Der Tunnelkollektor

der Tunnelkollektor


Der Tunnelkollektor ermöglicht im Zusammenspiel mit einer Wärmepumpe und Sonnenkollektoren effektiv, ökologisch und preiswert zu heizen (und zu kühlen). Die einfache Konstruktion ermöglicht sogar den Bau in Eigenleistung.

Wie nahezu jede Innovation baut auch der Tunnelkollektor auf vorhandenem Wissen und vorhandener Technik auf: Solarthermie, Wärmepumpe, Tiefenbohrung, Eisspeicher und Grabenkollektor.

Die Solarthermie wird schon seit Jahren zur Brauchwassererwärmung und zu Heizzwecken genutzt. Es bleibt aber jeden Tag sehr viel Sonnenwärme ungenutzt. Zwei Beispiele: an einem typischen Sommertag ist meist schon am späten Vormittag die Warmwasser-Solltemperatur von ca. 50°C erreicht. Da die Gebäudeheizung im Sommer aber nicht gebraucht wird, wird die Wärme, die noch über Stunden auf den Dächern anfällt, nicht genutzt. Im Winter analog: die Sonnenenergie reicht nun meist nicht mehr um das Brauchwasser komplett zu erwärmen; die Sonnenkollektoren werden abgeschaltet, weil sie einfach nicht über eine bestimmte Temperatur erhitzen können. Sie könnten aber auf niedrigerem Temperaturniveau weiterhin noch viel Wärme abgeben.

Der Tunnelkollektor nimmt neben der normalen Erdwärme auch diese Energieen auf. Selbst Temperaturen unter 10°C gehen nicht verloren. Sogar nachts wenn die Sonne überhaupt nicht scheint, aber die Außentemperatur nur wenige Grad über dem Gefrierpunkt liegt, kann die solarthermische Anlage nun ihre Wärme nutzbar abgeben.

Das funktioniert folgendermaßen (vgl. Schema.pdf):

vereinfachte Darstellung des Tunnelkollektors in Funktion
Wenn die Sonne scheint, steigt die Temperatur in den Sonnenkollektoren auf dem Dach schnell an. Die Solar-Regelung vergleicht zuerst diese Sonnenkollektor-Temperatur mit der Temperatur im Warm-Wasser-Speicher. Ist die Sonnenkollektor-Temperatur einige Kelvin (Temperaturdifferenzen werden in Kelvin (K) angegeben) höher als die des Warmwassers, startet die Regelung eine Pumpe, die diese Mehrwärme durch ein Rohrsystem in den Warmwasserspeicher schickt, so dass nun das Warmwasser erwärmt wird (= Fall 1). Die Regelung stellt fest, wann entweder die Solltemperatur des Warmwassers erreicht ist, oder ab wann die Sonnenenergie nicht mehr ausreicht, das Warmwasser weiter zu erhitzen. Letzteres kommt häufiger im Winter vor. Ab diesem Zeitpunkt schaltet die Regelung ein Ventil um, welches den Wärmestrom ab jetzt nicht mehr in den Warmwasserbehälter, sondern durch weitere Kupferrohre ins Zentrum des Tunnelkollektors leitet (= Fall 2) .
Dazu genügt es, wenn die Temperatur in den Sonnenkollektoren um 6 K über der Erdtemperatur im Zentrum des Tunnelkollektors liegt (d.i. in ca. 2 Metern Tiefe). Ende März/Anfang April 2016 lag die Erdtemperatur bei knapp über 0°C; es reichte also eine Temperatur von 6°C auf dem Dach aus, dass die Regelung die Pumpe in Betrieb setzte und den Wärmestrom in die Erde umleitete. Das war sogar an manchen Nächten durchgängig der Fall.


Anders formuliert: reicht die Sonnenenergie nicht mehr für's Warmwasser, dann wird die Erde im und um den Tunnelkollektor erwärmt.

Im Winter wird die gesamte Wärmeenergie gleich wieder für die Heizung gebraucht und von der Wärmepumpe über die Wendeln des Tunnelkollektors aus der Erde gezogen und auf Heizungstemperaturniveau hochgepumpt. Dazu kommt dann noch die Wärme des umgebenden Erdreichs, welches während des Sommers von der Sonne erwärmt wurde.
Im Sommer steht die Heizung still. Es wird keine Wärme entnommen, aber dafür durch die Sonnenkollektoren sehr viel Wärmeenergie in die Erde für den kommenden Winter eingelagert.

Ermöglicht wird dies alles durch die besondere Form des Tunnelkollektors.(siehe Bild oben).
300 Meter Kunststoffrohr sind auf einer Länge von 12 Metern auf einen Durchmesser von 1,50 Metern gewendelt und auf ca. 3 Metern Tiefe in die Erde eingegraben. 

Tunnelkollektor im Graben
Bagger in Aktion


Diese besondere Anordnung der Rohre in Tunnelform ermöglicht den effektiven und weitgehend verlustfreien Wärmeeintrag der Sonnenkollektoren über die vier Kupferrohre in der Mitte ( die roten Pfeile).

Wärmefluss im Tunnelkollektor
Von hier aus diffundiert die Wärme nach außen und wird vom "Mantel" des Tunnelkollektors wieder "eingefangen". Die blauen Pfeile kennzeichnen den Verlauf des Wärmeentzugs via Wärmepumpe. Durch das Zentrum des Tunnelkollektors hindurch bis zum Ende und von dort über die Wendeln wieder zurück wird die Wärme der Erde entzogen und zurück zur Wärmepumpe transportiert.

