Auslegung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmekollektoren

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In diesem Beitrag möchte ich euch zeigen, wie ihr mit Hilfe eines Näherungsverfahrens die Fläche von Erdwärmekollektoren berechnen könnt und somit eine erste Größe für eine mögliche Wärmepumpe habt. Dieser Artikel bezieht sich auf den Beitrag „Berechnung der Leistung einer Wärmepumpe„. Darin wurden die wichtigsten Daten für diesen Beitrag berechnet.

Beispielrechnung Erdwärmekollektor

Die folgende Berechnung soll euch zeigen, wie ihr näherungsweise eine Berechnung von Erdwärmekollektoren durchführen könnt. Um Erdwärmekollektoren dimensionieren zu können, sind verschiedene Faktoren wie die Bodenbeschaffenheit und die jährliche Betriebsstundenzahl wichtig.

Grundsätzlich empfehle ich die Auslegung, Planung und Ausführung an ein Unternehmen zu übertragen, welches von einem internationalen Wärmepumpenverband mit Gütesiegel zertifiziert oder nach DVGW W120 zugelassen ist.

Vorbereitung

Bevor wir mit der näherungsweisen Beispielrechnung beginnen, fasse ich noch einmal die bisher ermittelten Daten aus dem Beitrag „Berechnung der Leistung einer Wärmepumpe“ zusammen:

  • Wärmebedarf: \Phi_{HL}=6.97kW.
  • Betriebsweise: monovalent
  • Heizsystem: Fußbodenheizung
  • Systemtemperaturen: 35/30
  • Sperrzeiten: 4 h/d, f=1,2
  • Leistung für Warmwasser: \dot Q_{WW}=0,8kW
  • Gesamtleistung Wärmepumpe: \dot Q_{WP}=9,32kW

Zur Dimensionierung der Erdwärmekollektoren benötigen wir die gesamte Kollektorfläche A der Erdwärmekollektoren. Die Formel zur Bestimmung der notwendigen Kollektorfläche ist folgende:

    \[ \ A=\frac{\dot Q_0 [kW]}{\dot q_E [W/m^2]}} \]

Diese Formel setzt sich aus der Kälteleistung der Wärmepumpe \dot Q_0  und der Entzugsleistung des Erdreichs \dot q_E zusammen.

Auslegung der Wärmepumpe

Zur Berechnung der Kälteleistung einer Wärmepumpe \dot Q_0 werden die Leistung der Wärmepumpe \dot Q_{WP} sowie ihre elektrische Aufnahmeleistung Pel benötigt. Die Formel zur Berechnung der Kälteleistung einer Wärmepumpe ist folgende:

    \[ \ \dot Q_0=\dot Q_H - P_{el}} \]

Die Kälteleistung einer Wärmepumpe kann alternativ aus den technischen Datenblättern der Wärmepumpe abgeleitet werden. Unsere Wärmepumpe soll folgende Charakteristika aufweisen:

Sole-Wasser-Wärmepumpe Vitocal-300-G - Abbildung: Viessmann Werke

Abbildung 1: Vitocal-300-G – Abbildung: Viessmann Werke

Zunächst ist es wichtig nach einer geeigneten Wärmepumpe zu recherchieren. Dazu können wir die Webseiten verschiedener Wärmepumpenanbieter durchsuchen und uns eine geeignete Wärmepumpe aussuchen. Zu den Wärmepumpenanbietern gehören unter anderem Dimplex, Alpha InnoTec, Vaillant oder Stiebel Eltron.

In dieser Beispielrechnung entscheide ich mich für eine Wärmepumpe der Firma Viessmann.

