Es gibt viele Möglichkeiten, die gespeicherte Energie im Erdreich zu nutzen. Für diejenigen, die ein großes Grundstück besitzen, sind Erdkollektoren eine ernstzunehmende Energiequelle zur Sole-Wasser-Wärmepumpe. In diesem Artikel finden Sie alles, was Sie über Erdkollektoren wissen sollten.
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Was sind Erdkollektoren?
Ein Erdkollektor besteht aus zahlreichen Soleleitungen, die in das Erdreich verlegt werden, um einen flächendeckenden Wärmetauscher zu bilden. Auf diese Weise entziehen sie dem Erdreich Wärme und dienen als Energiequelle für Erdwärmepumpen. Erdkollektoren stellen eine von mehreren Systemarten der Geothermie dar.
Erdkollektor nach Auslegen der Soleleitungen (Foto: henrich-schroeder.de)
Geothermie bezeichnet die Verwendung der im Erdreich gespeicherten Wärme. In der Haustechnik findet die Geothermie oftmals Anwendung in Verbindung mit einer Erdwärmepumpe, auch Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt. Das Ziel ist es, die vorhandene Wärme des Erdreichs zu entziehen.
Dabei wird allerdings nur ein Bruchteil des Erdvolumens benutzt. Um ein Einfamilienhaus zu heizen, werden Energiequellen aus der oberflächennahen Geothermie angewendet. In diesem Bereich hält sich die Temperatur im Erdreich ganzjährig konstant zwischen 15 und 25 ℃ - je nach Einbautiefe des geothermischen Wärmekollektoren. Das hat den Vorteil, dass die Geothermie im Sommer ebenfalls zum Kühlen angewendet werden kann.
Die Geothermie wird vermehrt als Energiequelle zur Wärmepumpe benutzt. Am häufigsten werden dafür Erdkollektoren, Erdwärmekörbe und Erdsonden im Erdreich installiert
Wie funktionieren Erdkollektoren?
Die Erdkollektoren werden in der obersten Schicht des Erdreichs untergebracht und entziehen ihm Wärme. Die Soleleitungen werden durchschnittlich in einer Tiefe von 1,5 Meter verlegt. Auf dieser Ebene wird die Wärme aus Sonneneinstrahlung, Niederschlägen und teils aus der Erdinneren-Wärme im Erdreich gespeichert.
Ganzjährig hält sich die Temperatur in diesem Bereich um die 10 ℃ - ideal für den flächendeckenden Erdkollektor.
Aufbau einer Geothermieanlage mit Erdkollektoren
Je nach Anlagengröße werden einer oder mehrere Erdkollektoren in das Erdreich gelegt. Sofern nur ein Kollektor installiert wird, muss das Erdreich für die Verlegung großflächig ausgehoben werden. Bei mehreren Kollektoren können einzelne Gräben ausgehoben werden.
Um Erdwärmekollektoren zu bilden, werden Soleleitungen in Schnecken- oder Schlangenform waagerecht im Erdreich verlegt. Üblicherweise bestehen die Leitungen aus Kunststoff, sogenanntes PE-Rohr. Je nach Durchmesser muss zwischen den jeweiligen Rohren ein Abstand von 30 bis 120 cm gehalten werden. Um die Wärmeaufnahme zu begünstigen, werden Erdkollektoren mit einem Wasser-Glykol-Gemisch gefüllt.
Die Erdkollektoren werden an einen Sammler (oder Verteiler) angeschlossen. Der Sammler teilt Vorlauf und Rücklauf und gewährleistet, dass das Wasser-Glykol-Gemisch gleichmäßig in jeden Kollektor fließt. Er ist direkt an die Wärmepumpe angeschlossen und gibt die Wärme nach Bedarf weiter. Anschließend fließt das abgekühlte Solegemisch zurück in die Kollektoren, um dem Erdreich weitere Wärme zu entnehmen. Diesen Kreislauf nennt man Solekreislauf.
