Ringgrabenkollektor

Geschichte der Sanitär-, Heizungs-, Klima- und Solartechnik
Abkürzungen im SHK-Handwerk
Bosy-online-ABC


Ringgrabenkollektor - Slinky-Verlegung
Quelle: RGK e.U.
Der Ringgrabenkollektor setzt sich für die Nutzung von Erdwärme in Verbindung mit einer Wärmepumpe immer mehr durch. Er ist eine effiziente und günstige Variante gegenüber Flächenkollektoren oder Erdwärmesonden. Zur Verlegung von Flächenkollektoren ist eine großflächige Abtragung der Grundstückfläche erforderlich. Für Erdsonden muss eine aufwendige und teure Bohrung  bis zu 100 m Tiefe vorgenommen werden. Als günstige Alternative bietet der Ringgrabenkollektor mit einer vergleichsweise geringer Erdbewegung die Möglichkeit der Eigenleistung. So können z. B. für ein Einfamilienhausneubau die Kosten der Erdwärmepumpenanlage inklusive Ringgrabenkollektor unter 12.000 Euro liegen. Dabei müssen aber unbedingt die Vorschriften der Arbeitsicherheit für den Grabenbau beachtet werden.

Technisch gesehen ist ein Ringgrabenkollektor ein Flächenkollektor in Grabenform mit einer Slinky-Verlegung (in Schlaufen übereinander liegend verlegt) der Rohre auf dem Grabenboden (oder auch in schräger oder senkrechter Anordnung) und turbulenter Strömung (Verwirbelung der Kühlflüssigkeit im Rohr).

Vor bzw. bei der Planung der Nutzung von Erdwärme müssen auf jeden Fall die rechtlichen Vorgaben des Vorhabens beachtet werden.
Viele Behörden verlangen ein Protokoll einer Druckprüfung bzw. Dichtheitsprüfung (z. B. Kontraktionsverfahren).


Beispiel eines Ringgrabenkollektors

Ringgrabenkollektor - Hartmut Brockmann
Der Ringgrabenkollektor für Sole-Wärmepumpen - Michael Schumacher
Ringgrabenkollektor - Die Zukunft der Erdwärme - RGK e.U.
Ringgrabenkollektor - RGK made in Austria (02/2016 - Video)
Ringgrabenkollektor - Eigenbau - Frank

Rechtliche Vorgaben bei der Nutzung von Erdwärme
Leitfäden aller Bundesländer zur Nutzung von Erdwärme
Geologische Dienste und Infosysteme der Bundesländer


Bodenregionen in der Bundesrepublik Deutschland
Quelle: Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe

Ab hier verzichte ich auf weitere Beschreibungen, weil die angebotenen Links sehr umfangreiche Erklärungen aus der Praxis für alle möglichen Anwendungen anbieten.

Im HaustechnikDialogforum werden umfangreiche Hilfestellungen angeboten.
Boiler

Einrohr-Ringgrabenkollektor und Einrohr-Spiralkollektor - Entwurf für neue Bauformen Erdkollektoren

