4 Wasser/Wasser-Wärmepumpe

4.1 Wärmequelle Grundwasser

Beim Vorliegen entsprechender Randbedingungen kann die thermische Energiegewinnung über das Grundwasser eine sehr effiziente Form der thermischen Nutzung des Untergrunds zu Heiz- und/oder Kühlzwecken darstellen. Bei Planung, Bau und Betrieb von Brunnenanlagen zur thermischen Nutzung des Untergrunds sind die wasserrechtlichen Vorgaben und die jeweiligen landesspezifischen Regelungen zu beachten. Zur thermischen Nutzung soll im Hinblick auf die Effizienz der Anlage wie auch auf den Grundwasserschutz vorrangig oberflächennahes Grundwasser mit freiem Grundwasserspiegel (gleiche Grundwasser führende Schicht) verwendet werden.

Bei einer Nutzung tieferer Grundwasserstockwerke sind besondere Schutzvorkehrungen erforderlich. Die Planung und Ausführung von Brunnenanlagen muss von einschlägigen Planungsbüros oder entsprechend qualifizierten Fachbetrieben des Brunnenbauerhandwerks ausgeführt werden. Hierbei sind die Empfehlungen der Richtlinie VDI 4640 Blatt 2 zu beachten. Unbedingt erforderlich sind Informationen über die Ergiebigkeit des Grundwasserstocks und die chemische Zusammensetzung des Grundwassers. Zur Beurteilung ist eine Probebohrung zu empfehlen, die später zum Brunnen ausgebaut werden kann. Die Herstellerempfehlungen zur Qualität des Brunnenwassers sind zu beachten (siehe Kap. 4.2). Bei nicht den Herstellervorgaben entsprechender Wasserqualität kann entweder ein Wärmepumpenmodell mit geeignetem Verdampfer (Edelstahl-Wärmeübertrager) oder ein Zwischenkreis mit geschraubtem Edelstahl-Plattenwärmetauscher (siehe Kap. 3.6 und Kap. 4.3.4) zur Anwendung kommen. Der Verdampfer ist vor Frostschäden zu schützen, beispielsweise durch eine Temperaturüberwachung oder durch einen Zwischenkreis, der mit einer Frostschutzmischung betrieben wird. Die Herstellervorgaben sind zu beachten. Der Zwischenkreis erfordert einen zusätzlichen Energieaufwand für den Betrieb der Solepumpe und reduziert die Wärmequellentemperatur um etwa 3 K, was zu einer verminderten Arbeitszahl führt.

Für Kleinanlagen ist Grundwasser eine eher schlecht einschätzbare Wärmequelle, wenn nicht Erfahrungen mit Anlagen in nächster Nähe vorliegen, denn der Aufwand für eine Probebohrung ist sehr groß. Die Probebohrung ist nicht nutzbar, wenn sich daraus keine Eignung ergibt. Für große Anlagen sind die Kosten für eine Probebohrung und für einen Pumpversuch von geringerer Bedeutung, hier sind auch größere Tiefen (bis 50 m) wirtschaftlich vertretbar. Die wichtigsten Kriterien für eine Systementscheidung und die Vorplanung sind im Folgenden zusammengefasst:

• Genehmigung nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG) durch die untere Wasserbehörde

• Abstand zwischen Saug- und Schluckbrunnen: mindestens 15 m in Fließrichtung des Grundwasserstroms

• empfohlener Mindestabstand von Bohrungen zu bestehenden Gebäuden: 2 m

• Die Standsicherheit von Gebäuden darf nicht gefährdet werden.

Verfügbarkeit

• Ganzjährig

Nutzungsmöglichkeit

• monovalent

• monoenergetisch

• bivalent (alternativ, parallel, teilparallel)

• bivalent regenerativ

Erschließungsaufwand

• Genehmigungsverfahren (untere Wasserbehörde)

• Förderbrunnen / Schluckbrunnen mit luftdichtem Abschluss der Brunnenköpfe

• Wasserbeschaffenheit (Wasseranalyse)

• Rohrleitungssystem

• Brunnenpumpe

• Erdarbeiten / Baumaßnahmen

Wartungshinweise Um einen sicheren Betrieb der Wärmepumpe gewährleisten zu können ist diese in regelmäßigen Abständen zu warten. Folgende Arbeiten können auch ohne spezielle Ausbildung ausgeführt werden:

• Reinigung des Innenraums der Wärmepumpe

• Reinigung des Primärkreises (Schmutzfänger, Schwebstofffilter,…)

Zusätzlich ist auch die Dichtigkeit der Wärmepumpe und die Funktionsfähigkeit des Kältemittelkreislaufs in regelmäßigen Abständen zu überprüfen.

