Energie aus Luft, Erde, Wasser

Energie aus Erde, Wasser und Luft gewinnt auch im  mehrgeschoßigen Wohnbau immer mehr an Bedeutung. Die Ölpreis Explosion und die Krise der Atomenergie verstärken den Boom.

Von Karin Legat

Luft, Erdreich und Grundwasser bieten grenzenlose Energiemengen. Darauf baut das Wärmepumpenkonzept auf. Unter Einsatz von etwas Strom werden schon geringe Temperaturunterschiede genutzt, um wohlige Wärme für den Wohnbereich zu schaffen. Es entstehen keine Emissionen vor Ort, keine Stickoxide oder Kohlenmonoxide und kein Staub. Wärmepumpen produzieren direkt für das benötigte Temperaturniveau. Im Winter sorgen sie für angenehme Wärme, im Sommer können sie als ökologische Klimaanlage eingesetzt werden.

Fortschrittliche Wärmeerzeugungsmethode

Wärmepumpen überzeugen nicht nur durch ihre ökologischen Vorteile, auch hinsichtlich Betriebssicherheit und Lebensdauer weisen sie eine sehr hohe Wertung auf.

Für Rudolf Sonnek, Leiter eines technischen Büros für Maschinenbau, Elektrotechnik und Installationstechnik und Partner der ARGE Erdwärme, stehen Wärmepumpen auf einem Level mit Öl- oder Gasfeuerungsanlagen. »Es gibt keine Unterschiede zu konventionellen Heizungsanlagen, wie Fernwärme, Gas- oder Ölfeuerung.« Dadurch ist der Erfolg auch im mehrgeschoßigen Wohnbau vorprogrammiert. »Nun hängt es davon ab, wie sehr die Erzeuger diesen Markt wahrnehmen und bearbeiten sowie kostengünstige und technisch gute und langlebige Lösungen anbieten. Man muss der Realität ins Auge blicken: Hauseigentümer schauen nicht nur auf die Ökologie, sondern auch auf die Kosten. Die hohen Erschließungskosten sind aber rasch amortisiert«, relativiert er prompt. ARGE-Erdwärme-Kollege und Universitätsprofessor Johann Goldbrunner von GEOTEAM schließt sich dieser positiven Betrachtung betreffend Wärmepumpenzukunft an. »Wenn bei einem Wirkungsgrad von 1:4 nur mehr 25 Prozent der Wärmeenergie über Strom produziert werden müssen, ist das wirtschaftlich unschlagbar.« 1:4 ist der Mindestwirkungsgrad für Bernd Vogl, Energieexperte im Umweltministerium. »Die Wärmepumpentechnologie muss effizient eingesetzt werden. Dann macht es Sinn, sie zu fördern.«

Größere Wohneinheiten bilden kein Hindernis

Im kleinvolumigen Wohnbau haben sich Wärmepumpen als alternative Energiequelle längst behauptet, im mehrgeschoßigen Wohnbau gewinnen sie an Bedeutung.

Für alle Heizsysteme ist eine gute Gebäudedämmung Pflicht. Bei Wärmepumpen ist die Dämmung besonders wichtig, da erst Niedrigenergiesysteme ein effizientes und wirtschaftliches Heizen ermöglichen. Der Hauseigentümer sollte daher zuerst detailliert erfassen und prüfen, welchen energetischen Standard das zu beheizende Haus hat, welches Wärme­abgabesystem (Radiatoren, Fußbodenheizung) verwendet wird, ob dieses adaptiert werden kann, wie hoch die notwendige Vorlauftemperatur für ein angenehmes Raumklima im Haus sein muss und wie die Warmwasserbereitung erfolgt. Alte Bauten haben oft Vorlauftemperaturen bis zu 90 Grad, das Potenzial der Wärmepumpe ist damit sehr eingeschränkt. »Unsere Modelle arbeiten bereits mit Vorlauftemperaturen von 65 Grad wirtschaftlich«, meint Karl Ochsner, Geschäftsführer der OCHSNER Wärmepumpen GmbH, Österreichs führendem Wärmepumpenhersteller.

Wirtschaftliche Parameter

Die Voraussetzungen für effizientes Arbeiten mit Wärmepumpen sind für den kleinvolumigen Wohnbau dieselben wie für den großen Bruder »XL-Wohnbau«. Auch dies Ziele sind ident: Die Wärmepumpe soll eine hohe Leistungszahl und Jahresarbeitszahl (JAZ) liefern.Ausschlaggebend ist die JAZ, sie gibt die tatsächliche Effizienz der Wärmepumpe wieder. Für den Mindestwert 4 muss der Heizwärmebedarf des Gebäudes gering ausfallen, die Heizungsvorlauftemperatur auf niedrigem Niveau liegen und ausreichend Fläche für die Wärmequellen zur Verfügung stehen. Kollektoren benötigen als Richtwert das 1,5- bis 2-Fache der zu beheizenden Fläche, Erdsonden reichen in eine Bohrtiefe von bis zu 300 m, bei Grundwasserwärmepumpen sind bis 200 l Pumpleistung/h pro kW Heizleistung notwendig, bei Luft rund 330 m3/h pro kW. Für eine hohe Wirtschaftlichkeit der Wärmepumpe ist ein Service pro Jahr ratsam.

