Auslegung von Erdkollektoren

        

Projektierung von Erdkollektoren  

Die Wärmequelle Erdreich lässt sich durch Verwendung von horizontal unter der Oberfläche verlegten Erdwärmetauschern (Horizontalkollektoren) oder vertikal angeordneten Bohrlochwärmetauschern (Erdsonden) erschließen.
Bei der Planung des Wärmepumpensystems muss die Tiefsttemperatur des Erdreichs in der entsprechenden Tiefe berücksichtigt werden.

Der durch die Wärmeauskopplung über die Heizperiode bedingte Abfall der Bodentemperatur sowie der langfristige Temperaturabfall aufgrund eines Wärmepumpenbetriebs über mehrere aufeinander folgende Jahre müssen berücksichtigt werden, damit der Betrieb der Wärmepumpe zu keinem Zeitpunkt gefährdet ist und wirtschaftliche sowie auch angemessene ökologische Betriebsbedingungen sichergestellt sind.

Bei Erdkollektoren ist  darauf zu achten, dass diese ausreichend groß dimensioniert und in die richtige Tiefe verlegt werden. Deswegen ist eine sorgfältige und ausreichende Auslegung der Erdkollektoren erforderlich. Dabei werden horizontal PE-Rohre verlegt, je nach Bodenverhältnissen und Wärmepumpenleistung DN 20 mm /DN 32 mm  mit einem dadurch bestimmten Verlegeabstand.  Die einzelnen Kreise müssen alle die gleiche Länge haben.  Je länger die einzelnen Kreise sind, desto größer ist der Druckverlust und damit die erforderliche Leistung für die Umwälzpumpe. Die gleich langen Kreise müssen alle nach Tichelmann angeschlossen werden, damit eine gleichmäßige Durchströmung aller Kreise gewährleistet ist. Beim Einbau der Rohre ist darauf zu achten, dass diese nicht durch Steine oder andere scharfkantigen Gegenstände beschädigt oder eingedrückt werden können; ggf. sind die Rohre in Feinsand oder weichen Boden zu verlegen.

Bei längeren Laufzeiten ist neben der vorgenannten spezifischen Entzugsleistung auch die spezifische jährliche Entzugsarbeit zu berücksichtigen, die den langfristigen Einfluss bestimmt. Sie kann in kWh/(m2· a) für Erdwärmekollektoren angegeben werden und sollte zwischen 50 bis 70 kWh/(m2· a) liegen.

Die Temperatur des zum Erdwärmekollektor zurückkehrenden Wärmeträgermediums soll im Dauerbetrieb (Wochenmittel) den Grenzbereich von ± 12 K Temperaturänderung gegenüber der ungestörten Erdreichtemperatur nicht überschreiten, bei Spitzenlast± 18 K.

Die Bodentemperaturen können in 1 m Tiefe auch ohne Wärmenutzung den Gefrierpunkt erreichen. In 2 m Tiefe liegt die minimale Temperatur bei ca. 5 °C. Mit zunehmender Tiefe nimmt diese Temperatur zu; allerdings nimmt auch die von der Erdoberfläche zufließende Wärmemenge ab. Ein Auftauen der (gewünschten) Vereisung im Frühjahr ist somit nicht sichergestellt. Daher sollte die Verlegetiefe mindestens 1,2 m sein und maximal 1,5 m nicht überschreiten. Bei der Bestimmung des Verlegeabstands (üblicherweise zwischen 0,3 und 0,8 m) ist zu berücksichtigen,dass die sich um die Entzugsrohre bildenden Eisradien nicht zusammenwachsen. Die Verlegedichte hängt von der Dimension der verwendeten Rohre ab und muss so gewählt werden, dass die  genannten spezifischen Entzugsleistungen nicht überschritten werden.

Verschiedentlich wurden Versuche gemacht, Erdwärmekollektoren Platz sparender (kompakter) zu gestalten. Zwei Varianten haben eine gewisse Verbreitungerfahren:  

Grabenkollektoren und Spiralkollektoren. Ein anderes Verfahren, der mit Kupferrohren und -blechen zur Erzielung eines flächigen Wärmeentzuges ausgerüstete Heat-Shunt-Kollektor,ist bislang nur in Einzelanlagen zu finden und wird daher nicht weiter behandelt. Kompakte Erdwärmekollektoren sind sehr gut geeignet  für Anlagen mit Heiz- und Kühllast. Die Spiralkollektoren werden daher in Nordamerika häufig benutzt.Im reinen Heizbetrieb sind der kompakten Bauweise Grenzen gesetzt, da eine ausreichende Fläche für die natürliche Regeneration der Untergrundtemperaturen erforderlich ist.

Zwei verschiedene Bauarten von Spiralkollektoren (SLINKY- oder SVEC-Kollektoren) sind möglich; sie werden vor allem in Nordamerika eingesetzt. Beider einfacheren Variante (SLINKY-Kollektor oder Künettenkollektor) wird eine handelsübliche Rolle Kunststoffrohr auf den Boden eines breiten Grabens gelegt und seitlich (senkrecht zur Wickelachse) so auseinander gezogen, dass die Windungen sich jeweils überlappen. Anschließend wird der Graben wieder verfüllt. Dieses System erfordert etwa 5 bis 6 m Grabenlänge pro kW Wärmepumpen-Heizleistung.

Wärmepumpenanlagen mit der Nutzung von Erdwärme sind nach Wasserhaushaltsgesetz genehmigungspflichtig. 

Vorsicht:

Verschiedentlich wurden Versuche gemacht, Erdwärmekollektoren Platz sparender (kompakter) zu gestalten. Zwei Varianten haben eine gewisse Verbreitungerfahren: Grabenkollektoren und Spiralkollektoren. Ein anderes Verfahren, der mit Kupferrohren und -blechen zur Erzielung eines flächigen Wärmeentzuges ausgerüstete Heat-Shunt-Kollektor,ist bislang nur in Einzelanlagen zu finden. Kompakte Erdwärmekollektoren sind sehr gut geeignet für Anlagen mit Heiz- und Kühllast. Die Spiralkollektoren werden daher in Nordamerika häufig benutzt.Im reinen Heizbetrieb sind der kompakten Bauweise Grenzen gesetzt, da eine ausreichende Fläche für die natürliche Regeneration der Untergrundtemperaturen erforderlich ist.

Wird die Berechnung der Wärmepumpe von uns gemacht, so wird in dieser der Verlegeabstand und die Länge der Kollektoren mit berechnet.  

Für  Förderprogramme und das EEWärmeG gilt: Die JAZ muss rechnerisch nach der VDI-Richtlinie 4650 für Raumwärme und Warmwasser mit Hilfe einer Fachunternehmererklärung bzw. einer Bescheinigung eines Sachkundigen nachgewiesen werden.

©  Marc Husmann   Nachdruck, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des Herausgebers.