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Planung und Verlegung eines Flächenkollektor

Die Verlegung von Flächenkollektoren ist - soweit ausreichender Platz vorhanden ist - eine der günstigsten Möglichkeiten, Erdwärme zu gewinnen. Dabei ist es sogar möglich, einen Kollektro in Eigenleistung zu verlegen und somit weitere Kosten zu sparen.

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Bemessung von Flächenkollektoren

Die Bemessung von Flächenkollektoren wird in der VDI-Richtlinie 4640 detailliert beschrieben. Die wichtigsten Einflussfaktoren für die Auslegung eines Flächenkollektors sind:

  • Heizwärmebedarf
  • Wärmepumpenleistungszahl (definiert die Kälteentzugsleistung)
  • Volumenstrom der Wärmepumpe (siehe Wärmepumpendatenblatt)
  • Spezifische Entzugsleistung des Erdreichs

Zur Auslegung der Wärmepumpe sollte zunächst der Wärmepumpenhersteller zu Rate gezogen werden, um die Leistungszahl der ermittelten Heizleistung und Betriebsart zuzuordnen. Danach errechnet sich die Kälteentzugsleistung aus folgenden Zusammenhang:

Kälteentzugsleistung = Heizleistung x (Leistungszahl-1) / Leistungszahl

Die spezifische Entzugsleistung des Erdreichs hängt von der Geologie und der Jahresbetriebsdauer ab. Bei 1800 h beträgt die spezifische Entzugsleistung von nichtbindigem Boden z. B. 10 W/m2 und wassergesättigtem Boden 40 W/m2. Daraus folgt:

Kollektorfläche = Kälteentzugsleistung in W / Entzugsleistung in W/m2

Die Rohrdimensionierung des Flächenkollektors hängt von der möglichen Entzugsleistung des Erdreichs ab. Je größer die Entzugsleistung sein soll, desto größer sollte bei gegebener Temperaturspreizung der erforderliche Volumenstrom sein, und ergo der notwendige Rohrquerschnitt. Die VDI 4640 empfiehlt einen Abstand zwischen den Flächenkollektorrohren von 50-80 cm. Die benötigte gesamte Rohrlänge errechnet sich dann aus folgendem Zusammenhang:

Rohrlänge = Kollektorfläche in m2 / Abstand in m

Wichtig ist, dass die Entzugsleistung nicht überschritten wird, da sonst die Vereisung der Rohrleitungen zu groß wird (Eine Vereisung ist sonst unproblematisch bzw. erwünscht) und die vereisten Rohrleitungszonen zusammen wachsen könnten. Bei Tauwetter im Frühjahr ist dann die Versickerung von Regen- und Schmelzwasser, die auch wesentlich zur Erwärmung des Bodens beiträgt, erheblich behindert. Weil durch den Flächenkollektor das Temperaturniveau im Erdreich verändert wird, sollten die Rohre mit ausreichender Entfernung von Bäumen, Sträucher und empfindlichen Pflanzen verlegt sein. Der empfohlene Abstand zu anderen Versorgungsleitungen und Gebäuden beträgt 70 cm. Wird dieser Abstand unterschritten, so müssen die Rohrleitungen isoliert werden.

Flächig verlegter Erdwärmekollektor für eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus (Grafik: Buderus Heiztechnik / ASUE e.V.)
Flächig verlegter Erdwärmekollektor für eine Wärmepumpe im Einfamilienhaus (Grafik: Buderus Heiztechnik / ASUE e.V.)

Um für eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung (Q) von 9 kW und einer elektrischen Leistungsaufnahme (Pel) von 2 kW die nötige Kollektorfläche (A) bei bindig, feuchtem Boden mit einer spezifischen Entzugsleistung des Erdreichs (E) von 25 W/m2 zu berechnen, muss zunächst die Kälteentzugsleistung (O) berechnet werden:

 

O = Q - Pel = 9 kW - 2 kW = 7 kW

 

Dann wird auf Grundlage der Kälteentzugsleistung und der Entzugsleistung des Erdreichs die Fläche des Kollektors berechnet:

 

A = O / E = 7000 W / 25 W/m2 = 280 m2

 

Bei einem Abstand der Kollektorrohre (S) von = 0,8 m beträgt die Mindestlänge der Kollektorrohre (L):

 

L = A / S = 280 m2 / 0,8 m = 346 m

 

In diesem Fall werden 4 Sole-Kreise mit jeweils 100 m Kollektorrohr verlegt.

Sollen Flächenkollektoren auch zum direkten Kühlen von Gebäuden eingesetzt werden, so sollte fließendes Grundwasser und die Grundwassertemperatur berücksichtigt werden. Spitzenkühllasten können aber auch über spezielle Kältemaschinen abgedeckt werden. Wegen der Gefahr eines Druckverlustes sollte generell die Rohrstranglänge nicht zu groß werden und in der Regel 100 Meter nicht überschreiten.

