Einleitung
Der Betrieb des Meerwassererlebnisbades Juist verursacht hohe und steigende Kosten, wobei die Energiekosten einen großen Anteil haben. Bei der gleichzeitigen hohen Bedeutung für die Bevölkerung und den Tourismus ist ein Schwimmbad aber unverzichtbar.
Daher wurde nach Einsparmöglichkeiten gesucht, um einen kostengünstigeren Betrieb zu erreichen.
Da ein entscheidendes Einsparpotential bei den Energiekosten liegt und diese vornehmlich bei der Beckenheizung entstehen, wurde hier dieser Bereich genauer untersucht. Für die Beckenbeheizung wurden bis dato nur herkömmliche Energieformen eingesetzt, obwohl diese Energie in Form von solarer Einstrahlung in ausreichender Menge zur Verfügung steht.
Daher wurde untersucht, ob der Einsatz einer Absorbersolaranlage zur Beheizung des Beckens möglich ist. Aufgrund der Erfahrungen des Projekteuers Claus-Dieter Büscher, der zwischenzeitlich das „Energiekontor Emden“ gegründet hat, konnte auf das Wissen aus anderen Bädern zurückgegriffen werden. In anderen Bädern hatte er bereits Absorbersolaranlagen mit Wärmepumpen konzipiert. Jedoch lag beim Hallenbad Juist der Anspruch erheblich höher, da das Erlebnisbad mit Meerwasser betrieben wird. Daher wurden höchste Ansprüche an den zum Einsatz kommenden Materialien gestellt.
Auswahl von Technologien
Eingesetzt wurden ein Solarabsorber zur direkten Wassererwärmung und eine Wärmepumpe zur Temperaturerhöhung. Als Wärmequelle dient dort ein Solarabsorber.
Solarabsorber
Solarabsorber sind Rohrsysteme, die direkt auf dem Dach installiert werden. Die Rohre werden vom zu erwärmenden Wasser durchströmt, wobei das Wasser von der Sonne erwärmt wird. Eine Verbesserung ist die Verwendung von Polypropylen (PP)-Rippenrohren.
Bei diesen wird zum einen die Oberfläche vergrößert und zum anderen eine turbulente Strömung im Rohr erzeugt, wodurch die Wärmeübertragung verbessert wird.
Der Absorber ist hydraulisch auf möglichst geringen Druckverlusten ausgelegt. Dies geschieht durch große Rohrdurchmesser und eine Aufteilung der Absorberbahnen, die eine gleichmäßige Durchströmung ermöglicht, z.B. durch Einhaltung des Tichelmann – Prinzips.
Die verwendeten PP-Rippenrohre können direkt vom Beckenwasser durchströmt werden.
Das ist möglich da sie gegenüber dem Beckenwasser, das auch Lösungen aus Salzen, Säuren und Laugen enthalten kann, beständig sind. Eine weiterer Vorteil ist, dass PP recycle bar ist.
Hinweis: Durch das gewählte Material brauchten keine weiteren Anforderungen hinsichtlich der Seewasserbeständigkeit getroffen werden. Aufgrund der direkten Lage zur Nordsee, dürfen nur seewasserbeständige Materialien eingesetzt werden.
Die Rohre sind schwarz um die Absorption der Sonnenstrahlen zu erhöhen. Ein Vorteil der Absorber ist, dass das zu erwärmende Wasser direkt durch die Rohre strömt, wodurch kein Wärmetauscher erforderlich ist. Dieses Verfahren reduziert Verluste.
Die Konstruktion des Absorbers besteht aus einem Stecksystem, bei dem die Rippenrohre mit am Dach befestigten Klemmen montiert werden. Ein Vorteil dieser Befestigung ist die Sturmsicherheit, was besonders bei der Lage auf einer Insel wichtig ist. Auch der Sturm Kyrill, der am 18. Januar 2007 auf die Nordseeinsel traf und dort Windgeschwindigkeiten von bis zu 225 km/h erreichte, konnte der Absorbersolaranlage nichts anhaben.
Bei hoher solarer Einstrahlung reicht diese aus, um das Wasser auf die benötigte Temperatur zu erwärmen. Die Zeit, in der ein Solarabsorber wirtschaftlich eingesetzt werden kann, wurde durch eine Simulation berechnet. Die solare Einstrahlung am Standort auf der Insel Juist beträgt dabei, aufgrund der geographischen Lage, bis zu 1000 W/m2. Der Wärmeertrag des Solarabsorbers liegt auf Juist bei ca. 1000 kWh/m2 pro Saison.
