Wärmepumpen verstehen:

Primärenergie Erdwärme ist temperaturstabil – keine Temperaturschwankungen wie bei der Luft – Grundwasser mit hoher Energiedichte – Wasser/Wasserwärmepumpe:

Kosten niedrig und Effizienz hoch – Förderung bis 70 % - Klimaschutz statt Klimaschuld.

Teil II

Bevor Sie sich diesen Beitrag (Teil II) über Wärmepumpen zuwenden, sollten Sie erst den Teil I zur Kenntnis nehmen. Dort erlangen Sie Grundkenntnisse zur Ökonomie, Klimarelevanz, Funktionsweisen, Effizienz, Zuverlässigkeit und Unterschiede verschiedener Systeme. Die allgemein gängige Luftwärmepumpe wurde dort bereits ausführlich und kritisch behandelt.

Der Verfasser verfolgt mit dem Onlinemagazin kein Geschäftsmodell. Er möchte Ihre Aufmerksamkeit auf mögliche Alternativen richten.

Teil II befasst sich ausführlich mit der Wasser/Wasserwärmepumpe. Dies geschieht erst jetzt – verspätet – weil wir unsere Aufgabe nicht darin sehen nur aus bestehenden Büchern neues zu schreiben oder Erzählungen zu Wahrheiten zu erheben. Wir machen es.

Der Autor hat die Planung, den Aufbau und den Betrieb von diesen Wärmepumpen begleitet und dokumentiert. Die Anlagenbetreiber sind bisher hinsichtlich der Ergebnisse begeistert. Das bezieht sich besonders auf Eigenschaften wie Effizienz, Heizleistungen in Neu- und Bestandsbauten, Zuverlässigkeit und Preis. Die Bestandsbauten sind aus den 50 bis 70er-Jahren, mit alten Radiatorheizkörpern und einfachen Doppelglasfensterscheiben. Berücksichtigt werden sollte jedoch, dass der Winter 2023/24 eigentlich kein Winter war und die Temperaturen regional nicht unter -6 Grad gefallen sind. Solche Extremwettereignisse können sich aber auch ins Gegenteil wandeln: In diesem Betrag gehen wir detailliert auf ein Bestandsgebäude von 1978 ein, da eine gute Datenlage bereits besteht. Der Eigentümer (Autor) hat das Einfamilienhaus mit gutem Sachkenntnisstand erbaut. Es verfügt über große Fensterfronten nach Süd/West, 4 cm Faserwandisolierung, Fußbodenheizung etc. Es wurde stets auf dem Stand heiztechnischer Neuerungen gehalten und nicht nur „abgewohnt“ (Zweischeibenwärmeisoglas, Photovoltaik, Stromspeicher etc.). Im Winter werden aus Klimagründen nur ca. 80 m² bewohnt und beheizt. Ein vorhandener historischer Ofen wurde während dieser Heizperiode bewusst nicht benutzt. Beobachtungszeitraum waren 180 Tage, beginnend im Oktober 2023. In diesem Zeitraum lief die Wärmepumpe fast ausschließlich mit nur einem kleinen Kompressor, d. h der Betrieb war auf insgesamt ca. 750 Watt/h (Wasserpumpe plus Wärmepumpe) beschränkt. Bei Temperaturen über 0 Grad lief das System mit Pausen von mehreren Stunden am Tag und erst bei -5 Grad in Dauerbetrieb! Wäre es wirklich kalt geworden, hätte ich Kompressor 2 eingeschaltet (2500 Watt/Std) oder bei extremer Kälte wären beide gleichzeitig gelaufen. Die Anlage ist überraschend sparsam gelaufen und hat noch große Reserven für Tage mit sibirischer Kälte.

