Intelligente Luftführung für nachhaltige Bäder
Der Wärmebedarf von Hallenbädern wird wesentlich durch die Art der Luftführung bestimmt. Wie ein modernes Schichtlüftungssystem funktioniert.
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Der Wärmebedarf von Hallenbädern wird wesentlich durch die Art der Luftführung bestimmt. Wie ein modernes Schichtlüftungssystem funktioniert.
Einen einfachen Start hatte das Aloha Aqualand in Osterode nicht. Seit 2015 als Ersatz für ein Bestandsbad geplant, sollte es eigentlich 2023 in Betrieb gehen. Doch dann kam die Corona-Pandemie, die Fertigstellung verzögerte sich und die Kosten stiegen. Im Frühjahr 2023 sahen sich die Wirtschaftsbetriebe der Stadt Osterode GmbH (WiBO) gezwungen, das gesamte Projekt noch einmal komplett auf den Prüfstand zu stellen.
Das I.F.I.-Institut aus Aachen wurde mit der Frage betraut, ob denn die gut 250.000 EUR teuren Abluftrohre aus seewasserfestem Aluminium wirklich notwendig wären. Das Ergebnis: Nicht nur die Rohre waren überflüssig, das gesamte Luftführungskonzept musste überarbeitet werden!
Geplant war für das Aloha eine Luftführung von oben nach oben: Dabei sollte Luft über den Fenstern mittels Textilauslässen eingebracht werden und flächig an der Hallendecke abgesaugt werden. Dabei benötigt man spezielle Textilauslässe mit Düsen, die die Luft nach unten ausblasen können, denn im Hallenbad herrscht ganzjährig Heizbedarf. Ohne weitere Maßnahmen gäbe es einen strömungstechnischen Kurzschluss, die Zuluft würde also gar nicht in der Aufenthaltszone wirksam.
Aber auch wenn das System funktioniert, ist es sehr schwer zu regeln. Ist der Zuluft-Impuls zu gering, dann erreicht die Luft den Boden nicht, mit der Folge unzureichender Belüftung. Ist er hingegen zu hoch, dann kommt es zu Zugerscheinungen und erhöhter Verdunstung. Den „Sweet Spot“ trifft man nur selten. Diese Effekte konnten durch eine Strömungssimulation der bestehenden Planung demonstriert werden.
Als Lösung wurde vorgeschlagen, das Luftführungskonzept komplett zu überarbeiten und eine so genannte „Luftführung abwärts“ zu realisieren. Dieses System hatte das I.F.I.-Institut gemeinsam mit dem Ingenieurbüro INCO aus Aachen entwickelt. Es wird bereits in einer ganzen Reihe von Bädern mit sehr gutem Erfolg eingesetzt.
Allerdings war zu diesem Zeitpunkt das Aloha schon weitgehend fertig gebaut, sogar die Lüftungsanlagen waren bereits installiert. Nur das Kanalnetz fehlte noch. Wäre es also überhaupt möglich, die Luftführung noch so gravierend zu ändern und mit welchem Aufwand? Und würde die Luftführung abwärts in einem Gebäude überhaupt funktionieren, das nicht speziell dafür geplant wurde? Und überhaupt: Wieso ist die Art der Luftführung im Hallenbad so wichtig?
In Hallenbädern dient die Lüftung primär dazu, die Raumluftfeuchte zu begrenzen. Nach der gültigen VDI 2089 soll die Luftfeuchte maximal φ = 65 % oder x = 14,3 g/kg bzw. 17,2 g/kg betragen1, praktisch findet man in Bädern oft Werte um φ = 50 %. Bei diesen Luftkonditionen verdunsten in einem üblichen Hallenbad mit 500 m² Beckenfläche bis zu 2 m³ Beckenwasser pro Tag, bei Spaßbädern können deutlich höhere Werte auftreten.
Leider lässt sich die Verdunstung an der Wasseroberfläche auch nicht so einfach abstellen. Zwar wird der Feuchteübergang durch die Nutzung des Bades, also Badegäste und Attraktionen, erhöht, aber auch in der Nacht sinken die Verdunstungswerte nie unter etwa ¼ des Tageswertes.
