IKZ-HAUSTECHNIK, Ausgabe 12/1999, Seite 38 ff.

KLIMATECHNIK

Klimatisierung von Hallenbädern

Dr. Ing. Jürgen Röben* Teil 1

Die Klimatisierung von Schwimmhallen ist auf verschiedenste Arten möglich. Die einfachste, aber auch zugleich unsinnigste Art ist die Be- und Entlüftung ohne Energierückgewinnung. In der heutigen Zeit wird allein aus wirtschaftlichen Gründen auf ein System zur Energierückgewinnung nicht mehr verzichtet. Eigentlich kann man sagen, daß sowohl bei Neubauten als auch bei Sanierungen von Hallenbädern die Wärmerückgewinnung aus der Abluft heutzutage Standard ist. Welche Möglichkeiten es hierbei gibt, soll in einem zweiteiligen Beitrag erläutert werden.

Extreme Bedingungen

In einem Hallenbad findet man hinsichtlich der Temperaturen, der Feuchtigkeit und der Zusammensetzung der Luft sehr extreme Bedingungen, die nicht nur aus bauphysikalischen Gründen, sondern auch aus Gründen der Behaglichkeit bewältigt werden müssen. Wenn die Badegäste sich nach ihrem Aufenthalt im Wasser in den Ruhezonen des Hallenbades aufhalten, darf es natürlich nicht zu kalt oder zu feucht sein. Dem unbekleideten, mit Wasser benetzten Körper wird aufgrund der Verdunstung des Wassers ein gewisser Anteil an Wärme entzogen, so daß die Lufttemperatur entsprechend hoch sein sollte.

Bild 1: Kompaktes Klimagerät zur Schwimmhallenklimatisierung.

Die richtigen Werte für ein angenehmes Klima

Ein Hallenbad erfordert also ganz bestimmte Raumluftbedingungen, damit sich der Badegast wohl fühlt und so ungetrübt seinem Schwimmvergnügen nachgehen kann. Die Lufttemperatur im Hallenbad sollte aus Gründen der Behaglichkeit etwa 2 bis 4 K über der Beckenwassertemperatur tW liegen. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte eine Temperatur von 34°C aber nicht überschritten werden. Die Auslegungstemperaturen für die Schwimmhalle und ihre Nebenräume sind in der Tabelle 1 wiedergegeben.

Tabelle 1: Richtwerte für Lufttemperaturen im Schwimmbad nach VDI 2089

Raumart

Raumlufttemperatur tR in °C

min.

max.

Eingangsbereich, Nebenräume und Treppenhäuser

18

22

Umkleideräume

24

28

Sanitäts-, Schwimmeister- und Personalräume

22

26

Duschräume mit zugeordneten Sanitärbereichen

27

31

Schwimmhalle

30

34

Während zu niedrige Werte bei der Lufttemperatur von dem Menschen als unbehaglich empfunden werden, verursachen zu hohe Werte bei der Luftfeuchtigkeit ein sogenanntes Schwüleempfinden. Nach VDI 2089 liegt die Schwülegrenze für den unbekleideten Menschen bei einem Wassergehalt von x = 14,3 gWasser/kgtr. Luft. Bei einem Luftdruck von 1000 mbar liegt der maximale Wert für die relative Luftfeuchtigkeit in der Schwimmhalle bei 53% und der minimale Wert bei 42%. Diese Werte dürfen allerdings im Sommer überschritten werden, wenn der Wassergehalt der Außenluft x> 9 gWasser/kgtr. Luft liegt.

Damit es in der Schwimmhalle nicht zu Schäden an Metall- und Holzbauteilen kommt, sollte die relative Luftfeuchtigkeit j in einem Bereich zwischen 40 und 64% liegen. Bei schlechter Baukonstruktion oder ungenügender Verglasung ist es oft erforderlich, die Raumluft bei tiefen Außentemperaturen unterhalb der Grenzwerte zu entfeuchten, wodurch ein erhöhter Energieaufwand resultiert.

Auslegungsdaten

Als Bemessungsgrundlage für die Bestimmung des maximalen Außenluftstromes im Sommer werden die Werte der Tabelle 2 herangezogen. Die weiteren erforderlichen Daten für eine Berechnung können dem h,x-Diagramm entnommen werden.

Tabelle 2: Auslegungsdaten nach VDI 2089

x in g/kg

pD in mbar

Raumluft

14,3

22,7

Außenluft

9

14,4

Die Grundlage für die Auslegung einer Lüftungsanlage in der Schwimmhalle stellt die Verdunstung des Wassers von der Beckenwasseroberfläche dar. Durch die Vielzahl der Wasserattraktionen wie Wasserrutschen, Sprudelbecken, Wasserkanonen, etc. wird die verdunstende Wassermenge erheblich vergrößert.

