Planung, Verlegung und Kosten eines Flächenkollektors für Erdwärme-Heizungen

• Grundprinzip und Einsatzgebiet: Ein Flächenkollektor ist ein horizontal verlegter Erdwärmetauscher, der Wärme mittels Soleleitungen zur Wärmepumpe transportiert. Er gilt als eine günstige Alternative zur Bohrung von Erdsonden, bedarf jedoch ein entsprechend großes Grundstück, um eine gleich große Entzugsleistung bereit zu stellen.
• Bemessung / Auslegung: Die Auslegung orientiert sich u. a. an: Heizwärmebedarf, Leistungszahl der Wärmepumpe, Volumenstrom und der spezifischen Entzugsleistung des Bodens. Beispiel: Bei bindigem, feuchtem Boden mit 25 W/m² Entzugsleistung und einem System mit einer Kälteentzugsleistung von 7 kW ergibt sich eine Fläche von 280 m² und eine Rohrlänge von ca. 346 m. Der empfohlene Rohrabstand liegt bei 50–80 cm, um Überfrierung der Leitungen zu vermeiden.
• Verlegeprinzipien und Techniken: Der Kollektor wird typischerweise in 1,2 bis 1,5 m Tiefe verlegt (frostfrei) mit ausreichendem Abstand zwischen Rohren. Verlegearten: Schnecke, Mäander, Tichelmann; oder als „Slinky“ in Schleifen. Wichtig ist, dass jeder Rohrstrang gleich lang ist, um eine ungleichmäßige Durchströmung zu vermeiden.
• Bau und Installation: Der Bau umfasst den Aushub, Vorbereitung, Auslegen, Fixieren, Bedecken, Installation des Verteilers und das Befüllen mit Sole. Beim Verfüllen ist auf eingedrungene Luft zu achten — das System muss luftfrei sein, und Drucktests müssen bestanden werden. Der Verteiler sollte oberhalb installiert werden, idealerweise geschützt (Schacht), und nicht unter direkter Sonneneinstrahlung stehen.
• Anforderungen, Einschränkungen & Regeneration: Da Flächenkollektoren relativ oberflächennah liegen, sind sie stärkeren Temperaturschwankungen unterworfen als Tiefbohrungen. Die Regeneration des Bodens erfolgt über Sonneneinstrahlung und Niederschläge – deshalb sollten die Flächen nicht versiegelt oder überbaut werden. Der Abstand zu Gebäuden, Leitungen oder Bäumen sollte eingehalten werden (z. B. ≥ 70 cm), andernfalls sind Isolierungen erforderlich.
• Kosten und Wirtschaftlichkeit: Flächenkollektoren sind in Anschaffung und Material deutlich günstiger als Tiefbohrungen. Der Preis liegt typischerweise bei etwa 15 bis 25 Euro pro m² für die Verlegung. Flächenkollektoren kosten etwa 600 bis 1.000 Euro pro kW Entzugsleistung und zählen damit zu den günstigeren Erdwärmelösungen. Grabenkollektoren sind mit 330 bis 660 Euro pro kW noch preiswerter, benötigen jedoch ähnlich viel Fläche. Deutlich teurer sind Erdwärmekörbe und Spiralkollektoren mit 2.000 bis 5.000 Euro pro kW, bieten dafür aber kompakte Bauweisen für kleinere Grundstücke.

Um für eine Wärmepumpe mit einer Heizleistung (Q) von 9 kW und einer elektrischen Leistungsaufnahme (P_el) 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 - P_el = 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.

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.

Um die Entzugsleistung des Flächenkollektors zu erhöhen, gibt es verschiedene Optionen:

• Einerseits kann man durch eine Wärmepumpen-Kühlung des Gebäudes im Sommer oder eine solarthermische Einspeisung in den Flächenkollektor die Bodentemperaturen – je nach geologischen Verhältnissen – schneller regenerieren bzw. sogar erhöhen.
• Andererseits kann z.B. die Entwässerung der Dachrinne, die Drainage des Hauses oder der Sickerschacht so platziert werden, um die Bodenfeuchte und so die Leitfähigkeit des Bodens um den Kollektor zu erhöhen und mit zusätzlicher Energie zu versorgen.

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.

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.

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

Die Rohrleitungen werden dann 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. Erst nach erfolgreicher Druckprüfung sollte der Flächenkollektor vollständig mit Erde bedeckt werden.