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Planung einer Wärmepumpe mit Flächenkollektor
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Bemessung von Flächenkollektoren
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.
Sollen Flächenkollektoren auch zum direkten Kühlen von Gebäuden eingesetzt werden, so sollte fließendes Grundwasser und die Grundwassertemperatur berücksichtigt werden. Spitzenkühllasten können aber auch über spezielle Kältemaschinen abgedeckt werden.
Wegen der Gefahr eines Druckverlustes sollte generell die Rohrstranglänge nicht zu groß werden und in der Regel 100 Meter nicht überschreiten.
Verlegung von Flächenkollektoren
- Schema der Flächenkollektorverlegung als Schnecke
- Schema der Flächenkollektorverlegung als Doppelmäander
- Schema der Flächenkollektorverlegung als Tichelmann
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 können.
Flächenkollektoren können sowohl in Gräben als auch natürlich flächig 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.
Montage von Flächenkollektoren
Schritt 1: 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.
Schritt 2: Die Rohre des Flächenkollektors werden ausgelegt, ausgerichtet und mit Erdnägeln fixiert. Die Biegeradien der PE-Rohre sollten bei der Planung der Verlegung unbedingt beachten werden.
Schritt 3: Die Erdnägel werden mit Sand bedeckt, sodass dieser nach dem Entfernen der Erdnägel die Rohre fixiert. Danach werden die Rohre mit Sand abgedeckt. Unter bestimmten Bedingungen können die Rohre auch mit dem vorhandenen Erdreich eingeschlemmt werden.
Schritt 4: Die Rohrleitungen werden mit bereits vorgemischtem Wärmeträgermedium befüllt. Als Faustformel gilt, dass der Frostschutz um 7 K unter der minimalen Verdampfertemperatur liegen sollte. Dann werden die Rohrleitungen über einem offenen Gefäß durchgespült bis sie luftfrei sind. Die Rohrleitungen, der Verteiler und die Anschlussleitungen müssen dann mit 1,5-fachem Betriebsdruck abgedrückt werden.
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Neueste Beiträge und Fragen zum Thema
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Sehr geehrte Herren, wir beabsichtigen ein Haus mit ca. 300qm zu sanieren und das komplette Heizungs-/Warmwassersystem zu erneuern. Idee dabei ist, eine Wärmepumpenanlage mit einer PV-Anlage zu kombinieren. Da ausreichend Grundstücksfläche vorhanden ist, würde sich ein Flächenkollektor für die WP-Anlage anbieten. Frage: Es wird immer wieder davon gesprochen, den Flächenkollektor in einer Tiefe von 1,2 bis 1,5 anzuordnen. Warum ordnet man ihn nicht einfach noch tiefer an, um eine möglichst hohe Temperatur abgreifen zu können? Gerade dieser Effekt wird ja wohl auch bei Wärmekörben genutzt, deren Hersteller versuchen, sich vom klassischen Flächenkollektor auf diese Weise zu differenzieren. Ich freue mich auf Ihre Antwort.
Da das Temperaturniveau bis in etwa 10 Meter Tiefe konstant ist, steht sowohl für Flächenkollektoren als auch für Wärmekörbe das gleiche Temperaturniveau zur Verfügung. Erst ab einer Tiefe von 10 Metern erhöht sich langsam die Temperatur. Entscheidend für die Effizienz der Wärmepumpe ist die Kälteentzugsleistung, die bei gleichem Temperaturniveau dann von der Fläche des Erdwärmetauschers abhängig ist. Bei Wärmekörben sollte speziell darauf geachtet werden, welche Entzugsleistung der Anbieter pro Korb prognostiziert. Diese sollte dann von einem Fachmann kontrolliert werden. Ein ebensolches Vorgehen, ist auch bei Flächenkollektoren zu empfehlen.
Bei uns kommt eine Tiefenbohrung aufgrund eines in der Nähe befindlichen Mineralbrunnens nicht in Frage. Etwa 50 m von meinem Haus besitze ich eine Freifläche, die sich sehr gut für Flächenkollektoren eignen würde. Ist es möglich, von dort aus, eine lange Verbindungsleitung zum Haus zu legen?
