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In diesem Beitrag stelle ich euch die verschiedenen Wärmequellen für Wärmepumpen vor. Wärmepumpen können dabei aus verschiedenen Quellen nicht nutzbare Umweltenergie in nutzbare Heizenergie umwandeln.
Zu diesen Wärmequellen gehören unter anderem die Außenluft, das Grundwasser, das Erdreich, Solarspeicher, Eisspeicher, Absorber, das Meerwasser oder die Prozesswärme. Im Folgenden stelle ich euch die genannten Umweltwärmequellen vor.
Bisher erschienene Artikel zum Thema Wärmepumpe:
Inhaltsverzeichnis
Wärmepumpen nutzen Umweltenergie
Wie ist das möglich? Die genannten Wärmequellen haben doch ein sehr geringes Temperaturniveau. Genau das ist das Besondere an einer Wärmepumpe. In einer Wärmepumpe befindet sich ein „Kältemittel“, welches in der Lage ist bei geringen Temperaturen zu verdampfen. Anschließend kann das Kältemittel mit einem Kompressor und elektrischer Antriebsenergie verdichtet und auf ein höheres Temperaturniveau gebracht werden.
Die Umweltwärme wird also mit Hilfe von elektrischer Energie in nutzbare Heizenergie umgewandelt. Wenn alles gut läuft, werden mit 1 kW elektrischer Energie 3 kW Umweltenergie (niedriges Temperaturniveau) in 3 kW Heizenergie (hohes Temperaturniveau) nutzbar gemacht. In meinem Beitrag „Wie funktioniert eine Wärmepumpe?“ bin ich auf dieses Thema etwas detaillierter eingegangen.
Wärmequelle Außenluft
Eine Wärmepumpe, welche die Außenluft als Energiequelle nutzt, kann fast überall eingesetzt werden. Einziger Nachteil ist: Eine Wärmepumpe, welche Außenluft als Energiequelle nutzt, hat bei niedrigen Außentemperaturen den schlechtesten Wirkungsgrad, gleichzeitig aber den höchsten Wärmebedarf (Darstellung Luft Wärmepumpe Siehe Abbildung 1).
Wärmequelle Grundwasser
Das Grundwasser hat im Gegensatz zur Außenluft auch im Winter eine relativ gleichmäßige Temperatur, welche sich zwischen 7°C und 12 °C befindet, und gehört deshalb zu den effizientesten Wärmepumpen. Die hohen Investitionskosten und die Tatsache, dass eine Wärmepumpe mit Grundwasser als Wärmequelle nicht überall zum Einsatz kommen kann, sind nachteilig (Darstellung Grundwasser Wärmepumpe siehe Abbildung 2).
Wärmequelle Erdreich (Geothermie)
Wenn das Erdreich (Beitrag „Was ist Geothermie?„) als Wärmequelle genutzt werden soll, ist zu beachten, dass immer Erdarbeiten notwendig sind. Weiterhin spielt auch die Bodenbeschaffenheit eine große Rolle. In Abbildung 3 habe ich einmal den Temperaturverlauf im Erdreich skizziert. Hier wird deutlich, dass die Temperatur der oberflächennahen Erdschicht von Außenlufttemperatur und Sonneneinstrahlung stark abhängig ist (siehe: Geothermischer Temperaturverlauf). Zu beobachten sind die geringe Temperatur in den Wintermonaten und die hohe Temperatur in den Sommermonaten.
Wärmepumpe mit Erdkollektoren
Ab einer Tiefe von ca. 15 m ist ein relativ konstanter Temperaturverlauf deutlich. Für Erdkollektoren (siehe Abbildung 4) – bis 3 m Tiefe – gilt daher wie bei der Außenluft: Die Wärmepumpe hat bei niedrigen Außentemperaturen den schlechtesten Wirkungsgrad, gleichzeitig aber den höchsten Wärmebedarf. Auf das Thema Erdkollektoren und wie sie funktionieren bin ich in meinem Beitrag „Was sind Erdwärmekollektoren?“ detaillierter eingegangen. Weiterhin findet ihr hier einen Beitrag zur Planung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmekollektoren.
Wärmepumpe mit Erdsonden
Erdsonden (siehe Abbildung 5) sind von diesem Problem eher weniger betroffen. Hier ist ein Temperaturanstieg in der Tiefe zu verzeichnen. Die Temperaturerhöhung wird im Durchschnitt mit 35 – 40 K pro Kilometer oder 1 K alle 33 m angegeben. In meinem Beitrag „Was sind Erdwärmesonden?“ bin ich auf dieses Thema noch etwas detaillierter eingegangen. Weiterhin findet ihr hier einen Beitrag zur Planung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmesonden.