Wissenswertes über eine Wasser/Wasserwärmepumpe

Eine Wasser/Wasserwärmepumpe gewinnt aus Wasser die nötige Heizwärme für das Gebäude. Grundwasser hat eine fast konstante Temperatur von ca. 11 Grad – auch im Winter. Es wird durch die Maschine auf eine Temperatur von bis zu 55 Grad angehoben. Wasser/Wasserwärmepumpen haben im Winter den besten Wirkungsgrad (Wärmegewinn). Mit nur 1 kWh Strom erzeugt die Maschine gut 4-5 kWh Heizwärme. Die Primärenergie, die im Wasser gespeichert ist, muss daher natürlich durchgehend nachströmen. Die ca. 11 Grad Wassertemperatur erhält das Wasser aus der umliegenden Erde. Daher der Begriff „Erdwärme“.

Aus 11 Grad Erdwärme werden bis zu 55 Grad Heizwärme

Die Erdwärmeenergie, die im Wasser gespeichert ist, kann über 3 Verfahren genutzt werden:

Erdkollektoren: In einem horizontalen System von Rohren, die in der Erde verlegt wurden, zirkuliert Wasser im Kreis. Es nimmt die Umgebungswärme auf und überträgt die Energie auf die Wärmepumpe. Dann strömt es erneut durch das Rohrsystem. Die benötigte Grundfläche für Erdkollektoren sollte mindestens 3-mal so groß sein wie die zu beheizende Wohnfläche. Über den Winter kühlt der (Garten-) Boden etwas ab (weitere Hinweise Teil I).
Soletiefenbohrungen: In einem geschlossenen Kreislauf mehrerer vertikaler Rohre bis in Tiefen von um die 100 Meter strömt Sole. Die Flüssigkeit durchläuft dabei auch den Wärmetauscher der Wärmepumpe. Alleine die Bohrungen kosten mehre Zehntausend Euro. Auch in diesen Fall der Energiegewinnungsmethode kühlt im Winter das umgebende Erdreich etwas ab (Effizienzverlust).
Grundwasserwärmepumpe: Auch hier wird der Wärmepumpe die Erdenergie über Wasser (~11 Grad) zugeführt. Es handelt sich allerdings nicht um einen geschlossenen Kreislauf, sondern um ein offenes System. Das Wasser strömt aus einer unbegrenzten, weitläufigen Umgebung zum Brunnen und bringt Energie mit. Wichtig ist, dass die Wassertemperatur bei großer Kälte immer konstant bleibt.

In großen Teilen des Münsterlandes liegt diese unerschöpfliche Energiequelle nur wenige Meter unter unseren Füßen. In Metelen sind es schätzungsweise 2,50 Meter. Der Brunnen wurde nicht gespült, sondern bis ca. 11 Meter gebohrt. Dort trifft man auf eine Lehmschicht. Der größere Durchmesser einer Bohrung ermöglicht den Einsatz einer Tauchpumpe, deren Leistung über einen Inverter (Regelung von 20 bis 50 Hz) energiesparend geregelt werden kann (Stromverbrauch zwischen 200 und 700 Watt/Std). In einem anderen Fall wurde einfach nur die bestehende Hauswasserpumpe angezapft. Die Maschine entzieht dann dem Medium Wasser ungefähr 3 – 4 Kelvin und leitet es innerhalb weniger Sekunden etwas kälter in einen 2. Brunnen, dem – Schluckbrunnen. Er wurde in Abstand von 15 Meter zum Ansaug-Brunnen angelegt. Das energiereiche Wasser wird also gar nicht verbraucht. Es wird lediglich für die Energieabgabe „entliehen“. Eventuelle klimabedingte Grundwasserabsenkungen werden wegen der Bohrlochtiefe keinen Einfluss auf die Funktion der Anlage haben und das System hat auch keine negative Wirkung auf den Grundwasserspiegel.

Wasser ausleihen und Energie ernten

Der günstige Preis für das Bohrloch (ca. 80 Euro pro Meter) bei einer nur 10 Meter Tiefe macht die Gesamtanlage äußerst preiswert. Hinzu kommt der hohe Wirkungsgrad mit der Folge geringer Stromkosten im Winter. Diese Vorzüge ergeben sich auch für eine kommunale Wärmeversorgung. In Dorsten-Wulfen wurde eine Siedlung mit 70 Einheiten erfolgreich wärmetechnisch versorgt.