Auslegungstabelle und Berechnungsanleitung für Grabenkollektoren

Ringgrabenkollektor-Zukunft der Erdwärme

Berechnungstool für Grabenkollektoren

Vergleich Slinky-Grabenkollektor mit anderen Grabenkollektor-Konzepten
Planung und Auführung eines Ringgrabenkollektors (4. / 14. Juli 2009)
Über meinen Ringgrabenkollektor haben wir schon mehrfach an anderer Stelle diskutiert. Hier noch mal der Link: Ringgrabenkollektor. Zur besseren Auffindbarkeit starte ich hier einen neuen Faden.
Noch mal kurz zur Erklärung: der hier vorgestellte Kollektor hat ein paar Besonderheiten gegenüber den sonst bekannten Erdkollektoren für Sole-Wärmepumpen:
Es werden sehr lange Kreise verlegt mit größerem Rohrdurchmesser als üblich. Hier werden 400 m lange Kreise mit dem Durchmesser 40 x 3,7 mm verlegt. Als weitere Besonderheit wird das Material PE 100 RC verwendet. Dieses kann ohne Sandbett verlegt werden. Gerade an dieser Baustelle eine sehr wichtige Eigenschaft, wie die Bilder zeigen werden.
Für ein Einfamilienhaus mit einer typischen Heizleistung von 6 kW reicht ein einziger Kreis der genannten Dimensionen. Das hat den Vorteil daß man auf einen Sammler und Sammelschacht verzichten kann. Das Rohr wird direkt von Heizungskeller zu Heizungskeller verlegt. Dadurch wird der Kollektor preiswert und effizient, zahlreiche Fehlerquellen werden ausgeschlossen.
Für mein eigenes Bauprojekt in einem Mehrfamilienhaus, über das ich hier berichte, habe ich 3 von diesen Rohren verlegt. Werde eine Viessmann Vitocal 300-G einbauen mit 12,1 kW. Eigentlich reichen also 2 Kreise. Habe mich aber entschieden, 3 Kreise zu verlegen, weil erstens die WP sehr knapp ausgelegt wird ( Heizlast voraussichtlich 13-14 kW ) und zweitens das Klima am Standort auf 600m Höhe sehr kalt ist - Jahresdurchschnittstemeperatur 6,2 °C. Der Boden ist hier monatelang gefroren, was die Leistung pro Fläche vermindert.
Das Rohr wurde als Ringbund geliefert. Zu meiner Überraschung alle 3 Ringbunde auf einer einzigen Palette: Der Durchmesser der Ringbunde liegt bei 1,60 m. Das Gewicht pro Bund ist etwa 160 kg.
Nahansicht auf das Rohr. Aufschrift: Gerotherm MPM Erdreichkollektor FAST PE-GT-RC DIN EN 13 244 PE 100 RC. Das Rohr ist grün eingefärbt und mit Längenmarkierungen versehen. Die versprochenen Zwischenabbindungen fehlen aber leider.
Diese langen Kreise müssen natürlich erst mal verlegt werden. Hier zum ersten Mal in der beschriebenen Form in einem Ringgraben.
Um das Haus herum, wie man es auf einem sehr kleinen Grundstück machen kann, geht hier nicht mehr. Erstens zu viel Gefälle, zweitens ist der Rohbau schon fertig. Ein 16 m langer Garagenanbau ist daran gebaut, es bleiben seitlich nur geringe Grenzabstände.
Die Kreise werden deshalb auf der Wiese hinter dem Haus verlegt. Eigentlich sollten 3 jeweils 60 m lange Ringgräben für die 3 Kreise angelegt werden. Das Grundstück ist aber im hinteren Bereich keine 20 m breit. Habe deshalb nur 2 Gräben vorgesehen, einen für 2 Kreise und einen weiteren für den dritten Kreis.
Die Länge der Gräben ergibt sich aus der Rohrlänge, Anzahl der Windungen pro Graben und Länge der Zuleitung. Die Gräben sollten 1,50 m breit werden und jewiels 6 Windungen bekommen. Die Zuleitung ist im Haus 2 x 12 m lang. Der Vorbesitzer wollte zwar Wärmepumpe, hat aber leider keine Leerrohre unter die Bodenplatte gelegt. Die Solerohre müssen deshalb unter den Estrich. Draußen im Garten gehen wir mit einem Stichgraben nochmals etwa 12m vom Haus weg. Für den ersten Graben habe ich eine Grabenlänge von 117 m errechnet, damit die beiden Kreise jeweils 3x herum können.
