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Funktion & Installation von Wärmepumpen

Wärmepumpenanlagen sind ein intelligentes System: Sie nehmen Energie aus Wasser, Erdreich oder Luft auf, bringen diese auf ein nutzbares Temperaturniveau und geben diese an das Heiz- bzw. Warmwassersystem ab.

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Wärmequelle Grundwasser und Abwasser

abgeändert aus: Broschüre „Dauerhaft umweltschonend heizen“ der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2014

Grundwasser eignet sich als Wärmequelle aufgrund der relativ hohen und konstanten Temperatur sehr gut. Selbst an sehr kalten Tagen beträgt die Wassertemperatur in Wien immer noch 7 bis 12 Grad.

Das Grundwasser wird über einen Förderbrunnen entnommen und nach der Wärmeabgabe in der Wärmepumpe wieder (über einen zweiten Brunnen) in den gleichen Grundwasserhorizont zurückgeführt. Vor der möglichen Nutzung ist in jedem Fall eine wasserrechtliche Genehmigung einzuholen. Außerdem ist zu klären, ob das Grundwasser in ausreichender Menge und nutzbarer Qualität zur Verfügung steht. Je mehr Energie ein Gebäude benötigt, umso größer muss die Brunnenanlage sein. Daher sollte der Energiebedarf des Gebäudes möglichst gering sein und ggf. die Möglichkeit einer thermischen Sanierung geprüft werden.

Bildquelle: Broschüre „Dauerhaft umweltschonend heizen“ der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2014   

Weitere Information zu Planungsgrundlagen

Weitere Informationen zu Anzeige- und Genehmigungspflichten

Wärmequelle Erde: Erdwärmesonde

Erdwärmesonden werden mittels Tiefenbohrung senkrecht in den Boden eingelassen (meist 50 bis 250 Meter Tiefe). Sie brauchen kaum Platz und nutzen die im Erdreich gespeicherte Wärme.

Erdwärmesonden sind ebenfalls ein sehr effizientes System zur Gewinnung von Erdwärme. Die Lebensdauer der Sonden ist sehr lang. Grundsätzlich gilt, je mehr Energie ein Gebäude benötigt, desto mehr Wärme muss dem Boden entzogen werden. Das kann in Form tieferer Bohrungen oder höherer Sondenanzahl erfolgen. Daher sollte der Energiebedarf des Gebäudes möglichst gering sein und die Möglichkeit einer thermischen Sanierung geprüft werden. Da bei Erdwärmesonden der Grundwasserschutz berührt wird, können behördliche Auflagen zum Tragen kommen. Die Installation der Wärmesonden ist in der Regel genehmigungspflichtig.

Bildquelle: Broschüre „Dauerhaft umweltschonend heizen“ der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2014   

Weitere Information zu Planungsgrundlagen finden Sie auch unter  Planungsgrundlagen für Erdwärmesonden – Erdwärme Wien

Wärmequelle Erde: Erdkollektor

Erdkollektoren bestehen aus Rohren oder Matten, die in etwa ein bis 1,5 Meter Tiefe im Erdreich verlegt werden (unter der Frostgrenze). Erdkollektoren nutzen vor allem Sonnen- und Niederschlagswärme, die in das Erdreich gelangt.

Vorteilhaft ist, dass der Bau der oberflächennahen Anlage kostengünstig ist und sie in der Regel auch in Grundwasserschutzgebieten ohne Auflagen einsetzbar sind. Zu beachten ist der Flächenbedarf: Die Einzugsfläche entspricht zumeist dem Eineinhalb- bis Dreifachen der beheizten Wohnfläche.

Daher sollte der Energiebedarf des Gebäudes möglichst gering sein und die Möglichkeit einer thermischen Sanierung geprüft werden.

