Energieeffizienz im Hallenbad
Wie viel Nachhaltigkeit steckt hinter den modernen Design-Erlebniswelten?

Beckenwasserverdunstung – eine der wesentlichsten Einflussgrößen

Die laufenden Verdunstungsmengen der Beckenoberflächen müssen über die Lüftungsanlagen abgeführt werden, die Entfeuchtung geschieht dabei über den in der Regel trockeneren Außenluftvolumenstrom. Ein Zulassen höherer Raumluftfeuchten bedeutet, dass das Beckenwasser weniger verdunstet und ein niedrigerer Energiebedarf für die Nacherwärmung des Frischwassers erforderlich ist. Gleichzeitig muss die Raumluft weniger entfeuchtet werden (d.h. der Außenluftanteil und damit die Antriebsenergie für Ventilatoren kann deutlich gesenkt werden). Die Luftwechselzahlen werden aber nicht nur von der Entfeuchtungsleistung und den Raumklimabedingungen bestimmt, sondern auch vom notwendigen Abtransport von Luftschadstoffen.

So müssen Lüftungsanlagen im Hallenbad die Konzentration an gesundheitsschädlichen Desinfektionsnebenprodukten (wie Trihalogenmethane und Chloramin), die durch die Chlorung auftreten, begrenzen und mit einem Mindest-Außenluftanteil von 30 % (gemäß VDI 2089) betrieben werden. In Ausnahmefällen sind 15 %  zulässig, wenn nachgewiesen wird, dass Trihalogenmethane durch spezifische Desinfektionsmaßnahmen dauerhaft unter 0,02 mg/l liegen, d.h. nicht nur Komfort und bautechnische Anforderungen an die Raumluftfeuchte bestimmen die Luftwechselzahlen, sondern auch die Art der Desinfektion.

Die Verdunstung des Beckenwassers hebt zwar zunächst die relative Raumluftfeuchte, wirkt aber dabei gleichzeitig auch regulierend auf die Hallenfeuchte und die weiteren Verdunstungsprozesse werden hintangehalten, denn mit Anstieg der Luftfeuchtigkeit sinkt auch die Differenz des Wasserdampf-Partialdrucks zu dem bei einer bestimmten Lufttemperatur maximal möglichen Sättigungsdampfdruck. Die Verdunstung steigt bei einer höheren relativen Feuchte weniger an. Das gilt insbesondere bei Nicht-Betriebszeiten und ruhiger Beckenwasseroberfläche. Innenbeckenabdeckungen – wie sie bei Außenbecken empfohlen und sinnvoll sind, um die Verdunstung durch Wind und Abkühlung durch das kältere Außenklima hintanzuhalten – zeigen bei Innenklimabedingungen nicht die erwarteten Einsparungen, wenn man die hohen Investitions- und Betriebskosten mit Maßnahmen für eine moderate Anhebung der Hallenfeuchte vergleicht.

Bei laufendem Schwimmbadbetrieb wird die Verdunstung natürlich auch durch Wasserattraktionen (wie z.B. Wildwasserkanäle, Fontänen, Wasserspeier etc.) vorangetrieben. Eine beschränkte zeitliche Benutzung sowie die Auswahl von Wassereffekten mit geringerem Verdunstungsanteil helfen hier, die erforderliche Entfeuchtungsleistung der Lüftungsanlagen und die Beckenwasserwärmeverluste deutlich zu minimieren. Die Tabelle 1 zeigt eine Auswahl an Wasserattraktionen und die zu erwartenden Verdunstungsmengen bei typischen Betriebsbedingungen.

 

Tab. 1: Übersicht von Wasserattraktionen und Verdunstungsmengen, Quelle: [En.effizienz NRW]  

 

Bei einer ausgezeichnet gedämmten Hülle, Passivhaus-Verglasungsqualitäten und der konsequenten Vermeidung von Wärmebrücken kann die Luftfeuchte in Nicht-Betriebszeiten, abhängig von der Innentemperatur, moderat angehoben werden (bei 32° C Hallentemperatur bis max. 64 % relativer Feuchte bzw. 19,3 g/kg absoluter Feuchte, im Vergleich zu typischen Neubaustandard, hier werden max. 14,9 g/kg empfohlen), was deutliche Effekte auf die Wärmebilanz im Hallenbadbau hat. Wesentlich ist, dass die Hallenfeuchte nur so hoch sein darf, wie es der Bauteil mit dem höchsten U-Wert und den niedrigsten Oberflächentemperaturen zulässt, um feuchtebedingte Bauschäden zu vermeiden (Taupunktswächter an kritischen Stellen oder die Anströmung dieser Bauteile mit trockener, warmer Zuluft können unterstützend wirken, verursachen selbst aber wieder einen höheren Energiebedarf und sind bei komplexen Raumgeometrien schwierig zu bewerkstelligen).