Arbeiten am kältemittelführenden Bauteilen dürfen nur von entsprechend geschultem und unterwiesenem Personal durchgeführt werden.

4.1.1 Dimensionierungshinweise – Wärmequelle Wasser

Die Wärmequelle der Wasser/Wasser-Wärmepumpe ist auf die Kälteleistung der Wärmepumpe auszulegen. Diese lässt sich aus der Heizleistung abzüglich der elektrischen Aufnahmeleistung der Wärmepumpe im Auslegungspunkt berechnen. Grundsätzlich gilt für die Wärmequelle, dass die am Verdampfer der Wärmepumpe übertragene Leistung Q₀ zur Verfügung stellen muss. Dabei gilt: Verdampferleistung Q₀ (kW_th) = Heizleistung Q_C (kW_th) – elektrische Aufnahmeleistung des Verdichters P_el (kW_el)

Beim Austausch einer alten Wärmepumpe gegen ein neueres Modell ist deshalb die Leistung der Wärmequelle zu überprüfen und gegebenenfalls der neuen Kälteleistung anzupassen.
Dimensionierung der Brunnenpumpe

Der Wasser-Volumenstrom ist abhängig von der Leistung der Wärmepumpe und wird durch die Brunnenpumpe gefördert. Entsprechend der Leistung sollte der Massenstrom so groß gewählt werden, dass sich bei niedrigster Wärmequellentemperatur (7 °C) eine Temperaturspreizung über dem Verdampfer von 2 – 3 Kelvin einstellt. Der in den Geräteinformationen der Wärmepumpe angegebene Wasserdurchsatz entspricht einer Temperaturspreizung der Wärmequelle von ca. 3 K. Neben dem Volumenstrom sind die Druckverluste in der Brunnenanlage und die technischen Daten der Pumpenhersteller zu berücksichtigen. Dabei sind Druckverluste in hintereinander geschalteten Rohleitungen, Einbauten und Wärmetauschern zu addieren.

** Der Gegendruck entspricht der freien Pressung der Brunnenpumpe im Betriebspunkt abzüglich der Druckdifferenz zwischen höchsten Punkt der Brunnenanlage und Wasserstand (Pegel) im Brunnen (Manometer).
Temperaturdifferenz Wärmequelle Grundwasser

Das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) definiert die Differenz zwischen Ein- und Auslauftemperatur einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe. Diese Werte sind wie folgt definiert:

• Zulässige Temperaturveränderung des einzuleitenden Wassers gegenüber der Entnahmetemperatur des Grundwassers: +/- 6 K

• Mindesttemperatur des einzuleitenden Wassers: 5 °C

• Höchsttemperatur des einzuleitenden Wassers: 20 °C

4.1.2 Erschließung der Wärmequelle Grundwasser

Ab einer Brunnentiefe von 8 bis 10 m ist die Wärmequelle Grundwasser für den monovalenten Wärmepumpenbetrieb geeignet, da dieses ganzjährig nur noch geringe Temperaturschwankung (7-12 °C) aufweist. Zum Wärmeentzug aus Grundwasser muss grundsätzlich die Zustimmung der zuständigen Wasserbehörde vorliegen. Sie wird außerhalb von Wasserschutzzonen im Allgemeinen erteilt, ist jedoch an bestimmte Bedingungen, wie z.B. an eine maximale Entnahmemenge bzw. eine Wasseranalyse gebunden. Die Entnahmemenge ist abhängig von der Heizleistung. Für den Betriebspunkt W10/W35 enthält Tab. 4.1 die erforderlichen Entnahmemengen. Die Planung und Errichtung der Brunnenanlage mit Förder- und Schluckbrunnen sollte einem vom internationalen Wärmepumpenverband mit Gütesiegel zertifizierten bzw. nach DVGW W120 zugelassenen Bohrunternehmen übertragen werden. In Deutschland ist die VDI 4640 Blatt 1 und 2 zu berücksichtigen.

