Schwimmbadwassererwärmung:
Angenehm baden
- Systeme, Leistungen und Eigenschaften
Arten der Beckenwasser - Erwärmung
Solarabsorber
Wärmepumpe
Elektrowärmetauscher
Warmwasser Wärmetauscher (Rohrwendel & Plattenwärmetauscher)
Sonne
Planungskriterien eines Freibad
Standortbestimmung
Das Freibad sollte architektonisch als Gartenbestandteil der jeweiligen
Umgebung angepasst sein.
Folgende Einflussfaktoren sind zu berücksichtigen:
Wind Das Becken soll vor zu starkem Wind abgeschirmt werden – besonders nachts –
aufgrund der starken Verdunstung – entstehen hohe Wärmeverluste
Sonne Die Sonne sollte zur direkten Erwärmung des Beckens so intensiv wie möglich genutzt
werden. (Himmelsrichtung von Ost – Süd – West)
Planungskriterien eines Freibad
Nutzungsverhalten vom Kunden
Schwimmt jeden morgen von Mai bis September
Schwimmt das ganze Jahr
Schwimmt bei nur bei Sonnenschein
Die Lage des Freibades
Geschützter Lage
Bei einer geschützten Lage befinden sich mindestens an zwei Seiten in
Beckennähe hohe Mauer oder Gebäudeteile
Windgeschwindigkeit 1m/s = 3,6km/h
Die Lage des Freibades
Teils geschützter Lage
Bei teils geschützter Lage wird das Becken durch Bäume oder Sträucher
geschützt
Windgeschwindigkeit 2,0m/s = 7,2km/h
Die Lage des Freibades
Freie Lage
Bei freier Lage ist das Becken rundum frei;
dieses sollte jedoch möglichst vermieden werden
Windgeschwindigkeit 4,0m/s = 14,4km/h
Globales Energiesystem
Durchschnittliche Globalstrahlung in Deutschland
1361-1380
1341-1360
1321-1340
1301-1320
1281-1300
1261-1280
1241-1260
1221-1240
1201-1220
1181-1200
1161-1180
1141-1160
1121-1140
1101-1120
1081-1100
1061-1080
1041-1060
1021-1040
1001-1020
981-1000
Köln 1100kWh/m²
pro Jahr
=
3,06kWh/m²/Tag
In den Sommermonaten liefert die Sonne in Deutschland
täglich ca. 5kWh pro m² = 208Wm²/h
klarer blauer
Himmel
Sonne bricht
durch
Sonne als weiße
Scheibe
trüber
Wintertag
Wärmetechnische Grundlagen :
1 l Öl entspricht etwa 10 kW Primärenergie
( 8 kW effektive Heizenergie )
1 m³ Wasser benötigt man 1000 kcal. zur Erwärmung um 1°C
860 kcal entsprechen 1 kW ( 1000 Watt )
Zur Erwärmung von 1 m³ Wasser um 1°C werden 1,16 kW (Faustformel 1,2 kW) benötigt.
Ergebnis:
Ein 50 m³ Becken benötigt ca. 60 kW Heizleistung um es um 1°C zu erwärmen.
