Die Sole-Wasser-Wärmepumpe WPE-I von Stiebel Eltron versorgt das Gebäude zuverlässig mit Wärme und Warmwasser. Die Wärme gewinnt sie aus dem Erdreich.

Mittels Tiefenbohrung wird die Energiequelle „Erdreich“ erschlossen.

Bilder: STIEBEL ELTRON

Der deutsche Heizungsmarkt befindet sich im Wandel: Jahrzehntelang dominierten Öl- und Gaskessel – nun werden Heizsysteme auf Basis fossiler Brennstoffe zunehmend von der Wärmepumpe verdrängt. Angesichts steigender Energiepreise und schwindender Versorgungssicherheit entscheiden sich mittlerweile immer mehr Eigentümer für die klimafreundliche Technologie. Beschleunigt wird der Wärmepumpen-Aufschwung auch durch die geplanten Vorschriften der Ampelkoalition: Ab dem 1. Januar 2024 soll möglichst jede neu eingebaute Heizung zu 65 Prozent mit erneuerbaren Energien betrieben werden – der Einbau einer Öl- und Gasheizung als alleiniges Heizgerät wird also praktisch verboten. Auch eine hybride Lösung, bei der ein bestehender Kessel mit einer Wärmepumpe kombiniert wird, ist in vielen Fällen hinsichtlich der Installation, des benötigten Platzbedarfs und der erhöhten Wartungsaufwände nicht attraktiv. In vielen Fällen wird die Wärmepumpe somit zur ersten Wahl bei der Wärmeversorgung. Schließlich sind moderne Systeme in der Lage, allein im Wärmepumpenbetrieb (monovalent) die erforderlichen Vorlauftemperaturen für Trinkwarmwassererwärmung und Heizung bereitzustellen. Im Neubau ist die Wärmepumpen-Technologie ohnehin längst zum Standard avanciert, konnte sie 2021 doch bereits mehr als 50 Prozent der Neubauinstallationen auf sich vereinen. Auch im Bestand sind Wärmepumpen aufgrund des Sanierungsdrucks mittlerweile zunehmend gefragt.  

Luft-Wasser-Wärmepumpen derzeit am weitesten verbreitet

Unter allen Wärmepumpentypen sind Luft-Wasser-Systeme derzeit die populärste Variante. Waren sie vor rund 20 Jahren noch eine Randerscheinung, dominieren sie inzwischen mit einem Anteil von 82 Prozent den Wärmepumpen-Markt. Sole-Wasser-Wärmepumpen hingegen haben in den letzten Jahren kaum Marktanteile hinzugewonnen – tatsächlich sind die Anteile hier weitestgehend stagniert oder sogar gesunken. Angesichts des Zwangs zum schnellstmöglichen Ausstieg aus fossilen Brennstoffen und der limitierten Budgets vieler Anwender ist der Erfolg der Luftwärmepumpe keine Überraschung: Sie erfordert unter allen Systemen die geringsten baulichen Maßnahmen und ist somit am schnellsten und kostengünstigsten zu installieren. Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe hingegen wird meist gar nicht erst in Betracht gezogen, gilt die Installation doch weithin als zu teuer und zeitaufwendig. Dabei wird oft vollkommen außer Acht gelassen, dass sie insbesondere im Hinblick auf Effizienz und Geräuschemission gegenüber der Luftwärmepumpe entscheidende Vorteile bietet und somit eine durchaus erwägenswerte Investition darstellt.

Kosten für Baumaßnahmen abhängig von Verlegungsart

Tatsächlich lässt sich jedoch nicht bestreiten, dass Sole-Wasser-Wärmepumpen mit deutlich höheren Installationskosten verbunden sind. Denn sie nutzen zur Heizwärmeerzeugung die thermische Energie des Erdreichs – und um diese zu erschließen, führt kein Weg an Baumaßnahmen vorbei: Mittels Bohrung oder Erdaushub werden Kunststoffleitungen ins Erdreich verlegt, die mit einem Gemisch aus Frostschutzmittel und Wasser – der sogenannten Sole – durchströmt werden. Die Flüssigkeit nimmt die thermische Energie des Erdreichs auf und transportiert sie weiter zur Wärmepumpe, wo sie auf den Kältemittelkreislauf übertragen wird. Abhängig von der gewählten Verlegungsart der Soleleitungen fallen die Kosten für die Baumaßnahmen jedoch sehr unterschiedlich aus. Entscheiden können sich Eigentümer zwischen einer horizontalen oder vertikalen Verlegung, wobei letztere die deutlich kostenintensivere Option darstellt. Bei der vertikalen Verlegung werden Erdsonden mittels Tiefenbohrungen bis zu mehrere hundert Meter tief ins Erdreich eingebracht – dazu ist im Vorfeld eine Genehmigung nach Bergbaurecht einzuholen. Grundsätzlich gilt hier: Je tiefer das Bohrloch, desto teurer ist zwar die Bohrung – desto höher fällt letztlich aber auch der Energiegewinn aus. Pro Meter wird eine Entzugsleistung zwischen 40 und 100 Watt erreicht. Übliche Bohrtiefen für den Wärmebedarf von Privathäusern liegen normalerweise zwischen 50 und 100 Metern, in genehmigten Sonderfällen auch bei bis zu 300 Metern. Die notwendige Tiefe der Bohrlöcher hängt letztlich aber auch von der Entzugsleistung der vorhandenen Gesteinsschichten ab: Besonders effektiv arbeiten Erdwärmesonden in harten Gesteinsschichten wie Granit oder Kalk; auch ein gut durchfeuchteter Lehm-, Kies- oder Löß-Boden ist geeignet. In lockeren Böden hingegen, wie sie auch in der Nähe von Braunkohlerevieren zu finden sind, ist die Wärmeentzugsleistung aufgrund der Hohlräume und Lufteinschließungen weitaus geringer. Abhängig von der Gesteinszusammensetzung und dem vorhandenen Platz können auch mehrere, aber dafür weniger tiefe Bohrungen mit einem Abstand von sechs Metern zueinander vorgenommen werden.

