Erdwärmekollektor

Erdwärmekollektoren sind Erdwärmeübertrager, die überwiegend aus horizontal im Erdreich verlegten Kunststoffrohren bestehen (im Gegensatz zu den vertikal in eine Bohrung eingebrachten Erdwärmesonden). Sie werden primär als Wärmequelle für Wärmepumpenheizungen genutzt. Der Wärmeertrag der in geringer Tiefe verlegten Flächenkollektoren ist stark vom jahreszeitlichen Temperaturverlauf in den oberflächennahen Bodenschichten abhängig. Die Herstellung eines Flächenkollektors lohnt darum vor allem in tiefergelegenen Regionen mit mildem Wetter. Da sich die Bodentemperatur durch eindringendes Regenwasser ebenso wie durch Sonneneinstrahlung erhöht, eignen sich unversiegelte und unbeschattete Freiflächen wie Rasenflächen gut zur Installation von Erdwärmekollektoren.

Verlegen von Rohrregistern eines Flächenkollektors zur Nutzung mit einer Wärmepumpenheizung
Erdwärmekollektor während der Verlegung

Auch Luftbrunnen entziehen dem Erdreich Wärme in geringer Tiefe. Sie werden zusammen mit Lüftungsanlagen oder Luft/Wasser-Wärmepumpen betrieben.

Verlegung

Die Rohre des Kollektors werden mindestens 20 cm unterhalb der örtlichen Frostgrenze verlegt, typischerweise in 1 bis 1,5 Meter Tiefe. Je nach Verlegeschema spricht man von Graben- oder Flächenkollektoren.

Bei Flächenkollektoren werden die Kollektorrohre oft wie bei einer Fußbodenheizung mäanderförmig in einem Rohrabstand von 1,2 bis 1,5 m verlegt. Um in schlecht gedämmten Gebäuden im Bedarfsfall kurzfristig einen hohen Wärmeentzug zu ermöglichen, kann es sinnvoll sein einen engeren Rohrabstand zu wählen oder vorgefertigte Register aus sogenannten Kapillarrohren zu verwenden.

Eine platzsparende Form eines Flächenkollektors ist der sogenannte Ringgrabenkollektor. Dabei werden die Rohre in Schlaufenform in einem bis zu 2 m tiefen Ringgraben verlegt. Dies erlaubt mehr Erdvolumen bei weniger Aushubvolumen zu erschließen, was die Kosten im Vergleich zu den anderen Flächenkollektorformen senkt. Diese Bauform wird von verschiedenen Herstellern modulierender Erdwärmepumpen als eine optimale kostengünstige Alternative zu einer Erdsonde propagiert.

Sogenannte Spiralkollektoren oder Erdwärmekörbe haben einen deutlich geringeren Flächenbedarf als Flächenkollektoren, müssen jedoch tiefer eingebracht werden. Sie können auch bei kleineren Grundstücken angewendet werden, wenn weder Platz für Flächenkollektoren vorhanden, noch die Zufahrt von Tiefenbohrgeräten für Erdsonden möglich ist.

Spiralkollektoren vor der Verlegung

Während Tiefenbohrungssonden bei großzügiger Auslegung ganzjährig Sole mit einer Temperatur von 10 °C fördern, beträgt die durchschnittliche Bodentemperatur Anfang Februar in einem Meter Tiefe 2 °C. In zwei Metern Tiefe sind es 4,5 °C. Demgegenüber kann die Bodentemperatur in dieser Tiefe im August 20 °C erreichen.[1]

Abhängig von der Bodenbeschaffenheit und insbesondere vom Wassergehalt[2] erreicht der zeitliche Versatz zwischen Luft- und Bodentemperaturen in einer Tiefe von 6 bis 12 m sechs Monate, so dass hier der qualitative Temperaturverlauf gerade entgegengesetzt zu dem an der Erdoberfläche ist. Allerdings sind die absoluten Schwankungsamplituden in dieser Tiefe ohnehin nur noch sehr gering.

Um die Speicherfähigkeit des Bodens auszunutzen, müssten Kollektoren also in dieser Tiefe verlegt werden. Die in tieferen Bodenschichten gespeicherte Energie wird durch die im Sommer von der Erdoberfläche aus zugeführte Wärme nicht vollständig regeneriert, während die in höheren Schichten gespeicherte Wärme durch die natürliche Auskühlung frühzeitig wieder verloren geht.

Ein denkbarer Kompromiss bestünde darin, den Erdkollektor auf der Oberseite mit wärmedämmendem Material wie leichter Schlacke, Glasschaumschotter, Perlite, Blähschiefer oder Blähton zu verfüllen. Hierdurch würde sich die Phasenverschiebung zwischen der Erdoberfläche und dem Erdreich im Höhenniveau des Kollektors vergrößern, so dass im Winter in den Erdschichten unterhalb des Kollektors eine größere Energiemenge zur Verfügung stünde.

