Effiziente Wärmespender

Wenn heute ein Schwimmbad geplant wird, beeinflussen wirtschaftliche Faktoren die Vorgehensweise. Welche finanziellen Mittel stehen augenblicklich zur Verfügung und mit welchem Aufwand muss zukünftig, also während des Betriebes, gerechnet werden?

Ein Schwimmbad bietet sehr viel Spaß, trägt zur Gesundheit und zum Wohlbefinden bei. Damit dies auch so bleibt, sollten frühzeitig elementare Planungskriterien mit berücksichtigt werden. Eines davon ist die Energie, welche notwendig ist, um ein Schwimmbecken zu beheizen. Wenn man nicht gerade von einem Saunatauchbecken redet, beträgt die Wassertemperatur in einem privat genutzten Hallenschwimmbecken rund 26–32 °C, in einem Außenbecken ist sie meist etwas geringer, rund 24–28 °C. Wer schon einmal mit der Hand eine dunkle, von der Sonne angestrahlte Fläche berührt hat, kann nachvollziehen, dass sich diese sehr warm anfühlen kann. Daran erkennt man, dass die Sonne eine sehr ergiebige Energiequelle darstellt. Warum also sollte man diese „kostenlose“ Energiequelle nicht auch anderweitig beispielsweise für die Schwimmbadwassererwärmung nutzen? Die solare Einstrahlung in Deutschland beträgt jährlich 1.000 kWh je m². Die Strahlung, die von der Sonne ausgeht, trifft nicht ausschließlich parallel und gerichtet auf. Die Sonneneinstrahlung setzt sich aus direkter (nicht gestreuter) und diffuser Strahlung (Streuung an Wolken, Dunst, Nebel) zusammen und wird als Globalstrahlung bezeichnet. Die Strahlungsintensität kann dabei je nach Region geringfügig variieren. Genaue Daten für einen speziellen Ort können beim Wetterdienst bezogen werden.

Interessant für den Besitzer eines Freibades sind die Sommermonate Mai bis August, wobei die Höhe der Sonneneinstrahlung zeigt, dass auch die Monate April und September noch genügend „Energie“ aufweisen. Für den Zeitraum Mai bis September liegt die durchschnittliche monatliche Sonneneinstrahlung bei rund 140 kWh/m². Für die Erwärmung des Schwimmbadwassers werden vor allem die sogenannten Schwimmbadabsorber eingesetzt. Hierbei durchströmt das filtrierte Badewasser direkt die Absorberplatten (direkte Schwimmbadwasserdurchströmung). Diese Absorbersysteme zeichnen sich durch eine einfache Installation, Handhabung, einen geringen Preis und hohen Wirkungsgrad aus. Das Ziel ist, möglichst viel Wasser durch die Absorberplatten zu führen, um das Beckenwasser schnell und gleichmäßig zu erwärmen. Diese Absorberplatten werden bevorzugt auf Dächern angebracht.

Ein weiteres System sind die Solarkollektoren. Der Aufbau ist hierbei aufwendiger. Der eigentliche mit Wasser oder Wärmeträger durchströmte Absorber befindet sich unter einer Verglasung. Damit wird die Wärmeausbeute erhöht, sodass auch höhere Temperaturen erreicht werden können. Diese Kollektoren werden überwiegend indirekt betrieben, das bedeutet, über einen zweiten Kreislauf mit einem Wärmeträger (beispielsweise Glykol-Wassergemisch) wird dieser erwärmt und gibt die Wärme in einem Wärmetauscher an das Badewasser ab. Die Kosten für diese Kollektoren betragen mindestens das Zwei- bis Dreifache gegenüber einem Schwimmbadabsorber und werden daher vor allem in der Brauchwassererwärmung eingesetzt.

Bevor eine sichere Werkstoffauswahl für die Solarabsorber getroffen werden kann, müssen verschiedene Anforderungen berücksichtigt werden: UV-beständig, badewasserbeständig, hitzebeständig, gute Absorptionsfähigkeit, geringes Füllvolumen, frostsicher, geringer Durchflusswiderstand und geringes Eigengewicht. Hervorzuheben sind insbesondere die Badewasser- und UV-Beständigkeit. Denn zum einen werden die Absorber dauerhaft von dem Badewasser von „innen“ beaufschlagt und zum anderen durch die Sonneneinstrahlung dauerhaft von „außen“.

