Lüftungswärmeverlust signifikant reduziert

Kompakt informieren

• Um langfristig einen wirtschaftlichen Betrieb abzusichern, wurden im Westfalenbad die einzelnen Funktionsbereiche inklusive der Lüftungstechnik in technisch autarke Einheiten unterteilt.
• Alle Komfort-Klimageräte haben ein hocheffi­zientes Wärmerückgewinnungssystem. Jeweils die Hälfte der Lüftungsgeräte für das Sport- sowie das Attraktionsbecken verfügt neben der rekuperativen Wärmerückgewinnung über eine integrierte Wärmepumpe.
• Zur Energieeinsparung wird die Außenluftmenge für die Schwimmhallen über einen h,x-basierten Regelalgorithmus an den tatsächlichen Bedarf angepasst.

Der Neubau des Westfalenbades in Hagen Abb. 1 auf dem Areal des früheren Ischeland-Freibades ist ein anspruchsvoll ausgestattetes Sport- und Freizeitbad mit weitläufigem Sauna- und Wellnessbereich. Großprojekte dieser Art – das Westfalenbad zählt zu den größten Bädern Nordrhein-Westfalens – werden heute auf kommunaler Ebene kaum noch erbaut und sind daher eine besondere Herausforderung. Das Bad ist Teil eines neuen Bäderkonzepts der Stadt Hagen. Bei der Planung wurden maßgeblich auch die Belange des Vereinssports und das Schulschwimmen einbezogen. Ein attraktives Freizeitangebot für die Öffentlichkeit mit Sauna- und Wellness­anlagen ergänzt das Gesamtkonzept.

Zusammengenommen stehen den Nutzern auf mehrere Becken verteilt fast 2300 m² ­Wasserfläche zur Verfügung. Im Mittelpunkt des Freizeitbereichs befindet sich ein Attraktionsbecken, das Dach in diesem Bereich lässt sich im Sommer öffnen. Freibadatmos­phäre kommt dann im Zusammenspiel mit ­großen Falttüren auf.

Das größte Bassin ist ein wettkampftaug­liches 50×25 m-Sportbecken Abb. 3. Sein besonderes Merkmal ist ein 25 × 12 m großer Teilhubboden, der eine Verringerung der Wassertiefe bis auf 30 cm erlaubt. Des Weiteren sind ein Einschwimm- und ein Lehrschwimmbecken, verschiedene kleine Badebereiche mit Kinderplanschbecken sowie Sole- und Warmbecken integriert. Der weitläufigen Saunalandschaft ist ein attraktiver Wellness- und Spabereich ­angeschlossen.

Zukunftsfähiges Energiekonzept

Im Zentrum der Anforderung des Bauherrn stand der Wunsch, auch bei steigenden Energiekosten einen langfristig wirtschaftlichen Betrieb sicherzustellen. Hierzu wurden die Bäder, die Saunalandschaft und die Zweckbereiche in technisch autarke Einheiten unterteilt. So ist ein flexibler, an die Besucherfrequenz angepasster und somit energetisch optimierter Betrieb gewährleistet. Die gesamte Technische Gebäudeausrüstung ist ebenso konsequent auf einen ganzjährig geringen Energieeinsatz ausgerichtet. Zu den Anforderungen an die lüftungstechnische Ausführung gehörte daher ein möglichst hoher Wärmerückgewinnungsgrad bei gleichzeitig geringem Stromverbrauch.

Die Ausschreibung durch das Planungs­büro DTF Ingenieure erfolgte Anfang 2007 und basierte auf den Anforderungen der damals gültigen EnEV. Planer und Anlagenbauer entschieden sich dazu, für die Luftkonditionierung Komfort-Klimageräte von Menerga einzusetzen, dessen breites Portfolio sowohl Geräte für alle Bade­bereiche als auch passende Lösungen für die Trakte Sauna, Spa und Wellness sowie Gastro­nomie bot. Mit ausschlaggebend für die Entscheidung war auch, die standardmäßige Option, die Geräte individuell zu konfigurieren Abb. 2. Jedes der eingesetzten Komfort-Klimageräte ist mit einem hocheffizienten Wärmerückgewinnungssystem ausgestattet. Basis für die individuelle Konfiguration der Geräte und RLT-Anlagen war eine Simulation durch das Planungsbüro, in der die Investitions- und Betriebskosten für den günstigsten break-even point berechnet wurden.