Nachfolgend sind die Berechnungsgleichungen nach VDI 2089 Blatt 1 aufgeführt, die für die Ermittlung des für die Entfeuchtung erforderlichen Luftmassenstromes herangezogen werden.

mit:

xL = Wassergehalt in der Hallenluft in kgWasser/kgtr. Luft

xZL = Wassergehalt der Zuluft in kgWasser/kgtr. Luft

Die verdunstete Wassermenge läßt sich aus der Verdunstungsbeziehung nach Dalton bestimmen.

= e · AB · (ps - pD) in [g/h]

mit:

AB = Beckenwasseroberfläche in m2

ps = Dampfdruck bei Wassertemperatur in hPa

pD = Wasserdampfpartialdruck in hPa

Bei dem Gesamtverdunstungsbeiwert e handelt es sich um Erfahrungswerte für die verschiedenen Nutzungsverhältnisse des Schwimmbeckens. Je größer die verdunstende Wasseroberfläche, desto höher ist der Verdunstungsbeiwert.

Zur Veranschaulichung sei folgendes Beispiel betrachtet: Für ein Schwimmbecken mit einer Wasserfläche von 200 m2, einer Wassertemperatur von 27°C, einer Lufttemperatur von 30°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 50% soll die Wassermenge bestimmt werden, die verdunstet. Der Gesamtverdunstungsbeiwert in g/(hPa · m2 · h) beträgt für ein unbenutztes Becken (A) ca. 5, einem benutzten Freizeitbad ohne Wasserattraktionen (B) ca. 28 und einem benutzten Freizeitbad mit verschiedenen Wasserattraktionen (C) ca. 45g/(hPa · m2 · h). Für die Situation (A) ergibt sich eine Wassermenge von 14,6 kg/h, Situation (B) 81,8 kg/h und Situation (C) 132,4 kg/h. Das bedeutet, daß für Situation (C) die 9fache Luftmenge gegenüber Situation (A) für die Entfeuchtung aufgebracht werden muß.

Neben der verdunstenden Wassermenge ist die Geruchs- und Schadstoffkonzentration bei der Bestimmung des erforderlichen Außenluftstromes entscheidend. Bei erhöhtem spezifischen Gasgehalt ist die zulässige Schadgaskonzentration mit Hilfe der MAK-Werte zu überprüfen. Zu erhöhten Werten kommt es in der Regel nur in Thermal- und Mineralbädern, so daß die Berechnung des Außenluftvolumenstromes nach folgender Gleichung für ein klassisches Schwimmbad eine untergeordnete Rolle spielt.

mit:

= Schadgasanfall in mg/h

CMAK = MAK-Wert in mg/m3Luft

CFL = Schadgaskonzentration in der Außenluft in mg/m3Luft

Selbstverständlich gibt es in den Hallenbädern neben der Schwimmhalle, noch weitere Räume die klimatisiert werden müssen. In der Tabelle 3 ist der notwendige Außenluftvolumenstrom für die verschiedenen Bereiche aufgelistet.

Tabelle 3: Außenluftvolumenstrom verschiedener Bereiche nach VDI 2089

Raumart

Erforderlicher Außenluftstrom V

Aufsichtsräume

25 m3/h je m2 Bruttogrundrißfläche

Duschräume

220 m3/h je Dusche

Toiletten

100 m3/h je Sitz oder Stand

Sammelumkleideräume

20 m3/h je m2 Bruttogrundrißfläche

Einzelumkleideräume

15 m3/h je m2 Bruttogrundrißfläche

Lüftungsanlagen

Damit die Badegäste ungetrübt ihrem Badespaß nachgehen können, müssen die Lüftungsanlagen die verschiedensten Aufgaben erfüllen. In der Schwimmhalle muß die vorgegebene relative Feuchte unter der Berücksichtigung der Wasserattraktionen jederzeit eingehalten werden. Weiterhin muß ein genügend großer Anteil von Außenluft sowie eine Beheizung der verschiedenen Räume in Ergänzung zu vorhandenen statischen Heizflächen gewährleistet sein.

Die Lüftungsanlagen, die im Bereich von Hallenbädern eingesetzt werden können, unterscheiden sich in der Regel durch die Komponente zur Energieübertragung. Nachfolgend werden die Energieübertrager, die am häufigsten in der Schwimmbadklimatisierung eingesetzt werden, kurz erläutert.

Bild 2: Rekuperativer Wärmeübertrager.

Energieübertrager

Der rekuperative Plattenwärmeübertrager ist in der Regel als Kreuzströmer ausgeführt. D.h., daß der Abluftvolumenstrom den Außenluftvolumenstrom im Wärmeübertrager kreuzt. Die beiden Volumenströme sind dabei durch die Übertragungsfläche stofflich voneinander getrennt, so daß es zu keiner Vermischung und keiner Feuchteübertragung kommen kann. Durch eine Reihenschaltung von zwei Rekuperatoren, wie in Bild 2 schematisch dargestellt, sind Temperaturwirkungsgrade von über 80% erzielbar. Da in den Schwimmhallen keine Rückfeuchte erwünscht ist, wird hier der Plattenwärmeübertrager zur Energieübertragung im Lüftungsgerät bevorzugt eingesetzt.

