IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 20/2000, Seite 58 ff.

KLIMATECHNIK

Grundlagen der Raumluftentfeuchtung

Claus Ihle Teil 2

Der zweite Teil des Fachbeitrages gibt - analog zur VDI-Richtlinie 2089 - Hinweise für Planung, Berechnung und Betrieb von Schwimmbadlüftungen und Entfeuchtungsgeräten.

Bei der Entfeuchtung durch Luftmischung interessieren vor allem die stündlich anfallende Verdunstungsmenge, der Volumenstrom, die Heizleistung zur Erwärmung des Außenluftvolumenstroms, die Luftführung, die Regelung und die Möglichkeiten zur Energieeinsparung. Grundlegend sind folgende vier Gleichungen:

A Berührungsfläche zwischen Wasseroberfläche (Beckenwasseroberfläche) und Raumluft in m²

s Verdunstungszahl ť 25 + 19 ˇ v in kg/m² ˇ h

v Geschwindigkeit über der Beckenoberfläche in m/s

Es hat sich gezeigt, dass die sich daraus ergebenden s -Werte für Schwimmbäder zu hoch sind.

Die Werte in Tabelle 2 können annähernd mit s = 10 für ruhendes Wasser, s = 20 für mäßig bewegtes und s = 30 für stark bewegtes Wasser angenommen werden.

x_a Absolute Feuchtigkeit der Außenluft

x_s Wassergehalt gesättigter Luft, der nach Tab. 1 oder Bild 6 ermittelt werden kann. x_swird auf die Beckentemperatur bezogen, da unmittelbar an der Wasseroberfläche gesättigte Luft angenommen wird. Obwohl die Temperatur der Wasseroberfläche J_o geringer als die im Beckeninnern J_Be ist, wird in der Praxis trotzdem mit J_Be gerechnet. J_o = J_Be - 0,125 (J_Be - J_f); J_f = Feuchtkugeltemperatur.

x_i Absolute Feuchtigkeit der Raumluft, die nach Bild 6 ermittelt werden kann.

Bild 10: Verdunstungsmassenstrom in Abhängigkeit von Raum- und Beckenwassertemperatur.

Tabelle 2: Überschlägliche Verdunstungszahlen

Typ
Privatbad	günstig ungünstig	10 15
Hallenbad	günstig ungünstig	20 25
Wellenbad	günstig ungünstig	30 35

Die Lufttemperatur J_i der Schwimmbadluft soll etwa 2 bis 3 K über der gewählten Beckentemperatur liegen, und die zulässige maximale relative Feuchtigkeit j_i hängt im Winter vor allem von den baulichen Gegebenheiten (Fensterkonstruktion), von der Luftführung (Vermeidung von toten Ecken) und vom Aufstellort statischer Heizflächen ab. Im Mittel beträgt sie etwa 55 bis 70% im Sommer und 50 bis 65% im Winter.

Nach VDI 2089 wird als Schwülegrenze für den unbekleideten Menschen ein x_i von 14,3 g/kg angegeben, die jedoch überschritten werden kann, wenn x_a > 9 g/kg beträgt. Das üblich geforderte Raumklima kann man für Schwimmbäder nicht übernehmen, da ja der Raum nur kurzzeitig und ohne Bekleidung benutzt wird.

p_DS Sättigungsdampfdruck, bezogen auf Beckenwassertemperatur, in mbar

p_D Partialdruck des Wasserdampfes, bezogen auf Raumlufttemperatur, in mbar

e Empirischer Verdunstungsbeiwert in g/(m² ˇ s ˇ mbar). 0,5 abgedecktes Becken, 5 Ruheverdunstung, 15 Wohnhausbad, 20 Hallenbad (Normalbetrieb), 28Freizeitbad, 35 Wellenbad

Die Verdunstungsbeiwerte e werden gegenüber der VDI-Ausgabe 1978 wesentlich differenzierter angegeben. Trotzdem sind bei den Angaben noch größere Schwankungen möglich (Nutzungsfrequenz, Regelung, Einsatz von Montagedüsen, Schleppwasser u.a.)