Die Anordnung der Rohre schafft so ein zylinderförmiges Volumen von über 20.000 Litern alleine im Inneren des Tunnels. Mit zunehmendem Wärmeeintrag im Sommer wird die umliegende Erde aber mit erwärmt. Je länger und intensiver die Sonne scheint, desto mehr wächst das Volumen des Erdwärmespeichers. Wird die Erde nur rings herum um 50cm weiter erwärmt, sind das schon 60.000 Liter! Es gibt fast keine Grenze nach oben, da die Wärme im Winter wieder zurückgeholt wird. Sobald durch den Wärmentzug der Wärmepumpe das Erdreich im Bereich des Tunnelkollektors unter die Temperatur des umgebenden Erdreichs abgekühlt wurde, fließt die Wärme nochmals von außen nach innen zurück.

Die Überschusswärme der Sonnenkollektoren könnte zwar ebenso (zumindest teilweise) mittels eines Eisspeichers genutzt werden, dieser benötigt aber einen großen Betontank und ist viel aufwändiger und teurer. Zusätzlich stellt der Tunnelkollektor ein vielfaches an Volumen zu deutlich geringeren Kosten bereit.

Grabenkollektoren und Tiefenbohrungen kommen zwar wie der Tunnelkollektor ohne Betontank aus, werden aber nicht thermisch regeneriert. Die überschüssige Wärme der Solarthermie bleibt ungenutzt und umfangreiche Baggerarbeiten/Bohrarbeiten sind nötig. Bei letzteren müssen sogar noch geologische Gutachten angefertigt werden um mögliche Umweltbelastungen zu minimieren.

Der Tunnelkollektor greift alle diese Techniken auf, verbindet sie aber nicht nur, sondern potenziert deren Möglichkeiten synergetisch zu einem saisonalen, dynamisch sich mit der eingebrachten Wärme im Volumen anpassenden "riesigen" Erdspeicher mit Hilfe dessen sich ökologisch sauber und kostengünstig heizen und kühlen lässt.

Der Tunnelkollektor lässt sich relativ einfach in bestehende Systeme integrieren. Z.B. genügt eine längere Garageneinfahrt, wie in meinem Fall, unter welcher der Tunnelkollektor vergraben wird. Haushalte mit bestehender Solarthermie können ihre Energiegewinne vervielfachen. Eine stromproduzierende Photovoltaikanlage rechnet sich ebenso deutlich schneller in's Plus, da -mit geeignetem Puffespeicher- die Wärmepumpe vorzugsweise tagsüber laufen kann, wenn der Strom anfällt. Das öffentliche Stromnetz wird im Winter in Spitzenzeiten entlastet.

Wird der Reststrom aus regenerativen Quellen eingekauft, heizt man ökologisch sauber.

Meine Energiekosten (Strom und Gas, 130m² Einfamilienhaus, freistehend von 1986) sind in 2015 auf ca 600,- € gesunken. Vor Einbau der Photovoltaik (5,3KWp) und diverser kleinerer Isoliermaßnahmen lagen diese (vor 2011) bei ca. 2300,-€. In den 600,-€ für 2015 sind aber schon für 10.000Km Strom für unser Elektro-Auto enthalten. Die jährlichen Energiekosten werden im kommenden Jahr noch deutlich weiter sinken, da in 2016 der Sommer erstmalig zur Aufwärmung des Erdspeichers genutzt werden kann, was ja der eigentliche Sinn des Tunnelkollektors ist. Dieser Wärmeeintrag fehlte im Winter 2015/16 noch, da der Tunnelkollektor erst zu Beginn der Heizperiode am 12.10.2015 in Betrieb ging.

Eine ausführliche Darstellung der Kostenentwicklung unter dem Link Zahlen.

Ich habe auf meine Entwicklung kein Patent angemeldet, sondern den Tunnelkollektor für jeden frei nutzbar mit allen Informationen zum Verständnis und zum Nachbau ins Netz gestellt. Damit möchte ich einerseits einer Verbreitung des Tunnelkollektors den Weg ebnen, sowie andererseits verhindern, dass die Idee aufgekauft und dann aus Konkurrenzgründen in irgend einer Firmenschublade verschwindet.

Die ökologischen Vorteile sprechen für sich selbst; die persönliche Energiewende ist machbar und finanzierbar, hausnah und praktisch.
Wo kämen wir nur hin, wenn alle das täten...? ;-)

Ein Umweltvorteil gegenüber der Tiefenbohrung soll nicht unerwähnt bleiben: jede Sonde wird irgend wann einmal undicht und es ist ein riesiger Unterschied für das Grundwasser, ob dies in 100 Metern Tiefe, oder nur in 3m Tiefe passiert...

Deswegen habe ich auch als Frostschutzmittel im Tunnelkollektor das doppelt so teure Propylenglykol eingesetzt, statt des normalerweise verwendeten Ethylenglykols. Laut Aussage des Wärmepumpenherstellers Waterkotte ist Propylenglykol (konkret das Mittel "Thermatrans Plus TTP") der z.Zt. niedrigsten Wassergefährdungsklasse (WGK) 1 zugeordnet (=schwach wassergefährdend) und das ungiftigere Mittel.

Vielleicht bekommt ja mal jemand einen Innovationspreis für die Entwicklung eines biologisch völlig unbedenklichen Frost- und Korrosionsschutzmittels...
Die Österreicher hatten mal Frostschutzmittel im Wein - vielleicht sollte man mal andersherum forschen...