Die Verdunstung entzieht den Becken eine erhebliche Wärmemenge. Um eine Wassermenge von 2 m³ zu verdunsten wird eine Wärmemenge von ca. 1.500 kWh benötigt. Dies entspricht dem Heizwert von 150 l Heizöl – pro Tag. Und ebenso entscheidend: Die Verdunstung ist über das ganze Jahr relativ konstant. Sie kann ein Vielfaches dessen betragen, das z. B. selbst im Winter über die Gebäudehülle verloren geht.
Und das sind nur die direkten Wärmeverluste durch Verdunstung. Die Feuchte muss ja auch aus der Halle abgeführt werden. Je nach Lüftungssystem wird dazu eine Luftmenge von bis zu 50.000 m³/h benötigt. Bei modernen RLT-Anlagen mit Hochleistungs-Wärmerückgewinnung liegt der Wärmebedarf der Luftaufbereitung noch einmal in der gleichen Größenordnung wie die Verdunstungsverluste, in der Vergangenheit konnte er bei einem Vielfachen liegen. Und natürlich benötigt auch der Lufttransport Energie in Form von elektrischem Strom, und auch das an 365 Tagen im Jahr.
An dieser Stelle kommt nun die Luftführung ins Spiel, denn diese wirkt gleichzeitig auf alle genannten Verbräuche. Sinkt durch die Luftführung der Feuchteübergang, dann sinkt auch die notwendige Luftmenge – ein Effekt, der sich selbst verstärkt. Und natürlich wirkt sich die Luftführung auch noch auf die Behaglichkeit aus.
In Hallenbädern kommen unterschiedliche Luftführungssysteme zum Einsatz, je nach Gebäude, Baualter und Vorlieben des jeweiligen Planers. Sehr häufig findet man Systeme, die Zuluft unter den Fenstern einblasen, um Kondensation an den Scheiben zu vermeiden. Das ist bei modernen Verglasungen eigentlich nicht mehr notwendig, wenn überhaupt beschlagen diese Scheiben von außen. Generell ist eine solche Luftführung von unten nach oben nicht ungünstig, denn sie erzeugt wenig Luftbewegung an der Wasseroberfläche. Und sie sorgt dafür, dass die Luft sehr gut durchmischt wird, im gesamten Raum findet man etwa die gleichen Luftkonditionen.
In neueren Hallen findet man zunehmend Systeme mit Weitwurfdüsen. Diese Systeme sind unaufwändig in der Montage und sorgen ebenfalls für eine intensive Durchmischung der Hallenluft, allerdings verstärken solche Systeme die Beckenwasserverdunstung und erhöhen dadurch den Feuchteanfall, was in Bezug auf den Energieverbrauch kontraproduktiv ist und gelegentlich sogar zu Kondensation auch an modernen Fassaden führt.
Einen ganz anderen Weg geht die „Luftführung abwärts“, die bewusst eine Vermischung der Raumluft vermeidet. Zuluft wird impulsarm im oberen Teil der Halle eingebracht, so dass sich horizontale Luftschichten bilden können. Über die Hallenhöhe gibt es einen Temperaturgradienten von ca. 2–4 K, der aber genügt, um die Schichtung stabil zu halten. Die kälteste Schicht befindet sich direkt über dem Becken, wo sie im Austausch mit dem Beckenwasser steht. Auch hier findet Verdunstung statt, solange die Luft aber nicht wärmer ist als die der darüberliegenden Schichten, kann die Feuchte nicht aufsteigen. Sie ist quasi in der Luftschicht gefangen und kann gezielt abgesaugt werden. Hierfür genügt oft ein einziger Luftauslass, der an beliebiger Position des Beckens liegen kann. Das funktioniert ähnlich wie der Überlauf an einer Badewanne, bei dem ja auch ein einziger Ablauf für die ganze Wanne ausreicht – nur steht die Badewanne in diesem Fall auf dem Kopf und ist mit warmer Luft gefüllt.