¹ Edelstahl-Spiralwärmetauscher serienmäßig! ² Gegendruck der Brunnenanlage beachten um Lagerschäden an der Brunnenpumpe zu vermeiden!
Tab. 4.1: Dimensionierungstabelle der minimal erforderlichen Brunnenpumpen für Wasser/Wasser-Wärmepumpen bei W10/W35 für Standardanlagen mit verschlossenen Brunnen. Die endgültige Festlegung der Brunnenpumpe muss in Absprache mit dem Brunnenbauer erfolgen.

4.2 Anforderungen an die Wasserqualität

Unabhängig von den rechtlichen Bestimmungen dürfen keine absetzbaren Stoffe im Grundwasser enthalten sein und die Eisen- (<0,20 mg/l) und Mangan- (<0,10 mg/l) Grenzwerte müssen eingehalten werden, um eine Verockerung der Wärmequellenanlage zu verhindern. Die Erfahrung zeigt, dass Verschmutzungen mit Korngrößen über 1 mm, ganz besonders bei organischen Bestandteilen leicht zu Schäden führen können. Körniges Material (feiner Sand) setzt sich bei Einhaltung der vorgegebenen Wasserdurchsätze nicht ab. Der im Lieferumfang der Wärmepumpe enthaltene Schmutzfänger (Maschenweite 0,6 mm) schützt den Verdampfer der Wärmepumpe und ist direkt am Eintritt der Wärmepumpe zu installieren.

Der Einsatz von Oberflächenwasser oder salzhaltigen Gewässern ist nicht erlaubt. Erste Hinweise über eine mögliche Nutzung des Grundwassers können bei den örtlichen Wasserversorgungsunternehmen erfragt werden.

1. Wasser/Wasser-Wärmepumpen mit geschweißtem Edelstahl-Spiralwärmetauscher (Tab. 4.1)
   Eine Wasseranalyse bezüglich Korrosion des Verdampfers ist nicht erforderlich, wenn die Grundwassertemperatur im Jahresmittel unter 13 °C liegt. In diesem Fall müssen nur die Grenzwerte für Eisen und Mangan eingehalten werden (Verockerung). Bei Temperaturen über 13 °C (z.B. Abwärmenutzung) ist eine Wasseranalyse gemäß Tab. 4.2 durchzuführen und die Beständigkeit für den Edelstahlverdampfer der Wärmepumpe nachzuweisen. Wenn in der Spalte „Edelstahl" ein Merkmal negativ „-" oder zwei Merkmale „0" sind, ist die Analyse als “Negativ” zu bewerten.

2. Wasser/Wasser-Wärmepumpen mit kupfergelötetem Edelstahl-Plattenwärmetauscher Unabhängig von den rechtlichen Bestimmungen ist zwingend eine Wasseranalyse gemäß Tab. 4.2 durchzuführen, um die Beständigkeit für den kupfergelöteten Verdampfer der Wärmepumpe nachzuweisen. Wenn in der Spalte „Kupfer" ein Merkmal negativ „-" oder zwei Merkmale „0" sind, ist die Analyse als “Negativ” zu bewerten.

Tab 4.2: Beständigkeit von kupfergelöteten oder geschweißten Edelstahl-Plattenwärmetauschern gegenüber Wasserinhaltstoffen „+" normalerweise gute Beständigkeit; „0" Korrosionsprobleme können entstehen, insbesondere, wenn mehrere Faktoren mit 0 bewertet sind; „-" von der Verwendung ist abzusehen; [< kleiner als, > größer als]

Auch wenn die in der Tabelle 4.2 angegebenen Grenzwerte für die Wasserqualität eingehalten werden, können stetige Ablagerungen von Eisen, Mangan und Kalk die Leistung der Wärmepumpe beeinträchtigen, bis hin zum Komplettausfall der Brunnen- und Wärmepumpenanlage. Daher muss die Brunnenanlage regelmäßig überprüft und ggf. die Brunnenpumpenanlage gereinigt werden.

