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Energieeffizienz in öffentlichen Hallenbädern

Einleitung

Der Energieverbrauch von Schwimmbädern ist, durch die hohe Raumlufttemperatur, die hohen Lüftungswärmeverluste sowie der energieaufwendigen Wassertechnik sehr hoch. In Deutschland stehen bedingt durch den Bau vieler Bäder in den 70er Jahren grundlegende Sanierungen bzw. der Abriss und ggf. Neubau von Hallenbädern an. Es ist ein Sanierungsstau entstanden und viele Städte und Gemeinden sind von den hohen Betriebskosten der alten Bäder stark belastet. Allein in der Bundesrepublik gibt es nach [Heiden/Meyrahn 2012] 3.448 Hallen-, Freizeit- und Kombibäder. Der Bedarf, energetisch verbesserte Lösungen zu entwickeln und umzusetzen, ist damit hoch. Vor diesem Hintergrund wurde untersucht, wie sich das Passivhaus-Konzept als Leitprinzip auch auf Hallenbäder anwenden lässt: Das Ziel ist, ein Optimum an Behaglichkeit (z.B. durch hohe Oberflächentemperaturen auch an großen Verglasungsflächen) bei deutlich reduziertem Energieeinsatz zu ermöglichen.

Die Energieeinsparpotentiale von Hallenbädern sind nicht auf den ersten Blick erkennbar, was den Optimierungsprozess erschwert. Basierend auf stationären Berechnungen (Prototyp eines Mehrzonen-PHPP), dynamischen Simulationen und Erfahrungen aus den Planungsprozessen zweier Pilotprojekte, wurden am Passivhaus Institut verschiedene konkrete Möglichkeiten zur Energieeinsparung in öffentlichen Hallenbädern identifiziert. Diese sollen in Anbetracht verschiedener Zusammenhänge und Abhängigkeiten erläutert werden, damit in zukünftigen Projekten schon frühzeitig – also beim Entwurf - in einer integralen Planung wesentliche Optimierungen erzielt werden können.

Einen Einstieg in die Thematik liefert die Grundlagenuntersuchung über Hallenbäder [Schulz 2009], die kostenlos auf www.passiv.de zur Verfügung steht. Diese Studie wurde am Beispiel des geplanten Neubaus des Lippe-Bades in Lünen vom Passivhaus Institut erstellt. Die Planung und der Bau des Bades, welches im September 2011 in Betrieb ging, wurden durch das Projekt zur integralen Planung begleitet [BGL 2011]. Da es sich bei diesem Gebäude und dem Hallenbad Bambados in Bamberg um Pilotprojekte des Passivhaus-Hallenbadkonzeptes handelt, von denen grundlegende Erkenntnisse zu den Energieströmen in solchen Bädern erwartet werden, wird ein umfassendes Monitoring durchgeführt.

Theoretische Untersuchungen am Beispielobjekt

Die Erkenntnisse zu Energieströmen und lüftungstechnischen Varianten, die in diesem Abschnitt formuliert sind, basieren z.T. auf den Ergebnissen einer Simulation eines Passivhaus-Hallenbads. Für diese Simulation wurde ein Passivhaus-Hallenbadmodell mit rund 900 m² Wasserfläche zugrunde gelegt (siehe Abbildung 1). Innerhalb der Betriebszeiten wird eine verdunstende Wassermenge von rund 150 kg/h angenommen, außerhalb der Betriebszeit von 43 kg/h. Dieser Feuchteeintrag muss auf eine möglichst energiesparende Weise aus der Halle abgeführt werden. Wie in Abbildung 2 gezeigt, bewegt sich der Heizwärmebedarf in einer Größenordnung von 900 MWh/a. Bei einer angenommenen Besucherzahl von rund 600 Personen pro Tag und einer hygienisch erforderlichen Frischwassermenge von 30 Liter je Person sind gut 530 m³ Frischwasser im Monat nötig. Geht man davon aus, dass die Verdunstungsenergie dem Wasser entzogen wird, so ergeben sich rund 800 MWh Wärmeenergie pro Jahr für den Beckenwasserkreislauf.

