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Erdregister

Ein Erdregister (auch Erdkollektor, Flächenkollektor oder Horizontalkollektor) ist ein im Erdreich verlegter Wärmeübertrager (Wärmetauscher). Es kann verwendet werden, um dem Erdreich Wärme zu entziehen, beispielsweise für die Verwendung bei einer Wärmepumpenheizung oder zur Vorwärmung kalter Luft. Unter Umständen kann es auch umgekehrt zur Abgabe von Abwärme an das Erdreich dienen, beispielsweise im Zusammenhang mit einer Klimaanlage.

Erdregister werden teils auch als Erdkollektor oder Erdwärmetauscher (EWT) bezeichnet, je nach Bauweise auch als Horizontalkollektoren, weil sie sich anders als Erdwärmesonden im Wesentlich horizontal und nicht vertikal erstrecken.

Erdregister für Wärmepumpenheizungen

Für die Beheizung eines Gebäudes kann eine Wärmepumpe verwendet werden. Diese benötigt immer ein Medium, dem sie Wärme entziehen kann, die sie dann auf höherem Temperaturniveau als Heizwärme zur Verfügung stellt. Eine von mehreren Möglichkeiten für eine solche Wärmequelle ist ein Erdregister. Dieses besteht typischerweise aus einem in ca. 1,5 Metern Tiefe im Erdreich verlegten System von Kunststoffschläuchen. Im Betrieb werden diese von einer frostsicheren Flüssigkeit (Sole, z. B. Glykol) durchflossen, die von der Wärmepumpe abgekühlt wird; ihre Temperatur liegt geringfügig unter der des umgebenden Erdreichs, sodass die Flüssigkeit Wärme von diesem aufnehmen kann. Bei ausreichender Tiefe der Verlegung und nicht allzu starker Wärmeentnahme kann die Temperatur des Erdregisters wesentlich höher liegen als die Temperatur der Außenluft an kalten Tagen. Eine Wärmepumpe kann damit deswegen eine relativ hohe Jahresarbeitszahl erreichen, wenn das Erdregister groß genug ausgelegt wird. Typischerweise ist die Energieeffizienz so eines Systems nur wenig schlechter als bei Verwendung einer Erdwärmesonde, d. h. wesentlich besser als mit einer Luft/Wasser-Wärmepumpe.

Solche flächig verlegten Erdregister (Horizontalkollektoren) können mit relativ geringem Materialeinsatz erstellt werden. Allerdings muss hierfür eine ausreichend große Fläche verwendet werden können; man geht von ca. 30 bis 60 m² pro Kilowatt Heizleistung aus, wodurch schon für ein gut wärmegedämmtes Einfamilienhaus Flächen von mehreren hundert Quadratmetern nötig werden – bei unsanierten Altbauten noch viel mehr. Der Flächenbedarf wird geringer, wenn das Erdreich häufig von der Sonne bestrahlt wird und wenn es eine relativ gute Wärmeleitfähigkeit aufweist; diesbezüglich ist ein feuchter, lehmiger Boden günstiger als ein sandiger. Häufig wird mit einem Bagger die gesamte Fläche z. B. 1,5 m tief freigelegt (wobei sehr viel Aushub zwischengelagert werden muss), dann das Erdregister verlegt und schließlich mit der Erde bedeckt. Bei größeren Flächen wird manchmal auch ein Pflug- oder Fräsverfahren angewandt, bei dem viel weniger Aushub zwischengelagert werden muss. Die umfangreichen Grabungsarbeiten sind am ehesten bei der ersten Erschließung eines Grundstücks akzeptabel, dagegen eher nicht, wenn ein Garten bereits schön angelegt wurde. Bäume und Sträucher mit tiefen Wurzeln dürfen im Bereich eines Erdregisters nicht gepflanzt werden, da sie dieses beschädigen könnten. Auch eine Beschattung der betroffenen Fläche ist ungünstig, weil sie die Regeneration (das Wiederaufwärmen) des Erdreichs verlangsamt. Ein guter Teil der Regeneration wird übrigens durch Regenwasser erreicht; am wichtigsten ist deswegen, dass die Fläche nicht versiegelt wird. Rasenflächen sind besonders gut geeignet.

Man beachte, dass die Leitungen nicht zu dünn gewählt werden sollten, weil sonst der Energieaufwand für die Solepumpe zu hoch wird oder die Effizienz der Wärmepumpe beeinträchtigt wird.

Eine modifizierte Form des Erdregisters ist ein Erdwärmekorb. Dieser wird tiefer eingebaut (mit einer Grabungstiefe von z. B. 5 Metern) und erstreckt sich über einen gewissen Bereich bezüglich der Tiefe. Auf diese Weise kann der Flächenbedarf erheblich reduziert werden, auch wenn meist mehrere solcher Körbe benötigt werden. Erdwärmekörbe werden oft auch ungenau als Spiralkollektoren bezeichnet, wenn der genannte Schlauch schraubenförmig (also eigentlich nicht spiralförmig) verlegt wird.