4.3 Erschließung der Wärmequelle

4.3.1 Direkte Nutzung von Wasser mit gleichbleibend guter Qualität

Wasser mit Temperaturen zwischen 7 °C und 25 °C kann direkt mit einer Wasser/Wasser-Wärmepumpe genutzt werden, wenn die Verträglichkeit des Grund- bzw. Kühl- oder Abwassers nach Tab. 4.2 nachgewiesen wurde. Bei negativer Beurteilung der Wasserqualität oder bei veränderlicher Wasserqualität muss eine Wärmepumpe mit Zwischenkreis (siehe Kap. 4.3.2 ff) zum Einsatz kommen.

4.3.1.1 Wärmequelle Grundwasser

Förderbrunnen Das Grundwasser, das der Wärmepumpe als Wärmequelle dient, wird dem Erdreich über einen Förderbrunnen entnommen. Die Brunnenleistung muss eine Dauerentnahme für den minimalen Wasserdurchfluss der Wärmepumpe gewährleisten.
Schluckbrunnen Das von der Wärmepumpe abgekühlte Grundwasser wird über einen Schluckbrunnen dem Erdreich wieder zugeführt. Dieser muss in Grundwasserfließrichtung mindestens 15 m hinter dem Förderbrunnen gebohrt werden, um einen „Strömungskurzschluss" auszuschließen. Der Schluckbrunnen muss die gleiche Wassermenge aufnehmen können wie der Förderbrunnen liefern kann.

Abb. 4.1: Beispiel einer Einbindung der Wasser/Wasser-Wärmepumpe mit Förder- u. Schluckbrunnen

4.3.1.2 Wärmequelle Abwärme aus Kühlwasser

Temperaturbereich
Bei der Nutzung von Wasser mit Temperaturen zwischen 8...25 °C muss zuerst geklärt werden, ob das Kühlwasser in ausreichender Qualität und Menge zur Verfügung steht und in welchem Umfang die von der Wärmepumpe erzeugte Wärme genutzt werden kann. Ist eine Verträglichkeit des Kühl- oder Abwassers nach Tabelle 4.2 permanent sichergestellt, kann eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe verwendet werden.

4.3.2 Indirekte Nutzung der Wärmequelle Wasser

Kann die Verträglichkeit des Wassers nicht nachgewiesen werden bzw. besteht die Gefahr, dass sich die Qualität des Wasser verändern kann, so muss zum Schutz der Wärmepumpe ein Zwischenwärmeaustauscher vorgeschaltet werden. Der Zwischenkreis erhöht die Betriebssicherheit insbesondere, wenn eine Sole/Wasser-Wärmepumpe zum Einsatz kommt und somit der Sekundärkreis mit Sole gefüllt wird. Eine Wasser/Wasser-Wärmepumpe mit Zwischenwärmetauscher sollte nur dann zur Anwendung kommen, wenn als Wärmeträger der Einsatz von Sole nicht zulässig ist und permanente Wassertemperaturen über 10 °C (z.B. Abwärme aus Produktionsprozessen) garantiert werden können.

4.3.3 Projektierungsempfehlung Grundwasser / Zwischenkreis-Wärmeübertrager

Sole-Wärmepumpe mit Zwischenkreis-Wärmeübertrager (WSI-Pakete)
(Grundwassernutzung, geschlossenes System)
Minimale Soleaustrittstemperatur ist auf > 1°C zu stellen. Es muss ein Thermostat im Wärmequellenkreis vorgesehen werden, der die Wärmepumpe im Fehlerfall abschaltet (Anlegethermostat im Lieferumfang der WSI Pakete).
Wasser-Wärmepumpe mit Zwischenkreis-Wärmeübertrager
(Grundwassernutzung, offenes System)
Einbau eines Durchflussschalters wird empfohlen, da es zu zeitlichen Verzögerungen kommen kann bis genügend Grundwasser gefördert wird bzw. der Volumenstrom im Betrieb abrupt abreisen kann.
Wasser-Wärmepumpe mit Edelstahlspiral-Wärmeübertrager für Grundwasser
(Grundwassernutzung, offenes System)
Eine höhere Zuverlässigkeit der Wärmepumpenanlage ist durch einen Edelstahlspiral-Wärmeübertrager („Spirec") gegeben. Der Einsatz eines Durchflussschalters (DFS) trägt zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit bei.

