Wärmepumpen Wasser-Wasser – Effiziente Lösungen für Schweizer Haushalte

1. Einführung in die Schweizer Energielandschaft

Die Schweiz befindet sich inmitten einer tiefgreifenden Transformation ihres Energiesektors, getrieben durch die nationale Energiestrategie 2050 und das Bestreben, den CO2-Ausstoss im Gebäudebereich auf Netto-Null zu senken. In diesem Kontext nimmt die Wärmepumpentechnologie eine Schlüsselrolle ein. Während Luft-Wasser-Wärmepumpen aufgrund ihrer universellen Einsetzbarkeit den Markt dominieren, stellen Wasser-Wasser-Wärmepumpen (WW-WP) – oft auch als Grundwasserwärmepumpen bezeichnet – die thermodynamische Königsklasse dar. Sie nutzen das thermische Potenzial des Grundwassers, das in der Schweiz, dem "Wasserschloss Europas", in vielen Regionen reichlich vorhanden ist.

Dieser Bericht analysiert umfassend die technische, ökonomische und rechtliche Machbarkeit von Wasser-Wasser-Systemen für Schweizer Haushalte. Die Analyse zeigt, dass diese Systeme mit einer Jahresarbeitszahl (JAZ) von oft über 5,0 die höchste Effizienz aller elektrischen Heizsysteme bieten. Das bedeutet, dass aus einem Teil elektrischer Energie bis zu fünf Teile thermische Energie gewonnen werden – ein Wert, der von Luft-Wasser-Systemen (JAZ 3,0–3,5) physikalisch nicht erreicht werden kann.

Besonders hervorzuheben ist die Doppelfunktion dieser Technologie: Neben der hocheffizienten Beheizung im Winter ermöglicht das konstant kühle Grundwasser im Sommer eine fast kostenlose Gebäudekühlung ("Free Cooling"), was angesichts steigender Sommertemperaturen in der Schweiz zu einem entscheidenden Komfortfaktor avanciert. Die Realisierung solcher Anlagen unterliegt jedoch strengen gewässerschutzrechtlichen Auflagen, die je nach Kanton (z.B. Zürich, Bern, Graubünden) variieren und ein komplexes Konzessionsverfahren erfordern.

2. Technische Grundlagen: Das thermodynamische Potenzial des Grundwassers

Um die Überlegenheit der Wasser-Wasser-Wärmepumpe zu verstehen, ist ein tieferer Blick in die Thermodynamik und die spezifischen geologischen Gegebenheiten des Schweizer Untergrunds notwendig.

2.1 Die Wärmequelle Grundwasser: Konstanz als Schlüssel

Der entscheidende Vorteil gegenüber der Aussenluft als Wärmequelle ist die Temperaturstabilität. Während die Lufttemperatur im Schweizer Mittelland im Jahresverlauf zwischen -10 °C und +35 °C schwankt, weist das oberflächennahe Grundwasser (in Tiefen von 10 bis 50 Metern) eine nahezu konstante Temperatur von 8 °C bis 12 °C auf.

Diese Konstanz wirkt sich direkt auf den sogenannten Carnot-Wirkungsgrad aus. Der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe hängt massgeblich vom Temperaturhub ($\Delta T$) ab, den der Verdichter bewältigen muss.

• Luft-Wasser-WP im Winter: Bei -10 °C Aussentemperatur und einer Vorlauftemperatur von 35 °C (Fussbodenheizung) muss ein Hub von 45 Kelvin überwunden werden.

• Wasser-Wasser-WP im Winter: Bei konstant 10 °C Quellentemperatur und 35 °C Vorlauf beträgt der Hub lediglich 25 Kelvin.

Diese Reduktion des Temperaturhubs um fast 50 % führt zu einer signifikant geringeren mechanischen Arbeit des Verdichters und somit zu einem drastisch reduzierten Stromverbrauch. Dies erklärt die hohen Leistungszahlen (COP) von bis zu 6,0 im Labor und realen Jahresarbeitszahlen (JAZ) von über 5,0.

2.2 Funktionsweise und Systemarchitektur

Eine Wasser-Wasser-Wärmepumpenanlage besteht aus drei hydraulisch getrennten Kreisläufen, die thermisch miteinander gekoppelt sind.

2.2.1 Der Brunnenkreislauf (Primärkreis)

Dies ist das Alleinstellungsmerkmal der Technologie. Das System ist "offen", das heisst, es wird kontinuierlich Grundwasser entnommen, thermisch genutzt und wieder zurückgeführt.

