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Wasser-Wasser-Wärmepumpe: Höchste Effizienz durch Grundwassernutzung
Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe kombiniert die höchste Energieeffizienz aller Wärmepumpentypen mit ganzjähriger Leistungsstabilität, erfordert jedoch ausreichende Grundwasserqualität, wasserrechtliche Genehmigung und Investitionen von 30.000 bis 40.000 Euro vor Förderung.
Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe etabliert sich als effizienteste Wärmepumpentechnologie auf dem Markt und erreicht Jahresarbeitszahlen zwischen 4,5 und 5,0. Diese auch als Grundwasserwärmepumpe bezeichnete Heiztechnologie nutzt die konstante Temperatur des Grundwassers zwischen 8 und 12 Grad Celsius ganzjährig als Wärmequelle. Die hohen Anschaffungskosten von 30.000 bis 40.000 Euro amortisieren sich durch Betriebskosten von nur 600 bis 800 Euro jährlich und staatliche Förderungen bis 70 Prozent.
Funktionsweise und technischer Aufbau
Das Zwei-Brunnen-System
Wasser-Wasser-Wärmepumpen benötigen zwei separate Brunnen für den Betrieb. Der Förderbrunnen (auch Saugbrunnen genannt) entnimmt Grundwasser aus dem Erdreich, während der Schluckbrunnen (auch Sickerbrunnen oder Ablassbrunnen) das abgekühlte Wasser zurückführt. Der Mindestabstand zwischen beiden Brunnen beträgt 10 bis 15 Meter, um eine gegenseitige thermische Beeinflussung zu verhindern.
Die Bohrtiefe richtet sich nach dem Grundwasserstand und sollte 15 Meter nicht wesentlich überschreiten, da sonst die Brunnenpumpen zu viel Energie verbrauchen und die Effizienz der Gesamtanlage sinkt. Eine Tauchpumpe im Saugbrunnen fördert das Grundwasser zur Wärmepumpe, wo es den Verdampfer durchströmt.
Die Fließrichtung des Grundwassers ist für die Brunnenplatzierung entscheidend. Der Schluckbrunnen muss in Fließrichtung nach dem Förderbrunnen positioniert werden, um die Bildung einer Kältefahne zu vermeiden. Bei zu geringem Abstand oder falscher Positionierung kann das abgekühlte Rücklaufwasser die Temperatur des entnommenen Grundwassers reduzieren, was die Systemeffizienz massiv beeinträchtigt.
Der thermodynamische Kreislauf
Im Verdampfer überträgt das Grundwasser thermische Energie auf das Kältemittel, das einen sehr niedrigen Siedepunkt aufweist. Das Kältemittel verdampft durch die Wärmeaufnahme bei niedriger Temperatur und wird vom Verdichter unter Einsatz elektrischer Energie komprimiert. Durch die Verdichtung steigt der Druck und damit die Temperatur auf ein Niveau, das für Heizung und Warmwasserbereitung geeignet ist.
Im Verflüssiger gibt das hochtemperierte Kältemittel die Wärme an den Heizkreislauf ab, kühlt dadurch ab und verflüssigt sich wieder. Ein Entspannungsventil reduziert den Druck des flüssigen Kältemittels, wodurch es erneut Wärmeenergie aufnehmen kann und der Kreislauf von vorn beginnt.
Das dem Grundwasser entzogene Wärmeenergie kühlt dieses um durchschnittlich 5 Grad Celsius ab. Das abgekühlte Grundwasser wird über Rohre in den Schluckbrunnen zurückgeleitet und in derselben Grundwasserschicht eingeleitet, aus der es entnommen wurde. Wasserschutzvorschriften verlangen normalerweise diese Rückführung in die gleiche Tiefe, um Vermischungen verschiedener Grundwasserschichten zu vermeiden.
Kosten und Investitionsaufwand
Anschaffungs- und Installationskosten
Die Gesamtkosten einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus liegen zwischen 30.000 und 40.000 Euro vor Förderung. Die Anschaffungskosten der Wärmepumpe selbst betragen 9.000 bis 12.000 Euro. Die Installation verursacht zusätzliche Kosten von 2.000 bis 3.000 Euro für Montage, Anschluss und Inbetriebnahme.
