Wenn Erdsonde nicht geht: Ringgrabenkollektor für Einfamilienhäuser

Der Ringgrabenkollektor beansprucht verhältnismäßig wenig Platz für sich und ermöglicht Erdwärmepumpen optimale Leistungszahlen für effiziente Arbeit. Praktisch ein vielversprechender Könner, der umweltfreundliche und wirtschaftliche Aspekte miteinander vereint.

Der Ringgrabenkollektor als Teil einer Erdwärmepumpe ist die erprobte Weiterentwicklung des klassischen Flächenkollektors. Im Gegensatz zu dessen starrer, rechteckiger und sehr viel Raum einnehmenden Gestalt tritt der Ringgraben mit flexibler Form auf, die sich nahezu für jedes Grundstück eignet.

Dementsprechend erfolgt die Planung des Ringgrabenkollektors, entwickelt und hergestellt in Österreich, individuell auf das j­eweilige Objekt zugeschnitten. Wesentlich zu berücksichtigen ist in dem Zusammenhang die Gebäudeheizlast. Ebenso spielt die Länge des Systems eine Rolle, die Beschaffenheit des Bodens und die infrage kommende Art der Verlegung. Denn der Kollektor bietet verschiedene Möglichkeiten und kann breit, tief oder schmal sein.

Der eigentliche Errichtungsaufwand hält sich aufgrund einfacher Verlegeweise sowie wenigen Baggerarbeiten in Grenzen und beinhaltet gegenüber herkömmlichen ­Wärmequellen deutlich geringere Investitionskosten. Der Kollektor besteht aus einem in verschiedenen Dimensionen erhältlichen PE-Rohr in RC-Qualität (resistant-to-crack), welches sich für eine sandbettfreie und schnelle Verlegung eignet. Direkt von der Rolle gebracht verläuft es zumeist - in waagerecht liegenden, sich überschneidenden Schlaufen und in einem 2m breiten, 1,5m tiefen Graben - entlang der Grundstücksgrenze.

Bei horizontaler Verlegung kann der Ringgrabenkollektor nach seiner Verfüllung und Verdichtung komplett befahren oder nach Belieben bepflanzt werden. Nach der Einbringung herrscht hier völlige Gestaltungsfreiheit, was sich von anderen Formen wie beispielsweise Erdwärmekörben abhebt. Hanglagen und Steigungen im Gelände stellen kein Problem dar.

Im Hausanschlussraum an der Wärmepumpe beginnend und wieder dort endend, schließt es sich äußerst platzsparend zu einem Ring. Die Mitte des Grundstücks kann völlig frei bleiben, sodass dem Wunsch nach einem Pool nichts im Wege steht.

Dank seiner ringförmigen Verlegung aktiviert der Kollektor große Bodenflächen und entzieht sehr viel thermische Energie. So gewinnt er beispielsweise selbst aus kleineren Grundstücken mit durchschnittlicher Bodenbeschaffenheit und einem Umfang von rund 80m ausreichend Energie, um eine Gebäudeheizlast von 8 kW abzudecken - genügend Umweltwärme also für den Bedarf eines ganzen Einfamilienhauses.

Empfehlenswert ist es, die anfallenden Arbeiten im Zuge von Neubauten und vor dem Setzen der Bodenplatte in Angriff zu nehmen. Ein Bagger ist zu diesem Zeitpunkt meistens vor Ort und kann den Erdaushub für den Graben gleich kostenmindernd mit erledigen. Eine nachträgliche Installation ist ebenfalls möglich. Zusätzlich besteht für Grundstücksbesitzer im Beisein eines Experten Gelegenheit, lohnende Eigenleistung einzubringen.

Heizung und Passivkühlung

Während sich der Ringgrabenkollektor im Winter die ­begehrte Energie aus dem Boden zu eigen macht, ist er in heißen Sommermonaten in der Lage, per passiver Kühlung - vollkommen geräuschlos - für angenehmes Wohlfühlklima zu sorgen. Hierzu ist der Einsatz einer Wärmepumpe mit Passivkühlung und z.B. eine geeignete Fußbodenheizung erforderlich. Der Kollektor bedient sich lediglich des ­Wärmetauschers und nimmt die überschüssige Wärme aus dem Haus auf. Ganz ohne Wärmepumpenvorgang, einzig durch den Temperaturunterschied zwischen innen und ­außen sowie das gleichzeitige Betreiben des Sole- und Heizwasserkreislaufes.

Die richtige Wärmepumpe macht den Unterschied

Maßgeblich für einen zuverlässigen und langjährigen Betrieb des Ringgrabenkollers ist eine kontinuierliche Leistungsabgabe unter laufender Berücksichtigung aktueller Kollektortemperaturen. Heizen im Winter und bei passivem Kühlen im Sommer inbegriffen, die sich wie im Falle von Erdsonden saisonal abwechseln. Zur Kombination bieten sich Sole-Wasser-Wärmepumpen an, die die Fähigkeit besitzen, ihre Leistungsentnahme stufenlos zu regeln. Die Leistung der Wärmepumpe richtet sich zum einen nach dem aktuellen Heizbedarf des Hauses und zum anderen nach den Ein- und Austrittstemperaturen der Sole. Die Wärmequellenpumpe sollte Delta-T-leistungsgeregelt sein und den Durchfluss stets auf den optimalen Betriebspunkt des Wärmetauschers und die aktuelle Temperatur des Erdreiches anpassen.