Systemschemata einer Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdkollektoren
Damit Erdkollektoren effizient operieren, benötigen Sie ein großflächiges Grundstück. Als Faustregel gilt: Die Fläche eines Erdkollektors muss doppelt bis dreifach so groß der zu beheizenden Fläche betragen. Damit Sie ein Gefühl für die Großordnung bekommen: Für ein durchschnittliches Einfamilienhaus mit ungefähr 100 Quadratmeter benötigen Sie ein Grundstück von 200 bis 300 Quadratmeter, um einen Erdkollektor zu installieren.
Das Grundstück sollte frei von Bäumen und weiteren Bepflanzungen sein, weil die Beschattung das Erdreich daran hindert, Wärme durch die Sonneneinstrahlung aufzunehmen. Außerdem kann die Vegetation negativ auf die Temperaturveränderungen reagieren, die durch den Betrieb der Erdkollektoren im Erdreich entstehen. Lässt sich die vorhandene Vegetation nicht entfernen oder ein großzügiger Sicherheitsabstand zu ihr schaffen, können die Rohre in diesem Bereich isoliert werden.
Sollten sich andere Leitungen, etwa Strom oder Wasser, im Erdreich befinden, ist es wichtig, einen Sicherheitsabstand von ca. 1,5 Meter einzuhalten. Auch zum Gebäude sollte mindestens 1,0 Meter Abstand gehalten werden.
Wann ist der Einsatz von Erdkollektoren zu empfehlen?
Erdkollektoren benötigen viel Platz. Daher sollten sie diese einsetzen, wenn genügend Fläche für die Installation zur Verfügung steht. Diese Fläche darf anschließend nicht überbaut oder versiegelt werden.
Die Anwendung von Erdkollektoren empfiehlt sich besonders auf Grundstücken mit feuchten Böden, da diese Eigenschaft dem System entgegenkommt. Wichtig ist, dass das Grundstück zugänglich für Baumaschinen ist und darauf großflächige Erd- und Baggerarbeiten bis 2,0 m Tiefe möglich sind.
Vor- und Nachteile von Erdkollektoren
Kommen wir zu den Vor- und Nachteilen von Erdkollektoren. Bevor wir ins Detail gehen, zuerst eine Tabelle für einen besseren Überblick.
| Vorteile | Nachteile |
|---|---|
| günstiges und unkompliziertes System | viel Grundstücksfläche notwendig |
| einfach zu installieren | aufwändige Verlegung der Rohre |
| Teil der Arbeiten können selbst ausgeführt werden, sodass sich die Investitionskosten senken lassen | Bodenbeschaffenheit beeinflusst die Effizienz des Systems (und sollte vorab genauestens ermittelt werden) |
| hoher Wirkungsgrad | hoher Stromverbrauch der Wärmepumpe |
| keine Zusatzheizung notwendig | |
| Erdarbeiten können ohne Genehmigung ausgeführt werden |
Im Vergleich zu anderen geothermischen Kollektoren weisen Erdkollektoren zwei große Vorteile auf:
- sie sind günstiger
- sie sind einfacher zu installieren
Denn obwohl Erdkollektoren eine größere Installationsfläche als andere Systemarten benötigen, ist das notwendige Material relativ günstig und einfach zu verlegen. Dadurch können Sie viele Arbeiten selbst ausführen und Kosten für Fachinstallateure sparen.
Das System von Erdkollektoren mit Wärmepumpe hat einen hohen Wirkungsgrad. Bei fachgerechter Auslegung ist ein monovalenter Betrieb ohne Zusatzheizung möglich.
Verglichen mit anderen Flächenkollektoren ist die Verlegetiefe bei Erdwärmekollektoren relativ gering. Das führt dazu, dass die Kosten für Erd- und Baggerarbeiten überschaubar bleiben. Bei Neubauten könnten diese Arbeiten gleich beim Ausheben der Baugrube mit vorgenommen werden.