Hallenvolumen

Energiebezugsfäche

Raumtemperatur

max rel.H Tag

max rel.H Nacht
17.800 m³

4.200 m²

32 °C

50 %

64 %
Abbildung 1:
Grundriss und Gebäudedaten des Hallenbadmodells


Abbildung 2:
Energiebilanz des Passivhaus-Hallenbadmodells bei Entfeuchtung über die Außenluftmenge


Bauphysikalische Randbedingungen

Aufgrund des feuchtwarmen Innenklimas stellen sich im Hallenbad andere Energieströme ein als in Gebäuden mit normalen Raumkonditionen (20 °C / 50 % rel.H). Während im „Normalfall“ (bei Wohn- oder Büronutzung) die Transmissionswärmeverluste den größten Einfluss auf die Heizenergiebilanz haben, stehen bei Hallenbädern die Lüftungsenthalpieverluste an erster Stelle. Wird die Halle über den Außenluftvolumenstrom entfeuchtet, so gibt die maximal zulässige Raumluftfeuchte den erforderlichen Luftwechsel vor und begrenzt so die erreichbare Reduktion der Lüftungsverluste. Mit steigender zulässiger Hallenluftfeuchte sinkt daher der Lüftungsenthalpieverlust. Die konsequente Umsetzung der Gebäudehülle in Passivhausqualität eröffnet hier die Möglichkeit, bauschadensfrei höhere Raumluftfeuchten zu realisieren als das bislang bei Standard-Gebäudehüllen (nach EnEV) der Fall ist. Beispielsweise weist eine Zweischeibenverglasung (IV68) bei einer Außentemperatur von –5 °C eine Oberflächentemperatur von 15,7 °C auf und begrenzt dadurch die zulässige Hallenfeuchte auf 40 % rel. H. Passivhaustaugliche Dreischeibenverglasungen mit einer minimalen Oberflächentemperatur von 22,4 °C erlauben hier knapp 60 % relative Feuchte. Eine Erhöhung der Raumluftfeuchte setzt allerdings voraus, dass alle Komponenten der Gebäudehülle eine hohe thermische Qualität aufweisen, denn das Bauteil mit der geringsten Oberflächentemperatur limitiert die zulässige Hallenfeuchte.

Behaglichkeit

Im Gegensatz zu Gebäuden mit üblicher Wohn- oder Büronutzung herrschen in Hallenbädern Raumtemperaturen von 30 bis 35 °C. Neben den bauphysikalischen Beschränkungen der Luftfeuchte muss der Behaglichkeit der Badegäste und des Personals Beachtung geschenkt werden. Die Beurteilung eines behaglichen Raumklimas wird von den Faktoren operative Temperatur, Feuchtegehalt der Raumluft, Bekleidung und Aktivitätsgrad und Luftgeschwindigkeit beeinflusst und wird allgemein durch den PMV-Index [DIN EN ISO 7730] ausgedrückt. Zur Übertragung dieses Indexes auf einen unbekleideten wasserbenetzten Badegast, wurde ein Berechnungsmodell in Anlehnung an [ASHRAE2005] und [Gagge1986] erstellt. Mit steigender Raumlufttemperatur sinkt die als behaglich empfundene Raumluftfeuchte. Da sich die Badegäste, sofern sie sich nicht im Wasser bewegen, im Beckenumgang aufhalten, steht der Körper im Strahlungsaustausch mit der kühleren Oberfläche der Gebäudehülle. Die operative Temperatur beschreibt näherungsweise den Mittelwert aus Lufttemperatur und Oberflächentemperatur der umgebenden Bauteile. Die etwas kühlere Außenwand führt also zu einer leichten Absenkung der gefühlten Temperatur (vor allem dann, wenn es sich um Glaselemente handelt) und somit zu einer etwas höheren tolerierbaren Hallenluftfeuchte. Ließe man einen PMV von +0,51) zu, so ergäbe sich eine zulässige Hallenfeuchte von 63 bis 64 % rel. H.

Abbildung 3:
Schwülegrenze nach VDI 2089 bei 14,3 g/kg
sowie die Grenze für den unbekleideten Menschen bei PMV = 0 bzw. +0,5.

