Wirtschaftliche Energieversorgung von Hallenbädern

Ing. Eige Clasen* Teil 2

Der Betrieb von Hallenbädern zählt zu den kostenintensivsten Bereichen der Städte und Gemeinden. Da viele Bäder gebaut worden sind als die Energiepreise noch unbedeutend waren, wurde die Priorität auf Architektur und Preiswürdigkeit des Gesamtobjektes gelegt. Um den Erhalt des Bades einschließlich des Komfortanspruches der Besucher gewährleisten zu können, müssen neben der Anpassung der Betriebsweise an das geänderte Umfeld die Ausführung, der Zustand des Baukörpers sowie die Anlagentechnik überprüft werden.

Betriebsverhalten

Anhand von Verbrauchserfassungen der jeweiligen Bereiche und Energien können Gegenüberstellungen vergleichbarer Bäder durchgeführt werden. Neben den Wärmeverbrauchern durch Entfeuchtung, Beheizung, Becken- und Brauchwassererwärmung, Lüftung der Nebenräume und der Filterrückspülung sollten natürlich auch die Stromverbräuche überprüft werden. Anhand dieser Analyse und der Kostenaufstellung wäre ein Konzept zur Optimierung des Energiehaushaltes und der Nutzung des Hallenbades zu erstellen.

In diese Überlegungen müßte auch einbezogen werden, daß der Schwimmeister durch sein Fachwissen befähigt sein sollte, physikalische und wirtschaftliche Zusammenhänge in der Schwimmhalle zu erkennen und auszuwerten. Mit geeigneten Meßgeräten (Psychrometer, Meterorograph, Anemometer usw.) ist eine Überprüfung von Temperaturen, Feuchten und Luftströmen jederzeit möglich.

Energieverbrauch

Der Jahresenergiebedarf für ein Hallenbad mit einer Wasseroberfläche von 250 m₂, einer jährlichen Besucherzahl von 100 000, Wassertemperaturen von 28°C bei einer Raumlufttemperatur von 32°C, einer niedrigsten Außentemperatur von -10°C und einer relativen Feuchte von 50% liegt bei vielen Bädern - ohne energieeinsparende Maßnahmen - bei rd. 1500 MWh. Eine Aufteilung auf die jeweiligen Verbraucher kann nach Tabelle 2 abgeschätzt werden.

Der Energieverbrauch je Badegast (Schüler, Behinderte, Vereine, Besucher) läge somit bei 15 kWh. Dieser Energieverbrauch kann durch die vorgenannten Maßnahmen, durch eine attraktive Gestaltung des Bades (Besucherzuwachs) sowie durch wärmerückgewinnende Investitionen erheblich verringert werden.

Tabelle 2: Verbrauchsanteile der Wärmeverbraucher

Bereich	Anteil %	Anteil in MWh/a
Duschen	25%	375 MWh/a
Frischwasser	5%	75 MWh/a
Verdunstung	5%	75 MWh/a
Heizung	30%	450 MWh/a
Lüftung (Anteil Halle ca. 50%)	35%	525 MWh/a
	100%	1500 MWh/a

Wirtschaftlichkeit

Der Einsatz wärmerückgewinnender Maßnahmen ist geprägt von der Höhe der Energiekosten, von den Betriebskosten, dem jährlichen Energieverbrauch, der Nutzungsdauer der Geräte, der Wartungshäufigkeit, der Installation und der Investition. Bei der Kostengegenüberstellung ist der zusätzliche Energieverbrauch zu beachten, der durch die Druckverluste der Wärmeaustauscher bzw. durch den Betrieb von Umwälzpumpen entsteht. Auch muß überprüft werden, ob die Gebläseleistung nach dem Einbau von Wärmeübertragern wegen der erhöhten luftseitigen Widerstände in der Lage sind, die erforderlichen Luftströme zu fördern oder ob zusätzliche apparative Aufwendungen notwendig werden. Die bedingt durch den Einbau von wärmerückgewinnenden Geräten errechneten Einsparungen werden durch die höheren Betriebskosten sowie durch den Kapitaldienst verringert.

Bei der Ermittlung der Wirtschaftlichkeit kennt man verschiedene Verfahren.

Die "Kapitalrückflußdauer" zeigt das Verhältnis von Investition zur Ersparnis auf, ohne die Verzinsung des Kapitals oder steigende Preise zu berücksichtigen.
Bei der Ermittlung der "Amortisationsdauer" wird die Verzinsung des eingesetzten Kapitals berücksichtigt. Somit ist die Amortisation einer Investition immer länger als die Kapitalrückflußdauer.
Bei der "Annuitätsmethode" geht man davon aus, daß die Investition während der Nutzungsdauer amortisiert wird. Hier ist die Verzinsung des Kapitals eingeschlossen. Sind die jährlichen Einsparungen größer als die jährlichen aus dem Kapitaleinsatz resultierenden Zahlungen (Annuität), könnte die energiesparende Maßnahme durchgeführt werden.
Bei der "Barwertmethode" wird die Summe der Einsparungen während der Nutzungsdauer auf den Beginn der Investition verschoben. Wird ein höherer Barwert ermittelt als der notwendige Kapitaleinsatz, lohnt sich die Investition.

Neben den genannten statischen Methoden, bei denen konstante Kosten (Löhne, Energie usw.) vorausgesetzt werden, können Wirtschaftlichkeitsberechnungen auch dynamisch durchgeführt werden. Auch sollte man darauf achten, daß sich bei Wahrnehmung mehrerer energierückgewinnender Maßnahmen die Einsparung je Maßnahme verringert, da von dem Energieverbrauch auszugehen ist, der sich nach der Installation des jeweiligen Rückgewinnungssystems einstellt.

Anpassung der Kesselanlage

Überdimensionierte und veraltete Kesselanlagen sollten dem Stand der Technik angepaßt werden. Somit müßten auch Einrichtungen zur Begrenzung von Betriebsbereitschaftsverlusten (automatische wasserseitige Trennungsmöglichkeit) installiert werden, und die Brenner müßten wenigstens zweistufig regelbar sein. Auch die Wärmedämmung von Absperr-, Regelungs- und Verteilungsanlagen verringert den Wärmeverlust erheblich. Eine Überprüfung der erforderlichen Kesselleistung ist besonders nach der Installation von wärmerückgewinnenden Maßnahmen bei erneuerungsbedürftigen Kesseln ratsam.

Brennwertnutzung

Eine Steigerung des Wirkungsgrades kann durch die Nutzung der im Abgas befindlichen Restwärme erfolgen. Neben der fühlbaren Wärme wird auch ein Teil der Kondensationswärme (latente Wärme) zurückgewonnen. Bedingt durch die im Hallenbad z.T. erforderlichen niedrigen Wassertemperaturen (Beckenwassererwärmung, Fußbodenheizung) sind ideale Voraussetzungen gegeben, die Abgastaupunkttemperaturen, die je nach Luftzahl bei der Verbrennung des Erdgases zwischen ca. 47 und 60°C liegen (bei Luftzahlen von l = 1 bis 2,2), zu unterschreiten (Bild 3).

Bild 3: Kondensatmenge und Kesselwirkungsgrad in Abhängigkeit von der Rücklauftemperatur.

Die Absenkung der Abgastemperatur erfolgt z.B. in einem dem Heizkessel nachgeschalteten Wärmeaustauscher. Bezogen auf die größtenteils erforderliche Nennwärmeleistung und den Anteil der Niedertemperaturverbraucher reicht es in den meisten Fällen aus, das Kondensationsgerät "einem" Kessel nachzuschalten (Bild 4).

Bild 4: Nutzung des Brennwertes durch zweistufigen Abgaswärmeaustauscher (Brauch- und Schwimmbeckenwasser). (Bild: Fröling)

Die Kondensationswärme beträgt bei Erdgas etwa 11% des Heizwertes. Zusammen mit der höheren Nutzung der fühlbaren Wärme ergeben sich Wirkungsgrade von über 100%. Ein Wirkungsgrad von über 100% ist möglich, da die Bezugsbasis auf den Heizwert des Gases zurückgeführt wird, der nicht den bei der Brennwertnutzung gewonnenen Anteil der Kondensationswärme enthält.