Wärmequellen Erdreich/Wasser/Luft

Die JAZ hängt nicht nur von den Gebäudekonditionen ab, auch der Wärmepumpentyp ist entscheidend. »Die höchste Energieausbeute bieten Grundwasserwärmepumpen, da das Grundwasser im Regelfall über das gesamte Jahr ein gleichbleibend hohes Energieniveau liefert, und natürlich Erdreichwärmepumpen. Am wenigsten geeignet, vor allem für den großvolumigen Wohnbau, erscheinen mir Außenluftwärmepumpen. Diese liefern nur in Verbindung mit einem anderen Energielieferanten, z.B. einem Gaskessel, die benötigte Energie«, erläutert Sonnek.

Generell können Wärmepumpen als alleiniges Heizungssystem (monovalent) oder mit einem weiteren Heizsystem, z.B. einer bestehenden Öl- oder Gasheizung, (bivalent) betrieben werden. Letztere Variante empfehlen Experten ausschließlich im Sanierungsbereich. Zu überlegen ist die Wirtschaftlichkeit des doppelten Aufwands für die Investition, die Wartung und Inspektion zweier Heizungssysteme. Möglich ist auch die Kombination von Wärmepumpen verschiedener Quellen. »Die Verwendung einer einzigen Wärmequelle ist aber einfacher und billiger, der maschinentechnische Mehraufwand geringer. Mir sind keine Fälle bekannt, bei denen Medien gemischt wurden. Es ist aber denkbar, wenn es die örtlichen Gegebenheiten erfordern«, betont Sonnek.

Wärmepumpe - GO

Erdwärme und Grundwasser bieten die höchste Energieausbeute. Wie setzt die Wärmepumpe diese Energie nun um? Wärmepumpen sind mit einem Kältemittel befüllt, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Die Umweltenergie wird durch das Kältemittel aufgenommen, es verdampft, gelangt in den Kompressor und wird dort mit elektrischem Strom als Hilfsenergie verdichtet. Dabei steigt der Druck und auch die Temperatur des Kältemittels. Das entstandene Heißgas gibt die Energie an das Heizungswasser ab und verflüssigt sich. Der Druck wird wieder abgebaut, das Kältemittel gelangt erneut  in den Verdampfer und der Kreislauf beginnt von Neuem. Weniger komplex als die Funktionsweise gestaltet sich das Genehmigungsverfahren für die Verwendung von Wärmepumpen. Ein solches benötigt das Einfamilienhaus ebenso wie der XL-Wohnbau. Geregelt sind diese Verfahren in den Bauordnungen der Bundesländer. »Bei wasserwirtschaftlich nicht relevanten Bereichen für die Trinkwasserversorgung sind die Verfahren in ein bis zwei Monaten erledigt. Bohrungen in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten benötigen ein umfangreicheres wasserrechtliches Bewilligungsverfahren. Verfahrenszeiten von vier bis sechs Monaten müssen einkalkuliert werden«, informiert der GEOTEAM-Chef.

Wärmequelle Erdreich

Das Erdreich stellt einen guten Wärmespeicher dar, ab einer Tiefe von 15 m ist die Bodentemperatur über das ganze Jahr ziemlich konstant. Pro 100 m Tiefe nimmt die Temperatur um zirka drei Grad zu. Aufgeschlossen werden kann das Erdreich über horizontale Kollektoren, Erdwärmesonden oder Energiepfähle. Für Kollektoren ist eine Oberflächenbohrung zwischen 1,2 und 2 m notwendig, für Erdwärmesonden und Energiepfähle jeweils eine Tiefenbohrung von 40 bis 250 m bzw. 8 bis 45. Tiefenbohrungsprojekte haben zuletzt mit dem Folgeschaden Rissbildung für negative Schlagzeilen gesorgt. Ochsner und Hydrogeologe Goldbrunner beruhigen: »Wenn auf dem Stand der Technik gearbeitet und sorgfältig ge­plant wurde, gibt es keine Risiken. Bei den publik gewordenen Schäden handelt es sich um Ausschussmängel bzw. eklatante geologische Planungsmängel.«

