Der Ringgrabenkollektor ist eine effiziente und günstige Variante, die Erdwärme für eine Wärmepumpe zu nutzen. Normalerweise werden für die Erschließung von Erdwärme entweder Sonden mit bis zu 100 m Tiefe oder Flächenkollektoren angeboten. Für Sonden muss eine aufwendige und teure Bohrung vorgenommen werden. Flächenkollektoren erfordern eine großflächige Abtragung des Gartens zur Verlegung. Der Ringgrabenkollektor als günstige Alternative bietet mit vergleichsweise geringer Erdbewegung die Möglichkeit der Eigenleistung. So ist es für ein Einfamilienneubau leicht möglich, die Kosten der Erdwärmepumpe inklusive Ringgrabenkollektor unter 12.000 Euro zu drücken. Auch die Umwelteigenschaften und die jährlichen Heizkosten sind im Vergleich zu anderen Wärmeerzeugern sehr günstig. Technisch ausgedrückt ist ein Ringgrabenkollektor ein Flächenkollektor in Grabenform mit Slinky-Verlegung des Rohrs auf dem Grabenboden und turbulenter Strömung.
Der Ringgrabenkollektor windet sich im Optimalfall rund um das Grundstück mit einem Abstand zur Grundstücksgrenze von mindestens einem Meter (je nach Bundesland). Mit einer Breite von 1 - 2 Metern, einer Tiefe von 1,5 - 2 Metern und einer Länge von 40 - 100 Metern liefert der Ringgrabenkollektor ausreichend Wärme für fast jedes Einfamilienhaus. Auf dem Boden des Ringgrabens werden je nach Leistung 1 bis 4 Rohre mit 300 Metern Länge in Schlaufen (Slinkies) mit Grabenbreite direkt übereinander verlegt. Die Rohre werden neben der Wärmepumpe innerhalb des Hauses durch zwei Verteiler zusammengefasst. Ein teurer Verteilerschacht im Garten entfällt. Die Realisierung für einen Neubau ist besonders einfach direkt vor den Baggerarbeiten für das Fundament oder den Keller ausführbar. Im Falle eines Altbaus (oder eines sehr kleinen Gartens) gibt es bei geeignetem Boden die Möglichkeit, den Ringgrabenkollektor senkrecht auszuführen, so dass die Grabenbreite nur 50 cm beträgt.
Detaillierte Informationen, Grundlagen, Beispiele und Hilfe bei Problemen bzgl. der Planung oder des Betriebes eines Grabenkollektors sind im Grabenkollektor-Support-Thread des HTD zu finden.
Im Folgenden kann ein genau auf Ihr Bauvorhaben abgestimmter Ringgrabenkollektor berechnet werden.
Um herauszufinden, ob ein Ringgrabenkollektor die geeignete Wärmequelle ist, muss zuerst ein Grundriss des zur Verfügung stehenden Grundstücks mit Haus, großen Bäumen, gepflasterten Flächen, Gartenhaus, Garage, Versorgungsleitungen usw. erstellt werden. In diesen Grundriss können dann verschiedene Versuche eines Ringgrabenkollektors eingezeichnet werden bis eine optimale Variante gefunden ist. Dabei sollten die folgenden Punkte beachtet werden:
Der Ringgrabenkollektor hat ein warmes (die Sole wurde durch die Erde erwärmt) und ein kaltes Ende (die Sole wurde durch die Wärmepumpe abgekühlt). Das kalte Ende neigt während des fortgeschrittenen Winter zum Vereisen, so dass sich das Volumen der Erde vergrößert. Je nach Bodenart und Auslegung des Grabens kann es dadurch zu Hebungen des Bodens kommen. Deshalb sollte das kalte Grabenende nicht überbaut sein.
