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Wie der Name schon sagt, beziehen Erdwärmepumpe ihre Wärme aus der Erde. Die Wärmepumpe bedient sich dabei an Temperaturen von maximal 12°C. Wie schaffen es Wärmepumpen daraus angenehme Heiztemperaturen zu erzeugen? Erdwärmepumpen kosten je nach Ausführung zwischen 13.000 und 19.000 Euro, allerdings sind sie sehr effizient und daher sparsam im Betrieb.

1. Eine geniale Idee: Nutzung der Wärme des Erdinnern

100 Meter unter der Erde herrscht ganzjährig eine Temperatur von 12 Grad CelsiusGräbt man ein tiefes Loch, merkt man schnell, dass es mit zunehmender Tiefe immer wärmer wird.

Das tiefste Vordringen des Menschen fand in den 1970er Jahren in Russland statt. Die sogenannte Kola-Bohrung wurde bei einer Tiefe von gerade mal etwas mehr als 12km abgebrochen. Der Grund: statt der erwarteten 100°C betrug die Temperatur bereits 180°C.

Natürlich ist noch niemand bis zum Erdkern vorgedrungen und daher können wir auch nur ahnen, wie heiß es dort unten wirklich ist. Neueste Schätzungen gehen von 6.000°C aus. 

  • Interessanterweise beträgt auch die Temperatur der Sonnenoberfläche in etwa 6.000°C. Diese gigantische Energie machen wir uns mittlerweile zu nutze, indem wir daraus Strom (Photovoltaik) und Wärme (Solarthermie) produzieren.

Wir werden also von unten und von oben gewärmt. Da ist der Gedanke, neben der Solarenergie auch die unvorstellbare Hitze des Erdinneren zu nutzen, nur nahe liegend. Und damit sind wir bei der Grundidee der Erd-Wärmepumpe

1.1. Wie können wir die Erdwärme nutzbar machen?

In einer Tiefe von gerade mal 10 Metern unter der Erde, herrschen ganzjährig ungefähr 10°C. In Deutschland dürfen geothermische Bohrungen bis zu einer Tiefe von 100 Metern durchgeführt werden und dort beträgt die Temperatur ca. 12°C.

Doch mit nur 12°C Wassertemperatur möchte man wohl kaum duschen und auch für wohlige Heizungswärme reicht das nicht. Bohrt man noch tiefer, steigt der Druck und die Erd-Temperatur steigt: in 1,5 Kilometern Tiefe sind es 54°C - das wäre doch eine passende Temperatur um die Heizung zu betreiben.

Bei der Erdwärme, auch Geothermie genannt, unterscheidet man zwischen

  • Oberflächennaher- und
  • Tiefengeothermie. Bei der tiefen Geothermie wird die Erdwärme aus Schichten, die tiefer als 400 Meter sind, genutzt.

Im Bereich der Eigenheimheizung spielt diese aber praktisch keine Rolle. Hier nutzt man die Erdwärme aus den oberen Erdschichten. Typischerweise werden für Erdwärmepumpen Bohrungen von rund 1 Meter - bei den horizontal verlegten Erdkollektoren - bis zu 100 Meter - bei Erdwärmesonden - vorgenommen.

Mal abgesehen davon, dass man in Deutschland nicht grenzenlos tief bohren darf, machen noch tiefere Bohrungen auch wirtschaftlich irgendwann keinen Sinn mehr. Trotzdem schaffen es Erdwärmepumpen aus den vorhandenen 10 bis 12°C angenehme Heizungs- und Wassertemperaturen von bis zu 50°C zu erzeugen.

2. Verschiedene Arten von Erdwärmepumpen

2.1. Erdkollektoren

Erdkollektoren werden immer unterhalb der örtlichen der Frostgrenze in einer Tiefe von 1 bis 1,5 Meter in das Erdreich eingelassen. Ähnlich einer Fußbodenheizung werden dabei Rohre aus Kunststoff schlaufenförmig verlegt.

Erdwärmekollektoren nutzen die Sonnenenergie, die den Erdboden aufheizt und die Wärme aus dem Regenwasser.

  • Die Fläche über den Kollektoren muss unbebaut und unversiegelt sein.
  • Auch auf Pflanzen mit tiefen Wurzeln sollte man hier verzichten, da die Wurzeln die Rohre beschädigen könnten.
  • Erdwärmekollektoren sind nur anzeige-, nicht aber genehmigungspflichtig.

