Kollektoren

Eine weitere Anwendung für geschlossene Systeme sind horizontal angebrachte Erdreichwärmeübertrager, kurz: Erdwärmekollektoren. Sie werden in mehreren 100 Meter langen Leitungen etwa 0,3 - 0,5 m unterhalb der Frostgrenze verlegt. In Deutschland werden sie somit zwischen 1,2 und 1,5 m tief ins Erdreich eingebracht, wobei der Rohrabstand etwa 0,3 bis 0,8 m beträgt [1,2,3]. Wie bei Solesonden werden ebenfalls Kunststoffe (HDPE) mit üblichen Durchmessern von 20 bis 32 mm als Rohrmaterial verwendet [4]. Die Wärmeentzugsleistung wird wesentlich von der Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Bodens sowie seinem Feuchte- und Luftgehalt beeinflusst [2,3]. Übliche Wärmeentzugsleistungen liegen zwischen 10 (trockener Boden mit hoher Porosität) und 40 W/m² (wassergesättigter Sand-/Kiesboden) [1,4]. Neben häufig eingesetzten Soleanlagen mit Zwischenkreis können bei horizontal verlegten Rohren auch Direktverdampfungsanlagen betrieben werden, bei denen das verdampfte Medium (z. B. Kohlenstoffdioxid) direkt im Wärmepumpenkreislauf zirkuliert [1].

Für die Gestaltung von solchen Systemen gibt es verschiedene Schaltungsmöglichkeiten der Rohre. Wesentliche sind [1]:

  • Serienschaltung: Die Rohre werden in einer einzigen, sehr langen Schlange verlegt.
  • Parallelschaltung: Mehrere Rohre werden mit gleichem Zu- und Ablauf parallel in einer Tiefe verlegt.
  • Grabenverlegung: Die Rohre werden nicht wie bei den beiden ersten Varianten in einer Tiefe nebeneinander verlegt, sondern in einem V-förmigen Graben in unterschiedlichen Tiefen angeordnet.
Abb.: Verlegemuster von Erdwärmekollektoren nach [1]

Erdwärmekollektoren haben gegenüber vertikalen Sonden den entscheidenden Nachteil, dass der Wärmeertrag maßgeblich von saisonalen Schwankungen abhängt, da das Erdreich in dieser niedrigen Tiefe stark von der Lufttemperatur und damit der jahreszeitlichen Sonneneinstrahlung beeinflusst wird. Somit wird keine Erdwärme im eigentlichen Sinne, sondern größtenteils die vom Erdboden absorbierte Solarenergie genutzt [2,4,5]. Weiterhin ist der Flächenbedarf durch die horizontale Verlegung der Rohre sehr groß. Eine Überbauung der Anlage ist nicht möglich, da ansonsten der Eintrag der Solarenergie in das Erdreich und dessen Regeneration, über Niederschlagwasser und Sonneneinstrahlung, reduziert wird [2,4]. Vorteilhaft sind die im Vergleich zu vertikalen Sonden niedrigen Erstellungskosten [5].

Literatur

[1] Kaltschmitt M., Streicher W., Wiese A. (2006) Erneuerbare Energien (Vierte, aktualisierte, korrigierte und ergänzte Auflage). Springer Verlag, Berlin Heidelberg
[2] Stober I., Bucher K. (2012) Geothermie. Springer-Verlag, Berlin Heidelberg
[3] Verein Deutscher Ingenieure (2001) VDI 4640, Blatt 2: Thermische Nutzung des Untergrundes - Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen
[4] Tholen M., Walker-Hertkorn S. (2008) Arbeitshilfen Geothermie. wvgw Wirtschafts- und Verlagsgesellschaft Gas und Wasser mbH, Bonn
[5] Theiß E. (2008) Regenerative Energietechnologien. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart