpansion (DX): Als Flüssigkeit im Erdwärmetauscher wird ein Kältemittel verwendet. Die durch das Kältemittel aus dem Erdreich entzogene Wärmeenergie wird direkt von der Wärmepumpe genutzt – ein zusätzlicher Wärmetauscher ist nicht erforderlich.
  In diesen Systemen ist der Erdwärmetauscher Teil der Wärmepumpe selbst und fungiert im Heizmodus als Verdampfer und im Kühlmodus als Kondensator.

Erdwärmepumpen können eine Reihe von Komfortbedürfnissen in Ihrem Zuhause erfüllen, darunter:

• Nur Heizen: Die Wärmepumpe wird nur zum Heizen verwendet. Dies kann sowohl Raumheizung als auch Warmwasserbereitung umfassen.
• Heizen mit „aktiver Kühlung“: Die Wärmepumpe wird sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen eingesetzt
• Heizen mit „passiver Kühlung“: Die Wärmepumpe wird beim Heizen eingesetzt und beim Kühlen umgangen. Beim Kühlen wird Flüssigkeit aus dem Gebäude direkt im Erdwärmetauscher gekühlt.

Im folgenden Abschnitt werden die Heiz- und „Aktivkühl“-Vorgänge beschrieben.

Hauptvorteile von Erdwärmepumpensystemen

Effizienz

In Kanada, wo die Lufttemperaturen unter –30 °C fallen können, können Erdwärmesysteme effizienter arbeiten, da sie die wärmeren und stabileren Bodentemperaturen nutzen. Typische Wassertemperaturen am Eintritt in die Erdwärmepumpe liegen im Allgemeinen über 0 °C, was bei den meisten Systemen in den kältesten Wintermonaten zu einem COP von etwa 3 führt.

Energieeinsparungen

Erdwärmesysteme reduzieren Ihre Heiz- und Kühlkosten erheblich. Die Einsparung der Heizenergiekosten im Vergleich zu Elektroöfen beträgt rund 65 %.

Im Durchschnitt führt ein gut konzipiertes Erdwärmesystem zu Einsparungen, die etwa 10–20 % höher sind als die einer erstklassigen Luftwärmepumpe für kaltes Klima, die so dimensioniert ist, dass sie den größten Teil der Heizlast des Gebäudes abdeckt. Dies liegt daran, dass die Temperaturen im Untergrund im Winter höher sind als die Lufttemperaturen. Dadurch kann eine Erdwärmepumpe im Winter mehr Wärme liefern als eine Luftwärmepumpe.

Die tatsächlichen Energieeinsparungen variieren je nach dem örtlichen Klima, der Effizienz des bestehenden Heizsystems, den Brennstoff- und Stromkosten, der Größe der installierten Wärmepumpe, der Bohrfeldkonfiguration und der saisonalen Energiebilanz sowie der Effizienzleistung der Wärmepumpe bei CSA Bewertungsbedingungen.

Wie funktioniert ein Erdquellensystem?

Erdwärmepumpen bestehen aus zwei Hauptteilen: einem Erdwärmetauscher und einer Wärmepumpe. Im Gegensatz zu Luftwärmepumpen, bei denen sich ein Wärmetauscher außerhalb befindet, befindet sich bei Erdwärmesystemen die Wärmepumpeneinheit im Inneren des Hauses.

Erdwärmetauscherkonstruktionen können wie folgt klassifiziert werden:

• Geschlossener Kreislauf: Systeme mit geschlossenem Kreislauf sammeln Wärme aus dem Boden mithilfe einer kontinuierlichen Schleife von unter der Erde verlegten Rohrleitungen. Eine Frostschutzlösung (oder Kältemittel im Fall eines DX-Erdquellensystems), die durch das Kühlsystem der Wärmepumpe auf mehrere Grad kälter als der Außenboden gekühlt wurde, zirkuliert durch die Rohrleitungen und nimmt Wärme aus dem Boden auf.
  Zu den üblichen Rohrleitungsanordnungen in Systemen mit geschlossenem Kreislauf gehören horizontale, vertikale, diagonale und Teich-/Seebodensysteme (diese Anordnungen werden weiter unten unter „Designüberlegungen“ erläutert).
• Offener Kreislauf: Offene Systeme nutzen die in einem unterirdischen Gewässer gespeicherte Wärme. Das Wasser wird durch einen Brunnen direkt zum Wärmetauscher gefördert, wo ihm die Wärme entzogen wird. Das Wasser wird dann entweder in ein oberirdisches Gewässer wie einen Bach oder Teich oder über einen separaten Brunnen zurück in dasselbe unterirdische Gewässer geleitet.

Die Auswahl des Außenrohrsystems hängt vom Klima, den Bodenbedingungen, dem verfügbaren Land, den örtlichen Installationskosten am Standort sowie den kommunalen und regionalen Vorschriften ab. Open-Loop-Systeme sind beispielsweise in Ontario zulässig, in Quebec jedoch nicht. Einige Kommunen haben DX-Systeme verboten, weil die kommunale Wasserquelle der Grundwasserleiter ist.

Der Heizzyklus

Anmerkung:

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