Gut geeignet für die Installation einer solchen Erdkollektoren-Wärmepumpe sind Grundstücke mit viel direkter Sonneneinstrahlung. Auch in regenreichen Gebieten können Hausbesitzer diese Form der Wärmegewinnung gut einsetzen. Denn die Wärmeenergie, die mittels Erdkollektoren gesammelt wird, stammt vorrangig von Sonneneinstrahlung und Niederschlägen.

Erdkollektoren werden flächenmäßig ungefähr 1 Meter unter der Erde verlegt

Je feuchter also der Boden, desto höher die Energiegewinnung durch Erdkollektoren!

Als Faustregel bei der Entscheidung für diese Form der Wärmepumpe gilt neben der Bodenbeschaffenheit:

  • Die Fläche zum Verlegen der Erdkollektoren sollte das Eineinhalbfache bis Doppelte der zu beheizenden Gebäudefläche betragen. 
  • Beispiel: Bei 150 Quadratmetern Wohnfläche sollten 225 bis 300 Quadratmeter Erdkollektoren verlegt werden. 
  • Dem großen Flächenbedarf steht ein geringer Aufwand bei der Installation der Anlage gegenüber. 

2.2. Erdwärmesonden

Bei Systemen mit Erdwärmesonden werden zwei u-förmige Kunststoffrohre senkrecht in das Erdreich eingelassen. Der Durchmesser des benötigten Bohrlochs beträgt dabei meist nicht mehr als 15 Zentimeter. Die benötigte Fläche ist demnach sehr klein.
  • Die Tiefe des Bohrlochs hängt vom Energiebedarf ab.
  • Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus sind 100 Meter als Richtwert anzunehmen.
  • Experten gehen von 50 Watt Heizleistung pro Bohr-Meter aus.

2.2.1. Vorteile der Erdwärmesonde

Wie bereits erwähnt ist die Temperatur schon ab einer Tiefe von 10 Metern das ganze Jahr über konstant.

Wärmepumpen-Erdsonden werden tief in der Erde verlegt

  • Das macht Wärmepumpen mit einer Erdsonde auch im Winter sehr effektiv!
  • Außerdem ist ein der Einsatz zur Kühlung bzw. Klimatisierung im Sommer sinnvoll.
  • Eine Absenkung der Raumluft um bis zu 5 °C ist problemlos möglich.

2.2.2. Nachteile der Erdwärmesonde

  • Man muss fairerweise sagen, dass Erdwärmesonden aufgrund der Tiefenbohrung vergleichsweise teuer sind.
  • Außerdem sind Erdwärmesonden genehmigungspflichtig.
  • In Wasserschutzgebieten sind sie sogar unzulässig.

2.2.3. Wussten Sie schon: Was sind Sole-Wasser-Wärmepumpen?

Manchmal hört man auch den Begriff "Sole-Wasser-Wärmepumpe". Dieses Wort wird oft als Synonym für Erdwärmepumpen verwendet. Denn das Kältemittel ist meist eine Sole, die mit Wasser vermischt wird. Allerdings kann mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe manchmal auch eine Grundwasserwärmepumpe gemeint sein. Entscheidend ist letztlich, dass die Wärmepumpe mit einem Kältemittel-Kreislauf arbeitet.

3. Wie funktionieren Erdwärmepumpen?

Es gibt neben Erdwärmepumpen noch andere Arten von Wärmepumpen, nämlich Grundwasser- und Luftwärmepumpen.

Erdwärmepumpen arbeiten mit einem Kältemittel und gehört somit zu den Kompressionswärmepumpen. Das Kühlmittel bleibt während des ganzen Prozesses innerhalb der Kreislaufes und kommt niemals direkt mit dem Wasser im Warmwasserspeicher in Berührung, sondern es findet nur eine Wärmeübertragung statt.