• Saugbrunnen (Förderbrunnen): Eine Unterwasserpumpe fördert das Grundwasser zur Wärmepumpe. Die Dimensionierung dieser Pumpe ist kritisch: Ist sie überdimensioniert, frisst ihr Stromverbrauch den Effizienzgewinn der Wärmepumpe wieder auf ("Hilfsenergiebedarf").

• Schluckbrunnen (Rückgabebrunnen): Das um ca. 3–5 Kelvin abgekühlte Wasser wird in denselben Grundwasserleiter zurückgeleitet. Dies ist hydrologisch zwingend, um den Grundwasserspiegel nicht dauerhaft abzusenken.

2.2.2 Die Wärmepumpe (Kältekreis)

Das Funktionsprinzip entspricht dem klassischen Kaltdampf-Kompressionsprozess:

1. Verdampfen: Das flüssige Kältemittel verdampft bei niedrigem Druck durch die Aufnahme der Grundwasserwärme.

2. Verdichten: Der Kompressor erhöht den Druck des Kältemittelgases, wodurch die Temperatur stark ansteigt.

3. Verflüssigen: Im Verflüssiger gibt das heisse Gas seine Wärme an das Heizungswasser ab und kondensiert dabei.

4. Entspannen: Das Expansionsventil reduziert den Druck, das Kältemittel kühlt ab und der Kreislauf beginnt von neuem.

Ein wesentliches Bauteil in Schweizer Anlagen ist der Zwischenwärmetauscher. Um den Verdampfer der Wärmepumpe vor Verschmutzung oder Korrosion durch aggressives Grundwasser zu schützen, wird oft ein Plattenwärmetauscher aus Edelstahl zwischengeschaltet. Das Grundwasser überträgt seine Energie auf einen Sole-Zwischenkreis, der dann die Wärmepumpe speist. Dies kostet zwar ca. 1–2 Kelvin an Effizienz, erhöht aber die Betriebssicherheit massiv.

2.2.3 Der Heizkreislauf (Sekundärkreis)

Die Wärme wird über das Heizungswasser im Gebäude verteilt. Die Effizienz der Gesamtanlage korreliert negativ mit der Vorlauftemperatur. Flächenheizungen (Fussboden, Wand) sind ideal, da sie mit 30–35 °C auskommen. Alte Radiatoren, die 55 °C oder mehr benötigen, reduzieren die JAZ signifikant, machen den Betrieb aber nicht unmöglich, sofern moderne Hochtemperatur-Wärmepumpen eingesetzt werden.

3. Diagrammbeschreibungen und Visualisierung

3.1 Schema: Hydraulik des Grundwassersystems

Ein typisches Anlagenschema zeigt den Querschnitt durch das Erdreich und das Gebäude.

• Links im Bild (Aussenbereich): Zwei vertikale Schächte symbolisieren die Brunnen. Der Saugbrunnen enthält am Boden eine Tauchmotorpumpe. Ein Pfeil zeigt den Wasserfluss nach oben. Der Schluckbrunnen ist in einiger Entfernung (mind. 10–15 m) dargestellt; hier zeigt der Pfeil nach unten. Wichtig ist die Darstellung der Grundwasserfliessrichtung: Der Schluckbrunnen muss im Schema "stromabwärts" liegen, damit das kalte Rücklaufwasser nicht direkt wieder vom Saugbrunnen angesaugt wird (thermischer Kurzschluss).

• Mitte (Technikraum): Die Leitungen treten ins Haus ein und führen zum Systemtrenn-Wärmetauscher. Dies ist oft als plattiertes Symbol gezeichnet.

• Rechts (Wärmeverteilung): Nach der Wärmepumpe folgt meist ein Pufferspeicher (ein grosser Zylinder), der hydraulisch als Weiche dient, um Volumenströme zu entkoppeln. Von dort gehen die Heizkreise zu den Wohnräumen ab.

3.2 Diagramm: Jahresdauerlinie der Temperaturen

Ein Liniendiagramm vergleicht die Temperaturen über 12 Monate (x-Achse: Jan–Dez, y-Achse: Temperatur °C).

• Kurve 1 (Aussenluft): Eine starke Sinuskurve, die im Januar tief (z.B. -5 °C) und im Juli hoch (z.B. +30 °C) liegt.

• Kurve 2 (Grundwasser): Eine fast horizontale Linie, die konstant bei ca. 10 °C verläuft.