Günstiger gestaltet sich die Wärmerückgewinnung mittels horizontal verlegten Flächenkollektoren. Diese werden ähnlich wie bei einer Fußbodenheizung in Schlangenlinien in einer Tiefe ab 1,5 Metern – also unterhalb der Frostgrenze – neben dem zu beheizenden Gebäude verlegt. Dort wird die Sole in erster Linie durch die Wärmeenergie der auf das Erdreich fallenden Sonnenstrahlen erhitzt. Im Gegensatz zur Erdsondenbohrung muss die Verlegung der Kollektoren nicht behördlich genehmigt werden. Dafür ist der Platzbedarf weitaus höher: Für die Beheizung eines Gebäudes wird eine Freifläche benötigt, die doppelt so groß ist wie die im Gebäude zu beheizende Fläche. Für ein Einfamilienhaus mit 150 Quadratmetern Wohnfläche benötigt man also 300 Quadratmeter Kollektorfäche. Diese darf weder versiegelt, noch bebaut oder mit tiefwurzelnden Pflanzen bestückt werden. Darüber hinaus existieren mit Erdwärmekörben und Grabenkollektoren zwei weitere Optionen, die eine lohnenswerte Alternative zu Flächenkollektoren darstellen, bislang aber weitaus weniger populär sind. Beide Lösungen werden oberflächennah installiert und können aufgrund ihrer speziellen Form – Erdwärmekörbe werden spiralförmig, Grabenkollektoren in Schlaufen verlegt – den Flächenverbrauch bei gleichbleibend hoher Entnahmeleistung entscheidend verringern.

Für den Bestand sind die vorgestellten Maßnahmen freilich nur begrenzt geeignet: Da Vertikalbohrungen unter der Gebäudefläche nicht mehr möglich sind, setzen beide Ansätze eine relativ große freie Grundstücksfläche voraus, um entweder die erforderlichen Bohrungen und Bohrabstände oder eine möglichst große Kollektorfläche realisieren zu können.

Erdwärmepumpe: Hohe Jahresarbeitszahl, niedrige Geräuschemission

Auf den ersten Blick mag die Erdwärmepumpe aufgrund der zeit- und kostenintensiven Installation für viele Anwender erst gar nicht in zu Frage kommen – dass sie der Luftwärmepumpe damit aber grundsätzlich unterlegen ist, erweist sich als weitverbreitete Fehleinschätzung. Tatsächlich bieten Erdwärmepumpen gegenüber der Luftwärmepumpe einige entscheidende Vorteile, wodurch sie sich – je nach benötigter Heizleistung bzw. dem zu erwartenden Heizwärmebedarf, dem Gebäudestandort sowie Budget und Zeitplan des Anwenders – sogar als sinnvollere Option herausstellen können. So arbeiten Erdwärmepumpen etwa weitaus energieeffizienter, da sie über das Erdreich als Wärmequelle ganzjährig konstante Temperaturen im Plusgradbereich beziehen können – der Temperaturunterschied zwischen Wärmequelle und Vorlauftemperatur ist also insbesondere im Winter viel geringer als bei Luftwärmepumpen. Im Durchschnitt erreichen sie somit deutlich höhere Jahresarbeitszahlen (JAZ). Das bestätigt auch eine 2018 und 2019 durchgeführte Studie des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme: Im Bestand kommen Luftwärmepumpen durchschnittlich auf eine JAZ von 3,1; Erdwärmepumpen auf eine JAZ von 4,1. Die höchstmögliche Effizienz erreichen sie dann, wenn über Erdsonden die thermische Energie tieferer Erdschichten erschlossen wird. Auf lange Sicht und bei hohen Bedarfen lohnt sich also auch der Aufwand für die Bohrungen. Denn das unterirdische System einer Erdwärmepumpe weist – bei geringem Wartungsaufwand – eine Lebensdauer von mindestens 200 Jahren auf. Die Kosten für die Erschließung des Erdreichs als Wärmequelle dürfen daher fairerweise nicht ausschließlich dem ersten Wärmepumpensystem angelastet werden, da auch noch nachfolgende Systeme diese Quelle nutzen können.  

