Wärmepumpen erfreuen sich zunehmender Beliebtheit, aber wenn es um die Wahl zwischen einer Erdwärmepumpe und einer Luftwärmepumpe geht, herrscht oft große Verwirrung. In diesem Artikel werden wir die Vorteile einer Erdwärmepumpe hervorheben und einige der häufigsten Missverständnisse aufklären.
Der Elefant im Raum
Bevor wir uns mit den Vorteilen einer Erdwärmepumpe befassen, sollten wir uns zunächst mit dem wichtigsten Punkt befassen: den Investitionskosten (CAPEX).
Erdwärmepumpen haben den Ruf, wesentlich teurer zu sein als ihre Pendants aus der Luft (ASHP), da man nicht nur in die Wärmepumpe selbst, sondern auch in eine teure geothermische Quelle investieren muss. Es ist zwar richtig, dass GSHPs in der Regel mit höheren Anschaffungskosten verbunden sind, insbesondere bei Einfamilienhäusern, aber das ist nicht immer der Fall.
- In Wohngebieten oder Stadtzentren gelten zu bestimmten Zeiten zunehmend strenge Lärmschutzvorschriften. In einigen Fällen kann der von einer ASHP ausgehende Lärm zusätzliche Maßnahmen zur Lärmminderung erfordern. Diese können recht kostspielig sein, vor allem bei größeren Projekten, wodurch sich der Unterschied in den Investitionskosten zwischen den beiden Systemen verringert.
- Der größte Teil der Investition entfällt in der Regel auf die geothermische Anlage. Bei größeren Projekten oder bei Fernwärme der fünften Generation kann dieses System zentralisiert werden, was die Investitionskosten für jeden einzelnen Nutzer senkt.
Sollte sich jedoch herausstellen, dass ein GSHP in Ihrer speziellen Situation teurer ist als ein ASHP, finden Sie im restlichen Teil dieses Artikels weitere Gründe, warum eine geothermische Lösung immer noch die bessere Wahl sein kann.
Vorteile einer Erdwärmepumpe
Die Vorteile einer Erdwärmepumpe lassen sich in zwei Kategorien unterteilen: individuelle Gründe (warum Sie als Gebäudeeigentümer eine Erdwärmepumpe wählen sollten) und kollektive Gründe (warum wir als Gesellschaft den Einsatz von Erdwärmepumpen unterstützen sollten). Im Folgenden werden alle Gründe aufgeführt, beginnend mit den individuellen Gründen. Die letzten beiden Punkte, die den städtischen Wärmeinseleffekt und das Problem der Netzüberlastung betreffen, sind kollektive Gründe.
Höhere Effizienz
Es wird oft behauptet, dass APS einen höheren Wirkungsgrad als ASHP haben und daher niedrigere Betriebskosten anfallen. Diese Argumentation ist nicht ganz einfach, daher werden wir die Effizienzbehauptung getrennt von dem Argument der Betriebskosten erörtern, das weiter unten behandelt wird.
Die Effizienz einer Wärmepumpe wird durch den Temperaturhub bestimmt. Dies bezieht sich auf den Temperaturunterschied zwischen der Wärmequelle (entweder dem Erdreich oder der Luft) und der erforderlichen Vorlauftemperatur, die in der Regel zwischen 35°C und 55°C liegt. Je größer dieser Unterschied ist, desto geringer ist der Wirkungsgrad.
Da die Erdreichtemperatur in der Regel höher ist als die Lufttemperatur, erreicht eine Erdwärmepumpe tatsächlich eine höhere Effizienz. Diese höhere Erdreichtemperatur lässt sich dadurch erklären, dass das Erdreich im Gegensatz zur Außenluft nicht einfach als Wärmequelle genutzt wird, sondern eher wie eine Wärmebatterie wirkt. Durch die Speicherung von Wärme im Boden während der Sommermonate durch Kühlung (wie weiter unten erläutert) steigt die Bodentemperatur an. Diese gespeicherte Wärme kann dann im Winter für eine effizientere Heizung genutzt werden.
Der höhere Wirkungsgrad der GSHPs spiegelt sich auch in der saisonalen Leistungszahl oder SCOP wider, die offiziell in allen Datenblättern angegeben ist. In der Vergangenheit war der Effizienzunterschied recht groß, obwohl er heute geringer geworden ist. Ein Leistungsunterschied bleibt jedoch bestehen, da die Wärmeübertragung von einer Flüssigkeit auf den Kältekreislauf innerhalb der Wärmepumpe einfacher ist als von der Luft. Außerdem ist bei ASHPs ein Abtauzyklus erforderlich, der sich ebenfalls auf die Leistung auswirkt, wie weiter unten erläutert wird.
