Was sind Erdwärmekollektoren?

In diesem Beitrag möchte ich euch erklären, wie Erdwärmekollektoren funktionieren und wie sie eingesetzt werden. Falls ihr wissen möchtet wie man Erdwärmekollektoren berechnet und auslegt, empfehle ich euch meinen Beitrag „Auslegung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmekollektoren„. Mit Erdwärmekollektoren ist es möglich dem oberflächennahen Boden Wärme zu entziehen (Geothermie) und diese mit Hilfe einer Wärmepumpe in Heizenergie umzuwandeln.

Grundlagen Erdwärmekollektoren

Wann kommen Erdwärmekollektoren zum Einsatz?

Abbildung 1: Wärmepumpe mit Erdkollektoren

Erdwärmekollektoren werden meist dann eingesetzt, wenn große unbebaute und nicht verschattete Grundstücksflächen zur Verfügung stehen.

Auch wenn die Temperatur im Erdreich bis zu einer Tiefe von 5 m verschiedenen Umwelteinflüssen ausgeliefert und dadurch recht unbeständig ist, kann die darin gespeicherte Energie in nutzbare Wärmeenergie umgewandelt werden. Damit Erdwärmekollektoren richtig funktionieren, dürfen sie nicht überbaut und deren darf Oberfläche nicht versiegelt werden. Bei begründeten Ausnahmefällen kann davon jedoch abgewichen werden.

Funktion von Erdwärmekollektoren

Abbildung 2: Schema Erdwärmekollektoren

Um die Erdwärmekollektoren verlegen zu können, ist es notwendig einen großflächigen Bereich auszuheben oder Einzelgräben zu schaufeln. Die Erdwärmekollektoren werden dann schlingenartig (siehe Abbildung 1) und horizontal im Boden verlegt und bestehen meist aus Kunststoff.

In den Erdwärmekollektoren befindet sich ein Solegemisch (Glykol/ Wassergemisch), welches auf dem Weg durch die im Erdreich verlegten Rohre Wärme aufnimmt.

Die gespeicherte Wärme wird an das Kühlmittel in der Wärmepumpe abgegeben und fließt anschließend abgekühlt zurück in den Erdwärmekollektor. Der Kreislauf beginnt von neuem.

Zwischen der Wärmepumpe und dem Erdkollektor befindet sich in der Regel ein Soleverteilerschacht mit Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler (siehe Abbildung 2). Dieser sorgt bei mehreren Kollektorkreisen dafür, dass das Solegemisch gleichmäßig in den jeweiligen Kollektorkreisen verteilt wird.

Wärmeübertrag der Bodenverhältnisse

Die Temperatur im oberflächennahen Boden unterliegt aufgrund von Sonneneinstrahlung, Außentemperatur und Niederschlag starken Schwankungen. Im Jahresdurchschnitt liegt der Wärmeentzug bei ca. 20 – 30 W/m².

Die Beschaffenheit des Untergrunds spielt dabei eine wichtige Rolle. Feuchte Böden, wie zum Beispiel feuchter Lehmboden oder wassergesättigter Sand/ Kies, eignen sich für einen Erdwärmekollektor besser als trockene Sandböden. Ein weiterer Einflussfaktor auf den Wärmeübertrag sind die Jahresbetriebsstunden.

Im Folgenden zeige ich euch die möglichen spezifischen Entzugsleistungen für Erdwärmekollektoren für 1800 bis 2400 Jahresbetriebsstunden nach VDI 4640 Blatt 2.

• Trockener Untergrund, nichtbindiger Boden
  Jahresbetriebsstunden: 1800 h: 10 W/m², 2400 h: 8 W/m²
• Bindiger Boden, feuchter Untergrund
  Jahresbetriebsstunden: 1800 h: 20 – 30 W/m², 2400 h: 16 – 24 W/m²
• Wassergesättigter Sand/Kies
  Jahresbetriebsstunden: 1800 h: 40 W/m², 2400 h: 32 W/m²

Um die Wärmeentzugsleistung zu ermitteln, kann man auf das von der EU geförderte Projekt ThermoMap gehen. Hier findet man eine interaktive Karte für regionale Wärmeentzugsleistungen in Europa. Zur ThermoMap findet ihr in dem folgenden Beitrag des TGA Fachplaners weitere Informationen.

