Flächenkollektor

Quelle: Max-Planck Institut IPP, Foto: Prof. Dipl.-Ing. Werner Schenk

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Kompaktabsorber
Quelle: Berning, Fa. Elektro-Schulten

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Grabenkollektor
Quelle: www.sbk-neuenstein.de
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die neue Wärmequelle Terra Q600
(Boden-Klima-Tauscher)
Fa. systemhaus-energie

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Spiralkollektor
Quelle: www.betatherm.info

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Erdwärmekörbe
Quelle: Fa. Betatherm
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Quelle: Fa. Wavin GmbH
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Quelle: Fa. Systherma GmbH
Quelle: Terra Umweltwärmesonde GmbH
Verlegearten
Unter Erdwärmekollektoren versteht man flache, oberflächennahe Erdwärmenutzungssysteme, die in Tiefen bis 5 m die „Erdwärme“ nutzen. Der Leitfaden gilt auch für erdberührte Betonbauteile, die als Teil eines Bauwerks horizontal oder vertikal Energie entnehmen oder abgeben. Zur Regeneration des Erdspeichers können auch Sonnenkollektoren in das System mit eingebunden werden. Die einzelnen Sondenkreise der Erdwärmekollektoren haben meist eine Rohrlänge zwischen 100 m und 150 m. Der Wärmeentzug erfolgt generell unterhalb der Frostgrenze ab 1 m unter Geländeoberkante. Sie können zum Heizen und Kühlen verwendet werden und sollten aus energetischen Gründen nicht überbaut werden. Die höchsten Entzugsleistungen haben sie beim Einbau in feuchte wasserspeichernde Gesteine bzw. in Gesteine mit durchströmtem Grund- bzw. Niederschlagswasser. Tiefenbedingt haben sie in der Regel jedoch keinen direkten Kontakt zum Grundwasser. Geringe Entzugsleistungen zeigen sich durch die geringe Wärmeleitfähigkeit in trockenen (wasserfreien) Gesteinen.


Beim Flächenkollektor wird der gesamte Oberboden bis auf die gewünschte Einbautiefe abgeschoben. Auf dem entsprechend vorbereiteten Untergrund werden ähnlich einer Fußbodenheizung PE-Rohr-Schlingen ausgelegt und fixiert. Die Rohrenden werden in einem Sammelschacht, getrennt als Vor- und Rücklaufleitungen mit speziellen Armaturen zusammengefasst. Danach werden die PE-Schlingen wieder mit Erdreich überdeckt.


Kompaktabsorber sind eine Variante des Flächenkollektors, diese bestehen aus vorgefertigten polymervernetzten Kapillarrohrmatten. Das System arbeitet nach dem Low-flow-Prinzip, also mit einer niedrigen Strömungsgeschwindigkeit, wodurch ein optimaler Wärmeentzug aus dem Erdreich gewährleistet werden soll. Im Vergleich zu den konventionellen Flächenkollektoren soll der Flächenbedarf für den Kompaktabsorber geringer sein.


Für den Grabenkollektor wird ein Graben mit schrägen Wänden ausgehoben, der bis über 3 m tief sein kann. An dessen Wandflächen werden PE-Rohre in einem Abstand von ca. 10 cm horizontal verlegt und fixiert. Danach wird der Graben wieder verfüllt. Eine neue Art von Grabenkollektor ist die senkrechte Variante, der in eine 3 m tief gefräste Rinne eingebaut werden.


Der Spiralkollektor ist für den flächigen und grabenförmigen Einbau geeignet. Der Unterschied liegt lediglich in der Form der Kollektorleitung. Wie der Name es schon vermuten lässt, verlaufen die Leitungen in horizontalen Spiralen. Dieser Verlauf wird erzielt, in dem die gewickelte Kollektorleitung senkrecht auf dem präparierten Untergrund aufsetzt und seitlich (senkrecht zur Wickelachse) die Spirale so auseinander zieht, dass sich die Windungen jeweils überlappen.


Erdwärmekörbe sind üblicherweise kegelförmig gewickelte Erdwärmesonden. Die Körbe haben in der Regel eine Höhe zwischen ca. 1 und 3 m, der obere Durchmesser liegt bei ca. 2 m. Die Sondenlänge variiert je nach Korbgröße zwischen 100 und 300 m. Die Körbe können einzeln oder in gleichgroße Gruppen zusammengefasst werden. Für den Einbau der Körbe wird ein ausreichend dimensioniertes Loch ausgehoben, der Korb darin eingebracht und anschließend das Loch wieder verfüllt. Eine optimale Anbindung der PE-Leitungen mit dem wiederverfüllten Erdreich erreicht man durch das Einschlämmen des Bodens mit Wasser.