Eine Verbindungsleitung über 50 Meter ist kein Problem, sofern Sie frostfrei verlegt wird. Unter Umständen könnte man diese auch noch etwas tiefer einbringen und stärker wärmeisolieren. Grundsätzlich spricht aber nichts dagegen, die Anbindung des Flächenkollektors über diese Distanz vorzunehmen.
Wir planen gerade ein neues Haus und haben gehört, dass Flächenkollektoren bei steinigen (Schotter) Böden nicht geeignet ist. Stimmt das?
Steiniger Boden ist bei einem Flächenkollektor natürlich etwas problematisch. Dieser könnte später unter Umständen zu Schäden am Flächenkollektor führen. Wenn Sie allerdings beim Ausschachten Sorge tragen, den Graben ausreichend von Steinen zu befreien und den Kollektor einsanden, sollte die Verlegung trotzdem möglich sein.
Wir bauen bald ein freistehendes Haus mit 145qm Wohnfläche. Das Haus wird ein kfW 70 Haus. Wir möchten gerne auch auf Erdwärme. Tiefenbohrung kommt für uns nicht in Frage, einfach viel zu teuer, weil 3x75m gebohrt werden müssen. Ein Heizungsbauer hat uns diese Erdkollektoren in 1,20 m Tiefe angeboten. Das Haus wird ein Energie Bedarf von 7 bis 8 KW haben. Er meint mit 5 Kreisen auf 170qm Kollektorfläche, wobei die Rohre im Abstand von 35 cm liegen würde es dicke reichen. Eigentlich würden 4 Kreise reichen aber der 5 Kreis wäre Reserve. Was meinen Sie dazu? Reichen wirklich 170qm um ein Haus mit 145qm mit Heizung und WW zu versorgen?
Bei einem Energiebedarf von 8 kW sollten Sie bei einer Erdwärmeheizung in einem privat genutzten Einfamilienhaus in etwa kalkulieren, dass Sie rund 6 kW aus dem Boden benötigen. Rechnet man, dass Sie mit einem normalen Flächenkollektor etwa 30 Watt pro Quadratmeter „einsammeln“, so bräuchten Sie eine Fläche von etwa 200 Quadratmetern. Wir würden Ihnen daher empfehlen, eher auf die besagten 5 Kreise zu achten.
Ich möchte 2012 ein 250m2 großes Haus bauen mit Keller, EG und OG. Ich werde gut dämmen bis Richtung Passivhaus. Ich habe ein 900m2 großes Grundstück. Was wäre für mich die beste Lösung? Flächenkollektoren oder Boruhng?
Zwischen der Nutzung eines Flächenkollektors und Erdsondenbohrungen kann man keine Wertung abgeben, sofern beide Erdwärmetauscher die gleiche Kälteentzugsleistung aufweisen. Von den genannten Daten käme ein Flächenkollektor durchaus in Betracht. Nun müsste zunächst geprüft werden, welche Fläche benötigt wird und, welche Kosten mit der Installation des Flächenkollektors im Verhältnis zur dementsprechenden Erdsondenbohrung verbunden wären. Bei gleicher Entzugsleistung und bekannten Kosten für beide Erdwärmetauscher könnten Sie sich dann für die günstigere Variante entscheiden.
Wir planen derzeit unser EFH mit einer Flächenkollektor-WP. Nun hat sich beim Ausheben der Baugrube herausgestellt, dass unser Boden fast ausschließlich aus trockenem Sand besteht. Ist ein Flächenkollektor bei diesen Bodenverhältnissen noch sinnvoll (niedrige Entzugsleistung)? Wir werden ca. 150m2 Wohnfläche haben, das Grundstück hat 440m2. Danke für eine Antwort!
Trockener Sandboden weist in der Regel eine geringere Kälteentzugsleistung auf als z. B. feuchter Sandboden. Das heißt, dass der Flächenkollektor dann größer ausgelegt werden müsste. Bei 440m2 Grundstück und einer zu beheizenden Wohnfläche von 150m2 könnte es „knapp“ werden, einen ausreichend großen Flächenkollektor zu verlegen. Eine genauere Beurteilung ist aber nur auf Grundlage detaillierterer Daten zum Wärmebedarf und zur zu erwartenden Entzugsleistung des Bodens möglich.