Der Umstand, dass feuchter Boden mehr Wärme aufnehmen und speichern kann als trockener Boden, kann durch weitere Technologien nutzbar gemacht werden. Die Kombination mit einer Regenwasser-Versickerung kann beispielsweise die Effizienz von Erdwärmekollektoren in trockenen Böden erheblich steigern.

Planungshinweise

Verlegtiefe und Verlegabstand der Rohre

Da dem Erdboden auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen im Herbst und Winter Wärme entzogen wird, besteht die Gefahr der Vereisung des Bodens. Es muss daher sichergestellt werden, dass sich der Boden in der warmen Jahreszeit regenerieren kann. Die empfohlene Verlegtiefe für Erdwärmekollektoren liegt bei 1,2 – 1,5 m. In dieser Tiefe besteht zwar die Möglichkeit, dass der Boden bei gegebener Witterung gefriert, dieser sich aber in den warmen Monaten zu regenerieren kann.

Weitere Beachtung bei der Planung sollte dem Verlegeabstand der Kollektorrohre geschenkt werden. Dieser ist von der Rohrdimension und von der Wärmeentzugsleistung des Bodens abhängig. Meist liegt der Verlegeabstand bei 30 bis 100 cm.

Genehmigung von Erdwärmekollektoren mit Wärmepumpe

In Ausnahmefällen kann ein erlaubnispflichtiger Benutzungstatbestand erfüllt sein und muss im Einzelfall beurteilt werden. Ansonsten sind Erdwärmekollektoren anzeigepflichtig und müssen bei der unteren Wasserbehörde angezeigt werden. Weiterhin muss die Wärmepumpe beim zuständigen Energieversorgungsunternehmen angemeldet werden.

Länge der Erdwärmekollektorkreise

Die empfohlene Länge eines Erdwärmekollektorkreises liegt bei 100 m und soll 150 m nicht überschreiten. Damit wird sichergestellt, dass die Pumpenleistung und der Druckverlust im Erdwärmekollektorkreis nicht zu hoch sind.

Um die Anlage fachgerecht entlüften zu können, müssen der Verteilungsschacht für Vorlaufverteiler und Rücklaufsammler an der höchsten Stelle im Gelände platziert werden. Das bedeutet, dass die Leitungen zum Verteiler hin ansteigen müssen.

Ich hoffe ich konnte euch in diesem kleinen Beitrag die Funktion und die Einsatzweise von Erdwärmekollektoren etwas näher bringen. In meinem Beitrag „Auslegung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdwärmekollektoren“ zeige ich euch, wie ihr die Größe eines Erdwärmekollektors bestimmen könnt und dazu eine passende Wärmepumpe auslegt.

Falls ihr Fragen, Anregungen oder Kritik zu Erdwärmekollektoren habt, nutzt die Kommentarfunktion.

Liebe Grüße! Martin

Weiterführende Links und Quellen:
Alpha InnoTech – Wärmepumpenguide
Dimplex – Planungshandbuch Wärmepumpen
Viessmann – Planungshandbuch Wärmepumpen
Bundesverband Wärmepumpe e.V. (BWP) – Erdwärme
Heizungsfinder – Bestandteile einer Wärmepumpe mit Erdkollektoren

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

Handbuch der Gebäudetechnik – Planungsgrundlagen und Beispiele Band 2 Heizung/ Lüftung/ Energiesparen, Prof. Dipl.-Ing. Wolfram Pistohl, Architekt 7. Auflage, Werner Verlag, Köln 2009*

Titelbild: Das Titelbild ist von PBaeumchen und steht unter der Creative Commons Lizenz CC BY-SA 3.0 – Link zum Foto: Wikipedia – Erdwärmekollektor
An dem Bild wurden folgende Veränderungen vorgenommen: Farbtonsättigung, Kontrast- und Helligkeitsänderung, Bildzuschnitt