Bei Gebäuden im EnEV-Standard wird die maximale Feuchte nicht etwa durch Behaglichkeitsanforderungen, sondern nach den Erfordernissen der Bauschadensfreiheit begrenzt. Bei einer Hallentemperatur von 32 °C entspricht sie einer relativen Feuchte von 48 %.


Es gibt innerhalb eines Hallenbades meist verschiedene Bereiche mit unterschiedlichen Anforderungen an das Raumklima. Weichen die Temperaturen stark voneinander ab, müssen diese unterschiedlichen Temperaturzonen thermisch entkoppelt werden - durch Dämmung der Trennwände und eventuell durch separate Lüftungsanlagen. Andernfalls können Querwärmeströme zu unerwünschten Temperaturen führen. Dadurch würden sich auch die Transmissions- und Lüftungswärmeverluste deutlich erhöhen. Der Aufteilung verschiedener Zonen auf verschiedene Lüftungsgeräte sollte genügend Planungszeit eingeräumt werden, denn damit werden grundlegende Voraussetzungen für Behaglichkeit aber auch Energieeinsparmöglichkeiten (durch bedarfsgerechte Volumenstromregelung) geschaffen. Bei der Optimierung der Lüftungsgeräte darf aber auch die Planung der Aufstellorte nicht vergessen werden, denn lange Außen- und Fortluftkanäle verschlechtern den Wärmebereitstellungsgrad entscheidend. Die Leitungsführung der Zuluftkanäle bzw. deren Dämmung muss im Hinblick auf die umgebende Raumtemperaturen mit eingeplant werden.

Energiebedarf

Energieeffizienz im Hallenbad beinhaltet viele Aspekte, wobei der Heizwärmebedarf der Luft nur einen Teil der Gesamtprimärenergiebilanz bildet. Hinzu kommen der Heizwärmebedarf des Wassers und die Stromanforderungen der Gebäude- und Schwimmbadtechnik.

Abbildung 4:
Beispielhafter Endenergiebedarf eines energieoptimierten
Freizeitbades in kWh pro Energiebezugsfläche und Jahr
Abbildung 5:
Beispielhafter Primärenergiebedarf eines energieoptimierten
Freizeitbades in kWh pro Energiebezugsfläche und Jahr
PE-Faktor Strom 2,6; PE-Faktor Wärme 0,5
(Kombination von Fortluftwärmepumpe und BHKW)


Betrachtet man die Aufteilung des Endenergiebedarfs auf die einzelnen Bereiche (Beispielobjekt, Abbildung 4), so sieht man, dass hier der Heizwärmebedarf des Beckenwassers ausschlaggebend ist. Der größte Anteil der Beckenwasserwärmeverluste ist selbst in diesem optimierten Fall auf die Verdunstungsenthalpie zurückzuführen. Erfolgt nun aber eine Umrechnung auf den Primärenergiebedarf (Beispielobjekt, Abbildung 5), verschieben sich die Verhältnisse stark. Dieser Umrechnung liegen zwar projektspezifisch unterschiedliche Primärenergiefaktoren zugrunde, jedoch wird sich in den meisten Fällen der Heizwärmebedarf mit einem deutlich geringeren Primärenergieeinsatz abdecken lassen als der Strombedarf. Bei öffentlichen Bädern sind z.B. oft Kommunen die Bauherren. Dies eröffnet Möglichkeiten, wie z.B. den Einsatz eines primärenergetisch günstigen Blockheizkraftwerks mit Abwärmenutzung. Inwieweit die Energiebezugsfläche für den Vergleich der Energieeffizienz von unterschiedlichen Bädern sinnvoll ist, steht noch zur Diskussion.

