Was ist eine Sole-Wasser-Wärmepumpe?

Eine Sole-Wasser-Wärmepumpe nutzt die Umweltenergie der Erde zur Erzeugung von Heizwärme und Warmwasser. Das System entzieht dem Erdreich thermische Energie mithilfe einer frostsicheren Flüssigkeit, der sogenannten Sole, und hebt diese auf ein höheres Temperaturniveau an. Die Bezeichnung ergibt sich aus dem Funktionsprinzip: Der erste Teil “Sole” bezeichnet das Medium zur Wärmegewinnung, während “Wasser” das Medium zur Wärmeübertragung im Heizkreislauf angibt.

Sole-Wasser-Wärmepumpen sind unter verschiedenen Begriffen bekannt. Die Bezeichnungen Erdwärmepumpe und Solewärmepumpe werden synonym verwendet. Zudem findet sich der Begriff Flächenwärmepumpe, der sich auf die Verlegung von Flächenkollektoren zur Wärmegewinnung bezieht. Das System macht sich die Geothermie zunutze, bei der Wärme als Erdwärme gespeichert ist. Diese entsteht durch Sonnenenergie, Bioenergie sowie durch die Hitze des Erdkerns.

Der Aufbau einer Sole-Wasser-Wärmepumpe umfasst mehrere zentrale Komponenten. Die eigentliche Wärmepumpe befindet sich oberhalb der Erdoberfläche und besitzt neben dem Verdichter zwei Wärmetauscher: den Verdampfer und den Verflüssiger. Zur Wärmegewinnung aus dem Erdreich kommen in der Praxis Erdsonden zum Einsatz. Diese werden mithilfe von Bohrungen tief in die Erde eingelassen und bestehen aus einem geschlossenen Kreislauf, in dem die Sole zirkuliert. Eine eingebaute Pumpe sorgt dafür, dass die Sole in Bewegung bleibt und die Wärme aus dem Erdreich an die Wärmepumpe weitergibt.

Das Erdreich besitzt ganzjährig annähernd konstante Temperaturen unabhängig von Jahreszeit und Wetter. Selbst bei Minusgraden im Winter haben tiefere Erdschichten eine konstante Temperatur zwischen sieben und 13 Grad Celsius. Ab einer Tiefe von etwa zehn Metern bleibt die Temperatur das ganze Jahr über konstant. Dadurch arbeiten Sole-Wasser-Wärmepumpen das ganze Jahr über sehr effizient und stellen eine effektive Alternative im Bereich der Wärmepumpen dar.

Im Vergleich zu Luft-Wasser-Wärmepumpen erzielen Sole-Wasser-Wärmepumpen durch die konstante Wärmequelle eine höhere Effizienz, da die Erde als riesiger, nahezu unerschöpflicher Wärmespeicher fungiert. Dadurch erreichen sie auch im Winter auf besonders effiziente Weise die gewünschte Vorlauftemperatur für das Wärmeverteilsystem. Sole-Wasser-Wärmepumpen ermöglichen einen monovalenten Betrieb ohne weiteren Wärmeerzeuger und sorgen als alleiniger Wärmeerzeuger für ausreichend Heizwärme und Warmwasser. In einigen Fällen ist auch ein kombinierter Betrieb mit einem vorhandenen Heizsystem sinnvoll, wobei dieses bei Lastspitzen zugeschaltet werden kann.

Wie funktioniert eine Sole-Wasser-Wärmepumpe?

Das Funktionsprinzip basiert auf einem geschlossenen Kältekreislauf, in dem ein spezielles Kältemittel kontinuierlich zwischen verschiedenen Aggregatzuständen wechselt. Der Prozess gliedert sich in vier aufeinanderfolgende Schritte, die sich ständig wiederholen und damit eine kontinuierliche Wärmeversorgung gewährleisten.

Gewinnung der Erdwärme

Die Erdwärme wird über Erdsonden gewonnen, die mithilfe von Bohrungen zwischen 80 und 250 Metern tief in die Erde eingelassen werden. In diesen Sonden zirkuliert eine frostsichere Flüssigkeit, die Sole, in einem geschlossenen Kreislauf. Bei der Sole handelt es sich um ein Gemisch aus Wasser und Frostschutzmittel, das auch bei niedrigen Temperaturen flüssig bleibt. Eine integrierte Pumpe hält die Sole in ständiger Bewegung. Während die Sole durch die Erdsonden fließt, nimmt sie die Erdwärme auf und transportiert diese zur oberirdisch installierten Wärmepumpe. Ab einer Tiefe von etwa zehn Metern bleibt die Erdtemperatur ganzjährig konstant, wodurch Erdsonden auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen effizient arbeiten.