Gerätespezifische Besonderheiten

Die hier in Rede stehende wassergespeiste Wärmepumpe unterscheidet sich konstruktionsmäßig erheblich von Produkten anderer Hersteller und ist ein Produkt aus der Region. Erfindungsreiche Klima- und Wärmemechatroniker gehen hier ganz andere Wege:

Elektrische Komponente:
Eine Besonderheit besteht darin, dass elektrische Bauteile verwendet werden, die allgemein in Industrieanlagen tausendfach eingesetzt werden. Sie sind bewährt und dürften auch nach Jahrzehnten noch wiederbeschaffbar sein. Hochempfindliche, große, komplexe und spezialisierte Platinen (zum Preis von vielen Tausend Euro), die speziell nur einer Modellreihe zugeordnet sind, findet man hier nicht. Das Problem der Wiederbeschaffbarkeit mit zunehmendem Alter ist zu bedenken!

Oldschool...
Öffnet man den Deckel, sieht man reihenweise aufgesteckte elektronische Schalter, Mess- und Steuerungskomponente, die über unzählige Kabel miteinander kommunizieren. Temperatur, Druck und Durchflusswerte steuern das AN und AUS der beiden Kompressoren. Oldschool, und damit für einen Elektroniker keine unlösbare Herausforderung.

Genial, wenn es einfach ist....
Wärmetechnik und Hydraulik:
Die mechanisch hydraulische Arbeit leistet unüblicher Weise nicht nur ein einziger großer Kompressor. Hier stehen 2 mit unterschiedlichen Leistungen zur Verfügung (Kaskaden).
Kompressor I benötigt 0,5 Kw/h Strom
Kompressor II benötigt 1,25 Kw/h Strom
Kompressor I + II benötigt 1,75 Kw/h Strom
Bei einem COP 4 werden aus der elektrischen Energie plus der Energie aus dem Wasser folgende Heizenergie generiert:
Kompressor I 2,0 Kw/h Heizleistung
Kompressor II 5,0 Kw/h Heizleistung
Kompressor I und II 7,0 Kw/h Heizleistung
Die Verwendung von 2 unterschiedlichen Kompressoren ermöglicht die Modulation von 3 unterschiedlichen Heizstufen. Außerdem arbeitet jeder Motor im besten Bereich seines Wirkungsgrades, d. h. mit optimaler Drehzahl.

Genial: 2 unterschiedliche Kompressoren
Zum besseren Verständnis: Stellen Sie sich vor, Sie hätten nur ein großes Wohnmobil. Für eine Urlaubsreise auf der Autobahn wäre so ein Fahrzeug ideal und wäre aber relativ selten im Einsatz. Würden Sie jedoch mit diesem großen Wagen täglich zur Kita oder zum Bäcker fahren?

Hier wäre die Nutzung völlig unwirtschaftlich und ökologisch nicht vertretbar. Das Fahrzeug braucht zu viel Sprit und der Motor läuft nicht im optimalen Bereich. Ein kleiner Zweitwagen würde aber hier Abhilfe schaffen. (Der Königsweg sind natürlich öffentliche Verkehrsmittel, Fahrgemeinschaften und das Fahrrad oder die zwei Beine).

Was hier für die Autos gilt, gilt auch für die beiden Kompressoren. Welcher davon im Einsatz ist, bestimmt der Fühler am Rücklauf Ihres hauseigenen Heizwasserkreises. Ist der Rücklauf zu kalt schaltet er Kompressor I oder II oder beide an. Wird es zu warm, dann gehen die Kompressoren in einen Pausenmodus, d. h. es wird Strom gespart. Dies ist keine hohe technische Herausforderung, aber unkompliziert, zuverlässig und kostensparend.