Heizwärmebedarf der Luft

Den höchsten Heizwärmebedarf der unterschiedlichen Zonen in einem Hallenbad weist die Schwimmhalle auf. Hier werden die höchsten Temperaturen (ca. 32°C) gefordert und hohe Luftwechselraten zur Entfeuchtung benötigt. Es muss besondere Sorgfalt auf eine sehr gute Gebäudehülle gelegt werden, da die damit verbundenen hohen Oberflächentemperaturen es ermöglichen, eine relativ hohe Feuchte im Raum zuzulassen (bis zu 64 % rel. H.) ohne dabei Bauschäden durch Kondensation zu riskieren. Im Vergleich zu konventionell gebauten Hallenbädern kann somit durch verminderte Lüftungswärme- und Transmissionsverluste der Heizwärmebedarf und außerdem der Stromverbrauch der Lüftungsgeräte deutlich reduziert werden (vgl. [Schulz 2009]). Die Güte des Wärmeübertragers im Lüftungsgerät hat entscheidenden Einfluss auf die Höhe der Lüftungsverluste, da im Bereich von feuchten Räumen sowohl sensible als auch latente Wärme zurückgewonnen werden kann. Zusätzlich können Fortluftwärmepumpen zur Enthalpierückgewinnung genutzt werden. Die gewonnene Energie kann zur Raumluft-, Beckenwasser- und auch Kaltwassererwärmung verwendet werden. Hierfür ist eine hohe und verlässliche Jahresarbeitszahl sowie eine sinnvolle Regelung der WP unerlässlich. Der Einsatz einer WP sollte auch immer mit einer optimierten Energiegewinnung über ein BHKW verglichen werden.

Wie bereits angesprochen, senkt eine thermische Trennung verschiedener Temperaturbereiche die Transmissions- und gegebenenfalls die Lüftungswärmeverluste.

Im Rahmen der Grundlagenuntersuchung über Hallenbäder [Schulz 2009] wurden zum einen die Einflussfaktoren, die die Raumluftfeuchte nach oben begrenzen, hinsichtlich ihrer Gültigkeit in hochwärmegedämmten Gebäuden und zum anderen die gegebenen Einsparpotentiale im Rahmen der Lüftungsstrategien untersucht.

Heizwärmebedarf des Beckenwassers

Auch der Heizwärmebedarf des Beckenwassers lässt sich durch die Feuchte der Hallenluft beeinflussen, da bei höherer Luftfeuchte die Verdunstungsrate sinkt und somit zum einen weniger nachgeheizt und zum anderen weniger Frischwasser nachgefüllt und beheizt werden muss. Die Verdunstung kann zusätzlich durch geeignete Überlaufrinnen bzw. deren Stilllegung außerhalb der Badezeiten reduziert werden (die benötigte Durchspülung des Beckens erfolgt dann unter Wasser). Durch die Reduzierung von Abwasser, z.B. durch Rückgewinnung des Filterspülwassers, muss weniger frisches (kaltes) Trinkwasser nachgespeist und beheizt werden. Es ist ratsam, projektspezifisch zu prüfen, ob andere ungenutzte Abwärme (z.B. aus Kühlgeräten für Kaltbecken) oder Solarthermie sinnvoll zur Deckung des Heizwärmebedarfs eingesetzt werden kann.

Heizwärmebedarf des Trinkwassers

Der Heizwärmebedarf für das Trinkwasser hängt sowohl von der Menge des benötigten Wassers als auch von den Verteilverlusten ab. Wassersparende Armaturen, geregelte Laufzeiten der Duschen sowie gute Dämmung der Leitungen sind Grundlagen zur Optimierung. Besonders hohe Verluste gibt es bei langen Zirkulationsleitungen und -zeiten mit hohen Temperaturen auf Grund von Legionellenprophylaxe.

Hilfsstrom

Der Einsatz von Frequenzumformern für Pumpenmotoren sollte heutzutage selbstverständlich sein. Generell ist auf den Einsatz hocheffizienter Technik, gekoppelt mit einer durchdachten Regelungsstrategie zu achten, um den Hilfsstrombedarf in allen Bereichen zu minimieren.

Lüftung

Im Bereich der Lüftung bewirkt neben dem Einsatz von effizienten Ventilatoren und Lüftungskanalführungen mit geringem Druckabfall, eine bedarfsgerechte Steuerung enorme Einsparmöglichkeiten. Das Passivhauskonzept führt zu geringen Temperaturschichtungen und niedrigeren Heizlasten, wodurch in der Schwimmhalle der Umluftanteil deutlich gesenkt oder sogar ganz abgeschaltet werden kann. Für eine gute Durchspülung der Halle müssen die Luftauslässe geschickt geplant werden und zusätzlich mit Klappen gesteuert werden können, um den Druck an den Auslässen trotz stark schwankender Volumenströme halten zu können. Für eine gute Durchströmung der Halle erscheint eine Zulufteinbringung mittig an der Decke und eine Abluftabsaugung im Bereich der Überlaufrinnen oder tiefliegend im Umgang sinnvoll.

