Innovative SCHWIMMBADTECHNIK

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1 Klaus J. Hansen Innovative SCHWIMMBADTECHNIK bsw-seminar Schwimmbadtechnik 5. Dezember

2 Der Energieaufwand für eine Schwimmhalle ist bedingt durch die höhere, zum Wohlbefinden erforderliche Temperatur und die ständige Verdunstung des Wassers in der Halle deutlich höher als in normal benutzten Räumen. Nach einer alten Faustformel die auch heute noch propagiert wird teilt sich der Wärmeverlusteiner Schwimmhalle in 3 Drittel QT Transmission QT Verdunstung QL Lüftung QT & QV 2/3 QT 1/3 QL 1/3 QV 1/3 1/3 Ob diese Faustformel heute noch zutreffend ist, wollen wir in diesem Seminar betrachten. 2

3 Aufteilung der Energieverluste Die sich ergebende Energieverluste teilen sich auf in: 1. Den Transmissionswärmeverlust (die Wärmeabgabe des Gebäudes über alle Begrenzungsflächen, an die Außenluft, das umgebende Erdreich, und die mit niedrigeren Temperaturen betriebenen Innenräume). 2. Die Beheizung des Badewassers ( bestehend aus der Grundaufheizung, der Nachheizung des erforderlichen Frischwassers, bedingt durch kontinuierliche Verdunstung, Hygienische Frischwassererneuerung, Filterrückspülung und Transmissionsverlust der umgebenden Beckenflächen). 3. Die Aufwärmung der Außenluft (Erwärmung der erforderlichen Frischluftrate, Ausgleich zur Entfeuchtung des erforderlichen Außenluftanteils zur Abführung des durch die Verdunstung entstehenden Wasserdampfes). Dieser Außenluftanteil kann durch: 1.Einer Beckenabdeckung (Reduzierung der Verdunstung). 2. Einer Wärmepumpe zur Entfeuchtung (Wärmerückgewinnung durch Kondensation). vermindert werden. 3

4 Schwimmhalle Standard 4 Ohne Wärmerückgewinnung Zuluft Abluft Außenluft Fortluft Halle 12m x 6m x 2,6 m Becken (Wasseroberfläche 40 m² Außenwände Isolierstein U=0,6 Fenster Isolierglas 4m x 2,8m U=2,8 Dach 8 cm Isoliert U=0,45 Transmissions-Wärmebedarf 14,5 kw

5 Schwimmhalle mit bester Isolierung und Verglasung Abluft Mit Kreuzstromplattentauscher 60% Zuluft Außenluft Fortluft Halle 12m x 6m x 2,6 m Becken (Wasseroberfläche 40 m² Außenwände Isoliet U=0,25 Fenster Isolierglas 4m x 2,8m U=0,8 Dach 8 cm Isoliert U=0,22 Transmissions-Wärmebedarf 11,4 kw 5

6 Schwimmhalle und Keller mit bester Isolierung und Verglasung Abluft Mit Gegenstromtauscher > 90% Zuluft Außenluft Fortluft Halle 12m x 6m x 2,6 m Becken (Wasseroberfläche 40 m² Außenwände Isoliert U=0,25 Fenster Isolierglas 4m x 2,8m U=0,8 Dach 8 cm Isoliert U=0,22 Kellerboden und Wände U=0,25 Transmissions-Wärmebedarf 2,77 kw 6

7 Achse 1 zeigt den maximalen Transmissionswärmeverlust In Klimazone II Achse 1 Bild 1 (Standard) Achse 2 Bild 2 (mit optimaler Isolierung der Halle und bestmöglicher Verglasung) Achse 3 Bild 3 (mit kompletter Isolierung der Halle und der Beckenumgangsräume. Diagramm 1 Diagramm 2 In Diagramm 2 ist das Einsparungs- Potential in der erforderlichen Bereitstellungsleistung erkennbar (geringere Kesselleistung und bessere Möglichkeit z,b. mit einer Beheizung durch Wärmepumpe) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%