Im Gegensatz zu Erdwärmesonden entziehen Erdregister die Wärme relativ oberflächennahen Erdschichten. Deswegen kommt das bei längerem Betrieb einer solchen Wärmepumpenheizung zu einer merklichen Abkühlung der Erde auch an der Oberfläche. Dies kann im Frühjahr das Pflanzenwachstum etwas verzögern.

Erdwärmesonden werden gewöhnlich nicht als Erdregister bezeichnet, obwohl es sich ebenfalls um Wärmeübertrager in der Erde handelt. Sie dringen in erheblich größere Tiefen vor (z. B. 100 m oder sogar noch deutlich mehr), wodurch sich strengere Anforderungen beispielsweise für den Schutz des Grundwassers ergeben. Die Verlegung eines Erdregisters ist dagegen in der Regel auch an Standorten möglich, wo die Richtung von Erdwärmesonden nicht erlaubt ist – z. B. in Grundwasserschutzgebieten. Wo aber eine Erdwärmesonde errichtet werden kann, wird man eine solche häufig bevorzugen.

Erdregister für Lüftungsanlagen

Bei vielen Lüftungsanlagen wird ein Erdregister für die Vortemperierung der Frischluft eingesetzt:

• An kalten Wintertagen kann die z. B. mit −15 °C angesaugte Außenluft durch ein Erdregister auf ca. 0 °C oder etwas mehr vorgewärmt werden. Damit wird sicher vermieden, dass der für die Wärmerückgewinnung eingesetzte Wärmeübertrager auf der Abluftseite einfriert (Vereisungsschutz). Stattdessen könnte zwar beispielsweise auch ein elektrisches Heizregister eingesetzt werden; für dessen Betrieb würden dann allerdings wesentliche Mengen elektrischer Energie verbraucht – weitaus mehr als die geringfügige zusätzliche Ventilatorleistung für die Förderung der Luft durch ein Erdregister.
• An warmen Sommertagen kann die Luft durch ein Erdregister gekühlt werden, was die Gefahr der übermäßigen Erwärmung des Gebäudes ein wenig verringert – auch ohne Einsatz einer Klimaanlage. Gleichzeitig wird hierbei das Erdreich wieder erwärmt (regeneriert), was für den späteren Betrieb bei tiefen Lufttemperaturen günstig sein kann. Eine Gefahr ist jedoch, dass dann Feuchtigkeit im Erdregister auftritt und in Folge Schimmel. Hiergegen sollten geeignete Maßnahmen getroffen werden (siehe unten).

Wenn eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung arbeitet, hat die Vorwärmung bzw. Vorkühlung der Frischluft nur eine geringe Wirkung auf die Raumtemperatur – nicht nur wegen der nicht allzu hohen durchgesetzten Luftmengen und der geringen Wärmekapazität der Luft, sondern vor allem auch, weil der eingesetzte Wärmeübertrager die Temperatur der Frischluft ohnehin in die Nähe der Temperatur der aus den Räumen abgesaugten Abluft bringt. Energetisch von Bedeutung ist deswegen hauptsächlich die Vermeidung des Einfrierens des Wärmeübertragers im Winter ohne wesentlichen Energieeinsatz.

Luft-Erdregister

Ein Erdregister für eine Lüftungsanlage kann sehr viel kleiner ausgeführt werden als eines für eine Wärmepumpenheizung, das sehr viel geringere Wärmemengen übertragen werden müssen. In vielen Fällen wird ein Luft-Erdregister eingesetzt, bei dem die Frischluft direkt durch unterirdisch verlegte Röhren (z. B. aus Polyethylen oder Polypropylen) strömt. Dies ist die technisch einfachste und bei kleinen Gebäuden oft kostengünstigste Art der Realisierung. Für ein Einfamilienhaus kann ein einfaches Kunststoffrohr mit z. B. 40 m Länge genügen, welches z. B. 1,2 m bis 1,6 m (abfallend) unter der Geländeoberfläche verlegt wird (z. B. ein oder zweimal um das Haus herum). Der Durchmesser der Röhren wird so gewählt, dass die Strömungsgeschwindigkeit darin ca. 1 bis 1,5 m/s beträgt.