In Nebenzonen wie Duschen, Umkleiden, Foyer und Personalräumen eignen sich Planungen mit Überströmungen und z.B. einer Feuchte und/oder CO2-gesteuerten Regelung, um die Volumenströme zu senken (um ca. 50 % gegenüber einer nicht optimierten Planung). Dank geringerer Druckverluste führen diese niedrigeren Volumenströme außerdem zu einer besseren Energieeffizienz der Ventilatoren für dasselbe Kanalnetz.

Schwimmbadtechnik

Grundlage der Energieeinsparung ist ein möglichst kurzes Rohrnetz mit geringen Druckverlusten. Bei der Optimierung der Pumpen spielt neben der Energieeffizienz der Pumpe selbst vor allem der Einsatzbereich eine große Rolle. Pumpen für die Badewasseraufbereitung müssen oft zwei verschiedene Betriebspunkte abdecken, z.B. Beckenwasserumwälzung und Filterrückspülung. Wenn das dazu führt, dass die Pumpe den Großteil der Zeit mit schlechtem Wirkungsgrad betrieben wird, sollte geprüft werden, ob der Einsatz einer separaten Pumpe zur Filterrückspülung zu einer Energieeinsparung führt. Auch die Messwasserentnahme und deren Rückführung, gekoppelt an die Wahl der Messzellen, bietet Potential zur Stromeinsparung. Beim Berechnen des Energiebedarfs ist zu beachten, dass sowohl der Wirkungsgrad der Pumpe als auch der des Frequenzumformers und des Motors in die Berechnung eingehen.

Beleuchtung

Die erste und beste Maßnahme zur Energieeinsparung im Bereich der Beleuchtung ist die Tageslichtnutzung. Zu beachten ist, dass höher gelegene Verglasungen mehr zur Tageslichtnutzung beitragen als bodennahe. Bei tiefen Räumen, z.B. Schwimmhallen, reichen Fenster in der Fassade meist nicht aus. Hier bieten shed-artige Dachkonstruktionen eine gute Möglichkeit zur Verbesserung der Tageslichtnutzung. (Lichtkuppeln stehen für den Hallenbereich leider noch nicht in ausreichend guter thermischer Qualität zur Verfügung.) Der Stromverbrauch von Kunstlicht sollte durch energieeffiziente Leuchtmittel, Farbgebung, Präsenzmelder, Hauptausschalter, Zeitsteuerungen u. Ä. gesenkt werden.

Sonstige Stromverbraucher

Um den Stromverbrauch sonstiger Geräte (z.B. Föhn, Getränkeautomat, Aufzug, Hochdruckreiniger, BMZ, GLT, Videoanlage usw.) zu senken, sollten energieeffiziente Geräte eingesetzt werden und besonderes Augenmerk auf die Regelung der Einschaltzeiten und den Verbrauch im Standby-Modus gelegt werden.

Sonstige Schwimmbadbereiche

In größeren Bädern gibt es oft zusätzliche Freizeitangebote und damit additive Energieverbraucher (z.B. Küchen, Saunen, Solarien, Wasserattraktionen wie Rutschen etc.). Bei Wasserattraktionen lassen sich, neben einer allgemeinen Optimierung der Pumpen, durch zeitgesteuerte Regelungen (temporärer Betrieb, Gleichzeitigkeiten etc.) der Energieverbrauch und auch die Spitzenstromlasten senken. Saunakabinen sollten entsprechend der hohen Temperaturdifferenz zur Umgebung genügend gedämmt werden, wobei der Boden nicht zu heiß werden darf. Es gibt die Möglichkeit, Saunen mit Gas zu beheizen, was primärenergetisch einer Strombeheizung vorzuziehen ist. Der Einsatz von eigenen Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung für die Saunakabinen ist sowohl aus energetischer Sicht als auch aus Komfortgründen wichtig. Dampfbäder müssen gesondert betrachtet werden.