4.3.4 Wärmeübertrager (Systemtrenner) zum Schutz der Wärmepumpe

Der externe Wärmeübertrager ist gemäß der eingesetzten Wärmepumpe, des vorhandenen Temperaturniveaus und der Wasserqualität zu projektieren. Im einfachsten Fall besteht der Wärmeübertrager aus PE-Rohren, die direkt in der Wärmequelle verlegt werden und somit keine zusätzliche Wärmequellenpumpe benötigt. Diese kostengünstige Alternative kann eingesetzt werden, wenn das Volumen der Wärmequelle ausreichend groß ist (z.B. Abwasserbecken, fließendes Gewässer).
Andernfalls sind geschraubte Plattenwärmeübertrager einzusetzen.
Der Wärmeaustauscher wird in Abhängigkeit der folgenden Parameter projektiert:

• Wasserqualität

• Temperatureinsatzbereich

• Kälteleistung des eingesetzten Wärmepumpentyps

• Wasserdurchsatz Primär- und Sekundärkreis

Je nach Softwarestand der Wärmepumpenregelung kann der Einfrierschutz einer Sole/Wasser-Wärmepumpe verstellt werden. Bei einer Anhebung des Standardwertes von -8 °C auf +4 °C wird die Wärmepumpe bereits bei Soleaustrittstemperaturen unter +4 °C ausgeschaltet.
Montage der Wärmetauscher Für einen optimalen Wärmeübergang sind die Wärmetauscher im Gegenstromprinzip anzuschließen. Weiterhin sind diese vor Verschmutzungen zu schützen. Dazu ist jeweils vor dem Eintritt des Wärmeübertragers ein Schmutzfänger mit einer Maschenweite von ca. 0,6 mm zu installieren. Um die Übertragung von Körperschall und Schwingungen (z.B. Wärmequellenpumpe…) zu verringern, sollten Kompensatoren zum Einsatz kommen.
Wartung der Wärmetauscher Je nach Stärkegrad einer Verunreinigung des Wassers kann der Wärmeübertrager verschmutzen, wodurch seine Übertragungsleistung abnimmt. Um dies zu verhindern, sollte eine regelmäßige Reinigung stattfinden. Dabei kommt z.B. das sogenannte CIP-Verfahren (Cleaning-In-Place) zum Einsatz. Dabei wird der Wärmeübertragers vor Ort mit einer schwachen Säure, wie z.B. Ameisen-, Zitronen- oder Essigsäure gespült und so von Ablagerungen gereinigt.

* Vorschlag Brunnenpumpe ** Ansteuerung mit 0 – 10V Eingangssignal zwingend notwendig
Tab. 4.3: Übersichtstabelle der 2-Verdichter Wasser/Wasser-Wärmepumpen mit Erzeugerkreispumpen (im Lieferumfang der Wärmepumpe) und den minimal erforderlichen Brunnenpumpen bei W10/W35 für Standardanlagen mit verschlossenen Brunnen. Die endgültige Festlegung der Brunnenpumpe muss in Absprache mit dem Brunnenbauer erfolgen.

4.3.4.1 Edelstahl-Plattenwärmeaustauscher WTE 20 bis WTE 40

Geräteinformation Edelstahl-Plattenwärmetauscher

Tab. 4.4: Technische Daten geschraubte Edelstahl-Plattenwärmetauscher WTE 20 - WTE 40

4.3.4.2 Edelstahl-Plattenwärmeaustauscher WTE 50 bis WTE 130

Geräteinformation Edelstahl-Plattenwärmetauscher

Tab. 4.5: Technische Daten geschraubte Edelstahl-Plattenwärmetauscher WTE 50 - WTE 130

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