Nach den bisherigen Erfahrungen sind die Schichtungen auch im normalen Badbetrieb mit herumlaufenden Badegästen sehr stabil, insgesamt erweist sich das System als erstaunlich robust. Auch anfangs geäußerte Sorgen, dass die Schichtungen z. B. im Hochsommer instabil werden könnten, haben sich bisher nicht bewahrheitet.
Eine immer wiederkehrende Frage ist, ob sich bei der Luftführung abwärts nicht Schadstoffe über der Wasseroberfläche sammeln? Hierzu wurden vom Passivhaus-Institut Messungen durchgeführt, die zeigen, dass bei der Schichtlüftung die Schadstoffwerte trotz kleinerer Luftmengen oft geringer sind als bei konventionellen Luftführungssystemen. Und das ist auch logisch. Denn, bezieht man die eingebrachte Frischluftmenge nicht auf das Volumen der ganzen Halle, sondern nur auf das Volumen der Diffusionsschicht, dann hat diese ja ein wesentlich kleineres Volumen als die Halle. Spezifisch werden also trotz kleinerer Luftmengen höhere Luftwechselraten erreicht.
Das System der „Luftführung abwärts“ ist in den letzten Jahren in einer ganzen Reihe von Bädern eingesetzt worden, oftmals mit faszinierendem Erfolg. Denn die bisher realisierten Bäder gehören durchweg zu den energieeffizientesten in Deutschland und Österreich. Im direkten Vergleich zeigt sich dabei, dass Schichtlüftungsbäder bei gleichen Wetterbedingungen teils nur 10 % der Außenluftmenge für die Entfeuchtung benötigen. Erstaunlicherweise wird auch die Luftqualität in diesen Bädern oft als subjektiv besser beurteilt. Und obwohl die gemessene Luftfeuchte zum Teil erheblich höher liegt als in den Vergleichsbädern mit Mischlüftung, treten weniger Klagen über zu feuchte Luft in der Halle auf.
Auch im Aloha in Osterode wurde – auf Anraten des I.F.I.-Institutes – letztlich eine „Luftführung abwärts“ realisiert, obwohl das Bad eigentlich für ein ganz anderes System geplant und gebaut worden war. Zum Glück war hier das Kanalnetz noch nicht gebaut, aber ansonsten war das Gebäude eigentlich fertig gebaut, sogar die RLT-Zentralen waren schon eingebaut.
Bei der Umplanung erwiesen sich die technischen Herausforderungen als sehr gut beherrschbar, hier kommen den Planern die Eigenschaften der Schichtlüftung zugute, dass diese in Bezug auf die Lufteinbringung viele Freiheiten lässt. Luftschichten breiten sich durch die Schwerkraft von allein aus, sie füllen immer die ganze Hallenfläche, egal von wo die Luft zugeströmt ist. So konnte das Kanalnetz einfach in das bestehende Gebäude integriert werden. Für die Abluftführung wurden vorhandene Schächte umgenutzt, es mussten nur die Abluftgitter vorgesehen werden. Anstelle der geplanten Abluftrohre wurden speziell angefertigte Zuluft-Durchlässe eingebaut, die – trotz Sonderanfertigung – schließlich deutlich günstiger waren.
Eine besondere Herausforderung stellten die bereits installierten RLT-Anlagen dar, denn diese waren für einen Volumenstrom von 45.000 m³/h ausgelegt. Nach VDI 2089 hätte auch ein Volumenstrom von 30.000 m³/h ausgereicht, und auch der ist für die Schichtlüftung noch viel zu hoch. So kann die Halle in Osterode im Tagbetrieb auf minimal 4.500 m³/h abgesenkt werden, im Nachtbetrieb sogar auf nur 3.000 m³/h, sofern die Feuchtegrenzen eingehalten werden. Über das gesamte erste Betriebsjahr lag der gemessene Außenluftvolumenstrom effektiv im Mittel nur bei ca. 6.000 m³/h.
