Energieeffiziente Wärme- und Kaltwasserversorgung Zortström-Kompakteinheit kombiniert die Anlagenhydraulik für 31 Systemkreise.

Die BodenseeTherme Konstanz schmiegt sich großzügig ins leicht ansteigende Terrain, eingebettet an das Ufer des Bodensees. Die architektonische Gebäudeform der Therme als Segelschiff wurde von der Örtlichkeit bestimmt. Insofern ragt der Westflügel wie ein gewaltiger Schiffsrumpf in See und sein Bug kragt über den See hinaus. Der Eingangsbereich wurde am Schnittpunkt der Gebäudeflügel angeordnet. Mit ihren beiden Gebäudeflügeln und der 78 m breiten und annähernd 9 m hohen Glasfassade öffnet sich diese Bäderoase zur weiten Wasserfläche des Bodensees und vermittelt dem Besucher gleichzeitig einen Blick auf die Gipfel der Voralpen.
Das frühere „Jaköbilibad“ wurde mit umfangreicher Raffinesse und gestaltungsprägenden Mitteln der Architektur sowie letztlich auch mit dem Interieur und der Lichtarchitektur als eine eindrucksvolle Wellnessoase mit Thermen, Saunalandschaft und einem attraktiven Freibadbereich mit einer fast 3000 m² großen Thermalwasserfläche konzipiert. Der Sauna- und Restauranttrakt sowie der Betriebs- und Umkleidetrakt bilden den teilweise in den Boden eingesenkten „Rücken“ des Gebäudes.
Die großzügig gestaltet Therme gewinnt nicht nur durch ihre Lage, sondern auch durch das Außenbecken, das scheinbar nahtlos in den Bodensee übergeht. Insbesondere der Westflügel weist wie ein gewaltiger „Schiffsbug“ zur Seerichtung. Das Panoramasonnendeck im Obergeschoss des holzverkleideten Flügels mit seiner weißen Reling und dem plankenartigen Bodenbelag unterstreicht den „Schiffscharakter“ des Gebäudetrakts.
Die zwischen die beiden seitlichen Flügel gelagerte transparente Glasfront verbindet das Innere der Badehalle mit der umgebenden Landschaft – dem Thermalaußenbecken, der Liegewiese und der weiten Wasserfläche des Sees mit seinen vielfältigen Licht- und Wetterstimmungen. Die Schwimmhalle wurde zum See hin mit einer südorientierten und über die gesamte Höhe verglasten Fensterfront ausgebildet. Darüber schwebt wie ein Segel das trapezförmige, zu den Rändern sich öffnende Dach, das dem Gebäude seine besondere Leichtigkeit verleiht. Aufgrund des Dachvorsprungs wurde für die Glasfront kein Sonnenschutz erforderlich.


Badehalle der BodenseeTherme.

Das Mineralthermalwasser entspringt in 660 m Tiefe aus der Quelle des rund 300 m nordöstlich der Therme inmitten des idyllisch gelegenen Freizeit- und Erholungszentrums am Eichhorn („Hörnle“). Mit einer Förderkapazität von 9 l pro Sekunde (Schüttung) gelangt es  artesisch mit 29,6°C an die Oberfläche.
Entsprechend der Heilwasseranalyse handelt es sich um ein stark mineralisiertes fluoridhaltiges Natrium-Hydrogenkarbonat-Thermalwasser, das sowohl zum Baden als auch zum Trinken (Fluorid-Prophylaxe) geeignet ist. Mit dem Quellwasser werden sämtliche Becken mit mineralisiertem Thermalwasser gespeist:

• Thermalbecken (Außenanlage), 400 m², 34°C,
• Thermalbecken (Badehalle), 300 m², 33°C,
• Quelltopf (Badehalle), 17 m², 36°C
• Kleinkindererlebniswelt (Badehalle), 31°C,
• Saunabecken warm (Saunabereich), 27 m², 37°C,
• Saunabecken kalt (Saunabereich), 5 m², 12°C,
• Sportschwimmerbecken (Außenanlage), 1050 m², 26°C,
• Nichtschwimmerbecken (Außenanlage), 760 m², 26°C,
• Kinderbecken (Außenanlage), 140 m², 26°C,
• Kleinkindererlebniswelt (Außenanlage), 140 m², 26°C.

