Schwimmen und sparen

Um den hohen Energiebedarf von Schwimmhallen und -bädern zu reduzieren, ist der Einsatz von Wärmepumpen zur Entfeuchtung der Luft eine sinnvolle und im Markt mittlerweile auch weitverbreitete Methode. Dabei wird die Abluft zunächst über einen Rekuperator abgekühlt und dann durch den Verdampfer der Wärmepumpe geleitet. Dort kondensiert Wasserdampf aus. Der Wärmepumpenprozess nimmt die latente Wärme, die bei der Kondensation wieder verfügbar wird, auf und der Verdichter erhöht das Temperaturniveau auf ein für die Hallenheizung nutzbares Maß.

Gegenüber der technisch einfachsten Lösung, der Entfeuchtung durch Austausch der Schwimmbadluft gegen Außenluft plus Aufwärmung, lässt sich mit der Wärmepumpe in Verbindung mit effizienten Wärmeübertragern eine Energieeinsparung von 70 bis 80 Prozent erzielen. Voraussetzung dafür ist allerdings eine intelligente Regelstrategie und die Berücksichtigung weiterer jahreszeitspezifischer Besonderheiten. Ein Beispiel hierfür ist der Sommerbetrieb, bei dem der Wärmepumpenprozess oft mehr Wärme bereitstellt, als für die Aufheizung der Zuluft erforderlich ist. Eine einstufige Wärmepumpe wird in diesem Betriebszustand im Intervallbetrieb arbeiten, was sich sowohl auf den Energieverbrauch als auch auf die Lebensdauer des Geräts negativ auswirkt. Bis zu einem gewissen Maß lässt sich hier die überschüssige Wärme mit einem Beckenwasserkondensator auskoppeln, was sich effizienzsteigernd auswirkt.

Dass es bei der energetischen Optimierung auch Grenzen gibt, zeigt eine Besonderheit im Winterbetrieb. Bei einem durch die Belegung mit Badegästen vorgegebenen Außenluftanteil ist aufgrund der trockenen Winterluft nur eine geringe Entfeuchtungsleistung erforderlich, um die gewünschte Zuluftqualität zu erhalten. Für den Betrieb einer ungeregelten Wärmepumpe steht dann in der Fortluft unter Umständen nicht genügend Wärmeenergie zur Verfügung. In solchen Fällen erfolgt eine Verriegelung der Wärmepumpe und die Entfeuchtung erfolgt nur noch über die Außenluftzufuhr. Ein Mehrverbrauch beim Pumpen-Warmwasser-Heizregister (PWW) ist die Folge.

Erschließung weiterer Effizienzpotenziale

Mit der 2011 in den Markt eingeführten neuen Generation von Klimageräten für Schwimmhallen hat der Hersteller Menerga weitere Optimierungsansätze umgesetzt, die eine nochmalige Minimierung des Energieaufwands um etwa 30 Prozent gegenüber den Vorgängermodellen ermöglicht. Hierzu wurden mehrere Neuerungen eingeführt. Die wesentlichsten Änderungen an den ThermoCond 39-Geräten sind dabei die Umstellung auf leistungsgeregelte Scroll-Verdichter in den Wärmepumpen sowie der Einsatz von EC-Ventilatoren. Diese eröffnen neue Möglichkeiten zu energetisch optimierten Fahrweisen entsprechend der oben genannten Grenzen. Statt dem periodischen Wechsel zwischen Umluftbetrieb und Außenluftzufuhr kann das Klimagerät die Schwimmbadluft jetzt mit einem stufenlos variablen Außenluftanteil entfeuchten.

