Anlass und Ziele
Die vorhandene elektrische Warmwasserbereitung reichte im laufenden Betrieb nicht aus, um genügend Duschwasser zur Verfügung zu stellen. Zudem konnte der bestimmungsgemäße Betrieb der Trinkwasseranlage nicht gewährleistet werden. Im Freibad Manderscheid ist kein konventioneller Wärmeerzeuger vorhanden. Die Beheizung der Schwimmbecken erfolgte ausschließlich über zwei Solarabsorberanlagen. Der mit den installierten Absorberanlagen mögliche Wärmegewinn reichte oftmals nicht aus, um die Temperaturverluste in den Becken auszugleichen.
Ziel war es eine zusätzliche Wärmequelle ins System einzubinden, die unter Einsatz regenerativer Energie, beide Probleme beheben kann. Im Laufe der Planungen kam die Idee hinzu die Solaranlage im Winter zur Forstfreihaltung der Gebäude zu nutzen.
Projektbeschreibung
Ausgangssituation vor Umsetzung der Maßnahme
Das Familienfreibad Manderscheid umfasst eine Fläche von ca. 10.000 qm mit Schwimmer-, Nicht-Schwimmer- und Babybecken, Liegewiesen, Technik- und Umkleidegebäuden, sowie Schwimmmeister-Wohnung und Kiosk, siehe auch Abbildung 1. Das Freibad ist in der üblichen Saison von Mitte Mai bis Mitte/Ende September für Besucher geöffnet. Das Schwimmbad wurde im Jahr 2007 mit Gebäuden, Schwimmbadtechnik und Becken saniert. Zur Beheizung der Schwimmbecken war kein konventioneller Wärmeerzeuger vorhanden. Die Beheizung erfolgte rein regenerativ über zwei Solarabsorber-Anlagen von 240 qm auf dem Umkleide-/Technikgebäude und 40 qm auf dem Technikpavillon, siehe hierzu auch Abbildung 2. Hiermit gingen im Freibadbetrieb Probleme einher. Der mit den installierten Absorberanlage mögliche Wärmegewinn reichte oftmals nicht aus, um die Temperaturverluste in den Becken auszugleichen. An trüben Tagen stand der Schwimmmeister vor der Entscheidung, ob Schwimmerbecken oder Nichtschwimmer-/Babybecken mit der zur Verfügung stehenden Energie versorgt und auf Temperatur gehalten wird. Hierzu kommen noch zwei erschwerende Aspekte, die nicht beeinflusst werden können. Nichtschwimmer- und Babybecken haben einen gemeinsamen Schwallwasserbehälter, was zur Folge hat, dass sich Temperaturen der beiden Becken über den Behälter immer wieder angleichen. Weiter dürfen Schwimmerbecken und Nichtschwimmer-/Babybecken nicht parallel von der Solaranlage versorgt, da beide über eigene Filteranlagen verfügen. Dies ist damit begründet, dass im Schwimmerbecken erheblich weniger Verunreinigungen in das Wasser gelangen, als in den beiden anderen Becken. Durch die geringe zur Verfügung stehenden Wärme aus den Solarabsorbern, war es somit auch schwierig zunächst ein Becken und im Anschluss ein anderes zu beheizen. Hierfür musste eine weitere Wärmequelle mit einer höheren Leistung her.
Im Umkleidegebäude befinden sich die sanitären Einrichtungen. Unter anderem gibt es für Herren und Damen je 3 Duschen, sowie eine behindertengerechte Dusche. Die Warmwasserbereitung hierfür erfolgte elektrisch über einen 300-Liter-Warmwasser-Boiler. Im laufenden Freibadbetrieb zeigte sich, dass die Warmwasserbereitung für die Duschen nicht ausreichend ist. Dies hatte zur Folge, dass es Beschwerden seitens der Badbesucher über kaltes Duschwasser gab. Des Weiteren ist das Schwimmbad als öffentliche Einrichtung aufgrund eines Leitungsinhaltes von mehr als 3 Litern als Großanlage einzustufen. Nach DVGW-Arbeitsblatt W 551 müssen Großanlagen für einen bestimmungsgemäßen Betrieb so konzipiert sein, dass am Austritt des Warmwassererwärmers 60° C gewährleistet sind. Das Wasser am Eintritt der Zirkulation darf nicht mehr als 5 K kälter sein. Die Einhaltung dieser Vorgaben war mit der bestehenden Anlage nicht möglich. Eine empfohlene, regelmäßige thermische Desinfektion, bei der an jeder Zapfstelle über drei Minuten eine Temperatur von mind. 70° C ausfließen soll, war ebenfalls nicht möglich.
Da in den Gebäuden kein konventioneller Wärmeerzeuger vorhanden war, waren auch keine Heizkörper vorhanden. Auch wenn das Bad über die Winterzeit nicht in Betrieb ist, so müssen die Gebäude zum Schutz der Bausubstanz mindestens insoweit beheizt werden, dass die Frostfreiheit gewährleistet ist. Gerade im Technikbereich mit Warmwasserbereitung und schwimmbadtechnischen Anlagen ist dies zwingend notwendig. Im Bestand erfolgte diese Beheizung über Elektrokonvektoren.
Errichtung einer Freiflächen-Solarthermieanlage
Anfang des Jahres 2019 wurden die Sanierungsmanager der Verbandsgemeinde gebeten, Möglichkeiten zu untersuchen, die energetische Situation und vorliegende Probleme im Badbetrieb, möglichst unter Einbindung erneuerbarer Energien, zu verbessern. Bereits nach den ersten Überlegungen stand fest, dass das zusätzliche Beheizen der Becken über fossile Brennstoffe ökologisch und ökonomisch nicht zu vertreten ist. Nach Erarbeitung verschiedener Varianten und Vorstellung im Werkausschuss wurde der Beschluss gefasst eine 45 qm Freiflächen-Solarthermieanlage zu errichten.
