Flächenkollektoren für die Wärmepumpe

Eine Erdwärmepumpe, auch Sole-Wasser-Wärmepumpe genannt, gewinnt thermische Energie aus dem Erdboden. Dies geschieht durch sogenannte Wärmeübertrager. Der Erdwärme-Flächenkollektor ist eine Variante, die den recht günstigen Betrieb von Erdwärmepumpen ermöglicht. Mit unbedenklichem Sole-Medium gefüllt, sind Flächenkollektoren nicht nur sicher, sondern decken den Wärmebedarf des gesamten Haushalts ab. Was es bei der Planung und Verlegung zu beachten ist, und welche Vor- sowie Nachteile die Kollektoren bieten, klären wir in den folgenden Abschnitten.

Erdwärme per Flächenkollektoren beziehen

Erdwärmepumpen arbeiten genau wie andere Wärmepumpen mit einem Kältemittel, das in einem Kreislauf zirkuliert. Es nimmt die Wärme auf und gibt es später an den Heizkreislauf im Haus ab. Doch um die Wärme erst einmal zu der Erdwärmepumpe und ihrem Kältemittelkreislauf zu transportieren, braucht es Erdwärmekollektoren, wie Flächenkollektoren. Je nach Verlegeart unterscheidet man die folgende Arten und Ausführungen:

Wodurch zeichnen sich Flächenkollektoren aus?

Flächenkollektoren sind horizontal verlegte Kunststoffleitungen, durch die ein Gemisch aus Wasser und Glykol fließt. Das Trägermedium, die sogenannte Sole, nimmt die thermische Energie aus dem Boden auf. Nah an der Oberfläche verlegt, wird der Wärmeertrag der Flächenkollektoren stärker von saisonalen Temperaturunterschieden beeinflusst, als es beispielsweise bei tief eingebohrten Erdsonden der Fall ist. Flächenkollektoren liegen etwa 1,5 Meter tief. So können sie bei geeigneten Bedingungen die Energie der Sonneneinstrahlung und des warmen Regenwassers mitnehmen und für den Haushalt nutzbar machen.

Wie der Name schon andeutet, zeichnen sich Flächenkollektoren für Erdwärme dadurch aus, dass sie flächig verlegt werden. Bei unebenem Gelände sind auch terrassenförmige Verlegearten möglich. Es sollte jedoch eine freie Fläche von ungefähr 350 Quadratmetern eingeplant werden, damit Flächenkollektoren optimal genutzt werden können. Eine gute Planung muss darüber hinaus weitere Voraussetzungen berücksichtigen.

Das Bild zeigt frisch verlegte Flächenkollektoren zur Gewinnung von Erdwärme
© Alexandra Lorenz / Shutterstock.com

Flächenkollektor-Auslegung: Richtig planen und verlegen

Vor der Anschaffung eines jeden Heizsystems gilt es, den Heizwärmebedarf festzustellen. Ein Fachmann hilft bei der Ermittlung. Er weiß auch, welche Faktoren speziell für Erdwärme-Flächenkollektoren ausschlaggebend sind. Die folgende Liste bietet einen groben Überblick:

  • Leistungszahl der Wärmepumpe, auch Coefficient of Performance (COP)
  • Entzugsleistung in Watt pro Quadratmeter (W/m²), auch: Wärmeertragsleistung – Wieviel Leistung kann umgerechnet aus dem Boden gezogen werden?
  • Kollektorfläche: Wie muss die Auslegefläche dimensioniert sein?
  • Rohrlänge: Wie viel Material an Kunststoffrohren ist notwendig?

Wollen Anlagenbetreiber den Bedarf an Flächenkollektoren einer Wärmepumpe berechnen, müssen sie die Beschaffenheit des Bodens in ihre Überlegungen mit einbeziehen. Je trockener und körniger der Boden, desto schlechter transportiert er Wärme. Konkret heißt das: Je trockener und sandiger das eigene Grundstück, desto höher der Platzbedarf der Flächenkollektoren. Umgekehrt gilt, dass ein eher feuchter Boden mit viel Grundwasser gute Voraussetzungen für den Wärmetransport bietet.

Kollektorfläche

Überschlägig gilt: Zu beheizende Wohnfläche mal zwei. Es wird doppelt so viel Platz für die Auslegung benötigt, wie es beheizbare Wohnfläche gibt.

Im Schnitt lassen sich durch Flächenkollektoren 25 W/m² Leistung beziehen. Bei einer Wärmepumpe mit einer Leistungszahl von sechs Kilowatt (kW), wie sie für ein typisches Einfamilienhaus verwendet wird, ergibt sich eine auszulegende Fläche von 300 m².

Weitere Voraussetzungen und Verlegearten

Flächenkollektoren müssen aus technischen Gründen in einer Tiefe von 1,5 bis 2 Metern verlegt werden. Dort sind sie vor Frost sicher. Zugleich befinden sie sich hier nahe genug an der Erdoberfläche, um die thermische Energie der Sonne und des Regens aufnehmen zu können. Die Fläche sollte deshalb unbeschattet sein und nicht versiegelt oder gepflastert werden.

Das Bild zeigt ein neuwertiges Haus mit umliegender Rasenfläche
Flächenkollektoren brauchen genug Platz – am besten Rasen. © js-photo / stock.adobe.com 

Der Abstand der Rohre zueinander sollte 70 bis 80 Zentimeter betragen. Sonst entzieht die laufende Wärmepumpe dem Boden auf Dauer zu viel Wärme und es kommt im Boden zu Vereisungen. Das hat unangenehme Nebenwirkungen: Regenwasser, dass etwa durch eine Eisschicht nicht abfließen kann, lässt im schlimmsten Fall das Grundstück verschlammen. Ebenfalls wichtig: Wer Flächenkollektoren plant, sollte genügend Platz zu benachbarten Wasserleitungen, Gebäuden sowie tiefwurzelnden Bäumen und Blumenbeeten berücksichtigen.

