Monitoring und Betriebsoptimierung beim Freizeitbad Kelsterb

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KRessourcenschonende baulich-technische Konzepte bei
Schwimmbädern:
Monitoring und Betriebsoptimierung beim
Freizeitbad Kelsterbach
Forschungsvorhaben: 0327431K
Gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie aufgrund
eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
Ausführende Stelle
Technische Universität Darmstadt
Fachbereich Bauingenieurwesen und Geodäsie
Institut für Massivbau
Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen
Petersenstr. 12
64287 Darmstadt
Berichtsdatum:
Anzahl der Seiten:
Anlagen:
31.01.2013
77
keine
Die Verantwortung für den Inhalt dieser Veröffentlichung liegt beim Autor.
Projektleiter:
Projektbearbeitung:
Technische Universität Darmstadt
Institut für Massivbau
Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen
Prof. Dr.-Ing. Harald Garrecht
Petersenstraße 12
64287 Darmstadt
Telefon
Fax
+49(0)6151/162244
+49(0)6151/165344
www.wib-tud.de
Dipl.-Ing. Mirko Klein
Dipl.-Ing. Simone Reeb
Inhaltsverzeichnis
Abbildungsverzeichnis ........................................................................................................................................ 1
1
Einleitung / Projektziele .............................................................................................................................. 5
2
Monitoring .................................................................................................................................................. 8
2.1
3
Grundlagen ........................................................................................................................................ 8
Energiebedarf...........................................................................................................................................11
3.1
Grundlagen ...................................................................................................................................... 11
4
Wärmebedarf - RLT1 + 2, Schwimmbecken und stat. Heizungen...........................................................13
5
Betrieb der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle ...................................................................19
6
Betrieb der raumlufttechnischen Anlage im Umkleidebereich .................................................................29
7
Strömungssimulation ...............................................................................................................................37
8
7.1
Grundlagen ...................................................................................................................................... 37
7.2
Folienkissenelement ........................................................................................................................ 38
7.3
Schwimmhalle ................................................................................................................................. 46
7.4
Einfluss der Weitwurfdüsen und des Abluftturms............................................................................ 54
Behaglichkeit für Besucher und Mitarbeiter .............................................................................................54
8.1
Grundlagen ...................................................................................................................................... 54
8.2
Behaglichkeitsberechnungen für die Schwimmhalle ....................................................................... 56
9
Gebäudesimulation mit IDA ICE ..............................................................................................................60
10
Energetische Ist-Situation der Kostentreiber ...........................................................................................61
11
Energetisches Optimierungspotenzial - Maßnahmenkatalog ..................................................................62
12
Anhang 1 - Schematische Darstellung der RLT-Schwimmhalle und der RLT Umkleide/Foyer [] ...........64
13
Anhang 2 - Geplanter Regelkreis für die RLT1 - Schwimmhalle [6] ........................................................65
14
Anhang 3 - Geplantes Regelschema für RLT - Umkleide/Foyer [6] ........................................................66
15
Anhang 4 - BacNet-Datenpunkte .............................................................................................................67
16
Literatur ....................................................................................................................................................74
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1
links: Ostansicht der Schwimmhalle rechts: Schwimmhalle mit Freigelände
Abbildung 2
Verringerung des Primärenergiebedarfs
konventionellen Basisfall
Abbildung 3
links: Dachkonstruktion auf Holzleimbinder mit Folienkissendach
des Hallenbadbereichs mit öffenbarem Mittelteil
Abbildung 4
Schwimmhalle mit geöffnetem Dach
Abbildung 5
Sensoranordnung in der Schwimmhalle (oben) und im Umkleidekabinenbereich (unten)
Holzbinder in der Schwimmhalle werden von rechts nach links beginnend mit Binder 1
bezeichnet.
10
Abbildung 6
Berechneter Energiebedarf verschiedener technischer Systeme des Schwimmbades
12
Abbildung 7
Planwärmebedarf / realen Wärmebedarf (November 2011 bis November 2012)
12
Abbildung 8
Energiebedarf RLT1 (Schwimmhalle) - Soll-Ist-Vergleich
13
Abbildung 9
Energiebedarf RLT2 (Umkleide, Foyer, Sauna, Gastronomie, Küche)
13
Abbildung 10
verschiedener
Dienste
gegenüber
5
dem
5
rechts: Folienkissendach
6
7
Gegenüberstellung - Jahresenergiebedarf Ist/max. der verschiedenen RLT2-Komponenten
14
Abbildung 11
Energiebedarf der statischen Heizsystem - Soll-Ist-Vergleich
15
Abbildung 12
Energiebedarf Schwimmbecken - Soll-Ist-Vergleich
16
Abbildung 13
Luftvolumenstrom des Abluftventilators / Wärmeenergiebedarf am 06. Oktober 2012 bei Tag/Nachtbetrieb der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle
17
Abbildung 14
Luftvolumenstrom des Abluftventilators / Wärmeenergiebedarf am 12. Oktober 2012 bei
Dauerbetrieb der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle
17
Abbildung 15
RLT1 – monatliches Einsparpotenzial im Winterlastfall bei Tag-/Nachtbetrieb
18
Abbildung 16
RLT1 – monatliches Einsparpotenzial im Sommerlastfall bei Tag-/Nachtbetrieb
18
Abbildung 17
Luftführung bei Umluftbetrieb Heizen
19
Abbildung 18
Luftführung beim Umluftentfeuchten
19
Abbildung 19
Luftführung beim Entfeuchten mit Außenluft
19
Abbildung 20
Luftführung im Sommerbetrieb
20
Abbildung 21
Schematische Darstellung der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle (RLT1)
20
Abbildung 22
Ablufttemperatur an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
21
Abbildung 23
Abluftfeuchte an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
21
Abbildung 24
Volumenstrom Abluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
22
Abbildung 25
Volumenstrom Zuluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
22
Abbildung 26
Stellung der Außenluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 22
Abbildung 27
Stellung der Fortlufklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
23
Abbildung 28
Stellung der Abluftbypassklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
23
Abbildung 29
Stellung der Reku-Bypass-Klappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
23
Abbildung 30
Stellung der Abluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
24
Abbildung 31
Stellung der Umluftklappe heizen an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
24
Abbildung 32
Ventilstellung des PWW-Ventils an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 24
Abbildung 33
Zulufttemperatur hinter der PWW an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperaturl
25
Abbildung 34
Ablufttemperatur an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
26
Abbildung 35
Abluftfeuchte an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
26
Abbildung 36
Volumenstrom der Abluft an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
26
Abbildung 37
Volumenstrom der Zuluft an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
27
Abbildung 38
Stellung der Außenluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 27
Abbildung 39
Stellung der Fortluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 27
Abbildung 40
Stellung der Abluftbypassklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
28
Abbildung 41
Stellung Reku-Bypass-Klappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
28
Abbildung 42
Stellung Umluftklappe heizen an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 28
Abbildung 43
Stellung des PWW-Ventils an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außenlufttemperatu
29
Abbildung 44
Zulufttemperatur an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
29
Abbildung 45
Luftführung im Umluftbetrieb
29
Abbildung 46
Luftführung im Winter
30
Abbildung 47
Luftführung zur Entfeuchtung in der Übergangszeit
30
Abbildung 48
30
Abbildung 49
Schematische Darstellung der RLT-Anlage für den Umkleidebereich und das Foyer
31
Abbildung 50
31
Abbildung 51
Volumenstrom der Abluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
32
Abbildung 52
Volumenstrom der Zuluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
32
Abbildung 53
Stellung der Außenluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 32
Abbildung 54
Stellung der Fortluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 55
33
Stellung Außenluftbypassklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
33
Abbildung 56
Stellung des PWW-Ventils an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
33
Abbildung 57
Zulufttemperatur an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
34
Abbildung 58
34
Abbildung 59
35
Abbildung 60
35
Abbildung 61
Stellung der Fortluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 35
Abbildung 62
36
Abbildung 63
Stellung der Außenluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 36
Abbildung 64
Stellung des PWW-Ventils an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur 36
Abbildung 65
37
Abbildung 66
links: Anschlussbereich von Folienkissenelementen mit Druckluftversorgung rechts: Ansicht
des Folienkissendaches aus der Schwimmhalle
38
Abbildung 67
Schnitt durch das Volumennetz des Membrankissenelementes, die farbigen Bereiche
differenzieren die Luftschichten und das innere Raumluftvolumen.
39
Abbildung 68
Temperaturverteilung im Längsschnitt und raumseitige Membranfolientemperatur eines
Elementes bei einer Neigung von 18° (Lage des Temperatursensors - Klimamonitoring) 40
Abbildung 69
Temperaturverteilung im Querschnitt durch die Luftschichten eines Kissenelementes mit
einer Neigung von 18° (Lage der Temperatursensoren - Klimamonitoring)
40
Abbildung 70
Außentemperaturen im Februar 2012
41
Abbildung 71
Volumenstrom Zuluftventilator aus GLT
41
Abbildung 72
Ablufttemperaturen aus der GLT
42
Abbildung 73
Lufttemperaturen 10 cm unterhalb der Holzleimbinder - Klimamonitoring
42
Abbildung 74
Temperaturverteilung im Luftkissenelement Richtung Freigelände im Februar 2012
Neigung 18°
43
Abbildung 75
Temperaturverteilung im Luftkissenelement Richtung Kabinen im Februar 2012 Neigung 70°
44
Abbildung 76
Deckenkonstruktion mit Holzbindern und Stahlträgern für die Folienkissenelemente
44
Abbildung 77
Gegenüberstellung der Taupunkttemperatur und der Oberflächentemperaturen auf der
Stahlkonstruktion der Luftkissenelemente an Binder 3
45
Abbildung 78
Verteilung der max. Strömungsgeschwindigkeiten im Querschnitt durch die Luftschichten 45
Abbildung 79
links: vereinfachtes Raummodell
rechts: detailliertes Raummodell
46
Abbildung 80
links: erzeugtes Volumennetz der Schwimmhalle
raumlufttechnischen Systemkomponenten
Abbildung 81
Beispielergebnis der FEM-Analyse eines Folienkissenelementes mit der WärmebrückenSoftware flixo professional
47
Abbildung 82
Temperaturverteilung der Schwimmhalle in verschiedenen Höhenlagen für die Lastfälle
Sommer und Winter
49
Abbildung 83
Klimatische Verhältnisse beim Sportbecken unter winterlichen
(Dach geschlossen) aus Klimamonitoring
Abbildung 84
Klimatische Verhältnisse im Abluftkanal bei winterlichen
geschlossen) aus GLT
Abbildung 85
Klimatische Verhältnisse beim Sportbecken unter sommerlichen Witterungsverhältnissen
(Dach geöffnet/geschlossen) aus Klimamonitoring
51
Abbildung 86
Klimatische Verhältnisse im Abluftkanal bei sommerlichen Witterungsverhältnissen (Dach
geöffnet/geschlossen) aus GLT
51
Abbildung 87
Strömungsverteilung der Schwimmhalle in verschiedenen Höhenlagen für die Lastfälle
Sommer und Winter
52
Abbildung 88
Strömungsverhältnisse beim Sportbecken bei winterlichen Witterungsverhältnissen (Dach
geschlossen) aus Klimamonitoring
53
Abbildung 89
Strömungsverhältnisse beim Sportbecken bei sommerlichen Witterungsverhältnissen (Dach
geöffnet/geschlossen) aus Klimamonitoring
53
Abbildung 90
rechts: Volumennetz im Bereich der
46
Witterungsverhältnissen
50
Witterungsverhältnissen (Dach
50
Strömungslinien zur Bewertung des Einflusses des Abluftturmes in der Schwimmhalle
54
Abbildung 91
Vorausgesagter Prozentsatz der mit dem Raumklima unzufriedenen Raumnutzer (PPD) in
Abhängigkeit von der vorhergesagten mittleren Klimabeurteilung (PMV) durch alle
Raumnutzer
55
Abbildung 92
Operative Raumtemperaturen für PPD < 10% und PPD < 15% in Anlehnung der relativen
Luftfeuchte an VDI 2089 und einer Luftströmung von 0,1 m/s
56
Abbildung 93
57
Abbildung 94
Strömungsverhältnisse an der Glasfront bei Binder 8 am Wellnessbecken im Dezember
2010 ( RLT im Volllastbetrieb)
57
Abbildung 95
Klimatische Verhältnisse 10 cm unterhalb von Binder 8 am Wellnessbecken im Dezember
2010 (behagliche Temperaturverhältnisse PPD < 15% - blau hinterlegt)
58
Abbildung 96
Klimatische Verhältnisse 10 cm unterhalb von Binder 8 am Wellnessbecken im 12.06 2011
(Dach zeitweise geöffnet - blau hinterlegt, behagliche Temperaturverhältnisse PPD < 15%
orange hinterlegt)
58
Abbildung 97
Strömungsverhältnisse an der Glasfront bei Binder 8 am Wellnessbecken am 12.06.2011
(Dach zeitweise geöffnet - blau hinterlegt)
59
Abbildung 98
59
Abbildung 99
Primärenergiebedarf der Schwimmhalle in Abhängigkeit der Raumluftfeuchte
Abbildung 100 Behaglichkeitsdiagramm bei energieoptimierter relativer Raumluftfeuchte
r. F. = 64 %, v = 0,3 m/s)
60
(T = 30 °C;
62
1 Einleitung / Projektziele
Ziel der Planungen aller bau- und anlagentechnischen Maßnahmen des neuen Freizeitbades der Stadt
Kelsterbach war es, ein zeitgemäßes, ansprechendes und vor allem energieeffizientes Gebäude zu entwickeln (Abbildung 1). Den besonderen Anforderungen an das Raumklima in Schwimmhallen ist zumeist ein
hoher Energieverbrauch geschuldet, der deutlich über dem anderer Nicht-Wohngebäude liegt. Im Vergleich
zu Wohn- oder Bürogebäuden sind zudem nur wenige innovative Maßnahmen bekannt, mit denen sich der
Energieverbrauch in Schwimmbädern nachhaltig reduzieren lässt. Hieraus kann die Notwendigkeit abgeleitet
werden, das energetische Verhalten von Bädern genauer zu untersuchen, um diverse Maßnahmen hinsichtlich ihres Beitrags zur Energieeffizienzsteigerung herauszuarbeiten und zu erproben, um diese zielsicher
auch auf künftige Projekte übertragen zu können.
Abbildung 1
links: Ostansicht der Schwimmhalle
rechts: Schwimmhalle mit Freigelände
Zahlreiche energiesparende Maßnahmen wurden in der neuen Schwimmhalle realisiert. So beispielsweise
eine hochwärmegedämmte Außenhülle, wie auch eine äußerst effiziente Wärmerückgewinnung. Entsprechend wurde ein ausgefeiltes Maßnahmenkonzept entwickelt, mit dem im Vergleich zu üblichen neuen
Schwimmhallen in der Bilanzierung 50 % des Primärenergieeinsatzes eingespart werden können (Abbildung
2).
Abbildung 2
Verringerung des Primärenergiebedarfs verschiedener Dienste gegenüber
dem konventionellen Basisfall
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Um dieses Ziel erreichen zu können, waren Bauherr und Betreiber neben den bau- und anlagentechnischen
Maßnahmen von Beginn an auch an einem optimalen Betrieb des Schwimmbades und seiner technischen
Anlagen interessiert. Mit Hilfe der EnOB-Förderung des Forschungsvorhabens wurde daher über einen Zeitraum von mehr als zwei Jahren die Wirksamkeit der umgesetzten Maßnahmen zur Energieeffizienzsteigerung analysiert und energieoptimierte Betriebsweisen der komplexen Anlagentechnik herausgearbeitet. Über
das reine Energiemonitoring der Gebäudeleittechnik (GLT) hinaus wurde seitens der Technischen Universität Darmstadt ein ergänzendes Sensornetzwerk zum Klimamonitoring realisiert, mit dem die zur Bewertung
der Raumluftverhältnisse erforderlichen Raumklimagrößen unter Berücksichtigung des jahreszeitlichen Badebetriebs erfasst werden. Insgesamt umfasst die ergänzende Messtechnik dabei mehr als 120 Sensoren,
die in verschiedenen Raumbereichen und Höhenlagen der Schwimmhalle im minütlichen Abstand die raumseitigen Luft- und Oberflächentemperaturen, relativen Luftfeuchten, Luftströmungen, Intensitäten der Strahlung (Global, UVA und UVB), CO2, etc. mittels rechnergestütztem Messsystem erfassen.
Soll ein Freizeit- und Wellnessbad wirtschaftlich betrieben werden, ist es nicht alleine ausreichend Energie
einzusparen. Gleichermaßen gilt es hier, den Badegästen auch einen hohen Komfort und einen angenehmen Aufenthalt bei möglichst geringem Energieaufwand bieten zu können. Entsprechend müssen die vielfältigen anlagentechnischen Komponenten für den Betrieb der Schwimmbad-, Sauna-, Wellness-, und Gastronomiebereiche in optimaler Weise zusammenspielen, bzw. sind diese so zu regeln, dass selbst unter widrigen Witterungsverhältnissen und hohen Besucherzahlen die Nutzungsanforderungen energieeffizient erfüllt
werden können. In großvolumigen Räumen wie einer Schwimmhalle bestimmen die Temperatur-, Feuchteund Luftströmungsverhältnisse infolge konvektiver Vorgänge die Behaglichkeit, die nach DIN EN ISO 7730
[1] oder ähnlichen Verfahren nur schwer bewertet werden kann. Aus diesem Grund wurden im Rahmen des
Forschungsvorhabens neben dem Energie- und Klimamonitoring auch rechnerische Untersuchungen zu den
Raumluftverhältnisse mittels CFD-Simulation durchgeführt. Hierbei galt es die Raumluftströmungs- und
Temperaturverhältnisse zu analysieren und zu bewerten. Zusätzlich sollen auch baukonstruktive Detaillösungen, wie bspw. die Folienkissenelemente des Daches, auf ihr bauphysikalisches Verhalten unter den
extremen Randbedingungen eines Schwimmbadbetriebs untersucht werden.
Als eine Besonderheit des neuen Hallenbades kann die Dachkonstruktion auf Holzleimbindern mit einer
Überdeckung in Form von Folienkissen als Hüllelement genannt werden (Abbildung 3). Das Folienkissendach lässt die Schwimmhalle im Innern sehr hell und lichtdurchflutet erscheinen. Die Folienkissenelemente
selbst bestehen aus drei, durch transparente Membrane getrennte Druckluftschichten.
Abbildung 3
links: Dachkonstruktion auf Holzleimbinder mit Folienkissendach
rechts: Folienkissendach des Hallenbadbereichs mit öffenbarem Mittelteil
In einem Teilbereich der Schwimmhalle, in dem sich das Kinderbecken befindet, kamen beschichtete Folien
zum Einsatz, um den Eintrag schädigender UV-Strahlung zu reduzieren. Wesentliches Merkmal des Daches
ist aber, dass das mittlere Drittel der Dachkonstruktion verfahrbar ausgebildet wurde, um einen beträchtlichen Teil der Dachfläche während der sommerlich warmen Schönwetterperioden öffnen zu können
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(Abbildung 4). Dadurch nimmt das Hallenbad aus Sicht der Nutzer einen Freibadcharakter an. Als energetischer Aspekt kann in dieser Zeit ein großer Teil der ansonsten für die Luftaufbereitung und Belüftung erforderlichen Energie eingespart werden. Aus bauphysikalischer Sicht interessant ist das thermische Verhalten
der Folienkissenkonstruktion, die insbesondere unter diesen extremen Randbedingungen noch nicht ausreichend erforscht ist. Hier ist es vor allem die Wärmebrückenproblematik im Bereich des Anschlusses der
Folienkissen an die Trägerkonstruktion, die wärme- und feuchtetechnisch zu überprüfen ist. Obgleich die
Metallprofile als Anschlussdetail flächenmäßig nur 5-10 % der Dachfläche einnehmen, dürfte der hohe UWert im Bereich des Profils und der hier zusammenlaufenden Folienlagen einen maßgeblichen Einfluss auf
das Transmissionswärmeverhalten des Folienkissendaches haben. Zudem galt es, die Gefährdung der
Dachkonstruktion durch Tauwasserausfall und Korrosion der Profile zu untersuchen. Zwar wurden zusätzliche Kondensatablaufrinnen beim Bau montiert, doch könnte Bedarf auch in einer Optimierung des Betriebs
der Lüftungsanlage dahingehend optimiert werden, dass Tauwasserlasten vermieden werden können. Völlig
ungekannt sind die Auswirkungen der Öffnung des mittleren Drittels der Dachkonstruktion auf die Behaglichkeit der Badegäste im Innern der Schwimmhalle. Hier sollten das Monitoring und die CFD-Simulation weiterführende Erkenntnisse liefern, um die nutzerspezifischen, energetischen und anlagenspezifischen Belange
bei einer Teilöffnung des Daches zuverlässig bewerten zu können.
Abbildung 4
Schwimmhalle mit geöffnetem Dach
Im Rahmen des Vorhabens sollen grundlegende Untersuchungen zur Bilanzierung des Energieverbrauchs
beim Betrieb des Schwimmbades vorgenommen werden. Das ergänzend zum über 300 Sensoren und Zähler umfassenden Netzwerk der GLT adaptierte Netz von 120 Sensoren zur Charakterisierung der Temperatur-, Feuchte- und Strömungsverhältnisse innerhalb der Schwimmhalle soll eine differenzierte Bewertung
aller Energieflüsse aber auch Raumluftzustände in verschiedenen Raum- und Nutzbereichen des Bades
ermöglichen. Mittels rechnergestützter Visualisierung werden die von der GLT ausgelesenen, sowie auch die
im ergänzenden Monitoring erfassten Daten in anschaulicher Weise dargestellt und weiter bearbeitet, so
dass eine umfassende Bewertung aller Energieumsätze ermöglicht wird. Die Analyse aller Messdaten soll
dann genutzt werden, mögliche Energieeinsparpotenziale durch einen optimierten Betrieb der anlagentechnischen Komponenten ohne Komfortverlust herauszuarbeiten. Diese Informationen werden dann an die GLT
übergeben, um entsprechende Regelkreisanpassungen vornehmen zu können. Mit den Erkenntnissen aus
dem Monitoring wie auch der Simulation soll das komplexe Zusammenwirken der anlagentechnischen Komponenten optimiert werden, mit denen ein energieoptimierter Betrieb des Bades bei Wahrung hoher Komfortansprüche erreicht werden kann.
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Das Projektziel sieht daher die Erarbeitung eines Maßnahmenkataloges vor, der abhängig der sich im Jahres- und Tagesgang stets verändernden Witterungsverhältnisse unter Berücksichtigung der baukonstruktiven und anlagentechnischen Ausgestaltung des innovativen Freizeitbades, einen ökonomisch sinnvollen und
behaglichen Schwimmbadbetrieb gewährt. Nicht zuletzt sollen dabei auch mögliche Gefährdungen schwieriger Bauteilanschlüsse, so z. B. im Bereich des Dachanschlusses der Folienkissen durch einen kontrollierten
und optimierten Betrieb der Anlagen unterbunden werden.
2 Monitoring
2.1
Grundlagen
Mit Blick auf das ENOB-Vorhaben wurde ein zweistufiger Ausbau der Mess- und Regeltechnik im Freizeitbad
Kelsterbach vorgesehen. So wurde zur Optimierung des Anlagenbetriebs, zur langfristigen Kontrolle eines
energieoptimierten Betriebs und zur Sicherstellung hinreichender Raumluftverhältnisse eine umfangreiche
Anzahl von Sensoren und Zählern für den energie- und nutzungsoptimierten Betrieb des Bades fest installiert. Außerdem wurde eine weit über den üblichen Standard hinausgehende Zahl an Energiezählern (Wärme und Strom) sowie Wassermengenzähler installiert. Alle fest installierten Sensoren und Zähler wurden auf
die GLT aufgeschaltet. Über das in das Gebäudeleitkonzept zu integrierende Sensor- und Zählernetzwerk
hinaus wurde seitens der TU Darmstadt ein rechnergestütztes funk- und kabelbasiertes Messsystem ergänzt, um mittels Klimamonitoring eine differenzierte Erfassung und Bewertung der Raumluftverhältnisse in
den verschiedenen Raumbereichen des Schwimmbades über den gesamten Projektzeitraum hinweg vornehmen zu können.
Beide Messdatenerfassungssysteme, das in der Gebäudeleittechnik integrierte und das ergänzende Monitoringsystem der TU Darmstadt, sollten im Rahmen des Vorhabens eine hinreichende Datenbasis schaffen,
um die Betriebsweise der diversen anlagentechnischen Komponenten sowohl mit Blick auf eine nachhaltige
Reduzierung des Energiebedarfs, als auch hinsichtlich einer Steigerung der Behaglichkeit durch optimal
aufeinander abgestimmte Betriebszustände zu gewährleisten. Ursprüngliches Ziel war es, durch den steten
Vergleich und die energetische Bewertung alternativ möglicher Betriebsphasen z.B. des Öffnens oder
Schließens des Folienkissendaches versus anlagentechnische Belüftung und Luftentfeuchtung der
Schwimmhalle, eine stete Verbesserung des Betriebs in Richtung eines besonders energieeffizienten Badebetriebs zu erzielen.
Um die umfangreiche Zahl an Sensoren und Zähler, die mit beiden Monitoringsystemen (GLT und TU Darmstadt) in der Schwimmhalle, im Umkleidebereich, im Saunabereich, in der Gastronomie wie auch in den
technischen Anlagenkomponenten in möglichst kurzen Zeitabständen von wenigen Minuten abrufen, erfassen, speichern und bewerten zu können, wurde im Rahmen des EnOB-Vorhabens parallel des Gebäudeleitrechners ein Messdatenerfassungsrechner seitens der TU Darmstadt installiert. Über eine geeignete Interfacesoftware können alle Daten der GLT ausgelesen und in einer eigenen Datenbank abgelegt werden, so
dass sich im Zuge der Betriebsoptimierung alle gespeicherten Messdaten für eingehendere Untersuchungen
nutzen lassen, um abhängig der sich von Witterung und Badnutzung einstellenden Betriebsweisen überprüfen zu können. Lassen sich bei der Bewertung weitere Energieeinsparpotenziale aus diesen Daten ableiten,
sollten Software- und Parameteranpassungen auf Gebäudeleitebene vorgenommen werden.
Seitens der TU Darmstadt wurde ein kabelbasiertes Messwert-Erfassungssystem zum Einsatz gebracht, das
an der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft entwickelt und bislang in mehr als 50 Vorhaben mit je
100 bis 1400 Sensoren erfolgreich installiert wurde. Ziel ist es dabei, die vielfältigen Informationen des
Messsystems mit denen der GLT zu verknüpfen, um eine hinreichende Datenbasis verfügbar zu haben, mit
der die Auswirkungen des Betriebs der diversen anlagentechnischen Komponenten im Hinblick einer nachhaltigen Reduzierung des Energiebedarfs, als auch der Sicherstellung hoher Komfortansprüche für die Besucher der Schwimmhalle und der Saunabereiche untersucht werden können.
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Sollten sich Defizite oder Verbesserungsmöglichkeiten feststellen lassen, so das ursprüngliche Ziel des Monitoringprojektes, könnten aus diesen Feststellungen heraus jene Optimierungspotenziale herausgearbeitet
werden, mit denen der anlagentechnische Betrieb effizienter und besser aufeinander abgestimmt vorgenommen werden könnte.
Zur Bewertung der Behaglichkeitsverhältnisse in den verschiedenen Raumbereichen von Schwimmhalle,
Umkleide, Gastronomie und Saunabereichen werden im Wesentlichen die Temperaturen und die relativen
Feuchten von Raum- und Außenluft gemessen. Zusätzlich werden an weiteren Positionen im Bereich der
Glasfassade, an der gegenüberliegenden Wand unmittelbar im Nahfeld der beheizten Sitz- und Ruhebänke
und im Umfeld der Gastronomie die Strömungsgeschwindigkeiten der Luft erfasst, um so die Folgen des
Betriebs der raumlufttechnischen Anlagen oder auch die Einflüsse auf das Raumklima beim Öffnen und
Schließen des verfahrbaren Folienkissendaches beobachten und bewerten zu können. Insgesamt wurden
120 Sensoren im ergänzenden TU Darmstadt-Monitoringkonzept in den vorgenannten Raumbereichen installiert. Hiervon sind 80 Sensoren im Nahfeld von 20 in der Schwimmhalle angeordneten Beobachtungsstellen angeordnet. Einen Überblick über die Positionierung der Sensoren im Bereich der Schwimmhalle und der
Umkleidekabinen gibt Abbildung 5. Damit die attraktive Innenraumarchitektur der Schwimmhalle nicht negativ beeinflusst wird, befinden sich die Sensoren entweder nur im Randbereich der Schwimmhalle oder sind
unterhalb der Holzträger bzw. an den Stahlprofilen der Dachkonstruktion fixiert.
Deutlich komplexer und schwieriger erwies sich der Zugriff auf all jene Messdaten, die in der Gebäudeleittechnik aufgeschaltet sind. Hier war es lange nicht möglich, die bauseits vom vertraglich verantwortlichen
Auftragnehmer zugesicherten Daten über das vorhandene Netzwerk an den Monitoringrechner der TU
Darmstadt in Form von ASCII-Daten zu übertragen. Nachdem sich über eine längere Zeit des Verharrens
der Projektidee keine erkennbaren Verbesserungen eingestellt haben, bemühte sich die TU Darmstadt
selbst, eine geeignete Schnittstelle zu den laufenden bzw. den bevorstehenden Arbeiten zu schaffen. Entsprechend wurde eine geeignete Software auf dem Markt identifiziert, mit der nach Fertigstellung der Installation und mit der Aufnahme des Betriebs des Gebäudes ein optimierter Anlagenbetrieb und damit eine hohe
Energieeffizienz des Betriebs der Gebäude nachgewiesen werden kann.
Die Anbindung des auch für das Klimamonitoring genutzten PC’s (Master-PC) an die GLT erfolgte mittels
eines sog. BacNet OPC Servers, der eine Kopplung des Master-PC mit dem Leitrechner der GLT erforderte.
Da sich diese beiden PC’s nicht im gleichen Netzwerk befinden, konnte die Anbindung nur über den im Gebäude eingesetzten Router realisiert werde, wobei auch hierzu insbesondere in den Anfangsphasen diverse
Probleme bestanden, beispielsweise die, dass der eingesetzte Router keine Broadcast-Nachrichten zulässt.
Daher musste ein BBMD (BacNet Broadcast Management Device) eingesetzt werden, das die von den
BacNet-Geräten ausgesendeten Broadcast-Nachrichten in „normale“ TCP/IP-Datenpakete verpackt und
diese im Master-PC wieder in Broadcast-Telegramme umwandelt, welche dann ausgewertet werden können.
Vor dem Einsatz des BBMD war jedoch die Installation und Konfiguration einer Serversoftware (BacNet OPC
Server) der Firma „mb“ auf dem Master-PC im Technikbereich erforderlich. Diese ermöglichte es, die
BacNet-Geräte im Gebäude anzusprechen und somit beispielsweise die Schaltzustände von Ventilen, die
Stellung von Zu- und Abluftklappen etc. und die sich im Freizeitbad, von der GLT zur Steuerung der klimatischen Verhältnisse zu nutzten, um die Messdaten der Temperatursensoren einsehen zu können. Da im
Rahmen des Forschungsprojekts diese Daten (Anhang 4 - BacNet-Datenpunkte) nicht nur einzusehen, sondern auch auf dem Master-PC zu archivieren sind, sollten die hierzu notwendigen Programmapplikationen
auf dem Master-PC installiert werden.
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Abbildung 5
Sensoranordnung in der Schwimmhalle (oben) und im Umkleidekabinenbereich (unten)
Holzbinder in der Schwimmhalle werden von rechts nach links beginnend mit
Binder 1 bezeichnet.
Da seitens der TU Darmstadt nur die Daten aus der GLT eingesehen werden können, die vom Betreiber der
GLT freigegeben werden, zeigte sich im Laufe des Forschungsvorhabens fortwährend, dass nicht alle notwendigen Daten zugänglich gemacht werden. Da sich die Zusammenarbeit mit der für raumlufttechnische
Anlagen verantwortlichen Firma als äußerst schwierig gestaltet, müssen auch eine Reihe weiterer Fragen
geklärt werden:

Datenverlust durch Absturz der GLT und somit der Verbindung zwischen MasterPC und GLT

Wärmemengenzähler batteriegestützt ausgerüstet, daher max. 1 Wert pro Tag verfügbar

Falsche Faktorierung der Elektrozähler seitens der GLT (keine Informationen an die TU Darmstadt)

Änderungen der ID’s in der GLT ohne Information an die TU Darmstadt, infolgedessen konnten die
Daten vieler BacNet-Devices zeitweise nicht mehr ausgelesen werden

Keine Informationen über die in der raumlufttechnischen Anlage abgebildeten Regelkreise seitens
des Betreibers der GLT
Im März 2012 kam es an der TU Darmstadt zu einem Absturz der Datenbank in der die Daten der GLT archiviert werden, so dass für den Zeitraum von April bis Ende Juli die Daten aus der Gebäudeleittechnik nicht
aufgezeichnet wurden.
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3 Energiebedarf
3.1
Grundlagen
Das Planungskonzept und die umgesetzten baulichen Maßnahmen am Freizeitbad Kelsterbach basieren auf
einem außergewöhnlich hohen Standard in Bezug auf die wärmetechnische Ausbildung der Gebäudehülle
und der Energieeffizienz der eingesetzten haustechnischen Anlagen. Erreicht wurde dies einerseits durch
einen hohen Dämmstandard der Gebäudehülle und andererseits durch eine hocheffiziente und primärenergetisch vorteilhafte Auswahl und Auslegung der anlagentechnischen Komponenten für die Raumluftführung,
die Wärmebereitstellung für die Beheizung der Schwimmhalle, Sauna- und Umkleidebereiche sowie der
Wasserbecken und die Entfeuchtung. Im Einzelnen wurden folgende Maßnahmen ergriffen:

Gegenüber den Anforderungen der EnEV wurde der Dämmstandard des Bades, insbesondere im
Bereich des Querriegels, deutlich verbessert. Dies führt zu einer Verringerung des Wärmebedarfs für
die statische Heizung von 170 MWh/a auf 97 MWh/a.

Durch die Realisierung einer sich öffnenden Dachfläche kann insbesondere während der warmen
Sommerperioden die zur Entfeuchtung der Schwimmhallenluft zu betreibende Lüftungsanlage, die
sehr energieintensiv betrieben werden muss, abgeschalten werden, so dass sich in diesem Zeitraum
der Energiebedarf der raumlufttechnischen Anlage in der Schwimmhalle um ca. 20 % abgesenkt werden kann.

Durch das Abdecken des rechteckförmigen Außenbeckens bei Nichtnutzung kann der für die Kompensation der für die Nachfüllung und Aufheizung erforderlichen Wärme des verdunstenden Beckenwassers der hierfür erforderliche Energiebedarf von 490 MWh/a auf 412 MWh/a abgesenkt werden.

Die Entwärmung des Beckenrückspülwassers führt zu einer Verringerung der erforderlichen Heizwärme für die Nachspeisung der Innenbecken von 117 MWh/a auf 69 MWh/a.

Die raumlufttechnische Anlage wurde mit einem erheblich höheren Wärmerückgewinnungspotezial
ausgestattet, so dass eine Verringerung der Lüftungswärmeverluste von 821 MWh/a auf 59 MWh/a erreicht werden können.