Heizölverbrauch ca. 60kW/8KW = 7,5l Öl
Wärmezugewinn durch Sonneneinstrahlung
Daraus ergib sich für ein Schwimmbad mit einer Fläche von 32m², bei klaren blauen Himmel (5kwh/m²) folgende Berechnung:
Qgew. = 5kwh/m² Tag * 32m² = 160kwh/Tag
Daraus ergib sich für ein Schwimmbad mit einer Fläche von 32m², Sonne bricht durch (3kwh/m²) folgende Berechnung:
Qgew. = 3kwh/m²/Tag * 32m² = 96khw/m²/Tag
Wärmezugewinn ca. 1,8 Grad
Wärmezugewinn ca. 3 Grad
Wärmeverluste nach Lage des Schwimmbades ohne Abdeckung
Geschützte Lage Wind 1 m/s = 274W/m² (Wärmeverluste)
Teils geschützte Lage Wind 2m/s 433W/m² (Wärmeverluste)
Freie Lage Wind 4m/s 749W/m² (Wärmeverluste)
Qverl. = 274Wm/² * 32m² * 24h = 210kwh
= 26,30 Öl
Qverl. = 433Wm/² * 32m² * 12h = 332kWh
= 41,57 Öl
Qverl. = 749Wm/² * 32m² * 24h = 575KWh
= 71,90l Öl
bei 24 Grad C Beckenwasser mittlerer Temperatur von Mai -September von 15,8 Grad C und 73%
Luftfeuchte nach Recknagel/Sprenger
Wärmeverluste nach Lage des Schwimmbades mit Abdeckung
Geschützte Lage 1 m/s = 274W/m² (Wärmeverluste)
Teils geschützte Lage 2m/s 433W/m² (Wärmeverluste)
Freie Lage 4m/s 749W/m² (Wärmeverluste)
Qverl. = 274Wm/² * **20% * 24h = 42,08kwh
= 5,26 Öl
Qverl. = 433Wm/² * **20% * 24h = 66,50kWh
= 8,31 Öl
Qverl. = 749Wm/² * **20% * 24h = 115,04KWh
= 14,38l Öl
bei 24 Grad C Beckenwasser mittlerer Temperatur von Mai -September von 15,8 Grad C und 73%
Luftfeuchte nach Recknagel/Sprenger **20% der Wasseroberfläche
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
550
600
210,43 kW
26,04 l 42,06 kW
5,36 l
332,54 kW
51,46 l
66,5 kW
8,31 l
575,23 kW
71,90 l
115,04 kW
14,38 L
Wärmebilanzübersicht
Angaben in
kW und L
Solar Absorber
EPDM:
In den unterschiedlichsten Lieferformen erhältlich. Als Röhrchen oder Plattensystemen, fertig montiert oder als Bausatz.
Vorteil:
Sehr flexible dimensionierbar, somit kann die Dachfläche optimal ausgenutzt werden. Die Profile sind durch den Werkstoff EPDM weich und damit frostsicher.
Nachteil:
EPDM ist nicht chemikalienbeständig dadurch können sich aus dem Material Partikel lösen. Ein nachträgliches Wechseln einzelner Bahnen ist bei den meisten Systemen nur schwer zu realisieren.
Absorber Material
Plattenkollektoren:
Fast alle aus schwarzem Polypropylen gefertigt. Meist Doppelstegplatten mit oben und unten angeschweißten Verteilerrohren oder auch als Rippenrohr erhältlich.
Vorteil:
Preiswerte Kollektoren in verschiedenen Plattengrößen erhältlich. Hohe Chemikalienbeständigkeit.
Nachteil:
Nur bestimmte Größen erhältlich. Und Frostgefahr, bei 0°C. Dadurch sind diese Systeme für Flachdächer eher nicht geeignet.
Absorber Material
TPE:
TPE ist ein thermolastischer Elastomer. Ein Kunststoff mit gummiähnlichen Eigenschaften.
Vorteil:
Sehr flexible dimensionierbar, somit kann die Dachfläche
optimal ausgenutzt werden. TPE ist wesentlich beständiger
gegen Chemikalien wie EPDM. Sammelrohre sind ebenfalls
aus diesem Material gefertigt, dadurch entsteht eine erhöhte
Frostsicherheit. Das nachträgliche Auswechseln einzelner
Bahnen ist einfach und mühelos möglich.
Material
Nachteil:
Relativ teureres Material, die Montage ist oft sehr aufwendig.
Querschnitte Absorber Profile
Profile und Montage von Solar Absorber
Als „grobe“ Faustformel gilt:
Becken ohne Abdeckung 100% Schwimmbadoberfläche in m² = Kollektorfläche in m²
Becken mit Abdeckung 60-70% Schwimmbadoberfläche in m² = Kollektorfläche in m² Freibad
Der Wärmebedarf für eine Schwimmbadwasser-Erwärmung im Freibad hängt stark von den Nutzungsgewohnheiten ab.
Die überschlägige Ermittlung des Wärmebedarfs ist abhängig von Windlage des Beckens, der Beckentemperatur, den klimatischen Bedingungen, der Nutzungsperiode und ob eine Abdeckung der Beckenoberfläche vorliegt.
Für die Erstaufheizung des Beckens auf eine Temperatur von über 20 °C ist eine
Wärmemenge von ca. 12 kWh/m³ Beckeninhalt erforderlich. Je nach Beckengröße und installierter Heizleistung sind damit Aufheizzeiten von ein bis drei Tage erforderlich.
Berechnungsgrundlage für Solar Absorber
Auslegung der Solar Absorber
Optimale Lage 30 Grad ; Richtung Süden
Druckverlust im Durchschnitt
Der Druckverlust im beträgt 0,003 bar bei 200 l/h x m²
Durchfluss im Kollektor
Der Wasserdurchfluss sollte zwischen 120 und 180 l/h x m² liegen
Einsatz bei Frostgefahr
Da die Kollektoren direkt mit Wasser (ohne Frostschutzmittel) durchflossen
werden, muss im Winter die Anlage entleert werden.
Hinweise
Durchschnittliche Wassertemperaturen mit und ohne Solar Absorber
Wassertemperatur in ° C
10°
15°
20°
25°
30°
Temperaturverlauf mit Solarheizung
Temperaturverlauf ohne Solarheizung
Größe der Solaranlage 70%
der Beckenoberfläche
Mai Juni Juli August September
Wirkungsgradkennlinie
Schema Solaranlagen:
Manueller Betrieb
Wetterlage bewölkt
Kugelhähne zum und vom
Absorber geschlossen.
Kugelhahn direkt zum
Schwimmbad auf.
Manueller Betrieb
Wetterlage sonnig
Kugelhähne zum und vom
Absorber auf. Kugelhahn
direkt zum Schwimmbad zu.
Automatischer Betrieb
Wetterlage bewölkt
Kugelhähne stromlos und
geschlossen. Wasser geht direkt
ins Becken
Schema Solaranlagen:
Automatischer Betrieb
Wetterlage sonnig
Kugelhahn hat Spannung und
öffnet Wasser geht über die
Absorber in das Becken
Automatischer Betrieb
Wetterlage bewölkt
Filterpumpe stromlos
Wasser fließt direkt ins Becken
Schema Solaranlagen:
Automatischer Betrieb
Wetterlage sonnig
Filterpumpe hat Spannung
Wasser fließt über die Absorber
in das Becken
Wärmepumpen
Funktionsweise von Wärmepumpen
Wärmepumpen arbeiten prinzipiell wie Kühlschränke, allerdings mit umgekehrter
Wirkungsweise.
In einem geschlossenen Kreislauf befindet sich in der Wärmepumpe eine FCKW-freie Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit sehr niedrigem Siedepunkt. Diese wird durch den Verdampfer bei niedrigen Temperaturen verdampft und nimmt dabei Wärme auf. Durch die Kompression des Verdichters wird das Temperaturniveau des Dampfes weiter erhöht und gelangt so in den Verflüssiger. Ein Wärmetauscher gibt die Wärme des Dampfes an das Heizmedium ab. Der Dampf wird hierbei verflüssigt (Kondensation). Durch ein Entspannungsventil wird der Druck weiter abgebaut; das so abgekühlte Kältemittel wird wieder vollständig verflüssigt und dem Verdampfer zugeführt. Hier beginnt der Kreislauf
erneut.
Funktionsprinzip der Wärmepumpe
Der COP-Wert (Coefficient Of Performance) definiert das Verhältnis von
abgegebener Wärmeleistung (kW) zu aufgenommener (elektrischer)
Antriebsleistung unter Prüfbedingungen (das heißt beim bestimmten
Temperaturverhältnissen und zu festgelegten Zeitpunkten). Der COP-
Wert wird zum Beispiel bei Elektrowärmepumpen angegeben.
COP Wert
Beispiel:
Elektrische Aufnahme 1,5kW
Abgegebene Wärmeleistung 4,5kw
COP - Wert 3
Installationsbeispiel für
Wärmepumpe
Auslegung Wärmepumpe
Schwimmbadmaße 8,00 x 4,00 x 1,5m
Volumen 43,2m³
Wärmeverlust ca. 2 Grad pro Tag
Mit Abdeckung
Laufzeit 10 h
Faustformel 1,2kw um 1m³ um 1 Grad zu erhöhen
Leistung Wärmepumpe =Volumen x Wärmeverlust / Laufzeit
Leistung Wärmepumpe = 43,2 x 2 / 10 = 8,64KW
Wahl der Wärmepumpe 9kw
Leistungsbereiche mit ohne Abdeckung
Es lohnt sich, auf Wärme schnell zu reagieren Warmwasser Wärmetauscher
37
Elektrische und Warmwasser Wärmetauscher
Glattrohrwärmetauscher QWT, SWT
38
Elektrische und Warmwasser Wärmetauscher
Supercharged (Kreuzdrahlprofil) QWT, SWT
39
Elektrische und Warmwasser Wärmetauscher
Rippenrohrwärmetauscher KsWt
40
Elektrische und Warmwasser Wärmetauscher
Plattenwärmetauscher TSE, TSC
41
Elektrische und Warmwasser Wärmetauscher
Elektrische Wärmetauscher EWT
42
Elektrische und Warmwasser Wärmetauscher
Glattrohrwärmetausche GWT
Vorlauftemperaturen Wärmetauscher Ein entscheidender Aspekt ist zu der Vorlauftemperatur
den richtigen Wärmetauscher zu wählen
Vorlauftemperaturen zwischen 70 -80 C °
Rohrwendel Wärmetauscher Serie QWT
Hausheizung fossile Brennstoffe
Vorlauftemperaturen zwischen 50 – 60 C °
Rohrwendel Wärmetauscher Serie SWT
Brennwerttechnik, Niedertemperaturheizung
Vorlauftemperaturen 50 C ° und niedriger
Plattenwärmetauscher TSC
Luft-, Wasser- und Solewärmepumpe
Vorlauftemperaturen zwischen 60-70C °
Rippenrohr Wärmetauscher Serie KstW
Hausheizung fossile Brennstoffe
Flächenvergleich Wärmetauscher
Wärmetauscher Serie QWT 100 – 40KW Vorlauf 70 C °
Fläche = 0,176m²
Wärmetauscher Serie SWT 100- 40KW Vorlauf 50 C°
Fläche = 0,705m²
Wärmetauscher Serie KstW 100- 47KW Vorlauf 60 C°
Fläche = 0,502m²
Wärmetauscher Serie TSC 510 P27 HH Vorlauf 40 C°
Fläche = 1,2m²
Welches Material für welches Wasser Chloridbeständigkeit
Wärmetauscher Material V4A 1.4571 Standard
< Chlorid 500mg/l
pH Wert 6,8 – 8,2
freies Cl < 1,3mg/l
Wärmetauscher Titan
< Chlorid 21000mg/l = 3,5% Salzgehalt (Nordsee)
pH Wert 6,8 – 8,2
Freies cl unbegrenzt
Wärmetauscher Material Aloy 59
< Chloridwert 5000mg/l
pH Wert 6,8 – 8,2
freies cl < 1,2mg/l
Chloridrechner
Wärmeverluste durch Verkalkung
Plattenwärmetauscher können auf Dauer Verkalkung
(Kapillare)
Eine 1mm starke Kalkschicht mindert die Wärmeübertragung um 10%
Bei geschraubten Plattenwärmetauscher, kann man diesen in alle Einzelteile zerlegen, reinigen, Dichtungssatz erneuern und wieder montieren.
