Wirtschaftliche Energieversorgung von Hallenbädern

Ing. Eige Clasen* Teil 1

In dieser Artikelserie geht es um die energetische Unterhaltung von Hallenbädern sowie um die vielfältigen Möglichkeiten, durch geeignete technische Maßnahmen und sparsame Fahrweise, die Betriebskosten zu senken.

Energiedienstleistung

Städte und Gemeinden haben wegen der prekären Finanzsituation Schwierigkeiten, die defizitären Anlagen wie Schwimmbäder zu unterhalten und instandzuhalten. Um so mehr dürften Angebote von Energiedienstleistungsunternehmen (EDU) gefragt sein, die sich vertraglich verpflichten, bestehende Wärmeerzeugungs- und Verteilungsanlagen zu optimieren, wodurch wiederum die Schadstoffemissionen verringert werden und die Energiekosten erheblich sinken. Die Finanzierung der erforderlichen Investitionen übernimmt das EDU.

Beim sog. Versorgungs-Contracting werden die jährlichen Kosten (energie-, betriebs- und kapitalgebundene Kosten) über den Wärmepreis mit der Kommune verrechnet. Je nach Höhe der eingesparten Energiekosten könnte auch das Einspar-Contracting interessant sein, bei welchem die erforderlichen Investitionen ganz oder zum Teil aus den Einsparungen finanziert werden. Das EDU übernimmt im Vertragsfall die Planung, Kalkulation, Ausführung, Einregulierung, Betrieb und Wartung der wärmetechnischen Anlagen und garantiert schon im eigenen Interesse für die wirtschaftliche Betriebsweise. Ein eventuell dem Contracting-Vertrag entgegenstehendes Ergebnis (Defizit) wird vom EDU übernommen.

Bild 1: Max. zulässige rel. Feuchte als Funktion der Außentemperatur.

Neben der zu optimierenden Anlagentechnik und Betriebsweise kann bei Schwimmhallen, um über die Änderung der Raumluftzustände (z.B. erhöhte Feuchtewerte während der Betriebspausen) Verbrauchswerte reduzieren zu können (Bild 1), die Sanierung der Hüllflächen erforderlich werden.

Parallel zum Einspareffekt beim Lüftungswärmeverbrauch kann ein Contracting-Modell durch diese Maßnahme zur Erhaltung des Baukörpers beitragen. Erforderliche Sanierungen betreffen z.B. Bauteile, bei denen die Dampfsperre in Anschlußbereichen eventuell durch thermische Spannungen beschädigt ist. Als Folge würde der Dampfdiffusionswiderstand stark herabgesetzt werden, wodurch es wiederum zur Kondensatbildung im Bauteil kommt. Im Konstruktionsquerschnitt muß, um Dauerschäden ausschließen zu können, eine ausgeglichene Bilanz zwischen Tauwasserausfall und Verdunstungsmenge vorliegen.

Allgemeine Grundlagen

In Hallenbädern sind die für das Wohlbefinden der Menschen wesentlichen klimatischen Faktoren die Wassertemperatur, die Raumtemperatur und -feuchte sowie die Temperaturen von Raumumfassungen, Heizflächen und Zuluft. Auch dürfen die Luftausblasgeschwindigkeiten (bis 2 m/s), die Ausblastemperaturen (max. 45°C), die Geschwindigkeiten der Luft über der Wasseroberfläche und in der Umgebung des Beckens (0,15 - 0,3 m/s) sowie die gesamte Luftführung im Raum nicht vernachlässigt werden, da die unbekleideten, feuchten Körper der Badenden äußerst empfindlich auf Zugerscheinungen reagieren. Im Restaurations- sowie im Schwimmeisterbereich können erhöhte Luftgeschwindigkeiten aus Behaglichkeitsgründen (Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit) erforderlich sein (0,4 m/s).