Erdsonden werden vor allem für den großvolumigen Wohnbau eingesetzt. »Dieser hat ein größeres finanzielles Volumen. Damit können mehr Probebohrungen vorgenommen werden, und es findet eine umfangreiche fachliche Planung und eine sorgfältige Überwachung statt. Bei Einfamilienhäusern sind die Hauseigentümer oft nicht bereit, zusätzliche Kosten für die Planung und Überwachung zu übernehmen.« Sein Kollege DI Sonnek nennt einen weiteren Vorteil der Erdwärmesonden: »Der Richtwert für Kollektoren liegt beim Zweifachen der zu beheizenden Wohnfläche. Das ist oft nicht realisierbar, daher geht man in die Tiefe.« Die Bohrtiefe wird auf mehrere Einheiten aufgeteilt. »800 bis 1.000 m kann man nicht über eine Bohrung realisieren, das wäre zu teuer. So werden etwa zehn Bohrungen à 100 m mit dem nötigen Sicherheitsabstand von 7 m vorgenommen.« Für DI Sonnek ist das Hinzuziehen eines (Hydro-)Geologen ein absolutes Muss. »Mit der Tiefe steigt der technische Anspruch. Nur ein Fachmann kann die Beschaffenheit des Untergrundes bewerten und ein mögliches Risiko feststellen. Der Thermal Response Test (TRT) zeigt etwa den Aufbau der Erdschichten.« Eine Probebohrung ist für den Techniker ebenfalls obligatorisch. »Diese ist auch im Sinn des Projektbetreibers, denn dadurch wird festgestellt, ob das Gelände oder die Geo­logie überhaupt geeignet sind.« Für alle Erschließungsarten ist eine wasserrechtliche Bewilligung notwendig, Erdwärmesonden sind zusätzlich anzeige- bzw. genehmigungspflichtig.

Wärmequelle Grundwasser

Grundwasser ist ebenfalls ein guter Wärmespeicher und bietet optimale Voraussetzungen für die Wärmepumpe. Selbst an den kältesten Tagen beträgt die Wassertemperatur (= Quelltemperatur) rund zehn Grad. Die Förderung erfolgt über Grundwasserbrunnen (Tiefenbohrung bis 50 m) oder Bergwerke und Tunnels. Erforderlich sind zwei Brunnen zur Wasserentnahme und Wiedereinbringung in das Erdreich (Reinjektion) mit einem Mindestabstand von 10 m. Eine Übersicht über die Wasserschichten liefert der Grundwasserkataster (http://gis.umweltbundesamt.at/austria/wasser). Grundwasserwärmepumpen benötigen eine wasserrechtliche Bewilligung der Bezirkshauptmannschaft.

Wärmequelle Luft

Luft eignet sich natürlich auch als Wärmequelle. Gerade für den großvolumigen Wohnbau weist sie aber einen erheblichen Nachteil auf. Vor allem an kalten, heizungsintensiven Tagen ist eine geringere Wärmeproduktion realisierbar. Ochsner zeigt aber auch ein Positivbeispiel auf. Im Therapiezentrum Gmundnerberg ermöglichen Wärmepumpen eine fast vollständige Wärmerückgewinnung aus der Fortluft, Vorlauftemperaturen bis 50 Grad (witterungsgeführt) werden erreicht. »Der Vorteil bei der Wärmequelle Luft ist auf jeden Fall, dass keine Genehmigung für deren Nutzung benötigt wird. Luft ist noch frei, aber wir werden sehen, wie das weitergeht«, meint Goldbrunner schmunzelnd.

>> Best Practice:

Wärmepumpen und großvolumige Gebäude sind heute kein Widerspruch mehr. Das beweisen der Powertower in Linz, das Almwellnesshotel Tuffbad oder das Wohnhaus Pradl.

- EnergieAG Powertower Linz
Wärmequelle    Erdreich, Grundwasser
(900 lfm aktivierte
Fundamentpfähle,
2 Grundwasserförderbrunnen
6.900 lfm Erdsonden, 46 Stk
à 150 m)
Quellentemperatur    10/6 °C
Vorlauftemperatur    35/30 °C
Heizleistung         337,4 kW
Der EnergieAG Powertower Linz ist weltweit das erste Passiv-Bürohochhaus in belebter Innenstadtlage, es benötigt weder Gas- noch Fernwärmeanschluss und wickelt Heizung sowie Kühlung zu 100 Prozent über Wärmepumpen ab.

- Almwellnesshotel Tuffbad
Wärmequelle        Grundwasser
Quellentemperatur    10/8 °C
Vorlauftemperatur    35/30 °C
Heizleistung        2 x 54,4 kW
Wärmepumpen erledigen die Beheizung von 1.500 m² Fußboden, Schwimmbad, Wellnessbereich und Restaurant.

- Wohnhaus Pradl, Innsbruck
Wärmequelle        Grundwasser
Quellentemperatur    10,5 °C
Vorlauftemperatur    max. 32 °C
Heizleistung        22,88 kW
Das Wohnhaus Pradl umfasst sechs Wohnungen mit einer Gesamtnutzfläche von 400 m². Die Grundwasserbrunnen sind 16 m tief, die Heizkosten liegen pro Jahr bei 650 EUR.