Leistungsvariable Wärmepumpe

Die Wärmepumpe passt ihre Leistung stetig an den Bedarf an und erzielt so eine deutlich verbesserte Auslastung. Überschüssige Heizwärme lässt sich über einen optional erhältlichen Beckenwasserkondensator (BWK) weiterhin zur Aufheizung des Wassers nutzen. Erzielt werde dabei ein über das Jahr gemittelter COP der Wärmepumpe bis zu etwa 7,0. Durch den leistungsregelbaren Betrieb der Wärmepumpe erreicht die Anlage eine konstante Raumluftfeuchte sowohl im Bade- als auch im Ruhebetrieb sowie eine verbesserte Entfeuchtung und somit auch eine höhere Rückgewinnung der latenten Wärme aus der Abluft. Die guten COP-Werte führen durch die erhöhte Auslastung der Wärmepumpe im Vergleich zur Nachheizung mit fossilen Energieträgern auch zu einer deutlichen Primärenergie- bzw. CO₂-Einsparung.

Erhöhte Heizleistung der Wärmepumpe

Ein weiterer Ansatzpunkt ist die Erhöhung der Heizleistung der integrierten Wärmepumpe. Damit kann im Badebetrieb ein größerer Anteil der in der Fortluft enthaltenen Restwärme genutzt werden. Simulationsrechnungen haben gezeigt, dass sich zum Beispiel durch eine Verdoppelung der Wärmepumpenheizleistung gegenüber der Standardauslegung die Lüftungswärmeverluste von etwas über 20 auf unter 4 Prozent reduzieren lassen (Bild 3). Dies entspricht einem zusätzlichen Wärmerückgewinn von 17,5 Prozent. Gleichzeitig stellt diese Dimensionierung auch wirtschaftlich eine sehr gute Lösung dar. Die Einsparungen beim Pumpen-Warmwasser-Heizregister (PWW) und die höheren Stromkosten für die Wärmepumpe stehen hier in einem optimalen Verhältnis.

Anpassung des Luftvolumenstroms

Die dritte wichtige Neuerung ist der Betrieb der Klimageräte mit bedarfsgerecht geregeltem Luftvolumenstrom. Der reduzierte Zuluftstrom im Badebetrieb muss dabei natürlich mindestens so groß sein wie der erforderlicheAußenluftanteil nach VDI 2089 und auch noch zur Beheizung der Schwimmhalle ausreichen. Im Ruhebetrieb und bei kleinen Besucherzahlen lässt sich der Volumenstrom je nach Temperatur und Feuchtewerten zumindest theoretisch um bis zu 90 Prozent reduzieren. Die Klimageräte sind hierfür mit neuen, kompakten EC-Ventilatoreinheiten ausgestattet, die besonders im Teillastbereich eine hohe Effizienz aufweisen. Die Einsparpotenziale sind aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit zwischen Luftleistung und Stromverbrauch überproportional hoch: Bei bedarfsgerechter Reduktion des Volumenstroms um maximal 30 Prozent sinkt der Elektroenergieverbrauch der Ventilatoren um bis zu 60 Prozent (Bild 4).

Praxiserfahrung mit Prototyp

Den Einsatz einer stufenlos leistungsregelbaren Wärmepumpe zur Schwimmbadentfeuchtung testete der Mülheimer Hersteller in einem Langzeitversuch im Kloster Thuine im Emsland. Dort wurde bereits 2007 ein entsprechend ausgerüstetes Gerät des Vorgängermodels ThermoCond 37 mit einem Nennvolumenstrom von 9500 m³/h in Betrieb genommen. Im Laufe des Jahres 2008 wurden die Steuerung und Regelung schrittweise optimiert, sodass 2009 und 2010 eine intensive Datenerfassung als Basis für die neue Geräteserie 39 erfolgen konnte.

In der Praxis bestätigten sich dabei die deutlichen Vorteile des Einsatzes der modulierenden Wärmepumpe. Zunächst einmal wurde im Ruhebetrieb die geforderte relative Luftfeuchte von 54 Prozent durchgehend und ohne die sonst üblichen Schwankungen beim Umschalten zwischen Entfeuchtungs- und Heizbetrieb eingehalten. Die Wärmepumpe lief hier die ganze Nacht hindurch und regelte ihre Leistung in Abhängigkeit von der Luftfeuchte. Die gewonnene Kondensationswärme wurde zur Nachheizung der Zuluft verwendet, wobei die Regelung angesichts der geringen anfallenden Entfeuchtungsleistung auch Wärme vom PWW anforderte.