Zu den Aufgaben der Lüftungsanlage gehören die Aufnahme und die Abführung des aus dem Schwimmbecken verdunsteten Wassers, die Vermeidung von Schwitzwasserbildung an kalten Außenflächen, die Ableitung von Geruchs- und Schadstoffen sowie bis zu einem Anteil von ca. 70% die Beheizung des Bades, wobei die restlichen Wärmeverluste über statische Heizflächen gedeckt werden (Radiatoren, Konvektoren, Fußbodenheizung). Neben dem Behaglichkeitseffekt (Strahlungswärme) kann somit, nach Abschaltung der Lüftungsanlage während der Betriebspausen, dennoch eine ausreichende Temperierung der Schwimmhalle und der Nebenräume erlangt werden.

Es wird empfohlen, die Raumumfassungen entsprechend gegen Wärmeverluste zu dämmen bzw. kalte Außenflächen (z.B. Fenster) mit Warmluftschleiern zu versehen, um eine erhöhte Wärmeabgabe des menschlichen Körpers zu vermeiden. Wärmeschutzverglasungen (k = 1,3 W/m²) sind obligatorisch.

Temperaturen

Bei der Wahl der Wassertemperaturen sollte man auch die Beeinflussung auf den Körper beachten, die durch die Bewegung im Wasser stattfindet. Temperaturen von 24°C werden z.B. in reinen Sportbädern als völlig ausreichend erachtet, wogegen in Freizeitbädern 28°C und in Kleinkinderbecken bis zu 32°C gefordert werden. Um u.a. die Wärmeverluste des Körpers durch Wasserverdunstung zu verringern, müßte die Lufttemperatur der Schwimmhalle um 2 bis 4 K über der Beckenwassertemperatur liegen (Raumtemperatur max. 34°C). Als Temperaturen im Eingangsbereich werden 22°C, in Umkleide- und Schwimmeisterräumen 26°C genannt.

Bild 2: Schwülegrenze für unbekleidete Menschen nach VDI 2089 Blatt 1.

Feuchtigkeit

Bei der Festlegung der Raumluftfeuchtigkeit ist neben dem Wohlbefinden des Menschen auch die Bauphysik (Taupunkt) zu beachten. Ein geringer Wasserdampf-Teildruck in der Schwimmhalle sowie im Duschbereich (hoher Außenluftstrom) bewirkt eine zu schnelle Verdunstung der Wassertröpfchen auf der Hautoberfläche. Da die Verdunstungswärme zum größten Teil dem Körper entzogen wird, müßte die Raumtemperatur zur Erhaltung der gewünschten Behaglichkeit angehoben werden.

Die max. absolute Feuchtigkeit sollte 14,3 g/kg trockener Luft nicht überschreiten (Schwülegrenze). Bei einer Hallentemperatur von 30°C wäre somit eine relative Feuchtigkeit von 55% einzuhalten (Bild 2).

Mind. Luftwechsel, Luftführung und sonstige Maßnahmen

Um Chlorgeruch, Kohlendioxid usw. in der Hallenluft zu begrenzen, ist nach dem heutigen Stand ein Frischluftanteil von mindestens 20 m³/(h x Pers.) während des Badebetriebes zugrundezulegen. Bezogen auf die Beckenfläche und die Belegung (0,5 Personen/m² Beckenfläche) ergibt sich somit ein hygienischer Luftwechsel von 10 m³/(h x m² Wasseroberfläche). Für Thermal- bzw. Mineralbäder muß die Auslegung des Luftstromes ggf. nach den MAK-Tabellen (MAK-Wert: maximale Arbeitsplatzkonzentration gesundheitsschädlicher Stoffe) erfolgen.

In Schwimmhallen ist die Zunahme von CO₂ durch die von den Besuchern ausgeatmete Luft normalerweise ohne Bedeutung, da bei einer angepaßten Luftführung und bedingt durch die erforderlichen Außenluftraten kaum CO₂-Konzentrationen über 0,08% auftreten dürften. Bei CO₂-Gehalten über 0,1% kann man von schlechter Luft sprechen (Pettenkofer), wobei schädliche Wirkungen erst bei Konzentrationen von mehr als 2,5% auftreten.

Der Luftstrom ist so zu führen, daß in dem gesamten Hallenraum die geforderten Werte eingehalten werden können. So hat der Luftauslaß möglichst unter den Fenstern, an Außenwänden über Kopfhöhe, bei Tribünen unter Treppenstufen usw. zu erfolgen. Wegen des spezifisch leichteren Wasserdampfanteils und wegen der schnelleren Abführung von Geruchsstoffen u.a. sollte die Absaugung der Hallenluft unter der Decke über dem Schwimmbecken vorgenommen werden. Daher ist auch der Wärme- und Feuchtigkeitsisolierung (Dampfsperre) des Daches besondere Aufmerksamkeit zu widmen.