Zortström mit vier Temperaturstufen.

Energiekonzept der Gebäudetechnik
Neben dem Wunsch nach einer hochwertigen Architektur bestand das primäre Ziel des Bauherrn, der Bädergesellschaft Konstanz mbH, u.a. darin, dass eine innovative und energetisch optimierte Gebäudetechnik integriert wird. Insofern beinhaltete bereits die Entwurfsplanung eine ganzheitliche Konzeption bestehend aus winterlichem und sommerlichem Wärmeschutz des Gebäudes, einer primärenergetisch optimierten Wärmeerzeugung und rationeller Energieanwendung bei einer minimalen CO₂-Schadstoffemission und einem komfortablen Bäderbetrieb während der gesamten Nutzungszeit.
Das zur Ausführung gewählte Energiekonzept, das diese Anforderungen optimal erfüllt, basiert auf der Nutzung der Mineralquelle des „Hörnle“, die zum einen das Füllwasser der Becken und das Duschwasser zur Verfügung stellt und zum anderen den Heizbedarf des Bades weitgehend deckt. Die Energieerzeugung besteht aus einer Absorptionswärmepumpe mit einer Leistung von 700 kW, die als Wärmequelle die heißen Abgase der Kraft-Wärme-Kopplung (BHKW) nutzt.
In Zusammenarbeit mit dem Zentrum für angewandte Energieforschung Bayern (ZAE) wurde eine neu entwickelte zweistufige Absorptionswärmepumpe installiert, die sehr hohe Leistungszahlen erreicht und somit eine überdurchschnittlich gute Nutzung der vorhandenen regenerativen Energiequellen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil dieser Wärmepumpe besteht darin, dass das Thermalwasser mit 25,5°C und das gereinigte, aufbereitete Spülwasser nach dem Wärmeentzug mit 8,5°C in den Bodensee eingeleitet werden kann und somit die hohen Abwassergebühren eingespart werden.
Mit der neuartig konzipierten Absorptionswärmepumpe werden das Schwimmbadwasser sowie die Fußboden-, Wand- und Bankheizungen auf die erforderlichen Betriebstemperaturen betrieben.
Die Berechnungen auf dem virtuellen Prüfstand ergaben, dass es mit dem neuen Energiekonzept möglich ist – im Vergleich zu einer Referenzvariante mit Gas-Wärmeerzeuger und externem Strombezug – rund 37% an Energie- und Betriebskosten einzusparen. Ein zusätzlicher Vorteil der Prüfstandsuntersuchung bestand darin, auch den Teillastfall zu analysieren. In der Praxis stellt der Teillastfall in der Regel eine gewisse Problematik dar, weil die Anlagen bei dieser Betriebsweise ins Takten kommen und infolgedessen über längere Zeit auch Schadensfälle vorprogrammiert sind. Aufgrund der Prüfstandsergebnisse wurde eine Regel- und Steuerstrategie entwickelt, die den Wärmebedarf entsprechend der Witterungsprognose vorausberechnet und somit die Arbeitsweise der Wärmepumpe optimiert.
Das BHKW deckt in Verbindung mit dem 700-kW-Brennwert-Wärmeerzeuger die Grundlast der Gebäudeheizung ab und erhöht indirekt die Wassertemperaturen im 18000 l fassenden Pufferspeicher, wobei gleichzeitig der Legionellenschutz für die Duschen garantiert wird. Ein zusätzlicher Gas-Wärmeerzeuger mit ebenfalls 700 kW dient zur Redundanz und Spitzenlastabdeckung.