Dieses Beispiel zeigt einen Neubau, in dessen Graben waagerechte Slinkies verlegt werden. Der Graben windet sich einmal außen um das Grundstück (22 x 26 = 572 m², Grenzabstand 1,5 m) herum. Die kalte Seite (Sole kommt abgekühlt aus der Wärmepumpe) läuft dreiviertel um das Grundstück herum. Die warme Seite (Sole fließt angewärmt in die Wärmepumpe hinein) unterhalb der Garage und Einfahrt ist zum Teil speziell gedämmt, damit bei extremen Wintern keine Bodenhebungen auftreten. Die Grabenstücke im einzelnen:
Daraus ergeben sich 42,5 m slinky, 14 m gerade und 21,5 m gerade gedämmt. Ein gleichwertiger Slinkygraben hätte somit die Länge von 42,5 + 14 * 0,33 + 21,5 * 0 = 47 m. Anhand dieser errechneten Länge kann nun auf den folgenden Seiten eine passende Grabengeometrie gefunden werden.
Je nach Wohnort unterscheidet sich die Norm-Außentemperatur (das ist die tiefstmögliche durchschnittliche Temperatur über 48 Stunden im Winter). Die in der Auswahl angegeben Orte mit mehr als 20.000 Einwohnern haben eine hinterlegte Temperatur. Falls Ihr Ort nicht in der Auswahl enthalten ist, geben Sie bitte den nächstgelegenen und klimatisch vergleichbaren Ort an. Stattdessen können Sie auch direkt die Norm-Außentemperatur angeben (siehe Karte).
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Bitte wählen Sie Ihren Ort: |
Oder direkt die Norm-Außentemperatur: Grad (zwischen -8 und -20 Grad möglich) |
Die Bodenart hat einen wesentlichen Einfluss auf den Ringgrabenkollektor. Je nach Wärmeleitfähigkeit und Wassergehalt des Bodens unterscheidet sich der Grabenaufbau wesentlich. Deshalb ist eine exakte Angabe notwendig. Falls Zweifel bestehen welche Bodenart vorliegt, muss ein Loch mit der geplanten Tiefe des Grabens ausgehoben werden. Der dort vorhandene Boden muss dann anhand einer Anleitung zugeordnet werden.
SandMit der Heizlast eines Gebäudes wird die Wärmeleistung angegeben, die es bei Norm-Außentemperatur verliert. Das entspricht genau der Leistung, die ein Wärmeerzeuger braucht, um die gewünschte Temperatur des Hauses bei Norm-Außentemperatur beizubehalten. Die Heizlast nach DIN 12831 sollte vor Errichtung eines Gebäudes durch einen Profi errechnet werden. Gerade für die Auslegung einer Fußbodenheizung ist die raumweise Berechnung der Heizlast erforderlich. Auch die Auslegung der Wärmepumpe muss anhand der Heizlast erfolgen. Die Heizlast sollte folgende Werte enthalten:
| Transmissionswärmeverluste | Durch Wände, Boden, geschlossene Fenster und Türen und Dachflächen entweichende Wärme. |
| Lüftungswärmeverluste | Durch die Lüftung entweichende Wärme. Eine kontrollierte Wohnraumlüftung (KWL) mit Wärmerückgewinnung (WRG) muss bei der Heizlastberechnung mit berücksichtigt werden. |
| Warmwassererzeugungsverluste | Soll die Wärmepumpe auch das Warmwasser für Küche, Bad und Dusche erzeugen, so geht dieser Wert mit in die Heizlast ein. Als Richtwert werden hier 100 W pro Person oder 12,5 kWh pro Jahr und Quadratmeter Boden angenommen. |
Nicht mit enthalten sein sollten folgende Werte in der Heizlast:
| Wiederaufheizverluste | Eine Wärmepumpe in einem modernen Haus sollte Tag und Nacht ungefähr gleichbleibend heizen, ein Wiederaufheizen ist deshalb unnötig. |
| Angstreserve | Eine Wärmepumpe kann nur bei exakter Auslegung effizient arbeiten, eine Überdimensionierung schadet dem Stromverbrauch. |
| Evtl. Abschaltzeiten | Je nach Stromtarif und -verbrauch lohnt es sich für eine kleinere Wärmepumpe meist nicht, einen Wärmepumpentarif mit Abschaltzeit zu nutzen. Der normale Haushaltsstrom ist wegen der Grundgebühr für einen extra WP-Zähler günstiger. |
Achtung: Viele durch einen Heizungsbauer erstellte Heizlastberechnungen sind ungenau und nicht exakt auf die Wünsche der Nutzer des Gebäudes abgestimmt. In der Praxis wird oft eine zu hohe Heizlast berechnet. Der Heizungsbauer ist nur selten der richtige Ansprechpartner für eine Heizlastberechnung. TGA-Planer oder Bauingenieure bieten im Normalfall genauere Berechnungen an.