Entscheidend ist demnach, x_s - x_i möglichst gering zu halten. Somit sind die Beckentemperatur J_Be, die Raumtemperatur J_i, die relative Feuchte j_i und die Verdunstungszahl s bzw. der Verdunstungsbeiwert e die entscheidenden Einflussgrößen. Wie sich diese auf die verdunstete Wassermenge auswirken, soll anhand von Bild 10 deutlich gemacht werden.

Verdunstetes Wasser _w - Verdunstungswärme

Die stündlich anfallende Wassermenge durch Verdunstung an der Beckenoberfläche und die durch s berücksichtigte Verdunstung am nassen Boden ist maßgebend für den erforderlichen Volumenstrom und somit auch für die Registerleistung und Wirtschaftlichkeit der Anlage.

Anhaltswerte für _w - Verdunstungswärme

Bei schwach bewegter Wasseroberfläche (während der Benutzung):

Verdunstung:

100 g/(h ˇ m²)

Verdunstungswärmeverluste q_v

70 W/ m²

Bei stärker bewegter Oberfläche ť 200 g/(h ˇ m²) entspricht 140 W/ m²
Bei Nichtbenutzung: ť 60 - 80 g/(h ˇ m²) entspricht 42 - 56 W/ m²
Bei abgedecktem Becken: ť 5 ... 15 g/(h ˇ m²) entspricht 3 ... 9 W/ m²

Die Verdunstungsmenge kann - entsprechend VDI 2089 - auch nach der Daltonschen Verdunstungsbeziehung (siehe Formel 4) berechnet werden.

Da die Verdunstungswärmeverluste fast ausschließlich dem Beckenwasser entzogen werden, sind diese auch maßgebend für die tägliche Beckenwasserabkühlung und für die hierfür erforderliche Heizenergie.

Merke: Die Zunahme der Wasserverdunstung bedeutet nicht nur mehr Energie für die Beckenwassererwärmung, sondern auch ein höherer Lüftungswärmebedarf.

Nach VDI 2089 soll die Aufheizzeit des Beckenwassers möglichst 1 Tag nicht überschreiten. Sollte sie länger angenommen werden, ist dies mit dem Betreiber abzustimmen. Für Privat- und auch Hotelbäder kann man jedoch ohne weiteres 2 - 3 Tage annehmen. Schließlich wird die Beckentemperatur die meiste Zeit annähernd konstant gehalten.

Außenluftvolumenstrom für Schwimmbadraum und Nebenräume

Grundsätzlich ist eine Auslegung ausschließlich nach angenommenen Luftwechselzahlen unzulässig. Entsprechend der Gleichung = /[r ˇ (x_i - x_a)] sind für die Bestimmung des Volumenstroms nicht nur der verdunstete Wassermassenstrom, sondern auch die veränderliche Außenluftfeuchte entscheidend (Bild 5).

x_a Absolute Feuchtigkeit der Außenluft in g/kg. Für die _a -Bestimmung (Ventilatorförderstrom) kann man nach VDI 2089 von x_a = 9 g/kg ausgehen (Sommerwert), sodass man näherungsweise für x_i - x_a grob 5 ... 6 g/kg annehmen kann.

Im Winter kann man oft von einem x_a = 2 g/kg ausgehen.

Dichte der Luft, die von der Temperatur abhängig ist und näherungsweise mit 1,2 kg/m³ angenommen werden kann. Die Einführung von ist deshalb notwendig, da der Außenluftvolumenstrom in m³/h, die Verdunstungsmenge in g/h und die absolute Feuchtigkeit x in g/kg angegeben werden.

Je nach Jahreszeit sind die Anforderungen an die Anlage sehr unterschiedlich. Während im Sommer der größte Volumenstrom (kleines x_i - x_a) und die geringste Heizleistung benötigt werden, ist es in den Wintermonaten gerade umgekehrt. Das bedeutet, dass bei gleicher Ventilatordrehzahl im Winter der erforderliche Außenluftanteil und somit auch die Betriebszeit des Lüftungsgerätes bis etwa ein Drittel des Sommerwertes ausmachen kann.

Folgerungen für Geräteauswahl und Betrieb

a) Der besseren Regelung und der Wirtschaftlichkeit wegen sollte man im Winter Mischluftbetrieb wählen.

