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Eine monovalente Anlage deckt den gesamten Bedarf an Heizwärme (und evt. auch zusätzlich den an Warmwasser) während des ganzen Jahres. Eine "bivalente" Anlage kann dies nicht, weil es ihrem Wärmereservoir (Luft, Sonnenstrahlung, Oberflächenwasser) an konstanter Ergiebigkeit fehlt. Sie muß deshalb durch eine konventionelle Heizung ergänzt werden, die unterhalb bestimmter Außentemperaturen in Aktion tritt. Das verteuert die Heizung gegenüber monovalenten Anlagen und konventionellen Zentralheizungen.
Von den neu installierten Wärmepumpen ist die große Mehrheit für monovalenten Betrieb ausgelegt. Es handelt sich dabei um Anlagen, die entweder das Grundwasser, die Erdwärme oder die Außénluft nutzen. Bivalente Anlagen nutzen dagegen in aller Regel die Außenluft.
Bei geringem Wärmebedarf kann die "monoenergetische" Wärmepumpe eine gute Lösung sein, bei der ein elektrischer Heizstab in die Wärmepumpe integriert ist und für eine eventuell erforderliche Zusatzheizung sorgt. Da der Heizstab nur an sehr kalten Tagen einspringen muß (oder auch gar nicht), können solche Anlagen bei Nutzung der Luft als Wärmequelle Jahresarbeitszahlen bis zu 3,3 erreichen.
Für die Nutzung der Luftwärme gibt es verschiedene Möglichkeiten: Im einen Fall wird die Luft durch einen Ventilator angesaugt und direkt durch die Wärmepumpe geleitet. Im anderen Fall läßt man die Luft um einen "Absorber" streichen, der die Funktion eines Wärmetauschers hat und die aus der Luft empfangene Wärme über ein Arbeitsmedium der Wärmepumpe zuführt. Solche Absorber nehmen außerdem die Wärme der Sonneneinstrahlung oder des Regens auf. Es gibt sie in einer Vielzahl von Bauformen, z.B. als Energiestapel, Energiezaun, Energiesäule, Energiefächer oder Energiestern.
Luft hat den Nachteil, daß ihre Temperatur gerade dann stark abfällt, wenn viel Wärme für die Raumheizung benötigt wird. Konstanter und ergiebiger ist die Umgebungswärme aus dem Erdreich. Man nutzt sie durch sogenannte Erdkollektoren aus Kunststoffröhren, die großflächig in etwa einem Meter Tiefe verlegt werden. Durch die Röhren zirkuliert frostgeschütztes Wasser (Sole), das die Wärme aufnimmt und an die Wärmepumpe wieder abgibt. Auf kleineren Grundstücken kann das Röhrensystem in kompakter Form als "Grabenkollektor" verlegt werden.
Ähnlich funktionieren Erdsonden, die als Erdkollektoren senkrecht ins Erdreich hinabtauchen und deshalb kaum Platz beanspruchen. Beim "Rohr-in-Rohr-System" bestehen sie aus einem Rohr, das am unteren Ende geschlossen ist und in dem sich ein etwas kürzeres Innenrohr befindet, das nach unten offen ist. Das frostgeschützte Wasser läuft zunächst durch das Innenrohr bis ans Ende der Sonde, das z.B. in 60 Meter Tiefe liegen kann, um dann durch das Außenrohr wieder nach oben zu fließen und dabei die Wärme des Erdreichs aufzunehmen.
Noch ergiebiger ist die Nutzung des Grundwassers, das über das ganze Jahr eine gleichbleibende Temperatur von 7 bis 12°C aufweist: Im Abstand von 10 bis 15 Meter werden zwei Brunnen gebohrt. Der eine dient als "Förderbrunnen", aus dem eine Pumpe das Wasser heraufholt und der Wärmepumpe zuleitet. Nachdem das Wasser seine Wärme abgegeben hat - wobei es sich um bis zu 5°C abkühlt -, wird es über den "Schluckbrunnen" wieder dem Grundwasser zurückgegeben.
Wärmepumpen eignen sich ideal für die Nutzung von regelmäßig anfallender Abwärme. Zum Beispiel wird in Spenge bei Bielefeld ein ganzes Neubauviertel mit der Abwärme eines Industriebetriebs versorgt. Bei einer Temperatur von 10°C bis 20°C wäre diese Abwärme normalerweise wertlos. Durch Wärmepumpen in den Häusern wird sie aber auf bis zu 55°C gebracht und kann so als Warmwasserheizung dienen. Für den Transport des Wassers zu den Häusern genügen ungedämmte, preiswerte Kunststoffleitungen im Erdboden, weil wegen der geringen Temperaturdifferenz kaum Wärmeverluste auftreten. Im Vergleich mit konventioneller Heizungstechnik werden rund 40 Prozent an Primärenergie eingespart und die CO2-Emissionen um die Hälfte verringert. Genauso ließe sich das Kühlwasser von Großkraftwerken zur Beheizung umliegender Wohngebiete verwenden.
Etliche Bauern nutzen bereits mit Wärmepumpen die Abwärme ihrer Rinder- oder Schweineställe: Immerhin erzeugt jede ausgewachsene Kuh eine Wärmeleistung von etwa 1,2 Kilowatt. Davon sind in einem wärmegedämmten Stall rund 0,4 Kilowatt nutzbar. Bei zwanzig Rindern ergibt sich somit eine praktisch nutzbare Wärmeleistung von 8 Kilowatt zuzüglich der elektrischen Energie für den Betrieb der Wärmepumpe. Man schätzt, daß allein in Deutschland rund 200 000 Bauern auf diese wohlfeile und umweltfreundliche Weise ihre Wohngebäude beheizen könnten.
Es gibt kein Wärmepumpen-System, das sich überall gleichermaßen einsetzen läßt. Es kommt immer auf die jeweiligen Umstände an. Zum Beispiel ist Grundwasser ein ideales Wärmereservoir, aber keineswegs überall zugänglich. Wer es nutzen will, braucht überdies eine wasserrechtliche Erlaubnis. Die Niederbringung von Erdsonden ist ebenfalls nur unter bestimmten geologischen Voraussetzungen sinnvoll und bedarf behördlicher Zustimmung. Die Verlegung von horizontalen Erdkollektoren ist zwar genehmigungsfrei, kann aber an mangelnder Grundstücksfläche, felsigem Boden oder an vorhandener Bepflanzung scheitern. - Dagegen ist Luft als Wärmequelle überall vorhanden und mit geringem Aufwand zu erschließen, ohne daß es einer Genehmigung bedarf. Sie hat allerdings den Nachteil, daß gerade bei großem Heizungsbedarf die Heizleistung stark abfällt. Eine Luft-Wärmepumpe muß also für den Normalbedarf überdimensioniert sein, um auch winterliche Minustemperaturen bewältigen zu können. Günstiger ist in aller Regel der "monoenergetische" oder "bivalente" Betrieb, wobei im Bedarfsfall ein elektrischer Heizstab die Wärmepumpe unterstützt oder ein anderes Heizsystem die abfallende Leistung ausgleicht.