Einen weiteren Vorteil bieten Erdwärmepumpen im Hinblick auf die Geräuschentwicklung. Da sie im Gegensatz zu Luftwärmepumpen keine Luft bewegen müssen und damit auch keinen Ventilator zum Ansaugen der Umgebungsluft benötigen, arbeiten sie besonders geräuscharm – tatsächlich gilt ihr Lautstärkepegel als vernachlässigbar. Sie eignen sich somit weitestgehend uneingeschränkt für die Innenaufstellung in Technik- und Heizungsräumen nahe des Wohn- und Schlafbereichs. Luftwärmepumpen hingegen produzieren aufgrund des Ventilatorbetriebs deutlich mehr Geräusche und können je nach Umgebungssituation nicht uneingeschränkt eingesetzt werden. 

Standardisierte Systemlösungen vereinfach Installation  

Damit die Erdwärmepumpe ihre Stärken hinsichtlich Effizienz und Geräuschemission voll ausspielen kann, ist eine korrekte Installation und Inbetriebnahme unverzichtbar. Für den zuständigen Fachhandwerker empfiehlt es sich daher, die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Wärmepumpenhersteller wie Stiebel Eltron zu suchen, der den gesamten Installationsprozess unterstützt, im Kundendienstfall beratend zur Seite steht und darüber hinaus regelmäßige Schulungen anbietet. Angesichts des hohen Sanierungsdrucks und des eklatanten Fachkräftemangels stellt das Unternehmen vorkonfigurierte Systemlösungen bereit, die für 70 bis 80 Prozent aller Anwendungsfälle geeignet sind und sich besonders zeitsparend verbauen lassen. Für die unkomplizierte Erdwärmepumpenmontage im Neubau ist beispielsweise eine kompakte Wärmepumpe mit integriertem Warmwasserspeicher vorgesehen; das Set für den Bestand umfasst eine Kombination aus Wärmepumpe und separatem Integralspeicher. Beide Sets sind montagefreundlich konzipiert, verbrauchen nur wenig Aufstellfläche und erzielen Vorlauftemperaturen von bis zu 75°C, mit denen sich selbst klassische Altbauten effektiv beheizen lassen. Darüber hinaus unterstützt der Wärmepumpenhersteller auch bei der Entwicklung individueller Systemlösungen, die sich durch die vorkonfigurierten Sets nicht abdecken lassen. Über die online verfügbare Toolbox erhalten Fachhandwerker zudem weitere Hilfe bei der Systemwahl, der Dimensionierung und Konfiguration, der Erstellung von Hydraulik- und Elektroplänen sowie auch der Ermittlung und Erschließung von Förderungsoptionen.   

Fazit

Sofern es Gebäudestandort, Budget und Zeitplan des Anwenders zulassen, sollte die Errichtung einer Erdwärmepumpe unbedingt in Betracht gezogen werden. Unbestreitbar ist natürlich, dass die Installation zunächst mit hohen Investitionskosten verbunden ist. Hier schafft die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) jedoch eine spürbare Entlastung: Ersetzt die Erdwärmepumpe eine Ölheizung beliebigen Alters oder eine mindestens 20 Jahre alte Gasheizung, wird der Einbau mit 40 Prozent gefördert; ersetzt sie eine Gasheizung, die jünger ist als 20 Jahre, beträgt der Förderanteil immer noch 30 Prozent.

Ist die Hürde der Anfangsinvestition genommen, kann die Erdwärmepumpe im laufenden Betrieb durch hohe Effizienz überzeugen. So fallen die Jahresbetriebskosten im Vergleich zur Luftwärmepumpe deutlich geringer aus. Durch effizienzsteigernde Maßnahmen lassen sich die jährlichen Einsparungen sogar noch weiter maximieren. Dazu gehört beispielsweise die Einbindung von Smart-Heating-Systemen und die Durchführung eines hydraulischen Abgleichs, der durch eine optimale Wärmeverteilung im Gebäude die Absenkung der Vorlauftemperatur ermöglicht und gemäß BEG ohnehin Grundvoraussetzung für eine Förderung ist. Dem erfolgreichen und wirtschaftlichen Einsatz einer Erdwärmepumpe steht damit letztlich nichts mehr im Wege.

Autor: Hendrik Tiemeier, Leiter Produktmanagement Systemtechnik, STIEBEL ELTRON GMBH & CO. KG