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Planung einer Wärmepumpe mit Grundwasser
Übersicht
>> Spitzenreiter der Wärmepumpen
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Spitzenreiter der Wärmepumpen
Grundwasser ist die im Vergleich zu Luft und Erde effektivste Wärmequelle für eine Wärmepumpe. Wichtige Voraussetzung ist, dass das Grundwasser in ausreichender Menge und Qualität vorhanden ist. Da das Grundwasser ganzjährig hohe und konstante Temperaturen von 8°C bis 12°C aufweist, startet die Wärmepumpe ihre Wärmeveredelung von einem höheren Temperaturniveau als bei Sole- oder Luftnutzung. Zudem steht der Wärmepumpe ein höherer Volumenstrom zur Verfügung, sodass der Wärmepumpe in der Summe mehr Energie zum „pumpen“ bereit steht. Dies ermöglicht meist sehr hohe Jahresarbeitszahlen von weit über 5.
Voraussetzungen der Grundwassernutzung
- Schematische Darstellung der Funktionsweise einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe (Quelle: Bosch Thermotechnik GmbH)
Zur Nutzung des eigenen Grundwassers werden zwei Brunnen benötigt (siehe Abbildung). Eine Tauchpumpe fördert dabei das Grundwasser aus dem Förderbrunnen zum Wärmetauscher der Wärmepumpe oder einem externen Wärmetauscher, der oftmals bessere Wartungsbedingungen aufweist. Hier angekommen wird dem Grundwasser rund 4 Kelvin Wärme entzogen, also abgekühlt, und dann in den ca. 10 bis 15 Meter entfernt liegenden Schluckbrunnen oder Sickerschacht zurück in das Grundwasser geführt. Unter besonderen Bedingungen ist manchmal auch eine oberflächennahe Ableitung in ein Überlaufbecken oder Graben möglich. Diese Lösung bedarf jedoch einer genauen Genehmigungsprüfung. Grundsätzlich beinhaltet die Vorplanung einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe folgenden Punkte:
- Ausreichende Schüttung (Wassermenge)
- Hinreichende Wasserqualität und Temperatur
- Genehmigungsfähigkeit einer Grundwassernutzung
Grundwasserquantität
Zum effizienten Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe wird eine bestimmte Wassermenge benötigt, die in einer wirtschaftlich nutzbaren Tiefe vorhanden sein muss. Hierbei sind nicht allein die Bohrkosten entscheidend, sondern auch der Stromaufwand für die Tauchpumpe. Die benötigte Wassermenge hängt wesentlich von der Leistung der Wärmepumpe ab. Als Richtwert kann man rund 2 m3/h Grundwasser für 10 kW Heizleistung annehmen. Höhere Werte bedingen nicht proportional eine höhere Effizienz, ohne die Wärmetauscherflächen an den Volumenstrom anzupassen. Zudem wird bei den meisten Wasser-Wasser-Wärmepumpen eine Mindesttemperatur von 8°C vom Hersteller vorgegeben.
Der erste Schritt einer Machbarkeitsprüfung sollte daher der Frage nachgehen, ob überhaupt und in ausreichender Menge Grundwasser vorhanden ist. Dies kann z. B. durch einen lokalen Brunnenbauer, Geologen oder durch Anfrage bei der zuständigen Wasserbehörde geklärt werden. Sind Brunnen bei Nachbarn in Betrieb, so ist auch dort eine Nachfrage sinnvoll. Um wirklich sicherzustellen, ob die benötigte Wassermenge auch über einen längeren Zeitraum geliefert werden kann, sollte eine Probebohrung stattfinden und ein Dauerpumpversuch durchgeführt werden. Diese Probebohrung ist mit Kosten von 3.000 € bis 4.000 € verbunden. Dabei kann man jedoch auch feststellen, wie weit der Wasserstand bei der Entnahme absinkt und ob grobe Verschmutzungen wie Sand eine Wärmepumpennutzung beeinträchtigen könnten. Meistens sind diese Verunreinigungen jedoch nur im oberflächennahen Bereich bis 10 Meter anzutreffen, sodass eine ideale Bohrtiefe zwischen 10 und 20 Metern liegt. Gegen eine tiefere Brunnenbohrung spricht nur der höhere Investitionsaufwand und der Pumpenstrom. Je größer jedoch der Heizaufwand ist, desto eher lohnen sich diesbezügliche Bohrungen.
Zudem soll es sich nicht um stehendes Grundwasser handeln, sondern es sollte eine Grundwasserströmung bestehen. Dies ist notwendig, da sonst das stehende Grundwasser durch den Wärmepumpenbetrieb ausgekühlt wird und langfristig immer weniger Energie gewonnen werden kann. Zudem ist die Strömungsrichtung zu beachten, da sonst die „Kältefahne“ des Schluckbrunnens die Entnahmetemperatur des Förderbrunnens negativ beeinträchtigt. Die Platzierung der Brunnen sollte aber auch hinsichtlich der Genehmigung mit Bedacht gewählt werden, da auch andere Grundwassernutzungen auf Beeinträchtigungen geprüft werden.