Heizlast: Watt (Zwischen 2000 und 12000 Watt möglich)Für die Dimensionierung des Ringgrabenkollektors und der dazu passenden Wärmepumpe ist es möglich, die Heizlast anhand einiger Parameter der EnEV-Berechung abzuschätzen. Das Ergebnis hat meist weniger als +/-5% Abweichung von einer Heizlastberechnung nach DIN 12831 und ist für die Auslegung der Wärmepumpe und Wärmequelle ausreichend. Für die Planung der Heizflächen und der Belüftung ist eine raumweise Berechnung der Heizlast nach DIN 12831 unbedingt erforderlich.
| H'T: (Transmissionswärmetransferkoeffizient) |
W/(m²·K) | (Bitte Punkt statt Komma) | |
| Im Haus gewünschte mittlere Temperatur: |
Grad | ||
| A: (Hüllfläche) |
m² | (Fläche aller Außenwände + Dach + Bodenplatte) | |
| Ve: (Beheiztes Bruttovolumen) |
m³ | ||
| Maximale Anzahl Bewohner: |
Personen | (Wieviele Menschen werden im Haus wohnen?) | |
| Lüftung: |
|
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| Transmissionslast: | W | ||
| + Lüftungslast: | W | ||
| + Warmwasserlast: | W | ||
| = Gesamte Heizlast: | W | ||
Im Ringgrabenkollektor wird das Rohr in teilweise überlappenden Schlaufen ("Slinkies") verlegt. Dabei kann entweder eine waagerechte oder eine senkrechte Verlegung der Schlaufen vorgenommen werden.
Die folgende Tabelle zeigt verschiedene empfohlene Grabengeometrien mit gleicher Leistung. Angegeben wird die Länge und, per Farbe, der Aushubaufwand. Ein Klick auf die in den Garten passende Länge springt zur Feineinstellung der Geometrie, so dass die passenden Parameter noch weiter optimiert werden können.
Ausrichtung:Falls Ihr Ringgraben aus Teilstücken mit verschiedenen Eigenschaften besteht, kann hier berechnet werden, wie lang ein gleichwertiger Slinky-Graben ist.
| Länge des Teilstücks: | m |
Erfasste Teilstücke: |
| Slinkybreite des Teilstücks: | cm | |
| Mittlere Tiefe des Teilstücks: | cm | |
| Art der Verlegung: |
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| Anzahl Nachbargräben: (bei weniger als 6 m Abstand) |
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| Abstand zu Nachbargräben: | ||
| Angepasste Gesamtlänge: | m |
| Durchschnittlicher Durchmesser der Slinkies: | cm |
| Mittlere Tiefe der Slinkies: | cm |
| Minimale Soleeingangstemperatur: | Grad |
| 240 cm | Aushubvolumen in m³ | ||
| 240 cm | |||
Nach Auswahl der ungefähren Geometrie kann hier nun mit den Parametern gespielt und die optimale Lösung gefunden werden. Änderungen an der minimalen Soleeingangstemperatur, Breite und Tiefe beeinflussen Länge und Aushub. Änderungen an der Länge beeinflussen Temperatur und Aushub. Das Ziel muss sein, einen Graben zu finden, der in den Garten passt, dessen minimale Soleeingangstemperatur möglichst im grünen Bereich liegt und dessen Aushubmenge gering ist.