• Interpretation: Die Fläche zwischen der Quellen-Kurve und der nötigen Heiztemperatur (z.B. 35 °C) repräsentiert die Arbeit, die die Wärmepumpe leisten muss. Visuell wird sofort klar, dass der Abstand bei der Grundwasser-Kurve im Winter viel kleiner ist als bei der Luft-Kurve – der Beweis für die höhere Effizienz.

4. Schweizer Rahmenbedingungen: Geologie und Recht

Die Schweiz stellt an die Nutzung von Grundwasser weltweit mit die höchsten Anforderungen. Dies dient dem Schutz der wichtigsten Trinkwasserressource des Landes.

4.1 Gewässerschutzgesetz (GSchG) und Bewilligungspflicht

Nach dem Bundesgesetz über den Schutz der Gewässer (GSchG) ist jede Nutzung von Grundwasser bewilligungspflichtig. Die Kantone vollziehen dieses Gesetz, haben aber teils unterschiedliche Verfahrensdetails.

4.1.1 Gewässerschutzbereiche

Die Machbarkeit hängt primär von der Zonierung ab:

• Bereich A u (Nutzbare unterirdische Gewässer): Hier befinden sich die grossen Grundwasservorkommen (Schotterebenen, Flusstäler). Eine Nutzung ist grundsätzlich möglich, aber streng reglementiert.

• Schutzzonen S1, S2, S3:

  • S1 (Fassungsbereich): Unmittelbarer Bereich um Trinkwasserfassungen. Bauverbot.

  • S2 (Engere Schutzzone): Keimfreihaltung. Grabungen und Bohrungen meist verboten.

  • S3 (Weitere Schutzzone): Pufferzone. Wärmepumpen können bewilligt werden, wenn keine Gefahr für die Wasserqualität besteht.

• Übrige Bereiche (Bereich B): Hier ist oft zu wenig Wasser vorhanden (geringe Ergiebigkeit), weshalb eher Erdwärmesonden (geschlossene Systeme) zum Einsatz kommen.

4.1.2 Das Konzessionsverfahren

Im Gegensatz zur einfachen Meldepflicht bei Luft-Wärmepumpen durchläuft eine Wasser-Wasser-Anlage ein mehrstufiges Verfahren:

1. Vorabklärung: Konsultation der hydrogeologischen Karten des Kantons (oft online im GIS verfügbar) und Anfrage bei einem Hydrogeologen.

2. Bohrgesuch: Bewilligung für die Sondierbohrung.

3. Pumpversuch: Nach der Bohrung muss über 24 bis 72 Stunden gepumpt werden, um nachzuweisen, dass der Brunnen genug Wasser liefert und der Grundwasserspiegel sich stabilisiert, ohne Nachbarn trockenzulegen.

4. Konzession: Erst nach erfolgreichem Pumpversuch wird die Wasserentnahmekonzession erteilt. Diese regelt die maximale Entnahmemenge (l/min) und die thermischen Grenzwerte (Rückgabetemperatur, max. Erwärmung/Abkühlung des Aquifers, oft auf +/- 3 Kelvin beschränkt).

4.2 Kantonale Besonderheiten

• Kanton Zürich (AWEL): Verlangt detaillierte Nachweise, dass keine thermische Beeinflussung bestehender Konzessionen stattfindet. Im dicht besiedelten Siedlungsgebiet ist der Untergrund oft "thermisch voll", was neue Anlagen verhindern kann.

• Kanton Bern (AWA): Legt grossen Wert auf die korrekte Versickerung. Der Schluckbrunnen muss so dimensioniert sein, dass er auch bei Alterung (Verockerung) die Wassermengen aufnehmen kann.

• Kanton Graubünden (ANU): Hier ist oft die komplexe alpine Geologie die Herausforderung. In den Talböden (Rheintal) ist Grundwasser gut verfügbar, an den Hängen oft gar nicht. Das Amt für Natur und Umwelt fordert klare Nachweise zur Hydrogeologie.

5. Wirtschaftlichkeit und Kostenanalyse

Die ökonomische Betrachtung einer Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist durch hohe Initialkosten (CAPEX) und sehr niedrige Betriebskosten (OPEX) gekennzeichnet.

5.1 Investitionskosten (CAPEX)

Die Gesamtkosten für ein Einfamilienhaus liegen signifikant höher als bei anderen Systemen. Die Kosten setzen sich wie folgt zusammen (Schätzwerte für 2024/2025):

Analyse: Die Bohrung ist der grösste Kostenfaktor und das grösste finanzielle Risiko. Stösst man auf Fels oder kein Wasser, sind die Sondierkosten oft verloren.