Verdampfung des Kältemittels

In der Wärmepumpe überträgt ein Wärmetauscher, der Verdampfer, die thermische Energie der Sole an den Kältemittelkreislauf. Das verwendete Kältemittel besitzt einen extrem niedrigen Siedepunkt und verdampft bereits bei sehr geringen Temperaturen. Diese besondere thermische Eigenschaft ermöglicht den Wechsel vom flüssigen in den gasförmigen Aggregatzustand schon bei niedrigen Temperaturen. Während der Verdampfung bleiben Druck und Temperatur konstant. Das Kältemittel nimmt dabei die Verdampfungsenthalpie auf, wodurch die zugeführte Wärmemenge nutzbar gemacht wird.

Verdichtung und Temperaturerhöhung

Der Verdichter saugt das gasförmige Kältemittel an und komprimiert es mechanisch. Durch diese Verdichtung erhöht sich nicht nur der Druck, sondern gleichzeitig steigt auch die Temperatur des Kältemitteldampfes deutlich an. Die mechanische Energie zur Verdichtung stammt aus einem strombetriebenen Elektromotor. Dieser Schritt ist entscheidend für die Funktion, da nur durch die Kompression die entzogene Umgebungsenergie ein zum Heizen ausreichendes Temperaturniveau erreicht. Moderne Systeme erreichen dabei einen Coefficient of Performance (COP) von bis zu fünf, das heißt, sie erzeugen selbst bei Minustemperaturen aus einem Teil Strom bis zu fünf Teile Wärme.

Wärmeabgabe an das Heizsystem

Im Verflüssiger, einem weiteren Wärmetauscher, überträgt der verdichtete Kältemitteldampf seine Wärmeenergie an das Heizungswasser. Während dieses Vorgangs kühlt das Kältemittel ab und kondensiert, wobei es wieder in den flüssigen Zustand übergeht. Das erwärmte Heizungswasser erreicht dadurch die benötigte Vorlauftemperatur und versorgt Heizkörper oder Fußbodenheizung sowie das Brauchwasser. Anschließend wird das verflüssigte Kältemittel in einem Expansionsventil entspannt, wodurch sowohl Temperatur als auch Druck sinken. Sobald das Kältemittel seinen Ausgangszustand erreicht hat, kann der Kreislauf von neuem beginnen.

Arten von Sole-Wasser-Wärmepumpen

Zur Erschließung der Erdwärme stehen zwei grundlegende Systemvarianten zur Verfügung, die sich hinsichtlich Verlegeart, Platzbedarf und technischer Eigenschaften unterscheiden.

Erdwärmepumpe mit Flächenkollektoren

Flächenkollektoren bestehen aus horizontal verlegten Kunststoffrohren, durch die das Sole-Gemisch zirkuliert und thermische Energie aus oberflächennahen Bodenschichten aufnimmt. Die Verlegung erfolgt in einer Tiefe von 1,2 bis 1,5 Metern, was der frostfreien Gründungstiefe entspricht. In dieser Tiefe liegen die Temperaturen je nach Jahreszeit zwischen 0 und 17 Grad Celsius, während andere Quellen einen Bereich von 2 bis 12 Grad Celsius angeben.

Der Flächenbedarf orientiert sich am Heizwärmebedarf des Gebäudes. Die Kollektorfläche beträgt ungefähr das 1,5- bis 3-fache der beheizten Wohnfläche. Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus mit 100 Quadratmetern Wohnfläche wird eine Grundstücksfläche von mindestens 150 bis 200 Quadratmetern benötigt. Die Entzugsleistung des Kollektors variiert zwischen 10 und 15 Watt pro Quadratmeter bei trockenem, sandigem Boden und bis zu 40 Watt pro Quadratmeter bei Grundwasser führendem Boden.