Leistung bei optimaler Drehzahl: Weniger Verschleiß, mehr Effizienz

Fazit: Die elektronischen Komponenten arbeiten stets im optimalen Bereich des Wirkungsgrades. Das wirkt sich bei extremen Wetterverhältnissen (zu mild oder zu kalt) äußerst positiv auf Heizkosten aus und vermeidet entsprechend auch CO-Klimaschäden. Bei Ökostrom vermindern Sie Ihren „Fußabdruck“: Der CO₂-Ausstoß beträgt dann NULL TONNEN.
Höhere Heizleistung für Altbauten
Zum besseren Verständnis: Eine mit warmem Wasser gefüllte Bettwärmeflasche hat einen fast 1000-mal besseren Effekt, als wenn sie mit warmer Luft gefüllt wäre. Das hängt von der Dichte (Gewicht) des Mediums ab. Wenn wir also Heizwärme aus Wasser gewinnen, ist dies mit der Energiegewinnung aus dem Medium Luft nicht vergleichbar (Vorlauftemperaturen bis 55 Grad). Außerdem stoßen Luftwärmepumpen bei Außentemperaturen unter Minus 5 Grad zunehmend an ihre Grenzen. Je kälter es wird, desto geringer wird die Effizienz (COP) und die Wirtschaftlichkeit, bis das Haus nur noch mit dem Strom für die Wärmepumpe beheizt wird (COP 1). In solch einem Fall (strenger Winter) wird es dem Hausbewohner erst richtig heiß werden, wenn die Stromrechnung ins Haus kommt…

Höhere Heizleistung und konstante Energie

Die Heizwärmeleistung einer Grundwasserwärmepumpe wird von unterschiedlichen Außentemperaturen fast nicht beeinflusst. Sie hat auch genügend Reserven, um bei kälterem Wetter den höheren Wärmeverlust des Gebäudes ausgleichen zu können. Dem Autor sind Bestandsgebäude aus den 50er-Jahren bekannt, die Zufriedenstellen beheizt werden. Es wurden weder Radiatoren optimiert, keine Fussboden-Wärmeglasisolierung eingebaut noch nachträgliche Isolierungen eingebaut. Diese Gebäude haben gegenüber vielen Neubauten den Vorteil, dass es damals noch den Zwang gab, Schornsteine einzubauen. Ein Ofen ist und bleibt die sicherste und stromunabhängige Wärmequelle in Extremsituationen. Der Autor wird die Objekte im Auge behalten und nach einem längeren Beobachtungszeitraum und einem kälteren Winter in einem weiteren Betrag hierzu berichten.

Geht doch: Vorlauftemperatur 55 Grad
Notstrom fähig auf Wunsch
Der Autor bleibt bei seiner Auffassung, dass Deutschland keine Insel der Seligen ist, auf der zukünftig Stromausfälle auszuschließen sind. Wenn es richtig kalt wird, werden Millionen Haushalte plötzlich nur mit Strom geheizt (Luftwärmepumpe) und der Schnee setzt die Photovoltaikanlagen außer Funktionen. Der 4-tägige Stromausfall in Ochtrup, die Schneekatastrophe in Norddeutschland (1978/79) und Anschlag aufs Tesla-Werk zeigten, wie sehr sich Optimisten irren und wie lückenhaft Vorsorge für Gefahrenlagen sein können. Der Autor hat den Hersteller der Wärmepumpe veranlasst, die Maschine zu modifizieren, sodass sie notstromfähig ist, statt über 380 Volt (3-Phasenstrom) ist es für ihn möglich nur den kleinsten Kompressor über einen zusätzlichen Stecker (220 Volt) mit Strom zu versorgen. Ein Inverter verhindert zudem hohe Anlaufströme.