!Hinweis
Beim Vergleich von SCOP-Werten für verschiedene Technologien sollte man vorsichtig sein. Die Standardbedingung B0/W35, unter der die Effizienz der Wärmepumpe in der Regel angegeben wird, unterschätzt oft die Leistung in der Praxis. Das liegt daran, dass die durchschnittliche Flüssigkeitstemperatur bei korrekter Dimensionierung des Bohrlochs im Allgemeinen viel höher als 0 °C ist.
In bestimmten Gebieten, z. B. in Städten oder Regionen, die vom Klimawandel betroffen sind, trifft die Aussage, dass der Boden im Durchschnitt wärmer ist als die Luft, nicht immer zu. In der Praxis ist es möglich, dass eine ASHP eine höhere durchschnittliche SCOP erreicht als eine GSHP. Dies bedeutet jedoch nicht zwangsläufig, dass sie billiger zu betreiben ist.
Operative Kosten
Heutzutage gehen immer mehr Stromversorger von einem einzigen festen Strompreis zu dynamischen Tarifen über, bei denen der Preis von Stunde zu Stunde variieren kann. Dieser Wandel wird durch den zunehmenden Anteil an intermittierenden Stromquellen wie Solar- und Windenergie vorangetrieben.
Die Strompreise steigen tendenziell, wenn die Nachfrage hoch, die Produktion aber niedrig ist. Dies ist typischerweise im Winter der Fall, wenn die Sonneneinstrahlung begrenzt ist und die Windgeschwindigkeit gering ist. Unter diesen kalten Bedingungen verbraucht eine ASHP mehr Strom als eine GSHP, was zu höheren Stromkosten führt.
In den milderen Jahreszeiten wie Frühling und Herbst, wenn die Lufttemperatur ähnlich hoch ist wie die Bodentemperatur, kann der Unterschied im Wirkungsgrad zwischen den beiden Systemen verschwinden. Da die Strompreise in diesen Zeiträumen jedoch nicht kritisch sind, ist dies weniger relevant. Selbst wenn der jahreszeitliche Wirkungsgrad ähnlich zu sein scheint, sind die Betriebskosten einer AKW niedriger, da ihr Wirkungsgrad in den kritischsten und kostspieligsten Zeiten höher ist.
Abtauzyklus
ASHPs entziehen der Luft Energie. Wenn es draußen jedoch sehr kalt ist, kann die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit am Wärmetauscher gefrieren und ihn so blockieren. Um dies zu verhindern, verfügen ASHPs über so genannte Abtauzyklen. Während dieser Zyklen kehrt das Gerät regelmäßig seinen Betrieb um, um den Wärmetauscher zu erwärmen und die gefrorene Feuchtigkeit zu schmelzen oder zu verdampfen.
Dieser Abtauprozess verbraucht Strom und kann zu einer deutlich geringeren saisonalen Effizienz führen, insbesondere in kälteren Klimazonen. Außerdem kann die ASHP während des Abtauzyklus keine Wärme an das Gebäude liefern. Jeglicher Wärmebedarf während dieser Zeit muss daher durch einen Pufferspeicher, einen elektrischen Widerstandsheizer oder bei größeren Anlagen durch eine Reserve-ASHP gedeckt werden.
Da APS mit einer Flüssigkeit in ihrem Primärkreislauf arbeiten, tritt dieses Problem des Abtauens nicht auf.
!Hinweis
Dieses Verhalten gilt nicht für herkömmliche Kaltwassersätze und betrifft nur Wärmepumpen. Kaltwassersätze geben nur Wärme an die Umgebung ab, was bedeutet, dass die Temperatur im Wärmetauscher immer höher ist als die Lufttemperatur, so dass es nicht zum Einfrieren kommt.
Effektive Kühlung
Wir haben bereits den Vorteil der saisonalen Wärmespeicherung bei der Arbeit mit einer AHLP erwähnt. Dies trägt auch zur Verbesserung der Kühlleistung bei.