Wenn man nur eine kleine Grundstücksfläche (einige 10qm) zur Verfügung hat, macht es dann Sinn, einen kleinen Flächenkollektor zu verlegen, der nur für die Warmwasserbereitung verwendet wird? Wie hoch wäre der Flächenbedarf für 4 Personen bei reinem Sommerbetrieb bzw. Ganzjahresbetrieb? Gibt es für reine Warmwasserbereitung kompakte Wärmepumpen?
Aus technischer Sicht steht einer reinen Brauchwassererwärmung über eine Wärmepumpe und einen Flächenkollektor nichts entgegen. Aus energetischer Sicht muss jedoch angemerkt werden, dass das Brauchwasser höherer Temperaturen bedarf als Heizungswasser und daher geringere Jahresarbeitszahlen im Verhältnis zur Brauch- und Heizwassererwärmung resultieren. Entscheidender für das Für und Wider einer solchen Installation werden aber wohl die Kosten für Flächenkollektor und Wärmepumpe sein. Tendenziell werden diese so hoch sein, dass sich diese Anlageform nur schwerlich „rechnen“ wird. Auch aus dieser Sicht bietet es sich an, Wärmepumpe und Flächenkollektor so auszulegen, dass auch die eigentliche Heizung hierüber stattfinden kann.
Hallo erstmal, ich hätte da mal eine Frage zur Bebauung von Kollektorflächen. Meine Kollektoren liegen auf 700m2 ich wollte in der Mitte der Fläche eine Reihe von Carports aufbauen nun suche ich jemanden der mir helfen kann ob das geht oder ob ich lieber sein lassen soll? Grundstück ist sehr feucht.
Grundsätzlich sollte man natürlich alles vermeiden, was den Flächenkollektor „beschattet“, vermeidet, dass Regenwasser in die Fläche eindringen kann, oder den Boden in der Weise verdichtet, dass eine normale Zirkulation an Grundwasserströmen beeinträchtigt ist. Sofern ein Flächenkollektor aber großzügig dimensioniert wurde und man o. g. Gesichtspunkte beachtet, ist der Aufbau der Carports aber durchaus denkbar.
Hallo, wie verhält sich der Flächenkollektor gegenüber Rasen? Geht dieser ein oder verträgt dieser den Wärmeverlust des Bodens. Was sollte man beachten?
Wird ein Flächenkollektor in einer für diesen vorgesehenen Tiefe und in einer zum Heizwärmebedarf entsprechenden Größe verlegt, so sind keine Beeinträchtigungen für den Rasen oder andere Pflanzen zu befürchten. Diese Prämissen vorausgesetzt wird dem Boden entsprechend des Prinzips eines Erdwärmetauschers Wärme entzogen, die jedoch durch Phasen der Regeneration, Kühlbetrieb oder geothermischer Beschaffenheit des Untergrunds sich wieder zum ursprünglichen Temperaturniveau ergänzt. Nur wenn diese Ergänzung nicht gegeben ist, erfolgt eine mittel- bis langfristige Auskühlung mit entsprechenden Folgen für die Flora.
Ich möchte wissen, ob der Flächenkollektor in absoluter Waage in den Gräben ausgebracht werden muß? Bei uns steigt das Gelände um ca. 20 bis 30 cm.
Ein Flächenkollektor sollte waagerecht verlegt werden. Allerdings sind gewisse Abweichungen tolerierbar. Zudem ist eine ansteigende Zuleitung positiv, da so der Flächenkollektor besser entlüftet werden kann. Bei weiteren Fragen können Sie gerne auf uns zurückkommen.
Ich werde in Zukunft bauen und bei derzeitigem Planungsstand ergibt sich eine Wohnfläche von 200 m2. Das haus ist ein Niedrigenergiehaus. Reichen hier 350 m2 Grünfläche zur Beheizung mit Erdwärme aus? Können die Leitungen, falls dies nicht ausreicht, auch in zwei Schichten verlegt werden (z.B. 1,5 Meter und 3 Meter Tiefe)? Vielen Dank für Ihre Antwort.