Wasserflächenabdeckung

Eine weitere Möglichkeit, Energiekosten zu reduzieren, die eigentlich nicht zu den wärmerückgewinnenden Maßnahmen zählt, ist die Installation einer Rollabdeckung. Die Aufgabe einer solchen Abdeckung ist es, während der Betriebspausen die Wärmeverluste an der Wasseroberfläche, bestehend aus Abstrahlung, Konvektion und Verdunstung, zu vermindern bzw. zu verhindern. Bei Verwendung von wärmeisolierenden Abdeckungen können alle Verlustgrößen reduziert werden, wogegen einfache Folien den Energiebedarf der Wasserverdunstung und der zur Entfeuchtung der Schwimmhalle benötigten aufgewärmten Frischluft einsparen helfen. Es ist wichtig, daß die Abdeckungen als Wasserdampfdiffusionssperre ausgebildet, beständig gegen Chemikalien, aus hygienischer Sicht unbedenklich und resistent gegen UV-Strahlen sind. Weiterhin muß eine leichte Bedienbarkeit, Reparaturfreundlichkeit und einfache Reinigungsmöglichkeit gegeben sein. Die Rollabdeckungen können auf dem Beckenboden oder am Beckenrand aufgestellt werden, wobei darauf zu achten ist, daß die Wasserführung im Schwimmbecken nicht behindert wird. Eine Wirtschaftlichkeit kann sich bei längerer Abdeckungsdauer, geringerem Wartungsaufwand und mäßigem Investitionsaufwand ergeben.

Wärmerückgewinnung aus der Filterrückspülung, dem Schwallwasser und dem Duschabwasser

Je nach Verschmutzungsgrad werden Badewasser-Filteranlagen zweimal in der Woche gereinigt. Dieses geschieht dadurch, daß Wasser in umgekehrter Fließrichtung unter Zusatz von Spülluft das Filtermaterial durchströmt. Das hierbei anfallende Schmutzwasser wird in die Kanalisation geleitet.

Um aus dem Beckenwasser nicht ausfilterbare Stoffe in Grenzen halten zu können, müssen je Besucher 30 Liter Frischwasser zugeführt werden, wobei der durch die Rückspülung erforderliche Wasserbedarf auf den Frischwasserzusatz angerechnet werden kann.

Sollte der Rückspülwasserstrom größer sein als der Frischwasserbedarf, wäre aus Kostengründen ein Bezug des Rückspülwassers aus dem öffentlichen Versorgungsnetz (anstatt aus dem Becken) anzuraten, da das aufzufüllende Frischwasser unter Energieaufwand auf die Temperatur des Beckenwassers angehoben werden muß.

Sehr hohe Wärmeverluste entstehen auch durch das Duschabwasser. Obwohl im allgemeinen sogenannte Sparbrauseköpfe eingesetzt werden (Durchfluß 10 l/min.), werden je Besucher rd. 70 l Frischwasser verbraucht. Bei dem über die Überlaufrinne abzuführenden Wasserstrom (Schwallwasser) kann mit einer Wasserverdrängung von rd. 60 l je Schwimmer gerechnet werden. Die Temperatur des Abwassers liegt bei rd. 30°C, die des Rückspül- und Schwallwassers bei z.B. 20°C - je nach Beckenwassertemperatur (Bild 5).

Bild 5: Schaltschema einer Duschwasser-Wärmerückgewinnung.

Die Nutzung des Beckens sollte bei der Auswahl der Überlaufrinne beachtet werden, da über die nicht zu nutzende Zulauffläche zur Rinne ggf. eine unnötige Wasserverdunstung stattfinden kann.

Schwallwasser- bzw. Ausgleichsbehälter, die in den Filterkreislauf eingebunden sind, vermindern Wasser- und Wärmeverluste. Um die bei der Rückspülung mit Beckenwasser auftretenden Wärmeverluste zu begrenzen, wird der Reinwasserseite des Filterkreislaufes (z.B. Überlauf) in dem Maße Wasser entnommen, in dem Frischwasser ergänzt werden muß. Beide Wasserströme werden über einen Wärmeaustauscher geleitet. Nachdem das entnommene Reinwasser seine Wärme zu rd. 50% (Wärmeaustauschgrad) an das Füllwasser abgegeben hat, wird es in einem ausreichend bemessenen Speicher zur Rückspülung der Filter zurückgeführt.

Auch das Duschabwasser gibt bei Einsatz einer Wärmerückgewinnung zum Teil seine Wärme in einem Wärmetauscher an das Frischwasser ab. Bei der Beurteilung sollten jedoch auch die Verschmutzung der Wärmeaustauschflächen und die erforderlichen Reinigungsmaßnahmen bedacht werden.

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

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