Nach Auswahl der ungefähren Geometrie kann hier nun mit den Parametern gespielt und die optimale Lösung gefunden werden. Änderungen an der minimalen Soleeingangstemperatur, der oberen und der unteren Tiefe der Slinkies beeinflussen Länge und Aushub. Änderungen an der Länge beeinflussen Temperatur und Aushub. Das Ziel muss sein, einen Graben zu finden, der in den Garten passt, dessen minimale Soleeingangstemperatur möglichst im grünen Bereich liegt und dessen Aushubmenge gering ist.
| Minimale Sole- eingangstemperatur: |
Grad |
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(Werte zwischen -4 und +1 Grad sind möglich. Empfohlen: Grad) |
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| Breite:Obere Tiefe: | cm |
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(Werte zwischen 100 cm und 300 cm sind möglich.) (Werte zwischen 120 cm und 200 cm sind möglich.) | |
| Tiefe:Untere Tiefe: | cm |
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(Werte zwischen 120 cm und 300 cm sind möglich.) (Werte zwischen 200 cm und 400 cm sind möglich.) | |
| Länge: | m |
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(Werte zwischen 20 m und 200 m sind möglich.) | |
| Aushub: | m³ |
Ein Querschnitt durch den Ringgrabenkollektor und den Aushub veranschaulicht die Aufgabe.
Diese Berechnung kann mit der folgenden Adresse wieder aufgerufen werden:
Die Auswahl der Wärmepumpe hängt neben den reinen Leistungsdaten auch von der Ausstattung ab. So existieren Modelle mit integriertem Warmwasserspeicher, einer Möglichkeit zur Kühlung oder einer Möglichkeit zur Anbindung einer Solaranlage. Wesentlich ist neben technischen Faktoren auch die Erfahrung des Heizungsbauers, der die Wärmepumpe einbauen wird. So sollte die Auswahl nur zusammen mit dem Heizungsbauer durchgeführt werden. Folgend eine Auflistung der vom BAFA empfohlenen Wärmepumpen, die ungefähr zur eingegebenen Heizlast passen:
Den Heizkreis betreffende Bauteile werden hier nicht aufgeführt, da sie zu stark von den lokalen Gegebenheiten abhängen. Hier weiß hoffentlich der Heizungsbauer Bescheid. Nach Möglichkeit sollte aus Effizienzgründen eine Fußboden- oder Wandheizung mit möglichst niedriger Vorlauftemperatur ohne Puffer und ohne Mischer vorgesehen werden. Auch eine Einzelraumregelung kann die Effizienz negativ beeinflussen. Sehr wichtig ist ein exakter hydraulischer Ablgeich der Heizkreise.
Vor der Arbeit am und im Graben muss berechnet werden, wieviele Rohrmeter auf welchen Grabenabschnitt verteilt werden. Daraus ergeben sich dann die Anzahl und entsprechend der Abstand der Slinkies.
Da der Graben ausreichend breit und nicht zu tief ist, darf er bei sinnvoller Abschrägung der Ränder betreten werden. Hierzu müssen die Richtlinien zur Arbeitssicherheit in Baugruben und Gräben beachtet werden. Achtung: Bei instabilem Boden oder bei Betreten des unmittelbaren Grabenrandes besteht trotzdem die Gefahr, dass der Rand abrutscht.
Nach Aushub des Grabens (bzw. eines Teilstücks) kann ohne weitere Vorbereitung eine Rohrrolle (ca. 80 kg Gewicht) mit mindestens 2 Personen direkt innerhalb des Grabens abgerollt werden. Also erstmal einen Slinky fallen lassen, dann das Rohr den Abstand zum nächsten Slinky weiterrollen (z.B. einen Meter) und wieder einen Slinky fallen lassen. Die so entstehenden Schlaufen per Klebeband oder Kabelbinder so fixieren, dass sie einen möglichst großen Durchmesser haben und die volle Grabenbreite ausnutzen. Hierum kümmert sich die dritte Person im Graben.