Die Ringbunde sind genau 402m lang. Nach Verlegung des ersten Kreises blieben im Heizungskeller 2m übrig, vom zweiten Kreis waren es etwa 4m. Hat also ziemlich genau gepasst. Man muß die Gräben sorgfältig messen.
Das Gelände steigt leider hinter dem Haus an. Auf ebener Fläche hätte ich eine Tiefe von 1,50 m gewäht. Der Stichgraben ist jetzt 1,10 - 1,30 m tief. Der Ringgraben hat eine Tiefe von minimal 1,30 m, ansteigend auf 2,20 m an der tiefsten Stelle und dann wieder etwas abfallend. Durchschnittliche Tiefe ist etwa 1,75 m.
Habe den 25 Tonnen Kettenbagger von einer örtlichen Baufirma geliehen. Mußte ein paar Wochen warten, bis der Bagger frei war. Der sollte Freitag mittags kommen und bis Samstag abends fertig sein. Mietpreis ist 60 Euro pro Stunde plus Mehrwertsteuer. Dazu kommen Anfahrtskosten von 100 Euro pro Stunde. Den Fahrer, einen ehemaligen Angestellten der Firma, habe ich selbst gestellt. Der Fahrer hat sich noch einen Helfer mitgebracht, der allerdings spät kam und früh ging.
Eine erste Probegrabung ließ Befürchtungen aufkommen, daß es in der gewünschten Ausführung nicht möglich ist, den Graben anzulegen: der Boden ist FELSIG. Oben drauf liegt eine 20 cm dicke Schicht Mutterboden mit nicht allzu vielen Steinen. Dann kommt eine Übergangsschicht, die schon vorwiegend aus Steinen besteht. Nach 30-50 cm kommt dann schon gewachsener Fels:
Der Fels ist zum Glück im oberen Bereich ziemlich mürbe und rissig und lässt sich vom Bagger zerkleinern. An einigen Stellen wurde es dann aber schon so hart daß eine schmale Schaufel mit Felszähnen gerade noch ausreichte, um den Fels wegzuknabbern. Tiefer als wir hier gegangen sind hätten wir ohne Sprengung nicht gehen dürfen. Hier noch ein Blick auf den "Erd"aushub:
Der Zeitaufwand für das Ausschachten hat sich durch den Untergrund natürlich erheblich erhöht. Wir sind nicht fertig geworden an dem Wochenende. Freitags um ca 11:00 Uhr wurde begonnen. Abends um 19:00 Uhr war der Diesel alle. Samstags nachmittags wurde der Bagger schon wieder abgeholt. Wir konnten 16 Baggerstunden arbeiten und haben die ersten beiden Kreise in dem langen Graben fertig verlegt. Der Graben wurde aber nur notdürftig wieder verfüllt, die Oberfläche noch nicht wieder hergerichtet. Für den dritten Kreis kommt der Bagger in einer Woche wieder.
Nachdem der Baggerfahrer wußte, wie es werden soll, war ich die meiste Zeit gar nicht auf der Baustelle. Als sein Helfer endlich kam mußte er nicht mehr selbst vom Gerät steigen, um zu nivellieren. Die Grabensohle ist ziemlich eben, denke da sind nicht mehr als 10cm Höhenunterschied. Der Helfer hat auch mit einem Verdichter die Unebenheiten ausgeglichen. Der fertige Graben sah dann etwa so aus:
Der harte Boden hat natürlich auch Vorteile - die Grabenwände sind ziemlich standfest. Sonst hätte man in einem so tiefen Graben nicht ohne Sicherung arbeiten können. Am Samstag mußte ich aber doch etliche Schubkarren Dreck herausschaufeln, die über Nacht von der Grabenkante abgebrochen waren.
Man braucht eine Menge Platz, von diesem Graben allein gab es über 300 m³ Aushub:
Endlich war der Ring aber fertig und es konnte mit der Verlegung losgehen. Der Bagger hob zuerst die Transportpalette mitten auf den Erdwall zwischen den beiden Gräben. Der Ringbund muß zwingend auf der Insel liegen.