Die Erstellung der Brunnenanlage mit Saug- und Schluckbrunnen kostet zwischen 4.000 und 7.000 Euro, teilweise auch bis 12.000 Euro je nach Bodenbeschaffenheit und erforderlicher Bohrtiefe. Diese Erschließungskosten können bis zu 40 Prozent der Gesamtinvestition ausmachen und stellen den größten variablen Kostenblock dar.
Zusätzliche Kosten vor der Installation
Ein hydrogeologisches Gutachten zur Prüfung der Grundwasserqualität und -ergiebigkeit kostet zwischen 1.500 und 2.500 Euro. Dieses Gutachten ist zwingend erforderlich für die Genehmigung und klärt die Machbarkeit des Projekts. Probebohrungen und Pumpversuche verursachen weitere Kosten von 1.000 bis 2.000 Euro.
Die Genehmigung bei der Unteren Wasserbehörde ist kostenpflichtig, jedoch mit Gebühren von 100 bis 200 Euro deutlich günstiger als die technischen Gutachten. Die Gesamtkosten für Voruntersuchungen und Genehmigungen betragen typischerweise 2.500 bis 4.500 Euro.
Kostenvergleich mit anderen Wärmepumpentypen
Luft-Wasser-Wärmepumpen kosten inklusive Installation zwischen 27.000 und 40.000 Euro und sind damit in der Anschaffung ähnlich teuer, jedoch ohne aufwendige Erschließungsarbeiten. Sole-Wasser-Wärmepumpen mit Erdbohrungen erreichen ebenfalls Kosten zwischen 30.000 und 40.000 Euro.
Die höheren oder vergleichbaren Investitionskosten der Wasser-Wasser-Wärmepumpe amortisieren sich durch die niedrigsten Betriebskosten aller Wärmepumpentypen. Die jährliche Ersparnis gegenüber Luft-Wasser-Wärmepumpen beträgt 200 bis 600 Euro durch höhere Effizienz.
Effizienz und Leistungskennzahlen
Coefficient of Performance (COP)
Wasser-Wasser-Wärmepumpen erreichen COP-Werte zwischen 4,9 und 5,8 unter standardisierten Normbedingungen. Dieser theoretische Prüfwert übertrifft Luft-Wasser-Wärmepumpen mit COP-Werten zwischen 3,0 und 4,0 deutlich. Sole-Wasser-Wärmepumpen erreichen COP-Werte zwischen 4,4 und 4,8 und liegen damit zwischen Luft- und Grundwasserwärmepumpen.
Der COP-Wert stellt eine Momentaufnahme unter konstanten Normbedingungen dar und bildet ein gutes Vergleichskriterium beim Kauf einer Wärmepumpe. Ein COP von 5,0 bedeutet, dass die Wärmepumpe aus einer Kilowattstunde Strom fünf Kilowattstunden Wärme erzeugt. Von dieser erzeugten Wärme stammen 4 Kilowattstunden aus der Umweltwärme des Grundwassers.
Jahresarbeitszahl (JAZ)
Die praktische Jahresarbeitszahl von Wasser-Wasser-Wärmepumpen liegt zwischen 4,5 und 5,0 im realen Jahresbetrieb. Diese Werte liegen signifikant über denen von Luft-Wasser-Wärmepumpen, die JAZ-Werte zwischen 2,5 und 3,5 erreichen. Sole-Wasser-Wärmepumpen erzielen Jahresarbeitszahlen zwischen 3,5 und 4,5.
Die JAZ berechnet sich nach der Formel: Erzeugte Wärmemenge pro Jahr in Kilowattstunden geteilt durch Stromverbrauch pro Jahr in Kilowattstunden. Bei einem Wärmebedarf von 20.000 Kilowattstunden pro Jahr und einer JAZ von 5,0 verbraucht die Wasser-Wasser-Wärmepumpe nur 4.000 Kilowattstunden Strom jährlich.
