Wärmepumpe mit Flächenkollektor

Wärmepumpe mit Flächenkollektor: Erdwärme ohne Tiefenbohrung

Hohe Kosten und aufwendige Genehmigungsverfahren machen Erdwärmepumpen für viele Bauherren unattraktiv. Dabei kann sich die Wärmepumpe mit Flächenkollektor oftmals lohnen.

Inhalt des Blogartikels

• Wärme aus dem Erdreich einfacher nutzen dank Wärmepumpe mit Flächenkollektor
• So funktioniert die Wärmepumpe mit Flächenkollektor
• Verlegung der Erdwärmekollektoren
• Alternativen zur klassischen Wärmepumpe mit Erdkollektor
• Wartung und Reparaturen von Wärmepumpen mit Erdwärmekollektor
• Fazit: Vor- und Nachteile von Wärmepumpen mit Erdkollektor

Wärme aus dem Erdreich einfacher nutzen dank Wärmepumpe mit Flächenkollektor

Wärmepumpen sind eine sehr attraktive Technologie, um kostenlose Wärme aus der Luft, dem Wasser oder Erdreich für die eigene Heizungsanlage zu nutzen. Da drei Viertel des Energieaufwands aus diesen Umgebungsmedien gedeckt werden können, fällt die Kostenbilanz für die Wärmepumpe sehr günstig aus.

Die Nutzung von Erdwärme oder Geothermie ist durch Sole-Wasser-Wärmepumpen (Erdwärmepumpen) möglich. Dazu werden sogenannte Kollektoren ins Erdreich eingebracht, die mittels Wärmetauscher Energie aus dem warmen Erdinneren (oder auch vom Grundwasser) zur Wärmepumpe leiten. Von dort aus gelangt die Wärme dann zur Heizungsanlage.

Welche Quelle als Lieferant für die Wärme genutzt wird, ist für das physikalische Funktionsprinzip unerheblich – die einzelnen Wärmepumpe-Arten unterscheiden sich jedoch insbesondere bei den Kosten und dem Installationsaufwand beträchtlich voneinander. So sind Luft-Wasser-Wärmepumpen vergleichsweise günstig und unkompliziert bei der Aufstellung. Allerdings weisen sie besonders im Winter eine geringere Effizienz im Vergleich zur Wärmepumpe mit Flächenkollektor oder Erdsonde auf.

Um Erdwärmepumpen zu nutzen, sind für herkömmliche Erdsonden Bohrungen bis zu 100 Meter Tiefe notwendig. Eine Wärmepumpe mit Flächenkollektor benötigt hingegen keine tiefen Bohrungen und wird in der Regel ohne große Widerstände von den Behörden genehmigt. Aber wo liegt der Unterschied zwischen einer Erdwärmepumpe mit Erdsonde und einer Wärmepumpe mit Flächenkollektor?

So funktioniert die Wärmepumpe mit Flächenkollektor

Während bei Erdwärmepumpen mit Sonden eine oder auch mehrere Erdsonden tief in den Boden geführt werden müssen, kannst du dir Erdwärmekollektoren wie eine überdimensionale Fußbodenheizung im Rückwärtsgang vorstellen.

In einer Tiefe zwischen 1,2 und 1,5 Meter werden Rohrleitungen in Schleifen oder Schlangenlinien verlegt, die ähnlich wie bei der normalen Wärmepumpe mit einem Frostschutz-Wasser-Gemisch oder einem Wärmepumpen-Kältemittel befüllt sind. Diese Medien zirkulieren durch den Flächenkollektor und entziehen dem Untergrund Wärmeenergie – ähnlich dem Prinzip des „umgekehrten Kühlschranks“, wie die Funktion von Wärmepumpen ebenfalls oft bezeichnet wird.

Bei der Verlegung der Leitungen ist es wichtig, die genannte Tiefe von etwa 1,2 bis 1,5 Meter nicht zu unterschreiten. Damit liegst du in Deutschland außerhalb der Tiefe, in der üblicherweise mit Bodenfrost zu rechnen ist. Außerdem ist ein Mindestabstand von rund 60 Zentimeter zwischen den einzelnen Leitungen des Flachkollektors erforderlich. Bei zu geringen Abständen droht die Bildung einer Eisplatte, die ihrerseits isolierend wirkt und den Wirkungsgrad sowie die Entzugsleistung der Wärmepumpe erheblich reduziert.