Verschiedene Verlegevarianten stehen zur Verfügung: Flächenkollektoren werden in parallelen Schlangenlinien verlegt, Ringgrabenkollektoren verlaufen platzsparend in Schlaufen um das Grundstück, Spiralkollektoren werden spiralförmig sowie vertikal im Boden angeordnet, und Erdwärmekörbe werden in geringer Tiefe vergraben. Die Installationskosten belaufen sich auf etwa 15 bis 25 Euro pro Quadratmeter. Für die Verlegung von Flächenkollektoren wird üblicherweise keine behördliche Genehmigung benötigt. Infos unter https://de.wikipedia.org/wiki/Erdw%C3%A4rmesonde

Erdwärmepumpe mit Erdsonden

Erdsonden werden durch vertikale oder schräge Bohrungen in das Erdreich eingebracht. Die Bohrtiefe erreicht typischerweise 40 bis 100 Meter, wobei Tiefen bis zu 300 Metern möglich sind. Die meisten Bohrungen werden bis zu einer Tiefe von 50 Metern ausgeführt. In das Bohrloch werden Doppel-U-Rohre eingelassen und mit einem Betongemisch versiegelt.

Ab einer Tiefe von etwa zehn Metern beträgt die Temperatur konstant zehn Grad Celsius und nimmt mit zunehmender Tiefe weiter zu. Die konstanten Erdreichtemperaturen liegen ganzjährig bei etwa 8 bis 12 Grad Celsius. Der Durchmesser eines Bohrlochs beträgt meist weniger als 15 Zentimeter, sodass Erdsonden nur eine minimale Aufstellfläche benötigen. Die Entzugsleistung liegt zwischen 30 und 100 Watt pro Meter Erdwärmesonde. Für Bohrungen müssen behördliche Genehmigungen nach den jeweiligen wasserrechtlichen Bestimmungen eingeholt werden.

Vorteile und Nachteile von Sole-Wasser-Wärmepumpen

Die Bewertung von Sole-Wasser-Wärmepumpen erfordert eine Betrachtung technischer, wirtschaftlicher und praktischer Aspekte.

Vorteile

Die Energieeffizienz stellt einen zentralen Vorteil dar. Sole-Wasser-Wärmepumpen erreichen eine Jahresarbeitszahl zwischen 3,5 und 4, wobei aus einer Kilowattstunde Strom bis zu 4,5 Kilowattstunden Wärmeenergie gewonnen werden. Der Wirkungsgrad liegt bei 400 bis 450 Prozent, was diese Systeme deutlich effizienter macht als herkömmliche Heizsysteme. Die konstante Erdtemperatur gewährleistet eine wetterunabhängige Arbeitsweise, wodurch selbst bei Frost zuverlässig Wärme bereitgestellt wird.

Die Betriebskosten fallen gering aus. Jährliche Stromkosten belaufen sich auf 900 bis 1.400 Euro, während die Gesamtbetriebskosten inklusive Wartung durchschnittlich 1.500 Euro betragen. Gleichzeitig reduzieren sich die jährlichen Heizkosten gegenüber fossilen Heizungen um 40 bis 50 Prozent. Die Erdwärme steht kostenfrei zur Verfügung, wodurch Unabhängigkeit von Brennstoffpreisen entsteht.

Die Lebensdauer erreicht 20 Jahre und mehr, während Erdkollektoren und Erdsonden bis zu 50 Jahre funktionsfähig bleiben. Der geschlossene Solekreislauf erweist sich als wartungsarm und verschleißresistent. Durch den Verzicht auf Außeneinheiten arbeitet das System nahezu geräuschlos. Zudem ermöglichen reversible Systeme die passive Kühlung im Sommer.

Sole-Wasser-Wärmepumpe Kosten und Wirtschaftlichkeit

Die Investitionskosten für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe setzen sich aus mehreren Komponenten zusammen. Die Gesamtkosten liegen zwischen 20.000 und 40.000 Euro, wobei die Anschaffungskosten der Wärmepumpe selbst 14.000 bis 18.000 Euro betragen. Die Installationskosten belaufen sich auf 2.000 bis 3.000 Euro, während die Erschließung der Erdwärme mit 4.000 bis 19.000 Euro zu Buche schlägt.

