Ein Erdwärmekollektor gehört zu einer Wärmepumpe – soweit so klar. Aber was ist das genau? Wo liegt der Unterschied zwischen einem Erdkollektor und einer Erdsonde? Und wenn ich einen Erdkollektor bauen möchte – wie mache ich das? Diese Fragen beantworte ich dir hier in diesem Artikel!
Was ist ein Erdkollektor?
Ein Erdkollektor ist vereinfachend gesagt ein riesiger Wärmetauscher im Erdreich. Technisch gesehen besteht ein Erdkollektor nur aus PVC-Rohren, durch die eine Sole fließt. Die Rohre liegen so tief im Erdreich, dass eine möglichst konstante Temperatur herrscht. So kann sich die Sole beim durchfließen erwärmen und die Energie aus dem Erdreich aufnehmen. Im Gebäude kann wird dann über eine Wärmepumpe die Energie an den Pufferspeicher oder Heizkreis übertragen und die abgekühlte Sole wird wieder ins Erdreich geleitet.
Im Unterschied zu einer Erdsonde, wo ein tiefes Loch vertikal gebohrt wird, wird ein Erdkollektor flächig in den oberflächennahen Boden eingebracht.
Wie bemesse ich einen Erdkollektor?
Als erstes muss die Heizlast des Gebäudes bestimmt werden. Diese ist oft Teil des Wärmeschutznachweises oder einer Effizienzhausberechnung. Die Heizlast bestimmt die Leistung der Heizung, um bei einem standardkalten Tag (die angesetzte Außenlufttemperatur variiert je nach Standort, liegt jedoch meist um die -10°C) im gesamten Haus 20°C Innenraumtemperatur zu halten. Nicht überraschend ist das ausschließlich von den U-Werten der Außenbauteile abhängig. Zudem kann und sollte noch ein Aufschlag für Warmwasser hinzugerechnet werden, wenn die Heizungsanlage auch dafür verwendet wird.
Mit der Heizlast kann dann die Größe des Erdkollektors bestimmt werden. Dazu muss man mehrere Eigenschaften in Erfahrung bringen oder abschätzen. Sehr wichtig sind hier die Bodenverhältnisse, die zum einen die Wärmeleistung des Kollektors und damit einhergehend die Tiefe des Kollektors bestimmen. So kann nach VDI 4640 Blatt 2 grob in folgende Kategorien unterteilt werden:
| Bodenbeschaffenheit | Wärmeentzugsleistung [W/m²] |
| trocken, sandig | 10 – 15 |
| feucht, sandig | 15 – 20 |
| trocken, lehmig | 20 – 25 |
| feucht, lehmig | 25 – 30 |
| grundwasserführend | 30 – 35 |
Eine Mindesttiefe von 1,20-1,50m sollte immer eingehalten werden, um zum einen die Leitungen frostfrei einzubauen. Aber auch um eine ausreichende Abkopplung der saisonalen Temperaturschwankungen zu erzielen. Die letztendliche Tiefe des Kollektors ist dann davon abhängig in welcher Bodenschicht der Kollektor verbaut werden soll.
Fläche des Erdkollektors bestimmen
Ist die Bodenschicht und damit die Wärmeentzugsleistung bestimmt, kann die Größe des Kollektors überschlägig berechnet werden. Standardmäßig geht man von einem Abstand der Kollektoren von 0,50m und einer maximalen Länge pro Kollektorschleife von 100m aus. Passenderweise bekommt man im Handel die Rohre entsprechend diesen Spezifikationen gleich auf einer 100m-Rolle mit einem Durchmesser von ca. 0,5m. Es empfiehlt sich also den Erdkollektor so zu bemessen, dass eine 100m-Rohr immer wieder passend im Sammel-/Revisionsschacht ankommt. Das bedeutet die Länge sollte 50m (hin + zurück) oder 25m (hin + zurück + hin + zurück) betragen.
Die überschlägige Rechnung ist dann:
A [m²] = Heizlast [kW] * 1000 / Wärmeentzugsleistung [W/m²]
Beispiel:
A = 8,5 kW * 1000 / 25 W/m² = 340 m²
Für eine monovalente Wärmepumpe ist damit die Fläche schon bestimmt, eine bivalente Wärmepumpe benötigt nur ca. 50% der so berechneten Fläche.
