Wärme aus Luft und Boden: Gebäudebeheizung mit Wärmepumpen Vorteile, Rahmenbedingungen, Vorgehensweise

Inhaltsverzeichnis Qualifizierungskampagne „Energie – aber wie?“ Einführung zur Erdwärmenutzung Wärmequellen für Wärmepumpen: Erdwärme, Grundwasser, Außenluft Funktion der Wärmepumpe Rahmenbedingungen Ausführungsempfehlungen Genehmigung / Förderung Kontakt und Information

Energie – aber wie? qualifiziert mit Erneuerbaren Energien Plattform zur Wissensvermittlung Initiiert durch Wirtschaftsministerium Baden-Württ. Verstärkte und fachgerechte Anwendung der erneuerbaren Energietechnologien sichern Kompetenzen an beteiligte Akteure vermitteln Wissensvermittlung in Seminaren Veranstaltungen und Aktionen Umsetzungspakete für Multiplikatoren Internetplattform www.energie-aber-wie.de

Entwicklung Wärmepumpenmarkt in D

Einführung zur Erdwärmenutzung 0,1 % der Erde sind kälter als 100°C Energie durch Wärmestrom aus dem Erdinneren sowie radioaktiven Zerfall der Elemente Tiefer als ca. 10 m gibt es quasi keine jahreszeitlichen Temperaturschwankungen (Temperatur ungefähr 10 °C) mehr. Die Temperatur nimmt alle 30-40m um ca. 1 Grad zu Wärmeausbeute in Abhängigkeit des geologischen Schichtenaufbaus

Arten der Geothermie Oberflächennahe Geothermie bis 400 m Tiefe / ca. 8 – 25 °C Einsatz von Wärmepumpen zur Gebäudebeheizung  Potenzial etwa 4 Mrd. Kilowattstunden Wärmeenergie pro Jahr aus oberflächennaher Geothermie in BW Tiefe Geothermie bis 5.000 m Tiefe / ca. 20 – 200 °C Verschiedene Verfahren zur Strom- und Wärmeerzeugung im Kraftwerk

Arten der Erdwärmenutzung Quelle: LGRB

Wärmequellen für Wärmepumpen  Unabhängig von der Wärmequelle: Optimierung und Abstimmung zwischen Gebäude, Anlagentechnik und Wärmequelle

Erschließung vom Umweltwärme mit Wärmepumpen ¼ Antriebsenergie + ¾ Umweltwärme = 1 Teil Heizwärme  Leistungszahl ca. 4 Quelle: BWP

Funktion der Wärmepumpe Umweltwärme wird mittels Antriebsenergie auf ein nutzbares Temperaturniveau angehoben Kältemittel als verdampfendes Wärmeträgermedium Einfacher thermodynamischer Prozess und ausgereifte Technik Wärmequelle Wärmeabgabe

Wärmequellen für Wärmepumpen Erdwärmesonden (1) Erdkollektor (=horizontale Rohrschlangen) (2) Grundwasser über Förder- und Schluckbrunnen (3) Außenluft (4) Quelle: BWP 4 3 2 1

Effizienz des Wärmepumpen-Prozesses Leistungszahl: Verhältnis von Heizleistung (kW) zu Antriebsleistung (kW) der Wärmepumpe in einem bestimmten Betriebszustand bzw. Zeitpunkt mit definierten Rahmenbedingungen (Momentanwert) Arbeitszahl: Verhältnis zwischen erzeugter Energie in Form von Heizwärme (kWh) und der eingesetzten elektrischen Energie (kWh) inklusive aller Komponenten in einem festgelegten Zeitraum (meist ein Jahr: Jahresarbeitszahl). Sie ist der sinnvollste Maßstab, die energetische Qualität einer Anlage zu bewerten.