Es kann durchaus Sinn machen, die Raumlufttemperatur zu erhöhen und geringfügig höhere Transmissionswärmeverluste über die Gebäudehülle in Kauf zu nehmen, wenn damit gleichzeitig die Verdunstungsmenge des Beckenwassers deutlich reduziert werden kann.

Auch niedrigere Beckentemperaturen (z.B. über höhere Anteile an Sportbecken) haben einen Mehrfacheffekt: Es muss weniger Energie für das Frischwasser zugeführt werden, die Transmissionsverluste des Beckens an die Umgebung sowie die Verdunstung sinken. Wird die  Beckentemperatur um 1 Kelvin abgesenkt, kann bis zu 10 % des Beckenwärmebedarfs, eingespart werden. Spezielle Überlaufrinnen und ihre Stillegung in den Nicht-Betriebszeiten reduzieren zusätzlich den Aufwand an Frischwasser. Die Abbildung 2 zeigt die Endenergiebilanz eines optimierten Passivhaus-Hallenbades.

Die Primärenergiebilanz verschiebt sich je nach eingesetzte Energieträger zugunsten der Wärme, ideal sind örtliche Blockheizkraftwerke mit Kraft-Wärme-Kopplung, da im Hallenbad ein ganzjähriger Wärmebedarf anfällt, oder Tiefbohrsonden zur Nutzung von Geothermie in Kombination mit Photovoltaik- oder thermischen Solaranlagen. Die direkte Nutzung von heissen, geothermischen Quellen ist nur an begünstigten Standorten (Thermenlinien) möglich. Mit der anvisierten zunehmenden Dekarbonisierung der Stromversorgung werden zwar die nicht erneuerbaren Primärenergieanteile des Stroms deutlich zurückgehen, im Sinne einer Gesamtenergieeffizienstrategie ist aber auch der Primärenergieeinsatz nicht erneuerbarer Energien durch ein hohes Maß an Ausschöpfung von Effizienzpotenzialen zu deckeln.

Lüftungsanlagen – Komfortgaranten mit Mehrwert

Hallenbäder bieten durch die sehr feuchte als auch warme Raumluft die Rückgewinnung von sensibler als auch latenter Wärme, was den Effizienzgrad der Wärmerückgewinnung deutlich steigert. Geeignet dafür sind Kreislaufverbundsysteme oder Plattenwärmetauscher, wobei die Geometrie des Wärmeübertragers an den höheren Anfall von Kondensat angepasst sein sollte. Aluminiumwärmetauscher können aufgrund der Korrosionswirkung der mit hoher Feuchte, Aerosolen- und manchmal auch mit Salz-belasteten Raumluft nicht eingesetzt werden, Polypropylen dient hier als korrosionsbeständiges Material für den Wärmetauscher.

Zur Effizienzsteigerung kann der  Wärmerückgewinnungs-Einheit eine Fortluft-Wärmepumpe zur Enthalpierückgewinnung und ein Kältemittelunterkühler nachgeschaltet sein. Die Energie, die dadurch gewonnen wird, wird meist zur Beckenwassererwärmung eingesetzt. Ob die Einsparung wirtschaftlich darstellbar ist, hängt wesentlich vom Energiepreis des substituierten Wärmeträgers, der Jahresarbeitszahl der Wärmepumpe und auch der Effizienz der vorgeschalteten Wärmerückgewinnung ab.

Thermische Zonierungen machen auch lüftungstechnisch Sinn

Zonierungen mit zur Schwimmhalle wesentlich abweichenden Behaglichkeitsanforderungen (wie Umkleidebereiche, Eingangsfoyer mit Kassenzonen oder Gastronomie) sollten klar thermisch entkoppelt sein und über separate Lüftungsanlagen verfügen. Im Idealfall können Umkleidezonen oder Personalräume über Überströmöffnungen mittels CO₂-Regelung versorgt werden, dadurch können unnötige Luftumwälzungen vermieden werden. Für Duschbereiche gelten ähnliche Komfortanforderungen wie für die Schwimmhalle, daher wird hier eine räumliche Integration und die Mitversorgung über die Hallenlüftung empfohlen. Nassbereiche sollten dabei immer im Unterdruck zu Trockenbereichen geführt werden.

