Geothermische Wärmepumpen

Eine Wärmepumpe (abgekürzt WP) transportiert thermische Energie von einer Wärmequelle auf niedrigerem Temperaturniveau unter Einsatz von meist elektrischer Antriebsenergie zu einer Wärmesenke auf höherem Temperaturniveau. So erhält man mit einem vergleichsweise gerin­gen Einsatz von Exergie (z. B. elektrischem Strom) und der Nutzung oft frei verfügbarer Anergie (z. B. Umgebungswärme) eine gewünschte Wärmemenge für z. B. Raum­heizungs­zwecke. Aus diesem Grund können Wärmepumpen einen Wirkungsgrad bzw. COP (coeffizient of performance) von über 100 % aufweisen. Als Wärmequelle kann der Erdboden genutzt werden. Erd­wärmekollektoren können als Flächenkollektoren oder als Erdwärmesonden aus­ge­führt sein.

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Flächenkollektoren einer Wärmepumpe mit Erdwärme als Wärmequelle

Flächenkollektoren sind horizontal im Erdreich verlegte Wärme­über­trager, die meist aus Kunststoffschläuchen bestehen und von einer frostsicheren Sole (z. B. einem Wasser-Glykol-Gemisch) durchströmt werden. Eine Wärmepumpe entzieht der Sole ther­mische Energie, wodurch deren Temperatur ein wenig unterhalb der des Erdbodens liegt und bei der Durchströmung des Flächenkollektors Wärme aus dem Boden aufnimmt. Damit der Boden langfristig als Wärmequelle dienen kann, muss dieser wieder Wärme aus seiner Umge­bung aufnehmen können. Diese Regeneration erfolgt in der Regel durch Sonneneinstrahlung und Wärmeeintrag durch Regenwasser. Zudem kann über den Flächenkollektor auch Wärme an das Erdreich abgegeben werden, wenn die Wärmepumpe zur Kühlung im Sommer eingesetzt wird. Flächenkollektoren werden häufig in einer Tiefe von 1,5 Metern installiert und können pro 30 bis 60 m² Fläche etwa ein Kilowatt Heizleistung liefern, weshalb sie einen hohen Flächenbedarf haben.

Erdwärmesonden einer Wärmepumpe mit Erdwärme als Wärmequelle

Erdwärmesonden verlaufen dagegen von der Erdoberfläche mehrere zehn bis hundert Meter senkrecht ins Erdreich hinab und bestehen aus zwei parallelen Rohren, die am unteren Punkt verbunden sind. Darin wird ebenfalls eine Sole verwendet, welche beim Betrieb der Wärmepumpe eine niedrigere Temperatur als das umgebende Erdreich aufweist und dadurch thermische Energie aus diesem aufnimmt. Durch die größere Tiefe schwankt die Boden­tempe­ra­tur noch weniger als bei Flächenkollektoren, was einen effizienten Betrieb der Wärmepumpe gewähr­leistet. Bei Erdwärmesonden muss der Schutz des Grundwassers beachtet werden.

Je nach Wärme­träger­medium auf der Seite der Wärmequelle und der Wärmesenke spricht man so z. B. von Wasser-Wasser-, Sole-Wasser, Luft-Wasser und Luft-Luft-Wärmepumpen.