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Erfahrungen im Betrieb einer Sole/Wasser-Wärmepumpe

3.650 Tage tadellose Leistung

In HeizungsJournal-Ausgabe 4-5/2018 wurde von Ulf Sieberg, Bundesverband Erneuerbare Energie e.V. (BEE), angemahnt, in der Branche würden beim Heizungstausch noch immer überwiegend nicht erneuerbare Energien eingesetzt, wo doch die gesteckten Klimaziele längst auf eine Änderung unseres Verhaltens drängten. Das Juni-Heft des HeizungsJournals wiederum berichtete über eine mittlerweile gesteigerte Umsetzung von Heizungswärmepumpen. Hier soll dieser Fachbeitrag einhaken und über den besonders wirtschaftlichen Einsatz der Erdreich-Wärmepumpe für die Heizung und Warmwasserbereitung im Einfamilienhaus berichten. Nebenbei auch über die Erfahrungen mit dem sommerlichen Kühlbetrieb, welcher durch die Nutzung der Erdwärme bzw. Erdkälte zum Minimalaufwand möglich wird.

Übers Jahr hinweg lassen sich durch ­Umweltenergienutzung mittels Wärmepumpentechnik aus 1 kWh Betriebsstrom im Jahresdurchschnitt bis zu 4,5 kWh Heizenergie gewinnen und im Sommer lässt sich eine Gebäudekühlung zu einem Bruchteil der sonst üblichen Energie­kosten realisieren – dies gilt auch für das "Häuschen im Grünen" und darüber wird hier berichtet:

Seit genau zehn Jahren ist die Erdwärmeheizung mit einer Solewärmepumpe im vor 45 Jahren bezogenen Einfamilien-Wohnhaus (175 m² beheizte Wohnfläche) im Bergischen Land in Betrieb. Nach Inbetriebnahme im Juni 2008 haben sich die Energiekosten dauerhaft mehr als halbiert.

Das im Jahre 1973 bezogene frei­stehende Einfamilienhaus hatte für die damalige Zeit bereits eine überdurchschnittlich großzügige Wärmedämmung erhalten. Das verklinkerte Obergeschoss wurde damals schon mit 7 cm Perlitschüttung hinter den Außenziegeln gedämmt und auch das Untergeschoss bis auf den Kellerraum mit einer Fußbodenheizung ausgestattet. Diese Heizungsweise mit nur geringen Vorlauftemperaturen war damals noch ganz neu auf dem Markt und die wasserführenden Kunststoffheizrohre noch nicht im Estrich verlegt, sondern in die Deckendämmschicht integriert. Dadurch reagiert sie allerdings träger als heutige Systeme mit einer Rohrverlegung innerhalb des Estrichs.

Obwohl das Haus seit Jahrzehnten mit Vorlauftemperaturen zwischen 30 und 40 °C beheizt wurde, kamen im Jahresschnitt immer noch 2.500 l Heizöl zusammen und die Kosten für den Energieträger hatten sich inzwischen bereits vervielfacht. Eigentlich wäre für die Heizungsmodernisierung im Jahr 2008 ein Gas- oder Öl-Brennwert-Heizgerät zeitgemäß gewesen.

Jedoch: Die technisch raffinierte Wärmepumpentechnologie machte, auch aufgrund diverser Fördertöpfe des Landes Nordrhein-Westfalen, auf sich aufmerksam. Kurzerhand wurden die örtlichen Gegebenheiten für die Installation einer Wärmepumpenheizung durch ein Heizungsbauunternehmen geprüft, das etliche Wärmepumpen pro Jahr realisiert. Die Fachfirma bestätigte durch ein Gutachten die Bohrmöglichkeit auf dem eigenen Grundstück.