Für den problemlosen Betrieb, insbesondere für die Vermeidung hygienischer Probleme, muss eine solche Anlage jedoch sehr sorgfältig ausgeführt werden. Ein wichtiger Aspekt ist, dass die Rohre wasserdicht sind, um das Eindringen von Wasser und Schmutz (übrigens auch Radon) aus dem Erdreich zu vermeiden; hierfür können die Rohre beispielsweise verschweißt werden. Feuchtigkeit kann in den Rohren allerdings auch durch Kondensation von Luftfeuchtigkeit auftreten, und zwar im Wesentlichen dann, wenn die angesaugte Frischluft wärmer ist als das Erdreich (also vor allem im Sommerbetrieb). Hierdurch besteht im Prinzip die Gefahr, dass sich in den Rohren Schimmel entwickelt, wodurch die angesaugte Luft mit Schimmelsporen verunreinigt wird – was gesundheitlich bedenklich wäre. Die einfachste Art, dies zu vermeiden, ist der Betrieb eines solchen Erdregisters nur im Winter, wodurch freilich auf den nützlichen Effekt der Kühlung im Sommer verzichtet werden muss; außerdem ist es hygienisch auch nicht optimal, dass dann monatelang gar kein Luftaustausch im Erdregister mehr erfolgt. Ansonsten gilt es zunächst, jede Ansammlung von Kondenswasser zu vermeiden; eine wichtige Maßnahme hierfür ist es, auf der gesamten Länge eines Erdregisters ein gewisses Gefälle anzulegen, sodass das Wasser abfließen kann und keine Stellen mit stehendem Wasser entstehen. (Nachträgliche Setzungen des Bodens können leider trotzdem u. U. Kondensationsstrecken ohne Abflussmöglichkeit bilden, sollten also durch geeignete Gestaltung verhindert werden.) An der tiefsten Stelle muss eine Kondensatableitung (z. B. mit doppeltem Siphon) erfolgen. Günstig sind außerdem möglichst glatte innere Oberflächen der Rohre; auch die Stöße zwischen den Rohren sollten das Abfließen des Kondensats möglichst wenig behindern. Ansonsten sollte die Zuluft vorgefiltert werden, damit möglichst wenig Schmutz in das System eingetragen wird. Nach einigen Betriebsjahren kann eine Reinigung sinnvoll sein, beispielsweise mit einer rotierenden Bürste, einem Wasserstrahl oder Luftstrahl.

Bei guter Ausführung eines solchen Systems kann die Konzentration von Bakterien und Pilzsporen in der Zuluft sogar geringer ausfallen als ohne Erdregister, da sich Sporen und andere Keime vor allem bei nicht allzu hohen Strömungsgeschwindigkeiten absetzen können (Sedimentierung).

Bei manchen Anlagen ist es möglich, je nach der momentanen Situation automatisch entweder mit Direktansaugung oder mit Ansaugung über das Erdregister zu arbeiten. (Die Direktansaugung ist möglich über eine Bypass-Klappe, die bei Deaktivierung dicht schließen muss.) Hiermit kann beispielsweise eine unerwünschte Abkühlung der Luft im Erdregister vermieden werden, wenn die Außenluft an einem Frühlingstag wärmer ist als das Erdreich. Ebenfalls ist es damit möglich, den Betrieb des Erdregisters zu vermeiden, wenn die Gefahr von Kondenswasserbildung besteht (falls dieses Konzept gewählt wird).

Sole-Erdregister

Ein ganz anderer Ansatz zur Vermeidung von Schimmelproblemen ist es, das Erdregister nicht mit Luft als Wärmeübertragermedium zu betreiben, sondern mit einer Flüssigkeit (z. B. Glykol). In diesem Fall ist die Verlegung einfacher, da kein Gefälle mehr nötig ist. Im Übrigen besteht damit auch in Gebieten mit stark radonbelasteten Böden keine Gefahr, dass Radon in die Zuluftleitung eindringt.

Bei solchen Systemen wird ein zusätzlicher Wärmeübertrager (Sole/Luft) benötigt. Darin anfallendes Kondenswasser ist sehr viel weniger problematisch, da es sich um ein relativ gut zugängliches kompaktes Bauteil handelt. Zusätzlich wird eine kleine Pumpe für den Antrieb des Flüssigkeitskreislaufs benötigt. Diese verursacht einen gewissen zusätzlichen Aufwand an elektrischer Energie, der allerdings in etwa durch eine verringerte Ventilatorleistung (wegen des geringeren Strömungswiderstands für die Luft) kompensiert werden kann. Die Pumpe kann natürlich automatisch deaktiviert werden, wenn eine Wärmeübertragung nicht gewünscht ist, beispielsweise an einem milden Frühlingstag.

Die flüssigkeitsgefüllte Leitung im Erdreich ist deutlich dünner als eine Röhre für Luft und muss entsprechend länger ausgeführt werden. In manchen Fällen wird anstelle eines horizontalen Sole-Erdregister als auch eine relativ kurze Erdwärmesonde verwendet.

Siehe auch: Wärmeübertrager, Wärmepumpenheizung, Erdwärmesonde, Lüftungsanlage