In obiger Gleichung wird dann für = und für x_a = x_M eingesetzt. Außer den Betriebskosten werden dadurch auch die Anschaffungskosten gesenkt (vgl. Beispiel 7). Nicht nur allein wegen evtl. Geruchs- und Schadstoffe muss ein periodischer Außenluftbetrieb mit dem Zuluftvolumenstrom bis zu einer Außenlufttemperatur ł 1°C ermöglicht werden. Außerdem ist nach VDI 2089 während der Badebetriebszeit in einer Schwimmhalle ein Außenluftanteil ł 30% des Zuluftstroms einzuhalten.

b) Entsprechend dem jeweils erforderlichen Außenluftvolumenstrom kann auch - mit Einschränkungen - eine Drehzahlreduzierung vorgenommen werden, d.h. hohe Drehzahl im Sommer und niedrige im Winter.

Dies wirkt sich zwar günstig auf die Ventilatorstromkosten aus, denn Umluft bedeutet grundsätzlich Ballastluft. Die Zuluft = Außenluft zu reduzieren ist jedoch nur bedingt möglich, da zur Erreichung einer guten Luftführung im Raum und zum Abschirmen großer Fensterflächen ein ausreichender Zuluftstrom bzw. Luftwechsel erforderlich ist. An die Zuluftdurchlässe werden auch höhere Anforderungen gestellt. Bei kleineren Lüftungsgeräten kann oft nur durch zwei Drehzahlen der gewünschte Zuluft- bzw. Außenluftvolumenstrom nicht erreicht werden.

c) Obwohl die Auslegung nach dem Sommerwert (Mittelwert) erfolgt, wird bei einer extrem feuchtwarmen Witterung

x_i - x_a sehr klein und somit ein ausreichender Entfeuchtungseffekt kurzzeitig nicht mehr gewährleistet. Geht

x_i - x_a gegen Null, müsste der Förderstrom unendlich groß werden.

An solchen Tagen ist zwar nicht mit einer Schwitzwasserbildung zu rechnen, jedoch wird das Hallenklima kurzzeitig oft sehr lästig. Oft muss die freie Lüftung dann noch "mithelfen".

Die Schwankung von x_a im Tagesdurchschnitt ist, im Gegensatz zum Monatsdurchschnitt, sehr gering und somit unbedeutend.

d) Grundsätzlich gilt: x_s - x_i möglichst gering zu halten, dadurch werden und somit geringer (und die Wasserabkühlung), während x_i - x_a möglichst groß gehalten werden soll (zur Reduzierung des -Anteils). Dass beide D_x-Werte zusammenhängen, soll - ergänzend zu Bild 10 - anhand des h,x-Diagramms in Bild 12 deutlich gemacht werden.

Anhaltswerte für die Bestimmung des Außenluftvolumenstroms bei Schwimmhallen in Anlehnung der VDI-Richtlinie 2089 (Tab. 4) sind grundsätzlich für die Auslegung einer Anlage nicht anzuwenden. Zumindest sollten noch die anderen Berechnungsgrundlagen überprüft werden.

Volumenstrom für Schwimmbad-Nebenräume

Den erforderlichen Volumenstrom für die anderen Räume bezieht man nach VDI 2089 entweder auf die Bruttogrundrissfläche oder auf die jeweiligen Einheiten.

Schwimmmeister- und Sanitätsräume 25 m³ (h ˇ m²); Duschräume 220 m³/h je Dusche, wobei der Zuluftvolumenstrom 30 m³/h je m³ Rauminhalt nicht überschreiten soll; Toiletten in der Vorreinigungszone 100 m³/h je Sitz oder Stand, wobei der Fortluftvolumenstrom mind. 15 m³/h je m³ Rauminhalt betragen soll; Umkleidebereich bei Sammelumkleiden 20 m³ (h ˇ m²) und bei Einzelkabinen, Wechselkabinen und Garderobeschränken 15 m³/(h ˇ m²).

Diese Werte sind erfahrungsgemäß sehr reichlich und können, je nach Nutzung, reduziert werden, ansonsten wird gerade hier deutlich, wie ratsam eine Wärmerückgewinnung sein kann.