Viele RLT-Anlagen und Volumenstromregler sind nicht für einen Regelbereich von 1:10 ausgelegt. Für das Aloha konnte diese Reduktion letztlich nur durch Abschaltung einzelner Stränge des Kanalnetzes erreicht werden. Auch hier macht sich wieder die Flexibilität der Luftführung abwärts bemerkbar. Aus den Monitoring-Daten wissen wir, dass sogar beim Ausfall einer kompletten Lüftungsanlage (im Aloha sind zwei Anlagen für die zwei Hallenteile installiert) sich noch gute Schichtungen in der ganzen Halle einstellen, ohne dass es zu lokalen Überschreitungen kommt.
Auch die Regelung der Anlagen musste natürlich auf das neue Luftführungssystem angepasst werden, und hier wurde ein besonderer Trick angewendet. Denn bei vielen RLT-Anlagen kennt man zwar Temperatur und Volumenstrom, der tatsächliche Außenluftanteil ist aber unbekannt. Er wird über eine Umluftklappe eingestellt, deren Kennlinie aber nicht eingemessen wird. 30 % Klappenstellung bedeutet eben nicht 30 % Volumenstrom, es können auch 60 % oder 70 % sein.
Im Aloha wurden dafür zusätzlich thermische Anemometer in den Außenluftkänalen montiert, die in der Lage sind, den Außenluftvolumenstrom direkt zu messen. Damit konnten zwei unabhängige Regelkreise aufgebaut werden:
Ein Temperaturregler, der Zuluftvolumenstrom und Zulufttemperatur als Kaskadenregler beeinflusst. Der Regler ändert dabei nur die Sollwerte der bisherigen Anlagenregelung.
Ein Feuchteregler regelt den Außenluftanteil über die Stellung der Bypass-Klappen. Hierzu kann er auf den gemessenen Außenluftvolumenstrom zugreifen.
Beide Regler arbeiten weitgehend unabhängig voneinander, in der Regel bestimmt der Temperaturregler den Zuluftvolumenstrom, der Feuchteregler den Außenluftvolumenstrom. Nur wenn der Außenluftbedarf höher ist als der Zuluftvolumenstrom kann der Feuchteregler die Führung übernehmen.
Eigentlich ist das Konzept nicht kompliziert, dennoch mussten alle Ingenieure zusammen an einen Tisch kommen, um es sauber umzusetzen. In einem ausführlichen MSR-Workshop wurden daher die Konzepte mit allen Beteiligten besprochen und bis hin zum einzelnen Fühler abgestimmt. Dabei wurden nicht nur die TGA-Ingenieure und Regelungstechniker mit einbezogen, es waren zeitweise auch Vertreter des Betreibers und Mitarbeiter des Badebetriebes anwesend, die so viel über die Besonderheiten „Ihrer“ Anlage lernen konnten.
Seit gut eineinhalb Jahren ist das „neue“ Aloha Aqualand nun in Betrieb, mit Außentemperaturen zwischen –4 °C und +38 °C bot das Wetter Gelegenheit, das neue Lüftungssystem unter allen Bedingungen zu testen. In der Planungsphase hatte es einige Bedenken gegeben, ob denn die Schichtlüftung in einem gegebenen Gebäude überhaupt funktionieren kann. Diese Bedenken haben sich aber als gegenstandslos erwiesen.
Die Umsetzung der Regelstrategie stellte sich als unerwartet robust heraus (Abb. 4). Obwohl die Halle fast 400 m² Verglasung hat, die zeitweise einen erheblichen Wärmeeintrag bringen, und obwohl zudem auch eine Ninja-Anlage montiert wurde, die einige Unruhe in den Betrieb bringen kann, fährt die Anlage die Raumtemperatur „wie auf Schienen“. In den ersten Monaten des Jahres 2026 mit den entsprechenden jahreszeitlichen Schwankungen der Außentemperatur, schwankten die Lufttemperaturen in Kopfhöhe der Bademeister um weniger als +/– 0,2 K. Der Unterschied zwischen beiden Hallenteilen, die im Diagramm dargestellt sind, ist nach aller Voraussicht auf die Kalibrierung der Fühler zurückzuführen. Offensichtlich kann die Anlage, die synchron die Zulufttemperatur und den Volumenstrom anhebt, die schwankenden Lasten extrem gut ausregeln.