Grundwasserqualität
Neben der Quantität spielt vor Allem die Grundwasserqualität eine wichtige Rolle und sollte unbedingt vorher geprüft werden. Die im Wasser enthaltenen Stoffe und Metalle wie Chloride, Sulfate, Eisen und Mangan, der ph-Wert und die elektrische Leitfähigkeit können bei ungünstigen Konzentrationen den Betrieb der Wärmepumpe beeinträchtigen oder sogar zu Schäden an der Anlage führen. Dieses Problem lässt sich bei gewissen Mengen dieser Stoffe im Wasser wie bereits angemerkt durch einen externen Wärmetauscher lösen. Da eine Rückführung des Grundwassers jedoch nicht unter Sauerstoffabschluss möglich ist, kann der Schluckbrunnen verockern und somit nach wenigen Jahren der Betrieb gefährdet sein. Deshalb muss vor der Anlagenplanung unbedingt eine Wasseranalyse durchgeführt werden, um späteren bösen Überraschungen vorzubeugen. Die Grenzwerte werden vom Hersteller der Wärmepumpe vorgegeben. Aber auch nach erfolgreicher Installation bleibt z. B. durch Düngung ein Restrisiko durch nachträgliche Verunreinigung des Grundwassers, welches jedoch durch geeignete Bohrtiefen meist minimiert werden kann.
Wirtschaftlichkeit einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe
Grundsätzlich sind Brunnenbohrungen aufgrund des Durchmessers und verbauten Komponenten zur Förderung des Grundwassers kostenintensiver als Erdsonden. Da man im Einfamilienhausbereich jedoch nur zweier Brunnen bedarf, ist eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ab ca. 15 kW günstiger als eine von der Leistung her identische Sole-Wasser-Wärmepumpe. Hierbei bleiben die höheren Leistungszahlen zunächst unberücksichtigt.
Auf diesem Hintergrund wird immer wieder die Frage gestellt, ob vorhandene Hausbrunnen genutzt werden können. Die Erfahrung zeigt, dass die vorhandenen Brunnen häufig nicht die geforderte Wassermenge erbringen oder bei konstantem Entzug zuviel Sand oder generell Erdmaterial durch den verstärkten Zufluss eingespült wird. Ein solcher Brunnen könnte vertieft werden oder als Schluckbrunnen Verwendung finden. Will man sich nicht auf dieses Vabanquespiel einlassen, so sollte man den vorhanden Brunnen zur Bestimmung der Wasserqualität nutzen und mit zwei neuen Brunnen planen. Wie die Ausführung dieser Brunnen dann letztlich erfolgt, wird mit dem Brunnenbauer und dem Anlagenplaner abgeklärt.
Mit einer durchschnittlichen Jahresarbeitszahl von 5 sind die Brunnenwasser gespeisten Wärmepumpen Spitzenreiter in Sachen Effizienz. Es muss also nur noch 1 kWh Strom aufgewandt werden, um 5 kWh Wärme zu erzeugen. Im Fall einer 15 kW-Anlage mit 2000 Heizstunden ergibt sich also ein Stromaufwand von 6000 kWh und somit ca. 700 € Kosten pro Jahr. Im Vergleich dazu würde eine Sole-Wasser-Anlage ca. 900 € Kosten verursachen. Somit liegt auch die Amortisation der Anlage deutlich unter 10 Jahren.
Bohrgenehmigung
Bei Planung und Installation von Wärmepumpen sind die Bestimmungen des Wasserhaushaltsgesetzes (WHG) und die wasserrechtlichen Regelungen bzw. die Wassergesetze der Länder zu beachten. Zur Errichtung und Nutzung der Wärmequelle Grundwasser ist daher eine wasserrechtliche Bewilligung einzuholen. Eine einfache Anzeige der Bohrung ist also nicht ausreichend. Für die Bewilligung einer solchen Anlage ist aufgrund der betroffenen Schutzgüter eine Vorlaufzeit einzurechnen, die je nach regionaler Lage differiert und oftmals 2 Monate dauern kann. Befindet sich die zu beheizende Immobilie in einem Wasserschutzgebiet, so ist eine Genehmigung eher schwierig bis gar nicht zu erlangen. Die Prüfung der Wasserschutzstufe ist deshalb auch grundlegendes Kriterium vor Beginn der Anlagenplanung und kann durch ein kurzes Telefonat mit der Unteren Wasserbehörde des zugehörigen Kreises schnell eruiert werden.
Sind die Bedingungen für den Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe gegeben, so ist die Nutzung dieser Wärmequelle in jedem Fall anzuraten. Dies ist nicht nur folgerichtige Konsequenz der hohen Wirtschaftlichkeit, sondern auch der damit einhergehenden Minimierung der CO2-Emission. Denn während die Kosten mit steigender Jahresarbeitszahl sinken, verbessert sich die Umweltfreundlichkeit deutlich. Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist nämlich auch Spitzenreiter in Sachen Klimaschutz.
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