Nach der Durchsicht verschiedener Datenblätter entscheide ich mich für die in Abbildung 1 dargestellte Vitocal 300-G, Typ BWC Sole-Wasser-Wärmepumpe (Datenblatt) für Heizung und Trinkwassererwärmung mit folgenden Daten (siehe Abbildung 2):

  • Nenn-Wärmeleistung Wärmepumpe: \dot Q_{WP} =9,97kW
  • Kälteleistung Wärmepumpe: \dot Q_0=8,04kW
  • elektrische Leistungsaufnahme Wärmepumpe: P_{el}=2,07kW
  • Leistungszahl (COP): \epsilon = 4,81
  • Betriebspunkt B0/W35, 5 K Spreizung; Dabei gilt:
    B0 = Soleeintrittstemperatur = 0 °C
    W35 = Heizwasseraustrittstemperatur = 35 °C
Daten - Vitocal 300-G BWC

Abbildung 2: Daten – Vitocal 300-G BWC – Quelle: Viessmann Datenblatt Vitocal 300-G

Wärmeentzugsleistung für Erdwärmekollektoren

Um die Kollektorfläche A bestimmen zu können, müssen wir im nächsten Schritt die Wärmeentzugsleistung ermitteln. Dabei halten wir uns an die Richtwerte zur Erdwärmekollektorauslegung nach VDI 4640.

In unserer Beispielrechnung nehmen wir bei bindigem, feuchtem Boden und einer Jahresbetriebsstundendauer von 1800 Stunden eine Entzugsleistung für Erdwärmekollektoren von 25 W/m^2 an.

Berechnung der Erdwärmekollektorfläche

Nach erfolgreicher Ermittlung der notwendigen Daten von der Kälteleistung der Wärmepumpe \dot Q_0=8,04kW=8040W und der Wärmeentzugsleistung \dot q_E=25W/m^2 können wir diese in unsere Formel einsetzen und die gesamte Kollektorfläche berechnen, welche mindestens notwendig ist.

    \[ \ A=\frac{8040W}{25W/m^2}=\underline{\underline{321,6m^2}} \]

Die gesamte Kollektorfläche für die Erdwärmesonden beträgt demzufolge wenigstens A=321,6m^2.

Ermittlung der Erdwärmekollektorkreise

Die ermittelte Kollektorfläche von A=321,6m^2 zeigt, dass wir für unsere Erdwärmekollektoren einen Mindestplatz von ca. 18 x 18 m benötigen.

Weiterhin muss bei der Verlegung der Kollektorrohre darauf geachtet werden, einen Verlegeabstand von ca. 0,8m einzuhalten. Die Gesamtlänge L der Kollektorrohre ergibt sich aus dem Verlegeabstand s = 0,8m und der Kollektorfläche A=321,6m^2

    \[ \ L=\frac{321,6 m^2}{0,8m}=\underline{\underline{402m}} \]

Die Gesamtlänge der Kollektorrohre beträgt L=402m. Wir entscheiden uns daher 4 Kollektorkreise mit jeweils 100m Rohrlänge zu verlegen. Der tatsächliche Verlegeabstand beträgt dann:

    \[ \ s=\frac{321,6 m^2}{400m}=\underline{\underline{0,81m}} \]

Das Ergebnis dieser Beispielrechnung sind 4 Kollektorkreise mit jeweils 100m Rohrlänge und einem Verlegeabstand von 0,81m.

Fazit

Mit diesem Verfahren ist es möglich näherungsweise die Gesamtfläche der Kollektoren, die Gesamtlänge der Kollektorrohre und daraus die Anzahl der Kollektorkreise mit notwendigem Verlegeabstand zu ermitteln.

WICHTIG: Auch wenn der hier beschriebene Weg einfach erscheint, können sich immer wieder Rechenfehler einschleichen. Daher empfehle ich euch die Auslegung, Planung und Ausführung an ein Unternehmen zu übertragen, welches von einem internationalen Wärmepumpenverband mit Gütesiegel zertifiziert oder nach DVGW W120 zugelassen ist.

Wenn ihr keinen Fachbetrieb in eurer Nähe kennt, könnt ihr unter dem folgenden Link kostenlos und unverbindlich bis zu 5 Angebote von Fachfirmen aus eurer Region anfordern: Fachbetriebe finden.