Wärmeträger
Modell auf der Messe

Durch das geschlossene Rohrsystem zirkuliert ein Wasser-Glykol-Gemisch als Wärmeträger. Die von Regen und Sonne ins Erdreich eingebrachte Wärme wird über das Trägermedium entnommen und der Wärmepumpe zugeführt.

Leistung

Die erzielbare Wärmeleistung ist abhängig von der Beschaffenheit des Bodens. Trockene, grobkörnige Böden sind für den Wärmetransport schlechter geeignet als feuchte Grundwasserböden. Deshalb variiert die Leistung klassischer Flächenkollektoren von 10 W/m² bis zu 35 W/m² bei Grundwasserböden. Bei 20 W/m² Wärmeeintragsleistung ist zur Versorgung einer Wärmepumpenheizung mit 6 kW Leistung etwa eine Bodenfläche von 300 m² erforderlich. Das entspricht überschlägig dem Doppelten der zu beheizenden Wohnfläche. Ein auf gleiche Leistung ausgelegter Ringgrabenkollektor benötigt im Vergleich zu der klassischen Auslegung weniger Fläche.

Sowohl die Nutzung einer Wärmepumpe an sich, als auch die Verlegung von Erdwärmkollektoren in einer geringen Tiefe ist dann besonders sinnvoll, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke hinreichend klein ist. Das Baujahr und die Wärmedämmeigenschaften des Gebäudes sind hierbei nur indirekt relevant. Aufgrund der erforderlichen erhöhten Vorlauftemperaturen rentiert sich der Betrieb einer Wärmepumpe zur Beheizung von Altbauten in manchen Fällen nicht. Auskunft hierüber ergibt die Durchführung eines thermischen Abgleichs. Bei korrekt durchgeführtem Abgleich der Wärmesenke ergeben sich auch bei Altbauten oft Wärmepumpentaugliche Vorlauftemperaturen. Allerdings wird ein solcher Abgleich selten durchgeführt, und oft mit zu hohen Heizkurven und Abregelungen der Heizflächen durch Einzelraumregelungen gefahren, was dann zu überhöhtem Strombedarf der Wärmepumpe führt. Zu beachten ist, dass ein hoher Wärmebedarf die Erschließung einer eventuell sehr großen Kollektorfläche erfordert. Ist das Kollektorfeld zu klein, gefriert der Boden und die Effizienz sinkt von Dezember bis Februar. Jedoch wird aufgrund der großen Menge an latenter Wärme bei 0 °C die Soletemeperatur stabilisiert, sodass dadurch auch hoher Wärmebedarf gedeckt werden kann. Jedoch kann es dabei in Abhängigkeit von der Bodenart und gebildeter Eismenge zu unerwünschten Bodenhebungen kommen.

Vorteile
  • geschlossenes System mit unbedenklichem Solemedium
  • sehr günstige Herstellungskosten durch:
    • einfache Erschließung der Wärmequelle mithilfe der bei größeren Baumaßnahmen ohnehin bereitstehenden Baumaschinen
    • Nutzung von einfachem PE-Rohr zur Herstellung des Kollektor
    • unproblematische Verlegung in Eigenleistung

Nachteile
  • Erdwärmekollektoren benötigen eine große Fläche im Vergleich zu Erdwärmesonden, die in Tiefbohrungen eingebracht werden.
  • In kalten Wintern kann die natürliche Bodentemperatur in einem Meter Tiefe bis auf 0 °C absinken.
  • Erst in Tiefen ab 6 m wird eine relativ gleichmäßiges Niveau von 10 °C erreicht.
  • Durch die Abkühlung des Erdreichs kann sich der Beginn der Wachstumsperiode von Pflanzen, die oberhalb des Kollektors wachsen, um bis zu zwei Wochen verzögern. Tiefwurzelnde Pflanzen, die nicht an kalte Klimabedingungen angepasst sind, entwickeln sich schlecht.

Dimensionierung

Zur Dimensionierung bzw. Leistungsberechnung kann das kostenlos aus dem Internet herunterladbare Simulationsmodell verwendet werden.[3] Mit diesem Modell sind in einfacher Weise Vergleichsbetrachtungen zur Erdwärmesonde möglich.[4] Zur Auslegung und Dimensionierung eines Ringgrabenkollektors steht ein freies Onlinetool[5] zur Verfügung.

Quellen
  1. Klimazeitreihen - Bodentemperatur, Potsdam Institut für Klimafolgenabschätzung
  2. Bodentemperatur (Memento vom 16. Februar 2010 im Internet Archive)
  3. Bernd Glück: Simulationsmodell für Erdwärmekollektoren, 2008
  4. Bernd Glück: Simulationsmodell für Erdwärmesonden, 2008
  5. Trenchplanner: Trenchplanner
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