Daraus ist ersichtlich, dass hier der Volumenstrom und somit auch der Lüftungswärmebedarf um ein Vielfaches höher sein kann als für die Schwimmhalle selbst.

Wärmeleistung für Schwimmbadgeräte (Lüftungsgeräte)

Zur Berechnung der Leistung des Lufterwärmers (Heizregisters) - unabhängig davon, ob Zentral- oder Einzelgerät - sollte in der Regel der wesentlich geringere Volumenstrom im Winter zugrunde gelegt werden, wobei allerdings eine Mindestluftwechselzahl von etwa 3 h^-1 eingehalten werden sollte. Wenn nämlich das Lüftungsgerät auch in extremen Wintertagen mit dem oft bis 3fach größeren "Sommervolumenstrom" betrieben wird, treten folgende 4 Probleme bzw. Nachteile auf:

1. Das Gerät würde nur kurze Zeit laufen, da der Trocknungseffekt wegen des geringen x_a-Wertes zu schnell erfolgt. Das ständige Ein- und Ausschalten wechselt dauernd die Luftströmung im Raum, was zu Komforteinbußen führen kann.

2. Da besonders bei kleinen Schwimmbädern auch bei der Lüftung oft mit Übertemperatur gefahren wird (etwa 5 bis 10 K) und die Raumtemperaturregelung vielfach über thermostatische Heizkörperventile erfolgt, führt das häufige Ein- und Ausschalten des Lüftungsgerätes zu Schwankungen bei der Raumlufttemperatur (schlechte Regelung) und somit zu höherem Energieverbrauch. Heizkörper mit geringem Wasserinhalt wählen!

3. Selbst für die kurze Zeit, in der das Gerät in Betrieb ist (eingeschaltet durch den Hygrostaten), muss der viel zu große Außenluftvolumenstrom von J_a auf J_zu erwärmt werden. Dies führt somit nicht nur zu höheren Betriebskosten, sondern auch zu höheren Anschaffungskosten (Gerät, Rohrnetz, Pumpe usw.).

4. Bei der wasserseitigen Temperaturregelung muss darauf geachtet werden, dass die Zulufttemperatur nicht zu gering wird, wenn z.B. eine außenluftgeführte Kesseltemperaturregelung zu stark abgesenkt wird (Minimalbegrenzung).

Temperaturen bei Schwimmbädern

In der VDI 2089 werden folgende Richtwerte angegeben. Bei den vielfach abweichend gewünschten Temperaturen muss geklärt werden, ob dies auch hinsichtlich der Energieeinsparung und des Wohlbefindens empfohlen werden kann. Grundsätzlich geht die Tendenz nach oben.

a) Die Beckenwassertemperaturen J_Be richten sich nach der Beckenart: Schwimmer-, Nichtschwimmer-, Springer- und Wellenbecken 28°C, Plansch-, Freizeit- und Bewegungsbecken 32°C, Therapiebecken 36°C, Warmsprudelbecken 37°C, Becken in Schwitzbädern warm 35°C, kalt 15°C.

b) Die Lufttemperatur J_i in der Schwimmhalle soll im Betrieb - wie schon erwähnt - 2 bis 3 K über J_Be liegen, jedoch nicht wesentlich über 34°C. In den anderen Räumen ist sie unterschiedlich (Maximalwert): Eingangsbereich 22°C, Umkleidebereich 28°C, Sanitäts- und Schwimmmeisterräume 26°C, Duschräume mit zugeordneten Sanitärbereichen 31°C.

c) Die richtige Zulufttemperatur (in VDI 2089 nicht angegeben) hängt ab vom Einblasort, von der Art des Luftdurchlasses, von der Austrittsgeschwindigkeit und von der Regelung; ferner, ob noch ein Teil des Wärmebedarfs gedeckt werden muss. Anhaltswerte: 5 ... 10 K über Raumtemperatur im Winter, nahisotherm im Sommer. In Duschräumen mit dem zeitweise erhöhten Wasserdampfanteil ist aus hygienischen Gründen eine etwa 6 K höhere Zulufttemperatur erforderlich.

d) Bei den Bemessungswerten für Oberflächentemperaturen unterscheidet man zwischen Oberflächen und Heizflächen. Bei ersteren unterscheidet man wiederum zwischen den Temperaturen an Sitz- und Liegeflächen mit Ł 40°C und denen im Barfußbereich ł 22°C. Heizflächen im Barfußbereich ohne Berührungsschutz werden mit Ł 50°C und mit Berührungsschutz "beliebig" angegeben.

e) Die Duschwassertemperatur sollte 42°C im Auslauf nicht überschreiten; die eingestellte Temperatur soll möglichst konstant sein.