5.2 Betriebskosten (OPEX) und Amortisation

Hier spielt das System seine Stärken aus. Aufgrund der hohen JAZ (ca. 5,0) sind die Stromkosten extrem niedrig.

Rechenbeispiel:

• Wärmebedarf: 15'000 kWh/Jahr (typischer Sanierungsbau).

• Strompreis: 0.30 CHF/kWh.

• Luft-WP (JAZ 3.0): 5'000 kWh Strom = 1'500 CHF/Jahr.

• Wasser-WP (JAZ 5.0): 3'000 kWh Strom = 900 CHF/Jahr.

• Ersparnis: 600 CHF pro Jahr.

Kritische Würdigung: Eine reine Amortisation über die Stromkosten dauert bei 40'000 CHF Mehrinvestition über 60 Jahre – ökonomisch unsinnig.

ABER: Die Rechnung ändert sich drastisch durch zwei Faktoren:

1. Fördergelder: Hohe Zuschüsse reduzieren die Investition.

2. Kühlung: Eine alternative Klimatisierung würde ebenfalls Investitionen (ca. 15'000 CHF) und Betriebskosten verursachen. Wird dies eingerechnet, amortisiert sich die Wasser-Wasser-WP oft in 10–15 Jahren.

6. Förderlandschaft Schweiz: Finanzielle Anreize 2025

Die Schweiz fördert den Ersatz fossiler Heizungen massiv. Wasser-Wasser-Wärmepumpen profitieren oft von den höchsten Fördersätzen, da sie als besonders effizient und netzdienlich (geringere Stromlast im Winter) gelten.

6.1 Das Gebäudeprogramm der Kantone

Die Kantone setzen das harmonisierte Fördermodell (HFM 2015) um. Relevant für Wasser-Wasser-WP ist meist das Modul M-06.

• Beitragshöhe: Die Ansätze variieren. Üblich sind Grundbeiträge (z.B. CHF 6'000.–) plus leistungsabhängige Beiträge (z.B. CHF 150.– pro kW thermischer Nennleistung).

• Beispiel Kanton Zürich: Für den Ersatz einer Ölheizung durch eine Grundwasser-WP gibt es signifikante Beiträge, oft kumulierbar mit Gemeindeförderungen.

• Beispiel Thurgau/Aargau: Auch hier werden spezifische Sätze pro Kilowatt Leistung bezahlt, oft gedeckelt bei einem Prozentsatz der Investition.

6.2 ProKilowatt und weitere Programme

• ProKilowatt: Ein Programm des Bundesamts für Energie, das Stromeffizienzmassnahmen fördert. Für private Einfamilienhäuser ist dies oft weniger relevant als das Gebäudeprogramm, es sei denn, es handelt sich um den Ersatz einer alten Elektroheizung oder Grossprojekte.

• Klimaprämie: Initiativen wie "Energie-Zukunft Schweiz" oder die Stiftung KliK bieten Förderungen ("Klimaprämie") für CO2-Einsparungen an. Diese können in Kantonen mit leeren Fördertöpfen eine Alternative sein, sind aber meist nicht mit kantonalen Geldern kumulierbar.

6.3 Steuerliche Abzüge

In fast allen Kantonen und bei der direkten Bundessteuer gelten Investitionen in erneuerbare Energien als Liegenschaftsunterhalt. Sie sind zu 100 % vom steuerbaren Einkommen abzugsfähig.

• Strategie: Übersteigen die Investitionskosten das Reineinkommen eines Jahres, kann der Überhang in den meisten Kantonen auf die zwei folgenden Steuerperioden vorgetragen werden. Bei einem Grenzsteuersatz von 25–30 % finanziert der Staat somit indirekt einen Drittel der Anlage mit.

Wichtiger Hinweis: Fördergesuche müssen zwingend vor Baubeginn eingereicht und bewilligt sein. Nachträgliche Gesuche werden abgelehnt.

7. Kühlen mit Grundwasser: Free Cooling

Ein oft unterschätzter Vorteil der Wasser-Wasser-Wärmepumpe ist die Möglichkeit der Gebäudekühlung.

7.1 Passive Kühlung (Free Cooling)

Das Grundwasser hat im Sommer ca. 10–12 °C. Dies ist kalt genug, um ein Gebäude zu kühlen, ohne die Wärmepumpe (den Verdichter) aktiv laufen zu lassen.

• Funktionsweise: Die Brunnenpumpe fördert das kalte Wasser zum Zwischenwärmetauscher. Auf der anderen Seite zirkuliert das Heizungswasser (Fussbodenheizung) und gibt die Raumwärme an das Grundwasser ab. Der Verdichter der Wärmepumpe bleibt aus.