Wärmequelle Solarspeicher
Mit einer Solarthermieanlage ist es möglich Sonnenenergie über einen längeren Zeitraum in einem Pufferspeicher zu speichern. Die Wärmepumpe ist dann in der Lage, die Energie aus dem vorerwärmten Wasser in Heizenergie umzuwandeln. Auch hier ist zu beachten, dass beim höchsten Wärmebedarf im Winter die geringste Sonneneinstrahlung zu verzeichnen ist (Darstellung siehe Abbildung 6).
Wärmequelle Eisspeicher
Ein Eisspeicher nutzt die sogenannte Kristallisationswärme von Wasser und stellt diese für die Wärmepumpe bereit. Diese latente Wärme kann zum Heizen genutzt werden und wird bei der Aggregatzustandsänderung eines Stoffes freigesetzt.
Beim Erfrieren von Wasser wird aufgrund des Energieerhaltungssatzes 
genauso viel Energie freigesetzt, wie für den Schmelzvorgang von Wasser benötigt wird. Das sind in diesem Fall 333,5 kJ/kg. Zur Verdeutlichung: Der Schmelzvorgang von 0 °C kaltem Eis auf 0 °C kaltes Wasser benötigt genauso viel Energie, wie die Erwärmung von 0 °C kaltem Wasser auf 81 °C warmes Wasser.
Die Energie zur Regeneration des Eisspeichers, also zum Schmelzen des Eises, kann dem Eisspeicher über Solar- oder Luftabsorber zugeführt werden. Alternativ kann der Regenerationsprozess des Eisspeichers aber auch im Sommer stattfinden. Die Wärme eines Gebäudes wird dem Eisspeicher zugeführt und der Eisspeicher kann gleichzeitig für die Kühlung des Gebäudes sorgen (Darstellung siehe Abbildung 7). Einen sehr interessanten Artikel zu diesen Thema findet ihr auf Oecosys.com.
Wärmequelle Meerwasser
Eine Wärmepumpe, welche Meerwasser als Wärmequelle nutzt, kann nur in Küstenregionen mit geringen Wasserspiegeländerungen während der Gezeiten eingesetzt werden. Ein derzeit einzigartiges System ist in den Strandläufer-Apartments-Warnemünde verbaut. Eine Wärmepumpe nutzt hier das Wasser der Ostsee als Wärmequelle. Das genutzte und abgekühlte Ostseewasser wird anschließend 150 m vor der Küste über eine Tiefentonne in die Ostsee gelassen.
Wärmequelle Prozesswärme
Prozesswärme ist die Abwärme von industriellen Prozessen und technischen Verfahren. Dazu gehören Abluft aus Wohnungen, Abwärme von Klimageräten, Schmelzen von Stahl oder aber auch das Kühlwasser von Kraftwerken und heizintensiven Industrieprozessen (Darstellung siehe Abbildung 9).
Wärmequelle Absorber
Absorber sind großflächige Wärmetauscher im Freien, welche in Dach, Fundament oder Fassade integriert werden können. Sie sind in der Lage sensible und latente Wärme zu nutzen und der Wärmepumpe bereitzustellen (Darstellung siehe Abbildung 10).
Fazit
Nun habt ihr eine kleine Übersicht von möglichen Wärmequellen für Wärmepumpen erhalten. Wie ihr in den beiden Beispielen zum Eisspeicher und Solarspeicher gesehen habt, ist die Kombination von Wärmepumpen mit anderen erneuerbaren Energiequellen wie Solarthermie ein sehr interessantes Thema. Es ist davon auszugehen, dass die Kombination von erneuerbaren Energiesystemen künftig immer mehr zur Debatte steht. Die Gewinnung, Zwischenspeicherung und anschließende Nutzung der elektrischen Antriebsenergie für eine Wärmepumpe über Photovoltaik sind nur ein Beispiel.
Ich hoffe diese kleine Übersicht zu den verschiedenen Wärmequellen von Wärmepumpen konnte euch einen Einblick in die vielfältige Nutzung dieser Technologie zeigen. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zu diesem Beitrag habt, nutzt die Kommentarfunktion.
Liebe Grüße! Euer Martin
Weiterführende Links und Quellen:
Dein Bauguide – Heizen mit EisBaulinks – Latentwärmespeicher
TGA Fachplaner – Solare Wärmepumpe mit Eisspeicher
Oecosys – Solarer Eisspeicher
Eigenschaften von Wasser
Geothermie.at – Erdwärme und Erdkühle
Viessmann – Eisspeichersystem
Wikipedia – Kristallisationswärme
Wikipedia – Eigenschaften des Wassers
Wikipedia – Geothermie
Strandläufer Apartments – Warnemünde
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