Heizungs-ABC: Was ist Umgebungswärme?

Was ist Umgebungswärme? (einfach erklärt)

Exkurs: Was ist die Umgebung?

Einfach erklärt, ist die Umgebung der Raum, der uns umgibt. Die Umgebung ist demnach etwas, was räumlich definiert ist. Meist mein man den nahen Raum, also etwas in der Nähe.

Umgebung ist nicht gleich Umwelt

Das verdeutlicht auch, warum die Umgebung begrifflich nicht mit der Umwelt gleichzusetzen ist, gleichwohl das im Alltag häufig geschieht. Umgebungswärme wird deshalb alternativ auch Umweltwärme genannt. Denn die Umwelt steht mit uns in einem kausalen Zusammenhang: Umwelt ist das, was uns umgibt und auf uns einwirkt und unsere Lebensumstände beeinflusst. 

Alles Wissenswerte zur Umgebungswärme im Überblick

Lest hier alles, was ihr zur Umgebungswärme und ihrer Nutzung wissen müsst!

Was ist Umgebungswärme? (Definition)

Die Umgebungswärme ist die in der Umgebung gespeicherte thermische Energie.

• Zu der Wärme, die in der Umgebungsluft gespeichert ist, sagt man auch: aerothermische Umgebungswärme.
• Analog ist die Umgebungswärme in Gewässern die hydrothermische Umgebungswärme.
• Und die Umgebungswärme in der oberen Erdschicht (bis 400 Meter (m) Tiefe) nennt man geothermische Umgebungswärme (Geothermie).

Wie kommt die Wärme in die Umgebung?

Umgebungswärme hat zwei Wärmequellen: die Sonne und den Erdkern. Beides sind natürliche Wärmequellen, die aus heutiger Sicht unbegrenzt zur Verfügung stehen. Weil beide Wärmequellen somit als unerschöpflich gelten, handelt es sich um erneuerbare Wärme.

Die Sonne sendet ihre Strahlung in den Weltraum aus. Strahlen, die auf die Erdoberfläche treffen, werden entweder reflektiert oder absorbiert. Beim Absorbieren der Lichtenergie entsteht Wärme. Die wird in den Elementen Luft, Wasser und Erde gespeichert: als Umgebungswärme. Ganz ausführlich erklären wir euch diesen Vorgang in unserem Beitrag: Was ist ein Sonnenstrahl und wie transportiert er Energie von der Sonne?

Der feste Erdkern ist über 6.000 Grad Celsius heiß. Seine Wärme soll etwa halbe halbe Wärme aus der Entstehungszeit der Erde und Erdwärme sein, die aus Zeiten stammt, als die Erde noch eine heiße, zähflüssige Kugel war. Stetig wird im Erdinneren außerdem Wärme nachproduziert. Die Wärme steigt nur sehr langsam vom Erdkern zur Erdkruste auf, wobei sie diese erwärmt. Dabei wird das Erdreich warm und auch das dort enthaltene Grundwasser.

Wie wandert Wärme in der Umgebung? (Physik der Wärmeübertragung)

Die Umgebungswärme bewegt sich auf dreierlei Art und Weise in der Umgebung, die die Physik alle drei der sogenannten Wärmeübertragung zuordnet:

1. Wärmeleitung (Konduktion)
2. Wärmeströmung (Konvektion)
3. Wärmestrahlung

Wie unterscheidet sich Umgebungswärme von anderen Wärmeformen?

Umgebungswärme unterscheidet sich von anderen Wärmeformen, beispielsweise Verbrennungswärme, wie sie beim Verfeuern von fossilen Brennstoffen entsteht, oder elektrisch erzeugter Wärme: Anders als diese Wärmeformen stammt Umgebungswärme aus natürlichen, erneuerbaren Quellen. Sie setzt keine Treibhausgase frei.

Was sind die anzapfbaren Quellen der Umgebungswärme?

Umgebungswärme ist in der Umgebungsluft, im Erdreich und Grundwasser sowie in Gewässern gespeichert.

Umgebungsluft als Wärmespeicher und Wärmequelle: Die Umgebungsluft speichert Wärme, die beim Absorbieren der Sonnenstrahlen entsteht, wenn diese auf kleine Teilchen (Partikel) in der Luft treffen. Das kann sowohl direkte als auch indirekte, also reflektierte, Sonnenstrahlung sein. Auch beim Auftreffen von Sonnenstrahlung auf die Erdoberfläche wird ein Teil der Strahlung absorbiert, so dass Wärme entsteht. Diese Wärme wird auch an die Umgebungsluft abgegeben. Ebenso Erdwärme, die aus dem Erdkern an die Erdoberfläche gelangt.

Die Umgebungsluft hat eine Wärmekapazität von rund 1 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin.

Erdreich als Wärmespeicher und Wärmequelle: Das Erdreich speichert zum einen die Wärme, die langsam vom Erdinneren an die Erdoberfläche wandert. Diese Wärme aus der Tiefe ist unabhängig von Klima, Wind und Wetter ganzjährig verfügbar. Außerdem speichert die oberste Erdschicht Wärme, die beim Absorbieren auftreffender solarer Strahlung entsteht.

Das Erdreich hat eine Wärmekapazität, die je nach Beschaffenheit zwischen 0,8 und 1,2 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin variiert. Gut zu wissen: Feuchte Erde hat wegen des Wasseranteils eine deutlich höhere Wärmekapazität von etwa 2 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin.

Wasser als Wärmespeicher und Wärmequelle: Gewässer wie Seen, Flüsse und auch Grundwasser speichern ebenfalls Wärme, sowohl aus dem Erdinnern aufsteigende Wärme als auch Solarwärme.