Üblicherweise können Flächenkollektoren auf drei Arten verlegt werden: mäanderförmig, als Schnecke oder nach dem Tichelmann-Prinzip. Welche Verlegeart die Richtige ist, entscheidet der Fachmann je nach den Bedingung vor Ort. 

Einsatzfaktoren – Wann lohnen sich Flächenkollektoren? 

Weil sie abhängig von der Feuchte des Bodens und den jahreszeitlichen Temperaturschwankungen sind, lohnen sich Flächenkollektoren am ehesten in tiefliegenden Gebieten mit mildem Wetter. Ideal zum Verlegen sind feucht-gesättigte Böden (im Fachjargon heißen sie: bindige Böden) und groß dimensionierte Rasenflächen. 

Flächenkollektor der Wärmepumpe berechnen

Vor der Auslegung gibt es grundlegende Berechnungen anzustellen. Wir haben für Sie die gebräuchlichsten Einflussfaktoren mitsamt der Formeln in einer kurzen Übersicht dargestellt:

EinflussfaktorFormel
KälteentzugsleistungHeizleistung x (Leistungszahl – 1) / Leistungszahl
KollektorflächeKälteentzugsleistung in W / Entzugsleistung in W/m²
RohrlängeKollektorfläche in m2 / Abstand in m

Trotz der hier dargestellten Berechnungen sollte die Planung und Durchführung niemals ohne Begleitung eines erfahrenen Fachbetriebs erfolgen. Es gilt außerdem, sich im Vorhinein beim Wärmepumpenhersteller über die technischen Daten der Sole-Wasser-Wärmepumpe zu informieren. 

Vor- und Nachteile der Technik

Aufgrund ihres günstigen Materials und der geringen Verlegetiefe gelten Flächenkollektoren als günstige Variante unter den Erdkollektoren. Besonders im Vergleich zu tiefen Sondenbohrungen erscheint die flächige Verlegung von Kollektoren unkompliziert. Die folgende Zusammenstellung listet die wichtigsten Vorteile auf:

  • im Vergleich zu Sonden recht günstig
  • eher unkomplizierte Verlegung
  • Arbeiten können beim Neubau gleich mit-erledigt werden
  • günstige Material- und Betriebskosten
  • hoher Wirkungsgrad
  • monovalenter Betrieb ohne Zusatzheizung möglich
  • sowohl Kühl- als auch Heizbetrieb möglich
  • auf abschüssigem Gelände einsetzbar
  • keine behördliche Genehmigungspflicht
  • Trägermedium Sole ist ungefährlich

Haben Erdwärme-Flächenkollektoren Nachteile?

Je nach Geländebeschaffenheit und Heizbedarf haben Erdwärme-Flächenkollektoren auch Nachteile. Das zeigt die Erfahrung. Im Folgenden listen wir die gängigsten Punkte auf:

  • hoher Flächenbedarf
  • Bodenbeschaffenheit als unveränderlicher Faktor
  • großflächige Erd- und Baggerarbeiten müssen sich lohnen
  • Verlegung muss beim Landratsamt angezeigt werden
  • Einfluss auf das Wachstum von Pflanzen in der Nähe möglich
  • Stromverbrauch bei Erdwärmepumpen etwas höher

Kosten der Technik

Gelscheine in der Erde symbolisieren den Preis für Erdwärme
© stock.adobe.com

Wer sich für Flächenkollektoren entscheidet, profitiert im Vergleich zu Erdwärmesonden von niedrigen Kosten. Ungefähr 20 bis 30 Euro pro Quadratmeter müssen Sie für die Kollektoren einplanen. Rechnet man die 10.000 bis 15.000 Euro für die Anschaffung der Wärmepumpe hinzu, erscheint das zwar erst einmal teuer, ist aber immer noch günstiger als Sondenbohrungen, die mit bis zu 100 Euro je Meter zu Buche schlagen. Interessierte sollten nicht unterschätzen, dass es lukrative Förderangebote für die ressourcenschonende Wärmepumpentechnik gibt – so auch für Erdwärmepumpen mit Flächenkollektoren.

Hohe Förderung für Erdwärme mit Flächenkollektoren

Im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) winken für Wärmepumpen mit Flächenkollektoren bis zu 40 Prozent Erstattung. Die förderfähigen Kosten werden in Form eines Zuschusses vom Bundesamt für Wirtschaft und Ausfuhrkontrolle (BAFA) erstattet. Darlehen mit Tilgungszuschuss oder Kredite bietet die Kreditanstalt für Wiederaufbau (KfW). Voraussetzung ist, dass der Antrag vor Beginn der Maßnahmen gestellt wird. Genauere Einzelheiten erfahren Sie in dem Artikel Förderung der Wärmepumpe.

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Fazit von André Taggeselle
Flächenkollektoren führen der Wärmepumpenheizung die nötige Erdwärme zu. Unabhängig von diversen Verlegearten funktionieren die Kollektoren stets gleich: Ein Trägermedium entzieht dem Boden in 1,5 Metern Tiefe die Wärme und transportiert sie zum Wärmeerzeuger. Wer von niedrigen Betriebskosten profitieren möchte, sollte bei der Planung die Bodenbeschaffenheit und die Grundstücksfläche mit berücksichtigen. Der Staat fördert sowohl die Anschaffung als auch die Umfeldmaßnahmen mit hohen Fördersätzen.
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