Hohe Wärmerückgewinnung

Die Konditionierung der Schwimmhallenluft erfolgt gemäß VDI 2089 mit einer maximal zulässigen Luftfeuchte von 14,3 g/kg (Schwüle­grenze). Die Entfeuchtung sollte energetisch sinnvoll mit Wärmepumpen erfolgen. Die Gründe hierzu erläutert DTF-Projektleiter Markus Rasch: „Die grundsätzliche Anforderung, die Feuchte einer Schwimmhallenluft in einem definierten Rahmen zu halten, muss auch wirtschaftlich vertretbar sein. Dies betrifft die Investitions- und Betriebskosten gleichermaßen. Die Entscheidung für ein Lüftungsgerät mit Entfeuchtung über eine Wärmepumpe basiert auf umfangreichen Berechnungen. Im Ergebnis haben sie eine Amortisation der höheren Investition in wenigen Jahren ergeben.“ Der Planer führt weiter aus, dass ansonsten der Außenluft-Fortluftbetrieb die einzig gangbare Alternative gewesen sei. Damit hätte jedoch an einigen Tagen die Schwülegrenze nicht eingehalten werden können – mit entsprechenden Komforteinbußen für die Besucher.

Für die Entfeuchtung, Lüftung und Beheizung der Badebereiche sorgen insgesamt sieben Komfort-Klimageräte des Typs ThermoCond der Serien 35 und 37. Speziell für die Schwimmhallenklimatisierung entwickelt, verfügen sie über asymmetrische Hochleistungswärmeübertrager (AHW) und können überdurchschnittlich hohe Wärmerückgewinnungsgrade erreichen. Die aus Kunststoff gefertigten Wärmeübertrager sind korrosionsbeständig und widerstandsfähig gegen chemische Einflüsse, beispielsweise Chloride und Salze. Die ThermoCond-Geräte entziehen über den AHW die sensible und soweit temperaturbedingt möglich auch die latente Wärme aus der Abluft und übertragen sie auf die zugeführte kalte Außenluft. Bei Bedarf lässt sich die Zuluft über Pumpen-Warmwasser-Heizregister (PWW) erwärmen. Die Geräte mit integrierter Wärmepumpe (ThermoCond 37) können auch im Umluftbetrieb entfeuchten. Die Wärmepumpe ist dem AHW nachgeschaltet und entfeuchtet die Luft durch Abkühlung unter den Taupunkt im Verdampfer. Die hierbei entzogene Wärmeenergie dient wiederum primär der Erwärmung der Zuluft. Der AWH dient dabei im Abluftstrom als Vorkühler und im Zuluftstrom als Vorerwärmer, um die Leistung der Wärmepumpe zu minimieren. Die Nacherwärmung der Zuluft erfolgt im Kondensator des integrierten Kältekreislaufs.

Geringer Hilfsenergiebedarf

Im Westfalenbad arbeiten teilweise beide Varianten parallel in einer Achse geschaltet als eine Anlage. Primär erfolgt dabei die Konditionierung der Schwimmhallenluft über die Geräte mit integrierter Wärmepumpe. Die ausschließlich rekuperativ arbeitenden Anlagen (ThermoCond 35) werden bedarfsorientiert zugeschaltet. Die Luftführungen erfolgen über gemeinsame Kanäle. Wegen der autarken Betriebsweise der einzelnen Bereiche, aber auch aus Platzgründen, war eine Aufteilung in mehrere RLT-Anlagen erforderlich.

Am Beispiel der Anlage für das Sportbecken Abb. 3 zeigt sich die hohe Effizienz der Kombination beider Gerätevarianten. Die zwei hier eingesetzten Geräte erreichen jeweils 35 200 m³/h und zusammen im Nennluftbetrieb 70400 m³/h. Im Jahresmittel wurde für diese Halle ein Wert von 42800 m³/h angesetzt. Die Geräte verrichten ihre Arbeit demnach weitestgehend im energetisch sparsamen Teillastbetrieb. Die Entfeuchtungsleistung beträgt hier insgesamt 426,4 kg/h.

Energetisch relevant ist das Verhältnis der Wärmerückgewinnungsleistung beziehungsweise dem daraus resultierenden Druckverlust bezogen auf die hierfür erforderliche elektrische Aufnahmeleistung der Zu- und Abluftventilatoren. Dabei ist eine Jahresbetrachtung erforderlich, weil sich die elektrische Aufnahmeleistung mit dem Volumenstrom im Zu- und Abluftweg exponentiell ändert. Im Jahresmittel weist die Sportbecken-Anlage in der Wärmerückgewinnung einen Druckverlust von weniger als 100 Pa auf.

Möglich ist dies durch die asymmetrische Anordnung der Wärmeübertragerflächen. Dabei ist die Verweilzeit der Luft auf der kon­densationsfreien Außenluftseite länger als auf dem Weg der Ab-/Fortluftseite. Dafür ist hier die Anströmfläche des Wärmeübertragers ­größer. Durch die geringen Druckverluste bei der Wärmerückgewinnung bleibt die der ­Wärmerückgewinnung zuzurechnende elektrische Aufnahmeleistung für die Zu- und Abluftventilatoren niedrig. Im Betrieb bei mittleren Außenlufttemperaturen von 8 °C werden mit 1 kW elektrischer Antriebsleistung für die Ventilatoren bis zu 100 kW an ther­mischer Energie zurückgewonnen. Im Winterbetrieb bei –12 °C erreichen die WRG-Systeme in den Anlagen Temperaturwirkungsgrade von über 80 %.

Bedarfsgerechte Außenluftmenge

Jede der Lüftungsanlagen – Einzel- und Doppelgeräte – ist mit einer eigenen Regelung ­ausgestattet. Bei der Berechnung wird für den hygienischen Betrieb von Hallenbädern pro ­Badegast eine Frischluftzufuhr von 30 m³/h angesetzt. Konventionelle Gerätekonzepte sind hierfür meist auf einen permanent festen Wert von minimal 30 % Außenluftzufuhr eingestellt. Demgegenüber ermöglicht eine von Menerga entwickelte Mess- und Regelungstechnik den bedarfsgerechten Luftaustausch. Führungsgrößen sind die Wasser- und Raumlufttemperatur sowie die Raumluftfeuchte. Sensoren ermitteln permanent die Menge der Wasserverdunstung. Der Regelung ist ein h,x-basierter Algorithmus hinterlegt. Die Programmierung berücksichtigt die Verdunstung über die Wasserflächen und die Attraktionen sowie deren zeitlich versetzten Betrieb. So ist die Regelung in der Lage, den Außenluftanteil auf ein Mindestmaß zu ­reduzieren und damit die Lüftungswärmeverluste klein zu halten.

Die interne Kommunikation zwischen den Geräten und dem zentralen Schaltschrank erfolgt über geräteintegrierte Sensor-Aktor-Bus-Technik. Dabei werden die Steuersignale digitalisiert über einen Bus zwischen Sensoren und Aktoren übermittelt, wobei sie analog mit dem Controller korrespondieren. Daraus resultieren ein verminderter Verkabelungsaufwand und damit eine Verringerung möglicher Fehlerquellen. Darüber hinaus erhöht sich die Transparenz bezogen auf die Fernwartung und die Gebäudeleittechnik. Beispiel: Wenn ein Temperaturfühler ausfällt, wird das bei einer konventionellen Verdrahtung erst mit einer zeitlichen Verzögerung erkannt. Sein Ausfall macht sich bestenfalls als Betriebsstörung bemerkbar – ohne Rückmeldung der Störungsursache. Die digitalisierte Signalübermittlung zeigt dem Controller direkt, dass der Sensor nicht mehr am Bus ist. Somit lässt sich die Störung schneller erkennen, direkt lokalisieren und mit kurzer Betriebseinschränkung beheben.

Zusätzliche Wärmegewinne

Auf einer Empore über dem Attraktionsbecken befinden Abb. 5 sich das Restaurant und die zugehörige Küche. Das Temperaturniveau der Gastronomie ist um 10 K niedriger als im Badebereich. Hier, sowie in der Umkleide und in der Sauna, erfolgt die Luftkonditionierung ohne Entfeuchtung über speziell angepasste RekuperativKlimageräte der Typenreihe Dosolair. Der Temperaturwirkungsgrad dieser mit Doppelplattenwärmeübertragern ausgestatteten Geräte beträgt bis zu 70 %. Für die Beheizung im Winterbetrieb sind sie mit einem PWW-Nachheizregister ausgestattet und können sowohl im Teilumluftbetrieb als auch im Fort-/ Außenluftbetrieb gefahren werden. Durch die hohen Gewinne der latenten und sensiblen Wärme aus der Luft und der primär für Heizzwecke eingesetzten Wärme des Wärmepumpenkondensators reduziert sich die externe Wärmezufuhr des Westfalenbads im Winter­betrieb erheblich.