Eine andere Art von "Kollektor" ist die "Erdwärmesonde". Dieser Erdwärmeentzug fällt aber in den Bereich "Tiefen-Geothermie". und unterliegt besonderen Vorschriften.

Die besondere Konstruktion z. B. der Terra-Umweltwärmesonde besteht darin, dass das von der Wärmepumpe entwärmte Medium nahezu ohne Wärmeaufnahme den Sondenfuß erreicht. Während die hydraulischen Querschnitte der auf- und absteigenden Rohrleitungen gleich sind, bieten die aufsteigenden Rohrleitungen zur Wärmeaufnahme ein etwa 2 ½ größere Oberfläche.
Das ermöglicht eine größere Wärmeaufnahme und dadurch kann bei gleicher Bohrtiefe (wie bei der handelsüblichen Doppel U Sonden) die Vor - und Rücklauftemperatur soweit angehoben werden, dass die Sonde im positiven Temperaturbereich gefahren werden kann.
Bei der Terra-Umweltwärmesonde verläuft die absteigende Flüssigkeit in einem isolierten zentralen Rohr. Die geothermische Wärme wird daher von den aufsteigenden Satellitenrohren auf der gesamten Sondenlänge aufgenommen. Um die Unterschiede der Wärmeübertragung in den Sonden zu verdeutlichen, wird in der Abbildung der Wärmefluss durch die roten Pfeilen dargestellt.

Erdwärmekollektoren ohne Kontakt zum Grundwasser und außerhalb von Wasserschutzgebieten werden als flache Erdaufschlüsse anzeigefrei errichtet. Materialauswahl und Herstellung unterliegen grundsätzlich den allgemein anerkannten Regeln der Technik. Der Bodeneingriff ist vergleichbar mit der Errichtung eines unterkellerten Gebäudes. Bei geringen Grundwasserflurabständen kann dies zu einem Eingriff ins Grundwasser führen, der anzeige-pflichtig ist und eine wasserrechtliche Erlaubnis erfordert (§ 3 Abs. 1 Nr. 5 und Abs. 2 WHG).
Die unvorhergesehene Erschließung (unbefugt oder unbeabsichtigt) von Grundwasser hat der Unternehmer der Wasserbehörde unverzüglich anzuzeigen und die Arbeiten, die zur Erschließung geführt haben, einstweilen einzustellen.
Die Wasserbehörde trifft die erforderlichen Anordnungen (§ 37 Abs. 4 WG und § 35 Abs. 2 WHG).

In Wasser- und Heilquellenschutzgebieten gilt die jeweilige Schutz-gebietsverordnung. Geothermische Anlagen sind nach § 19 Abs. 2 WHG in Verbindung mit der jeweiligen Schutzgebietsverordnung in den Wasserschutzgebietszonen I und II sowie in wasserwirtschaftlichen Vorrangflächen.
In den Zonen III/ IIIA/ IIIB der Wasser- und Heilquellenschutzgebiete sowie in wasserwirtschaftlichen Vorbehaltsflächen können Erdwärmekollektoren unter bestimmten Voraussetzungen zugelassen werden.

Diese Regelungen können in verschiedenen Bundesländern unterschiedlich sein.

 

CO2-Diffusion
Die meisten Erdwärmesonde sind aus PE-Rohren hergestellt. Dieser Kunststoff hat sich aufgrund seiner guten Verarbeitbarkeit und seiner dauerhaften Haltbarkeit zum Bau von Erdwärmesonden seit Jahren bewährt. Allerdings sind diese Rohrarten aufgrund ihres molekularen Gefüges für Gase mehr oder weniger durchlässig. PE-Rohre können besonders gut von Kohlendioxid (CO2) durchdrungen werden. So ist die Diffusionsrate von Kohlendioxid rund doppelt so hoch wie die von Sauerstoff. Somit kann sich in der Sole bei hohen Drücken in der Sonde bis zur Sättigung anreichern.
Ein an der Wärmepumpe installierter Luftabscheider kann die bei geringerem Druck ausgasende Kohlendioxidmenge nicht abscheiden. Der Schaum wandert zum Verdampfer der Wärmepumpe und reduziert erheblich die Entzugsleistung. Dies führt nach kurzer Zeit zur Störabschaltung der Wärmepumpe.
Damit die Ausgasung möglichst gering gehalten wird, sollte der Druck an der höchsten Stelle der Anlage möglichst hoch sein. Was bei der Auslegung des MAG's beachtet werden muss.
Quelle: Prof. Dr.-Ing. W. Ameling

Quelle: AKA-Freiberg
Quelle: FRANK GmbH
 
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