Zunächst einmal bieten Erdwärmepumpen die Möglichkeit der passiven Kühlung. In diesem Modus ist keine Kompression erforderlich, und das kalte Erdwärmefluid wird direkt zur Kühlung des Gebäudes verwendet. Dies führt zu dem, was oft als nahezu freie Kühlung bezeichnet wird. In wärmeren Klimazonen ist es jedoch auch möglich, auf eine aktive Kühlung zurückzugreifen. In diesem Fall nutzt die Wärmepumpe den Kompressor, um dem Gebäude Wärme zu entziehen, ähnlich wie bei einer ASHP.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass diese Wärme bei einer AKW nicht an die Umwelt abgegeben, sondern im Boden gespeichert wird, um sie im Winter zu nutzen. Dadurch entsteht ein effizienteres Gesamtsystem. Außerdem ist die Effizienz der aktiven Kühlung mit einem geothermischen System im Allgemeinen höher als mit einem luftbasierten System, da die Bodentemperaturen während der Kühlsaison in der Regel niedriger sind als die Temperaturen der Umgebungsluft.
!Hinweis
In der Praxis können bei der Nutzung einer geothermischen Anlage sowohl aktive als auch passive Kühlung kombiniert werden. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter hier.
Lebenszeit und Wartung
Bei der Berechnung der Gesamtbetriebskosten (TCO) sowohl für eine ASHP als auch für eine GSHP ist es wichtig, die erwartete Lebensdauer und die Wartungskosten zu berücksichtigen. ASHPs haben in der Regel eine Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren, während GSHPs etwa 25 Jahre lang halten können.
Der Grund dafür ist ganz einfach. ASHPs werden im Freien installiert und sind daher verschiedenen Witterungsbedingungen wie Wind, Schnee, Regen und Hagel ausgesetzt, die zu Verschleiß und Abnutzung beitragen. Das wiederholte Gefrieren und Abtauen von Feuchtigkeit auf dem Wärmetauscher beschleunigt auch den Materialverschleiß, so dass diese Art von Wärmepumpe anfälliger für Leckagen ist. Wird eine ASHP in Küstennähe installiert, muss außerdem die aggressive und korrosive meersalzhaltige Luft berücksichtigt werden, da sie die Lebensdauer des Systems erheblich verkürzen kann.
Berücksichtigt man diese kürzere Lebensdauer, werden die potenziell höheren Anfangskosten einer AKW im Laufe der Zeit spürbar niedriger. Darüber hinaus kann der geothermische Teil der Investition problemlos bis zu 50 Jahre halten, vorausgesetzt, er ist sorgfältig geplant (siehe unten).
Ästhetik und Lärm
Da GSHPs vollständig in Innenräumen installiert werden, gibt es keine sichtbare Einheit außerhalb des Gebäudes. Das ist zwar subjektiv, führt aber oft zu einem hochwertigeren Erscheinungsbild. Neben dem ästhetischen Vorteil sind GSHPs auch leiser als Luftquellensysteme, da kein Ventilator erforderlich ist, um die Luft über den Wärmetauscher zu bewegen.
Im Laufe der Jahre sind ASHPs relativ leise geworden, aber wenn Sie in einer Gegend wohnen, in der viele davon in Betrieb sind, kann das Geräusch immer noch wahrnehmbar sein.
Städtischer Wärmeinseleffekt
Die oben genannten Gründe waren individueller Natur: Warum sollten Sie sich als Gebäudeeigentümer für eine GSHP entscheiden? Zusätzlich zu diesen persönlichen Vorteilen gibt es auch kollektive Vorteile, bei denen die Entscheidung für eine GSHP für die Gesellschaft als Ganzes vorteilhafter ist als eine weit verbreitete Abhängigkeit von ASHPs. Das Problem der Netzüberlastung wird als nächstes behandelt, aber zunächst wollen wir uns auf den städtischen Wärmeinseleffekt konzentrieren.
Der oben beschriebene städtische Wärmeinseleffekt ist ein Phänomen, bei dem in Stadtzentren und dicht bebauten Stadtvierteln deutlich höhere Temperaturen herrschen als in ländlichen Gebieten, wobei die Unterschiede im Durchschnitt 5 bis 10 Grad Celsius betragen. Dies ist vor allem auf Materialien wie Beton und Straßenbeläge zurückzuführen, die die Wärme speichern und die Umgebung allmählich aufheizen. Verschiedene Wärmequellen innerhalb der Stadt, wie Fahrzeuge und Wärmepumpen, die im Sommer in Betrieb sind, tragen ebenfalls zu diesem Problem bei.