Zortström-Funktionsschema.

Zortström-Technologie
Da die einzelnen Wärmeabnehmer mit jeweils unterschiedlichen Durchflussmengen und Systemtemperaturen betrieben werden, lag die Problematik für einen störungsfreien Betrieb u.a. in einer hydraulisch ausgewogenen Anbindung. Eine Folge der unterschiedlichen Durchflussmengen und Systemtemperaturen innerhalb der Heizsysteme sind unterschiedliche Druckverhältnisse, die sich  auf das Fließverhalten des Heizwassers auswirken. Der Nutzer erwartet aber von einem bi- und multivalenten Heizsystem die gleichen Eigenschaften wie von einer einfachen Anlage mit nur einem Wärmeerzeuger, d.h. konstante Vorlauftemperaturen, gleichmäßige Wärmeverteilung, maximale Energieausnutzung sowie, dass jederzeit ausreichendes Brauchwarmwasser mit der gewünschten Temperatur zur Verfügung steht.
Ein grundsätzlicher Planungsansatz sollte zudem darin liegen, dass die Erfordernisse der eingesetzten Komponenten berücksichtigt werden.
Wärmeerzeugung, wie z.B. Blockheizkraftwerke und Wärmepumpen, erfordert für einen wirtschaftlichen Betrieb eine lange Brenner- bzw. Aggregatelaufzeit:

• Bei den BHKWs und Wärmepumpen verursacht ein häufiges An- und Abschalten zu geringe Nutzungsgrade und zu hohen Materialverschleiß der Einbaukomponenten. Zudem schalten die BHKW-Aggregate bei einer zu geringen Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf ab.
• Die Wärmepumpen arbeiten umso effizienter, je niedriger die Vorlauftemperatur ist. Daher sollte auch die Rücklauftemperatur möglichst tief gefahren werden.

Zortström-Systemeinheit.

Ferner muss sichergestellt werden, dass die Wärmeerzeuger die produzierte Wärmeenergie auch ständig an das Heizsystem bzw. an einen Pufferspeicher abgeben können. Aus diesem Grund ergeben sich besondere Anforderungen an die Anlagenhydraulik und an das Regelungssystem.
Aus den o.a. Kriterien ergibt sich für die Brennwert-Wärmeeerzeuger und Wärmepumpen die Anforderung nach der Sicherstellung möglichst tiefer Rücklauftemperaturen.
Die o.a. Kriterien und Kombinationen lassen erkennen, dass jeder Wärmeerzeuger eigene Anforderungen an die Betriebsweise stellt. Dieses gilt primär für den Einsatz von konventionellen Wärmeerzeugern und BHKWs in multivalenten oder Mehrkesselanlagen und bedeutet auch, dass die Hydraulik das wechselnde dynamische Verhalten der unterschiedlichen Massenströme, Druckverhältnisse und Temperaturen an einem zentralen Punkt ausgleichen muss.  
In der BodenseeTherme wurde aufgrund der umfangreichen Wärmestromabnehmer mit 31 Systemkreisen und 4 Temperaturstufen auf eine platz- und kostenintensive Lösungsvariante mittels konventioneller Heizungsverteiler und Sammler sowie herkömmlicher hydraulischer Weiche verzichtet.
Als Systemlösung hat sich hier die innovative Zortström-Technologie angeboten, mit der sich nicht nur die Heizkreise der Wärmeerzeugung und Wärmeverteilung hydraulisch voneinander entkoppeln lassen, sondern die noch zusätzliche Vorteile bietet.
Die Wärmeerzeuger leiten die Heizwärme in ein zwischengeschaltetes Gefäß mit einem Durchmesser von 1,30 m, d.h. der Zortström-Systemeinheit mit einem entsprechend groß dimensionierten Puffervolumen ein, während die Wärmeabnehmerkreise daraus die benötigten Massenströme aus den zugeordneten Temperaturstufen entnehmen, ohne dass sich die Wasserströme gegenseitig negativ beeinflussen können. Die Zortström-Systemeinheit vereinigt das Sammler- und Verteilersystem durch die kompakte zylindrische Konstruktion mit den rundherum angeordneten Anschlüssen und dient gleichzeitig als hydraulische Weiche (hydraulischer Nullpunkt).
Die innerhalb der Zortström-Systemeinheit integrierten Turbulatoren trennen die Massenströme in der Form, dass  sich abgestufte Temperaturzonen bilden. Der stufenweise Temperaturabbau bewirkt, dass die stets für die Brennwertnutzung und den Wärmepumpenbetrieb tiefen Rücklauftemperaturen verfügbar sind. Dieses ist ein entscheidender Faktor, um dem unterschiedlichen dynamischen Verhalten in der Anlagenhydraulik auch unter wechselnden Betriebsverhältnissen gerecht zu werden. Aus montagetechnischen Gründen wurde der Heißwasservorlauf für Pumpen und Ventile nach unten verlegt. Beim Betrieb mit nur einer Heizungsumwälzpumpe ist der Schwerkraftauftrieb unwirksam.
Die Funktion als hydraulischer Nullpunkt verhindert zudem, dass sich die Umwälzpumpen der angeschlossenen Heizkreise nicht gegenseitig beeinflussen können. Letztlich können die Pumpen kleiner dimensioniert werden, was nicht nur eine kostenoptimierte Investition sondern auch eine geringere Stromaufnahme zur Folge hat. D.h., nicht nur die Betriebskosten werden reduziert, sondern auch die Lebenszykluskosten (Life-Cycle-Costs = Lebensdauerkosten) optimiert.
Aufgrund der platzsparenden und installationstechnischen Vereinfachung sowie