Seitens des Nutzers wird das Hallenklima durchweg als positiv beurteilt. Dazu trägt auch die sehr gute Fassade mit Dreifachverglasung bei, die einen u-Wert von 0,6 W/m²K erreicht. Trotz der sehr großen Glaselemente mit über 4 m Höhe treten keinerlei Beschwerden über Zugerscheinungen an der Fassade auf.
Energetisch gehört das Bad heute mit einem Wärmeverbrauch von unter 2000 kWh/m²a Beckenwasserfläche zu den besten im Lande. Eine Auswertung der Stromverbräuche ist schwierig, da im Bad noch eine Saunalandschaft angeschlossen sind, deren Verbräuche nicht separat gezählt werden. Sicher ist allerdings, dass die RLT-Anlagen wenig zum Verbrauch beitragen. Aus den Betriebsdaten konnte immerhin ermittelt werden, dass die Ventilatorarbeit keinen wesentlichen Anteil am Energieverbrauch hat: Die RLT-Anlagen verursachen nur ca. 6 % des Gesamtstromverbrauches der Halle.
Von Interesse ist ggf. noch die Aufteilung der Energieverbräuche, soweit diese aus den Monitoring-Daten zuverlässig abzuleiten waren. Hier wurde eine Aufteilung der Wärmeverbräuche ermittelt (vgl. Tab. 1).
Die Aufteilung der Verbräuche ist lediglich als Anhaltswert zu verstehen und kann in anderen Bädern mit anderen Randbedingungen erheblich abweichen. Nicht berücksichtigt sind z. B. die Aufwendungen für die Belüftung der Umkleidebereiche.
Von Dr.-Ing. Eckehard Fiedler, I.F.I. Institut für Industrieaerodynamik GmbH
[1] Bayrisches Landesamt für Umwelt: Energieeffizienz in Schwimmbädern, April 2012
[2] https://mf-dienstleistung.de/so-viel-kostet-der-bau-und-betrieb-eines-kleinen-hallenbads/
[3] conPro GmbH: Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zum Neubau eines Hallenbades in Hüttenberg. Dezember 2021
[4] Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, Neubau oder Sanierung, Niederkrüchten, Juli 2022
[5] https://ratsinfo.meerbusch.de/: -Sanierung Hallenbad Meerbusch, hier: Baubeschluss 2016.
[6] Südkurier: Badespaß wird teurer, 21.02.2020
[7] Passivhaus-Institut: Passivhaus-Konzept für Hallenbäder, Juni 2018
[8] Kostendeckung in Hallenbädern, https://www.dgfdb.de/fileadmin/user_upload/Langzeittrends_oeffentlicher_Baeder_in_Deutschland_2014.pdf
[9] DGfdB-Befragung „Schwimmbadkennzahlen 2022“, https://www.dgfdb.de/unsere-themen/news/details/erste-ergebnisse-der-dgfdb-befragung-schwimmbadkennzahlen-2022
1 Die Grenzwerte der VDI 2089 stammen aus einer Zeit, als in Hallenbädern noch deutlich niedrigere Temperaturen üblich waren. Der Schnittpunkt der beiden Feuchtegrenzen liegt bei einer Lufttemperatur von 26,5 °C. Bei einer Lufttemperatur von 32 °C entspricht eine absolute Feuchte von 14,3 g/kg nur noch einer relativen Feuchte von 42 %. Um den heute deutlich höheren Wassertemperaturen Rechnung zu tragen wurde mit der letzten Überarbeitung der VDI 2089 eine Anhebung der Feuchte bis 17,2 g/g zugelassen, was bei 34 °C gerade einer relativen Feuchte von 50 % entspricht.