Das Badewasser ist aus Gründen der notwendigen Desinfektions- und Oxidationswirkung für sämtliche Materialien eine Herausforderung. Jahrelange Erfahrungen zeigen, dass sich das Material Polypropylen (PP) dabei als sehr zuverlässig und standfest erwiesen hat. Nicht zuletzt werden aus Polypropylen beispielsweise auch Vorratsbehälter für Chemikalien oder sogar komplette Schwimmbecken hergestellt. Auch Polyethylen (PE) wird als Absorberwerkstoff eingesetzt. Ein weiterer Werkstoff, aus dem Schwimmbadabsorber hergestellt werden, ist Ethylen-­Pro­pylen-­Dien-Monomer (EPDM) – ein Elastomer. Dieser Werkstoff ist biegsam und im Vergleich zu Polypropylen frostsicherer. Erfahrungen zeigen jedoch, dass sich je nach Qualität des Badewassers und des Kunststoffes Ablösungen zeigen können.
Häufig empfehlen Hersteller von EPDM-Absorber den Einbau eines zusätzlichen Filters, um den Eintrag von Ablösungen in das Schwimmbecken zu vermeiden. Der Aufbau von Absorbern unterscheidet sich im Material, Verhältnis angestrahlte Fläche zu Wasservolumen, Plattenstärke, Gewicht und Anschlüsse.

Bei der Auswahl von Absorbersystemen sollte neben dem Material auch auf Punkte wie Stabilität, Wärmeausbeute und Entleerbarkeit geachtet werden. Die Entleerung der Absorber ist aus zwei Gründen sehr wichtig: Erstens wegen der Frostgefahr (gefrierendes Wasser dehnt sich aus!) und zweitens kann stagnierendes Wasser in den Leitungen zu Verkeimungen und Ablagerungen führen.Die erforderliche Anzahl oder Größe an Absorberplatten richtet sich vor allem nach der Lage des Beckens, dem Vorhandensein einer Schwimmbeckenabdeckung, gewünschter Wassertemperatur sowie der Lage der Absorber. Je nach Hersteller können die Angaben dabei variieren. Diese gelten dabei üblicherweise für einen Badewassertemperaturbereich von 25–28 °C. Handelt es sich um ein Freibad mit einer Wasserfläche von 32 m² sowie einer vorhandenen Abdeckung, werden Schwimmbadabsorber mit einer Gesamtfläche von 32 m³ x 0,7 = 22 m² benötigt. Der Faktor 0,7 ist ein üblicher erfahrungsbasierter Wert, mit dem eine erste Auslegung erfolgen kann.

Hinzu kommt nun die Frage: Wie werden die Absorber angeordnet? Aufgrund der Sonneneinstrahlung in den Sommermonaten wäre eine nach Süden ausgerichtete Anordnung mit einer Neigung von 30 ° zur Waagrechten ideal. Dies ist jedoch nicht immer möglich, weshalb zur einfachen Planung Korrekturfaktoren zur Ermittlung der erforderlichen Absorberfläche herangezogen werden. Bei der Anordnung von Absorbern sollte auch darauf geachtet werden, ob Bäume, hochwachsende Pflanzen oder mögliche Neubauten die zukünftige Einstrahlung behindern können. Es ist nicht selten der Fall, dass nach einigen Jahren die Wärmeleistung der Absorber zurückgeht, wegen eines neuen Hauses auf Nachbars Grundstück oder weil die Tanne statt 3 m nun 8 m aufweist und damit einen unerwünschten Schattenspender darstellt. Damit später möglichst hohe Wirkungsgrade und ein einwandfreier Betrieb gewährleistet werden, sind einige Gesichtspunkte bei der Installation zu beachten.

Damit die Platten gleichmäßig und vollflächig durchströmt werden, müssen die Zuleitungen und die Rückläufe so sein, dass überall in etwa gleiche Rohrleitungswiderstände vorliegen (Tichelmann-Prinzip). Zudem ist auf die Rohrleitungsführung zu achten: Die Absorber müssen von unten nach oben durchströmt werden. Nur dann können diese auch vollständig entlüftet werden. Die Be-/Entlüftung ist an die höchste Stelle des Systems zu setzen. Luft im System verursacht zum einen störende Geräusche und zum anderen wird dadurch der Wirkungsgrad gesenkt. Sofern einfach zugänglich und möglich, kann eine ungleichmäßige Durchströmung dadurch festgestellt werden, indem man mit der Hand die Fläche abtastet. Stellen, welche nicht oder nur unzureichend durchströmt werden, erwärmen sich viel stärker, da die Wärme mangels Wasser nicht abgeführt werden kann.