Im Gegensatz zur klassischen Geothermie in großer Tiefe, bei der die natürliche Erdwärme selbst als Energielieferant dient, ist in dieser geringen Tiefe der Einfluss der Sonneneinstrahlung oder warmer Regenfälle auf den Boden entscheidend. Deswegen sollten Flächenkollektoren für Wärmepumpen nicht auf überbauten Grundstücksflächen installiert werden.

Welche Rolle spielt die Entzugsleistung bei Wärmepumpen mit Flächenkollektoren?

In der Geothermie bestimmt die Entzugsleistung die Wärmemenge, die von der Wärmepumpe (oder anderen entsprechenden Systemen) dem Untergrund in jeder Sekunde entzogen werden kann. Sie wird bei Bohrlöchern üblicherweise in der Maßeinheit Watt pro Meter (W/m) angegeben und ist stark von den örtlichen Gegebenheiten abhängig.

Du benötigst nicht nur eine ausreichend große Fläche auf deinem Grundstück, um die Wärmepumpen-Flächenkollektoren zu verlegen, sondern auch einen hinreichend geeigneten Boden. Die Bodenbeschaffenheit wirkt sich nämlich direkt auf die spezifische Entzugsleistung aus.

Ein sogenannter wassergesättigter Boden kann beispielsweise auf eine Entzugsleistung von 40 W/m² kommen, während nichtbindige Böden unter Umständen nur 10 W/m² oder noch weniger an den Erdwärmekollektor abgeben können. Je schlechter dein Boden für Flächenkollektoren geeignet ist, desto größer musst du die Anlage dimensionieren lassen, um eine ausreichende Menge an Energie liefern zu können.

Ob sich der Investitionsaufwand lohnt, muss also mittels Bodenprobe sorgfältig bestimmt und berechnet werden. In der VDI-Richtlinie 4640 ist eine Formel angegeben, mit der du die Größe der benötigten Kollektorfläche für eine Ersteinschätzung bestimmen kannst. Für die exakte Berechnung solltest du allerdings unbedingt die Hilfe eines Experten für Bauplanung in Anspruch nehmen.

Formel nach VDI-Richtlinie 4640:

Kollektorfläche = Kälteentzugsleistung in W / Entzugsleistung in W/m²

Verlegung der Erdwärmekollektoren

Ist der Boden für die Verlegung eines Flachkollektors geeignet, kannst du die Verlegearbeiten in Absprache mit den Experten durchaus auch in Eigenleistung vornehmen oder zumindest unterstützen. Damit sparst du einiges an Kosten.

Wie hoch die Kosten insgesamt ausfallen, bemisst sich neben der Auswahl der geeigneten Wärmepumpe vor allem an der Größe der Flächenkollektoren und dem damit verbundenen Installationsaufwand. Die gesamte Fläche für den Kollektor wird ausgehoben und planiert. Wichtig ist, Schotter, scharfkantige Steine und andere störende Dinge wie Baumwurzeln zu entfernen, die nicht nur die Entzugsleistung negativ beeinflussen können, sondern auch die Rohrleitungen des Flächenkollektors der Wärmepumpe womöglich beschädigen.

Unabhängig von der gewählten Art der Verlegung (zum Beispiel Mäander oder Schneckenform) sollten die Leitungen stets in feinen Sand eingebettet werden, der Feuchtigkeit besonders gut aufnehmen kann und einen guten Wärmeübergangswert zum Rohrleitungssystem aufweist.

Alternativen zur klassischen Wärmepumpe mit Erdkollektor

Stehen tief verlegte Erdsonden oder ein Flächenkollektor aus baulichen oder technischen Gründen nicht zur Debatte, gibt es Alternativen, um eine Wärmepumpe mit Erdkollektor zu nutzen. Diese arbeiten zwar nach dem gleichen Funktionsprinzip, benötigen aber weniger Raum und lassen sich auch auf kleineren Grundstücken verlegen. Die gängigsten Varianten sind Ringgrabenkollektoren und Erdwärmekörbe.