Wärmequelle Erde: Thermisch aktivierte Bauteile

abgeändert aus Website „Erdwärme Wien“

Sämtliche erdberührte Bauteile wie Bodenplatten, Gründungspfähle oder Schlitzwände können durch das Anbringen von Zirkulationsleitungen an der Armierung thermisch aktiviert werden. Damit können statisch ohnehin notwendige Bauteile auch als Wärmequelle verwendet werden.

Eine Besonderheit beim Einsatz von thermisch aktivierten Bauteilen, auch Massivabsorber genannt, ist, dass sie meist schon als Teil des Rohbaus und nicht als separat angelegtes Wärmesystem errichtet werden.

Weitere Information zu Planungsgrundlagen finden Sie unter  Planungsgrundlagen für thermisch aktivierte Bauteile (Massivabsorber)

Wärmequelle Luft: Luftwärmepumpe

abgeändert aus: Broschüre „Dauerhaft umweltschonend heizen“ der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2014

Außenluft ist eine Wärmequelle, die überall unbegrenzt zur Verfügung steht. Aufgrund ihrer vergleichsweise niedrigen Temperatur und dadurch geringeren Effizienz, ist ihr Einsatz besonders bei niedrigem Energiebedarf energetisch sinnvoll.

Die Luft (Wärmequelle) wird durch einen Ventilator angesaugt, der entweder im Freien oder im Gebäude aufgestellt wird. Bei einer Außenaufstellung kann Platz im Gebäude gespart werden, dafür muss aber eine Schallbelastung der Nachbar*innen vermieden werden. Da die Luftwärmepumpe bei tiefen Außentemperaturen verglichen mit anderen Wärmequellen weniger effizient arbeitet, empfiehlt es sich, die vorherrschenden Bedingungen sorgfältig zu prüfen und ggf. in einem ersten Schritt eine thermische Sanierung des Gebäudes durchzuführen.

Aus Rücksicht auf die Nachbar*innen ist die Geräuschbelastung an die Umgebung auf ein Mindestmaß zu beschränken. Hierfür ist eine sorgfältige Planung und fachgerechte Ausführung der Wärmepumpenanlage erforderlich. Weitere Informationen zu schalltechnischen Anforderungen finden Sie im Kapitel Anzeige- und Genehmigungspflichten

Abgabesysteme: Raumheizung

abgeändert aus „Technogieleitfaden Wärmepumpen“ der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2014

Niedertemperaturheizungen (Fußbodenheizung, Niedertemperaturheizkörper etc.) bieten beste Voraussetzungen für einen Einsatz von Wärmepumpen. Bei der Anlagenplanung ist zu beachten, dass sich für den Systembetrieb bei möglichst niedrigen Vorlauftemperaturen höhere Effizienzen ergeben.

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Aus hygienischen Gründen muss das gespeicherte Warmwasservolumen so klein wie möglich sein und der Einbau eines Frischwassersystems ist anzustreben. Je kleiner das Speichervolumen, desto höher muss die Leistung des Wärmeerzeugers sein, um den notwendigen Warmwasserbedarf decken zu können. Bei der Auswahl des geeigneten Anlagenkonzepts sind die individuellen Nutzerbedürfnisse, Effizienz und Wirtschaftlichkeit zu berücksichtigen.

Warmwasserbereitung

abgeändert aus „Technogieleitfaden Wärmepumpen“ der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2014

Wärmepumpen können nicht nur die Raumheizungswärme bereitstellen, sondern können auch zur Warmwasserbereitung eingesetzt werden.