Wenn jeder einzelne Hauseigentümer eine ASHP installiert, steigt die Temperatur der Außenluft nur an, wodurch die Sommer noch wärmer werden und Ihre Nachbarn gezwungen sind, ebenfalls ein Kühlsystem zu installieren, wodurch die Außenluft noch wärmer wird. Da es nun draußen wärmer ist, dringt außerdem mehr Wärme in das Gebäude ein, so dass die ASHP-Anlage härter arbeiten muss und mehr Wärme in die Umgebung pumpt. Dies ist ein negativer Teufelskreis.
Bei (kollektiven) GSHPs wird diese Wärme nicht an die Umwelt abgegeben, sondern im Boden gespeichert. Dies kann dazu beitragen, die Temperaturschwankungen in der Außenluft auszugleichen, da von Sommer bis Winter nur Energie aus dem Boden verwendet wird, anstatt die Stadtluft als Wärme- oder Kältedeponie zu nutzen.
!Hinweis
In Regionen, in denen ein hoher Kühlbedarf besteht, kann es langfristig zu Problemen führen, wenn die gesamte Wärme ausschließlich in den Boden abgeleitet wird. Daher ist es ratsam, eine Form der Regeneration zu nutzen, um das Erdreich im Winter abzukühlen, damit es den höheren Kühlbedarf im Sommer decken kann. Dies unterstreicht die Bedeutung einer korrekten Auslegung des Erdwärmesondenfeldes.
Überlastung des Netzes
Mit der zunehmenden Elektrifizierung unserer Industrie, des Verkehrs und der HLK-Systeme wird das Stromnetz erheblich belastet. Da die Stromerzeugung aus Sonnen- und Windenergie unstetig ist, kann es in einigen Regionen zu Überlastungsproblemen kommen, wenn neue Gebäude nicht mehr an das Stromnetz angeschlossen werden können oder die maximal zulässige Leistung begrenzt ist.
Die oben beschriebene Situation gilt für die Niederlande. Wie Sie sehen können, gibt es bereits eine ganze Reihe von Regionen, in denen es ein Problem mit der verfügbaren Kapazität des Stromnetzes gibt.
Bei der Wahl zwischen einer ASHP und einer GSHP ist dies ein wichtiger Aspekt, den es zu berücksichtigen gilt. In kritischen Zeiten ist, wie bereits oben erwähnt, eine KWK-Anlage effizienter als eine ASHP-Anlage, wodurch der Spitzenbedarf im Stromnetz reduziert und mehr Anschlüsse ermöglicht werden. Wenn wir als Gesellschaft zu erneuerbaren Heiz- und Kühlsystemen übergehen wollen, ist die Entscheidung für ein AKW vorteilhafter als für ein ASHP, wenn man die Investitionen in die Netzinfrastruktur berücksichtigt.
Die Bedeutung des Designs
Alle oben genannten Vorteile, von der saisonalen Wärmespeicherung bis hin zu den niedrigeren Betriebskosten eines GSHP, sind natürlich von einer gut ausgelegten geothermischen Quelle abhängig. Es ist wichtig, die Simulation mit den richtigen Annahmen für die Gebäudelast durchzuführen (weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter hier), zur Berücksichtigung von Interferenzen zwischen nahe gelegenen Gebäuden, zur genauen Modellierung des thermischen Widerstands des Bohrlochs und des hydraulischen Verhaltens des Bohrlochs (siehe dieser Artikel für weitere Informationen) und vor allem modernste Software wie GHEtool Cloud zu verwenden, um Ihr Bohrlochfeld zu simulieren.
Fazit
In diesem Artikel wurden die Vorteile der Wahl einer Erdwärmepumpe anstelle einer ASHP erörtert, trotz der manchmal höheren Anfangsinvestitionskosten. Dabei wurden sowohl individuelle Vorteile wie längere Lebensdauer, bessere Ästhetik, geringere Lärmbelastung und niedrigere Betriebskosten als auch umfassendere gesellschaftliche Vorteile wie die Abschwächung des städtischen Wärmeinseleffekts und die Entlastung des Netzes berücksichtigt.
Es ist wichtig zu beachten, dass das geothermische Bohrfeld genau geplant werden muss, um das Potenzial einer AKW voll ausschöpfen zu können. Software-Tools wie GHEtool sind dafür unerlässlich.
Literaturverzeichnis
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