Jetzt kann die Maschine mit 3 verschiedenen netzunabhängigen 220 Volt Stromquellen im Notfall betrieben werden und begrenzt Heizwärme verfügbar machen:
a) Kraftstoffbetriebenes Notstromaggregat (max. 2 kW)
b) 11 kW – Notstromspeicher
c) Notstrom fähige Photovoltaikanlage mit Spezialwechselrichter

Bei der Notstromfähigkeit geht es nicht alleine um die Vermeidung von Wasserschäden an Gebäude durch Einfrieren Wasser führender Leistungen. Auch die Wärmepumpe mit den Verrohrungen zu den Brunnen können gegen Frostschäden geschützt werden. Die Schluckbrunnenleitung wurde zusätzlich durch ein 12 Volt Heizkabel gesichert.

Leser, die aufgrund der neuen multiplen Gefahrenlage einen längeren Stromausfall nicht ausschließen, haben die Möglichkeiten sich im Themenblock „Vorsorge“ mit praktischen Tipps auf eine Gefahrenlage vorzubereiten.

Der Autor hat sich also für eine außergewöhnliche Wärmepumpe entschieden. Außergewöhnlich war auch die Tatsache, dass die Klima- und Wärmespezialisten bereit waren, spezielle Wünsche technisch umzusetzen. Davon können zukünftig auch andere Kunden profitieren.
Kosten/Nutzenvergleich

Für die meisten Leser wird die Wirtschaftlichkeit der wichtigste Aspekt sein. Die Wasser/Wasserwärmepumpen mit 2 Kompressoren kosten incl. Mehrwertsteuer 20.000 Euro. Im Preis sind Brunnen und Schluckbrunnen enthalten (Firmenauskunft am 23.03.2024). Die Angaben beziehen sich auf den Standort Metelen mit Sandböden und günstigen Grundwasserverhältnissen.

                                                      Der frühe Vogel pickt den Wurm!

Der Firmenchef weist auf die besonders hohen Förderungen hin:

30 % Grundförderung
+ 20 % bei schneller Entscheidung (Klimageschwindigkeitsbonus)
+ 5 % bei der Entscheidung für eine Wasser/Wasserwärmepumpe (Effizienzbonus)
Die Förderung von 55 % ist also vom Kaufpreis letztendlich abzuziehen. Der Zahlpreis beträgt am Ende 9.000 Euro

                                                       Zahlpreis 9.000 Euro

Bei einem zu versteuernden Haushaltsjahreseinkommen von nur bis zu 40.000 Euro gibt es einen Einkommensbonus (Sozialförderung), sodass eine Gesamtförderung von 70 % erreicht werden kann.

                                                       Zahlpreis 6.000 Euro

Ähnlich wie im Mobilitätsbereich ist damit zu rechnen, dass die hohen Förderungen Schritt für Schritt zurückgefahren werden. Der Zahlpreis für diese Wärmepumpe ist kaum höher als für eine neue Brennwertheizung, die nicht mehr gefördert wird. Dabei ist unbedingt zu berücksichtigen, dass sich die jährlichen Heizkosten erheblich vermindern:

Für meine Wärmepumpe habe ich fast täglich Verbrauchs- und Leistungsdaten ermittelt. Für die 180 Tage im milden Winter 2023/24 wurden gemittelt rund 12 kW Strom pro Tag verbraucht. Der Preis für eine Kilowattstunde Strom ist je nach Haushalt unterschiedlich. Bei einem Preis von 36 Cent brutto (Naturstrom) summieren sich die Stromkosten im 6. Monat auf knapp 800 Euro.

                                               Stromkosten ca. 800 Euro, 36 Cent kWh, 6 Monate Heizperiode

In einigen Orten gibt es Wärmepumpensondertarife. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Gebühren für einen zusätzlichen Stromzähler entstehen. In Spitzenlastzeiten kann der Stromversorger dann auch mehrmals am Tag den Strom abschalten. Bei Fußbodenheizungen macht sich dies nicht bemerkbar. Die große Steinmasse des Bodens wirkt wie ein großer Heizwärmespeicher. Bei dem Betrieb mit Radiatoren könnte sich die Energieversorgungspause negativ bemerkbar machen. Die Modifikation der Anlage für eine Notstromversorgung ist dann auch nicht möglich. Zudem bezieht der Autor seit fast 20 Jahren ausschließlich Naturstrom. (Das sparte jährlich mindestens 1 Tonne CO₂ und alle atomaren Hinterlassen auf Kosten nachfolgender Generationen)

