Mehr als nur ein grünes Biotop

In Glashütte, jene Stadt in der Sächsischen Schweiz, die die ansässigen Uhrenmanufakturen weltbekannt gemacht haben, legte ein Bauherr den Verdampfer seiner Wärmepumpe in den Gartenteich. Der Kreislauf funktioniert effizient und störungsfrei. Das Verfahren hat jetzt sein Unternehmen zum „Synergieteich“-Konzept für Quartiere und größere Objekte quasi standardisiert.

Direktverdampfende Wärmepumpen gelten als Nischentechnologie. Das hat verschiedene Gründe. Etwa: Es bedarf zum einen ausreichender Grundstücksfläche von mindestens doppelter Wohnfläche für die Verdampferrohre im Erdreich; an den Kältekreis darf nur ein Fachmann mit Kälteschein; die zusätzliche Einbindung von beispielsweise Solarenergie gestaltet sich mangels Wasser- oder Solekreis schwierig. Des Weiteren bestehen Vorschriften zur regelmäßigen Kontrolle auf Leckagen und die Installation verlangt mehr handwerkliches Know-how als etwa die einer Luftwärmepumpe. Mangels ihrer Tauglichkeit als serielles Massenprodukt führen die Großen der Heizungsindustrie direktverdampfende Wärmepumpen nicht im Programm.

Um sie kümmern sich kleinere und mittlere Hersteller der regenerativen Heiztechnik-Branche. Deren Prospekte streichen vor allem die niedrige Störanfälligkeit und die höhere Effizienz heraus. Dazu trägt quasi automatisch die geringere Anzahl verbauter Einzelteile bei, weil mindestens eine Pumpe und ein separater Wärmeübertrager entfallen.

Sehr störungsarm

Tatsächlich bestätigt den wartungsarmen Betrieb einmal mehr eine Installation in der Nähe der sächsischen Uhrenstadt Glashütte. Als Wärmequelle dient hier der Schwimmteich im Garten. Er hat eine Fläche von rund 250 m², ein Gesamtvolumen von etwa 500 m³ und eine maximale Tiefe von 4 m. In dieses Biotop verlegte der Bauherr, Lars Tennhardt, in Zusammenarbeit mit der Beglau Wärmepumpen GmbH aus dem mecklenburgischen Rampe bei Schwerin einen Kältemittel-Kollektor mit einer Gesamtlänge von 200 m, davon 120 m in vier Schlaufen, auf dem Gewässergrund. Die entziehen dem Energieteich bis zu 7,5 kW für die beheizte Fläche von 185 m² im Wohnhaus, errichtet in Holzständerbauweise mit einer Heizlast von 9,2 kW. Der Kreislauf ist hermetisch dicht. Die Tennhardts nutzen den Energieteich als Schwimmteich und Biotop, ohne zusätzliche technische Einrichtungen für Umwälzung oder Reinigung. Neben der natürlichen Fauna aus Insekten, Amphibien und Schlangen bewohnen auch Edelkrebse und eingesetzte Salmoniden das Idyll. 2009 ging die Anlage in Betrieb. Bis heute trat lediglich eine einzige Störung auf. Und zwar streikte 2013 das Expansionsventil. Das musste ausgetauscht werden – seitdem ist Ruhe.

Teiche als Wärmequelle mit auf dem Boden liegenden Kupferrohren, sowohl als Verdampfer als auch als Horizontalkollektor, trifft man eher selten an, wenn man sich in der Wärmepumpen-Landschaft umschaut. Solch ein Teich ist in der Regel ein stehendes Kleingewässer, mit Betonung auf „stehend“. Das heißt, Wärme fließt nicht mit einem strömenden Volumenstrom zu, sondern der Wasserkörper steht im Austausch mit Boden und Luft. Damit immer ausreichend Wärme verfügbar ist, muss der Wärmetransport in den Wasserkörper vor allem für den Winter berechnet werden. Zu einer möglichst geringen Kälteentzugsleistung tragen natürlich ein guter Dämmwert des Baumaterials für das Wohnhaus und die niedrige Spreizung zwischen Teichwassertemperatur und Vorlauftemperatur der Fußbodenheizung durch das Einkreissystem bei.

Heißgas zur Trinkwassererwärmung

In Glashütte liegt der Verdampfer am Teichboden und der Kondensator steckt in Form der Fußbodenschlangen, ebenfalls aus Kupferrohr, im Heizestrich. Die gesamte Anlage ist mit 50 bar abgedrückt. Die Warmwasserbereitung übernimmt das Heißgas aus dem Scroll-Verdichter. Das durchströmt auf dem Weg zum Kondensator eine Speicherwendel in einen 100-l-Speicher aus Edelstahl. Die Temperatur des Heißgases beträgt etwa 65 °C. Den Verdichter selbst stellten die Anlagenbauer in einen Betonschacht außerhalb des Gebäudes und ordneten hier auch alle anderen Komponenten an, wie etwa Expansionsventil, Armaturen und weitere Peripherie. Die im Schacht anfallende Abwärme geht wieder direkt in das entspannte Kältemittel über und führt dadurch zu einer weiteren Effizienzsteigerung des Gesamtsystems. „Wir betreiben, wenn auch im bescheidenen Maße, mit dieser von Beglau ersonnenen Konfiguration eine Wärmerückgewinnung“, verweist Lars Tennhardt auf den Nebeneffekt der Schachtlösung.