Ist das erste Rohr bis zum Ende (des Teilstücks) verlegt, kann mit dem folgenden Rohr ähnlich verfahren werden. Achtung: Das Rohr sollte nicht betreten und nicht verdreht werden. Der minimale Schlaufendurchmesser richtet sich nach der Temperatur und sollte einen Meter nicht unterschreiten, da sonst eine Beschädigung des Rohrs droht.
Nach Verlegung der Rohre muss bei der Verfüllung des Grabens vorsichtig vorgegangen werden. Das Erdreich darf nur zart auf die Rohre gelegt und nicht etwa aus 3 m Höhe fallen gelassen werden, sonst könnten Steine das Rohr beschädigen. Sobald der erste halbe Meter des Grabens wieder gefüllt wurde darf der Graben verdichtet werden. Entweder durch Einschlämmen oder durch eine Rüttelplatte sollte ein guter Kontakt vom Rohr zum Boden hergestellt werden. Nach dem ersten halben Meter kann der Graben auch unvorsichtiger verfüllt werden. Optimal ist es, wenn der Boden pro halbem Meter Tiefe immer wieder eingeschlämmt oder verdichtet wird.
Der Graben sollte wegen seiner Tiefe nicht betreten werden. Achtung: Bei instabilem Boden oder bei Betreten des unmittelbaren Grabenrandes besteht die Gefahr, dass der Rand abrutscht.
Am besten schon vor dem Aushub des Grabens sollten die Rohre zu Matten verarbeitet werden. Nach dem Aushub können die Matten dann "einfach" in den Graben geschmissen werden. Würden die Matten erst nach dem Aushub erstellt, würde der Platz fehlen, da Graben und Aushub sehr viel Platz wegnehmen. Wenn die Maße des Grabens direkt auf dem Boden markiert werden, fällt es leicht nacheinander die Rohrrollen mit mindestens 2 Personen auszurollen. Also erstmal einen Slinky fallen lassen, dann das Rohr den Abstand zum nächsten Slinky weiterrollen (z.B. einen Meter) und wieder einen Slinky fallen lassen. Die so entstehenden Schlaufen per Klebeband oder Kabelbinder so fixieren, dass sie einen möglichst großen Durchmesser haben und die volle Grabenbreite ausnutzen. Hierum kümmert sich die dritte Person.
Ist das erste Rohr zur Matte verarbeitet, kann mit dem folgenden Rohr ähnlich verfahren werden. Achtung: Das Rohr sollte nicht betreten und nicht verdreht werden. Der minimale Schlaufendurchmesser richtet sich nach der Temperatur und sollte einen Meter nicht unterschreiten, da sonst eine Beschädigung des Rohrs droht. Je wärmer die Außentemperatur, desto leichter lässt sich das Rohr biegen und verarbeiten.
Sind alle Rohre zu Matten passend zur Grabengeometrie verarbeitet, so können sie vor dem Bagger in Sicherheit gebracht werden und der Aushub kann beginnen.
Nachdem der Graben (oder ein Teilstück) ausgehoben wurde, empfiehlt es sich, alle 2 m eine Holzlatte, die einen Meter länger als die Grabendiagonale ist, schräg in den Graben zu stellen. Dann können die vorbereiteten Matten in den Graben gesenkt werden. Dabei den unmittelbaren Grabenrand nicht betreten, Einsturzgefahr! Nachdem alle Matten eines Teilstücks versenkt wurden müssen sie mit den Holzlatten an den grundstücksäußeren Rand des Grabens gepresst und der Graben vorsichtig mit einem halben Meter Boden verfüllt werden. Nun können die Latten entfernt und für das nächste Teilstück in den Graben gelegt werden. Der Boden wird nun eingeschlämmt oder verdichtet bevor vorsichtig weiteres Material verfüllt werden kann. Achtung: Die Rohre sind empfindlich und dürfen dabei keinesfalls von der Baggerschaufel berührt werden. Optimal ist es, wenn der Boden pro halbem Meter Tiefe immer wieder eingeschlämmt oder verdichtet wird.