In der Sommerzeit liegt die Differenz zwischen Umgebungstemperatur und mittlerer Absorbertemperatur, bedingt durch mittlere Temperaturen von 15 – 20 °C, im Bereich von
2 – 10 K. Bei diesen Einsatzbedingungen weisen Kollektor und Absorber einen ähnlichen Wirkungsgrad auf.
Das Diagramm stellt die Verläufe der Wirkungsgrade von Kollektor und Absorber bei unterschiedlichen Temperaturdifferenzen zwischen Wassertemperatur im Absorber TF (27-40)°C und Umgebungstemperatur TU dar.
Der Absorber der eingesetzt wurde ist, aufgrund seiner einfachen Bauweise, günstiger als z.B. ein verglaster Kollektor.
Hinweis: Aufgrund der gewählten Technologie mit Wärmepumpe ist nur der Einsatz von Solarabsorbern sinnvoll.
Wärmepumpentechnologien
Für das Erlebnisbad Juist wurde eine ausgereifte Wärmepumpentechnologie gewählt. Im vorliegenden Fall sind die Kriterien für die Auswahl, die Kosten und ein wartungsarmer Betrieb, da die Anlage aufgrund der Insellage nicht immer erreichbar ist. Daher kam eine elektrisch betriebene Kompressionswärmepumpe zum Einsatz, die schon in hohem Maße verfügbar ist, was einen weiteren Vorteil darstellt.
In einer Kompressionswärmepumpe wird ein FCKW-freies Kältemittel in einem geschlossenen Kreislauf zum Transport von thermischer Energie, von einem niedrigen auf ein hohes Temperaturniveau genutzt. Zur Wärmeaufnahme wird zuerst flüssiges Kältemittel
vor dem Verdampfer durch ein Expansionsventil durch einen schnellen Druckabfall abgekühlt. Da das abgekühlte Kältemittel eine niedrigere Temperatur, als das zu kühlenden Medium (z.B. Wasser) hat, nimmt der Verdampfer die Energie aus dem zu kühlenden Medium auf, wobei das Kältemittel verdampft und sich erwärmt. Danach wird das Kältemittel in einem Kompressor auf hohen Druck und hohe Temperatur verdichtet. Das gasförmige Kältemittel wird dann im Verflüssiger abgekühlt, wobei die Wärme an das zu erwärmende Medium (z.B. Wasser) abgegeben wird. Die abgegebene Energiemenge besteht aus der aufgenommenen Wärme und der durch den Kompressor zugeführten elektrisch Energie.
Dann fließt das wieder flüssige Kältemittel zurück zum Expansionsventil.
Durch die Kombination einer Wärmepumpe mit einem Absorbersolarfeld werden sehr hohe Wirkzahlen für die Wärmepumpe erreicht, weil eine entsprechend hohe Eingangstemperatur durch den Absorber vorhanden ist Daher werden Wirkzahlen, welches das Verhältnis zwischen der eingesetzten Energie und der abgegebenen Energie darstellt, von bis 8 erreicht.
Wärmepumpenanlage der Fa. Conergy, Leistung ca. 200 kW
Hinweis: Da alle Materialien auf Juist mit der Pferdekutsche transportiert werden ist dieses mit Sicherheit erwähnenswert.
Betrieb mit einem Verdichter
Temperatur Temperatur
Wärmequelle ( Dach) Wärmeempfänger (Becken) Wärmeleistung Strom Volumenstrom
Vorlauf Rücklauf Vorlauf Rücklauf Kw L1 L2 L3 m³/h
13,7 10,4 32,2 30,0 149 33,8 36,6 36,4 56,7
19,0 14,9 32,8 30,1 176 35,4 38,3 38,3 56,7
21,5 17,3 33,0 30,2 190 36,2 39,4 39,6 56,7
20,3 15,9 32,8 30,6 190 36,9 39,9 39,8 56,7
17,9 14,0 31,6 29,2 162 35,4 37,6 37,5 56,7
22,5 18,8 33,5 30,6 190 36,6 39,6 39,9 58,5
Zuzüglich während des Betriebes 3 Umwälzpumpen 2x 1,6Kw (a 3,4A)
1x 3,0Kw (6,2A)
Betrieb mit zwei Verdichtern
Wärmequelle ( Dach) Wärmeempfänger (Becken) Wärmeleistung Strom Volumenstrom
Vorlauf Rücklauf Vorlauf Rücklauf Kw L1 L2 L3 m³/h
16,5 9,7 34,5 30,0 292 71,5 76,5 76 56,7
19,7 11,7 34,7 30,1 305 73,5 78,2 78,6 56,7
19,2 12,4 34,8 30,2 312 74,7 79,9 75,9? 56,7
18,5 12,0 34,7 30,0 315 73,6 79,0 78,8 56,7
17,3 10,0 33,5 29,1 295 72,0 77,2 75,3? 56,7
18,5 11,2 33,7 29,2 300 71,9 77,5 77,0 56,7
20,0 12,2 35,2 30,6 312 76,9 82 81,3 56,7
Zuzüglich während des Betriebes 3 Umwälzpumpen 2x 1,6Kw (a 3,4A)
1x 3,0Kw (6,2A)
Energetische, ökologische und wirtschaftliche Betrachtungen
Zum Vergleich der Wirtschaftlichkeit für den Betrieb mit und ohne Wärmepumpe, für den Kessel Betriebskosten von 0,537 EUR / kWh, für Gas und für die Wärmepumpe 0,11 EUR / kWh für elektrischen Strom angenommen. Daraus ergeben sich unter Berücksichtigung der Leistungszahlen der Wärmepumpe (s. Abb. 10) nachfolgende Tabellen.