Luftförderung – intelligent gelöst

Luftauslässe sind so platzieren, dass je nach Geometrie eine gute Durchströmung der Halle ermöglicht wird. Mittels Klappensteuerung kann der Druck an den Auslässen trotz schwankender Volumenströme gehalten werden. Die Abluftabsaugung ist in der Nähe der Überlaufrinnen oder im Umgang zu den Schwimmbecken tiefliegend zu positionieren. Lüftungskanalführungen mit geringem Druckabfall und der Einsatz hocheffizienter, frequenzgeregelter Motoren und Ventilatoren tragen wesentlich dazu bei, den Strombedarf für die Luftförderung zu reduzieren. Dies gilt umso mehr für Luft, die nicht transportiert werden muss. Eine bedarfsgerechte Volumstromregelung ist daher eine wesentliche Prämisse energieoptimierter Lösungen: über geeignete Regelungsstrategien und sinnvoll positionierte Feuchte- und Temperaturfühler wird die Luftförderung an den jeweiligen Bedarf selbsttätig angepasst.

Wärmerückgewinnung aus Abwässern – ein  Must-Have

Die Frischwassermenge des Beckenwassers (und damit auch die Wärmezufuhr) wird vom hygienisch erforderlichen Mindestwasseraustausch (hier rechnet man mit 30 l pro Badegast und Tag), den Aufwänden für die Wasseraufbereitung und Filterrückspülung und wie bereits dargelegt von der Verdunstung der Wasseroberfläche bestimmt. Gleichzeitg fallen hohe Mengen an Abwässer mit sehr hohem Temperaturniveau an, die sich für eine effiziente Wärmerückgewinnung anbieten.

Drei Haupt-Anwendungsbereiche seien hier hervorgehoben:

1. WRG aus Messwasser, das in nicht unerheblichen Mengen dem Beckenwasser für die laufende Bestimmung der Wasserqualität entnommen wird (so benötigt ein Analysegerät ca. 35 l/h, in der Regel kommen 8 bis 10 Analysegeräte je nach Anzahl und Größe der Becken zum Einsatz)
2. WRG aus Duschabwässern: die Schmutzbelastung (durch Seifenreste, Haare, etc.) stellt hier eine besondere Herausforderung an die Wärmetauschereinheit dar, es muss auf eine kontinuierliche, selbsttätige Reinigung der Wärmetauscher geachtet werden
3. und der Hauptanteil des Potenzials an WRG liegt natürlich bei Abwässern aus dem Becken- und Spülwasser, die durch die Wassererneuerung und -aufbereitung anfallen

Heizwärme Duschen

• Der Verbrauch an Warmwasser für Duschen lässt sich über folgende Maßnahmen deutlich reduzieren
• Einsatz wassersparender Duschköpfe ( mit einer maximalen Durchflussmenge von 6 l/min) und zusätzlicher Luftverwirbelung, um den Komfort des Wasserstrahls zu gewährleisten
• zeitgeregelte Laufzeiten der Duschen
• kurze Stich-Leitungen und gute Dämmung der Verteilleitungen
• Vermeidung von langen Zirkulationsleitungen und Zeiten mit sehr hohen Temperaturen zur Legionellenprophylaxe

Neben Abwärmen aus den Abwässern können auch die relativ hohen Abwärmen aus Technikräumen mittels Luft-Wasser-Wärmepumpen zur Vorerwärmung des Duschwassers genutzt werden.

Badewasserhydraulik und -pumpen

Der Stromverbrauch im Hallenbad wird neben dem Antrieb der Lüftungsanlagen vom Hilfsstrom für die Pumpen dominiert (Umwälzpumpen für das Beckenwasser und den gesamten Wasserkreislauf, Filtratpumpen,..). Auch Wasserattraktionen wie Wildwasserkanäle, Rutschen können je nach Förderhöhe, Länge und Betriebszeiten hohe Verbräuche verursachen. Das Um und Auf zur Reduktion des Strombedarfs sind hier gut abgestimmte Anlagenteile (mit geringem Druckwiderstand) und kurze Rohrleitungsnetze, um Druckverluste hintanzuhalten, eine optimierte Auslegung von Pumpen und Betriebszeiten, Frequenzumformer für Pumpenmotoren bei veränderlichen Volumenströmen und hocheffiziente Motoren. Zu prüfen ist bei der Auslegung, ob Umlaufwassermengen in Nicht-Betriebszeiten durch eine intelligente Regelungstechnik deutlich reduziert werden können. Eine getrennte Betrachtung von Filterrückspülung und Beckenwasserumwälzung kann u.U. dazu beitragen, dass Pumpen, die beide Anwendungsbereiche abdecken müssen, nicht großteils mit schlechtem Wirkungsgrad laufen.