Bild 11: Verdunstungszahlen.

Regelung von Schwimmbadlüftungen

Die Regelungskonzeption richtet sich vor allem nach der Größe und Bauart des Raumes, nach den Komfortwünschen, nach der Art der Nutzung und nach der Zuordnung der Raumheizung. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen einer Zweipunkt-Feuchteregelung und einer stetigen Feuchteregelung. Bei der üblichen Zweipunktregelung für kleinere und mittlere Schwimmhallen wird über einen Hygrostaten das Lüftungsgerät (Ventilator) ein- und ausgeschaltet oder die Mischluftklappen von Umluft- auf Außenluftbetrieb umgeschaltet (bzw. umgekehrt).

Für den Messort des Hygrostaten gilt: Montage nicht an schwitzwassergefährdeter Wand, nicht direkt im Luftstrom, etwa 1,5 m Raumhöhe.
Ein plötzlicher Schaltvorgang verändert nicht nur ständig die relative Feuchte, sondern auch - je nach Übertemperatur - die Raumtemperatur und die Luftbewegung im Raum. Bei geringer Wasserverdunstung und guter AUL-Volumenstromanpassung (Drehzahl) können die Schaltvorgänge verringert werden.

Die stetige Feuchteregelung wird bei größeren Schwimmhallen gewählt. Bei ihr wird über den Klappenstellmotor der jeweils erforderliche Außenluftvolumenstrom bzw. das erforderliche Mischungsverhältnis zwischen Umluft und Außenluft stufenlos geregelt.

Der Sollwert der Raumfeuchte kann hierbei noch entsprechend der Außentemperatur gleitend verschoben werden und somit auch der Außenluftanteil.
Zur Optimierung der Betriebsweise und zur Einsparung von Energie werden oft spezielle Schaltungen, wie z.B. "Badebetrieb - Badepause" gewählt.

Bei der Regelung ist auch zu unterscheiden, ob die Lüftungsanlage nur die Lüftungsheizlast oder auch zusätzlich einen Teil der Raumheizlast übernehmen soll. Hierzu wären ausführlichere Erläuterungen zu den Regelungsschemen, die Gegenüberstellung und Funktion der jeweiligen Regelgeräte (Temperatur, Feuchte) sowie Hinweise hinsichtlich Fühleranordnung, Bedienung und Störbehebungen erforderlich.

Bild 12: Einfluss von xs und xi sowie xa auf Verdunstung und Volumenstrom, dargestellt anhand des h,x-Diagramms.

Maßnahmen zur Energieeinsparung

Wie bereits erwähnt, erstreckt sich der Energiebedarf bei Hallenbädern auf Raum- bzw. Gebäudeheizung, Lüftung (Entfeuchtung), Beckenwassererwärmung, Warmwasserbedarf (Duschen u.a.), Fußbodentemperierung sowie Wassererneuerung durch Spritzwasser. Hinzu kommt der nicht geringe Bedarf an Elektroenergie. Energiesparmaßnahmen sind nicht nur bei Neuanlagen, sondern in noch stärkerem Maße bei vorhandenen z.T. älteren Anlagen auch nachträglich möglich. Im Wesentlichen geht dies schon aus vorstehenden Hinweisen hervor, sodass diese abschließend nur zusammengefasst und etwas ergänzt werden sollen.

a) Gute Wärmedämmung an den Außenflächen und möglichst Mehrfachverglasung, um geringe Durchgangskoeffizienten und somit hohe innere Oberflächentemperaturen zu erreichen.