Effizienz des Wärmepumpen-Prozesses Endenergie: Energiemenge, die der Wärmeerzeuger für die Beheizung und Warmwasserbereitung bereitstellt inkl. Verluste (Rohre, Armaturen, Anlage, …) und Gewinne z.B. durch regenerative Energien Primärenergie: berücksichtigt werden das gesamte Anlagenkonzept des Wärmeerzeugungssystems sowie Energieträger bzw. Brennstoff inkl. Transportwege (Erfassung der gesamten Versorgungskette durch Primärenergiefaktor / Anlagenaufwandszahl)

Energiebilanz der Wärmepumpe: Systemvergleich Zur Bewertung der Energiebilanz ist das Verhältnis Primärenergieeinsatz / Endenergie entscheidend (hier: Strom x Prim.E-faktor / Wärme aus WP) Quelle: BWP

Rahmenbedingungen Möglichst niedrige Heizwassertemperatur: Je geringer die Vorlauftemperatur, desto höher die Effizienz der Anlage  Fußboden- oder Wandheizung optimal Optimaler Einsatz im Neubaubereich Nachrüstung bei bestehenden gut wärmegedämmten Gebäuden in der Regel möglich  Energiediagnose  Heizlastberechnung  Überprüfung der Heizkörperauslegung

Betrieb Wärmepumpe Spezielle Stromtarife Mindestlaufzeiten nötig  Pufferspeicher Abschaltzeiten des Energieversorgers werden abgepuffert / garantiert Mindestlaufzeit

Vorteile Wärmepumpe Umweltwärme ist praktisch unbegrenzt verfügbar Keine Freisetzung von CO2-Emissionen vor Ort Kein Brennstoff-Vorratsraum erforderlich Kein Kamin erforderlich Weniger abhängig von Importen aus instabilen Regionen Nur ein Energieträger im Haus nötig Geringe Energiekosten, geringere Wartungskosten Öffentliche Förderprogramme

Vorteile der Erdwärmenutzung Weitestgehend konstante Wärmequellentemperatur: Erdwärme ist unabhängig von Tages- und Jahreszeit Während der Heizperiode kann ein höheres Temperatur-niveau als bei Luftwärmepumpen genutzt werden Es werden höhere Jahresarbeitszahlen als bei Luftwärmepumpen erreicht. Bessere Energiebilanz als bei Luftwärmepumpen

Auslegung Erdwärmesonden Ca. 50 Watt Entzugsleistung pro Meter Sonde Ca.80-150 kWh / a Wärmemenge / m Bohrtiefe Max. auf 1.800 Betriebsstunden pro Jahr auslegen Erhebliche Schwankungen je nach hydrogeologischen Verhältnissen  Klärung für Sondenauslegung

Erdwärmesonden Soledurchflossene vertikale Erdsonden: Doppel-U-Rohr Sondentiefe abhängig von geologischen und wasser-rechtlichen Rahmenbedingungen: meist 70 bis 150 m Bohrlöcher inkl. Einbringung der Sonde, Verfüllung und Dichtigkeitsprüfung durch speziell ausgerüstete Bohrfirmen: Zertifiziert nach DVGW W 120 – Kategorie G1 (über 100 m Bohrtiefe oder G2 (bis 100 m Bohrtiefe) Die erforderliche Bohrtiefe und die Anzahl der Sonden wird von der Bohrfirma vor Ort anhand der hydrogeologischen Verhältnisse (optimalerweise mittels einer Probebohrung) ermittelt.

Empfehlungen für Erdwärmesonden Nicht an den Bohrmetern sparen Doppel-U-Rohr-Sonden einsetzen Vollflächige Verfüllung der Erdwärmesonden Auf Gütesiegel achten Wärmemengenzähler einbauen und regelmäßig Verbrauch erfassen Warmwasserbereitung beachten Möglichkeit der Kühlung klären Nicht zur Bautrocknung verwenden Quelle: systherma

Genehmigungsverfahren Bis 100 m Anzeige bei unterer Wasserbehörde (Landratsamt oder Umweltamt) Ab 100 m oder bei Grundstücksüberschreitung bzw. schwierigen Verhältnissen: Genehmigung durch Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau, LGRB (Regierungspräsidium Freiburg) Alle Erdwärmebohrungen sind anzeigepflichtig beim Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau (im Nachgang durch die Bohrfirma)