Dabei zeigte sich, dass im Ruhebetrieb deutlich mehr Wärme über das Heizregister bereitgestellt wurde als im Badebetrieb. Tagsüber wird eine deutlich höhere Entfeuchtungsleistung benötigt, sodass die Wärmepumpe hier den Großteil der Heizleistung übernahm. Mit zunehmender Außentemperatur stieg dabei auch der Beitrag der Wärmepumpe, während die Anforderung an das PWW kontinuierlich sank. Unter günstigen Bedingungen stellte sich sogar ein vollständig autarker Betrieb ein, bei dem ausschließlich die Wärme der Fortluft über die Wärmepumpe zur Zulufterwärmung genutzt wurde und keine Nachheizung über das PWW mehr notwendig war.

Simulationsrechnungen zur Wirtschaftlichkeit

Für eine umfassende Betriebskostenanalysewurden zudem auf Basis der Daten aus dem Kloster Thuine vergleichende Simulationsrechnungen vorgenommen. Dabei wurde eine entsprechende Anlage mit ebenfalls 9500 m³/h Nennvolumenstrom für jede Betriebsstunde eines Referenzjahres durchgerechnet. Festgelegt wurde hierfür eine fiktive aber typische Personenbelegung, wie sie in Bild 5 und 6 zu sehen ist. Darauf aufbauend werden auch die Ergebnisse der Simulation der Heizleistungen von Wärmepumpe und PWW-Heizung für einen typischen Winter- und Sommertag gegenübergestellt.

An einem Wintertag mit einer mittleren Außentemperatur von 8 °C ist im Ruhebetrieb am frühen Morgen ein weitgehend konstanter Verlauf der Leistungen von Wärmepumpe und externer Warmwasserheizung zu beobachten. Mit dem Beginn des Badebetriebs endet der reine Umluftbetrieb und Außenluft wird angefordert. Aufgrund des niedrigen Wärmeinhaltes der Fortluft nach dem rekuperativen WRG-System ist die von der Wärmepumpe bereitgestellte Wärme zu Zulufterwärmung begrenzt. Dafür steigt die Anforderung an die PWW-Heizung entsprechend in Korrelation zu den Besucherzahlen.

Die an einem Sommertag mit einer mittleren Außentemperatur von 18 °C zur Verfügung gestellte Heizleistung der Wärmepumpe ist im nächtlichen Ruhebetrieb identisch dem Wintertag, durch das PWW-Heizregister muss jedoch aufgrund niedriger Transmissionswärmeverluste weniger nachgeheizt werden. Mit dem Eintreffen der Badegäste wird der Außenluftanteil gemäß VDI 2089 erhöht. Die in der Fortluft nach dem rekuperativen WRG-System enthalteneWärmeenergie ist ausreichend, um die Zu-luft auf das erforderliche Temperaturniveauzu erwärmen, während der Anteil der PWWHeizung auf Null fällt. Die Heizleistung der Wärmepumpe reicht aus, um den gesamten Wärmebedarf für die Hallenluft zu decken.

Bezogen auf das ganze Betriebsjahr ergibt sich eine Gesamtheizarbeit von rund 250 000 kWh. Auf die PWW-Heizung entfallen dabei 98 369 kWh und auf die Wärmepumpe 147 642 kWh. Die elektrische Energie, die für den Verdichter erforderlich ist, beträgt 20 323 kWh. Damit ergibt sich für den Wärmepumpenprozess ein mittlerer COP von 7,2.Damit geht eine CO₂-Einsparung von knapp 22 t/a einher ein Argument, das in Kundengesprächen heute immer wichtiger wird.