Die staatliche BAFA-Förderung erfordert eine Mindest-JAZ von 3,0 für Wasser-Wasser-Wärmepumpen, wobei moderne Anlagen diesen Wert um 50 bis 67 Prozent übertreffen. Die hohe JAZ qualifiziert Grundwasserwärmepumpen automatisch für den Effizienzbonus von 5 Prozent zusätzlich zur Basisförderung.
Konstanz der Quellentemperatur
Die herausragende Effizienz der Wasser-Wasser-Wärmepumpe resultiert aus der thermischen Stabilität des Grundwassers. In Tiefen von 10 bis 20 Metern bleibt die Grundwassertemperatur ganzjährig zwischen 8 und 12 Grad Celsius konstant, unabhängig von Außentemperaturen zwischen minus 15 und plus 35 Grad Celsius.
Diese Konstanz ermöglicht gleichbleibend hohe Effizienz über das gesamte Jahr, während Luft-Wasser-Wärmepumpen bei niedrigen Außentemperaturen deutliche Effizienzverluste erleiden. Bei minus 10 Grad Celsius Außentemperatur sinkt die JAZ einer Luft-Wasser-Wärmepumpe auf 2,0 bis 2,5, während die Wasser-Wasser-Wärmepumpe konstant bei 4,5 bis 5,0 bleibt.
Betriebskosten und wirtschaftliche Betrachtung
Jährliche Stromkosten
Die jährlichen Stromkosten einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe für ein Einfamilienhaus betragen 600 bis 800 Euro bei Nutzung eines Wärmepumpentarifs mit 25 Cent pro Kilowattstunde. Bei einem Wärmebedarf von 15.000 Kilowattstunden und einer JAZ von 5,0 verbraucht die Wärmepumpe 3.000 Kilowattstunden Strom jährlich. Dies entspricht Stromkosten von 750 Euro pro Jahr.
Die Brunnenpumpe verbraucht zusätzliche 200 bis 400 Kilowattstunden jährlich, was weitere 50 bis 100 Euro Stromkosten verursacht. Die Gesamtstromkosten liegen damit bei 650 bis 900 Euro jährlich.
Gesamtbetriebskosten
Die jährlichen Gesamtbetriebskosten einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe liegen zwischen 800 und 1.200 Euro. Diese setzen sich zusammen aus Stromkosten von 650 bis 900 Euro, Wartungskosten von 150 bis 300 Euro und optionalen Versicherungskosten von 50 bis 100 Euro.
Die Wartung umfasst jährliche Kontrollen der Brunnenanlage, Reinigung der Schmutzfilter, Überprüfung der Tauchpumpe und Dichtheitsprüfung des Kältekreislaufs. Bei verockerungsgefährdetem Grundwasser können zusätzliche Reinigungs- oder Aufbereitungskosten von 200 bis 500 Euro alle 3 bis 5 Jahre anfallen.
Vergleich mit fossilen Heizsystemen
Gasheizungen verursachen jährliche Betriebskosten zwischen 1.900 und 2.600 Euro bei einem Gaspreis von 10 bis 13 Cent pro Kilowattstunde. Ölheizungen kosten 2.150 bis 3.000 Euro jährlich bei Ölpreisen um 10 Cent pro Kilowattstunde. Wasser-Wasser-Wärmepumpen bieten damit Einsparungen von 700 bis 1.400 Euro jährlich gegenüber Gasheizungen und 950 bis 1.800 Euro gegenüber Ölheizungen.
Bei einer angenommenen Lebensdauer von 20 Jahren ergeben sich Gesamteinsparungen von 14.000 bis 28.000 Euro gegenüber Gasheizungen und 19.000 bis 36.000 Euro gegenüber Ölheizungen. Diese Einsparungen kompensieren die höheren Anschaffungskosten und führen zu positiver Gesamtwirtschaftlichkeit.
Voraussetzungen und Genehmigungsverfahren
Grundwasserqualität und -menge
Die Grundwasserqualität ist entscheidend für den effizienten Betrieb und bestimmt die Machbarkeit des Projekts. Der Eisengehalt darf maximal 0,2 Milligramm pro Liter betragen, während der Mangangehalt unter 0,1 Milligramm pro Liter liegen sollte. Höhere Konzentrationen führen zur Verockerung, bei der sich Eisenoxide im Wärmetauscher und in den Brunnen ablagern.