Ein Flächenkollektor ist in aller Regel beim Neubau eines Hauses eine kostengünstige Art und Weise, einen geeigneten Erdwärmetauscher herzustellen. Als Faustformel können Sie in etwa das 1,5- bis 2fache der zu beheizenden Nutzfläche als Größenordnung für den Flächenkollektor kalkulieren. Wir empfehlen jedoch, eine absolute Mindestfläche von 200m2 nicht zu unterschreiten und eine finale Detailplanung anhand Ihres berechneten Wärmebedarfs und der Untergrundverhältnisse anzustrengen.
Einen Flächenkollektor übereinander ins Erdreich einzubringen ist vermutlich technisch möglich. Ob sich hieraus auch eine Verdopplung der Entzugsleistung und ceteris paribus eine Halbierung der benötigten Fläche ergibt, ist fraglich. Zudem wird es wohl außerdem teurer werden, als die äquivalente Verlegung des Flächenkollektors in „einer Schicht“. Wir empfehlen zu prüfen, ob nicht eine Erdsonde infrage käme. Falls dies aus genehmigungsrechtlicher Sicht ausgeschlossen sein sollte, könnte Sie auch über eine Luftwärmepumpe nachdenken. Gerne stehen wir Ihnen bei diesen Überlegungen beratend zur Seite.
Wenn die Fläche nicht der Grenzfaktor ist kann man die Erdleitung auch einfach nur hin und zurück gerade aus legen?
Theoretisch könnte man eine lange Schlange einer Soleleitung verlegen. Praktisch erhöht sich allerdings der Durchflusswiderstand, sodass es etwa ab einer Leitungslänge von 100 Metern sinnvoller ist, eine weitere Leitung zu legen. Gerne planen wir Ihren Flächenkollektor und führen diesen auch gerne aus.
Ich beziehe bald ein Haus in 26215 Wiefelstede mit 300qm Wohnfläche und Energieverbrauchskennwert 125kw/(m2.a). Wieviel Bodenfläche würde benötigt, um eine volle bzw. eine der existierende Heizung unterstützende Flächenkollektor-Wärmepumpenheizung zu versorgen? Es ist mindestens 300m2 Rasenfläche verfügbar.
Überschlägig kann Folgendes zur Beantwortung Ihrer Frage kalkuliert werden: Bei einem Bedarfswert von 125 kW/m2a und 300m2 beheizter Nutzfläche ist von einem Gesamtwärmebedarf von etwa 16 kW auszugehen. Zur Bereitstellung dieser Leistung per Erdwärme, in diesem Fall einem Flächenkollektor, bedarf es 12 kW Kälteentzugsleistung. In Abhängigkeit der Geologie insbesondere der Feuchte des Bodens kann von 15 W/m² (trockener Boden) bis zu 45 W/m² (durchtränkter Boden) ausgegangen werden. Legt man einen Mittelwert von 25 W/m2 zu Grunde, so resultiert ein notwendiger Platzbedarf von 480 m2. Dies entspricht in etwa dem 1,5fachen Platzbedarf im Verhältnis zur zu beheizenden Nutzfläche. Tendenziell ist damit Ihr Grundstück für die Installation eines ausreichend großen Flächenkollektors als zu klein anzusehen. Natürlich sind dies nur Schätzwerte und die dargestellte überschlägige Ermittlung ersetzt keine fachmännische Auslegung, jedoch ist anzuraten andere Techniken wie z. B. Erdsonden, Erdwärmekörbe oder eine Luftwasserwärmepumpe in Erwägung zu ziehen. Wir unterstützen Sie gerne dabei und stehen Ihnen jederzeit gerne für Sie zur Verfügung.
Meine Anfrage wäre über die Erdwärmegewinnung als Alternative zu meiner 10 jährigen Gasheizung. Ich besitze ein Grundstück von 300qm incl. Haus, also ca. 150qm Gartenfläche. Wie könnte ich hier am Besten Erdwärme nutzen?
Erdwärme ließe sich für Heizzwecke in Ihrer Immobilie vermutlich nur durch Erdwärmesonden nutzbar machen, da Ihr Grundstück für die Verlegung eines Flächenkollektors oder Spiralsonden zu klein ist.
Wenn Sie möchten erstellen wir Ihnen gerne eine Kostenschätzung. Dazu bräuchten wir jedoch nähere Angaben zu Ihrer Immobilie, die wir anhand eines Fragebogens erheben: Link zum Fragebogen
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