Als Bohrstelle bot sich der Garagenvorplatz an und die gutachterliche Bewertung der Grundstückslage führte zu zwei je 72 m tiefen Bohrungen im Abstand von mindestens sechs Metern. Später sollte sich herausstellen, wie vorteilhaft gerade dieser Standort war, denn die Bohrlafette konnte per Fernbedienung zentimetergenau zu den beiden Bohrstellen gesteuert werden – ohne irgendeinen Eingriff in die schon jahrzehntelang vorhandene Gartengestaltung.

Bohrarbeiten für eine Solewärmepumpe vor einem Einfamilienhaus.
Quelle: Helfried Naumann
Das beschriebene Sanierungsobjekt zum Zeitpunkt der Bohrarbeiten für die Solewärmepumpe. Unschwer zu erkennen ist die auf dem Dach montierte Photovoltaikanlage mit einem durchschnittlichen Jahresertrag von 7.500 kWh (9,3 kWp). Dieser ist mehr als doppelt so hoch wie der Jahresenergiebedarf für Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung auf Basis der Wärmepumpentechnik.

Bohrarbeiten für eine Solewärmepumpe vor einem Einfamilienhaus.
Quelle: Helfried Naumann

Genehmigungsverfahren und Erdbohrungen

Es galt, eine wasserrechtliche Genehmigung für die anstehenden Bohrungen einzuholen. Geologische Karten lieferten die Grundlagen in Verbindung mit der vom Heizungsbauer ermittelten Heizlast von 9,4 kW, die sich später als zu reichlich dimensioniert offenbarte. Das Amt für Wasserwirtschaft bzw. die örtliche Umweltschutzbehörde erteilte die Bohrgenehmigungen. Der Wärmepumpenhersteller Waterkotte hatte vor nunmehr 50 Jahren diese Art der Heizungswärmepumpe entwickelt und bereits vor zehn Jahren eine Jahresarbeitszahl (JAZ) von 4,5 garantiert.

Es hatte sich als richtige Entscheidung herausgestellt, die Bohrarbeiten für die Vorbereitungen zur Erdwärmenutzung als Festpreisposition zu vergeben. Rund 9.200 Euro war der Anteil und die beiden Bohrmaschinisten hatten mit professionellem Gerät eine ganze Bohrwoche lang alle Hände voll zu tun. Als die bergische Grauwacke erbohrt und sodann auf eine weitere Bohrlochverrohrung verzichtet wurde, fiel am 2. Bohrtag plötzlich in 60 m Tiefe das Bohrloch zusammen. Es galt also, das gesamte Bohrgestänge zu ziehen und die Bohrung unter Schutzverrohrung zu wiederholen. Nach Abschluss der jeweiligen Bohrung galt es, die doppelt ausgelegten Entnahmeleitungen (jeweils mit Vor- und Rücklauf) ins Bohrloch abzusenken und dieses mit einem Bentonit-Zementgemisch zu verfüllen. Hier wollte die 2. Bohrung lange nicht voll werden und machte eine zusätzliche Zementlieferung erforderlich.

Bohrlochverpressung mit doppelter Entnahmeverrohrung und Rücklauf sowie Verpressleitung für Bentonit.
Quelle: Helfried Naumann
Bohrlochverpressung einer Solewärmepumpe mit doppelter Entnahmeverrohrung und Rücklauf sowie Verpressleitung für Bentonit.

Auf Grundwasser stieß man bereits in 45 m Bohrtiefe: Ein Vorteil, da Wasser – besonders wenn es in Bewegung ist – auf natürliche Weise darin enthaltene Energie beisteuert. Beim Durchströmen der durch die Wärmepumpe abgekühlten Sole, sowohl ins Bohrloch hinab als auch wieder hinauf, nimmt diese jeweils erneut Energie auf, ist der Weg dafür doch fast 150 m weit. Am Abend des fünften Bohrtages war alles erledigt und die Bohrlöcher ­wieder vollständig durch die Bentonit-Zementmischung verschlossen.