Der Wärmebedarf des Schwimmbadkomplexes wird durch Fernwärme gedeckt, die eine in der Nähe befindliche Müllverbrennungsanlage erzeugt. Nur an extrem kalten Tagen wird die Anschlussleistung von 2 MW voll ausgeschöpft. Der Löwenanteil wird jedoch für die Erwärmung des Wassers der Schwimmbäder benötigt. Allein das Sportbecken hat eine Anschlussleistung von 1,1 MW, die im Falle der Neubefüllung benötigt werden.

Fazit

Das im Westfalenbad realisierte Lüftungskonzept reduziert die Lüftungswärmeverluste signifikant. Gegenüber einer konventionellen Lüftungs- und Heizungsanlage ist eine wesentlich geringere externe Heizleistung ausreichend. Die Gratwanderung eine VDI-konforme Klimatisierung ohne Komfortverlust wirtschaftlich vertretbar zu realisieren, konnte der Planer durch seine Simulationsrechnung vorbildlich umsetzen. Die Gliederung des Komplexes in autarke Teilbereiche ist energetisch beispielhaft und elementar für einen flexiblen, an die Nutzungsfrequenz angepassten Betrieb. •

VDI 2089

Mit der aktualisierten VDI-Richtlinie 2089 „Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern Teil 1 Hallenbäder, Januar 2012“ und „Teil 2 Effizienter Einsatz von Energie und Wasser in Schwimmbädern, August 2009“ können die auf unterschiedliche Gerätekonzepte bezogenen Betriebskosten lüftungstechnischer Anlagen in Schwimmhallen mit geringem Aufwand berechnet werden. Welche enormen Energieeinsparpotenziale sich bei der Luftkonditionierung so erschließen lassen, verdeutlicht der Fachbericht „Mit negativen Energiekosten entfeuchten“ in TGA 06-2012, Webcode 361963.

TGA-Planer: Der Betrieb von Hallen- und Freizeitbädern mit kontinuierlicher Feuchtelast und hohen Raumlufttemperaturen erfordert eine Lüftungsanlagenplanung auf der Basis einer dynamischen Wirtschaftlichkeitsberechnung. Ein hohes Potenzial zur Senkung der Betriebskosten lässt sich mit kurzen Amortisationszeiten erschließen.

Anlagenbauer: Die Teilung von RLT-Anlagen auf mehrere Achsen bietet neben zusätzlichen Freiheitsgraden bei der Aufstellung, höherer Verfügbarkeit und einer günstigeren Wartung in Teillast-Betriebszeiten auch eine größere Flexibilität bei der wirtschaftlichen Optimierung der Wärmerückgewinnung.

Bauherren: Neben dem grundlegenden Lüftungsanlagenkonzept hat die Regelung einen hohen Einfluss auf die zugehörigen Betriebskosten. In Schwimmhallen mit stark unterschiedlicher Besucherzahl im Tagesverlauf können sie durch die bedarfsgerechte Anpassung der Außenluftmenge gesenkt werden.

Projekt

Hallenbadkomplex mit Sport- und Lehrschwimmbecken und Freizeiteinrichtungen; rund 16200 m² Brutto-Grundrissfläche und 72200 m³ umbauter Raum; 2294 m² Wasserfläche

Bauherr / Betreiber

Hagener Versorgungs- und Verkehrs­gesellschaft / Westfalenbad GmbH, http://www.westfalenbad.de

Beteiligte

Architekt: Dr. Krieger Architekten und ­Ingenieure, Velbert, http://www.architekt-krieger.de

TGA-Planer: Beratende Ingenieure DTF, Velbert, http://www.dtf-ingenieure.de

Anlagenbau Lüftungstechnik: Popp & Lausser, ­Freiberg, https://www.popp-lausser.de/

Hersteller Lüftungstechnik: Menerga, Mülheim an der Ruhr, https://www.menerga.com/

Lüftungstechnik

Auftragsvolumen: 1,2 Mio. Euro

Sportbecken:

1 × ThermoCond 37 / 35200 m³/h

1 × ThermoCond 35 / 35.200 m³/h

Attraktionsbecken:

2 × ThermoCond 37 / 12500 m³/h

2 × ThermoCond 35 / 12500 m³/h

Einschwimmbecken:

1 × ThermoCond 35 / 12000 m³/h

Wellness:

1 × Dosolair 54 / 5600 m³/h

Umkleide, Eingangsbereich, Sauna und Küche:

4 × Klimagerät 51 / 3750 bis 14200 m³/h

ist Vertriebsleiter bei Menerga NRW, Telefon (0 20 52) 96 10 20, mk@menerga-nrw.de, http://www.menerga-nrw.de