Planung und Auslegung von Flächenkollektoren: Tipps aus der Praxis

Stefano Fonseca
Zuletzt aktualisiert: 28/01/2023
Kategorie: Wärmepumpe

Sie haben sich entschieden, eine Sole-Wasser-Wärmepumpe mit Erdkollektoren zum Beheizen Ihres Einfamilienhauses zu verwenden? In diesem Artikel helfen wir Ihnen, sich für das Verkaufsgespräch mit einem Fachunternehmen vorzubereiten. Wir erklären Ihnen, wie Erdkollektoren berechnet werden und was Sie bei der Installation beachten sollten.

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Wie berechne ich den Flächenbedarf für Erdkollektoren?

Als Grundlage zur Berechnung von Erdkollektoren wird die VDI-Richtlinie 4640 angewendet. Das Ziel ist die Auslegung der Erdkollektorfläche, Rohrleitungslängen und Anzahl an Sole-Kreisen. Dafür stellt die VDI 4640 Richtwerte für folgende Faktoren:

  • Kälteentzugsleistung der Wärmepumpe
  • Jahresbetriebsdauer
  • spezifische Entzugsleistung des Erdreichs
  • Abstände zwischen Soleleitungen

Grundsätzlich empfiehlt es sich, Auslegung, Planung und Ausführung einem qualifizierten Unternehmen zu überlassen. Schließlich verfügen solche Unternehmen über Expertise und Erfahrung, die einen wichtigen Einfluss auf die endgültige Planung haben. Beispielsweise ist zur Auslegung von Erdkollektoren vorerst eine Heizlastberechnung nötig, um die Wärmepumpe auslegen zu können.

Damit Sie jedoch ein besseres Verständnis für die Auslegungsdaten bekommen, möchten wir Ihnen anhand eines Beispiels die wichtigsten Schritte erklären. Für unser Beispiel wählen wir folgende Eckdaten:

1. Kälteentzugsleistung der Wärmepumpe ermitteln

Die Kälteentzugsleistung (auch Kälteleistung) einer Wärmepumpe ist in den technischen Datenblättern des Herstellers zu finden. Um die Kälteleistung einer Wärmepumpe zu ermitteln, subtrahiert man der Nenn-Wärmeleistung die elektrische Aufnahmeleistung.

  • Kälteleistung = Nennwärmeleistung - elektrische Aufnahmeleistung

Für unsere Beispielrechnung nehmen wir eine Kälteleistung von 10 kW an.

2. Erdkollektorfläche berechnen

Um die Erdkollektorfläche zu berechnen, teilen wir den obigen Wert für die Kälteleistung durch die spezifische Entzugsleistung.

  • Erdkollektorfläche = Kälteleistung ÷ spezifische Entzugsleistung

In der VDI 4640 lassen sich Richtwerte zur spezifischen Entzugsleistung finden. Die ist zum einen von der Geologie Ihres Grundstückes und zum anderen von der Jahresbetriebsdauer des Systems abhängig.

Nehmen wir an, das System hat eine Jahresbetriebsdauer von 1.800 h. Gemäß VDI 4640 beträgt die spezifische Entzugsleistung bei nichtbindigem Boden 10 W/m2 und bei wassergesättigten Boden 40 W/m2. Um den genauen Wert zu ermitteln, müsste die Bodenbeschaffenheit genauer untersucht werden. 

Verwenden wir für die Beispielrechnung einen Mittelwert von 25 W/m2.

  • Erdkollektorfläche = 10.000 W ÷ 25 W/m2 = 400 m2

Bei unserem Beispiel würde die Kollektorfläche bei 400 m2 liegen.

3. Rohrlänge auslegen

Anhand der Kollektorfläche und den in der VDI 4640 vorgegebenen Abständen zwischen Soleleitungen können wir die Rohrlänge bestimmen.

  • Rohrlänge = Erdkollektorfläche ÷ Rohrabstand

Die Rohrabstände hängen von den Rohrgrößen ab. Diese Richtwerte werden ebenfalls in der VDI 4640 vorgegeben:

  • DN20: 30 cm
  • DN25: 50 cm
  • DN32: 80 cm
  • DN40: 120 cm

Zwecks der Beispielrechnung nehmen wir ein DN32-Rohr an. Somit ist ein Abstand von mindesten 80 cm zwischen den Leitungen einzuhalten.

Zur Rohrdimensionierung müssen die Entzugsleistung, die Temperaturspreizung zwischen Vor- und Rücklauf sowie der Volumenstrom berücksichtigt werden. Der Rohrquerschnitt wird umso größer, je größer die Entzugsleistung sein soll.

  • Rohrlänge = 400 m2 ÷ 0,8 m = 500 m

Für unser Beispiel ergibt sich eine Rohrlänge von 500 Meter.

4. Verteiler dimensionieren

Als Letztes muss der Verteiler dimensioniert werden. Um die Anzahl an Solekreisen zu berechnen, wird die Rohrlänge durch 100 geteilt.