In die Palette wurde dann eine Schlüsselschraube gedreht als Lagerung:
Obenauf kam ein 2m langes Stück Bohle. In diese wurde mit einem Stecheisen von unten eine Vertiefung eingelassen, die auf die Schraube gelegt wurde. So haben wir eine Drehvorrichtung für den Ringbund geschaffen. Das Rohr muß um die eigene Achse gedreht werden.
Mit einem Drahtseil hat der Bagger den ersten Ringbund auf die einfache Drehvorrichtung gehoben. Hab es gleich probiert, das Rohr ließ sich ganz leicht drehen. Allerdings hatte die Konstruktion doch einige Mängel, wie wir dann feststellen mußten. Erst mal ging es aber los. Haben erst mal einige Drehungen gemacht und das abgewickelte Rohr bis in den Heizungskeller gezogen. Dann weiter im Graben:
Zuerst einer, dann zwei Mann drehen den Ringbund ab. Weil dieser Graben so lang ist steht der nächste Mann oben auf dem Aushub und gibt die Richtung vor. Der nächste steht im Graben und bringt das Rohr in die ungefähre Position. Als letzter stehe ich im Graben und benutze meinen Fuß als wichtigstes Werkzeug, um das Rohr auszurichten und zu fixieren, damit es nicht mehr verrutschen kann:
Das ist sehr wichtig, denn sonst würde der Mann weiter vorne, der noch mehr im Groben arbeitet, das Rohr durch Zug aus der gewünschten Position verrutschen.
Wenn es einmal so am Boden liegt hat das Rohr keinerlei Fluchttendenzen mehr. Es liegt absolut fest auf dem Boden und wird durch die eigene Länge gehalten. Man kann nachher, wenn die Rohre liegen, aber noch Feinjustierungen vornehmen. So sieht es aus nachdem die 3 Umdrehungen des ersten Rohres liegen:
Das zweite Rohr wurde dazwischen gelegt, am Ende also 121212.
Habe schon angedeutet, daß die Drehvorrichtung Mängel hatte. Hatte nicht bedacht, daß die Schraube sich durch die doch erheblichen Torsionskräfte in die Palette weiter eindreht. Außerdem frisst sich der Kopf nach oben ins Holz. Nach einigen Umdrehungen schwebte die Bohle nicht mehr frei in der Luft, sondern hatte flächig Kontakt mit der Palette. Das Abwickeln wurde deshalb nicht leichter, sondern schwerer. Deshalb haben also 2 Leute abgewickelt. Wir hatten den Baggerfahrer und seinen Helfer, mich, und noch 2 Leute, die gerade da waren. Die seitlichen Latten, die ein Abspringen des Rohrs verhindern sollten, waren auch nicht besonders gut befestigt. Wurde alles auf den letzten Drücker gemacht.
Trotzdem ging es recht fix, nach 45 Minuten lag das erste Rohr fertig im Graben. Die Schraube wurde noch mal neu fixiert, das zweite Rohr wurde dann in nur 25 Minuten verlegt. Meine Mitstreiter an der Palette fanden es zwar alles etwas mühsam, für mich war es aber ein voller Erfolg, wenn man die kurze Verlegedauer bedenkt. Hatte mir das viel schwieriger vorgestellt.
Wir haben ja noch einen Kreis zu verlegen. Da machen wir es besser. In die Palette soll ein Stück Gewindestange, nach oben und unten durch Mutter und Unterlegschraube gesichert. Dann kann sich nichts mehr eindrehen. Die Vertiefung in der Bohle soll auch neu gemacht werden, diesmal rund ausgeschnitten. Denke daran, einen Bierdeckel in das Loch einzuschlagen, dann gibt es auch oben kaum noch Reibung. Denke die 25 Minuten vom zweiten Kreis können wir noch deutlich toppen. Das umständlichste Stück war übrigens das im Haus, da wir da durch 3 schmale Mauerdurchbrüche fädeln müssen. Würde man es vor der Bodenplatte machen wäre das alles viel einfacher.
Der fertige Kollektor sieht im Graben so aus:

