Was ist eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe?

Wärmepumpen arbeiten alle nach dem gleichen Prinzip, unterscheiden sich je nach genutzter Wärmequelle allerdings in ihrer Installation und tatsächlich auch in ihrer Effizienz.

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist ein Heizsystem, das die konstante Temperatur des Grundwassers (etwa 8–12 °C) als Energiequelle nutzt. Im Gegensatz zu Luft- oder Sole-Wärmepumpen ist sie besonders effizient und zuverlässig – auch bei niedrigen Außentemperaturen im Winter. Die gewonnene Wärmeenergie kann sowohl für die Raumbeheizung, als auch für die Warmwasserbereitung genutzt werden. Bei entsprechender Ausführung eignet sie sich sogar zum Kühlen im Sommer.

Funktionsweise: So arbeitet eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe

Eine Wärmepumpe nutzt einen geschlossenen thermodynamischen Kreislauf, um Umweltwärme auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen. Dieses Prinzip ähnelt dem eines Kühlschranks, jedoch in umgekehrter Richtung: Statt Wärme abzuführen, wird sie aufgenommen und für Heizzwecke nutzbar gemacht.

• Entnahme des Grundwassers: Über einen Förderbrunnen wird Grundwasser mit einer Tauchpumpe an die Oberfläche befördert. Dieses Wasser dient als Wärmequelle für die Wärmepumpe.
• Wärmeübertragung im Verdampfer: Das geförderte Grundwasser durchströmt einen Wärmetauscher (Verdampfer), in dem es seine thermische Energie an ein Kältemittel abgibt. Dabei kühlt sich das Grundwasser um etwa 4 bis 5 °C ab.
• Verdampfung des Kältemittels: Das Kältemittel, das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampft, nimmt die Wärme des Grundwassers auf und geht vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über.
• Verdichtung im Kompressor: Ein Kompressor verdichtet das gasförmige Kältemittel, wodurch dessen Druck und Temperatur steigen. Dieser Schritt erfordert elektrische Energie.
• Wärmeabgabe im Kondensator: Das nun heiße Kältemittel gibt seine Wärme im Kondensator an das Heizsystem des Gebäudes ab, beispielsweise an eine Fußbodenheizung oder Heizkörper. Dabei kondensiert das Kältemittel und wird wieder flüssig.
• Druckreduzierung im Expansionsventil: Das flüssige Kältemittel durchläuft ein Expansionsventil, das den Druck reduziert. Dadurch sinkt die Temperatur des Kältemittels, und es ist bereit, erneut Wärme im Verdampfer aufzunehmen.
• Rückführung des abgekühlten Grundwassers: Das um etwa 4 bis 5 °C abgekühlte Grundwasser wird über einen Schluckbrunnen wieder in das Erdreich zurückgeführt. Da lediglich Wärme entzogen wird, bleibt die Wassermenge im natürlichen Kreislauf erhalten.

Dieser Prozess läuft kontinuierlich ab und ermöglicht eine effiziente Nutzung der im Grundwasser gespeicherten Wärmeenergie zur Beheizung von Gebäuden.

Brunnenanlagen: Das Fundament der Anlage

Die Nutzung von Grundwasser als Wärmequelle für eine Wasser-Wasser-Wärmepumpe erfordert ein durchdachtes Brunnenkonzept. Dabei kommen zwei Brunnenarten zum Einsatz: der Saugbrunnen und der Schluckbrunnen. Diese ermöglichen die effiziente Nutzung der im Grundwasser gespeicherten Wärmeenergie zur Beheizung von Gebäuden.

Saugbrunnen (Förderbrunnen):

Der Saugbrunnen dient der Entnahme von Grundwasser, das als Wärmequelle für die Wärmepumpe genutzt wird. Mithilfe einer Tauchpumpe wird das Wasser aus dem Grundwasserleiter gefördert und zur Wärmepumpe geleitet. Dort durchströmt es einen Wärmetauscher, in dem es seine thermische Energie an ein Kältemittel abgibt. Die Wärmepumpe nutzt diese Energie, um das Heizsystem des Gebäudes zu speisen.

Schluckbrunnen (Rückgabebrunnen):

Nachdem dem Grundwasser Wärme entzogen wurde, wird es über den Schluckbrunnen wieder in den Untergrund zurückgeführt. Dieser Brunnen muss so konzipiert sein, dass das abgekühlte Wasser effizient versickern kann, ohne die natürliche Temperaturverteilung des Grundwassers zu stören.

Anforderungen an die Brunnenanlage:

• Mindestabstand: Zwischen Saug- und Schluckbrunnen sollte ein Abstand von mindestens 15 Metern eingehalten werden, um thermische Kurzschlüsse zu vermeiden.
• Strömungsrichtung: Der Saugbrunnen sollte stromaufwärts des natürlichen Grundwasserflusses liegen, der Schluckbrunnen entsprechend stromabwärts.
• Bohrtiefe: Die Tiefe der Brunnen richtet sich nach dem lokalen Grundwasserspiegel und liegt in der Regel zwischen 5 und 20 Metern.
• Wasserqualität: Eine gute Wasserqualität ist entscheidend für den effizienten Betrieb der Wärmepumpe. Besonders niedrige Konzentrationen von Eisen (<0,2 mg/l) und Mangan (<0,05 mg/l) sind wichtig, um Ablagerungen und Schäden an der Anlage zu vermeiden. Eine Wasseranalyse ist verpflichtend.
• Wassermenge: Die verfügbare Grundwassermenge muss den Heizbedarf decken können. Für eine Heizleistung von 10 kW werden etwa 1.500-2.500 Liter pro Stunde benötigt, was 150–250 Litern pro Stunde je Kilowatt Heizleistung entspricht.

Voraussetzungen für den Betrieb:

• Grundwasserstand: Ein hoher Grundwasserstand (maximal 20 Meter Tiefe) ist für eine wirtschaftliche Förderung erforderlich.
• Genehmigungspflicht: Der Bau und Betrieb der Brunnenanlage bedarf einer wasserrechtlichen Genehmigung durch die zuständige Untere Wasserbehörde. In Wasserschutzgebieten ist der Betrieb solcher Anlagen meist nicht gestattet.
• Grundstücksgröße: Es muss ausreichend Platz vorhanden sein, um den erforderlichen Abstand zwischen den Brunnen einzuhalten.
• Gebäudeeigenschaften: Eine gute Wärmedämmung und eine niedrige Vorlauftemperatur (z. B. durch Fußbodenheizung) erhöhen die Effizienz der Wärmepumpe.

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Eine sorgfältige Planung und Umsetzung der Brunnenanlage ist entscheidend für den effizienten und nachhaltigen Betrieb einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe. Durch die Beachtung der genannten Anforderungen und Voraussetzungen kann eine zuverlässige und kosteneffiziente Wärmeversorgung sichergestellt werden.

Wasser-Wasser-Wärmepumpe im Vergleich zu anderen Wärmepumpen

Im Vergleich zu anderen Wärmepumpenarten bietet die Grundwasserwärmepumpe spezifische Vor- und Nachteile:

Die Jahresarbeitszahl (JAZ) von 5 bedeutet, dass die Wasser-Wasser-Wärmepumpe aus 1 kWh Strom bis zu 5 kWh Wärmeenergie erzeugen kann. Dieser außergewöhnlich hohe Wirkungsgrad ist der konstanten Temperatur des Grundwassers zu verdanken.