  • Anzahl Solekreise = Rohrlänge ÷ 100

Damit die Wärmepumpe die einzelnen Kreise gerecht durchströmen kann, sollte ein Kreislauf idealerweise um die 100 m überschreiten. Um die Gefahr eines Druckverlustes zu vermeiden, sollten die Rohrlängen nicht zu groß werden.

  • Anzahl Solekreise = 500 m ÷ 100 m = 5 Stück

In diesem Fall wird unser Verteiler insgesamt 10 Anschlüsse haben: 5 Vorlauf- und 5 Rücklaufanschlüsse.

5. Ergebnis

Zusammengefasst ergeben sich aus unserer Beispielberechnung folgende Daten:

  • Erdkollektorfläche: 400 m2
  • Rohrlänge: 500 Meter
  • Verteilergröße: 10 Anschlüsse, 5 Vorlauf- und 5 Rücklaufanschlüsse

Wie und in welcher Tiefe werden Erdkollektoren verlegt?

Die VDI 4640 empfiehlt das Verlegen der Soleleitungen auf einer Tiefe von 1,2 bis 1,5 Metern. Dies hängt damit zusammen, dass Erdkollektoren im Wesentlich durch Sonneneinstrahlung und Niederschlag regenerieren. Aus diesem Grund sollten die Kollektoren auch nicht überbaut oder die darüberliegenden Flächen versiegelt werden.

Um die Erdkollektoren verlegen zu können, müssen entweder einzelne Gräben aufgeschlitzt oder eine Baugrube ausgehoben werden. Dies ist meistens von der Bodenbeschaffenheit abhängig. 

Zur Grabenverlegung werden unter Berücksichtigung der Rohrabstände Schlitze mit einem entsprechenden Gerät geöffnet. Anschließend werden die Soleleitungen in diese Schlitze verlegt. Für diese Ausführungsart eignen sich zwei Verlegearten: Doppelmäander und Tichelmann.

Sollten Sie sich für eine Flächenverlegung entscheiden, so wird eine Baugrube in der Größe der Kollektorfläche erstellt. Bei dieser Ausführung werden die Rohre schneckenförmig verlegt.

Ein großer Vorteil des Systems einer Wärmepumpe in Kombination mit Erdkollektoren ist, dass Sie diese Baggerarbeiten selbst übernehmen können. Somit lassen sich die Gesamtkosten etwas reduzieren.  Allerdings sollten Sie dies nur vornehmen, wenn Sie bereits Erfahrung mit Baggerarbeiten haben und es sich zumuten, eine solch große Fläche selbst auszuheben.

Tipps zum Einbau von Erdkollektoren - worauf Sie unbedingt achten sollten

Unabhängig davon, ob Sie die komplette Baumaßnahme an ein Fachunternehmen überlassen oder zum Teil selbst ans Werk gehen, gibt es einige Tipps, die für Sie hilfreich sein können.

Als allererstes sollten Sie bei der Erstellung der Baugrube darauf achten, dass die Kollektorfläche vor dem Verlegen der Rohre planiert wird. Idealerweise mit einer Sandschicht. Außerdem ist es wichtig, im Voraus einen Lagerungsort für die Erde zu schaffen. Um eine Erdkollektorfläche von 100 m2 zu verlegen, können unter Umständen bis zur doppelten Fläche, also 200 m2, ausgebaggert werden müssen.

Achten Sie darauf, dass alle Solekreise gleich lang sind. So gewährleisten Sie eine gleichmäßige Durchströmung aller Kreise und vermeiden aufwändige Regeln der Hydraulikgruppe am Verteiler. 

Des Weiteren sollte jeder Solekreis um die 100 Meter lang sein. Damit die Druckverluste angemessen für das System sind, sollte die Länge nicht unter 50 Meter liegen und die 150 Meter nicht überschreiten. So stellen Sie sicher, dass entweder die Durchströmungsgeschwindigkeit oder die Pumpenleistung zu hoch sind.

Heizungssysteme müssen obendrein entlüftet werden können. Aus diesem Grund sollte bei Erdkollektoren der Verteiler für Vor- und Rücklauf am höchsten Punkt des Grundstückes sein. Platzieren Sie den Verteiler also so, dass alle Leitungen ein absteigendes Gefälle haben.

Zuletzt sollten weder Kies noch Schotter zum Zuschütten der Baugrube verwendet werden. Einerseits verringern die Lufteinlässe die Wärmeleitfähigkeit des Erdreichs, zum anderen können die Rohre beim Zuschütten beschädigt werden.

Fazit 

Sofern Sie ein großes Grundstück haben, sind Erdkollektoren in Verbindung mit einer Sole-Wasser-Wärmepumpe eine kostengünstige Option, um Ihr Einfamilienhaus zu heizen.

Wir empfehlen Ihnen, die Auslegung und die Planung einem Fachunternehmen für Wärmepumpen zu überlassen. Dennoch können Sie sich vorab selbst mit der Thematik auseinandersetzen und ein Gefühl für die Größenordnung der Erdkollektoren bekommen. Rechnen Sie sich selbst Ihr System aus und lassen Sie sich nachträglich von kompetenten und erfahrenen Fachleuten beraten.

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