EUR EUR EUR
Monat Absorber Kessel
März 0 3711 3711
April 0 3083 3083
Mai 0 2586 2586
Juni 0 2575 2575
Juli 0 2736 2736
August 0 2661 2661
September 0 3156 3156
Oktober 0 3711 3711
November 0 3627 3627
Dezember 0 3748 3748
Januar 0 0 0
Februar 0 3385 3385
Jahr 0 34979 34979
Monatliche Betriebskosten Absorber und Kessel 0
10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000
März April Mai Juni Juli August September Oktober November Dezember Januar Februar
Energiemengen
Absorber + WPA Kessel
Monat Absorber WPA 25°C WPA 20°C WPA15°C Kessel Kosten/Monat
März 0 239 260 148 1874 2521
April 0 222 340 161 1088 1811
Mai 0 150 306 443 375 1273
Juni 0 251 370 268 181 1070
Juli 0 269 382 295 187 1134
August 0 259 382 277 187 1106
September 0 193 459 464 363 1479
Oktober 0 100 428 572 1124 2224
November 0 96 237 429 1814 2576
Dezember 0 0 0 0 3748 3748
Januar 0 0 0 0 0 0
Februar 0 0 0 0 3385 3385
Jahr 0 1779 3165 3057 14327 22328
Monatliche Betriebskosten für Absorber Wärmepumpe und Kessel
Vergleich der monatlichen Betriebskosten für beide Varianten
Das ergibt jährliche Betriebskosten von 34.979 € ohne - und 22.328 € mit Wärmepumpe. Die Kosten für die Installation der Wärmepumpe betragen 76.220, 87 € und für den Absorber 61.157 €.
Die Kosten für einen zusätzlichen Kessel betragen 70.000 EUR
Betriebskosten ohne WP 34879 EUR/a Betriebskosten mit WP 22328 EUR/a
Einsparung 12551 EUR/a
Installationskosten WP 76220,87 EUR Erforderliche Laufzeit 6,07 a Wirtschaftlichkeit
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
März Mai Juli September November Januar
nur Absorber mit WPA
Das Bedeutet das sich nach 6 Jahren Betriebsdauer, die zusätzliche Investition durch die Einsparungen bei den Betriebskosten wieder ausgeglichen haben. Dabei ist mit einer gesamt Einsatzzeit der Wärmepumpe von 15 Jahren zu rechnen.
Aus ökologischer Sicht, ist besonders die Einsparung von Primärenergie entscheidend. Dabei ist der Gasverbrauch direkt zu berücksichtigen und die Elektrische Energiemenge mit dem Faktor 3 zu multiplizieren, welcher sich aus den Verlusten bei Energieumwandlung und Transport ergibt. Da die Anlage für das Erlebnisbad mit Wirkzahlen für die Wärmepumpe mit bis zu 8 betrieben wird und die jährliche Wirkzahl bei höher 5 liegt, ist die Anlage auch in der ökologischen Betrachtung ein Gewinn für die Umwelt.
Luftkollektoranlage
Luftkollektoranlage Hersteller: Fa. Grammer, Amberg
Neben dieser Maßnahme wurden jedoch auch noch andere regenerative Energiequellen genutzt.