Wegen der besseren Energienutzung und bezogen auf die Behaglichkeit im Duschbereich, wo sich wegen der zumeist erhöhten Außenluftraten ein großes Wasserdampfpartialdruckgefälle* vom Körper zur Raumluft einstellt, ist ggf. die Möglichkeit der Luftführung vom Eingangsbereich über die Umkleideräume, die Schwimmhalle und letztlich über den Duschbereich (Teilstrom) in Erwägung zu ziehen.

Bei der Ableitung eines Luftteilstromes aus dem Schwimmbad über den Duschbereich ist eine höchst effiziente Wärmerückgewinnung möglich, die sich besonders günstig bei der Nutzung der latenten Wärme auswirkt, da der Wasserdampfanteil der Luft nach dem Verlassen der Duschräume sehr groß ist. Die Anlage wird jedoch hierbei ohne eine Umluftführung als reines Frischluft-/Fortluftsystem ausgeführt. Somit erfolgt auch die Deckung der Transmissionswärmeverluste über aufgewärmte Frischluft.

Einer übermäßigen Wärmeeinstrahlung durch nach Süden (Winter) bzw. nach Westen und Osten (Sommer) gelegene Fensterflächen begegnet man durch die Anordnung eines äußeren Sonnenschutzes. Beim Einsatz von Innenjalousien wird die von der Jalousie absorbierte Wärme zum Großteil über Konvektion an die Raumluft abgegeben, wodurch zumindest eine punktuelle Wärmeeinstrahlung entfällt.

Wasserverdunstung

Ist der Partialdruck des Wasserdampfes der Raumluft niedriger als der Sättigungsdruck, tritt Verdunstung an der Beckenwasseroberfläche auf. Die Verdunstungsmengen können sich je nach Wasserbewegung zwischen 0,1 und 0,2 kg/(m² x h) (bei t_W = 26°C, t_i = 28°C, j = 60%) bewegen. Bei Wellenbädern stellen sich höhere Werte ein.

Tabelle 1: Wasserverdunstung in Hallenbädern in kg Wasser je m² und Stunde

	Wassertemperatur
	24°C	26°C	28°C	30°C	32°C
relative Luftfeuchte	Lufttemperatur 28°C
50%	0,204	0,274	0,352	0,441	0,539
60%	0,133	0,202	0,28	0,37	0,467
70%	0,063	0,132	0,211	0,306	0,398
relative Luftfeuchte	Lufttemperatur 30°C
50%	0,164	0,234	0,312	0,402	0,5
60%	0,083	0,153	0,231	0,32	0,417
70%	0,005	0,075	0,153	0,242	0,34

Die Wasserverdunstung steht in einer direkten Beziehung zur Wassertemperatur, zur Temperaturdifferenz des Wassers zur Luft und zur relativen Feuchte. Je niedriger die Wassertemperatur, je größer die Temperaturdifferenz und je höher die relative Feuchte eingestellt werden kann, um so geringer wird der Verdunstungsgrad, der Frischluft-, Fortluftstrom und somit auch der Energieaufwand für die Entfeuchtung der Raumluft sein. Vergleicht man die voraussichtliche Wasserverdunstung in einem Bad, in dem die Lufttemperatur um 2 K höher als die Wassertemperatur eingestellt ist, mit einem Bad, in dem keine Temperaturdifferenz mehr gegeben ist (j = 50%), kann man bei der zuletzt genannten Betriebsweise von einer um rd. 13% höheren Wasserverdunstung ausgehen (Tabelle 1).

Es ist wünschenswert, die Luftbewegung im Beckenbereich gering zu halten, da die Wasserverdunstung mit der Luftgeschwindigkeit erheblich ansteigt. Zu empfehlen ist eine Luftgeschwindigkeit um 0,15 m/s.

