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Wasser/Wasser-Wärmepumpe

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Definition: eine Wärmepumpe, die Wasser als Wärmequelle nutzt – meist Grundwasser

Englisch: water-to-water heat pump

Kategorie: Wärme und Kälte

Autor: Dr. Rüdiger Paschotta

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 12.07.2014; letzte Änderung: 14.12.2014

Wasser/Wasser-Wärmepumpen sind Wärmepumpen, die Wasser als Niedertemperatur-Wärmequelle nutzen – im Gegensatz zu anderen Wärmepumpen, die über eine “Sole” (wässrige Lösung) Wärme dem Erdreich entziehen (→ Sole/Wasser-Wärmepumpe) oder Außenluft (→ Luft/Wasser-Wärmepumpe) verwenden. Sie werden meist für die Wärmepumpenheizung von Gebäuden verwendet.

Gewinnung des Wassers

In den meisten Fällen werden solche Wärmepumpen mit Grundwasser betrieben, welches in Mitteleuropa auch im Winter typischerweise Temperaturen in der Gegend von 10 °C aufweist. Dieses wird in einem Förderbrunnen mit einer Tauchpumpe gewonnen. Das in der Wärmepumpe abgekühlte Wasser wird über einen zweiten Brunnen, den Schluckbrunnen, wieder dem Grundwasser zugeführt. Der Abstand und die Ausrichtung der beiden Brunnen werden so gewählt, dass kein Kreislauf entsteht: Der Förderbrunnen soll nicht bereits abgekühltes Wasser erneut ansaugen. Häufig driftet das Grundwasser systematisch in eine gewisse Richtung; es entsteht dann eine “Fahne” etwas kühleren Grundwassers in dieser Richtung. Selbstredend sollten die Förderbrunnen weiterer Anlagen möglichst nicht gerade in der Fahne einer großen Anlage liegen.

Da die Neigung diverser Materialien zur Korrosion stark von der chemischen Beschaffenheit des Wassers abhängt, ist eine Wasseranalyse notwendig. Man beachte, dass z. B. nahe gelegene landwirtschaftliche Flächen mit dem Einsatz von Mineraldüngern den Gehalt des Grundwassers an diversen Salzen erhöhen können.

Der Grundwasserspiegel sollte nicht zu tief liegen (z. B. nicht tiefer als 15 m unter der Oberfläche), damit der Aufwand für den Brunnen und den Pumpenbetrieb nicht zu hoch wird.

Selbstverständlich muss eine Verunreinigung des Grundwassers sicher vermieden werden. Dies stellt technisch aber kein Problem dar. Das Wasser wird lediglich angesaugt, durch einen Wärmeübertrager geleitet und wieder abgegeben; es kommt nicht mit wassergefährdenden Substanzen in Kontakt. Trotzdem bedarf die Nutzung des Grundwassers in der Regel einer Genehmigung der zuständigen Wasserrechtsbehörde; dies ist nicht an allen Standorten möglich.

Anstelle von Grundwasser kommt auch Wasser aus Flüssen, Bächen und Seen in Frage. Hier kann die Gewinnung und die Abgabe des Wassers einfacher und kostengünstiger sein. Jedoch liegen die Temperaturen im Winter typischerweise niedriger: in einer gewissen Wassertiefe oft ca. 4 °C. Dies bewirkt einerseits eine niedrigere Leistungszahl der Wärmepumpe als mit dem wärmeren Grundwasser, und andererseits muss die Wärmepumpenanlage so ausgelegt sein, dass ein Einfrieren vermieden wird.

Vergleich mit anderen Wärmequellen

Die Energieeffizienz, beziffert über die Leistungszahl und die Jahresarbeitszahl der Wärmepumpenanlage, kann bei Nutzung von Grundwasser deutlich höher liegen als z. B. bei Erdwärmesonden, weil die Temperatur der Wärmequelle höher liegt (z. B. 10 °C statt 0 °C). Insbesondere im Zusammenhang mit Niedertemperaturheizungssystemen sind sehr hohe Leistungszahlen möglich. Allerdings können erhebliche Energieverluste auftreten, z. B. wenn die Förderleistung der Grundwasserpumpe aufgrund eines verschmutzten Siebs oder eines versandeten Schluckbrunnens nachlässt. Auch sonst ist der Energieverbrauch der Grundwasserpumpe(n) von Bedeutung; er hängt davon ab, wie gut die Brunnen gebaut und dimensioniert sind. (Beispielsweise kann eine zu kleine Auslegung durch die dann zu hohen Fließgeschwindigkeiten zur Versandung führen.) Deswegen ist die Energieeffizienz in der Praxis nicht immer höher als bei anderen Arten von Wärmepumpen.

Theoretisch erlauben Wasser/Wasser-Wärmepumpen enorm hohe Leistungszahlen weit über 10. In der Praxis kommt man immerhin über 5. Vorsicht: Der Energieaufwand für die Brunnenpumpe muss mit berücksichtigt werden!

Die Leistungszahl (COP) für eine gegebene Temperatur des Wassers und eine Vorlauftemperatur wird z. B. mit W10W35 bezeichnet (für Grundwasser mit 10 °C und eine Vorlauftemperatur von 35 °C bei einer Fußbodenheizung). Werte deutlich oberhalb von 5 (unter Berücksichtigung nicht nur der Wärmepumpe, sondern auch der Wasserpumpen) sind in der Praxis möglich. Die theoretische Grenze, gegeben durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik, läge bei 12,3; für 30 °C Vorlauftemperatur wäre es bereits 15,2. Für Anlagen mit konventionellen Heizkörpern ist eher der Wert W10W50 relevant, wo die theoretische Grenze für den COP bei ca. 8 liegt und der Praxis rund 4 möglich ist.

Die Kosten für die Errichtung der benötigten Grundwasserbrunnen (durch Graben oder Bohren) sind erheblich, hängen aber weniger stark als z. B. bei Erdwärmesonden von der benötigten Wärmeleistung ab. Deswegen sind Wasser/Wasser-Wärmepumpen für kleine Anlagen (z. B. für Zweifamilienhäuser) eher teurer, können für größere Wärmeleistungen (z. B. für größere Mehrfamilienhäuser) jedoch wirtschaftlicher sein als andere Lösungen.

Häufig erfolgt die Wahl einer Wärmequelle auf der Basis, dass andere Wärmequellen am jeweiligen Standort nicht in Frage kommen. Beispielsweise kann es vorkommen, dass eine Erdwärmesonde aufgrund der Geologie nicht möglich ist, für Erdregister nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht, Grundwasser aber nutzbar ist.

Anwendung für die Kühlung

Ähnlich wie Erdwärmesonden lassen sich auch Grundwasserbrunnen für die Kühlung im Sommer anwenden. Dies läuft unter "free cooling", weil keine Kältemaschine betrieben werden muss. Anders als bei Erdwärmesonden führt dies aber kaum zu einer Abnahme des Energiebedarfs für eine spätere Entnahme von Wärme, da sich das erwärmte Grundwasser mit der Zeit wegbewegt.

Siehe auch: Wärmepumpe, Wärmepumpenheizung, Erdwärmesonde
sowie andere Artikel in der Kategorie Wärme und Kälte

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