Gründe können zu hoher pH Wert, zu hoher Carbonathärte (Kalkausfällung)
Wird verursacht durch: Hydrogencarbonate des Calciums & Magnesiums
Dem kann man entgegenwirken, in den Plattenwärmetauscher rechtzeitig reinigt.
Wärmeverluste durch Verkalkung
Rohrwendelwärmetauscher sind verkalkungsfrei.
Durch glatte Oberfläche der Wendel im Primärkreis (Heizungswasser)
Durch hohe Geschwindigkeit im Sekundärkreis der (Badewasser)
Verschmutzung nicht möglich, da der Wärmetauscher nach dem Filter verbaut ist
Volumenströme z.B. QWT 100- 40, Primär 2,0m³/h Sekundär 10,0m³/h
Volumenströme z.B. PWT 35KW, Primär 1,52m³/h Sekundär 1,51m³/h
Schwimmbad
Filteranlage
Wärmetauscher
Dreiwegeventil
Kaltwassere
Warmwassere
Nachheizung
Elektrode
Steuerung
Warmwasser
Pumpe
Wasserspeicher
Schema Brauchwasser mit Schwimmbad
Durchflussprinzip von QWT, SWT
Leistungskurven QWT100 20 – 104KW
Leistungskurven SWT100 20 – 52KW
Leistungskurven WTI100 20 – 104KW
Installationsbeispiel QWT & SWT unterhalb der
Wasserlinie
Installationsbeispiel QWT & SWT oberhalb der Wasserlinie
Installationsbeispiel EWT Elektrowärmetauscher unterhalb der Wasserlinie
Installationsbeispiel EWT Elektrowärmetauscher oberhalb der Wasserlinie
Leistungskorrekturkurve
Leistungsberechnungen für Wärmetauscher
Die Leistung des Wärmetauschers zur Erwärmung von Schwimmbadwasser richtet sich nach der
vorhandenen Heizleistung in Verbindung mit der Heizmitteltemperatur der gewünschten
Beckenwasser-Temperatur und der Aufheizzeit. Die Aufheizzeit beträgt bei kleineren und mittleren
Becken ca. 2-3 Tage und bei großen 3-5 Tage.
Bei Therapie-Bewegungsbecken kann die Aufheizzeit je nach Kundenwunsch auch bei 1 Tag und
darunter sein.
Becken 4,00 x 8,00 x1,35m = 43,2 m³ - Heizung von 12 auf 28 Grad in 36h
Die Heizleistung des Wärmetauschers errechnet sich nach folgender Formel:
QS = V · C (tB – tK) + Zu (ZU = 32m² * 433W/m² = 13,85kW
Za
QS = Leistung des Wassererwärmers bei Dauerbetrieb in W
V = Beckenwasservolumen in l
C = spezifische Wärmekapazität des Wassers in Wh/(kg·K)
= 1,163 Wh/(kg·K)
tB = Beckenwassertemperatur in °C
tK = Temperatur des Beckenfüllwassers in °C
(Temperaturdifferenz in K)
Za = geforderte Aufheizdauer in h
ZU = Zuschlagsfaktor für den stündlichen
Wärmeverlust während der Aufheizdauer ohne
Beckenwasserabdeckung im:
Hallenbad ≈ 120 W/m2
Freibad, freie Lage ≈ 750 W/m2
teils geschützte Lage ≈ 433 W/m2
geschützte Lage ≈ 280 W/m2
QS = 43,2 · 1,163 (28 – 12) + 13,85kW = 36,17kW
36 Berechnungsprogramm
Leistungsberechnungen für Wärmetauscher
Daten Leistungsberechnungen Wärmetauscher
Leistungskurven GWT 300 – 510KW
Behncke GmbH
Michael-Haslbeckstr. 14
D – 85640 Putzbrunn/München