Nachdem der Graben (oder ein Teilstück) ausgehoben wurde können die Matten vorsichtig in den Graben hinabgelassen werden. Dabei den unmittelbaren Grabenrand nicht betreten, Einsturzgefahr!
Nach Verlegung der Matten muss bei der Verfüllung des Grabens vorsichtig vorgegangen werden. Das Erdreich darf nur zart auf die Rohre gelegt und nicht etwa aus 3 m Höhe fallen gelassen werden, sonst könnten Steine das Rohr beschädigen. Sobald der erste halbe Meter des Grabens wieder gefüllt wurde darf der Graben verdichtet werden. Entweder durch Einschlämmen oder durch eine Rüttelplatte sollte ein guter Kontakt vom Rohr zum Boden hergestellt werden. Nach dem ersten halben Meter kann der Graben auch unvorsichtiger verfüllt werden. Optimal ist es, wenn der Boden pro halbem Meter Tiefe immer wieder eingeschlämmt oder verdichtet wird.
Nun müssen alle Rohrenden optimalerweise durch zwei Löcher in der Wand oder in der Bodenplatte in den Keller bzw. in den Technikraum gelangen. Zwei Löcher, damit der warme Soleeingang vom kalten Soleausgang getrennt ist. Falls die baulichen Gegebenheiten nur ein Loch zulassen, müssen Soleeingang und Soleausgang gut voneinander isoliert werden.
Im Keller/Technikraum erreichen die Rohre nun nach einem sanften Schlenker (Biegeradius beachten) die Verteiler. Hier beginnt nun die Zuständigkeit des Heizungsbauers, der den Verteiler mit der Wärmepumpe verbindet und auf weitere Notwendigkeiten wie das Ausdehnungsgefäß des Solekreises oder ein Entlüftungsventil achtet.
Die folgenden Beispiele sollen als Referenzen dienen und sind sortiert nach der Heizlast. Sie bieten - wenn vorhanden - einen Link auf die Wärmepumpen-Verbrauchsdatenbank und den Planungsthread im Haustechnikdialog. Dort können weitere Details zu den jeweiligen Gräben in Erfahrung gebracht werden, zum Teil auch ausführliche und bebilderte Berichte über die Verlegung der Grabenkollektoren.
Dieses Berechnungstool entstand, weil die Berechnungen für Ringgrabenkollektoren im Haustechnikdialog dort nur von wenigen Personen ausgeführt werden konnten, die damit zu viel zu tun hatten. Nach der Veröffentlichung der Berechnungsgrundlagen dort war es möglich, daraus einen kompakten und leicht bedienbaren Rechner zu entwickeln, mit dem jeder Interessent selbst herumspielen konnte. Durch die Integration von Temperatur- und Geometrietabellen, der BAFA-Wärmepumpenliste und einer Heizlastabschätzung ist daraus ein mächtiges Werkzeug geworden, das schon von vielen Personen zur Auslegung ihres Ringgrabenkollektors verwendet wurde.
Dieses Tool darf frei für private und kommerzielle Zwecke verwendet werden. Der Autor übernimmt keine Haftung für fehlerhafte Berechnungen. Alle enthaltenen Fehler dienen der Unterhaltung der Anwender. Wer möchte, darf gerne Verbesserungen an diesem Tool vornehmen, es sind HTML- und JavaScript-Kenntnisse erforderlich.
Dieses Tool hätte nicht entstehen können ohne die fleißigen, geduldigen und immer freundlichen Forumsgenies fdl1409 und Bernd_K, auf deren Berechnungen und Auslegungsempfehlungen alle hier enthaltenen Formeln basieren. Weiterer Dank gebührt hbrockmann für die Integration des Rechners in die WP-Verbrauchsdatenbank und für die Bereitstellung von technischen Daten für die WP-Liste. Dann danke ich allen waghalsigen Bauherren, die zum Teil gegen den Rat ihres Heizungsfachmanns einen Ringgrabenkollektor realisiert und die Ergebnisse und die guten Erfahrungen mitgeteilt haben. Darauf basieren die hier gezeigten Beispiele.