Die Wahl des Erdwärmetauschers beeinflusst die Gesamtkosten erheblich. Flächenkollektoren verursachen Erschließungskosten von 4.000 bis 10.000 Euro, was Gesamtkosten von 20.000 bis 30.000 Euro ergibt. Erdsonden sind mit 8.000 bis 19.000 Euro teurer, was einem Preis von 50 bis 100 Euro pro Bohrmeter entspricht. Die Gesamtkosten bei Erdsondennutzung belaufen sich auf 24.000 bis 40.000 Euro. Zusätzlich entstehen Nebenkosten von 900 bis 1.900 Euro für Genehmigungen, Baustelleneinrichtung und Entsorgung des Bohrguts.

Die jährlichen Betriebskosten betragen 900 bis 1.800 Euro, was monatlich 75 bis 150 Euro entspricht. Der Stromverbrauch macht den größten Anteil aus und liegt bei 750 bis 1.500 Euro pro Jahr. Die Wartungskosten belaufen sich auf 150 bis 300 Euro jährlich. Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus mit 150 Quadratmetern Wohnfläche und 15.000 Kilowattstunden Heizenergiebedarf ergeben sich bei einer Jahresarbeitszahl von 4,5 lediglich 3.333 Kilowattstunden Strombedarf.

Die Amortisationszeit beträgt in der Regel 10 bis 15 Jahre im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen. Beim Heizungstausch verkürzt sich dieser Zeitraum durch staatliche Förderungen auf 5 bis 10 Jahre. Die Bundesförderung für effiziente Gebäude bezuschusst bis zu 70 Prozent der förderfähigen Kosten, wobei die anrechenbaren Kosten für ein Einfamilienhaus bei 30.000 Euro liegen. Zusätzliche Boni wie der Geschwindigkeitsbonus von 20 Prozent beim Austausch fossiler Heizungen und der Einkommens-Bonus von 30 Prozent bei einem zu versteuernden Haushaltseinkommen unter 40.000 Euro können die Förderquote auf maximal 70 Prozent erhöhen.

Im Vergleich zu Gasheizungen sparen Betreiber während der Lebensdauer über 15.000 Euro, wobei die jährlichen Einsparungen gegenüber fossilen Heizungen 40 bis 50 Prozent betragen können.

Wann lohnt sich eine Sole-Wasser-Wärmepumpe?

Die Eignung für den Einbau hängt von mehreren baulichen, geologischen und wirtschaftlichen Faktoren ab. Grundsätzlich sind 75 Prozent der Wohngebäude in Deutschland für den Einbau geeignet. Interaktive Webkarten ermöglichen Eigentümern die Prüfung der spezifischen Möglichkeiten für ihr Gebäude, wobei sowohl die Eignung von Luftwärmepumpen als auch die effizienteren Erdwärmepumpen bewertet wird.

Die Bodenbeschaffenheit spielt eine entscheidende Rolle. Als wichtigster Anhaltspunkt gilt die Wärmeleitfähigkeit des Gesteins, angegeben in Watt pro Meter und Kelvin. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto besser transportiert das Gestein Wärme und sorgt für Nachschub, wenn die Wärme entzogen wird. Die Eignung wird in Form der Wärmeleitfähigkeit, spezifischen Entzugsleistung beziehungsweise der Grundwassertemperatur angegeben.

Besonders günstige Bedingungen herrschen bei Neubauten vor, da diese meist gut gedämmt sind und Flächenheizungen integriert werden können, die mit niedrigen Vorlauftemperaturen harmonieren. Erdwärmepumpen eignen sich jedoch nicht nur für Neubauten, sondern arbeiten auch im Altbau effektiv, besonders in Kombination mit einer Fußbodenheizung. Das Heizen mit normalen Radiatoren ist möglich, doch die Leistung erweist sich bei Wandheizkörpern nicht so effizient wie bei Fußbodenheizungen. Für Modernisierungen oder Altbauten ist eine ausreichende Dämmung notwendig, die entweder vorhanden sein muss oder nachgerüstet werden kann.