Beleuchtung und Lichtinszenierung

Das atmospärische Erlebnis in Schwimmbädern lebt von der Lichtinszenierung. Tages- und Kunstlichtoptimierung sind so zu gestalten, dass eine gute und gleichmäßig Ausleuchtung des Raumes erreicht wird. Künstliche Lichtakzente (auch unter Wasser) sind dabei erwünscht und tragen wesentlich zur Wohlfühlatmosphäre bei.

Bei der Tageslichtoptimierung ist auf eine Vermeidung zu hoher Leuchtdichteverteilungen bzw. störender Reflexionen an der Wasseroberfläche, die zu unangenehmer Blendung führen können, zu achten. Besondere Herausforderungen stellen die speziellen Klimabedingunen (hohe Feuchte, Chlorid-, Aerosol- und manchmal auch Salzgehalt der Luft) an den Korrosionsschutz der Materialien der Beleuchtung dar.

Gebäudeleittechnik: Mess-, Regelungs- und Dosiertechnik

Die sehr komplexen Anlagen der Wasseraufbereitung, des Beckenwasserkreislaufs, der Messung der Wassergüte und der Raumluftqualitätsparameter, der Lüftungsanlagen, die mehrere Funktionen (wie Entfeuchtung, Luftschadstoffkontrolle, Wärmeversorgung) übernehmen, erfordern eine laufende regelungstechnische Abstimmung aller Anlagenteile, eine kontinuierliche Überwachung des Betriebs und Kontrolle der Energieverbräuche und Lastgänge in Relation zu den in der Planung anvisierten Zielwerten. Daher sind ein laufender Abgleich von Soll- und Ist-Werten, eine Kalibrierung der Mess-Sensorik und die Nachjustierung von Anlagenkomponenten wesentliche Erfolgsfaktoren für eine auf Qualitätssicherung, Kosten- und Energieeffizienz ausgerichtete Betriebsführung.

Exkurs zum Wasseraufbereitungskreislauf

Die laufende Wasseraufbereitung geschieht über die Filterspülung, dabei ersetzt gefiltertes Wasser ca. 70 % des erforderlichen Frischwasserbedarfs der Schwimmbecken.

Druckfiltration

Das Beckenwasser (Verdrängungs- bzw. Schwallwasser) fließt über Überlaufrinnen des Beckens in einen sog. Rohwasserspeicher, in der Flockungsmittel beigegeben werden, die Schmutzteile und Verunreinigungen binden. Diese geflockten Stoffe können über die Filtermaterialien wie Kies, Sand und Hydroanthrazit aus dem Badewasser entfernt werden. Da der Filterwiderstand mit den Verunreinigungen steigt, muss der Filter regelmäßig gereinigt, „rückgespült“ werden, d.h. das Filterbett wird in umgekehrter Richtung mit Wasser gespült. Bei Druckfiltration ist dies je nach normativen Vorgaben mindestens 2 mal wöchentlich mit sehr hohen Umwälzmengen erforderlich. Die dabei anfallenden Abwässer, die noch dazu die Temperatur des Badewasserkreislaufs haben, werden über Schlammwasserbecken nach einer Abklingphase zeitverzögert in den Kanal eingeleitet. Hier besteht großes Potenzial im Nutzen der Abwärme des Filterspülwassers für Energierückgewinnung, entweder in einer Spülwasservoranlage, wo die erforderliche Spülmenge bereitgestellt wird, oder zwischen Schlammwasserbecken und Kanal, wobei hier wie - bei Schmutzwässern generell – auf spezifische Verfahren zur Selbstreinigung der Wärmeübertragungseinheit zu achten ist.