• des sparsamen Pumpenbetriebs und
• des Wegfalls der aufwendigen hydraulischen Regelkomponenten wurde auch eine Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten erreicht.

Mit dem BHKW wird die Grundlast abgedeckt, wobei für die angestrebte geringe Schalthäufigkeit des BHKWs ein Speicher mit einem Inhalt von 18000 l integriert wurde. Mit der Zortström-Technologie wird oberhalb des Pufferspeichers stets heißes Wasser mit hoher Energiedichte vorgehalten. Das Wasser wird je nach Bedarf zugeführt oder abgegeben. Durch das sanfte Auf- und Abgleiten der Schichtgrenze im Speicher werden für das BHKW ruhige Laufzeiten ermöglicht.

Höhere Planungssicherheit
Die Verbindung unterschiedlicher Energiesysteme innerhalb einer Heizungsanlage stellt an die Anlagenhydraulik hohe Anforderungen, damit sämtliche Komponenten energieeffizient betrieben werden können. Die Zortström-Technologie unterstützt den Betrieb unterschiedlicher Wärmesysteme mit ihren unterschiedlichen Volumenströmen und Systemtemperaturen und erübrigt zudem die Investitionen komplizierter Hydraulikschaltungen.
Das Energiekonzept der BodenseeTherme, das konsequent den Wärmeverbrauch durch Wärmerückgewinnung senkt und die natürlichen Ressourcen in Verbindung mit einer Kraft-Wärme-Kopplung ausnutzt, hat Vorbildcharakter und bietet zugleich Lösungsansätze für die Energiekonzepte in anderen Bädern. Mit neuen Simulationswerkzeugen können die innovativen Energiekonzepte schneller entwickelt und unter realen Bedingungen geprüft werden, was letztlich auch zu einer Erhöhung der Planungssicherheit und auch der Betriebssicherheit beiträgt.



Autor:
Dipl.-Ing. Eric Theiß ist als freier Journalist mit den Themenschwerpunkten Technische Gebäudeausstattung (TGA) und rationelle Regenerativtechnologien tätig. 81369 München, dipl.ing.e.theiss@t-online.de