Erfahrungen im Betrieb einer Sole/Wasser-Wärmepumpe

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Warmwasserbereitung mit Frischwasserstation

Bei der früheren Warmwasserbereitung wurde das Speicherwasser auf etwa 50 °C aufgeladen. Zur Vermeidung einer Legionellenbildung musste die Temperatur aber einmal die Woche auf 60 °C erhöht werden. Bei der jetzigen Heizung aber funktioniert die Brauchwarmwasserbereitung gänzlich anders. Und zwar über ein Wärmeübertragermodul. Dieses arbeitet nach dem Gegenstromprinzip: Wird Warmwasser angefordert, springt eine Umwälzpumpe an und das noch kalte Frischwasser wird erst während des Durchflusses erwärmt. Immerhin 54 kW leistet dieser Wärmeübertrager zwischen Speicherwasser und Kaltwasserzulauf und liefert 20 l/min bei einer Erwärmung von 10 auf 55 °C.

Hier wird der große Vorteil von Frischwasserstationen bei ihrer Nutzung in kleinen Objekten offenkundig: Wenn das Brauchwarmwasser immer frisch erwärmt wird, besteht keine Gefahr mehr für Legionellenbildung. Damit entfällt auch das regelmäßige "Sterilisieren" durch eine ansonsten unsinnige zeitweise Erhöhung der Wassertemperaturen.

Heute ist die Heizungssteuerung so eingestellt, dass die Wärmepumpe den Solespeicher einmal täglich, ­jeweils morgens kurz vor 7 Uhr auf eine Wassertem­peratur von 46 °C erwärmt. Mit dieser Einstellung wird durch den Wärmeübertrager tagsüber auch die Spülmaschine versorgt. Eine Zirkulationspumpe wird lediglich um die Mittagszeit aktiv, gesteuert mittels Zeitschaltuhr.

Abends beträgt die Speichertemperatur immer noch etwa 40 °C und in den Nachtstunden minimieren sich durch eine geringe Speichertem­pe­ratur auch dessen Wärmeverluste. Übrigens spart das hier beschriebene Warmwassermanagement fast 30 Prozent elektrische Energie ein, gegenüber einer automatischen Warmwassersteuerung. Mit diesem Zyklus verbraucht die Wärmepumpe während ihres 15-minütigen einmaligen Hochladens für die Brauchwarmwasserbereitung noch nicht einmal eine Kilowattstunde Strom oder knapp 20 Cent.

Sommerliche Kühlung als Naturkühlung

Kühlen ist schon immer ein besonderer Luxus gewesen und Kenner der Materie wissen, dass Kühlen bis zu fünfmal so viel Energie benötigt wie Heizen. Mit einer Solewärmepumpe wird diese Aufgabe aber fast zum Kinderspiel.

Man kann nämlich die im Sommer etwa 16 °C kalte oberflächen­nahe Erdtemperatur so geregelt durch die Fußbodenregister schicken, dass für die damit ermöglichte Gebäudekühlung lediglich der Pumpenstrom anfällt. Die ­eigentliche Wärmepumpe bleibt dabei ausgeschaltet – sog. passive Kühlung.

Die Steuerung der Naturkühlung mischt den Vorlauf auf höchstens 18 °C, um Kondensatbildung innerhalb des Verteilsystems zu vermeiden. Ein Nebeneffekt: Durch den Entzug sommerlicher Wärme aus dem Gebäude erfolgt eine thermische Aufladung/Regeneration der Bohrlochzonen. Deren Temperaturanhebung kommt der Arbeitszahl der Wärmepumpe bei der sommerlichen Warmwasserbe­reitung zugute.

Die Erfahrung der letzten Jahre zeigt, dass bei hohen Außenlufttemperaturen von über 30 °C sich die Fußbodentemperaturen der Wohnflächen auf bis zu 20 °C herunterkühlen lassen. Die Raumlufttemperatur im Haus sinkt dann um etwa 3 K – von beispielsweise 26 °C auf noch 23 °C. Und dies geschieht ausschließlich passiv mithilfe der Soleumwälzpumpe.

Investitionskosten der Heizungsmodernisierung

Die Gesamtausgaben für die neue Heizung betrugen 31.235 Euro.

Zusätzlich zu den damals geltenden Fördermöglichkeiten wurden die Heizstromkosten – über einen Zeitraum von zehn Jahren – auch durch einen Förderrabatt von 25 Prozent gemindert. Bedingung dafür war, dass – bei Außenlufttemperaturen unter 0 °C – der Heizstrom dreimal täglich für insgesamt vier Stunden abgestellt werden darf. Bei einer Fußbodenheizung macht sich diese Abschaltung aber nicht bemerkbar, denn dafür ist sie bekanntlich zu träge.

Nachzuweisen war auch, dass die geforderte JAZ von 4,5 auch tatsächlich erreicht wird. Diese liegt aber auch heute im Jahresmittel unverändert darüber und kann zu Beginn der Heizperiode im September sogar auf 6,8 steigen.

Wie ein Kühlschrank und heutige Wärmepumpentrockner braucht die Gebäudeheizung per Wärmepumpe keine eigene Wartung. Trotzdem wurde nach einigen Betriebsjahren bei der Überprüfung des Energieverbrauchs bemerkt, dass der Wirkungsgrad der Anlage plötzlich nachgelassen hatte. Ursache war ein undicht gewordener Temperaturfühler im Primärkreislauf der Anlage. Dieser wurde durch Waterkotte im Rahmen der Gewährleistung ausgetauscht. Weitere Wartungsarbeiten fielen in den ersten zehn Jahren Betrieb nicht an.

Jährliche Heizkosten

Der Jahresstromverbrauch durch die Wärmepumpe liegt im Durchschnitt der letzten fünf Jahre bei 3.630 kWh und damit aktuell bei 675 Euro/a. Das ist deutlich weniger als die Hälfte der Energiekosten für eine Öl-Brennwertheizung mit solarunterstützter Warmwasserbereitung. Nach Wegfall des Strompreisrabatts ab kommendem Jahr werden um die 860 Euro/a an Stromkosten anfallen.

In der Summe der Jahresstromkosten enthalten sind auch 114 Euro Mess- und Schaltkosten für den gesonderten Zähler. Hinzu kommt noch der Pumpenstrom für die Umwälzpumpe der Heizungsanlage, der aber bei jeder Art von wasserführender Heizung anfällt. Der Energiebedarf für Heizen, Kühlen sowie die Warmwasserbereitung beträgt – bezogen auf die beheizte Grundfläche von 175 m² – im Durchschnitt der letzten fünf Jahre 21 kWh/m² a.

Fazit

Die Solewärmepumpe hat sich im bisherigen 10-jährigen Einsatz voll bewährt. Sie arbeitet reibungslos, ist leicht steuerbar und die sommerliche Kühlfunktion bei vernachlässigbaren Pumpenstromkosten hochwirksam. Erfreulich, dass die Inves­tition durch die Ausnutzung der Fördertöpfe sogar ein wenig kostengünstiger blieb als mit Öl-Brennwerttechnik und sich der Energieverbrauch dauerhaft als kostengünstig bestätigte.