Wasser hat mit rund 4,2 Kilojoule je Kilogramm und Kelvin eine sehr hohe Wärmekapazität und kann daher große Mengen an Wärmeenergie speichern und abgeben. Mehr zur Wasser als bester Wärmespeicher könnt ihr in unserem Blogbeitrag Heizungs-ABC: Wie speichert man Wärme in Wasser? lesen.

Wie lässt sich Umgebungswärme nutzen?

Mit Wärmepumpen lässt sich die Umgebungswärme abgreifen und zum  Heizen (Raumwärme, Prozesswärme, Warmwasserbereitung) oder Kühlen einsetzen. Dazu nutzen die Wärmepumpen unterschiedliche Technologien und Technik.

Einen Überblick zum Aufbau und zur Funktionsweise der verschiedenen Wärmepumpentypen liefern wir euch in unserem Beitrag “Grundlagen: Alles, was ihr zur Wärmepumpe wissen müsst – Aufbau, Funktionsweise, Einsatz, Effizienz“.

Ein Blick zurück: Seit wann nutzt der Mensch Umgebungswärme?

Der Mensch nutzt Umgebungswärme zum Aufwärmen und Abkühlen von sich und von seinen Lebensräumen seit Menschengedenken, beispielsweise

• das Wasser warmer Quellen (siehe die warme Quelle in Island auf dem Titelfoto) zum Waschen, Baden und Heizen,
• die im Vergleich zur Winterluft wärmere Wärme tieferer Erdschichten zum Heizen (Erdwärmekeller) beziehungsweise die im Vergleich zur Sommerluft kühlere Wärme tieferer Erdschichten (Erdkühlschrank).

Welche Rolle spielt Umgebungswärme für die Umgebung?

Natürliche Wärmespeicher wie Böden und Gewässer, insbesondere die großen Ozeane, speichern Wärme und regulieren so das Klima mit. Gut zu wissen: Einer aktuellen Studie zufolge speichert die Erde aktuell gezwungenermaßen viel mehr Wärme als gedacht, die infolge des Klimawandels (Stichwort: Treibhausgase in der Atmosphäre) nicht entweichen kann.

Umgebungswärme ist regional ungleichmäßig verteilt

Die Verfügbarkeit von Umgebungswärme variiert je nach geografischer Lage und den dort jeweiligen klimatischen Bedingungen. In Regionen mit hoher Sonneneinstrahlung oder vulkanischer Aktivität gibt es in der Regel besonders viel Umgebungswärme als anderswo, wo die Sonne weniger intensiv strahlt und keine Vulkane aktiv sind.

Umgebungswärme schwankt saisonal

Die an einem Ort verfügbare Umgebungswärme unterliegt jahreszeitlichen Schwankungen. Im Sommer ist die Wärmemenge in der Regel größer, im Winter kleiner.

Wie viel Umgebungswärme gibt es?

Die Erde ist warm und erwärmt sich infolge des Klimawandels immer weiter. Die Frage ist: Wie viel Umgebungswärme gibt es und reicht diese, um den Wärmebedarf der Menschen zu decken?

In seiner oben bereits verlinkten Studie hat das Forschungsteam unter Leitung des Helmholtz-Zentrums für Umweltforschung (UFZ) ermittelt, wie viel Wärme zwischen 1960 und 2020 in den kontinentalen Landmassen gespeichert wurde. Das Ergebnis: Insgesamt wurden dort zwischen 1960 und 2020 23,8 x 10²¹ Joule Wärme aufgenommen, heißt es in der zugehörigen Pressemeldung. Zum Vergleich: Das entspricht in etwa dem 30-fachen Stromverbrauch Deutschlands in der gleichen Zeit.

Mit einem Anteil von rund 90 Prozent wird die meiste Wärme bis zu 300 Metern tief in der Erde gespeichert. 9 Prozent der Energie sorgen für das Auftauen von Permafrostböden in der Arktis. 0,7 Prozent werden in Binnengewässern wie beispielsweise Seen und Stauseen gespeichert. Wissen müsst ihr dazu, dass die Ozeane bis zu 93 Prozent der Wärme speichern, die wegen der Sonnenstrahlung auf der Erde entsteht.

Welche Vorteile bringt Umgebungswärme?

Ökologische Vorteile: Die Nutzung von Umgebungswärme trägt zur Reduzierung der menschengemachten CO₂-Emissionen bei, da Umgebungswärme eine erneuerbare Wärme ist, die fossile Brennstoffe ersetzt. Dank des somit verringerten Bedarfs an fossilen Brennstoffen verbessert die Umgebungswärme die CO₂-Bilanz und trägt zum Klimaschutz bei.

3 Vorteile von Umgebungswärme auf einen Blick

Umgebungswärme ist erneuerbar, unerschöpflich und kostenlos.

Was kostet Umgebungswärme?

Ganz klar: Um Umgebungswärme nutzbar zu machen, braucht es moderne Technik und Technologien. Die kosten Geld. Die Kosten für die Erschließung und Nutzung von Umgebungswärme können hoch sein, aber langfristige Einsparungen und Förderungen machen sie wirtschaftlich attraktiv. Alles zum Thema “Wärmepumpe kaufen” lest ihr hier.

Wie wird die Nutzung von Umgebungswärme gefördert?

Deutschland fördert die Wärmewende, also den Umstieg von fossil auf erneuerbar erzeugte Wärme mit attraktiven Fördergeldern. Alles Wissenswerte zur Wärmepumpenförderung steht in unserem Beitrag: “Förderung für Wärmepumpen 2024: Mit diesen Fördergeldern könnt ihr rechnen!“.

Fotos: yusufdemirci – Adobe.Stock.com (Grafik: Erdkern), ekaterina McClaud – Adobe.Stock.com (Titel), Paradigma