Verlegung von Flächenkollektoren

Flächenkollektoren sollten nach der VDI 4640 in 1,2 - 1,5 Metern Tiefe und mit einem Abstand von 50-80 cm eingebaut werden. Da die Regeneration von Erdwärmekollektoren hauptsächlich durch Sonneneinstrahlung und Niederschlag erfolgt, sollten die Kollektoren auch grundsätzlich nicht überbaut werden oder unter versiegelten Flächen liegen. Eine Ausnahme ist z.B., wenn ein Erdkollektor sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen verwendet wird und somit jede Betriebsart zur Regeneration des Bodens beiträgt. Bei der Verlegung unter Gebäuden muss beachtet werden, dass die Betriebstemperatur nicht die Frostgrenze erreichet, da sonst das Bauwerk durch Erdhebungen etc. beschädigt werden können.

Flächenkollektoren können sowohl in Gräben als auch natürlich flächig verlegt werden. Bei einer Grabenverlegung wird mit einem Bagger eine Grabenseite erstellt, die Rohre verlegt und dann mit dem Erdreich der weiteren Grabenseite wieder verfüllt. Grundsätzlich sollte dabei der genannte Abstand der Rohre berücksichtigt werden.

Bei einer Flächenverlegung wird die zukünftige Kollektorfläche zunächst planiert. Das vorhandene Bodenmaterial sollte nur bei Verwendung spezieller PE-Rohre wieder verwendet werden, ansonsten muss für den Einbau von PE-100 Rohren Sand verwendet werden. Die Kollektorrohre sollten nicht in Kies oder Schotter verlegt werden, da Lufteinschlüsse die Leitfähigkeit des Erdreichs behindern. Auch aus diesem Grund sollte bei solchen Böden um die Rohre feiner Sand Verwendung finden, der eine bessere Feuchtigkeitsaufnahme gewährleistet. Bei steinigem Boden sollte darauf geachtet werden, dass diese vom Kollektor entfernt werden, um spätere Beschädigungen zu vermeiden.

Üblicherweise werden Flächenkollektoren als Schnecke, Mäander oder Tichelmann verlegt (siehe Abbildungen). Während die Verlegeart Schnecke bei einer planierten Flächen angewandt werden kann, eignen sich die Verlegeart Doppelmäander und Tichelmann besonders für die Grabenverlegung. Der Flächenkollektor sollte so ausgelegt werden, dass jeder Rohrstrang gleich lang ist. Damit wird ein aufwendiges Regeln der Hydraulik am Verteiler vermieden und ein gleichmäßiger Durchfluss gewährleistet.

Schema der Flächenkollektorverlegung als Schnecke (links), als Doppelmäander (mittig) und als Tichelmann (rechts) (Grafik: energie-experten.org)
Schema der Flächenkollektorverlegung als Schnecke (links), als Doppelmäander (mittig) und als Tichelmann (rechts) (Grafik: energie-experten.org)

Einbringen von Flächenkollektoren

Schritt 1: Installation des Verteilerbalkens

Der Verteiler sollte an der höchsten Stelle des Flächenkollektors installiert werden. Der Verteiler kann in Beton- oder Kunststoff-Schächten oder unter einer Lichthaube installiert werden. Lichtschächte sind allerdings vor Sonneneinstrahlung zu schützen, da die Rohrleitungen sonst langfristig geschädigt werden könnten. Die Rohrleitungen des Flächenkollektors werden an den Verteiler und Sammler nach Tichelmann angeschlossen.

Schritt 2: Auslegen der Rohre

Die Rohre des Flächenkollektors werden ausgelegt, ausgerichtet und mit Erdnägeln fixiert. Die Biegeradien der PE-Rohre sollten bei der Planung der Verlegung unbedingt beachten werden.

Schritt 3: Fixieren und Bedecken

Die Erdnägel werden mit Sand bedeckt, sodass dieser nach dem Entfernen der Erdnägel die Rohre fixiert. Danach werden die Rohre mit Sand abgedeckt. Unter bestimmten Bedingungen können die Rohre auch mit dem vorhandenen Erdreich eingeschlemmt werden.

Schritt 4: Befüllung der Soleleitungen

Die Rohrleitungen werden mit bereits vorgemischtem Wärmeträgermedium befüllt. Als Faustformel gilt, dass der Frostschutz um 7 K unter der minimalen Verdampfertemperatur liegen sollte. Dann werden die Rohrleitungen über einem offenen Gefäß durchgespült bis sie luftfrei sind. Die Rohrleitungen, der Verteiler und die Anschlussleitungen müssen dann mit 1,5-fachem Betriebsdruck abgedrückt werden. 

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"Planung und Verlegung eines Flächenkollektor" wurde am 30.04.2016 das letzte Mal aktualisiert.