Die Solarthermieanlage wurde ähnlich wie PV-Freiflächenanlagen im Gelände aufgeständert. Grund hierfür ist, dass bereits alle Dächer mit der Solarabsorberanlage belegt sind und diese aufgrund des guten Zustandes in dieser Form weiterbetrieben wird. Zur Sicherung der Anlage, aber auch zum Schutz der Besucher, vor allem von Kindern, wird die Anlage noch eingezäunt. Die Leitungen vom Kollektorfeld bis in die Technikzentrale sind in der Erde verlegt. Unter anderem konnte dadurch die Zufahrt von der Straße auf das Schwimmbadgelände beibehalten werden.
Die einzelnen Aufgaben, die von der Anlage übernommen werden sind im Folgenden beschrieben.
Sommerbetrieb (Freibad-Saison)
Bereitstellung Duschwasser:
Die von der Solaranlage bereitgestellte Energie wird im ersten Schritt in zwei 1.500 Liter Pufferspeicher eingespeist. Dadurch kann genügend Wärme vorgehalten werden, um über eine Frischwasserstation ausreichend Warmwasser für die Duschen zur Verfügung zu stellen. Für den Fall, dass nicht genügend Solarenergie zur Verfügung steht und zur thermischen Desinfektion ist ein elektr. Heizstab vorhanden. Dieser kann bei Bedarf die fehlende Temperaturdifferenz zwischen Puffertemperatur und gewünschter Warmwassertemperatur ausgleichen. Die Technik wurde auf durchschnittlich 100 Duschen pro Tag ausgelegt und erreicht nach der Simulation einen solaren Deckungsanteil von 67 %. Die konstante Warmwasserbereitstellung und somit der bestimmungsgemäße Betrieb der Trinkwasseranlage ist also nicht nur gewährleistet, sondern wird auch zu zwei Dritteln aus regenerativer Sonnenenergie gedeckt.
Einspeisung in Schwimmbecken:
Die entstehende Solarthermieanlage mit einer Kollektorfläche von 45 qm ist auf einen möglichst hohen Deckungsanteil für die Trinkwassererwärmung ausgelegt. Dies hat zur Folge, dass es in Zeiten, in denen die Duschen nicht oder nur wenig genutzt werden, ein Überangebot an Wärme aus der Solaranlage entsteht. Um diese Energie zu nutzen ist die neue Anlage in die bestehende Solarabsorberanlage eingebunden. Die Pufferspeicher und zugehörige Technik der neuen Solarthermieanlage wurden im Technikbereich, am Umkleidegebäude anschließend, installiert. In diesem Technikraum verlaufen auch die Rohrleitungen der bestehenden Absorberanlage, ehe sie über erdverlegte Leitungen zu den Becken führen. Es wird ein Teil des bereits in der Solarabsorberanlage aufgeheizten Beckenwassers abgeführt, über einen Wärmetauscher mit der aus der neuen Solaranlage zur Verfügung stehenden Solarenergie erwärmt und dem Beckenwasserkreislauf wieder zugeführt. Durch diese zusätzliche Wärmequelle, wird ein schnelleres und individuelleres Aufheizen der einzelnen Schwimmbecken möglich. Da die Leitungen der bestehenden Absorberanlage ohnehin durch den Technikraum verlaufen, mussten keine zusätzlichen erdverlegten Leitungen zu den Becken geschaffen werden. Den Effekt bzw. die Beckenwassererwärmung kann leider nicht in einer Simulation veranschaulicht werden, da dies keine Standardanwendung darstellt und die vorhandene Simulations-Software an ihre Grenzen stößt.
Winterbetrieb
Da das Freibad nur in der Saison zwischen Mitte Mai und Ende September geöffnet ist, wurde überlegt wie die Solaranlage über den Winter genutzt werden kann. Die Lösung ist die Frostfreiheit des Gebäudes mit solarer Wärme zu realisieren. Hierzu wurde die Heizlast des Technik-, Umkleide- und Kioskgebäudes für die Frostfreihaltung berechnet und daraufhin ein Heizkörpernetz ausgelegt und installiert. Die vorhandenen Elektrokonvektoren sind entfallen. Bei einem Überangebot an solarer Wärme werden die Räume nicht nur frostfrei gehalten, sondern auch mehr geheizt. Damit sollen Schwachlastzeiten der Solarthermieanlage überbrückt werden. Das Gebäude mit seiner Bausubstanz dient somit im weitesten Sinne als „Wärmespeicher“. Zusätzlich ist ein elektrischer Heizstab vorhanden, der die fehlende Energie zur Frostfreihaltung bereitstellen kann. Auf den Gesamtenergiebedarf des Gebäudes mit Warmwasserbereitung gesehen, kann laut Simulation somit ein Deckungsanteil von 14,7 % erreicht werden. Betrachtet man die Wintermontage für sich alleine konnte errechnet werden, dass der Energiebedarf für die Heizung mit 3.244 kWh aus Solarenergie und 3.282 kWh über den Heizstab gedeckt werden. Dies entspricht einem Deckungsanteil an der benötigten Heizenergie von knapp 50 %.
Empfehlungen
Die Besonderheit des Projektes bestand darin, Lösungen zu finden die klassische Heiz- und Warmwasseranlage mit der Schwimmbadtechnik zu koppeln. Entstanden ist somit eine Solaranlage deren erzeugte Wärme zu 100 % ausgeschöpft und genutzt wird. Zudem kommt das Freibad Manderscheid weiterhin ohne konventionellen Wärmeerzeuger aus.