Ultrafiltration

Für die Steigerung der Energieeffizienz als auch des Volumens an wiederaufbereitbarem Wasser bietet sich Ultrafiltration an. Dieses Verfahren arbeitet mit Kapillarmembranen aus Polyethersulfanhohlfasern. Das Wasser wird durch sogenannte Filtermodule, das sind gebündelte Kunststoffröhrchen mit einem Innendurchmesser von 0,5 bis 2 mm, durchgepresst. Die eigentliche Filterleistung geschieht über die Filterporen der Röhrchenwände (von 10 nm und kleiner), diese reduzieren die Keimbelastung gegen Null. Deckschichten, die sich an den Membranen bilden, werden automatisch gespült. Das Ultrafiltrationsverfahren bietet neben Raumersparnis der Anlage auch Vorteile bezüglich Energie- und Wassereffizienz: die Menge an wiederaufbereitetem Wasser ist höher als bei der Druckfiltration, damit wird Frischwasser und Nacherwärmung eingespart. Es steht im Unterschied zur Druckfiltration kontinuierlich anfallendes Filter-Wasser zur Wärmerückgewinnung zur Verfügung, und das Umwälzvolumen kann gesenkt werden, was sich auf die erforderliche Pumpenleistung auswirkt.

Wasserdesinfektion

Nach der Filterspülung wird das Wasser desinfiziert (chloriert) und nach ph-Wert-Einstellung wieder dem Beckenkreislauf zugeführt. Der typische Chlorgeruch in Schwimmhallen geht im übrigen nicht auf das reine Chlorgas zurück, sondern auf  die Enstehung von z.T. gesundheitsgefährdenden Desinfektionsnebenprodukten (DNP) wie  Trihalogenmethane und Chloramin ( als Reaktionsprodukte von Chlorgas mit organischen Stoffen). Diese können in der Filtrationsanlage über UV-Bestrahlung und/oder Aktivkohlefilter auf die zulässige Grenzwerte reduziert werden. In der Schwimmhalle selbst müssen diese DNP über den Abtransport durch die Lüftungsanlagen begrenzt werden.

Literatur

[Bambados 2015] Gollwitzer E., Gressier F., Peper, S., Passivhaus-Hallenbad Bambados  Monitoring (Studie im Auftrag der Stadtwerke Bamberg mit Fördermitteln des Projektträgers Jülich im Rahmen der EnOBForschung für energieoptimiertes Bauen des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, hg. vom PHI Darmstadt, 2015)

[Solarsysteme Sport 2015] Effiziente Solarsysteme für Sport- und Freizeiteinrichtungen Leitfaden zur optimierten Anlagenerrichtung (Forschungsprojekt im Rahmen der Programmlinie „Neue Energien 2020 – 5.Ausschreibung“ gefördert vom Klima- und Energiefonds, hg. v. der AEE Niederösterreich Wien, 2013) www.aee-now.at/QSolSport

[En.eff. Schwimmb. 2013] Ronacher, H., et al, Energieeffiziente Schwimmbäder (Forschungsprojekt im Rahmen der Programmlinie „Neue Energien 2020 – 4.Ausschreibung“ gefördert vom Klima- und Energiefonds, 2013)

[Lippe-Bad Lünen 2013]  Peper, S.; Grove-Smith, J., Monitoring Passivhaus-Hallenbad Lippe-Bad Lünen, Passivhaus Institut Darmstadt, 2013

[PH-Konzept Hallenb. 2009]     Schulz, T., Pfluger,R.,  Grove-Smith, J., Kah, O., Krick, B.: Grundlagenuntersuchung der bauphysikalischen und technischen Bedingungen zur Umsetzung des Passivhauskonzepts im öffentlichen Hallenbad (Hg.v. Passivhaus Institut Darmstadt, 2009)

[Energieeff. öff. Hallenb.] Energieeffizienz in öffentlichen Hallenbäder (Passipedia-Artikel, Hg. v. Passivhaus Institut Darmstadt), abgerufen am 1.2.2016

[En.effizienz NRW] Klimaschutz made in NRW: Energieeffizienz in Schwimmbädern (Hg. v, Energie-Agentur NRW, im Auftrag EnergieRegion NRW und in Kooperation mit Bayrischem Landesamt für Jugend, Wupeprtal, 2012)

[VDI 2089-2  2010]  VDI 2089, Blatt 2 (Jan. 2010): Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern: Effizienter Einsatz von Energie und Wasser in Schwimmbädern; Verbrauchskennzahlen