  1. Das Kältemittel innerhalb der Erdwärmepumpe wird in Rohre geleitet, welche in der Erde verlegt wurden. Das Kältemittel ist so konzipiert, dass die geringe aber gleichbleibende Erdwärme das Kältemittel zum Verdampfen bringt. Es ist also nun nicht mehr flüssig, sondern ein Gas. Bei Erdwärmepumpen kommt in der Regel Sole, ein Gemisch aus Wasser und einem Frostschutzmittel, zum Einsatz. Daher kommt auch - wie bereits oben erwähnt - der häufig verwendete Name Sole-Wasser-Wärmepumpe für Erdwärmepumpen.
  2. Das nun leicht erwärmte Gas wird in einen Pumpe geleitet. Dort wird es verdichtet, das bedeutet, dass es unter Druck zusammengepresst wird. Vielleicht erinnern Sie sich noch an den Physik-Unterricht aus der Schule. Dort wurde uns beigebracht, dass solch ein Druck Wärme erzeugt. Mit anderen Worten: das Gas wird noch weiter erwärmt. Dieser Schritt gibt der Wärmepumpe auch ihren Namen.
  3. Das gasförmige Kältemittel hat nun eine Temperatur von ca. 50°C, was ausreicht um damit das Heizsystem Ihres Hauses zu bedienen und für Warmwasser zu sorgen. Die jetzt erreichte Temperatur nennt man Vorlauftemperatur der Heizung. Bei diesem Vorgang sinkt die Temperatur des Gases natürlich wieder und beginnt sich wieder zu verflüssigen. Dieser Schritt findet im sogenannten Kondensator statt, denn kondensieren bezeichnet den Übergang eines Gases in eine Flüssigkeit.
  4. Hat das Kältemittel den Kondensator passiert, ist es wieder im flüssigen Zustand. Im letzten Schritt muss es noch auf das Druckniveau des Ausgangszustands gebracht werden. Dazu werden Expansionsventile verwendet. Das kalte, unverdichtete Kältemittel strömt jetzt wieder ins Erdreich und der Prozess beginnt von Neuem.

Die vier Schritte der Funktion einer Wärmepumpe

4. Erdwärmepumpe: Preise, Kosten und Wirtschaftlichkeit

4.1. Preise von Erdwärmepumpen

Natürlich kann man bei der Angabe von Preisen nur eine Orientierung geben, denn die Preisgestaltung hängt von der Größe, der Technik und vielen weiteren Faktoren ab.

Wenn man allerdings von einem typischen Ein- bis Zweifamilienhaus ausgeht, konnten wir den Angaben der Hersteller Erdwärmepumpen-Preise

  • von ca. 5.200 bis 12.000 Euro entnehmen -
  • durchschnittlich rund 10.000 Euro.

Die Effizienz einer Erdwärmepumpe kann man der Leistungszahl entnehmen. Sie gibt an, wie viel Nutzwärme die jeweilige Wärmepumpe unter genormten - und somit vergleichbaren - Bedingungen erzeugt, und setzt diese in Relation zum eingesetzten Strombedarf.

4.2. Kosten für die Bohrung

Aber der reine Anschaffungspreis für eine Erdwärmepumpe ist nur die halbe Miete. Denn die Bohrungen und die Verlegung der Rohre kosten ungefähr noch einmal so viel Geld.

Die Höhe der Bohrkosten wiederum hängt auch von einigen Umständen ab:

  • Erdbeschaffenheit und die daraus resultierende Wärmeleistung,
  • sowie die Bohrtiefe, welche sich aus dem Heizbedarf errechnet.

Bei der tieferen Variante, den Erdsonden, kann man mit Kosten von durchschnittlich 50 Euro pro Bohrmeter planen. Je nach Bodenbeschaffenheit kann die Bohrung aber auch deutlich günstiger oder teurer sein.

  • Eine Bohrung von 75 Metern Tiefe würde so also Kosten von 3.750 Euro ergeben. 

Die Kosten für den Aushub für die großflächigen Erdkollektoren sind meist nur halb so groß. Da man hier nicht in die Tiefe bohrt, sondern eine ganze Fläche auskoffern muss, wird der Preis für die Arbeiten eher mit der späteren Heizleistung in Relation gesetzt.

  • Bei einem Aushub kann man mit ca. 300 Euro pro Kilowatt-Heizleistung rechnen.
  • Bei einer 7 kW-Wärmepumpe würde also zusätzliche Kosten von 2.100 Euro entstehen.

Aber unabhängig davon ob Sie sich für Erdkollektoren oder Erdsonden entscheiden: hinzu kommen auch noch die Kosten für die dafür benötigten Kunststoffrohre. 

Vergessen sollte man nicht, dass Wärmepumpen Förderungen erhalten. Diese reduzieren die Anschaffungskosten wieder. Mehr erfahren Sie hier.

Mit welchem Gesamt-Preis muss man also für Erdwärmepumpen rechnen?

Erdwärmepumpe 5.200 - 12.000 Euro
A) Erdsonden: Bohrungen und Material 3.500 - 8.000 Euro
B) Erdkollektoren: Aushubarbeiten und Material 2.000 - 5.000 Euro

Bei der Installation einer Erdwärmepumpe mit Erdsonden für ein typisches Einfamilienhaus können Sie realistischerweise mit Preisen von durchschnittlich 17.000 bis 19.000 Euro rechnen. Bei einer Erdwärmepumpe mit Erdkollektoren steht ein Gesamt-Preis von durchschnittlich 15.000 bis 18.000 Euro an.