Ein Heizstromverbrauch innerhalb von 6 Monaten im Winter 2023/24 von ca. 2200 kWh ist sehr gering. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Gas zurzeit noch billiger ist als Strom, obwohl wir damit das Klima weiter schädigen. Es ist jedoch sicher, dass sich das in Zukunft umkehrt: Gründe sind der teure Import, steigende Co2-Bepreisung und der immer noch zunehmende Energiehunger einer auf grenzenloses Wachstum eingeschworene Gesellschaft.

Nur mit selbsterzeugtem Ökostrom, Energiesparen und geänderte Konsumverhalten können wir einem Kipppunkt entgegenwirken. Der Kauf fossiler Brennstoffe wie Uran, Gas und Öl ist keine Lösung: Dieser Weg macht uns politisch abhängig und erpressbar.

Der alleinige Fokus auf die Kosten und den wirtschaftlichen Nutzen ist unethisch. Vorrangige Themen sollten unsere Verantwortung sein: unsere fortgesetzte Schädigung des Klimas, der menschlichen Art und der Natur. In einer christlich geprägten, zivilisierten Gesellschaft müsste sich der Fokus hauptsächlich auf diese Aspekte richten. Alle anderen Überlegungen sollten hinten anstehen. Selbst wenn wir gemeinsam falsch handeln, befreit uns dies nicht von persönlicher Schuld. Die Frage, die wir uns stellen sollten, lautet:

Sind wir Teil einer Lösung oder Teil des Problems?

Wichtiger Hinweis

Die in diesem Beitrag geschilderten Erkenntnisse beziehen sich auf die bisher (zeitlich begrenzten) Erfahrungen. Eine endgültige Bewertung kann erst nach langfristigem Betrieb abgegeben werden. Es bestehen Unabwägbarkeiten:

Im Vergleich zur alten Niedertemperaturgasheizung ist eine Wärmepumpe sehr komplex, d. h. eventuelle Reparaturen wären aufwändig und kostenintensiv.
Die Wirtschaftlichkeit und Funktionssicherheit kann durch externe Faktoren beeinträchtigt werden (Strompreis, Grundwasserveränderung, Klimaveränderung, Gesetzesveränderungen und nicht zeitgemäßen Kenntnisstand)
Pioniere tragen immer auch ein Risiko
Alle Angaben des Autors zu Preisen, Fördermöglichkeiten und technischen Daten sind ohne Gewähr.
Die Wahl des Fabrikates/des Herstellers ist Vertrauenssache und eine gewisse Abhängigkeit bei einem speziellen Gerät ist nicht von der Hand zu weisen.
Die auf Klima- und Wärmetechnik spezialisierte Firma aus Ochtrup verfügt über jahrzehntelange Erfahrungen und hat auch beachtenswerte Erfolge auf kommunaler Ebene (Siedlung mit 70 Wohneinheiten in Dorsten Wulfen).

Warum in die Tiefe bohren, wenn das Glück so nah ist?

Die Entscheidung des Autors für dieses Wärmepumpensystem ist wesentlich von der Erkenntnis geprägt, die von ihm erzeugten Schäden an Klima (Todesfolgen und Eigentumsschäden) mit allen verfügbaren Mitteln zu minimieren.

Klimaschutz statt Klimaschuld!

www.machsanders.eu

Vortragsabende:

Cafe Arte, Havixbeck, Sandsteinmuseum (Kulturforum Münsterland e.V.) 3. April 2024, 19 Uhr
Comoon, Metelen, 25. April 2024 um 19:00 Uhr

Alle Bilder zum Artikel auch als Diashow!