Durch den Einsatz eines Blockheizkraftwerks wird der durch die bereits genannten Maßnahmen deutlich reduzierte Wärmebedarf primärenergetisch besonders günstig gedeckt.
Insbesondere die Möglichkeit der „Freibad“-Betriebsweise durch das Öffnen des Daches während der
Schönwetterperioden bietet ein erhebliches energetisches Einsparpotenzial, den Mindestluftwechsel und die
Behaglichkeitskriterien, wie sie für Hallenbädern nach VDI 2089 [2] vorgegeben werden, mit einem möglichst
häufigen Öffnen des Daches auch ohne den Einsatz der Lüftungsanlage zur Entfeuchtung der Schwimmhalle sicherzustellen.
Abbildung 2 zeigt die Reduzierung des Primärenergiebedarfs durch Nutzung der verschiedenen zuvor angeführten Maßnahmen. Das größte Einsparpotenzial gegenüber dem Referenzfall mit Standardtechnologie
zeigt sich bei der Wärme-/Luftförderung unter Nutzung eines BHKW. Bei der Bewertung des Energiebedarfs
des Freizeitbades ist es daher von großer Bedeutung, dass die Verringerung des Primärenergiebedarfs von
51 % gegenüber dem Standardfall durch die Versorgung mit Fernwärme aus dem BHKW erzielt wird. Die
Reduzierung des Bedarfs infolge der Nutzung eines BHK ist jedoch als rein primärenergetisch einzustufen,
d. h. der Endenergiebedarf des Objekts ist hiervon unabhängig. Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde daher nur der reale Energiebedarf des Freizeitbads berücksichtigt. Bezüglich des Endenergieverbrauchs
ist eine Reduzierung des Energiebedarfs gegenüber dem Standardfall von 25 bis 30 % als realistisch anzusehen.
In Abbildung 6 ist der während der Planungsphase des Schwimmbades berechnete Energiebedarf verschiedener technischer Systeme dargestellt. Bereits in der Planungsphase wurde deutlich, dass die Erwärmung
der Schwimmbecken und die raumlufttechnische Anlage der Schwimmhalle (RLT1) den größten EnergiebeSeite 11 / 77
darf haben werden. Daher wurde in den nachfolgend aufgezeigten Forschungsaktivitäten der Fokus auf das
Energiemonitoring dieser beiden Energieverbrauchsbereiche gelegt. In diesem Kontext entstand auch eine
Bachelorthesis [5], die sich mit dem Energiebedarf der Schwimmhalle als Folge der Wasserverdunstung der
Schwimmbecken befasst (vgl. Abschnitt 9).
Im Laufe der Projektbearbeitung zeigten sich deutliche Diskrepanzen zwischen dem geplanten und dem
tatsächlichen Wärmebedarf insbesondere der raumlufttechnischen Anlagen wie dies Abbildung 7 entnommen werden kann. Folglich wurde der Betriebsweise der raumlufttechnischen Anlage 1 in den Vordergrund
der jüngeren Untersuchungen gestellt. So zeigt dir in Abbildung 7 dargestellte Summenkurve des Wärmeenergiebedarfs des Schwimmbades zeigt, dass der reale Wärmeenergiebedarf den geplanten Wärmeenergiebedarf im Zeitraum des ersten Betriebsjahres lediglich um etwa 4% übersteigt. Nicht betrachtet und auch
in den Planungsgrundlagen nicht berücksichtigt wurde der Wärmeenergiebedarf der raumlufttechnischen
Anlage des Technikkellers.
Abbildung 6
Berechneter Energiebedarf verschiedener technischer Systeme des Schwimmbades
Abbildung 7
Planwärmebedarf / realen Wärmebedarf (November 2011 bis November 2012)
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4 Wärmebedarf - RLT1 + 2, Schwimmbecken und stat. Heizungen
Die Berechnung des realen Wärmebedarfs der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle für den Zeitraum von November 2011 bis Oktober 2012 mit 622.310 kWh übersteigt den Sollwärmebedarf um ≈ 59 %.
Hier besteht folglich ein erhebliches Optimierungspotenzial. Um dieses zu identifizieren, wurden umfangreiche Analysen der im Monitoring erhalten Messdaten zu Raumluftzustandsgrößen und Energieverbräuchen
vorgenommen. Die in Abbildung 8 dargestellten monatlichen Kennzahlen zum Wärmeenergiebedarf machen
deutlich, dass sich die größten Abweichungen während der kalten Witterungsperioden vom Monat Oktober
an einstellen. Die Monitoringdaten des zweiten Betriebsjahres zeigten sogar nochmals höhere Verbrauchsdaten, sofern zum Vergleich die erforderlichen Vorjahreskennzahlen verfügbar waren.
Abbildung 8
Energiebedarf RLT1 (Schwimmhalle) - Soll-Ist-Vergleich
Die raumlufttechnische Anlage des Umkleidebereichs, der Sauna, der Gastronomie und der Küche, besteht
aus insgesamt vier kleineren, unterschiedlich zusammengesetzten Komponenten, die jedoch sowohl in der
Planung- als auch in der Bauphase als raumlufttechnische Anlage (RLT2) zusammengefasst wurden.
Abbildung 9
Energiebedarf RLT2 (Umkleide, Foyer, Sauna, Gastronomie, Küche)
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Entsprechend dieser Vorgehensweise wurden auch im Rahmen des Forschungsprojektes zuerst gesamtenergetische Betrachtungen hinsichtlich des Wärmebedarfs vorgenommen. Der Vergleich der Wärmebedarfe der RLT2 mit der RLT (Schwimmhalle) verdeutlicht dabei, dass ein ähnliches energetisches Verhalten zu
verzeichnen ist. Auch hier steigt der Wärmebedarf in den kälteren Witterungsperioden deutlich an und die
monatlichen Kennzahlen für diese Witterungszeiträume in Jahr 2012 übersteigen die Monatskennzahlen des
Jahres 2011 drastisch (Abbildung 9). Der Jahreswärmebedarf für den Zeitraum von November 2011 bis Oktober 2012 beträgt 366.557 kWh und übersteigt die Planungswerte um ≈ 79 %. Aufgrund dieser großen Abweichung von Soll- und Ist-Wert wurde diese raumlufttechnische Anlage auf Basis ihres maximal möglichen
Wärmeenergiebedarfs hin theoretisch analysiert. Dabei wurde angenommen, dass der maximal mögliche
Bedarf dann entsteht, wenn das jeweilige PWW-Ventil (Pumpe Warm Wasser) stetig geöffnet ist und die
Pumpen über 8760 Stunden, also über das ganze Jahr hinweg eine Leistung von 100 % erbringen. Die theoretisch ermittelten maximalen Verbräuche wurden in Abbildung 10 den gemessenen Daten gegenübergestellt. Deutlich zeigt sich für den Bereich der Gastronomie, dass die für diesen Bereich aufgezeichneten Verbrauchswerte des Wärmemengenzählers deutlich überhöhte Werte aufweist.
Abbildung 10
Gegenüberstellung - Jahresenergiebedarf Ist/max. der verschiedenen RLT2-Komponenten
Als Ursache wurde im Zuge der weiteren Recherchen eine falsche Aufschaltung des Zählers vermutet. Wird
anstelle der offensichtlich falschen Zählerzuordnung anstelle der über die Gebäudeleittechnik erfassten Werte des Wärmemengenzählers „Gastronomie“ der maximale Verbrauch der PWW (Pumpe Warm Wasser) als
Dauerbetrieb angesetzt, reduziert sich der Wärmeenergiebedarf drastisch auf einen Wert, der nun nur noch
10 % über dem geplanten Wärmebedarf liegt.
In Abbildung 11 ist der Energiebedarf der statischen Heizsysteme dargestellt. Hier zeigt sich ein ähnliches
Bild wie bei den bisher betrachteten Systemen. Auch hier ist ein deutlich erhöhter Energiebedarf während
der kälteren Jahreszeiten zu beobachten.
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Abbildung 11
Energiebedarf der statischen Heizsystem - Soll-Ist-Vergleich
Hinzu kommt in diesem Zusammenhang hinzu, dass in den Planungsberechnungen für den Energiebedarf
des Schwimmbades davon ausgegangen wurde, dass das statische Heizsystem über die Sommermonate
Juni, Juli und August nicht in Betrieb ist. Doch der reale Betrieb, wie er durch das Monitoring in den bisherigen Betriebszeiten beobachtet werden konnte, zeigt, dass im Jahr 2011 in den nach Planansatz quasi heizfreien Sommermonaten ein aufsummierter Energiebedarf von ≈ 10.000 KWh für die statische Heizung in den
Umkleidebereichen und im Saunabereich erforderlich waren. Insgesamt gesehen steht dem Realbedarf vom
November 2011 bis zum Oktober 2012 von 129.851 kWh ein Planbedarf von 95.061 kWh gegenüber. entsprechend liegt der Ist-Wärmebedarf 36 % höher als der in der Planung zugrunde gelegte Sollbedarf.
Im Gegensatz zu den bisher betrachteten Schwimmbadkomponenten zeigt sich bei den Schwimmbecken,
dass der Energiebedarf für die Wassererwärmung ihr Energiebedarf deutlich unter dem Plansollwert liegt
(Abbildung 12). So konnte für die Schwimmbecken im Betrachtungszeitraum von November 2011 bis einschließlich Oktober 2012 ein Energiebedarf von 984.874 kWh von den Zählern ausgelesen werden. Die Planungsberechnung geht hier von einem Energiebedarf von 1.343.299 kWh aus. Entsprechend ergibt sich ein
reduzierter Energieaufwand von etwa 50 %.
In Verbindung mit den deutlich überhöhten Energieverbräuchen im Gastronomiebereich, wie sie aus den
GLT-Daten herausgelesen werden konnten, wurde bei der Analyse und Bewertung der Monitoringdaten
vermutet, dass hier eine Vertauschung der Aufdrahtungen der Energiezähler für die Wasserbereitung und
der Gastronomie vorliegt. Bis zum fixierten Abgabetermin dieses Berichtes konnte aber keine Klärung durch
die Fachfirmen herbeigeführt werden. Die Größenordnung der beiden nicht erklärbaren Fehlbeträge deckt
sich aber weitestgehend, so dass im Weiteren davon ausgegangen wird, dass die Zählerzuordnung entsprechend der zuvor erläuterten Vermutungen anzupassen ist. Erklärend sei hier auf die Analyse der Wärmemengenzähler der verschiedenen Schwimmbecken hingewiesen, da hier einer der Wärmemengenzähler
der Becken unverhältnismäßig geringe Werte aufweist. Die Werte liegen wie erwartet in der Größenordnung
der raumlufttechnischen Anlage der Gastronomie. Werden folglich diese beiden Zähler den entsprechenden
Anlagenkomponenten zugeordnet, führt die Energiebilanz für die RLT2 Energiebedarf auf einen Wert, der in
der Größenordnung der Planungsgrundlage liegt, wobei nach wie vor der Beckenbetrieb sich energetisch
etwas günstiger abzeichnet und um etwa 10 % geringer ist, als er in der Planungsphase.
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Abbildung 12
Energiebedarf Schwimmbecken - Soll-Ist-Vergleich
Werden die Monitoringdaten entsprechend der Darstellung in Abbildung 8 zum Energiebedarf der RLT1, die
die Raumluftkonditionierung in der Schwimmhalle übernimmt, eingehend analysiert, lässt sich hier ein erhebliches Energieeinsparpotenzial erkennen. So war von Beginn der Datenaufzeichnung an zu beobachten,
dass der real gemessene Energiebedarf deutlich über den Planungsdaten lag. Zu den Beobachtungen im
Jahr 2011 konnte in 2012 eine nochmals deutliche Zunahme des Wärme- und Strombedarfs verzeichnet
werden, dessen Ursache in mehreren Besprechungen mit den Planern, den Eigentümern, den Betreibern
und den Bauausführenden diskutiert wurde. Diverse Überlegungen wurden festgelegt und auch soweit technisch Umsetzbar erprobt. Zwar wurden mehrfache Nachbesserungen und Verbesserungen auf der Ebene
der GLT und des Betriebs vorgenommen, doch erwies sich stets die Zugriffsmöglichkeit auf die anlagentechnischen Komponenten als größtes Hindernis, der Ursache des hohen Energieverbrauchs auf die Spur
zu kommen.
In 2012 wurden daher die in der GLT hinterlegte die Datenpunktliste aller Sensoren und Zähler nochmals
überprüft und die im Monitoringrechner der TU Darmstadt angelegte Datenbank für den Bereich der RLT1
angepasst. Auch wurden mit dem Betreiber diverse Handlungsstrategien überlegt, vom Sommer bis Winter
2012 genutzt werden sollten, um zumindest im händischen Betrieb eine Verringerung der Energieverbräuche
zu erzielen. Doch alle Bemühungen führten nicht zum gewünschten Erfolg, so dass im letzten Quartal 2012
alle Komponenten der RLT1 eingehend untersucht wurden. Neben den gemessenen Zustandsgrößen von
Außen- und Raumluft wurden auch alle Stellungen von Klappen und Ventilen in die Überlegungen einbezogen, wie auch die zugehörigen Zähler, die im Nachfolgenden für ausgewählte Tage aufgezeigt und erläutert
werden sollen.
Deutlich zeichnet sich vor allem in Abbildung 8 der Anstieg des Energiebedarfs der raumlufttechnischen
Anlage in der Schwimmhalle in den Übergangsmonaten ab, so z. B. im Monat Oktober 2012. Ursache hierfür
ist eine Veränderung der Betriebsweise der raumlufttechnischen Anlage. So konnte die Datenanalyse zeigen, dass zum Ende des Monats die Anlage nicht mehr im Tag-/Nachtbetrieb, sondern im Dauerbetrieb geführt wird, obwohl sich die Witterungsbedingungen nicht merklich verändert haben. Abbildung 13 zeigt die in
der Planung angedachte Betriebsweise der RLT1, dargestellt anhand des Volumenstroms des Abluftventilators für den 06. Oktober 2012. Hier wird deutlich, dass an diesem Tag eine an die Nutzungsbedingungen
angepasste Betriebsweise der RLT verknüpft mit einer Nachtabschaltung erfolgte. Dagegen wird die raumlufttechnische Anlage bei ähnlichen Witterungs- und Nutzungsbedingungen am 12. Oktober 2012 gänzlich
im Dauerbetrieb geführt (Abbildung 14).
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Der rechts in den beiden Abbildungen 13 und 14 dargestellte Energiebedarf der Anlage zeigt für den Verlauf
eines Tages, das mit dem durchgehenden Betrieb der Lüftungsanlage auf einem hohen Niveau von 90 %
der Lüfterleistung erheblich mehr an Energie benötigt wird, als bei einem Tag-Nacht-Wechselbetrieb. So
führt die zeitweise Abschaltung der RLT zu einer Verringerung des Energieverbrauchs bei ähnlichen Witterungsverhältnissen um bis zu 80 %.
Abbildung 13
Tag-/Nachtbetrieb der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle
Abbildung 14
Dauerbetrieb der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle
In Abbildung 15 ist exemplarisch das prognostizierte Energieeinsparpotenzial im Winterlastfall dargestellt.
Basis hierfür ist die vorhandene Steuerungsart der raumlufttechnischen Anlage. Lediglich die Betriebsart
betreffend, wurde ein Tag-/Nachtbetrieb der RLT (grüne Linien) statt der in diesem Monat fast durchgängiSeite 17 / 77
gen Volllast der RLT (graue Linien) berücksichtigt. Zwar weicht der theoretische Energiebedarf dann immer
noch vom Planungssoll ab, jedoch kann dieser durch eine an die Nutzungsbedingungen angepasste Betriebsweise bereits um ≈ 23000 kWh (≈ 25 %) reduziert werden. Deutlich geringer fällt die Energieersparnis
in den Sommermonaten aus, da hier infolge der Dachöffnungen während der günstigen Witterungsphasen
die RLT-Anlage gänzlich außer Betrieb genommen wird. allerdings ist auch während der Sommermonate
festzustellen, dass mit einem steten Tag-/Nachtbetrieb in Verbindung mit der witterungsabhängigen Öffnung
des Daches eine Verminderung des Energiebedarfs um bis zu 15 % möglich ist.
Abbildung 15
RLT1 – monatliches Einsparpotenzial im Winterlastfall bei Tag-/Nachtbetrieb
Abbildung 16
RLT1 – monatliches Einsparpotenzial im Sommerlastfall bei Tag-/Nachtbetrieb
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5 Betrieb der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle
Bei der bereits mehrfach erwähnten raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle (RLT1) handelt es sich
um eine Anlage, die mit Mischluft betrieben wird. Diese Anlage besitzt vier Betriebszustände, diese werden
nachfolgend schematisch dargestellt:
Umluftbetrieb Heizen: Die Schwimmhallenluft wird mittels Pumpen-Warmwasser-Heizregister geheizt. Zuund Abluftvolumenstrom werden in Abhängigkeit von der Schwimmhallentemperatur und -feuchte variabel
gefahren (Abbildung 17).
Abbildung 17
Luftführung bei Umluftbetrieb Heizen
Umluftenfeuchten: Im Umluftbetrieb wird die Luft im Verdampfer der stufenlos regelbaren Wärmepumpe
entfeuchtet. Verstärkt wird dieser Prozess durch die Vorschaltung des AHW (asymmetrischer Hochleistungswärmeübertrager). Die bereits abgekühlte und somit getrocknete Luft wird im AHW vorgewärmt und im
Kondensator aufgeheizt. Hierzu wird die im Verdampfer der Luft entzogene Wärmeenergie eingesetzt
(Abbildung 18). Ist die Wärmeleistung der Wärmepumpe nicht ausreichend wird die Zuluft mit dem PWW
nacherwärmt. Zu- und Abluftvolumenstrom werden je nach Bedarf variabel gefahren.
Abbildung 18
Luftführung beim Umluftentfeuchten
Entfeuchten mit Außenluft: Zum Entfeuchten mit Außenluft mit geringem Feuchtegehalt werden die
Volumenströme variabel gefahren. Der Fortluft wird mittels AHW und Verdampfer ein großer Teil der
sensiblen und latenten Wärme entzogen und an die Zuluft abgegeben. Zusätzlich öffnet sich die REKUBypassklappe soweit, dass die gewünschte Temperatur erreicht wird (Abbildung 19). Aus hygienischen
Gründen muss der Schwimmhalle während des Badebetriebs, abhängig von der Anzahl der Badegäste, eine
vorgeschriebenen Menge Außenluft zugeführt werden [3].
Abbildung 19
Luftführung beim Entfeuchten mit Außenluft
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Sommerbetrieb: Bei hoher Außenluftfeuchte sowie bei hohen Außentemperaturen schließt die
Umluftklappe. Zu- und Abluftvolumenstrom werden, bei Bedarf, bis auf 100 % erhöht. Es wird ein
hundertprozentiger Fortluft- Außenluftbetrieb über den AHW gefahren (Abbildung 20). Die Wärmeabgabe
der Wärmepumpe erfolgt je nach Bedarf an die Zuluft.
Abbildung 20
Basierend auf der Feststellung, dass durch einen nutzungsbedingt angepassten Tag-/Nacht-Betrieb der
raumlufttechnischen Anlage der Energiebedarf im Vergleich zum Ist-Energiebedarf zwar gesenkt werden
kann, sich jedoch nicht der in der Planung errechnete reduzierte Wärmeenergiebedarf einstellen wird. Abbildung 21 gibt eine Übersicht über die in der Schwimmhalle installierte RLT1. Alle mit kreisen gekennzeichneten Systemkomponenten können Zustandsinformationen an die GLT liefern, z.B. Klappenstellungen, Stellung des PWW-Ventils, Zu- und Ablufttemperaturen und Abluftfeuchte. Exemplarisch werden im Folgenden
die Zustandsgrößen über einen Tagesverlauf für an einen Winter- und einen Sommertag in Abhängigkeit der
Außentemperatur untersucht.
Abbildung 21
Schematische Darstellung der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle (RLT1)
In den Abbildungen 22-33 sind die Betriebszustände der Systemkomponenten der RLT1 im Winterlastfall für
einen Wintertag dargestellt, an dem die Außentemperaturen in den Abendstunden auf Werte unter 0°C absinken. Die Abbildungen 22 und 23 zeigen, dass die vom Betreiber gewünschten klimatischen Verhältnisse
in der Schwimmhalle, insbesondere im Zeitraum von 10.00 Uhr bis 15.30 Uhr sehr gut eingehalten werden.
Da es sich jedoch um eine volumengesteuerte Anlage handelt, wäre zu erwarten, dass sich der Volumenstrom verringert, sobald sich die gewünschten klimatischen Bedingungen in der Schwimmhalle einstellen.
Jedoch zeigt sich, dass die Ventilatoren stetig im Volllastbetrieb arbeiten (Abbildung 31 + 32).
Bei der Stellung der Außenluftklappe (Abbildung 26), der Fortluftklappe (Abbildung 27) und der RekuBypassklappe (Abbildung 29) ist zu beobachten, dass diese unabhängig der klimatischen Verhältnisse in der
Schwimmhalle und den Witterungsbedingungen i.d.R. in Zeitintervallen von 15 Minuten immer zwischen
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zwei Betriebszuständen wechseln. Dagegen ist die Abluftbypassklappe, die Abluftklappe und die Umlufklappe „heizen“ stetig, geöffnet. Einzig beim PWW-Ventil (Abbildung 32) ist eine Abhängigkeit zur Außentemperatur und auch zu den klimatischen Verhältnissen in der Schwimmhalle erkennbar. Hier wird, infolge der im
Tagesgang steigenden Außentemperaturen und des idealen Klimas in der Schwimmhalle, die Ventilstellung
nachgeregelt. Dies hat zur Folge, dass auch die Temperatur der Zuluft hinter dem PWW absinkt (Abbildung
33). Im gesamten System stellen sich während des Tagesganges lediglich zwei Betriebszustände ein, die
durch die Steuerung der Außen- und Fortluftklappe entstehen.
Eine bedarfsgerechte energieoptimierte Volumenstromregelung und Mischluftregelung in Abhängigkeit der
Ablufttemperatur und -feuchte scheint im Winterlastfall nicht gegeben zu sein, da keine Volumenstromregelung beobachtet werden konnte. Des Weiteren zeigen die Klappenstellungen der Außen- und Fortluft, dass
die Frischluftzufuhr nicht bedarfsgerecht erfolgt, sondern zum einen über Zeitintervalle gesteuert wird und
zum anderen immer mindestens 20 % Frischluftzufuhr erfolgen.
Abbildung 22
Abbildung 23
Abluftfeuchte an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 24
Volumenstrom Abluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 25
Volumenstrom Zuluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 26
Stellung der Außenluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 27
Stellung der Fortlufklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 28
Stellung der Abluftbypassklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 29
Stellung der Reku-Bypass-Klappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 30
Stellung der Abluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 31
Stellung der Umluftklappe heizen an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 32
Ventilstellung des PWW-Ventils an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 33
Zulufttemperatur hinter der PWW an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperaturl
Die Abbildungen 34-43 zeigen die Betriebszustände, die sich exemplarisch für den Sommerlastfall an einem
Sommertag in der raumlufttechnischen Anlage bei nicht geöffnetem Dach einstellen. Aus den Abbildungen
34 und 35 geht hervor, dass sich ideale Temperaturverhältnisse in der Schwimmhalle ausbilden, die relativen Luftfeuchten in den Morgenstunden jedoch etwas geringer als 60 % (Sollwert) sind. Der in den Abbildungen 36 und 37 dargestellte Volumenstrom der Ab- und Zuluft weist darauf hin, dass die raumlufttechnische Anlage an diesem Sommertag nicht im Tag-/Nachtbetrieb betrieben wurde. Es zeigt sich auch hier,
analog zum bereits beschriebenen Winterlastfall, dass sich über einen gewissen Zeitraum (13.30 Uhr - 18.00
Uhr) nahezu ideale Klimaverhältnisse in der Schwimmhalle einstellen, jedoch keine bedarfsgerechte Reduzierung des Volumenstroms steuerungstechnisch vorgenommen wird (Abbildung 36 + 37). Die Stellung der
Außenluft-, Fortluft- und der Reku-Bypassklappen (Abbildungen 39 - 41) weisen darauf hin, dass sich das
System in den Nachstunden bzw. frühen Morgenstunden in einem zeitlich gesteuerten Fortluft-/Außenluftbetrieb befindet. Während den in Tabelle 1 aufgezeigten Zeitintervallen befindet sich bei idealen Temperaturen in der Schwimmhalle im gleichen Betriebszustand, lediglich die Stellung der Umluftklappe „Heizen“ ist bei
zu geringer Luftfeuchte im Gegensatz zu idealen Klimaverhältnissen konstant 32 % geöffnet, das bedeutet,
dass die zu geringe relative Luftfeuchte in der Schwimmhalle über Außenluftzufuhr ausgeglichen wird. Das
Regelszenario wird jedoch aus nicht bekannten Gründen zwischen 9.00 Uhr und 10.30 Uhr geändert, obwohl die relativen Luftfeuchten noch immer unterhalb des Sollwertes sind.
Tabelle 1
Klappen- bzw. Ventilstellung im Volllastbetrieb an ausgewählten Zeitintervallen
Klappen- bzw. Ventilstellung
[%]
15.30 Uhr - 16.30 Uhr
Ideale Klimaverhältnisse
7.30 Uhr - 9.00 Uhr
zu geringe rel. Luftfeuchte
Außenluftklappe
geöffnet (100 %)
geschlossen (100 %)
Fortluftklappe
geöffnet (100 %)
geöffnet (100 %)
Abluftbypassklappe
geschlossen (0 %)
geschlossen (0 %)
Reku-Bypassklappe
geschlossen (0%)
geschlossen (0%)
Umluftklappe Heizen
geregelt zwischen 32 - 100 %
32 %
PWW
geregelt zwischen 0 - 50 %
aus (0 %)
Auch im Sommerlastfall ist eine bedarfsgerechte Volumenstromregelung in Abhängigkeit der Ablufttemperatur- und der realen euchten nicht zu beobachten. Auch konnte eine sommerliche Regelstrategie nicht erkannt werden, da die Betriebszustände der Klappen und des Ventils zeitweise in keinem erkennbaren Zusammenhang stehen.
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Abbildung 34
Abbildung 35
Abluftfeuchte an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 36
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Abbildung 37
Abbildung 38
Stellung der Außenluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 39
Stellung der Fortluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 40
Abbildung 41
Stellung Reku-Bypass-Klappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 42
Stellung Umluftklappe heizen an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 43
Stellung des PWW-Ventils an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außenlufttemperatu
Abbildung 44
6 Betrieb der raumlufttechnischen Anlage im Umkleidebereich
Bei der raumlufttechnischen Anlage des Umkleidebereichs und des Foyers (RLT2) handelt es sich um eine
rein über die Außenluft betriebene Anlage, die mit einem Kreuzwärmetauscher ausgestattet ist. Diese
Anlage besitzt ebenso wie die RLT1 vier Betriebszustände, diese werden nachfolgend schematisch
dargestellt:
Umluftbetrieb: Im reinen Umluftbetrieb sind die Außen- und Fortluftklappen geschlossen. Die Abluft wird bei
Bedart über das Pumpen-Warmwasser-Heizregister (PWW) erwärmt (Abbildung 45). Der Raum wird auf die
gewünschte Temperatur aufgeheizt.
Abbildung 45
Luftführung im Umluftbetrieb
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Entfeuchtung im Winter: Bei niedrigen Außenlufttemperaturen ermöglicht der Kreuzwärmetauscher die
Rückgewinnung von bis zu 80 % der in der Abluft enthaltenen Wärme bei 100 % Außenluftbetrieb
(Abbildung 46). Entsprechend gering sind damit die, über das Pumpen-Warmwasser-Heizregister noch zu
deckenden Wärmeverluste.
Abbildung 46
Luftführung im Winter
Entfeuchtung in der Übergangszeit: Bei steigenden Außenlufttemperaturen kann zunächst das Heizregister heruntergeregelt werden. Wird trotzdem noch ein verringerter Wärmerückgewinn erforderlich, öffnet sich
die stetig regelbare Bypassklappe oberhalb des Rekuperators so weit, dass die gewünschte Zulufttemperatur eingeregelt wird (Abbildung 47).
Abbildung 47
Luftführung zur Entfeuchtung in der Übergangszeit
Entfeuchtung im Sommer: In den Sommermonaten erfolgt die Entfeuchtung des Umkleidebereichs durch
reinen Außen - Fortluftbetrieb. Während dieser Zeit ist keine Wärmerückgewinnung erforderlich.
Abbildung 48
Zwar weicht der Wärmeenergiebedarf nur geringfügig vom Sollwert ab, da sich jedoch bei der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle Unstimmigkeiten in Bezug auf die unterschiedlichen Klappenstellungen
auftraten wurden im Rahmen des Forschungsprojekts auf die einzelnen Systemkomponenten der RLT2 auf
ihre funktionsweise an einem Winter- und an einem Sommertag hin analysiert. Diese Analyse ist in diesem
Kontext auch als intensiv Energiecontrolling zu verstehen, da nur auf diese Weise weitere Energieeinsparpotenziale eruiert werden können. Abbildung 49 zeigt eine schematische Darstellung der RLT-Anlage für den
Umkleidebereich und das Foyer des Schwimmbades.
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Abbildung 49
Schematische Darstellung der RLT-Anlage für den Umkleidebereich und das Foyer
Die in Abbildung 50 aufgezeigte Gegenüberstellung der Ablufttemperatur und dem zugehörigen Sollwert für
einen exemplarischen Wintertag weisen darauf hin, dass diese während der Betriebszeit der raumlufttechnischen Anlage um bis zu 5 Kelvin über dem Sollwert liegen. Aus den Abbildungen 51 und 52 kann geschlossen werden, dass diese raumlufttechnische Anlage im Gegensatz zur raumlufttechnischen Anlage der
Schwimmhalle im Tag-/Nachtbetrieb betrieben wird. An dem betrachteten Wintertag wurde aufgrund der
längeren Öffnungszeiten im Saunabereich auch die Betriebszeit der RLT2 verlängert. Die Betrachtung des
Volumenstromes während der Betriebszeit zeigt eine gewisse „Volumenstromregelung“. Die Klappenstellungen in den Abbildungen 53 -55 zeigen, dass sich die Anlage im Außenluftbetrieb befindet. Jedoch ist auch
bei dieser raumlufttechnischen Anlage, die eine bedarfsgerechte Volumenstromregelung in Abhängigkeit der
Abluftqualität und der Abluftfeuchte realisieren soll, nicht zu erkennen, dass der Volumenstrom reduziert wird
obwohl die Sollwerttemperatur im ganzen Tagesgang überschritten ist. Jedoch ist positiv anzumerken, dass
sich das PWW-Ventil nur die ersten 3 Stunden bei Betriebsbeginn der Anlage geringfügig öffnet (Abbildung
56). Die Schwankungen in der Zulufttemperatur (Abbildung 57) konnten mit Hilfe der vorliegenden Informationen nicht geklärt werden.
Abbildung 50
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Abbildung 51
Volumenstrom der Abluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 52
Volumenstrom der Zuluft an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 53
Stellung der Außenluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 54
Stellung der Fortluftklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 55
Stellung Außenluftbypassklappe an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 56
Stellung des PWW-Ventils an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 57
Zulufttemperatur an einem Wintertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Bei Betrachtung eines für den Sommerlastfall exemplarischen Tagesverlaufs ist festzustellen, dass die
Ablufttemperaturen während des Tagesgangs deutlich über dem Sollwert liegen (Abbildung 58). Die in den
Abbildungen 59 + 60 dargestellten Volumenströme zeigen, dass dieser während des Betriebs der Anlage
etwas reduziert wurde. Die Stellungen der Außenluftklappe und der Außenluftbypassklappe (Abbildung 62 +
63) bei geöffneter Fortluftklappe (Abbildung 61) weisen daraufhin, dass während der Betriebszeit ein
Mischbetrieb stattgefunden hat, d. h. es wurde zum Teil Außenluft direkt in die Anlage geführt, zum anderen
Teil gleichzeitig aber auch über den Wärmetauscher mittels der Energie aus der Abluft erwärmt. Hierauf
deutet auch das ganztägig geschlossene PWW-Ventil hin (Abbildung 64). Im Gegensatz zum Winterlastfall
kann im Sommerlastfall beobachtet werden, dass sich bei der Zulufttemperatur im Betriebsfall der Anlage
kaum Schwankungen ausbilden (Abbildung 63).
Abbildung 58
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Abbildung 59
Abbildung 60
Abbildung 61
Stellung der Fortluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 62
Abbildung 63
Stellung der Außenluftklappe an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
Abbildung 64
Stellung des PWW-Ventils an einem Sommertag in Abhängigkeit der Außentemperatur
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Abbildung 65
7 Strömungssimulation
7.1
Grundlagen