Das Grundwasser darf keine absetzbaren Stoffe oder Schwebeteilchen enthalten, die Filter verstopfen könnten. Der pH-Wert sollte über 5,0 liegen, während der Sauerstoffgehalt möglichst gering sein sollte, um Oxidationsprozesse zu minimieren. Die mittlere Grundwassertemperatur sollte zwischen 8 und 12 Grad Celsius liegen.
Die Wassermenge muss ausreichen, um den Wärmebedarf des Gebäudes zu decken. Als Faustformel benötigt eine Wärmepumpe 200 bis 250 Liter Grundwasser pro Stunde je Kilowatt Heizleistung. Eine 10-Kilowatt-Anlage erfordert einen Durchsatz von 2.000 bis 2.500 Liter pro Stunde. Ein Pumpversuch vor der Installation klärt, ob das Grundwasservorkommen ergiebig genug ist.
Wasserrechtliche Genehmigung
Das Entnehmen von Grundwasser und das Einleiten von Stoffen in das Grundwasser sind nach § 3 Abs. 1 Nrn. 5 und 6 WHG Benutzungen und bedürfen einer wasserrechtlichen Erlaubnis nach § 7 WHG. Die Genehmigung wird von der Unteren Wasserbehörde des jeweiligen Bundeslandes oder dem zuständigen Landratsamt erteilt.
Die Bearbeitungszeit für Genehmigungsanträge beträgt 3 bis 6 Monate. Bei geringen Auswirkungen auf die Nachbarschaft kann die Erlaubnis im vereinfachten Verfahren erteilt werden. Dann gilt die Erlaubnis als erteilt, wenn die Verwaltungsbehörde nicht innerhalb eines Monats nach Eingang des Antrags ein Einwendungsverfahren durchführt.
Der Genehmigungsantrag muss ein hydrogeologisches Gutachten eines unabhängigen Sachverständigen enthalten. Dieses Gutachten bewertet die Grundwasserqualität, Ergiebigkeit und potenzielle Auswirkungen auf Nachbargrundstücke. Bohrungen müssen zusätzlich beim geologischen Dienst des Bundeslandes angezeigt werden.
In Wasserschutzgebieten der Zonen I und II sind Grundwasserwärmepumpen grundsätzlich nicht genehmigungsfähig. In Zone III ist die Genehmigung einzelfallabhängig und erfordert besonders strenge Auflagen zum Grundwasserschutz.
Gebäudeanforderungen
Eine gute Gebäudedämmung erhöht die Effizienz der Wärmepumpe und reduziert die erforderliche Heizleistung. Der spezifische Heizwärmebedarf sollte unter 100 Kilowattstunden pro Quadratmeter und Jahr liegen für optimalen Betrieb.
Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen, Wandheizungen oder Deckenheizungen ermöglichen niedrige Vorlauftemperaturen von 30 bis 40 Grad Celsius und maximieren die Effizienz. Bei Heizkörpern sollten großflächige Plattenheizkörper oder spezielle Wärmepumpenheizkörper eingesetzt werden, die mit Vorlauftemperaturen von 50 bis 55 Grad Celsius ausreichende Heizleistung erbringen.
Verockerung: Ursachen und Vermeidung
Entstehungsmechanismus
Die Verockerung bezeichnet die Ablagerung von Eisenoxiden im Wärmetauscher, im Förderbrunnen und im Schluckbrunnen. Diese Ablagerungen entstehen, wenn das Grundwasser zu viel Eisen oder Mangan enthält und mit Sauerstoff in Kontakt kommt. Das gelöste zweiwertige Eisen oxidiert zu dreiwertigem Eisen, das als rotbraunes Eisenoxid ausfällt.
Ein positives Redoxpotenzial über 100 Millivolt und ein hoher pH-Wert über 7,0 verstärken die Verockerung. Die elektrische Leitfähigkeit des Grundwassers sollte unter 1.000 Mikrosiemens pro Zentimeter liegen. Bei Eisenkonzentrationen über 0,2 Milligramm pro Liter und Mangankonzentrationen über 0,1 Milligramm pro Liter steigt das Verockerungsrisiko erheblich.