Wasserschutzgebiet Keine Bohrung im Wasserschutzgebiet der Zonen I, II Ausnahmen im Einzelfall bei III/III A, wenn Bohrung außerhalb des Grundwasserleiters Bohrungen grundsätzlich möglich in III B, jedoch mit Auflagen, z.B. Art des Wärmeträgermediums Frühzeitig bei der Unteren Wasserbehörde nachfragen

Wärmequelle Erdkollektor Soledurchflossene, horizontale Rohrschlangen aus Kunststoff (PE) Verlegung frostfrei in ca. 1,2 bis 1,5 m Tiefe im Erdreich Flächenbedarf ca. 2,5x Wohnfläche außerhalb Gebäude Wärme ist vor allem gespeicherte Sonnenenergie sowie aus Luft und Regen

Wärmequelle Erdkollektor Wärmeentzugsleistung pro m² Erdkollektor: Min. 10 W/m² (trockener Boden.) Max. 40 W/m² (feuchter Boden.) Mindestabstand der Rohrschlangen 50 cm Max. Rohrlänge 100 m (alle gleich lang) Keine unzugänglichen Verbindungen, gute Entlüftung Verteilerschacht außerhalb des Gebäudes Dämmung gegen Schwitzwasser im Gebäude Variante „Direktverdampfer“: Das Kältemittel der Wärmepumpe zirkuliert direkt im Erdkollektor.

Grundwasser Über eine Tauchpumpe wird aus dem Förderbrunnen Grundwasser entnommen. Das Grundwasser wird über den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet und abgekühlt. Über den Schluckbrunnen wird es wieder zurückgeführt. Genehmigung durch Landratsamt erforderlich.

Auslegung bei Grundwasser Pro 1 m³/h Grundwasser ca. 5-6 kW (ca. 200 l/h pro kW ) Temperaturabsenkung max. 4 Grad Grundwasser nicht zu tief (Bohrtiefe 10m bis max. 15m)  sonst zu hoher Aufwand für Pumpen Abstand zwischen Förder- und Schluckbrunnen mindestens 10m (Vermeidung von Kurzschlüssen, Grundwasserfließrichtung beachten) Zu- und Ableitungen frostsicher und mit Gefälle verlegen Die Ergiebigkeit und Wasserqualität des Brunnens ist im Vorfeld durch einen 3-tägigen Pumpversuch zu ermitteln

Außenluft Außenluft wird mit Hilfe eines Ventilators über den Verdampfer gesaugt. Dabei wird ihr die erforderliche Wärme entzogen und auf das Kältemittel übertragen. Die abgekühlte Luft wird danach ins Freie gefördert.

Auslegung bei Außenluft Einsatzgrenze der WP beachten: üblich: Außentemperaturen von -15 °C bis +35°C Bei Auslegungstemp. unter -12°C kritisch prüfen WP als monoenergetische Anlage auslegen, Bivalenzpunkt bestimmen 2. Wärmeerzeuger vorsehen (E-Heizstab oder Kessel) Pro 1000 m³/h Außenluft ca. 3 bis 4 kW bzw. pro kW ca. 330m³/h bzw. Erforderliche Luftmenge ca. 2000 – 3000 m³/h für EFH Achtung: Mindestlaufzeiten müssen auch bei hohen Lufttemperaturen gewährleistet werden  Pufferspeichergröße beachten

Aufstellungsarten mit Außenluft Innenaufstellung: komplette Wärmepumpe im Haus (1) Außenaufstellung: komplette Wärmepumpe im Freien (2) Splitaufstellung: Verdampfer im Freien (3) 3 2 1

Wärmequelle Außenluft / Abluft Luftwärmepumpe kann mit einer kontrollierten Wohnungslüftung kombiniert werden (Lüftungskompakt-gerät)  Einsatz überwiegend im Passivhaus Wärmeentnahme bei Lüftungskompaktgeräten alternativ aus Abluft der Wohnung, Außenluft oder Kombination Abluft und Außenluft