8 Wasserverdunstung nach VDI 2089 Der Gesamtverdunstungsbeiwert (β in m/h) wurde für die unterschiedlichen Nutzungsverhältnisse eines Schwimmbeckens ermittelt: - abgedecktes Becken - Ruheverdunstung - Wohnhausbad, kleine Wasserfläche, geringe Personenzahl je m² Wasserfläche Freizeitbad mit vielen Wasserattraktionen - Hallenbad, Beckentiefe > 1,35m < 1,35m - Wellenbad (während des Wellenmaschinenbetriebs) - Einzelberechnung aller Attraktionen nach Nutzungsdauer 8

9 Das Privatschwimmbad Standard Optisch ansprechende Architektur in massiver Bauweise. mäßige Isolierwerte U-Werte Wände 0,6-0,8 Boden (Umgang) 0,5-0,6 Decken 0,5-0,6 Dach 0,45-0,6 Keine Dampfsperre in Wand-, Decken- und Dachflächen. Isolierverglasung U-Wert Fenster 2,5 2;8 mäßige Ausstattung Unterwasserbeleuchtung Nutzatmosphäre 9

10 Das Privatschwimmbad von heute Optisch ansprechende Architektur in massiver Bauweise. Hohe Isolierwerte U-Werte Wände 0,15 0,25 Boden 0,12 0,20 Decken 0, ,20 Dach 0, ,20 Dampfsperre in Wand-, Decken- und Dachflächen. Bestmögliche Isolierverglasung U-Wert Fenster 0,80 1,2 Ansprechende Ausstattung Unterwasserbeleuchtung (Farbwechselnd) Wohlfühlatmosphäre 10

11 Die Behaglichkeitsanforderungen im Schwimmbad Raumlufttemperatur: Auslegungstemperaturen nach VDI 2089 Blatt 1 ca. 2 K über der Beckenwassertemperatur aus wirtschaftlichen Gründen sollte die Lufttemperatur 34 C nicht überschreiten Raumluftfeuchte: Raumart Eingangsbereich, Nebenräume und Treppenhäuser Umkleideräume Sanitäts-, Schwimmmeister- und Personalräume Duschräume mit zugeordneten Sanitärbereichen Schwimmhalle Raumlufttemperatur min. max. 18 C 22 C 24 C 22 C 27 C 30 C 28 C 26 C 31 C 34 C die Schwülegrenze des unbekleideten Menschen liegt bei x = 14,3 g Wasser /kg tr.luft ein Überschreiten dieses empirischen Wertes im Nutzungsbetrieb ist nur zulässig, wenn die Außenluftfeuchte höher 9 g Wasser /kg tr.luft ist. 11

12 Die Bezugsfläche und Wärmeübergangskoeffizient Becken mit bedeckter Wasserfläche Wohnhaus (Privatbecken) Hallenbad Wassertiefe > 1,35m Wassertiefe < 1,35m Wellenbad bei Wellenbetrieb Rutschen und Rutschen Auffangbecken Wildwasserkanal unbenutztes Becken βu in m/h 0, benutztes Becken βb in m/h Die Bezugsfläche errechnet sich aus den Nennmaßen des Beckens oder der nutzbaren Wasserfläche 12

13 Luftmengenberechnung nach VDI 2089 für eine Schwimmbeckenoberfläche von 40 m² Nach dieser Berechnung ist noch zu prüfen, ob mit der errechneten Luftmenge ein 3-4-facher Luftwechsel pro Stunde erreicht wird. 13

14 Für die energetischen Betrachtungen der erforderlichen Luft- und Entfeuchtungsleistungen wird der im Diagramm dargestellte Durchschnittswert zu Grunde gelegt. Dieser ist daher nicht absolut, ermöglicht aber eine reale Beurteilung eines Betriebsjahres energetische Betrachtung:

15 Doch was bedeutet dies für ein privates Schwimmbad? Die überwiegende Anzahl der privaten Schwimmhallen (80%) werden ca. 1 Stunde am Tag genutzt; demnach ergeben sich 23h Ruhebetrieb und 1h Badebetrieb. Bei Ansatz der in VDI 2089 angegebenen Verdunstungswerte Ruhebetrieb βu in m/h 7, Badebetrieb βu in m/h 21, adebetrieb βu in m/h 21 ergibt sich bei einem Becken von 40 m² und einer Temperatur von 30 C und 54% r.f. eine zu entfeuchtende Wassermenge pro Tag von Ruhebetrieb = 13,7 kg/t Badebetrieb = 1,8 kg/t Dies ergibt eine zu entfeuchtende Wassermenge von 15,5 kg am Tag 15

16 Frischluftzufuhr beim Badebetrieb im Winter Grundsätzlich gilt: Nur so viel Frischluft wie nötig. Jede weitere unnötige Frischluft erhöht den Energiebedarf des Bades Dabei ist jedoch die Empfehlung des Umweltbundesamtes zu beachten, dass die Hygieneanforderungen nicht allein durch die Wasseraufbereitungen erreicht werden können und daher ein Mindestanteil von 30% Frischluft zum Abtransport der Belaststoffe im Badebetrieb gewährleistet sein muss. 16

17 energetische Betrachtung Dazu ist zu beachten: Nach den vorgenannten Betriebsdaten ergibt sich ein Energieverbrauch zur Entfeuchtung von: 15,5 kg am Tag = 20,7 kw/t Durch die geforderte und auch empfehlenswerte Einbringung von 30% Frischluft im Badebetrieb werden im Mittel 5 kg = 6,9 kw durch die Außenluft entfeuchtet. Für den Wärmepumpenkreislauf ergibt sich daher eine mittlere tägliche Betriebszeit von 2 Stunden, Entfeuchtung 15,4 kg, Wärmegewinn 21,2 kw Stromverbrauch 2,6 kw Bei dem Einsatz einer Abdeckung wird die erforderliche Entfeuchtungsleistung durch die Außenluft bei dem genannten Badebetrieb von 1h/t erbracht. Es bleibt der Wärmeverlust von 6,9 kw 17

18 energetische Betrachtung Ausgehend von einer Außenluft mit der Durchschnittstemperatur von: 9,05 C bei 6,23 g/kg ergibt dies für die ermittelten 15,5 kg/t eine erforderliche Frischluftmenge zur Entfeuchtung von: 2870 m³/t und einen Energieverlust von: 38 kw/t Bei Einsatz einer rekuperativen WRG mit 90% reduziert sich der Energieverlust auf: 20,7 kw/t der sich noch reduziert, da im Rekuperator mit 90% Bei tiefen Temperaturen auch eine erhebliche Kondensation ergibt. 18

19 Beispiel Standardhalle Diagramm 3 Diagramm 3 zeigt, dass in der Standardhalle ohne WRG der Energieaufwand für Transmission Und Verdunstung nahezu gleich ist Transmission kw/a Wasserdampf kw/a Beispiel Isolierte Halle Diagramm 4 Diagramm 4 zeigt, die Reduzierung Des Energieaufwands bei optimaler Hallenisolierung und einer WRG mit einem Kreuzstromplattentauscher Energieaufwand für: Transmission 20 % Wasserdampf 30% Transmission kw/a Wasserdampf kw/a 19

20 Beispiel komplett Isolierte Halle und Technikkeller Diagramm 4 zeigt, die Reduzierung des Energieaufwands bei optimaler Hallenisolierung und einer WRG mit einem Kreuzstromplattentauscher Energieaufwand für Transmission 75 % Wasserdampf 54 % Diagramm 5 Transmission kw/a Wasserdampf kw/a