Da der Aushub so grobsteinig ist haben wir als unterste Schicht etwas Mutterboden verfüllt. So sollte sich ein guter Kontakt zum Rohr herstellen lassen. Das würde sonst ewig dauern, dieses steinige Zeug setzt sich nicht gut.

Der Graben sollte 1,50m breit. Das fertig verlegte Rohr hat aber im Mittel nur 1,30m Abstand von Rand zu Rand. Da sind immer Felsnasen, die es verhindern, bis direkt an den Rand zu kommen. Immerhin ist die Tiefe im Mittel jetzt etwas größer als ursprünglich geplant.

Der gewachsene Fels hat Licht und Schatten. Hat etliche Baggerstunden mehr gekostet. Die Wärmeleitfähigkeit nach unten ist mit Sicherheit überragend. Rechne mit 1,6 W/mK auf den obersten 50cm, 2,4 W/mK bis 2 m Tiefe und darunten > 3 W/mK. Nachteilig ist dagegen, daß der Boden sehr wenig Wasser enthält, in Kollektorebene vermutlich <10%. Das ist sehr ungünstig für die Latentwärmenutzung in Dauerfrostperioden. Die Eisradien werden viel größer. Denke daß die Vorteile und Nachteile sich weitgehend aufwiegen.
Hier hat die meiste Zeit der Baggerfahrer allein gearbeitet, der Helfer wurde v.a. zum Nivellieren gebraucht und hat mit Schaufel und Verdichter die Grabensohle begradigt. Die eigentliche Verlegung läßt sich mit einer besseren Drehvorrichtung ganz leicht mit 4 Leuten machen. Wenn man den Kollektor als Spiralkollektor auf einer größeren, offenen Fläche verlegt geht es mit Sicherheit auch mit 3 Leuten. Die Verlegung fällt auf jeden Fall kaum ins Gewicht.
Es geht weiter - So, am Samstag kam der Bagger wieder, um das Werk zu vollenden.
Zwei Kreise waren im ersten Anlauf verlegt worden in einen 117 m langen Ringgraben. Für den dritten Kreis hatte ich ursprünglich einen 60m langen Ringgraben geplant. Das haben wir aber anders gemacht und statt eines Rings nur einen Stichgraben gemacht von ca 50m Länge.
Einerseits habe ich so mehr Zwischenraum zwischen den Gräben - bei einem weiteren Ring wären die Abstände klein geworden. Außerdem wollte ich auch mal was anderes probieren, nämlich die Verlegung eines 400m langen 40er Rohrs in einem geraden Graben.
Der Boden war wie schon vorher, unter einer Schicht Mutterboden gewachsener Fels.
Die Drehvorrichtung hat mein Schreiner nochmals überarbeitet. Hatte ursprünglich an eine Palette als obere, drehende Schicht gedacht. Wir hatten dann eine Bohle genommen, weil die gerade herumlag. Die hatte den Nachteil, daß der Ringbund eine Neigung hatte, zur Seite wegzurutschen. Außerdem drehte sich die Schraube in die Unterlage. Die Schraube wurde jetzt besser eingedreht. Vorher saß sie nur in einem Brett der Palette, jetzt wurde von unten noch ein Kantholz drangeschraubt.
 Die obere Schicht wurde durch eine gekreuzte zweite Bohle gegen Abrutschen gesichert. Der innere Teil wurde so gestaltet, daß man auch mal kräftig anpacken kann. Die äußeren senkrecht aufgeschraubten Hölzer, die ein unbeabsichtigtes Abrollen verhindern sollten, haben sich als unnötig herausgestellt.
Der Graben ist diesmal noch etwas breiter, etwa 1,80 m an der Basis. In der Mitte wurde der Graben an einer Stelle auf 2,50 m verbreitert, damit man dort bequem den Ringbund abstellen und abwickeln kann.
Bei den ersten beiden Kreisen hatten wir 5 Leute, die gerade zur richtigen Zeit da waren. Diesmal konnten wir den Härtetest machen, es waren nur drei Leute da. Wie es sich herausstellte ist das ausreichend. Das Abwickeln ist durchaus eine mühsame Arbeit, aber in nur 35 Minuten war der dritte Kreis komplett verlegt.
Zuerst wurde wieder das Rohr bis in den Heizungskeller gelegt. Dieser Teil ist der mühsamste. Normalerweise sollte das Rohr vor dem Ausschachten der Bodenplatte verlegt werden, es wäre dann viel einfacher und das Rohr läge in einem Graben unter der Bodenplatte anstatt wie hier unter dem Estrich. Läßt sich nicht ändern, habe das Projekt so übernommen.
Dann im Graben bis zum Ende. Auf dem Rückweg muß das Rohr jeweils außen an der Palette vorbei gelegt werden. Nachdem das Rohr fertig im Graben liegt rückt man das dann noch zurecht.
Es geht dann 3x hin und her, sodaß wie bei der Ringgrabenverlegung am Ende 6 Rohre nebeneinander im Graben liegen. Hier war der Graben ein Stück zu kurz. Der Rest wurde einfach als vierte Schleife gelegt und dann das Ende bis in den Heizungskeller gezogen. Am Ende des Grabens liegen deshalb 3 Schleifen, im vorderen Teil dagegen 4.