Zusammenfassung und Ausblick

Der Energieverbrauch von Hallenbädern ist bekanntermaßen sehr hoch, aber es gibt auch ein enormes Einsparpotential. Erste Ansatzpunkte und Zusammenhänge wurden in diesem Beitrag aufgezeigt und sollen als Hilfestellung für Planer und Architekten dienen. Diese Erkenntnisse basieren zunächst auf Berechnungen und Erfahrungen aus den laufenden Planungsprozessen zweier Pilotprojekte. Anhand von Monitorings dieser Projekte, überprüft das Passivhaus Institut die Wirksamkeit der jeweils umgesetzten Maßnahmen zur Senkung des Energiebedarfs nach Fertigstellung der Bäder und bewertet diese. Lesen Sie dazu auch den Artikel Monitoring Passivhaus Hallenbad Lünen. Abhängigkeiten und Wechselwirkungen zwischen den Maßnahmen sind vielschichtig, dadurch kann die Effektivität einzelner Maßnahmen meist nur schwer beurteilt und mit Zahlen belegt werden. Die Maßnahmen müssen im Hinblick auf Energie- und Betriebskosteneinsparung gegeneinander abgewogen werden und ein stimmiges Gesamtkonzept ergeben. Ein Optimum kann nur erreicht werden, wenn alle beteiligten Fachplaner und Ausführende an einem Tisch sitzen bzw. für regen Informationsaustausch und Diskussionsraum gesorgt wird. Dies wird allen Bauherren als Grundvoraussetzung für ein erfolgreiches Projekt nahe gelegt. Sich dafür ein Prozedere zu überlegen, zahlt sich auf jeden Fall aus.

Neben der Energieeinsparung schafft der Passivhausansatz mit seiner hochgedämmten, luftdichten Gebäudehülle Schutz vor - besonders in Hallenbädern häufig auftretenden - Bauschäden und damit wiederum Kosteneinsparung beim Unterhalt.

Zur Finanzierung, insbesondere der Sanierung von bestehenden Hallenbädern, soll an dieser Stelle auf die Möglichkeiten des Energiespar-Contractings hingewiesen werden, wie es z.B. in Bremen [Brockmann 2010] realisiert wurde.

Literatur

[Schulz 2009] Schulz, Pfluger, Grove-Smith, Kah, Krick: Grundlagenuntersuchung der bauphysikalischen und technischen Bedingungen zur Umsetzung des Passivhauskonzepts im öffentlichen Hallenbad. Veröffentlicht: Passivhaus Institut, Darmstadt 2009.

[Brockmann 2010] Brockmann, Michael: Energieeinsparcontracting der Bremer Bäder (Seminar Energie- und Ressourceneinsparung, 08.06.10 in Essen)

[Gagge1986] Gagge, A.P., A.P.Fobelets, L.G. Berglund: A standard predictive index of human response to the thermal environment. ASHRAE Transactions, Vol. 92:2B (1986), 709-731.

[VDI 2089] Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern.

[ASHRAE2005] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE): ASHRAE 2005 Fundamentals.

[Heiden/Meyrahn 2012]

[BGL 2011] Integrale Planung für die Realisierung eines öffentlichen Hallenbades mit Konzepten der Passivhaustechnologie, Bädergesellschaft Lünen, Lünen 2011

[Schulz PHT 2009] Schulz, T., Hallenbäder im Passivhausstandard, 13. Internationale Passivhaustagung, Frankfurt, Passivhaus Institut, 2009.

[Gollwitzer PHT 2011] Gollwitzer, E., Grove-Smith, J.: Planungsaspekte für öffentliche Hallenbäder, 15. Internationale Passivhaustagung, Innsbruck, Passivhaus Institut, 2011.

Siehe auch

Übersicht der Passipedia-Artikel zu Nichtwohngebäuden im Passivhaus-Standard

Übersicht der Projektbeispiele von Nichtwohngebäuden im Passivhaus-Standard

1)
PMV Klimabeurteilungsskala nach DIN EN ISO 7730: 0 = neutral; +1 = etwas warm; +2 = warm; +3 = heiß; –1 = etwas kühl; -2 = kühl; -3 = kalt
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