Um einen vollständigen Eindruck über die Raumluftverhältnisse innerhalb der Schwimmhalle zu erhalten,
wurden Simulationsberechnungen durchgeführt, mit deren Hilfe die Luftströmungen in der Schwimmhalle
unter Berücksichtigung der geometrischen und klimatischen Randbedingungen analysiert werden kann. Der
Vergleich der Berechnungsergebnisse mit den mittels Monitoring erfassten Werten erlaubt dabei, die Berechnungsergebnisse mittels realer Messdaten zu visualisieren. Dann lassen sich mittels Modellrechnungen
Analysen zum Einfluss der Betriebsweise der analgentechnischen Komponenten auf die Raumluftverhältnisse innerhalb der Schwimmhalle vornehmen, die wichtige Hinweise zur Wechselwirkung von energieeffizienten Maßnahmen und zur Behaglichkeit der Nutzer geben. In erster Linie interessiert hierbei das öffenbare
Folienkissendach, dessen Auswirkungen auf das Raumklima im geschlossenen wie auch im offenen Zustand, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer bewertet werden können.
Die Analyse der Raumluftverhältnisse wurde mit Hilfe eines CFD-Simulationsprogramms vorgenommen, mit
dem die verschiedenen Nutzungsszenarien unter Berücksichtigung der äußeren Witterungseinflüsse untersucht werden können. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens durchgeführten Simulationsuntersuchungen untergliedern sich dabei in verschiedene Teilschritte, die von der Modellierung als Pre-Processing über
die eigentliche Berechnung selbst bis hin zur Auswertung der Berechnungsergebnisse reichen. Während die
eigentlich Berechnung und Lösung des Problems nur durch den Einsatz von Software und entsprechenden
Lösungsverfahren möglich ist, beeinflusst der Anwender derartiger Programme selbst die Aussagefähigkeit
der Berechnungsergebnisse, in dem er ein geeignetes Modell des zu untersuchenden Raumes und die zutreffenden Randbedingungen formuliert. Dabei müssen die wesentlichen Einflussgrößen und in entsprechenden Eingabedatensätzen berücksichtigt werden. Da. i. d. R. aber sehr viele Unsicherheiten im Hinblick
auf die Übergabe der Daten zur Beschreibung der geometrischen und thermodynamischen Randbedingungen herrschen und auch die Volumenelementnetzbildung nicht beliebig genau vorgenommen werden kann,
bleiben vielfach Unsicherheiten, inwieweit die Berechnungsergebnisse der CFD-Simulation zutreffen. In Verbindung mit parallel durchgeführten Messungen am Bauwerk vor Ort lassen sich aber die gewünschten Validierungen der Berechnungsergebnisse unter realen Randbedingungen realisieren, so dass dann Simulationsstudien zum Einfluss verschiedenster Parameter auf die Raumluftverhältnisse durchgeführt werden können. Ein wesentlicher Untersuchungspunkt der Simulationsstudie wird dabei auch dem bauphysikalischen
Verhalten des Folienkissendaches zukommen. Hierbei werden die sich abhängig der Witterungsverhältnisse
innerhalb der durch die Folienmembrane getrennten Luftschichten einstellenden Temperatur- und StröSeite 37 / 77
mungsverhältnisse analysiert und auch die sich im Bereich der Befestigungsprofile gegebenenfalls einstellende Tauwassergefährdung beachtet. Um bei diesen Untersuchungen zunächst eine Validierung des Modellansatzes vornehmen zu können, wurden an zwei Stellen des Folienkissendaches Temperatursensoren in
die drei unterschiedlichen Luftkissenlagen eingebaut, mit denen sich die im Innern der drei Folienkissenlagen abhängig der klimatischen Verhältnisse in der Schwimmhall und der äußeren Witterungsverhältnisse
erfasst und so mit den Berechnungsergebnissen verglichen werden können. Für die Berechnung der Temperatur- und Strömungsverhältnisse wird das leistungsfähige Softwarepaket Star-CCM+ der Firma CDadapco verwendet.
7.2
Folienkissenelement
Konstruktionen in Form von Membrankissenelementen als thermische Gebäudehülle gewinnen in der modernen Architektur zunehmend an Bedeutung. Dabei ist deren bauphysikalisches Verhalten bisher nur wenig
untersucht worden. Bekannt ist, dass der größte Wärmeverlust nicht in Form der Wärmeleitung, sondern in
Form der Konvektion erfolgt. So weisen die jeweils unteren, der Schwimmhalle zugeneigten Folien der drei
übereinander angeordneten Luftkissen höhere Temperaturen auf als die darüber gelegene Folie, so dass
sich die innerhalb des Luftkissens befindliche Luft an der unteren Folie erwärmt und in Form der Konvektion
zur oberen Folie hin bewegt. Hier angekommen, gibt die erwärmte Luft den zuvor aufgenommenen Wärmeinhalt wieder ab und fällt zurück. Dadurch und infolge der veränderlichen Dicke des Folienkissens kommt
es im Dachanschlussbereich (Abbildung 66) zu einer erhöhten Wärmebrückenwirkung. Eine rein analytische
Bestimmung des Wärmedurchgangskoeffizienten ist entsprechend der komplexen geometrischen Ausbildung der Folienkissen kam möglich. Alternativ lassen sich die hier einstellenden Temperaturen und konvektiven Strömungen mittels CFD-Simulation berechnen.
Abbildung 66
links: Anschlussbereich von Folienkissenelementen mit Druckluftversorgung
rechts: Ansicht des Folienkissendaches aus der Schwimmhalle
Bei der Modellierung des Folienkissendaches mussten aufgrund der dreidimensional geformten Geometrie
der mit Überdruck aufgeblähten dreischichtigen, membrangetrennten Luftschichten und aufwendig gestalteten Einspannprofile verschiedene Vereinfachungen getroffen werden.
Die Modellierung erfolgte daher für ein einzelnes Folienkissenelement des Daches, welches im Detail modelliert und die gewölbte Geometrie in viele einzelne planare Teilflächen zerlegt wurde (Abbildung 67). Aufgrund der bei der Modellierung der ETFE-Folie entstehenden extrem hohen Anzahl von Finite-VolumenZellen und der durch die Anpassung der Materialeigenschaften gesteigerten Fehleranfälligkeit des Simulationsmodells musste hierauf verzichtet werden. Die Membranfolie wurde aus diesen Gründen als interne,
wärmeleitende und transparente Trennschicht mit entsprechenden globalen Materialeigenschaften realisiert.
Um die Oberflächentemperaturen auf der Innenseite des Membrankissenelementes und die sich im Nahfeld
der Folienkissen einstellenden thermischen Verhältnisse zu untersuchen wurde bei der Modellierung des
Folienkissenelementes ein zusätzliches raumseitiges Luftvolumen erzeugt.
Seite 38 / 77
Abbildung 67
Schnitt durch das Volumennetz des Membrankissenelementes, die farbigen Bereiche
differenzieren die Luftschichten und das innere Raumluftvolumen.
Als raumseitige thermische Randbedingung wurde bei der Simulationsberechnung von einem durch die
raumlufttechnische Anlage erzeugten konstanten Raumtemperatur von 32 °C in einer Entfernung von 30 cm
zum raumseitigen Luftkissen ausgegangen. An der Außenoberfläche wurde witterungsbedingt eine winterliche Extremtemperatur -10 °C angenommen, so tauwassergefährdete Bereich identifiziert werden können.
Die Modellgeometrie des dreilagigen Folienkissenelementes, die durch einen Überdruck von 200 mbar aufgebläht wird und sich dadurch 3-achsig verformt ist bei der Netzgenerierung durch eine Vielzahl von Dreiecksflächen der realen Ausbildung des Folienkissenelements angenähert und die Kontaktflächen mit den
entsprechenden thermischen Eigenschaften der EFTE-Folien (Tabelle 2) belegt.
Tabelle 2
Thermische Eigenschaften der EFTE-Folie
Specific Heat [kJ/kg/K]
Thermal Conductivity [W/m²K]
Thickness [µm]
Transmissivity [-]
1,9
0,24
250
0,85
Um innerhalb der Profile ausreichende Anzahl von Zellschichten erzeugen zu können wurde ein Volumennetz mit 2.500.00 Volumenzellen ausgebildet. Des Weiteren erfolgte in den randnahen Bereichen eine besonders engmaschige Vernetzung. Auf eine detailgetreue Berücksichtigung der Anschlussprofile konnte
nicht erfolgen, da die reale Geometrie der Aluminiumprofile aufgrund der extremen Erhöhung der notwendigen Volumenzellen und die damit verbundene Fehleranfälligkeit sich als nur bedingt modellierbar herausstellte. Der Wärmebrückeneinfluss der Aluminiumprofile wurde jedoch über eine entsprechende Wärmeleitung der Luftschichtränder berücksichtigt.
Abbildung 68 zeigt die sich an der raumseitigen Membranfolie ausbildenden Temperaturen eines 18° geneigten Folienkissenelementes. Die Simulationsberechnungen zeigen, dass sich an der sich im Folienkissen
befindlichen Seite der raumseitigen Membranfolie in Abhängigkeit der Konvektionsströmung unterschiedliche Oberflächentemperaturen ausbilden. An den äußeren Rändern des Membranfolienkissens, d. h. im Bereich der Anschlussprofile stellen sich im Winterlastfall Temperaturen von ca. 16 °C ein. Dagegen stellen
sich in den mittleren Bereichen Temperaturen abhängig der Dicke der Luftschicht und der dort vorherrschenden Konvektionsströmungen 17 °C bis 20 °C ein.
Seite 39 / 77
Abbildung 68
Temperaturverteilung im Längsschnitt und raumseitige Membranfolientemperatur eines
Elementes bei einer Neigung von 18° (Lage des Temperatursensors - Klimamonitoring)
Die sich während der, als Randbedingung angenommenen kalten Witterungsperiode, mittels CFDSimulation berechnete einstellenden Temperaturen im Querschnitt eines Folienkissenelementes ist in Abbildung 69 dargestellt. Die Berechnungsergebnisse hinsichtlich der Temperaturverteilung innerhalb eines
Membrankissenelementes zeigt durch die trennenden Membranfolien eine klare Schichtung, die auf den
Wärmeübergangswiderstand, die thermischen Eigenschaften der EFTE-Folie und die Konvektionsströmungen innerhalb der jeweiligen Luftschichten zurück zu führen ist. Die sich auf am Membrankissenelement auf
der Raumseite und in Profilnähe einstellenden Oberflächentemperaturen können zur Bewertung des Tauwasserrisikos in diesen Bereichen herangezogen werden. So liegt bei einer Solltemperatur der Schwimmhalle von 30 °C und einer relativen Luftfeuchte von 60 % die Taupunkttemperatur bei 21,4 C. Die Gegenüberstellung der Taupunkttemperatur mit den aus der Simulation gewonnen Daten zeigt, dass an der raumseitigen Oberfläche teilweise und auch im Bereich der Anschlussprofile Tauwasserausfälle möglich sind. Wird
die Raumtemperatur der Schwimmhalle bei gleichbleibender relativer Luftfeuchte beispielswiese außerhalb
der Betriebszeit auf 28 °C abgesenkt, sinkt die Taupunkttemperatur auf 19,5 °C ab und die Tauwassergefährdung nimmt ab.
Abbildung 69
Temperaturverteilung im Querschnitt durch die Luftschichten eines Kissenelementes mit
einer Neigung von 18° (Lage der Temperatursensoren - Klimamonitoring)
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Werden aus der CFD-Simulation gewonnen Ergebnisse der Oberflächentemperaturen an den EFTE-Folien,
mit denen aus dem Klimamonitoring für extrem kalte Außentemperaturen, wie sie im Februar 2012 vorherrschten (Abbildung 70), verglichen zeigen sich in Bezug auf die Temperaturverteilung Unterschiede.
Abbildung 70
Außentemperaturen im Februar 2012
Diese Unterschiede resultieren u. a. auf den angenommenen raumseitigen thermischen Bedingungen, die
bei der Simulationsberechnung mit einer Raumtemperatur von konstant 32 °C angenommen wurde, der
Betreiber jedoch eine Solltemperatur von 30 °C bevorzugt. Des Weiteren zeigen die aus der GLT gewonnen
Daten, dass zwar die raumlufttechnische Anlage der Schwimmhalle während des gesamten Monats Februar
2012 im Volllastbetrieb gearbeitet hat (Abbildung 71), jedoch die vom Betreiber gewünschte Solltemperatur
während der sehr kalten Witterungsperiode vom 01.02. - 12.02.2012 nur kurzfristig erreicht wird und sich im
Tagesgang Temperaturschwankungen von 3 Kelvin einstellen. Erst mit dem Ansteigen der Außentemperaturen auf über 4 °C wird der gewünschte Sollwert wieder über die gesamten Tagesgänge erreicht.
Abbildung 71
Volumenstrom Zuluftventilator aus GLT
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Abbildung 72
Ablufttemperaturen aus der GLT
Auch die im Rahmen des Klimamonitoring 10 cm unterhalb der Holzleimbinder installierten Temperatursensoren zeigen zum einen die Temperaturschwankungen während der sehr kalten Witterungsperiode, jedoch ist hier die Schwankungsbreite im Tagesgang deutlich ausgeprägter und auf einem insgesamt etwas
höheren Niveau als die mit der GLT erfassten Temperaturen (Abbildung 73).
Abbildung 73
Lufttemperaturen 10 cm unterhalb der Holzleimbinder - Klimamonitoring
Seite 42 / 77
In Abbildung 74 sind die mittels Klimamonitoring an den einzelnen Folien eines 18° geneigten Folienkissenelementes während der Kälteperiode im Februar 2012 dargestellt. Die Simulationsberechnungen ergaben,
dass sich im Innern des raumseitigen Kissens an der Folie Temperaturen von ca. 17 °C, an der mittleren
Folie Temperaturen von 6 °C und an der äußeren Folie Temperaturen von 1 °C einstellen. Die Messdaten
zeigen dagegen, dass sich am raumseitigen Kissen eine Temperatur von 15 °C, am mittleren Kissen eine
Temperatur von 3 °C und am äußeren Kissen eine Temperatur von 0 °C einstellt. Dies bedeutet, dass sich
unter realen Bedingungen ein geringeres Temperaturniveau in den Folienkissenelementen ausgebildet hat.
Die Messdaten im betrachteten Luftkissenelement zeigen auch, dass sich bei Außentemperaturen um den
Gefrierpunkt an den Messpunkten der äußeren und der mittleren Folie sehr ähnliche Temperaturen im Tagesgang einstellen. Bei niedrigeren oder höheren witterungsbedingten Außentemperaturen dagegen entstehen deutlich Temperaturunterschiede zwischen diesen Kissen. Deutlich erkennbar ist auch, dass Außentemperaturen oberhalb 0 °C die Temperatur am Messpunkt im raumseitigen Folienkissen auf über 17 °C
erhöhen.
Werden die Messdaten des 18° geneigten Folienkissenelements dem des 70° gegenübergestellt, wird deutlich, dass sich hier am raumseitigen Kissen ungünstigere Temperaturverhältnisse ausbilden (Abbildung 75).
Hier werden während der kalten Witterungsperioden nur Temperaturen von 13 °C erreicht. Die Temperaturen in den beiden anderen Elementen des Folienkissens dagegen zeigen zum gleichen Zeitpunkt ein ähnliches Niveau, wie das 18° geneigte Folienkissenelement. Weiterhin ist zu beobachten, dass sich bei einer
Neigung von 70° infolge der solaren Strahlung erheblich größere Temperaturschwankungen im Tagesgang
in den einzelnen Kissenelementen einstellen.
Abbildung 74
Temperaturverteilung im Luftkissenelement Richtung Freigelände im Februar 2012
Neigung 18°
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Abbildung 75
Temperaturverteilung im Luftkissenelement Richtung Kabinen im Februar 2012
Neigung 70°
Die im Rahmen des Klimamonitoring auf verschiedenen Stahlträgern (Abbildung 76) installierten Oberflächentemperatursensoren und der unterhalb der Holzbinder zur Erfassung der klimatischen Verhältnisse angebrachten Sensoren (Temperatur / rel. Feuchte) ermöglichen die messtechnische Bewertung möglicher
Tauwasserausfälle im Bereich der Deckenkonstruktion. In Abbildung 77 sind die sich während der Messzeit
im Februar 2012 auf den Stahlträgern bei Binder 3 einstellenden Oberflächentemperaturen, in der Mitte der
Schwimmhalle und im unteren Drittel, dargestellt und der sich infolge der raumseitigen Klimaverhältnisse
ausbildenden Taupunkttemperatur gegenübergestellt. Hier ist zu beobachten, dass die Oberflächentemperatur im unteren Drittel des Stahlträgers (OT-Stahl-Glasfront) auch während sehr kalter Witterungsperioden
oberhalb der Taupunkttemperatur liegt. Dagegen unterschreitet Oberflächentemperatur des Stahlträgers
(OT-Stahl-mitte) während Außentemperaturen unterhalb 0 °C die Taupunkttemperatur.
Abbildung 76
Deckenkonstruktion mit Holzbindern und Stahlträgern für die Folienkissenelemente
Seite 44 / 77
Abbildung 77
Gegenüberstellung der Taupunkttemperatur und der Oberflächentemperaturen auf der
Stahlkonstruktion der Luftkissenelemente an Binder 3
Im Fall der Bewertung eines Risikopotenzials in Bezug auf eine Tauwassergefährdung zeigt es sich, dass
die mittels stationärer CFD-Simulationsberechnung gewonnenen Ergebnisse eine erheblich höhere Tauwasserbelastung vermuten lassen, wie sie sich in der Realität in der Schwimmhalle einstellt.
Zwar konnten im Rahmen des Klimamonitoring Temperatursensoren in zwei Folienkissenelemente eingebracht werden, eine Installation von Strömungssensoren war jedoch nicht möglich, so dass die Ergebnisse
der sich aus den CFD-Simulationsberechnungen anhand von Messdaten nicht validiert werden können. Abbildung 78 zeigt die sich infolge der in Abbildung 69 aufgezeigten Temperaturverteilung im Folienkissenelement einstellenden Strömungsgeschwindigkeiten. Hier wird ersichtlich, dass sich innerhalb aller Luftschichten Konvektionsbewegungen einstellen, die für das thermische Verhalten und die Dämmfunktion des Folienkissendaches von großer Bedeutung sind, da die Konvektion im Kissen den hauptsächlichen Teil des Wärmetransportes übernimmt, wodurch die eigentliche Wärmedämmwirkung einer ruhenden Luftschicht zumindest teilweise verloren geht.
Abbildung 78
Verteilung der max. Strömungsgeschwindigkeiten im Querschnitt durch die Luftschichten
Seite 45 / 77
7.3
Schwimmhalle
Mit den CFD-Strömungssimulationen sollen in erster Linie die Einflüsse technischer Anlagen auf die Raumluftverhältnisse in der Schwimmhalle analysiert und bewertet werden. Besonders interessant sind dabei
Raumluftzustände, wie sie sich beim Öffnen des Folienkissendaches einstellen. Zur Darstellung der Raumstruktur muss hierfür ein dreidimensionales Volumenmodell gebildet werden. Dazu wurde die Geometrie der
Schwimmhalle zunächst mit der CAD-Software AutoCAD generiert und das erzeugt 3D-Modell in die CFD®
Software Star-CCM+ exportiert. Für erste Analysen wurde in einem ersten Schritt ein Modell mit reduzierter
Detailgenauigkeit erstellt, mit dem die fehlerfreie Nutzbarkeit des aus AutoCAD genierten Volumenmodells
überprüft werden konnte. In einem zweiten Schritt konnte dann die Erstellung eines detailgetreuen Volumenmodells erfolgen, um so die Strömungsverhältnisse und die Temperaturverteilung in den verschiedenen
Bereichen der Schwimmhalle möglichst realitätsnah abzubilden. Abbildung 79 zeigt die beiden ins Designtool von Star-CCM+ importierten Volumenmodelle.
Abbildung 79
links: vereinfachtes Raummodell
rechts: detailliertes Raummodell
Je größer und komplexer die Oberfläche des Volumenmodells ausgebildet ist, umso mehr Zellen müssen für
die Oberflächenvernetzung gebildet werden. Das erfordert einerseits einen deutlich höheren Rechenaufwand und führt zudem zu einer deutlich größeren Fehlanfälligkeit bei der Modellierung und der anschließenden Generierung des 3D-Volumennetzes im Simulationstool von Star-CCM+.
Bei der Modellierung der Schwimmhalle wurde im detaillierten Volumenmodell besonders auf eine möglichst
realitätsnahe Abbildung der raumlufttechnischen Anlagen (RLT) geachtet, um so eine möglichst realistische
Berücksichtigung der Betriebsweise der RLT bei den Simulationsberechnungen zu erreichen.
Abbildung 80
links: erzeugtes Volumennetz der Schwimmhalle
rechts: Volumennetz im Bereich der raumlufttechnischen Systemkomponenten
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Im Volumenmodell der Schwimmhalle kann die Funktion der Folienkissenelemente jedoch aufgrund der
Komplexität und begrenzter Rechnerleistung nicht direkt berücksichtigt werden. Deshalb mussten zusätzliche Wärmebrückenberechnungen durchgeführt werden, um so die entsprechenden Randbedingungen des
Bauteils anzunähern. Diese Berechnungen erfolgen im Rahmen einer Bachelorthesis [4] mit der Wärmebrü®
cken-Software flixo professional der Firma Infomind GmbH. Diese Software geniert für das zu untersuchende Bauteil ein Finite-Element-Netz als zweidimensionalen Schnitt durch das Bauteil und ermittelt anhand der
Wärmeleitung zwischen der inneren und äußeren Systemgrenze die Wärmeströme über die gesamte Bauteilgeometrie. Diese Berechnungen wurden für je einen Schnitt längs und einen Schnitt quer durch ein Folienkissenelement durchgeführt und daraus ein resultierender Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) bestimmt, der dann in das CFD-Modell als Randbedingung für die Folienkissenelemente einfließen konnte.
Abbildung 81
Beispielergebnis der FEM-Analyse eines Folienkissenelementes mit der WärmebrückenSoftware flixo professional
Während in der Planungsphase bei der Hüllflächenberechnung der Schwimmhalle im Rahmen der Wärmeschutzberechnungen für ein Folienkissenelement von einem U-Wert von 2,3 W/(m²K) ausgegangen wurde,
ergab die detaillierte Berechnung mit 2,43 W/(m²K) einen etwas ungünstigeren Wert als ursprünglich angenommen. Jedoch bei der gewählten Berechnungsmethode zu berücksichtigen, dass hierbei Konvektionsströmungen innerhalb der Luftschicht nicht berücksichtigt werden, diese haben jedoch einen großen Einfluss
auf das thermische Verhalten der luftgefüllten Membrankissen.
Die komplexe Modellierung der Schwimmhalle erforderte nicht nur die Vereinfachung der Funktion der Folienkissenelemente, sondern auch den Wechsel von den ursprünglich geplanten instationären auf stationäre
Simulationsberechnungen. Dies erwies sich als notwendig, da aufgrund des extrem detailgenauen und daher feinmaschigen FE-Netzes zur Abbildung der Schwimmhalle und bei instationären äußeren Randbedingungen der Rechenaufwand und die notwendige Rechnerleistung drastisch erhöhen und somit im zeitlichen
Rahmen des Forschungsprojektes nicht durchführbar waren. In diesem Kontext konnten nach Erstellung des
letztendlichen Simulationsmodells lediglich die thermischen und strömungstechnischen Verhältnisse zweier
Extremlastfälle berechnet werden:
1. Winterlastfall: Außentemperatur - 10 °C; keine Solareinträge; Volllastbetrieb der RLT-Anlage
2. Sommerlastfall: Außentemperatur 32 °C; sdir = 600 W/m²; sdif = 150 W/m²; mittleres Dachdrittel,
Fenster und Außentüren geöffnet; kein zusätzlicher Winddruck; Grundlastbetrieb der RLT-Anlage
Um die für die Simulationsberechnungen notwendigen, aus dem Betrieb der RLT-Anlage und der Anlagengeometrie resultierenden Luftgeschwindigkeiten (Tabelle 3) zusammengestellten Parameter verwendet. Die
berechneten Luftgeschwindigkeiten wurden anhand der Querschnittsflächen der Luftkanäle und des jeweiligen Volumenstroms der RLT-Anlage ermittelt. Aufgrund der Komplexität des Schwimmhallenmodells konnten mögliche Einflüsse auf die Dichtheit der Gebäudehülle, wie sie evtl. im Bereich des öffenbaren Daches
vorliegen, nicht in die Modellrechnungen implementiert werden.
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Tabelle 3
Volumenströme und Strömungsgeschwindigkeiten der RLT-Anlage im Winter- und
Sommerlastfall
Volllast (32900 m³/h)
Grundlast (6655 m³/h)
Ai [m²]
vi, voll [m/s]
Vi, voll [m³/h]
vi, teil [m/s]
Vi, Teil [m³/h]
Zuluft
Weitwurfdüse
0,49
1,40
2474,00
0,28
501,32
Fassade
10,99
0,75
29673,00
0,15
6012,75
WB
0,08
1,30
364,72
0,26
73,90
Gastronomie
0,08
1,30
353,23
0,26
71,58
Turm
2,16
4,14
32247,07
0,84
6534,34
Gastronomie
0,13
1,30
617,88
0,26
125,20
Abluft
In Abbildung 82 sind die mittels CFD-Simulation sich in verschiedenen Höhenlagen der Schwimmhalle einstellenden Temperaturen für den Winter- und den Sommerlastfall dargestellt. Hier wird deutlich, dass sich in
einer Höhe von 1,5 m sehr gleichmäßige Temperaturen in der gesamten Schwimmhalle ausbilden. Lediglich
im Bereich der Gastronomie ist ein bis zu 2 Kelvin niedrigeres Temperaturniveau zu beobachten. Im Sommerlastfall dagegen bilden sich im Bereich an der der geöffneten Glaswand gegenüberliegenden Wand
Temperaturen aus, die ca. 4 Kelvin höher liegen, als das Temperaturniveau der Schwimmhalle.
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Horizontalschnitt
in Höhe
Winterlastfall
0,5 m FOK
1,5 m FOK
Sommerlastfall
0,5 m FOK
1,5 m FOK
Abbildung 82
Temperaturverteilung der Schwimmhalle in verschiedenen Höhenlagen für die Lastfälle
Sommer und Winter
Abbildung 83 zeigt die sich bei winterlichen Witterung einstellenden Temperaturverhältnisse im Bereich des
Wellnessbeckens. Die mittels Klimamonitoring erfassten Messdaten zeigen ein ähnliches Temperaturniveau,
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wie die in der Simulation berechneten. Jedoch sind hier in den Randbereichen (Glasfront u. Kabinenseite)
geringfügig höhere Temperaturen (2 Kelvin) als in der Mitte der Schwimmhalle zu beobachten. Insgesamt
stellen sich im Tages- und Monatsgang sehr gleichmäßige Temperaturen ein. Auch die Temperaturen, die
im Abluftkanal von der GLT (Abbildung 84) erfasst werden zeigen im Monatsgang ein sehr gleichmäßiges
Temperaurniveau, das im Betrag dem aus dem Klimamonitoring in Höhe des Holzbinder entspricht.
Abbildung 83
Klimatische Verhältnisse beim Sportbecken unter winterlichen
Witterungsverhältnissen (Dach geschlossen) aus Klimamonitoring
Abbildung 84
Klimatische Verhältnisse im Abluftkanal bei winterlichen
Witterungsverhältnissen (Dach geschlossen) aus GLT
Die Gegenüberstellung der Ergebnisse aus der Simulationsberechnung im Sommerlastfall bei geöffnetem
Dach mit den Daten aus dem Klimamonitoring zeigen, dass im Gegensatz zu den Simulationsergebnisse im
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Bereich der geöffneten Glasfront höhere Temperaturen einstellen, wie an der dieser gegenüberliegenden
Wand (Abbildung 85). Hier kann auch beobachtet werden, dass sich an den Wandbereichen während der
Öffnungsphasen in Abhängigkeit der Außentemperaturen und der Öffnungszeit höhere Temperaturen einstellen, als in der Mitte der Schwimmhalle. Bei genügend langer Öffnung des Daches stellen sich hier „Außentemperaturen“ ein, dies gilt auch für die wandnahen Raumbereiche.
Abbildung 85
Klimatische Verhältnisse beim Sportbecken unter sommerlichen
Witterungsverhältnissen (Dach geöffnet/geschlossen) aus Klimamonitoring
Auch die Daten der GLT zeigen, dass sich infolge der abgeschalteten raumlufttechnischen Anlage im Abluftkanal in Abhängigkeit der Witterungsbedingungen höhere Temperaturwerte einstellen (Abbildung 86).
Abbildung 86
Klimatische Verhältnisse im Abluftkanal bei sommerlichen
Witterungsverhältnissen (Dach geöffnet/geschlossen) aus GLT
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Abbildung 87 sind die Berechnungsergebnisse aus der CFD-Simulation dargestellt. Die Gegenüberstellung
mit in der Schwimmhalle gewonnen Messdaten der sich im Tages-und Jahresgang an den verschiedenen
Messpunkten zeigt, dass sich während der Winterperiode bei Volllastbetrieb der RLT-Anlage Strömungsgeschwindigkeiten an der Glaswand und der gegenüberliegenden Wand im Mittel von 0,3 m/s einstellen
(Abbildung 88), während die Simulationsberechnungen mit 0,2 m/s geringere Werte zeigen.
Horizontalschnitt
in Höhe
Winterlastfall
0,5 m FOK
1,5 m FOK
,
Sommerlastfall
0,5 m FOK
1,5 m FOK
Abbildung 87
Strömungsverteilung der Schwimmhalle in verschiedenen Höhenlagen für die Lastfälle
Sommer und Winter
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Während die Berechnungsdaten der CFD-Simulation im Winterlastfall gegenüber den Messdaten ca. 1/3
geringere Strömungsgeschwindigkeiten aufweisen, zeigen die Berechnungen für den Sommerlastfall bei
geöffnetem Schwimmhallendach noch deutlicher Unterschiede. Die Simulationsberechnungen ergeben für
diesen Lastfall Strömungsgeschwindigkeiten von max. 0,08 m/s, dagegen zeigen die Messdaten, dass sich
Geschwindigkeiten von bis zu 1,0 m/s ausbilden können (Abbildung 89). Die in diesem Lastfall deutlich größeren Diskrepanzen können darauf zurückgeführt werden, dass kein äußerer Winddruck bei den Simulationsberechnungen, dafür aber ein Teillastbetrieb der RLT-Anlage angenommen wurde, obwohl bei Öffnung
des Daches die raumlufttechnische Anlage der Schwimmhalle sofort ausgeschaltet wird.
Abbildung 88
Strömungsverhältnisse beim Sportbecken bei winterlichen
Witterungsverhältnissen (Dach geschlossen) aus Klimamonitoring
Abbildung 89
Strömungsverhältnisse beim Sportbecken bei sommerlichen
Witterungsverhältnissen (Dach geöffnet/geschlossen) aus Klimamonitoring
Seite 53 / 77
7.4
Einfluss der Weitwurfdüsen und des Abluftturms
Analysen der CFD-Strömungssimulation zeigen den Einfluss der Anordnung des Abluftturmes der RLTAnlage auf die Strömungsverhältnisse innerhalb der Schwimmhalle. Abbildung 90 zeigt, die Auswirkung des
Abluftturmes auf die an der Innenwand angeordneten Weitwurfdüsen, die das Membrankissendach bestrahlen und somit die Tauwassergefährdung reduzieren sollen. Durch die seitliche Anordnung des Abluftturmes
als einzige Ablufteinheit der RLT entsteht eine deutliche Beeinflussung der Strömungsrichtung der Weitwurfdüsen. Insbesondere die Zuluft aus den Weitwurfdüsen die zwischen Abluftturm und Gastronomiebereich
angeordnet reichen nicht über die gesamte Schwimmbadfläche, sondern verbleiben in Höhe des Abluftturmes über den sie abgesaugt werden. Dagegen bildet sich bei den Weitwurfdüsen im hinteren Bereich in
Höhe des Kinderbeckens der erwünschte breitgefächerte Warmluftschleier aus. Wie bereits die Gegenüberstellung der berechneten und der gemessenen Strömungsgeschwindigkeiten in Bezug auf die Schwimmhalle
zeigten, ist auch hier davon auszugehen, dass sich in der Realität erheblich größere Strömungsgeschwindigkeiten in Bezug auf die zum Abluftturm gerichteten Luftströmungen einstellen. Infolge der höheren Luftaustrittsgeschwindigkeiten und der damit verbundenen höheren Luftströmungsgeschwindigkeiten kann davon ausgegangen werden, dass sich in der Schwimmhalle Strömungslinien, wie sie in Abbildung 90 dargestellt sind ausbilden, jedoch dabei ein erheblich breitgefächerter Warmluftstrom über die gesamte Fläche des
Folienkissendaches ausbildet.
Abbildung 90
Strömungslinien zur Bewertung des Einflusses des Abluftturmes in der Schwimmhalle
8 Behaglichkeit für Besucher und Mitarbeiter
8.1
Grundlagen
Die optimale thermische Behaglichkeit stellt sich ein, wenn die Wärmeabgabe des menschlichen Körpers im
Gleichgewicht mit seiner Wärmeproduktion ist. Hieraus wird die Fanger’sche Behaglichkeitsgleichung [1]
abgeleitet, die eine Beziehung zwischen Aktivität und Kleidung (intermediäre Einflussfaktoren) sowie den
Bestimmungsgrößen der thermischen Umgebung (physikalische Einflussfaktoren) herstellt:


Intermediäre Einflussfaktoren
o Kleidung
o Tätigkeitsgrad
Physikalische Einflussfaktoren
o Raumlufttemperatur
o Temperatur der umgebenden Flächen
o Relative Luftfeuchte im Raum
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o
Luftgeschwindigkeit und ihre Turbulenz
Die vier physikalischen Einflussfaktoren bilden die Parameter für die Berechnung des sog. Behaglichkeitsfelds, das mit Hilfe der DIN EN ISO 7730 für stationäre Klimaverhältnisse bestimmt werden kann.
Die analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit erfolgt über die Berechnung
vom „vorhergesagten mittleren Votum“ (PMV) und dem „vorhergesagten Prozentsatz Unzufriedener“(PPD).
Der PMV ist ein Index, der auf dem Wärmegleichgewicht des menschlichen Körpers beruht, der auf einer
siebenstufigen Skala den Durchschnittswert für die Klimabeurteilung einer großen Personengruppe voraussagt. Um die Anzahl der Personen bestimmen zu können, die das Umgebungsklima wahrscheinlich als zu
warm oder zu kalt empfinden, wird der PPD genutzt. Tabelle 4 zeigt die Zusammenhänge zwischen der
empfundenen Klimabeurteilung und dem PMV- und PPD-Wert.
Tabelle 4
Beurteilung
heiß
warm
etwas warm
neutral
etwas kühl
kühl
kalt
Zuordnung der thermischen Empfindungen zum PMV- und PPD-Wert
PMV
+3
+2
+1
0
-1
-2
-3
PPD
99,1 %
76,8 %
26,1 %
5,0 %
26,1 %
76,8 %
99,1 %
In die Berechnung des PMV werden nachfolgende Gleichungsparameter einbezogen:






Energieumsatz
Bekleidungsisolation
Lufttemperatur
Mittlere Strahlungstemperatur
Luftgeschwindigkeit
Luftfeuchte
Im Gegensatz zu den Messgrößen (Temperatur, Luftfeuchte u. -geschwindigkeit, mittlere Strahlungstemperatur) können die Stoffwechselrate des menschlichen Metabolismus (1 met = 58,2 W/m²) und die
Bekleidungsisolation (1 clo = 0,155 m²C/W 0 normale Arbeitskleidung) nur abgeschätzt werden. Für die
Abschätzung der Stoffwechselrate und der Bekleidungsisolation findet sich in der DIN EN ISO 7730 eine
Aufstellung üblichen Aktivitäten und Bekleidungsszenarien.
Abbildung 91
Vorausgesagter Prozentsatz der mit dem Raumklima unzufriedenen Raumnutzer (PPD) in
Abhängigkeit von der vorhergesagten mittleren Klimabeurteilung (PMV) durch alle Raumnutzer
Seite 55 / 77
Nach DIN EN ISO 7730 gelten solche Personen als unzufrieden, die nach der Klimabeurteilungsskala mit
heiß, warm, kalt oder kühl urteilen, d.h. mindestens 80% der Nutzer müssen mit dem Raumklima zufrieden
sein (Abbildung 91).
Zusätzlich zu den nach Fanger berechenbaren Größen PMV und PPD gibt die DIN ISO 7730 weitere
Kriterien für behagliche klimatische Verhältnisse vor:






8.2
Schwülegrenze hinsichtlich der Luftfeuchtigkeit darf nicht überschritten werden
Luftgeschwindigkeiten müssen eng begrenzt sein
geringe Differenz zwischen Strahlungs- und Lufttemperatur
geringe Differenz zwischen Strahlungstemperaturen in verschiedene Richtungen (Strahlungstemperatur-Asymmetrie geringer als 5 Kelvin)
Raumlufttemperaturschichtung geringer als 2 Kelvin zwischen Kopf und Fußknöchel bei sitzenden
Personen
Empfundene Temperaturen im Raum dürfen sich nur um weniger als 0,8 Kelvin ändern
Behaglichkeitsberechnungen für die Schwimmhalle
Ein erheblicher Einfluss auf die thermische Behaglichkeit entsteht im Allgemeinen durch die Oberflächentemperaturen der umgrenzenden Bauteile. Aufgrund der Größe der Schwimmhalle ist dieser jedoch nicht
einheitlich bestimmbar, da innerhalb der Schwimmhalle mit einem großen Bewegungs- und Aktivitätsgrad zu
rechnen ist. Darüber hinaus ist durch den hohen Anteil transparenter Bauteile in allen Raumbereichen solare
Strahlungswärme und mit der Fußbodenheizung und den beheizten Sitzflächen zusätzlich Strahlungsflächen
vorhanden. Für die des PMV und PPD wird daher die mittlere Strahlungstemperatur mit der Lufttemperatur
gleichgesetzt. Im Rahmen einer Diplomarbeit am Fachgebiet für Werkstoffe im Bauwesen der TU Darmstadt
[5] wurden die Nutzerkennwerte für den Aktivitätsgrad mit 1,0 met und für die möglichen Bekleidungsisolationswert mit 0,05 clo für alle Bereiche der Schwimmhalle (Aufenthaltszonen und Laufwege) ermittelt und eine
erste Bewertung für in Schwimmhallen vorherrschende Temperaturen und zwei verschieden starken Luftströmungen vorgenommen. In Abbildung 92 wird deutlich, dass bei einer Luftströmungsgeschwindigkeit eine
thermische Behaglichkeit mit einem PPD < 10 % für relative Luftfeuchten im Bereich zwischen 40 % und 60
% bei Raumtemperaturen zwischen 28,2 °C und 29,5 °C entsteht.
Abbildung 92
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Für einen PPD < 15 % dürfen Temperaturen zwischen zwischen 29,8 °C und 27,6 °C nicht über- bzw. unterschritten werden. Dagegen liegt der Temperaturtoleranzbereich bei einer Luftströmungsgeschwindigkeit von
0,3 m/s für einen PPD < 10 % bei 29,7 °C bis 30,5 °C und für einen PPD < 15 % bei 29,4 °C bis 30,8 °C
(Abbildung 93).
Abbildung 93
Die mit dem Klimamoniroting erfassten klimatischen Verhältnisse an einem Holzbinder oberhalb des
Wellnessbecken klimatischen Verhältnisse für, z. B. den Wintermonat Dezember 2010 belegen, dass sich
die thermische Behaglichkeit während der Nutzungszeiten fast durchgängig mit einem PPD < 15% in einem
günstigen Bereich befindet, da hier aufgrund der sich einstellenden Strömungsgeschwindigkeiten von einer
durchschnittlichen Strömungsgeschwindigkeit von 0,3 m/s (Abbildung 95) ausgegangen werden kann und
somit für die operative Raumtemperatur, die in Abbildung 93 aufgezeigten Temperaturbereich maßgeblich
sind.
Abbildung 94
Strömungsverhältnisse an der Glasfront bei Binder 8 am Wellnessbecken im
Dezember 2010 ( RLT im Volllastbetrieb)
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Abbildung 95
Klimatische Verhältnisse 10 cm unterhalb von Binder 8 am Wellnessbecken im Dezember
2010 (behagliche Temperaturverhältnisse PPD < 15% - blau hinterlegt)
Deutlich schwieriger gestaltet sich die Bewertung in der Sommerperiode während einer Dachöffnungsphase.
Abbildung 96 zeigt hier exemplarisch die Klimaverhältnisse im Tagesgang im Bereich des Wellnessbeckens
unterhalb des Holzbinders.
Abbildung 96
Klimatische Verhältnisse 10 cm unterhalb von Binder 8 am Wellnessbecken im 12.06 2011
(Dach zeitweise geöffnet - blau hinterlegt, behagliche Temperaturverhältnisse PPD < 15%
orange hinterlegt)
In Abbildung 97 sind die sich während dieses Zeitraums einstellenden Strömungsgeschwindigkeiten dargestellt. Die aufgezeigten Strömungsgeschwindigkeiten zeigen, dass sich bei Öffnung der Glasfront und des
Daches deutlich höhere Strömungsgeschwindigkeiten einstellen, als im geschlossenen System.
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Abbildung 97
Strömungsverhältnisse an der Glasfront bei Binder 8 am Wellnessbecken am 12.06.2011
(Dach zeitweise geöffnet - blau hinterlegt)
Im Rahmen des Klimamonitoring wurden maximale Strömungsgeschwindigkeiten von bis zu 1,0 m/s aufgezeichnet. Aus Abbildung 97 ist jedoch auch zu ersehen, dass sich im Mittel eine Strömungsgeschwindigkeit
von 0,7 m/s einstellt, so der Bereich der operativen Raumtemperatur in Bezug auf die thermische Behaglichkeit Abbildung 98 entnommen werden kann. Im betrachteten Tagesgang kann beobachtet werden, dass die
Raumtemperatur infolge der Witterungsverhältnisse extrem ansteigt, so dass die Dachöffnung zu einer deutlichen Verbesserung des Raumklimas führt. Bis zur Mittagszeit stellen sich annähernd behagliche Temperaturverhältnisse ein, danach jedoch nicht mehr. Da die thermische Behaglichkeit jedoch ein sehr subjektiver
Eindruck und während des Monats Juni 2011 sehr warme Witterungsverhältnisse vorherrschten, kann davon
ausgegangen werden, dass die operative Temperatur in der Schwimmhalle nach einem sehr warmen Sommertag eher als entspannend empfunden wurde.
Abbildung 98
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Die durchgeführten Analysen der thermischen Behaglichkeit für die Schwimmhalle zeigen, dass bei einer
Strömungsgeschwindigkeit von 0,3 m/s (RLT-Anlage im Volllastbetrieb) bei relativen Luftfeuchten von 40 %
bis 60 % und einer Raumtemperatur von 30 °C thermisch behagliche Zustände mit einem PPD < 10% einstellen. Bei einer geringeren Luftströmung von 0,1 m/s, wie sie bspw. im Teilllastbetrieb der RLT-Anlage
entstehen kann, sollte die operative Raumtemperatur bei 29,5 °C (PPD < 10%) oder für einen PPD < 15%
bei 29,8 °C liegen.
Diese Randparameter zeigen, dass obwohl die sog. Schwülegrenze nach VDI 2089 Blatt 1 bei klimatischen
Verhältnissen von 30 °C und Raumluftfeuchte > 46 % überschritten ist, die thermische Behaglichkeit des
Nutzers nicht herabsetzt wird.
9 Gebäudesimulation mit IDA ICE
Im Rahmen einer am Fachgebiet Werkstoffe im Bauwesen der TU Darmstadt durchgeführten Bachelorthesis
[5] wurde der Energiebedarf der Schwimmhalle in Abhängigkeit zur raumseitigen relativen Luftfeuchte mit
Hilfe des Gebäudesimulationstool IDA ICE untersucht. Dieses Softwaretool ermöglicht die Abbildung des
Gebäudes mit deren genutzten Analgentechnik in Kontext zu den vor Ort im Jahresgang vorherrschenden
Witterungsbedingungen.
Die Analysen zu den Wechselwirkungen von raumseitigem Klima, Wasserverdunstungsmenge der verschiedenen Schwimmbecken der Schwimmhalle und äußeren Witterungsbedingungen wurden für verschiedene raumseitige relative Luftfeuchten bei einer Raumtemperatur von 30 °C durchgeführt. Die ausgewählten
Bereiche der relativen Luftfeuchtigkeit orientieren sich an realen klimatischen Bedingungen, d. h. die konstante Untergrenze der relativen Luftfeuchte beträgt 30 % und die Obergrenze wird je Simulationsberechnung zwischen 50 % und 80% variiert. Insgesamt wurden für diese Studie 10 Simulationsberechnungen
durchgeführt und als Ergebnis die jeweiligen Primärenergieverbräuche in Abbildung 99 dargestellt.
Abbildung 99
Primärenergiebedarf der Schwimmhalle in Abhängigkeit der Raumluftfeuchte
Die Übersicht über den Primärenergiebedarf in Abhängigkeit der Raumluftfeuchte zeigt, dass sich der Primärenergiebedarf der Becken bei steigender relativer Feuchte der Raumluft drastisch verringert. Der Energiebedarf der raumtechnischen Lüftungsanlage dagegen reduziert sich bis zu einer Raumluftfeuchte von
74 % und steigt danach, infolge des geringen Verdunstungsenergiezuflusses aus den Becken und dadurch
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notwendigen Verlustausgleich durch die RLT, wieder an. Die Betrachtung des gesamten Primärenergiebedarfs der einzelnen Simulationsberechnungen zeigt, dass bei relativen Luftfeuchten oberhalb 71 % der Primärenergiebedarf nur noch geringfügig absinkt.
Im Zuge der Simulationsberechnungen konnte auch festgestellt werden, dass relative Luftfeuchten die oberhalb von 71 % liegen trotz Programmvorgabe und auch einer gewählten Frischluftzufuhr von 20 % der Gesamtzuluft, sich nicht mehr über einen ganzen Jahresgang in der Schwimmhalle einstellen. Dies resultiert
aus der Tatsache, dass die Verdunstungsrate aus den Schwimmbecken zu gering ist, um eine konstante
Luftfeuchte zu erzeugen. Die Grenze in Bezug auf die Verdunstungsrate der Becken und der raumlufttechnischen Anlage liegt bei 68 % r. F. Ohne Berücksichtigung der bauphysikalischen Auswirkungen kann aus
energetischer Sicht davon ausgegangen werden, dass bei der vorhandenen raumlufttechnischen Anlage das
energetische Optimum bei 30 °C und einer relativen Luftfeuchte von 68 % liegt.
10 Energetische Ist-Situation der Kostentreiber
Mit Hilfe der im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Untersuchungen lässt sich verdeutlichen,
dass ohne ein Monitoring aller wesentlichen Zustandsgrößen, wie sie zur Beurteilung der Raumluftsituation,
zur Bewertung der Betriebsweise der diversen anlagentechnischen Regelkomponenten und auch zur differenzierten Analyse der Energieverbräuche von hochkomplexen anlagentechnischen Systemen erforderlich
sind, nur schwer charakterisiert werden können.
Die Inbetriebnahme und die im Berichtszeitraum möglichen Optimierungsprozesse zeigten, dass ohne eine
entsprechende Datenbasis selbst ein zuverlässiger Betrieb im angedachten Planungszustand nur unter äußerst positiven Randbedingungen möglich ist, da unterschiedlichste Kreise an dem Optimierungsprozess
mitwirken müssen. Die Interessenslage des Betreibers, der an einem wirtschaftlichen und damit energieeffizienten Betrieb interessiert ist, hat kaum Möglichkeiten, aktiv die Energieeffizienz zu beeinflussen. Hier greifen die in der GLT abgebildeten Regelszenarien. Oftmals lassen sich diese nur im Hinblick auf Raumluftzustände bewerten. Diese waren im Falle des Freizeitbades Kelsterbach im Untersuchungszeitraum aus Sicht
des Betreibers stets erfüllt. Ist die Raumluftqualität gegeben, gibt es für den Betreiber einer Anlage keinen
Grund, die Effizienz der Anlage in Frage zu stellen. Seitens des Anlagenbetriebs reicht es demgegenüber
aber nicht aus, nur die geforderten Zustandsgrößen der Raumluftqualität zu erfüllen. Hier gilt es Regelstrategien zu realisieren, mit denen die geforderten Raumluftzustandsgrößen zwar immer einzuhalten, dabei
aber die Energieverbräuche durch einen konditionierten und auf Energieeffizienz getrimmten Betrieb der
einzelnen Anlagenkomponenten auf ein Minimum zu begrenzen. Entsprechende Regelszenarien wurden
seitens der Planung entwickelt, die sich aber anhand der beobachteten Monitoringdaten überhaupt nicht
wiederfinden lassen. Seitens des Bauherren und der an der Planung und am Bau beteiligten werden nunmehr auf Basis des zweijährigen Monitorings und der vorliegenden Analysen und Bewertungen ein Weg
gesucht, ggf. erforderliche Nachbesserungen anlagentechnischer bzw. regeltechnischer Art vorzunehmen,
um in einem ersten Schritt zunächst die in der Planung angesetzten Energieverbräuche in den kommenden
Jahren zielsicher einhalten zu können. Seitens der Unterzeichner wird dabei angestrebt, das Monitoring
zumindest über diesen Zeitraum hinweg weiter vorzunehmen. Wichtig wäre es, über das reine Erfassen und
Speichern der Messdaten hinaus eine sofortige energetische und vom Raumzustand abhängige Bewertung
der Messdaten vorzunehmen und diese Daten und Bewertungsergebnisse auch zu visualisieren. Die Bewertungsergebnisse könnten auch in die Regelstrategiefindung einfließen, sofern entsprechende Schnittstellen
mit der GLT geschaffen werden können. Zumindest aber könnte dem Betreiber Informationen gegeben werden, welche Maßnahmen er unmittelbar ergreifen kann, um einen energieeffizienteren Betrieb der
Schwimmhalle etc. vorzunehmen.
Über die Fortführung des Monitorings hinaus und die Begleitung der weiteren Anlagenoptimierung, um die
ursprünglich angedachte energetische Effizienz des Freizeitbades Kelsterbach zu erreichen, werden bereits
aus den verfügbaren Daten weitere Optimierungspotenziale gesehen, die in der Planung errechneten Energieverbräuche noch weiter zu reduzieren. So sind folgende Möglichkeiten gegeben, weitere Absenkungen
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vorzunehmen, die anhand der Ausstattung auf GLT-Ebene und durch das ergänzende durch das Vorhaben
geförderte Monitoring auch zum Erfolg führen können.
So ist zunächst eine vom Bedarf abhängige Regelung der RLT1 anzustreben, die über die Einsparpotenziale
des Tag-Nacht-Betriebs hinaus eine drastische Reduzierung des Luftvolumenstroms zur Folge hätte.
Als weitere Einsparmöglichkeit wird die Anhebung der relativen Feuchte in der Schwimmhalle auf Werte bis
zu 65 % r. F. gesehen. Abgesehen der sehr kalten Wintertag, an denen die Dachkonstruktion bei erhöhter
Raumluftfeuchte einer Tauwasserbildung in der Dachkonstruktion ausgesetzt werden kann, ließen sich aber
durch eine stete Bewertung der Konstruktion, wie dies derzeit anhand des ergänzende Monitorings bereits
vorgenommen wird, In den Übergangsmonaten und in den Sommerphasen, an denen das Dach nicht geöffnet wird, lassen sich folglich weitere Energieeinsparungen mit einer Absenkung der Konditionierung des
Luftvolumenstroms erzielen.
Als eine weitere Möglichkeit den Energiebedarf zu reduzieren, ist die Erhöhung der Zahl und der Dauer der
Öffnung des Daches zu nennen. Auch hierzu werden im Zuge der weiteren Betreuung des Vorhabens dem
Eigentümer und dem Betreiber entsprechende Überlegungen unterbreitet, die dann auch messtechnisch
begleitet erprobt werden sollen.
11 Energetisches Optimierungspotenzial - Maßnahmenkatalog
Die im Rahmen des Forschungsprojektes durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die raumlufttechnischen Anlagen das größte Potenzial für den energieeffizienten Betrieb des Schwimmbades in Kelsterbach
bieten. Zusätzliche Energieeinsparungen können durch eine Erhöhung der relativen Luftfeuchte in der
Schwimmhalle von 60 % auf 64 % erzielt werden (vgl. Kapitel 9). Bei einer relativen Luftfeuchte von 64 % ist
der Schutz der Bauteile nach [3] noch gewährleistet jedoch wird bei einer Schwimmhallentemperatur von
konstant 30 °C die sog. Schwülegrenze nach [3] überschritten. Aufgrund der im Rahmen des Klimamonitoring in der Schwimmhalle erfassten Luftströmungsgeschwindigkeiten von im Mittel 0,3 m/s (vgl. Kapitel 7.3)
kann jedoch davon ausgegangen werden, dass sich trotzdem angenehme Klimaverhältnisse in der
Schwimmhalle einstellen. Dies zeigen auch, die in diesem Kontext durchgeführten Behaglichkeitsberechnungen. Abbildung 100 zeigt das Ergebnis der Berechnungen für eine Raumtemperatur von 30 °C bei einer
relativen Luftfeuchte von 64 % und einer Luftströmungsgeschwindigkeit von 0,3 m/s. Hierbei wird deutlich,
dass es sich hier um ein nahezu optimales Raumklima handelt, da selbst bei optimalen Klimabedingungen
der Prozentsatz der unzufriedenen Nutzer (PPD) nicht unter 5 % sinkt.
Abbildung 100 Behaglichkeitsdiagramm bei energieoptimierter relativer Raumluftfeuchte
(T = 30 °C; r. F. = 64 %, v = 0,3 m/s)
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Die beste Möglichkeit der Energieeffizienzsteigerung bietet die Betriebsweise der raumlufttechnischen Anlage der Schwimmhalle. Es ist zu vermuten, dass es aufgrund der bisherigen Betriebsweise
Die bisherige Betriebsweise der raumlufttechnischen Anlagen ermöglichen es nicht, das geplante energetisch günstige Niveau in Bezug auf die notwendige Wärmeenergie zu erreichen. Um den bisherigen Wärmeenergiebedarf zu reduzieren sind nachfolgenden Maßnahmen zwingend notwendig:

Ganzjährige bedarfsabhängige Volumenstromregelung unter Berücksichtigung der CO 2Konzentration in der Schwimmhalle, der Ablufttemperatur -und feuchte und der Kondensationsgefahr
der Dachkonstruktion.

Anpassung der Regelstrategie in Bezug auf die Abluft- und die Fortluftklappe, bedarfsabhängige
Regelung (Überprüfen der aktuellen Regelstrategie)

Klärung des hydraulischen Abgleichs von Um- und Außenluft

Frischluft sollte nur bedarfsabhängig, d.h. in Abhängigkeit der CO2-Konzentration in der Schwimmhallenluft, zugeführt werden

Im Sommerlastfall ist der Einsatz der PWW zu reduzieren

Abstimmung der statischen Heizsysteme auf die raumlufttechnischen Analgen
Die Umsetzung dieser Maßnahmen ist entscheidend für die Energieeffizienz des Schwimmbades. Nach der
Realisierung der zur Energieoptimierung angedachten Maßnahmen ist es ebenfalls notwendig ein Energiecontrolling über einen längeren Zeitraum durchzuführen, um so evtl. noch weitere Energieeinsparpotenziale identifizieren zu können oder auch plötzliche mögliche energetische „Ausreißer“ zeitnah erkennen zu
können.
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12 Anhang 1 - Schematische Darstellung der RLT-Schwimmhalle und der RLT Umkleide/Foyer [6]
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13 Anhang 2 - Geplanter Regelkreis für die RLT1 - Schwimmhalle [6]
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14 Anhang 3 - Geplantes Regelschema für RLT - Umkleide/Foyer [6]
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15 Anhang 4 - BacNet-Datenpunkte
device(2001)
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device(2002)
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device(33)
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Seite 71 / 77
Seite 72 / 77
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16 Literatur
[1]
DIN EN ISO 7730:2006-05: Ergonomie der thermischen Umgebung - Analystische Bestimmung und
Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und
Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005); Deutsche Fassung EN ISO
7730:2005
[2]
VDI 2089 Blatt 2:2009: Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern - Effizienter Einsatz
von Energie und Wasser in Schwimmbädern
[3]
VDI 2089 Blatt 1:2010: Technische Gebäudeausrüstung von Schwimmbädern - Hallenbäder
[4]
P. Ferraro: Bilanzierung der Energieflüsse zum Betrieb des Freizeitbades in Kelsterbach mittels dynamischer Gebäudesimulation unter Berücksichtigung des Öffnen des Hallendachs auf den Gesamtenergiebedarf; Diplomarbeit; Technische Universität Darmstadt; November 2010
[5]
D. Bewersdorf: Energetische Bilanz der Schwimmhalle Kelsterbach mit Variation der Luftfeuchte;
Bachelorthesis; Technische Universität Darmstadt; März 2011
[6]
K-Plan: Planungsunterlagen Freizeitbad Kelsterbach; April 2007
Seite 74 / 77

Monitoring und Betriebsoptimierung beim Freizeitbad Kelsterb

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