Seit Einführung des Ringgrabenkollektors sind bereits ­Hunderte von Anlagen in Kombination mit den leistungsgeregelten Sole-Wasser-Wärmepumpen vom Typ NIBE 1255 in Betrieb gegangen. Dieser Wärmepumpentyp ist das ­prädestinierte System, da es alle Anforderungen, die der Ringgrabenkollektor für einen effizienten Betrieb fordert, erfüllt. Neben dem integrierten Brauchwasserspeicher und dem Inverter-Wärmepumpenmodul sind ebenfalls drehzahlvariable Umwälzpumpen mit automatischer Volumenstromanpassung für Heizkreis und Wärmequelle enthalten. Die Regelung hält das vollkommen leistungsvariable System im optimalen Betriebsbereich. Über das Standard-Onlinetool der Wärmepumpe können sämtliche ­Betriebsergebnisse erfasst werden. Diese lassen sich zur Systemüberwachung und Optimierung jederzeit auswerten.

Zusammenfassung

Der Ringgrabenkollektor ist eine in vielerlei Hinsicht attraktive Alternative zur Nutzung von Energie aus dem Erdreich, die ökologische und ökonomische Ansätze erfolgreich in gemeinsamen Einklang bringt. Preiswert, platzsparend, ­einfach zu verlegen und wirkungsvoll entzieht er bei geringen Investitionskosten die begehrte Umweltwärme auf hohem Temperaturniveau. Als Teil einer geeigneten Erdwärmepumpe ermöglicht er diese hohen Leistungszahlen für sparsames Arbeiten und überzeugt darüber hinaus mit seiner Fähigkeit der Passivkühlung.

Der Autor Christian Pschowski ist Mitarbeiter der Nibe Systemtechnik.

Im Wärmequellenkreis, optional ausgeführt als Ringgrabenkollektor, (1) wird kostenlose Wärmeenergie von der Umgebung aufgenommen und an die Wärmepumpe weitergeleitet. Im Kältemittelkreis (2) hebt die Wärmepumpe die auf einem niedrigen Temperaturniveau befindliche Wärmeenergie auf ein höheres Temperaturniveau. Im Heizkreis (3) wird die Wärme im gesamten Gebäude verteilt.

Wärmequellenkreis zur Grafik

A - In einem Kollektorschlauch zirkuliert eine frostgeschützte Flüssigkeit von der Wärmepumpe zur Wärmequelle. Die Energie von der Wärmequelle wird genutzt, um das Wärmequellenmedium um einige Grade zu erwärmen, z.B. von etwa –3 auf etwa 0°C.

B - Der Kollektor leitet anschließend das Wärmequellenmedium zum Verdampfer der Wärmepumpe. Hier gibt die Flüssigkeit Wärmeenergie ab und die Temperatur sinkt um einige Grad. Anschließend wird die Flüssigkeit zur Wärmequelle geleitet, wo sie erneut Energie aufnimmt.

C - In der Wärmepumpe zirkuliert in einem geschlossenen System eine andere Flüssigkeit, ein Kältemittel, das ebenfalls durch den Verdampfer strömt. Das Kältemittel besitzt einen sehr niedrigen Siedepunkt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärmeenergie vom Wärmequellenmedium auf und beginnt zu sieden.

D - Das beim Sieden entstehende Gas wird zu einem elektrisch angetriebenen Verdichter geführt und dort verdichtet. Bei der Gasverdichtung steigen Druck und Temperatur des Gases von ca. 5 auf ca. 100°C erheblich an.

E - Vom Verdichter wird Gas in einem Wärmetauscher (Kondensator) gepresst. Das Gas gibt dort Wärmeenergie an das Heizsystem des Hauses ab, kühlt sich ab und kondensiert erneut zu Flüssigkeit.

F - Da weiterhin ein hoher Druck vorliegt, muss das Kältemittel durch ein Expansionsventil strömen. Hier wird der Druck gesenkt und das Kältemittel nimmt wieder seine ursprüngliche Temperatur an. Das Kältemittel hat nun einen Zyklus durchlaufen. Es wird erneut in den Verdampfer geleitet und der Prozess wiederholt sich.

G - Die vom Kältemittel im Kondensator abgegebene Wärmeenergie wird vom Heizkesselteil der Wärmepumpe aufgenommen.

H - Der Heizungsmedien zirkuliert in einem geschlossenen System und transportiert die Wärmeenergie des erwärmten Wassers zum Brauchwasserspeicher des Hauses sowie zu den Heizkörpern bzw. Fußbodenheizungen.