Bild 3: Rekuperativer Wärmeübertrager mit Wärmepumpe.

Häufig findet man eine Kombination aus Plattenwärmeübertrager und mechanischer Wärmepumpe in einem Gerät, wie in Bild 3 skizziert. Im Badebetrieb wird die zu entfeuchtende Schwimmbadabluft zunächst im Kreuz-Gegenstrom durch den Doppelwärmeübertrager geführt. Im nachgeschalteten Direktverdampfer wird die Luft soweit abgekühlt, daß ein großer Teil der in der Luft gebundenen Feuchte als Kondensat ausgeschieden wird. Ein Teil der abgekühlten und entfeuchteten Luft wird mit einem Teil Außenluft im Gegenstrom wieder durch den Doppelwärmeübertrager geleitet und so durch die Schwimmhallenabluft vorgewärmt. Im Kondensator der Wärmepumpe wird mit der beim Entfeuchtungsprozeß entzogenen Wärme die Luft aufgeheizt und als Zuluft in die Schwimmhalle geleitet. Die vom Verdichter aufgenommene elektrische Energie kommt dabei der Zuluft voll als Wärmegewinn zugute.

Bild 4: Regenerativer Wärmeübertrager.

Ein besonders energieeffizienter Wärmeübertrager stellt der Regenerator dar. Hierbei handelt es sich um eine Speichermasse, die abwechselnd von Abluft und Außenluft durchströmt wird. Hier werden Wirkungsgrade von über 90% erreicht. Bei dieser Art der Energieübertrager kommt es neben der Wärmeübertragung auch zu einer Feuchteübertragung. Dies ist in bestimmten Bereichen eines Hallenbades wie z.B. in den Umkleideräumen, Personalräumen usw. ein erwünschter Effekt. Das vereinfachte Funktionsprinzip ist in Bild 4 zu erkennen.

Betriebszustände

In Bild 5 sind die verschiedenen Betriebszustände eines Klimagerätes - wie es in Bild 1 dargestellt ist - skizziert, die über ein gesamtes Jahr in einer Schwimmhalle auftreten können. Nachfolgend werden diese möglichen Zustände kurz erläutert:

Bild 5: Verschiedene Betriebszustände eines Klimagerätes zur Schwimmbadklimatisierung.

A: Aufheizen der Luft im Winter durch das Pumpen-Warmwasser-Heizregister (PWW).

B: Entfeuchtung eines definierten Teilstromes der Schwimmhallenluft durch Abkühlung im Verdampfer der Wärmepumpe. Durch den vorgeschalteten Plattenwärmeübertrager wird die Entfeuchtungsleistung erheblich vergrößert. Die entfeuchtete Schwimmhallenluft wird im Doppelplattenwärmeübertrager vorgewärmt und zusammen mit der unbehandelten Umluft durch die im Entfeuchtungsprozeß gewonnene Wärme im Kondensator aufgeheizt.

C: Im Badebetrieb wird der Umluft ständig eine aus hygienischen Gründen notwendige Außenluftmenge beigemischt. Die kalte Außenluft erhöht den Vorkühleffekt im Plattenwärmeübertrager und vergrößert dadurch die Entfeuchtungsleistung des Gerätes.

D: Entfeuchtung bei mittleren Außenlufttemperaturen durch Fortluft-Außenluft-Betrieb, je nach Wärmebedarf mit oder ohne Wärmepumpe. Die Wärmerückgewinnung aus der sensiblen und latenten Wärme der Schwimmhallenabluft erfolgt im Doppelplattenwärmeübertrager.

E: Entfeuchtung bei höheren Außenlufttemperaturen durch vollen Fortluft-Außenluft-Betrieb, in der Regel ohne Wärmepumpe. Die geregelte Wärmerückgewinnung aus der sensiblen und latenten Wärme der Schwimmhallenabluft erfolgt bei diesem Betriebszustand ebenfalls im Doppelplattenwärmeübertrager.

F: Im Sommerbetrieb oder bei Übertemperatur wird die Luftmenge durch die Bypaß-Schaltung erhöht und der Plattenwärmeübertrager so umgangen.

Bild 6: Ventilatorsystem mit "freilaufendem Ventilatorrad".

Sämtliche unter A bis F beschriebenen Zustände lassen sich nur mit einem ganz bestimmten Ventilatorsystem energetisch sinnvoll realisieren. Das Ventilatorsystem ist in Bild 6 dargestellt und besteht aus einem "freilaufenden Ventilatorrad", einem optimierten Normmotor, einem Frequenzumformer, einer DDC-Regelung und einem Schwingungssensor. Die Vorteile für den Anwender liegen auf der Hand:

Weiterhin ist die durch diese Ventilatortechnik erzielbare Energieeinsparung nicht zu vernachlässigen. Sie summiert sich aus folgenden Punkten:

(Fortsetzung folgt)

*) Dr. Ing. Jürgen Röben, MENERGA Apparatebau GmbH, Mülheim an der Ruhr

B i l d e r :   MENERGA Apparatebau GmbH, Mülheim an der Ruhr

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