Beispiel:
Monovalente Wärmepumpe = 340 m²
Bivalente Wärmepumpe = 170 m²
Dann berechnet man die notwendige Rohrlänge des Kollektors mit folgender Formel:
L = A [m²] / 0,5m (1m laufendes Rohr benötigt 0,5m Seitenabstand)
Beispiel:
L = 170 m² / 0,5m = 340m Rohrlänge
Die tatsächliche Breite der gesamten Kollektorfläche bestimmt man mit der vorher gewählten Länge von 50m oder 25m, abzüglich des nicht notwendigen Randabstands von 0,5m. Die notwendige Rohrlänge sollte dabei möglichst genau gewählt werden. Hier bietet sich 25m Länge und 3,5 Schleifen (340m / 100m = 3,4 ~ 3,5) an.
b [m] = Schleifen * (100m/ l [m]) * 0,5m – 0,5m
Beispiel:
b = 3,5 * (100m/25m) * 0,5m – 0,5m = 6,5m
Achtung: Um die Baugrube möglichst effizient zu nutzen, ist der Randabstand abgezogen. Die Schleifen werden beidseitig direkt an die Baugrubenwand/Böschung und nur untereinander mit 0,50m Abstand gelegt.
Grundsätzlich sollte der Kollektor passend bemessen und geplant werden. Ein zu großer Kollektor büßt an Effizienz durch zu hohe Pumpenleistungen ein und kann die zusätzlich bereitgestellte Energie nicht nutzen. Ein zu kleiner Kollektor kühlt zu schnell aus und vermindert so eine ausreichende Effizienz der Wärmebereitstellung. In diesem Fall muss die Wärmepumpe mit Strom zuheizen. Ob nach oben oder unten abgeschätzt wird, liegt hauptsächlich an den gewählten Eingangsparametern des Bodens. Am Ende ist es eine individuelle Entscheidung.
Sieh dir hier das Beispiel eines EH 40 mit Erdkollektor an.
Wie wird der Erdkollektor gebaut?
Ein Erdkollektor wird in der Regel flächig horizontal gebaut. Dazu muss entsprechend eine große Fläche des Grundstücks zunächst einmal ausgehoben werden. Hier ist zu beachten, dass der Aushub natürlich auch ordentlich gelagert werden muss. Erfahrungsgemäß kann man dafür temporär noch einmal die gleiche Fläche veranschlagen.
ACHTUNG: Ab 1,25m Tiefe ist eine Baugrubensicherung notwendig!! Bedeutet entweder eine Böschung oder ein Verbau – je nach anstehendem Boden.
ACHTUNG: In vielen Gemeinden wird eine wasserrechtliche Erlaubnis benötigt, wenn ein Erdkollektor eingebaut wird. Spätestens wenn der Erdkollektor im Wasser liegen soll, ist für die Zeit des Aushubs eine genehmigungspflichtige Grundwasserabsenkung notwendig. Unbedingt VORHER bei der Gemeinde informieren!
Ist die Baugrube auf die entsprechende Tiefe ausgehoben, können die Rohre auf der Sohle ausgelegt werden. Hilfreich ist alle paar Meter eine Beschwerung (wie z.B. Steine) auf die Rohre zu legen. Das geht auch, indem direkt wieder Boden auf die Rohre gebracht wird. Verbindet Vor- und Rücklauf der einzelnen Schleifen im Sammel-/Revisionsschacht direkt mit z.B. Panzertape miteinander. Denn ist der Kollektor erstmal aufgefüllt, kann man die Rohre nicht mehr auseinander halten. Beim Zuschütten der Baugrube mit einem Bagger muss äußerst sorgfältig vorgegangen werden, da sich die Rohre sonst sofort wieder verschieben. Bewährt hat sich das befüllen von hinten nach vorne – also entlang der Länge der Rohre.
Die Fläche sollte nachher nicht bebaut oder versiegelt werden. Eine Bepflanzung ist möglich, durch die Tiefe von > 1,20m werden die Wurzeln nicht beeinträchtigt. Beim Befüllen der Baugrube muss natürlich auch auf die korrekte Einbringungen der verschiedenen Bodenschichten geachtet werden. Wenn der Kies am Ende oben liegt, wächst da auch keine Blume mehr.
Zu guter Letzt: Dokumentiert den Baufortschritt ausgiebig. So kann im Nachgang sauber nachvollzogen werden, wo der Kollektor genau liegt.
Fazit
Es ist recht einfach einen Erdkollektor überschlägig zu bestimmen. Wenn die Anforderungen aufwendiger sind, muss unbedingt auf einen Fachplaner (z.B. TGA-Planer) zurückgegriffen werden! Baugrube und Genehmigung sind wichtige Punkte, die unbedingt beachtet werden müssen. Hier kann Fahrlässigkeit zum Rückbau (Genehmigung) oder Verletzung bis hin zum Tod (Einsturz der Baugrube) führen.
* Die Erklärungen in diesem Blog sind natürlich vereinfacht. Fachlich könnte man viele der Themen deutlich mehr ausarbeiten und komplexer beschreiben. Dazu kann man sich gerne der gängigen Fachliteratur bedienen.
Für die Planung nach dieser Vorgehensweise wird ausdrücklich KEINE Haftung übernommen!
