Planung und Verlegung eines Flächenkollektor

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.

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 könnte.

Flächenkollektoren können sowohl in Gräben als auch natürlich flächig in z. B. einer Baugrube 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.

Um den Kollektor im Boden zu verlegen, können entweder Gräben für einzelne Rohrleitungen bis auf eine Tiefe von rund 1,50 m manuell ausgehoben oder mit entsprechendem Gerät geschlitzt werden. Daneben kann auch die gesamte Kollektorfläche abgetragen werden.

Die Rohre des Flächenkollektors werden ausgelegt, ausgerichtet und mit Erdnägeln im Boden fixiert. Um den Abstand zwischen den Rohren zu fixieren, können die Rohre an quer verlegten z. B. Rohrstücken mit Kabelbindern befestigt werden. Die Biegeradien der PE-Rohre sollten bei der Planung der Verlegung unbedingt beachten werden.

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.