Auswirkungen auf Effizienz und Betrieb
Die Verockerung reduziert die Jahresarbeitszahl (JAZ) durch verschlechterten Wärmeübergang im Verdampfer. Ablagerungen im Wärmetauscher erhöhen den thermischen Widerstand und verringern die Effizienz um 10 bis 30 Prozent. Pumpen müssen gegen einen höheren Widerstand arbeiten, was zu erhöhtem Stromverbrauch und vorzeitigem Verschleiß führt.
Langfristig kann der Schluckbrunnen durch Verockerung verstopfen und seine Schluckfähigkeit verlieren. Dies führt zu Druckerhöhung im System und kann zum Überlaufen des Brunnens oder Ausfall der Anlage führen. Die Sanierung verockerter Brunnen kostet 2.000 bis 5.000 Euro.
Vermeidungsmaßnahmen
Eine sorgfältige Wasseranalyse vor der Installation identifiziert das Verockerungsrisiko. Bei kritischen Werten sollte ein geschlossenes System mit Zwischenwärmetauscher eingesetzt werden, bei dem das Grundwasser nie direkt mit dem Kältekreislauf in Kontakt kommt. Dies erhöht die Investitionskosten um 2.000 bis 4.000 Euro und senkt die JAZ um 0,2 bis 0,4 Punkte.
Regelmäßige Überprüfung und Reinigung der Schmutzfilter verhindert Ablagerungen im System. Chemische Enteisenung und Entmanganung behandeln bereits verockte Brunnen durch Säurespülungen. Die präventive Wartung kostet 150 bis 300 Euro jährlich und verhindert teure Sanierungen.
Bei stark verockerungsgefährdetem Grundwasser kann eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesonden die bessere Alternative sein, da sie unabhängig von der Grundwasserqualität funktioniert.
Passive Kühlung mit Grundwasserwärmepumpen
Funktionsprinzip
Wasser-Wasser-Wärmepumpen eignen sich hervorragend für die passive Kühlung, bei der der Verdichter ausgeschaltet bleibt. Die Kühlung erfolgt allein durch den natürlichen Wärmeaustausch mit dem kühleren Grundwasser bei etwa 10 Grad Celsius.
Thermische Energie fließt nach dem Prinzip des Temperaturgefälles vom wärmeren zum kälteren Medium. Die überschüssige Wärme des Heizsystems gelangt automatisch ins Grundwasser ohne Einsatz des energieintensiven Verdichters. Eine Kühlstation mit Wärmetauscher sowie Umwälzpumpen übertragen die Kälte ins Heizsystem.
Effizienz und Vorteile
Die passive Kühlung ist äußerst energieeffizient, da sie nahezu ohne zusätzlichen Stromverbrauch auskommt. Lediglich die Umwälzpumpen benötigen 50 bis 150 Watt elektrische Leistung, während die Wärmepumpe selbst nicht in Betrieb ist. Die Arbeitszahl der Kühlung liegt bei 20 bis 30, was bedeutet, dass für jede Kilowattstunde Strom 20 bis 30 Kilowattstunden Kühlleistung bereitgestellt werden.
Die dem Grundwasser zugeführte Wärme regeneriert die Wärmequelle im Sommer. Dies steigert die Effizienz der Wärmepumpe für den Heizbetrieb im Winter, da das Grundwasser durch die sommerliche Wärmezufuhr leicht erwärmt wird. Die thermische Regeneration erhöht die JAZ im Heizbetrieb um 0,1 bis 0,2 Punkte.
Voraussetzungen und Kosten
Herkömmliche Heizkörper (Radiatoren) eignen sich nicht zur passiven Kühlung, da sie durch ihre geringe Fläche und vertikale Ausrichtung die Raumluft nur eingeschränkt kühlen können. Flächenheizungen wie Fußbodenheizungen, Wandheizungen oder Deckenheizungen sind erforderlich für effektive Kühlung.