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Ich hoffe ich konnte euch mit dieser kleinen Beispielrechnung einen kleinen Einblick in die Auslegung von Erdwärmekollektoren geben. Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zu Erdwärmekollektoren, Wärmepumpen oder Geothermie habt, nutzt die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Alpha InnoTech – Wärmepumpenguide
Dimplex – Planungshandbuch Wärmepumpen
Viessmann – Planungshandbuch Wärmepumpen
Viessmann – Datenblatt Vitocal 300-G
Erdgekoppelte Wärmepumpen – Geschichte, Systeme, Auslegung, Installation, Dipl.- Geol. Burkhard Sanner, IZWBerichte 2/92, November 1992
VDI 4640 Blatt1: Stand Dezember 2000 – Thermische Nutzung des Untergrundes – Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte
VDI 4640 Blatt2: September2001 – Thermische Nutzung des
Untergrundes – Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen

Titelbild: Quelle: Dimplex
An dem Bild wurden folgende Veränderungen vorgenommen: Farbtonsättigung, Kontrast- und Helligkeitsänderung, Bildzuschnitt


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2 Kommentare/Fügen deinen eigenen Kommentar hinzu

  1. C. Rink / Antworten ¬

    Moin Martin,

    das von Dir beschriebene Verfahren zur Auslegung von Erdkollektoren funktioniert zwar und liefert einen Kollektor „nach anerkanntem Stand der Technik“, leider sind die Soletemperaturen und somit die Stromverbrauchswerte nicht optimal. Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Leistung des Kollektors zu verbessern:

    – Wärmetauscher vergrößern -> Rohrmenge zumindest verdoppeln. Bei 1 EUR/m Rohrkosten ist das durchaus lohnend. Gerade bei vereisendem Boden und Latentwärmenutzung ist das Volumen des Bodens im Nahbereich rund um die Rohre entscheidend. Je mehr Rohr zur Verfügung steht, desto mehr Latentwärme kann genutzt werden.

    – Hydraulik im Rohr optimieren -> turbulente statt laminare Strömung der Sole innerhalb der Rohre. Bei passender Solekonzentration (20 – 25% je nach Randbedingungen) und Anzahl Solekreise stellt sich innerhalb der Solerohre turbulente Strömung mit einem wesentlich verbesserten Wärmeübergang zwischen Rohrwand und Sole ein. Für turbulente Strömung ist erhöter Umwälzpumpenstrom erforderlich, was aber durch den Soletemperaturgewinn mehr als kompensiert wird. Für die im obigen Beispiel verwendete Sole-WP mit ca. 10 kW Heizleistung wäre ein Kollektor mit 3 x 300 m Solerohr mit 32 mm Durchmesser passend (es wären auch 4 x 300 m möglich).

    – Kollektorgeometrie optimieren: Ein Erdwärmekollektor bekommt einen wesentlichen Anteil seiner Wärme aus seinen Randbereichen geliefert. Deshalb empfiehlt es sich, den Randbereich zu vergrößern. Also keine 18 m x 18 m, sondern lieber 9 x 36 oder noch besser 3 x 100. So wird mehr Bodenvolumen erschlossen. In der Praxis reicht dann schon ein Grabenkollektor/Künettenkollektor mit 100 m Länge, 1,4 m Breite und 1,6 m Tiefe, um bei 7,8 kW Heizleistung und lehmigem Boden bei -12 Grad Auslegungstemperatur eine vergleichbare Leistung zu liefern. Siehe Berechnungstool für Grabenkollektoren: http://www.waermepumpen-verbrauchsdatenbank.de/index.php?button=grabenkollektor&lang=de

    Weitere Informationen zum Grabenkollektor mit optimierter Hydraulik und üppig dimensioniertem Wärmetauscher sind im Diskussionsforum des Haustechnikdialog zu finden, wo das Design angelehnt an den Open-Source-Prozess für die Verwendung unter deutschen und österreichischen Klima- und Bodenbedingungen optimiert wurde: http://www.haustechnikdialog.de/Forum/t/167167/Sammelthread-Grabenkollektorprobleme

    Grundlagen zum Thema sind in der Dissertation von Dr.-Ing. Klaus Ramming zu finden: http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/1888/1189425172968-8196.pdf

    Viele Grüße

  2. Shariff / Antworten ¬

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