Üblicherweise sind weitere, große Wärmeverbraucher in Hallenbädern die Lüftungsanlagen. Um die Kosten für den Betrieb der Lüftungsanlagen zu minimieren, wurde dort eine Luftkollektoranlage für den Zuluftbereich eingesetzt. Durch diese Kollektoren wird bei Sonnenschein ein gewisser Außenluftanteil durch die Sonne vorgewärmt und somit die Außenlufttemperatur für die Luftanlagen erhöht. Diese Kollektoranlage hat eine Größe von ca. 200 m². Aufstellflächen waren im Bereich der ersten Flachdachebene vorhanden. Diese Kollektoren wurden aus seewasserbeständigem Material hergestellt und verfügen lt. Herstellerangaben über eine Standzeit von mehr als 25 Jahren. Die Anbindung dieser Kollektoren erfolgt an das vorhandene Luftsystem. Alle erforderlichen, auf dem Dach montierten, Luftleitungen werden aus seewasserbeständigem Material ausgeführt.
Wirtschaftlichkeitsprognose - Hallenbad-
Juist
nach VDI 2067-1/VDI 6025
Luftkollektor 200m²
Solaranlage inkl. Montagesystem 65.023 EUR
Richtwert – Luftführungszubehör 15.000 EUR
Richtwert - Montage der Solaranlage 6.500 EUR
Ingenieurleistungen 8.804 EUR
Anlagenkosten: 95.327 EUR
abzüglich Fördermittel (bis zu 135 EUR/m²) -27.000 EUR
Netto - Investitionssumme: 68.327 EUR
Lebensdauer: 20 Jahre
prognostizierter Solarertrag pro Jahr: 101.150 kWh/a Jahresnutzungsgrad des konv. Heizsystems (Annahme): 75,0%
Primärenergieeinsparung in kWh: 134.867 kWh/a
Primärenergieeinsparung: (Erdgas) 13.487 m³/a
Preis kWh - konventionell, zu zahlen von Kommune: 0,0370 EUR/kWh
Kosteneinsparung pro Jahr: 4.990 EUR/a
statische Amortisationszeit:(ohne Energiepreiserhöhung) 13,7 Jahre
Nachbetrachtung:
Durch den Einsatz regenerativer Energien ist es gelungen den Energieverbrauch für das Hallenbad Juist um ca. 35 % zu senken. Diese Maßnahme auf der Nordseeinsel Juist zeigt, dass sich der Einsatz dieser Technologien rechnet. Weiterhin ist es natürlich so, dass die Sonne keine Preiserhöhungen hat.
Zusätzliche Informationen: Pressemitteilung
Juist:
In der Bauausschusssitzung wurde beschlossen: das Erlebnisbad erhält eine Solaranlage. Die Weichen für den zukünftigen Betrieb des Erlebnisbades wurden am Donnerstagabend im Bauausschuss gestellt. In den letzten Jahren stiegen die Energiekosten für den Betrieb des Hallenbades drastisch, und zusätzliche Steigerungen bei den Energiekosten sind zu erwarten. Aus diesem Grunde wurde ein Planungsbüro aus Emden beauftragt, ein Energiekonzept für das Erlebnisbad aufzustellen. Dieses Energiekonzept wurde im Rahmen einer öffentlichen Ratssitzung durch den Projekteur Claus-Dieter Büscher vorgestellt. Demnach sollen verschiedene regenerative Energiesysteme eingesetzt werden. Zur Beheizung des Beckenwassers soll eine Solarabsorberanlage mit Wärmepumpentechnik zur Ausführung kommen. Diese Technik wird bereits seit vielen Jahren in Freibäder verwendet. Durch die ständig steigenden Energiekosten wurden die Absorbersolaranlagen immer wirtschaftlicher, erläuterte Herr Büscher im Rahmen seines Vortrages. Ein weiterer großer Kostenfaktor im Hallenbad sind die Lüftungsanlagen. Für diese Anlagen wird eine Luftkollektoranlage errichtet. Diese werden im unteren Bereich des Hallenbades montiert. Durch weitere Maßnahmen soll der Energieverbrauch von Strom gesenkt werden. Dazu werden die entsprechenden Anlagen optimiert. Der Bauausschuss und der Bürgermeister Wederhake gehen davon aus, dass sich diese Maßnahmen positiv im Bereich des Tourismus auswirken werden. Die Insel Juist ist, durch den Einsatz von regenerativen Energien im Bereich des Erlebnisbades, Vorreiter. Mit der Maßnahme soll umgehend begonnen werden, um die Betriebskosten schnell zu senken und den Haushalt dauerhaft zu entlasten. Ohne diese Maßnahmen zur Energiekostenreduzierung wäre der Betrieb des Erlebnisbades sehr schwierig geworden, zumal das Erlebnisbad ein wichtiger Bestandteil zum touristischen Angebot der Inselgemeinde ist. Die Gesamtkosten für die Maßnahmen belaufen sich nach den Kostenschätzungen auf ca. 300.000 €