21 Diagramm mit dem Energieaufwand zur Frischwasseerwärmung Wasserverbrauch: Beckenfüllung (1x alle 2 Jahre) Verdunstung (Nachfüllwasser) Filterspülung (1,2m³ pro Woche) Transmission kw/a Wasserdampf kw/a Wassererwärmung [WERT] Der Energieaufwand zur Frischwassererwärmung ist durch die getroffenen Maßnahmen nicht zu beeinflussen und ist bei allen Beispielen gleich 21

22 Was bedeutet dies für das private Schwimmbad Es ist für einen wirtschaftlichen und hygienischen Badebetrieb unabdingbar, dass die Frischluftzufuhr den jeweiligen Benutzungs- und Betriebssituationen angepasst wird. Daher ist ein kontinuierlicher Enthalpie-Abgleich, der jede Änderung der Benutzungssituation erfasst und bewertet, verbunden mit einer hochwertigen Wärmerückgewinnung Grundvoraussetzung für einen wirtschaftlichen Betrieb. Dieser Anspruch gilt auch für das private Hallenbad, wobei hier jedoch die Benutzungsgewohnheiten zu beachten sind. Da hier lange Ruhezeiten und kurze Badezeiten die Regel sind, sollte die Frischluftzuführung nicht kontinuierlich, sondern überwiegend in den Nutzungszeiten erfolgen. Eine Kombination von hochwertiger rekuperativer Wärmerückgewinnung mit heute möglichen >90% erfordert eine optimale Regelung mit entsprechender Nutzungssteuerung. 22

23 Zusätzliche Einrichtungen zur Reduzierung der Betriebskosten Die Einbindung eines Wärmepumpenkreislaufs verbunden mit einer Wärmerückführung an das Beckenwasser mindert den Energieverbrauch zusätzlich. Auch die Einrichtung einer Beckenabdeckung in den Ruhezeiten reduziert die Wasserverdunstung bei geringen Nutzungszeiten erheblich (nach VDI 2089 statt βu in m/h 7auf 0,7m/h) Durch die zusätzliche Einrichtung beider Maßnahmen, Wärmepumpenkreislauf Beckenwasserkondensator und eine Beckenabdeckung werden die Verbrauchskosten minimiert. 23

24 Abschließende Betrachtung zu diesem Beispiel Privates Schwimmbad Für einen wirtschaftlichen Betrieb und die Erfüllung der Normen ist eine Lüftungsanlage mit leistungsfähiger rekuperativer Wärmerückgewinnung (>90%) auch mit Einbringung des erforderlichen Frischluftanteils bei optimaler Isolierung und Dampfsperre ausreichend. Dies gilt auch für sporadisch höhere Nutzungszeiten, wie z.b. an Wochenenden. Der zusätzliche Einbau eines Kältekreislaufs als Wärmepumpe oder/und der Einbau einer Beckenabdeckung ist zusätzlich energiesparend, jedoch mit höheren Investitionskosten verbunden. Im Bestreben, den Energieverbrauch so gering wie möglich zu halten, wäre es daher grundsätzlich zu begrüßen. 24

25 Schlussbetrachtung Wie das Beispiel zeigt, ist der Einsatz eines Wärmepumpenkreislaufs zur Entfeuchtung, bedingt durch die kurzen Laufzeiten unter Berücksichtigung der Investitions- und Servicekosten kaum als wirtschaftlich zu bezeichnen Wird jedoch der Wärmepumpenkreislauf zum Entzug der Wärme aus der Fortluft eingesetzt, ist durch den stetig steigenden Außenluftanteil bei höheren Außentemperaturen in der Übergangs- und Sommerzeit ein kontinuierlicher Wärmepumpenbetrieb gegeben. Bei Übertragung der Wärme auf einen Wasserkreislauf kann dann die Wärme für Beckenwasser, Brauchwasser oder Sommerheizung genutzt werden.. Damit wäre auch die Forderung nach erneuerbaren Energieanteilen bei einer Passivhaus-Bauweise erfüllt. 25

26 Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit und stehe für weitere Fragen gerne zur Verfügung Klaus J. Hansen BSW