Niedertemperaturheizungssysteme (oder auch Flächenheizungen) bieten die optimale Voraussetzung für den Einsatz einer Wärmepumpe, da die nötige Energie zur Beheizung des Gebäudes durch möglichst niedrige Vorlauftemperaturen erfolgt. Die Vorlauftemperaturen liegen meist zwischen 28° und 35° C. Diese Niedertemperaturheizungssysteme können beispielsweise als Fußbodenheizung, Deckenheizung oder Wandheizung ausgeführt werden. Zur Anwendung kommen Bauformen bei denen die Heizungsrohre direkt im Estrich oder Wandputz eingearbeitet werden. Damit wird Speichermasse von Bauteilen thermisch aktiviert, was träge Reaktionen auf Temperaturänderungen zur Folge hat. Es können auch Bauformen angewendet werden bei denen die Rohrleitungen in Gipskartonplatten oder Trockenestrichplatten eingebracht werden. Diese haben keinen thermischen Kontakt zur Wand oder Betondecke, wodurch dieses System schneller Wärme abgibt.

Unter besonderen Voraussetzungen können auch bestehende Heizkörper (Radiatorheizungssysteme) in Wärmenutzeranlagen eingesetzt werden. Dabei ist besonders darauf zu achten, dass die maximale Vorlauftemperatur der Wärmepumpe nicht überschritten wird und umgekehrt die bestehenden Heizkörper für solche niederen Vorlauftemperaturen auch wirklich geeignet sind. Falls erforderlich, können passende Radiatoren installiert, das restliche Verteilsystem aber weiterhin genutzt werden (Abstimmung mit Professionisten ist hier erforderlich!). Es können auch im Fall einer Sanierung beim Umstieg auf eine Wärmepumpenanlage sehr oft vorhandene Radiatoren weitergenutzt werden.

Kühlen

abgeändert aus „Technogieleitfaden Wärmepumpen“ der Stadt Wien, Abteilung Energieplanung, 2014

Wärmepumpen können auch zu Kühlzwecken eingesetzt werden.

Im Hochsommer, wenn das Thermometer Höchstwerte erreicht, denken viele an die Anschaffung einer Klimaanlage. Der Nachteil einer Klimaanlage in unseren Breiten ist jedoch, dass sie nur an wenigen Wochen im Jahr in Betrieb ist. Eine Alternative, die vielen noch unbekannt ist, ist eine Kühlung mittels Wärmepumpe. 

Die Kühlung kann über verschiedene Arten erfolgen. Typische Formen sind: Zuluftkühlung, oder Flächenkühlung.

Zuluftkühlung: Die Kühlung kann über niedrige Temperaturen der eingebrachten Zuluft erfolgen (Komfortbedingungen entsprechend minimal 16°C). Ein Vorteil dieser Kühlungsform ist, dass gleichzeitig Be-/Entfeuchtung erfolgen kann. Ein Nachteil ist die vergleichsweise niedrige Effizienz.

Flächenkühlung: Erfolgt die Kühlung nicht über die Zuluft, sondern über Bauteile (z.B. Bauteilaktivierung, Kühldecken), muss auf die minimal zulässige Vorlauftemperatur geachtet werden, um Kondensatbildung zu vermeiden.

Dabei kann es verschiedene Betriebsarten geben:

  • Freie Kühlung: Bei der freien Kühlung (engl. Direct Cooling oder Free Cooling) kann die Wärmequelle als Wärmesenke (z.B. Untergrund oder Grundwasser) zur Kühlung des zirkulierenden Energieträgers genutzt werden. Der abgekühlte Energieträger ist über einen Wärmeübertrager mit dem Kühlsystem verbunden. In diesem Betrieb wird nur für die Umwälzpumpe elektrische Energie benötigt. Es ist darauf zu achten, dass die Wärmesenke („Kältequelle“) im Sommer eine ausreichend niedrige Temperatur hat, um die zirkulierende Flüssigkeit so stark abzukühlen, dass die Kühllast gedeckt wird. Direct Cooling kann insbesondere in den Übergangszeiten herangezogen werden. Für Hitzeperioden wird dann häufig die Wärmepumpe in den Kühlmodus geschaltet. Ob die „Kältequelle“ für Free Cooling genutzt werden kann, muss anhand der spezifischen Gegebenheiten geprüft werden.
  • Aktive Kühlung – Kreislaufumkehr (reversible Wärmepumpe): Manche Wärmepumpen werden mit der Möglichkeit einer Kreislaufumkehr ausgeführt. In diesem Fall ermöglicht beispielsweise ein 4-Wege-Umschaltventil innerhalb der Wärmepumpe einen Kühlbetrieb. Durch eine interne Umlenkung des Kältemittelstroms wird die Funktion der Wärmeübertrager vertauscht. Die Wärmeabgabe erfolgt auf der Umgebungsseite, die Wärmeaufnahme auf der Gebäudeseite.