4.3. Kosten für den Betrieb der Erdwärmepumpe

Erdwärmepumpen müssen in geringem Umfang gewartet werden. Es wird überprüft:

  • ob der Kältemittel-Kreislauf dicht
  • ob die mechanischen Komponenten fehlerfrei arbeiten
  • ob elektrischen Teile der Wärmepumpe einwandfrei arbeiten

Die Kosten für solch eine Erd-Wärmepumpen-Wartung liegen bei rund 50 Euro pro Jahr. 

4.3.1. Stromkosten

Bei den laufenden Kosten fallen die Stromkosten stärker ins Gewicht. Um die kostenlos zur Verfügung stehende Erdwärme auf die benötigte Temperatur zu pumpen, benötigt die Wärmepumpe Strom ... und davon nicht gerade wenig. Doch die gute Nachricht lautet: Erdwärmepumpen benötigen von allen Wärmepumpen-Arten am wenigsten Strom.

Experten geben jährliche Betriebskosten für Erdwärmepumpen von 650 bis 900 Euro an - diese Schwankungen sind von vielen Gegebenheiten abhängig. Unter anderem von:

  • dem Wirkungsgrad der Wärmepumpe
  • der Dämmung des Hauses
  • der Art der Heizkörper (Fußbodenheizungen sind sparsamer als Radiatoren, also herkömmliche Wandheizkörper)
  • dem Strompreis

4.4. Sind Erdwärmepumpen effizient?

Erdwärmepumpe: Durchschnittliche Leistungszahl 4,5 und durchschnittliche Jahresarbeitszahl 3,9Um die Effizienz von Wärmepumpen zu vergleichen gibt es die sogenannte Leistungszahl welche auch Coefficient of Performance genannt wird.

Die Hersteller selbst testen ihre Produkte unter Laborbedingungen.

  • Die Erdwärmepumpen der vergangenen Jahre wiesen eine durchschnittliche Leistungszahl von 4,5 auf. Dieser Wert wird in der Realität - also bei Ihnen zuhause - meist nicht erreicht.
  • Die tatsächlich verbauten Erdwärmepumpen wiesen Werte von ca. 3,9 auf.

Das hat nichts mit Betrug zu tun. Man kann dies mit dem Kraftstoff-Verbrauch von Autos vergleichen. Unter Testbedingungen verbraucht ein Auto laut Hersteller 6,0 Liter pro 100 km. Bei Ihrer Fahrweise kommen Sie dann auf einen Verbrauchswert von 6,4 Litern. Das ist nur logisch, denn Sie haben keine genormten Fahrgewohnheiten.

So ist Ihr Haus auch nicht genormt und die tatsächliche Jahresarbeitszahl Ihrer Erd-Wärmepumpe weicht von der angegebenen Leistungszahl ab. Nichtsdestotrotz ist auch 3,9 noch ein guter Wert: Er bedeutet, dass 1 kW Strom 3,9 kW Heizenergie erzeugen kann. Dies ist effizienter als eine herkömmliche Gasheizung. Insgesamt sind Heizkosten-Einsparungen von bis zu 50% drin.

5. Die richtige Größe einer Erdwärmepumpe

Im Grunde müssen man bei der Dimensionierung einer Erdwärmepumpe drei wichtige Komponenten aufeinander abgestimmt werden: Der Wärmebedarf des Hauses, die Wärmepumpe und die Erdsonden beziehungsweise Erdkollektoren.

Damit die Wärmepumpe wirtschaftlich läuft, sollte Ihre Leistung und Größe in etwa dem Wärmebedarf des Gebäudes entsprechen. Ist sie zu klein dimensioniert, müssen zusätzliche Heiz-Arten aushelfen ... das ist nicht im Sinne des Erfinders. Ist sie zu große dimensioniert, sinken der Auslastungs- und der Wirkungsgrad.

Des Weiteren sollte darauf geachtet werden, dass die Erdsonden nicht zu kurz oder zu lang in die Erde gebohrt werden. Die Erdkollektoren müssen auf einer passend großen Fläche verlegt werden. Sind die Sonden oder Kollektoren zu klein dimensioniert, droht eine Einfrieren oder auch eine Undichtigkeit.

Contact Person Autor des Artikels: Jascha Schmitz - Redakteur der Umweltportale: Solaranlagen-portal.de | Ihr-BHKW.de | Ihre-Waermepumpe.de | klaeranlagen-vergleich.de

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