Betreiber von Anlagen mit höheren Füllmengen an R 410A müssen sich keine Gedanken zu den Forderungen der F-Gase-Verordnung machen, die seit 2020 bestimmt, dass bei Service und Wartung an bestehenden Kälte-, Klima- und Wärmepumpenanlagen keine Kältemittel mit einem GWP-Wert über 2.500 nachgefüllt werden dürfen. Das vor allem in älteren Anlagen häufig verwendete R 410A liegt mit einem GWP von 2.088 unterhalb dieses Grenzwerts. Allerdings verschont die EU-Verordnung solche Installationen nicht von dem zwölfmonatigen Prüfintervall. Diese regelmäßige Kontrolle schreibt Brüssel für Kältemittelkreisläufe mit einem Inhalt von 5 bis 50 t CO₂-Äquivalenten vor. Die Größe „CO₂-Äquivalent“ ersetzt die frühere Angabe in Kilogramm. Das Äquivalent errechnet sich aus der Füllmenge in Kilogramm multipliziert mit dem GWP. Hat eine Anlage also zum Beispiel 9 kg Füllmenge R 410A, beläuft sich das CO₂-Äquivalent auf 9 kg x 2.088 = rund 19.000 kg oder 19 t. Erst Anlagen mit weniger als 2,4 kg R 410A müssen nicht in den Turnus des Prüfprozederes.

Begrenztes CO₂-Äquivalent

Generell haben die Kältemittelhersteller noch einige Aufgaben zu lösen. Ab 2025 zum Beispiel dürfen Wärmepumpen mit einer Füllmenge unter 3 kg kein Kältemittel mit GWP-Werten über 750 enthalten. Die in den Markt drängenden HFO-Chemikalien erfüllen diese Auflage. Doch gelten sie als schwach brennbar, fallen mithin in die Sicherheitsklasse A2L. Schwach brennbar sieht der Gesetzgeber nicht gerne in Wohnhäusern. Zudem bieten sich die HFO-1234yf sowie das ebenfalls als Ersatz diskutierte R 32 mit einem GWP von jeweils um 600 nur für Anlagen mit einer Füllmenge bis etwas über 8 kg an. Müssen mehr Chemikalien in den Kältemittelkreis hinein, übersteigt das CO₂-Äquivalent selbst bei einem GWP von 600 den Grenzwert von 5 t und rutscht damit in die Prüfpflicht.

Der Bauherr des Energieteiches, Dr.-Ing. Lars Tennhardt, ist Senior Manager bei der Tilia GmbH in Leipzig und verantwortlich für Optimierungen und Effizienzsteigerungen bei vornehmlich kommunalen Trinkwasserver- und Abwasserentsorgern. Das relativ junge Dienstleistungsunternehmen unterstützt laut Firmenporträt Stadtwerke, Kommunen und Industrieunternehmen bei der Entwicklung nachhaltiger Geschäftsmodelle. Tilia stammt aus der Wasserbranche, ist aber heute vermehrt im Energiebereich beratend unterwegs, unter anderem mit der Umsetzung von Zukunftskonzepten auf Quartiersebene. Das Energieteich-Konzept etwa hat die Gesellschaft zum „Synergieteich“-Konzept aufgebohrt.

Ertrag mit Regenwasser

Mit diesem Produkt sprechen die Leipziger beispielsweise Flughäfen, Industrieunternehmen oder Projektentwickler von Büros, Gewerberaum und Quartieren oder auch Kommunen an und offerieren neben der Wärmegewinnung in Grundlast zusätzliche Funktionen: So zum Beispiel Regenwasser-Retention bei Starkregenereignissen mit örtlich hydraulisch überlasteten Kanalnetzen. Die Rückhaltung von Niederschlagswasser und die anschließende gedrosselte Abgabe ins Kanalnetz nimmt angesichts der mehr und mehr versiegelten Flächen eine immer wichtigere Stellung in der Regenwasserbewirtschaftung ein: Bei Starkregenereignissen mit überlasteter Kanalisation fängt der grün gestaltete „Synergieteich“ beispielsweise im Hof eines Gebäudekomplexes einen Teil des Wolkenbruchs auf, verbessert über die adiabatische Kühlung das Mikroklima, liefert über den abgetauchten Kollektor Heizenergie, dient als Löschwasserreservoir und wertet mit seinem Natur-Ambiente das Quartier und damit den Wohnwert auf.

Vermutlich entdecken Projektentwickler noch weitere Synergien. Ein Nahwärmenetz in Malsch in der Nähe von Karlsruhe, das im Auftrag der Umwelt- und Energieagentur Kreis Karlsruhe entstand, mit Blockheizkraftwerk (BHKW) und Wärmepumpe, die als Energiequelle den örtlichen Bühnsee nimmt, ist eine der Referenzen der Tilia. Dabei handelt es sich nicht um eine Seewasser-Wärmepumpe. Durch einen Wärmeübertrager aus 4.000 m Rohr auf dem Boden des Sees zirkuliert normales Leitungswasser für den Wärmetransport zur Wärmepumpe im Bürgerhaus. Die stellt ein Viertel der Heizenergie für die an das Nahwärmenetz angeschlossenen Gebäude bereit. „Während der Bühnsee durch das Wasserrohrsystem um 1 K abkühlt, gleicht das umliegende wärmere Erdreich diese Differenz wieder aus. Geplant ist dazu im Uferbereich eine Flachwasserzone“, informiert die Gemeinde Malsch in ihrem Amtsblatt die Bürger, um seebezogenen Umweltdiskussionen vorzubeugen.