• Energieeffizienz: Da nur die Umwälzpumpen laufen, ist der Stromverbrauch extrem gering (EER-Werte von 20 bis 40 sind möglich, verglichen mit EER 3–4 bei Klimaanlagen). Man spart bis zu 80 % der Betriebskosten gegenüber aktiver Kühlung.

7.2 Technische Voraussetzungen

• Taupunktwächter: Um Kondenswasserbildung auf dem Fussboden zu verhindern, messen Sensoren Temperatur und Feuchtigkeit. Die Vorlauftemperatur wird so geregelt, dass sie nie unter den Taupunkt fällt (meist ca. 18–20 °C).

• Rückgabepotenzial: Die Behörden limitieren die maximale Erwärmung des Grundwassers. Da beim Kühlen Wärme in den Boden eingetragen wird, muss sichergestellt sein, dass dies ökologisch vertretbar ist (was bei EFH meist unproblematisch ist).

8. Tipps zu Bohrung, Wartung und Risikomanagement

8.1 Das Risiko der Verockerung

Die "Achillesferse" der Grundwassernutzung ist die Verockerung.

• Chemischer Hintergrund: Grundwasser enthält oft gelöstes Eisen (Fe²⁺) und Mangan (Mn²⁺). Kommt dieses Wasser mit Sauerstoff in Kontakt (z.B. durch Plätschern im Brunnen), oxidiert es zu unlöslichem Eisenhydroxid (Ocker/Rost).

• Biologischer Faktor: Eisenbakterien (z.B. Gallionella ferruginea) nutzen diese Reaktion für ihren Stoffwechsel und bilden schleimige Biofilme.

• Folge: Die Schlitze des Filterrohrs im Schluckbrunnen wachsen zu. Das Wasser kann nicht mehr versickern, der Brunnen läuft über.

Prävention:

1. Wasseranalyse vorab: Ein Muss! Eisen < 0.2 mg/l, Mangan < 0.1 mg/l sind Richtwerte.

2. Sauerstoffabschluss: Das System muss hermetisch dicht sein. Unterwasserpumpen müssen immer untergetaucht bleiben. Rücklaufleitungen müssen unter dem Wasserspiegel im Schluckbrunnen enden (Unterwassereinleitung), um Lufteintrag zu vermeiden.

8.2 Wartung

Im Gegensatz zur landläufigen Meinung ("wartungsfrei") benötigt eine Wasser-Wasser-WP Pflege:

• Jährlich: Sichtprüfung der Anlage, Kontrolle der Drücke.

• Brunnen: Regelmässige Inspektion (Kamerabefahrung alle 5-10 Jahre) ist ratsam. Eine Leistungsabnahme des Schluckbrunnens (steigender Wasserspiegel bei gleicher Fördermenge) ist ein Alarmzeichen für Verockerung.

• Kosten: Für die Wartung sollten ca. 300–500 CHF pro Jahr budgetiert werden.

9. Vergleichstabelle: Wasser-Wasser vs. Luft-Wasser vs. Sole-Wasser

Quellen für Tabelle: Konsolidierte Daten aus.

10. Fazit und Ausblick

Wasser-Wasser-Wärmepumpen sind die technologische Speerspitze der thermischen Gebäudebewirtschaftung. Für Schweizer Hausbesitzer, die das Glück haben, über einem ergiebigen und chemisch unbedenklichen Grundwasserleiter zu wohnen, stellen sie die ökologisch und ökonomisch (auf Lebenszeit betrachtet) beste Lösung dar.

Die hohen Anfangshürden – sowohl finanziell als auch administrativ – schrecken viele Interessenten ab. Doch angesichts der aktuellen Förderkulisse und der Möglichkeit des steuerlichen Abzugs relativieren sich die Mehrkosten. Der Gewinn an Wohnkomfort durch die im Sommer fast kostenlose Kühlung ist ein Argument, das in Zukunft noch stark an Gewicht gewinnen wird.

Empfehlung:

Wer Zugang zu Grundwasser vermutet, sollte als ersten Schritt nicht den Heizungsinstallateur, sondern einen lokalen Hydrogeologen kontaktieren. Eine Machbarkeitsstudie für ca. 1'000–2'000 CHF gibt Sicherheit über die Wasserführung und die Chemie. Fällt diese positiv aus, ist der Weg frei für das effizienteste Heizsystem, das der Markt zu bieten hat.