Regelung

Die Volumenströme (Frischluftanteil) zur Entfeuchtung können über den Feuchtigkeitsanstieg in der Halle durch stetige Veränderung der Fortluft-, Außenluft- und Umluftklappen geregelt werden, wobei während der Betriebszeiten nach Erreichen des Feuchtesollwertes der hygienische Luftwechsel eingehalten werden muß. Ein Absenken der Raumlufttemperatur bei gleichzeitigem Anheben der relativen Feuchte bzw. eine Totalabschaltung des Lüftungssystems einschließlich aller Nebenaggregate während der Betriebspausen wäre besonders wirtschaftlich. Hierbei dürften jedoch u.a. seitens des Baukörpers (Taupunkt) Grenzen gesetzt sein.

Die Raumtemperatur kann über einen PI-Regler konstant gehalten werden. Hierbei wird über einen Abluftfühler die Höhe der Zulufttemperatur bestimmt. Bei Ansteigen des Sollwertes (gewünschte Raumtemperatur) wird die Zulufttemperatur dementsprechend gesenkt. Sinkt die Temperatur der Abluft, erfolgt eine Anhebung der Zulufttemperatur. Um Zugerscheinungen zu vermeiden, müssen die Ausblastemperaturen jedoch begrenzt werden (min. z.B. 28°C, max. z.B. 45°C).

Damit die Taupunkttemperatur nicht unterschritten wird, sollte die Regelung der Luftfeuchtigkeit über die innere Wandtemperatur der kältesten Außenwand erfolgen. Somit dürfte die absolute Feuchtigkeit immer geringer sein als die dem Taupunkt entsprechende Feuchtigkeit. Bei höheren Außenlufttemperaturen und somit höheren Wandtemperaturen wird auch der Feuchtegehalt der Hallenluft ansteigen, ohne daß der Taupunkt an der Wand unterschritten wird. Aus Behaglichkeitsgründen muß jedoch der max. Feuchtigkeitsgehalt begrenzt werden (Bild 2).

Eine einfachere Regelung der Feuchtigkeit stellt die Konstanthaltung der festeingestellten relativen Feuchte dar. Hierbei wird der Feuchtigkeitsgehalt, bezogen auf eine bestimmte Raumlufttemperatur (keine quantitative Aussage), konstant gehalten. Das Einhalten der absoluten Feuchte der Raumluft ist bei sich ändernden Wasser- und somit Lufttemperaturen sinnvoll.

Die automatische Einhaltung einer positiven Differenz zwischen der Raumtemperatur und der Wassertemperatur ist aus wirtschaftlichen Gründen (geringere Wasserverdunstung) und wegen der Physiologie zu empfehlen. Die Schaltung von Badebetrieb auf Badepause sollte sowohl von Hand als auch automatisch vorgenommen werden können.

Im Sommer kann die Entfeuchtung nur mit Außenluft erfolgen. Hierbei wird sich eine der Außenluft entsprechende Feuchtigkeit einstellen. Auch muß der Aufheizung der Schwimmhalle über die Sonneneinstrahlung begegnet werden.

Für Duschräume wird der erforderliche Luftstrom wegen der hohen Außenfeuchte nach dem Sommerbetrieb ausgelegt. In der kalten Jahreszeit (geringe Außenfeuchte) können diese Luftströme bis auf 40% reduziert werden, ohne daß die Feuchtigkeitsabführung beeinträchtigt wird.

Das Einhalten aller vorgegebenen Werte durch Klappen- sowie Motorventilverstellung, drehzahlabhängige Betriebsweise von Ventilatoren usw., die Änderung von Raumluftzuständen nach der Außentemperatur, der Temperaturdifferenz der Wasser- zur Lufttemperatur und den Betriebszeiten werden durch DDC-Regelungen optimal überwacht, gegebenenfalls korrigiert und dokumentiert, so daß Betriebs- oder Anlagenfehler schnellstens erkannt und beseitigt werden können. Somit kann bei sachgemäßer Einstellung der Sollwerte eine rationelle Energieverwendung garantiert werden. (Fortsetzung folgt)

*) Ing. Eige Clasen, Berat. Ing., Ruhrgas AG, Essen

*) Wasserdampfpartialdruck: Teildruck des Gesamtluftdruckes

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