Und das ohne eine behördliche Genehmigung ersuchen zu müssen, denn Erdarbeiten in dieser Tiefe sind nicht genehmigungspflichtig. Es besteht allerdings eine Meldepflicht für Verlegungsarbeiten beim Landratsamt. Außerdem müssen Erdkollektoren bei der unteren Wasserbehörde angezeigt werden.
Es gibt jedoch auch Faktoren, die sich negativ auf die Erdkollektoren auswirken können. Zum einen beeinflusst die Bodenbeschaffenheit die Wärmeaufnahme und muss vorab genauestens eruiert werden, zum anderen besteht ein hoher Flächenbedarf. Je nach Heizbedarf und Bodenbeschaffenheit kann die notwendige Erdkollektorfläche verhältnismäßig hoch ausfallen.
Des Weiteren fällt der Stromverbrauch für Sole-Wasser-Wärmepumpen in Kombination mit Erdkollektoren höher als bei anderen Flächenkollektoren. Der Grund dafür sind die langen Soleleitungen. Um diese zu durchströmen, muss die Wärmepumpe in Relation mehr Energie verbrauchen.
Auslegung von Erdkollektoren
Die genaue Auslegung von Erdkollektoren ist unter anderem von der Bodenbeschaffenheit abhängig. Es eignen sich eher feuchte Böden, da sie mehr Wärme aufnehmen und speichern können. Je trockener und sandiger das Erdreich ist, desto schlechter lässt sich die Wärme an den Erdkollektor übertragen. Des Weiteren wird die Entzugsleistung von den jährlichen Betriebsstunden beeinflusst.
-> Erfahren Sie mehr: Planung und Auslegung von Flächenkollektoren
Was kosten Erdkollektoren?
Die Kosten für Erdkollektoren mit Wärmepumpe liegen insgesamt zwischen 20.000 € und 25.000 €. Sie hängen stark vom Heizbedarf und von der Bodenbeschaffenheit ab, da größere Kollektorflächen zu höheren Kosten führen. Allerdings können Sie Erdarbeiten und Verlegung selbst übernehmen, was wiederum zu Kosteneinsparungen führen kann.
Die Kosten lassen sich folgendermaßen aufteilen:
- Anschaffungs- und Materialkosten für Sole-Wasser-Wärmepumpe, PE-Rohr und Zubehör: 16.000 bis 19.000 €
- Installationskosten u.a. Erschließung und Verlegung von Kollektoren sowie Grabarbeiten: 4.000 bis 6.000 €
Zu den einmaligen Investitionskosten müssen die laufenden Kosten für Betrieb und Instandhaltung einkalkuliert werden.
Die Investitionskosten für eine Sole-Wasser-Wärmepumpe und Erdkollektoren lassen sich mittels staatlicher Förderungen erheblich senken.
Die Betriebskosten entstehen aus dem Stromverbrauch der Wärmepumpe. Wie oben beschrieben, verbraucht die Wärmepumpe in Verbindung mit einem Erdkollektor mehr Strom als andere Kollektorarten. Die Auswirkung von diesem Nachteil lässt sich allerdings durch Anschaffung einer Photovoltaikanlage minimieren.
Das System ist relativ wartungsarm. Lediglich die Wärmepumpe sollte einmal im Jahr von einem Fachbetrieb gewartet werden. Die Wartungskosten belaufen sich zwischen 150 und 300 €.
Fazit
Erdkollektoren sind eine günstige und unkomplizierte Art und Weise, die Erdwärme zu nutzen. Das System ist einfach aufgebaut und falls Sie handwerklich begabt sind, können Sie einen Großteil der Installationsarbeiten selbst in die Hand nehmen. Falls Sie ein großes Grundstück besitzen, sollten Sie Erdkollektoren mit Wärmepumpe zum Heizen Ihres Einfamilienhauses jedenfalls in Betracht ziehen. Die Auslegung und Planung sollten Sie jedoch den Fachleuten überlassen.
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