Stadt als Energiespeicher: Anergie-Netze

Unter Anergie versteht man in Zusammenhang mit Heizungen jene Form von Energie, deren Temperatur zu gering ist, um damit direkt ein Haus zu heizen oder Warmwasser zu erzeugen, allerdings warm genug ist, um über eine Wärmepumpe nutzbare Heizwärme oder Warmwasser zu erzeugen.

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In Wien werden derzeit rund 60 % der Wohnungen mit Erdgas beheizt. Aufgrund der Klimaerwärmung wächst außerdem der Kühlbedarf. Nun gilt es, zukunftsfähige Lösungen für die Wärmebereitstellung von Wohngebäuden zu finden.

Eine Möglichkeit ist es, das Erdreich unter der Stadt durch rund 100 m tiefe Erdwärmesonden als Zwischenspeicher für Sommerwärme und Winterkälte zu nutzen: Im Sommer trägt das kühle Erdreich zur Kühlung von Gebäuden bei, im Winter wird die gespeicherte Wärme zum Heizen genutzt. Im Jahresmittel bleibt die Bodentemperatur dabei unverändert.

Mit dem Projekt AnergieUrban (abgeschlossen 2020) untersuchte die Stadt Wien gemeinsam mit der Österreichischen Gesellschaft für Umwelt und Technik (ÖGUT), der TU Wien, der Geologischen Bundesanstalt sowie dem Architekturbüro Zeininger Architekten die konkrete Machbarkeit einer großflächigen Wärmeversorgung von bestehenden Stadtteilen mit einem Solar/Erdwärmesonden/Wärmepumpen-System in Verbindung mit Anergienetzen als Ersatz für die bisherige Versorgung durch Erdgas.

Es stellte sich dabei heraus, dass es sowohl ausreichend Solar- und Abwärmequellen, als auch genügend Bohrflächen für Erdwärmesonden gibt, um ein flächendeckendes Anergienetz für die Stadt Wien aufzubauen. Und: Bei einem Wiener Gründerzeithaus mit Gas-Heizungen rechnet sich der Umstieg bereits innerhalb von 20 Jahren. Der Vollkostenvergleich für ein Gründerzeithaus zeigt, dass die Fortführung der bestehenden Gas-Heizungen ähnliche Kosten verursacht, wie der Umstieg auf ein Solar/Erdwärmesonden/Wärmepumpen-System. Ein besonderer Vorteil des neuen Systems ist, dass über Anergie im Sommer die Wohn- und Gewerbegebäude auch ohne Mehrkosten moderat gekühlt werden können.

Mehr Information unter:

AnergieUrban – Stufe 1: Die Stadt als Energiespeicher | ÖGUT (oegut.at)

Anergienetz Geblergasse – Klimaaktiv

Wien will mit diesem Förderprogramm ein deutliches Zeichen setzen und aktiv die städtische Wärme- und Kälteversorgung bis 2040 auf erneuerbare Energiequellen umstellen.

Mehr Information unter Förderschwerpunkt erneuerbare Wärmenetze

Mehr zu Förderungen für Wärmepumpen

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Noch nie waren Förderungen so hoch wie jetzt. Die wichtigsten Informationen finden Sie hier.

Zwar können Wärmepumpen in der Anschaffung teurer sein, die Betriebskosten sind jedoch vergleichsweise niedrig.