Einsparpotenziale durch variable Luftleistungen

Interessant ist auch die Betrachtung der Einsparung durch die Reduktion des Luftvolumenstromes im Rahmen dessen, was die Temperatur- und Feuchteanforderungen an den Betrieb der Lüftungsanlage zulassen. Die Berechnungen des Herstellers für das Referenzprojekt haben hier ergeben, dass bei einer maximal zulässigen Verringerung des Zuluft-Volumenstroms auf 70 Prozent die Durchströmung der Halle ohne Komforteinbußen weiterhin gewährleistet bleibt. Dieses Potenzial kann vor allem im Winter sowohl im Ruhe- als auch im Badebetrieb weitgehend ausgeschöpft werden. Im Sommer hingegen ist es gerade während der Öffnungszeiten notwendig, den Luftvolumenstrom flexibel an die Anzahl der Badegäste anzupassen.

Im Vergleich der bedarfsgerechten Volumenstromreduktion mit der kon­stanten Betriebsweise ergeben sich über das Jahr signifikante Unterschiede bei der elektrischen Leistungsaufnahme. Nach den Berechnungen des Mülheimer Unter­nehmens beträgt der Energiebedarf für die Ventilatoren mit konstanter Luftleistung hier 65121 kWh/a. Demgegenüber reduziert sich dieser Verbrauch für den bedarfsgerecht geregelten Betrieb um mehr als 70 Prozent auf 18852 kWh/a. Hier zeigt sich, dass beim Einsatz von EC-Ventilatoren schon eine verhältnis­mäßig geringe Reduzierung der Luftleistung den Stromverbrauch erheblich verringert. Insgesamt ergibt sich aus der Energieeinsparung durch bedarfsgerechte Volumenströme eine äquivalente CO₂Einsparung von 27,8 t/a.

Fazit

Das Referenzprojekt im Kloster Thuine sowie die entsprechenden Simulationsergebnisse zeigen, dass sich durch die Weiterentwicklung von Schwimmhallen-Klimageräten nochmals erhebliche Energieeinsparungen erzielen lassen. Im Vordergrund stehen dabei die Optimierung des Wärmepumpeneinsatzes sowie die bedarfsgerechte Anpassung der Luftvolumenströme. Die auf dieser Grundlage entwickelte Geräteserie schöpft die Möglichkeiten, die der aktuelle Stand der Technik zur Effizienzoptimierung bietet, weitgehend aus. -

Die Nennluftleistungen des Klimagerätes ThermoCond 39 liegen zwischen 3 300 und 26 900 m³/h, wobei zehn Baugrößen lieferbar sind. Die Entfeuchtungsleistungen nach VDI 2089 decken dabei einen Bereich von 21,6 bis 175,9 kg/h ab.

Die EC-Ventilatoren sind je nach Gerätegröße und geforderter externer Pressung einzeln, als Tandem oder als Trio integriert. Sie haben hohe Wirkungsgrade, insbesondere im Vergleich zu IE2-Asynchronmotoren im Teillastbetrieb. Laufräder, Motoren, Kommutiereinheit und Traggestelle sind durch ihre KTL-Beschichtung (kathodische Tauchlackierung) optimal geschützt. Die Ventilatoren haben eine integrierte Volumenstromregelung mit Dichtekompensation. Die Leistungsaufnahme für den Außenluft-/Zuluft­ventilator liegt je nach Gerätetyp zwischen 1,3 und 11,1 kW beim Nennvolumenstrom. Bei den Abluft-/Fortluftventilatoren beträgt die Leistungsaufnahme zwischen 0,9 und 9,6 kW. Die zugehörige externe Pressung beim kleinsten Klimagerät liegt bei 300 Pa und beim größten 500 Pa.

Die Abmessungen betragen 4 290 x 1 580 x 730 mm (L x H x T) bei der kleinsten Baugröße und 6 690 x 3 500 x 2 330 mm beim größten Gerät. Bei den Angaben ist zusätzlich noch ein Kabelkanal mit 60 mm Höhe sowie der Schaltschrank zu berücksichtigen.

Leitung Produktentwicklung, Menerga, Mülheim