Die Nachrüstung der passiven Kühlfunktion kostet 2.000 bis 4.000 Euro für Kühlstation, zusätzliche Rohrleitungen und Regelungstechnik. Bei Neuinstallation verursacht die Kühlfunktion Mehrkosten von 3.000 bis 5.000 Euro. Die Betriebskosten der passiven Kühlung liegen bei nur 50 bis 150 Euro pro Kühlsaison.
Staatliche Förderung 2025
Basisförderung und Bonuszahlungen
Die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) gewährt eine Basisförderung von 30 Prozent der förderfähigen Investitionskosten. Der Effizienzbonus von 5 Prozent wird für Wasser-Wasser-Wärmepumpen aufgrund ihrer hohen JAZ automatisch gewährt. Der Klima-Geschwindigkeitsbonus von 20 Prozent gilt beim Austausch funktionstüchtiger Öl-, Kohle- oder mindestens 20 Jahre alter Gasheizungen bis 2028.
Der Einkommensbonus von 30 Prozent steht selbstnutzenden Eigentümern mit einem zu versteuernden Jahreseinkommen unter 40.000 Euro zu. Dieser Bonus ersetzt den Geschwindigkeitsbonus und kann nicht kumuliert werden. Die maximale Förderhöhe beträgt 70 Prozent bei Kumulierung von Basisförderung (30 Prozent), Einkommensbonus (30 Prozent), Effizienzbonus (5 Prozent) und zusätzlichem Klimageschwindigkeitsbonus (5 Prozent beim Einkommensbonus).
Förderfähige Kosten und Deckelung
Die maximal berücksichtigten förderfähigen Kosten betragen 30.000 Euro für die erste Wohneinheit. Bei 70 Prozent Förderung ergibt sich eine maximale absolute Förderung von 21.000 Euro. Die Förderung deckt die Wärmepumpe, Brunnenbohrungen, Installation, hydraulischen Abgleich und Umfeldmaßnahmen wie Heizkörper-Austausch.
Der Förderantrag muss vor Beginn der Maßnahme bei der KfW gestellt werden. Die KfW übernimmt seit 2024 die Antragstellung und Administration der Förderanträge, die zuvor das BAFA verwaltete. Die Auszahlung erfolgt nach Vorlage der Handwerkerrechnungen und des Nachweises der erreichten JAZ durch einen Wärmemengenzähler.
Wirtschaftlichkeitsbeispiel mit Förderung
Bei Investitionskosten von 35.000 Euro und optimaler Förderkombination von 70 Prozent ergibt sich eine Förderung von 21.000 Euro (gedeckelt). Die verbleibenden Eigenkosten betragen 14.000 Euro. Die jährliche Ersparnis von 1.000 bis 1.500 Euro gegenüber Gasheizungen führt zu einer Amortisationszeit von 9 bis 14 Jahren für die Eigenkosten. Bei Berücksichtigung steigender Energiepreise verkürzt sich die Amortisation auf 7 bis 10 Jahre.
Fazit: Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe bietet mit Jahresarbeitszahlen zwischen 4,5 und 5,0 die höchste Effizienz aller Wärmepumpentypen. Die konstante Grundwassertemperatur zwischen 8 und 12 Grad Celsius ermöglicht ganzjährig zuverlässigen Betrieb mit minimalem Stromverbrauch. Die Betriebskosten von nur 600 bis 800 Euro jährlich unterschreiten die Kosten von Luft-Wasser-Wärmepumpen um 200 bis 600 Euro pro Jahr. Die Investitionskosten von 30.000 bis 40.000 Euro amortisieren sich durch staatliche Förderungen bis 70 Prozent und niedrige Betriebskosten innerhalb von 10 bis 15 Jahren. Die anspruchsvollen Voraussetzungen - ausreichende Grundwasserqualität, wasserrechtliche Genehmigung und niedriges Verockerungsrisiko - begrenzen den Einsatz auf geeignete Standorte. Bei Erfüllung aller Voraussetzungen stellt die Wasser-Wasser-Wärmepumpe die technisch und wirtschaftlich optimale Lösung für effizientes und umweltfreundliches Heizen dar.
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