Rechtliche Rahmenbedingungen beeinflussen die Realisierbarkeit erheblich. In Wasserschutzzone I und II sind Tiefenbohrungen grundsätzlich verboten. In Zone III können Ausnahmen mit strengen Auflagen möglich sein. In Schutzgebieten können Genehmigungen für Bohrungen teilweise erschwert oder unmöglich sein, beispielsweise in Trinkwasserschutzgebieten. Je nach bundeslandspezifischem Wasserrecht kommt hier die Errichtung von Erdwärmekollektoren in Frage, bei denen die Kollektoren mindestens einen Meter über dem höchsten Grundwasserstand liegen.

Die Wirtschaftlichkeit steigt mit langfristigem Verbleib in der Immobilie. Speziell im Neubau amortisiert sich das System nur unwesentlich langsamer als Luftwärmepumpen, da die notwendigen Erdarbeiten deutlich günstiger sind als im Altbau. Geht man von einem durchschnittlichen Neubau mit einem jährlichen Wärmebedarf von rund 7.200 Kilowattstunden aus, dann ist das System nach 5 bis 10 Jahren die günstigste Heizung, auch im Vergleich mit Öl-, Gas- oder Holzheizungen.

FAQs

Q1. Welche Nachteile hat eine Sole-Wasser-Wärmepumpe? Die größten Nachteile sind die hohen Anschaffungskosten von 20.000 bis 40.000 Euro und die umfangreichen Erdarbeiten zur Erschließung der Wärmequelle. Für Erdsonden sind Tiefenbohrungen erforderlich, die genehmigungspflichtig sind und nur von zertifizierten Unternehmen durchgeführt werden dürfen. Flächenkollektoren benötigen große Grundstücksflächen. In Wasserschutzgebieten können Bohrungen eingeschränkt oder verboten sein, und die Installation dauert häufig drei bis vier Wochen.

Q2. Mit welchen Kosten muss man für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe in einem Einfamilienhaus rechnen? Die Gesamtkosten liegen zwischen 20.000 und 40.000 Euro. Die Wärmepumpe selbst kostet 14.000 bis 18.000 Euro, die Installation 2.000 bis 3.000 Euro. Die Erschließungskosten variieren je nach System: Flächenkollektoren kosten 4.000 bis 10.000 Euro, Erdsonden 8.000 bis 19.000 Euro. Die jährlichen Betriebskosten betragen 900 bis 1.800 Euro, wobei staatliche Förderungen bis zu 70 Prozent der förderfähigen Kosten bezuschussen können.

Q3. Wie arbeitet eine Sole-Wasser-Wärmepumpe? Das System nutzt einen geschlossenen Kältekreislauf: Eine frostsichere Flüssigkeit (Sole) zirkuliert durch Erdsonden oder Flächenkollektoren und nimmt Erdwärme auf. In der Wärmepumpe überträgt ein Verdampfer diese Energie an ein Kältemittel, das verdampft. Ein Verdichter komprimiert das gasförmige Kältemittel, wodurch Druck und Temperatur steigen. Im Verflüssiger gibt das heiße Kältemittel die Wärme an das Heizungswasser ab und kondensiert wieder. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Q4. Worin unterscheiden sich Wasser-Wasser-Wärmepumpen und Sole-Wasser-Wärmepumpen? Sole-Wasser-Wärmepumpen nutzen die Wärme des Erdreichs über Erdsonden oder Flächenkollektoren und eignen sich für Grundstücke mit ausreichend Platz. Sie erreichen eine Jahresarbeitszahl von 3,5 bis 4 und arbeiten dank konstanter Erdtemperaturen sehr effizient. Wasser-Wasser-Wärmepumpen verwenden Grundwasser als Wärmequelle und bieten ebenfalls eine konstante, hohe Effizienz, benötigen jedoch Zugang zu geeignetem Grundwasser.

Q5. Für welche Gebäude eignet sich eine Sole-Wasser-Wärmepumpe? Grundsätzlich sind 75 Prozent der Wohngebäude in Deutschland geeignet. Besonders vorteilhaft ist der Einbau in gut gedämmten Neubauten mit Flächenheizungen. Aber auch Altbauten können mit ausreichender Dämmung und idealerweise Fußbodenheizung effizient beheizt werden. Wichtig sind geeignete Bodenbeschaffenheit, ausreichend Grundstücksfläche und die rechtlichen Rahmenbedingungen – in Wasserschutzzonen I und II sind Tiefenbohrungen verboten. Die Wirtschaftlichkeit steigt bei langfristigem Verbleib in der Immobilie.