Vorteile: Geringerer Transmissionswärmeverlust, besseres Raumklima, unabhängiger mit der Zulufteinführung und Heizkörperaufstellung, keine Schwitzwassergefahr, evtl. höhere rel. Feuchte möglich (weniger => weniger => weniger ).

b) Anpassung von Becken- und Lufttemperatur, denn - wie Bild 10 zeigt - hängt davon wesentlich der Energiebedarf für die Lüftung und Beckenwassererwärmung ab.

c) Wahl eines geeigneten Regelungssystems bzw. spezielle "Sparschaltungen".

Beispiele:
Genaue proportionale Anpassung des Außenluftvolumenstroms; Erhöhung der relativen Feuchte bei konstanter Raumtemperatur (Bild 12 c); eine zu starke Absenkung der Raumtemperatur J_i vermeiden, es sei denn, man erhöht dabei die relative Feuchte (Bild 12 b); Kopplung von Beckenwasser- und Lufttemperatur; evtl. im Sommer und Winter jeweils Regelgröße verändern (z.B. die relative Feuchte j_i im Sommer und Fensteroberflächentemperatur im Winter).

Um optimale J_i -, j_i - bzw. höhere x_i -Werte zu erreichen, sollte man grundsätzlich zwischen den beiden Betriebszuständen "Badebetrieb" und "Badepause" unterscheiden, wozu spezielle Feuchteregler erforderlich sind.

Bei "Badebetrieb" wird in Abhängigkeit von j_i über die Klappen der erforderliche Außenluftanteil erreicht.

Bei "Badepause" werden die Klappen vom Feuchteregler in Umluftstellung gebracht. Die Leitung vom Temperaturregler zum Mischermotor wird unterbrochen, bzw. das Stellglied des Heizregisters wird nun durch den Feuchteregler verändert. Dieser kann z.B. durch Nachheizen die relative Feuchte konstant halten und somit x_i gegen x_s "laufen" lassen (Bild 12 b), sodass die Verdunstung extrem gesenkt werden kann.

d) Abdeckung der Wasseroberfläche, wenn die tägliche Benutzungszeitspanne klein ist und nicht in zu zahlreiche Einzelzeitspannen zerfällt, auch bei hohen Beckentemperaturen.

So kann bei Privat-Innenschwimmbädern mit oft unter einer Stunde Benutzung täglich (Jahresdurchschnitt) der Wärmeverbrauch etwa 40 bis 60% gesenkt werden.
Die vielfältigen Abdeckmöglichkeiten (fest eingebaut, fahrbar, auf Beckenrand, von Hand betrieben, motorisch betrieben, Kunststoffschichten, Kunststoffhohlstäbe u.a.) bedeuten auch sehr große Preisschwankungen; bei Kunststoffschichten etwa 5.000 bis 6.000 DM (4m x 12 m Beckengröße).
Wegen dieser hohen Kosten sollte man grundsätzlich eine Kostenberechnung aufstellen. Bei täglichen Benutzungszeiten von etwa >5 h ist es oft wirtschaftlicher, ein Entfeuchtungsgerät zu wählen.
Maßnahmen zur Wärmerückgewinnung wie z.B. rekuperative Wärmetauscher, Kreislaufverbundsysteme, Wärmepumpen und u.U. regenerative Wärmetauscher. Mitunter sind auch Kombinationen sinnvoll.
Wenn man schon bei der Planung und erst recht beim Betrieb dafür sorgt, dass möglichst wenig Beckenwasser verdunstet, dann kann man mit der Wärmepumpe auch nicht viel feuchte Wärme (= freigewordene Kondensationswärme am Verdampfer) zurückgewinnen.
Durch die Kombination Rekuperator - Wärmepumpe ergeben sich geringere elektrische Anschlussleistungen. Außerdem ist der Rekuperator auch im Ruhebetrieb wirksam, und durch die Anordnung des Verdampfens im Nebenluftstrom erfolgt keine Rückverdunstung von ausgeschiedenem Wasser. Die kalte Außenluft erhöht zusätzlich den Vorkühleffekt im Plattentauscher und dadurch die Geräte-Entfeuchtungsleistung.

L i t e r a t u r : Claus Ihle; Lüftung und Luftheizung; 6. neubearbeitete Auflage 1997

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