• Ringgrabenkollektoren sind Flächenkollektoren sehr ähnlich, werden aber nicht auf großer Fläche verlegt, sondern in mehreren, sich überschneidenden Schlaufen rund um das Gebäude platziert.
• Der Erdwärmekorb ist ein kompaktes Gebilde aus korbförmig aufgebauten Rohrleitungen, das in einer Tiefe von 1 bis 4 Meter rund um das Gebäude eingesetzt werden kann. Üblicherweise kommen mehrere Erdwärmekörbe für eine Wärmepumpe zum Einsatz, die sowohl untereinander als auch mit der Wärmepumpe und dem Heizungskreislauf verbunden sind.

Beide Systeme eignen sich ebenso für die Verlegung an Hanglagen, was bei klassischen Erdwärmekollektoren manchmal zu Problemen führen kann, weil sich die Schwerkraft negativ auf das Fließverhalten der Sole auswirkt.

Wartung und Reparaturen von Wärmepumpen mit Erdwärmekollektor

Die Wärmepumpe selbst unterliegt allen Wartungs- und Reparaturanforderungen wie andere Modelle auch. Flächenkollektoren und andere Erdkollektoren wie Erdwärmekorb oder Ringgrabenkollektor benötigen in der Regel keine Wartung, zumal die meisten Systeme frostschutzsichere Sole führen. Typische Defekte treten allerdings oft durch mechanische Schäden an den Rohrleitungen auf, zum Beispiel:

• Zerstörungen durch Wurzeln (Pflanzenwachstum)
• indirekte oder direkte Beeinträchtigungen durch Tiere (zum Beispiel Untergraben der Verlegestelle)
• Undichtigkeiten an Anschlussstellen
• Schäden durch scharfkantige Objekte (Steine)

Ähnlich wie bei der Fußbodenheizung im Haus sind Defekte von Erdkollektoren eher selten. Treten sie auf, bleiben sie jedoch oft unbemerkt, weil nicht sofort die Leistung dramatisch nachlässt. Fehlen größere Mengen der Sole beziehungsweise des Kältemittels, macht sich das allerdings schnell an der Wärmepumpe selbst bemerkbar.

Eine Reparatur ist in jedem Fall Sache eines Fachbetriebs. Für die Umwelt ist der Austritt von Sole normalerweise unproblematisch, da es sich hauptsächlich um Wasser und Glykol handelt.

Fazit: Vor- und Nachteile von Wärmepumpen mit Erdkollektor

Wenn du eine Wärmepumpe mit Flächenkollektor verwendest, ersparst du dir aufwendige Genehmigungen. Zudem ist der Installationsaufwand in der Regel günstiger als bei Tiefenbohrungen, wohingegen die Leistung von Wärmepumpen mit Erdkollektoren der von anderen Wärmepumpen ganzjährig überlegen ist. Voraussetzung sind eine ausreichend dimensionierte Grundstücksfläche und ein geeigneter Boden.

Vorteile

• Es sind zumeist keine aufwendigen Genehmigungsverfahren notwendig.
• Im Gegensatz zu Luftwärmepumpen besteht auch im Winter immer eine ausreichende Heizleistung.
• Bestimmte Systeme von Flächenkollektoren eignen sich auch zur Kühlung im Sommer.
• Es entstehen bei dieser Erdwärmepumpe geringere Kosten als bei Tiefenbohrungen.
• Es besteht die Möglichkeit der Eigenleistung bei der Verlegung von Flächenkollektoren.

Nachteile

• Eine große Grundstücksfläche ist für Erdwärmepumpen mit Kollektoren erforderlich.
• Du solltest die Flächen auch im Nachhinein nicht überbauen.
• Die Effizienz ist stark von der Bodenbeschaffenheit abhängig.
• Bei Hanglage sind Erdwärmekollektoren nicht immer sinnvoll.
• Empfindliche Pflanzen sind rund um den Kollektor oft im Wachstum gestört.
• Defekte am Kollektorrohr ziehen einen großen Reparaturaufwand nach sich (Erdarbeiten).