Bentonit-Zementbereitung
Quelle: Helfried Naumann
Die Bentonit-Zementbereitung für die Bohrlochverfüllung.

Es blieb festzustellen: Die Bohrfirma hatte einen hochprofessionellen Job gemacht, alle aufgetretenen Bohrwidrigkeiten ausgebügelt und somit die Voraussetzungen geschaffen für eine bis heute problemlose Energiezufuhr.

Montage der Wärmepumpe und des Solespeichers

Die Abmessungen der Wärmepumpe gleichen denen eines Kühlschranks.

Eine Wärmepumpe.
Quelle: Helfried Naumann
Der Wärmepumpenstandort mit gedämmten Soleleitungen.

Der zusätzlich montierte Solespeicher dient dabei ausschließlich der Wärmespeicherung für die Warmwasserbereitung. Besonderes Augenmerk war bei der Isolierung der Soleleitungen innerhalb des Hauses geboten. Besondere Sorgfalt deswegen, weil diese im Durchschnitt nur mit der Bohrlochtemperatur von 10 °C und darunter durchströmt werden. Der Solerücklauf kann im Winter sogar um die 0 °C betragen. Zur Vermeidung von Kondensatbildung war nicht nur groß­zügiges Dämmen angesagt, sondern es wurden zusätzlich alle Anschlüsse abgedichtet.

Dämmschläuche für eine Soleleitung.
Quelle: Helfried Naumann
Die abgedichtete Soleleitungsführung in Dämmschläuchen.

Ausgelegt wurde die Wärmepumpe durch den Heizungsbauer für eine Anschlussleistung von 2,1 kW. Durch den Wärmepumpeneffekt würde diese auf eine Abgabeleistung von 9,4 kW "hochgepumpt" werden. Zwischenzeitlich wurden im Objekt auch die Fenster erneuert, was die Wärmeverluste der Gebäude­hülle weiter reduzierte. Außerdem wurde im Jahr zuvor bei der Erneuerung der Dachdeckung auch die Deckendämmung zum unbeheizten Dachraum teilweise verdoppelt und die Kellerdecke zu unbeheizten Kellerräumen durch eine unterseitige Wärmedämmung optimiert.

Diese Verbesserungen wurden in einer aktualisierten Energiebedarfs-Berechnung dem Heizungsbauer mitgeteilt. Er hatte sich aber nicht getraut, die Heizleistung weiter zu verringern bzw. an den verbesserten Dämmstandard anzupassen. Mit dem Ergebnis, dass die Wärmepumpe überbemessen und im Winter meist nur mit ihrer Mindestlaufzeit von zehn Minuten in Betrieb ist. Die zügig bis auf 40 °C ansteigende Vorlauftemperatur kann nämlich nicht schnell genug von der Fuß­bodenverteilebene abgeführt werden. Grund ist die bereits beschriebene Rohrverlegung der Heizschlangen unter dem Estrich. Falls irgendwann mal der Wärmepumpenkompressor ausgetauscht werden müsste, könnte man die Heiz­leistung also um nochmals ein Drittel ­reduzieren und damit zu längeren Laufzeiten kommen. Bisher wartet die Heizungssteuerung jeweils um die 20 Minuten darauf, dass die Rücklauftemperatur wieder absinkt und sodann die Heizung wieder anspringt.

Von Anfang an war auch eine Zusatzheizmöglichkeit mit Heizstäben in den Wärmepumpenkreislauf integriert. Möglicher Einsatzbereich sollte bei Neubauten die Erstaufheizung sein oder – beim Ausfall des Kompressors der Wärmepumpe – eine Notheizmöglichkeit zum Energieaufwand "eins zu eins". In den zehn Jahren Betrieb ist die elektrische Direktheizung jedoch nie zum Tragen gekommen und wurde deshalb schnell komplett deaktiviert.

Mittwoch, 15.08.2018

Von Helfried Naumann
Beratender Ingenieur BDB