Wärmequelle Außenluft / Abluft Der Abluft aus Küche und Bad wird am Verdampfer der Wärmepumpe die Wärme entzogen dabei Abkühlung der Abluft auf ca. 4°C Temperatur der Wärmequelle entspricht dem Verlauf der Raumtemperatur  relativ gleichförmig Pro 100 m³/h ca. 0,6 kW bzw. Pro kW ca. 160 m³/h

Vorteile Luft-Wärmepumpe Kein Eingriff in Außenanlagen Keine Erdsondenbohrungen Wärmepumpenanlage deutlich günstiger Keine Problematik mit Wasserschutz Schnellere Umsetzung möglich Keine Genehmigung notwendig

Nachteile Luft-Wärmepumpe Temperaturniveau der Wärmequelle abhängig vom Verlauf der Außentemperatur Mittelwert Heizperiode ca. 6°C, (Jahresmittel ca. 12°C) Geringste Heizleistung wenn Bedarf maximal Geringere Leistungszahl Einsatz elektrischer Heizpatrone bei sehr tiefer Außentemperatur Lärmbelästigung prüfen

Schritt für Schritt zum optimalen Konzept Wärmebedarf klären, im Altbau Energiediagnose inkl. Prüfung Heizkörper, Vorlauftemperatur, Warmwasser  Entscheidung, ob WP-Einsatz möglich / sinnvoll Wärmequelle prüfen, Wasserschutz abklären, Lärm  Entscheidung der Wärmequelle Planung und Auslegung Angebote: mehrere und für komplettes System Bohranzeige bzw. Genehmigungsverfahren Fördermöglichkeiten prüfen  Anträge stellen

Schritt für Schritt zum optimalen Konzept Plausibilitätsprüfungen der Auslegung: ca. 15 Bohrmeter pro kW Wärmepumpen-Heizleistung bzw. ca. 50 W Entzugsleistung pro Bohrmeter Überdimensionierung von Umwälzpumpen vermeiden Minimierung der Vorlauftemperatur im Heizsystem, soweit wie möglich Freischaltung Elektroheizstab prüfen (erst ab ca. -5°C)

Schritt für Schritt zum optimalen Konzept Nachbarschaft über Bohraktion informieren Bohranzeige über tatsächliche Erdwärmenutzung an LGRB schicken (durch Bohrunternehmen) Monatlich Wärmemengen- und Stromzähler ablesen  Wenn die Jahresarbeitszahl (= Jahreswärme-erzeugung / Jahresstromverbrauch) unter 3-3,5 liegt, bestehen wahrscheinlich Verbesserungsmöglichkeiten

Größenordnung der Kosten (netto) Wärmepumpe: ca. 10.000-12.000 EUR ca. 1.000 EUR / kW Erdwärmesonden: ca. 7.000 – 10.000 EUR ca. 55-60 EUR / m inkl. Anbindung, Verteiler ca. 70-80 EUR / m WP + Wärmequelle: ca. 20.000 – 25.000 EUR spezifischer Ansatz über Wohnfläche ca. 10.000 EUR+75 EUR/m² Betriebskosten EFH ca. 500 - 600 EUR / a

Förderung Altbau: im Rahmen der zinsverbilligten Darlehensprogramme des Bundes (KfW) Neubau: im Rahmen des Darlehensprogramms „Ökologisch Bauen“ (KfW) Evtl. Zuschüsse durch Energieversorger Spezielle Wärmepumpentarife

Informationsmaterial Faltblatt „Wärme aus Luft und Boden“ Wirtschaftsministerium BW Broschüre „Energiesparen durch Wärmepumpenanlagen“ Wirtschaftsministerium BW „Leitfaden zur Nutzung von Erdwärme“ Umweltministerium BW

Kontakt Wirtschaftsministerium Baden-Württemberg Informationszentrum Energie Theodor-Heuss-Str. 4 70174 Stuttgart Tel.: 0711 / 123-2588 Fax: 0711 / 123-2377 E-Mail: info@energie-aber-wie.de Web: www.energie-aber-wie.de