Im Gegensatz zur Verlegung im Ringgraben neigen die Schleifen am Ende des Grabens dazu, sich selbständig zu machen. Sie werden mit dem Fuß nach unten gedrückt und mit etwas Erde beschwert, dann ist Ruhe.
Der Graben wird dann wie der erste verfüllt. Zuerst etwas Mutterboden, damit das Rohr guten Kontakt bekommt.
Wie schon bei den ersten Kreisen hat es auch diesmal pünktlich beim Beginn der Verlegearbeiten im Graben begonnen, kräftig zu regnen. Diesmal war es dazu mit etwa 13 Grad kühler, was man u.a. an der größeren Steifigkeit des Rohrs bemerkte. Aber wie gesagt ging es trotzdem mit nur 3 Leuten sehr fix.
Am Ende der ganzen Aktion sah der Garten so aus:
Heute wurde das Gelände noch einige Stunden geglättet, jetzt sieht es schon wieder ziemlich gut aus. Fehlt nur noch der Bewuchs. Wir brauchen allerdings später noch einmal einen Bagger für Abwassergräben u.a., dann wird auch der Mutterboden vom Gebäudeaushub noch auf der Kollektorfläche verteilt.
Habe übrigens auch die Bodentemperatur im Graben mit einem Infrarotthermometer gemessen. In 2m Tiefe hatte der Boden ca 10 °C, teilweise noch weniger. Hier macht sich die Höhenlage bemerkbar, im Flachland dürfte der Boden jetzt viel wärmer sein.
An den beiden Wochenenden ist der Bagger insgesamt 27 Stunden gelaufen. Wir haben mit Stichgraben etwa 175 m Graben ausgeschachtet mit einer durchschnittlichen Breite von 1,50 m und Tiefe 1,75 m. Erdaushub also etwa 460 m³.
Der extrem ungünstige Felsboden hat die Baggerarbeiten sehr behindert, es wäre sonst unvergleichlich viel schneller gegangen.
Über die Gesamtkosten werde ich berichten, wenn die Rechnung des Bauunternehmens vorliegt. Und natürlich auch über die Betriebserfahrungen.
Grüße
Frank
Im HaustechnikDialogForum wird in verschiedenen Themen über den Grabenkollektor diskutiert.
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