Je nach Lage der Absorberplatten sind Rohrleitungswiderstände und Förderhöhen durch die Pumpe zu überwinden. Oftmals reichen bestehende oder Standardschwimmbadpumpen aus. In besonderen Fällen kann es jedoch erforderlich sein, eine etwas stärker bemessene Pumpe einzusetzen. Bei bestehenden Anlagen sollte man sich vom Hersteller die Kennlinie der Pumpe geben lassen. Die Befestigung auf dem Dach oder auf anderen Flächen ist nach Rücksprache beispielsweise mit einem fachkundigen Dachdecker auszuführen.

Je nach Ziegelform oder Dachkonstruktion gibt es unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten. Unabhängig davon sollte jedoch generell darauf geachtet werden, dass die Befestigung so erfolgt, dass eine Längenänderung durch Temperaturschwankungen berücksichtigt wird. Ebenfalls sollten die Platten bei einer waagrechten oder nur leicht geneigten Anordnung bei einer Außerbetriebnahme und Überwinterung leicht zu entleeren sein. Nicht zu vergessen ist, dass die Befestigung auch unter dem Gesichtspunkt starker Windeinflüsse zu erfolgen hat (auch als Wind-/Sturmsicherung bezeichnet).

Für die Steuerung kommt eine Differenztemperaturregelung zum Einsatz. Es wird dabei die Temperatur am Absorber mit der Temperatur im Schwimmbecken verglichen. Zusätzlich wird am Temperaturregler eine Differenztemperatur voreingestellt. Beispiel: gewünschte Badewassertemperatur 26 °C. Diese Temperatur wird als Solltemperatur am Regler eingestellt. Die Temperaturdifferenz wird beispielsweise auf 5 K eingestellt. Die Badewasserumwälzpumpe oder die Filteranlage wird nun eingeschaltet, wenn die gewünschte Badewassertemperatur (26 °C) noch nicht erreicht ist und die Temperatur am Absorber höher ist als die Summe aus aktueller Badewassertemperatur plus Temperaturdifferenz. Denn nur dann ist eine ausreichende Temperaturdifferenz am Absorber vorhanden, um das Badewasser zu erwärmen. Umgekehrt schaltet die Anlage aus, wenn die Summe aus momentaner Badewassertemperatur und Temperaturdifferenz kleiner ist als die gewünschte Badewassertemperatur (26 °C).
Unabhängig von der Temperaturregelung ist sicherzustellen, dass die Badewasseraufbereitung entsprechend der Beckengröße, Beckenlage und Belastung täglich mehrere Stunden betrieben wird, um dauerhaft ein hygienisch einwandfreies Badewasser zu erhalten.

Für ein privates Außenschwimmbad soll ein Schwimmbadabsorber ausgelegt und die Wirtschaftlichkeit und Effizienz dargestellt werden: Außenschwimmbad 8 x 4 x 1,4 m (Wasserfläche 32 m², Wasserinhalt 45 m³) mit Oberflächenreiniger (Skimmer) und Abdeckung. Anbringung der Absorber auf einer nach Süden geneigten (60°) Fläche. Die erforderliche Absorberfläche errechnet sich für dieses Beispiel wie folgt:
= 32 m² (Wasserfläche) x 0,7 x 1,2 = 27 m². Je nach Hersteller schwanken die Preise im Bereich von rund 175–200 €/m² Absorberfläche. Darin enthalten sind auch die Kosten für die Montage und die Temperatursteuerung. Kosten für Schwimmbadabsorber inkl. Montage und Steuerungstechnik liegen damit bei circa 4.700,00 €. Bei einem Heizölpreis von circa 0,5 €/l, einer notwendigen Wärmemenge (Mai bis September) von 16.200 kWh (Heizwert von Heizöl rund 10 kWh/l) sowie einem Wirkungsgrad von 85 % entspricht dies Heizölkosten von (16.200 kWh ÷ 10 kWh/l) x 0,5 €/l ÷ 0,87 = rund 930,00 €/Jahr.

Damit liegt die Amortisationszeit bei rund fünf Jahren. Die Amortisationszeit sinkt jedoch erheblich, wenn beispielsweise ein vorhandenes Innenbad mit bereits vorhandenem Wärmetauscher – betrieben über die zentrale Hausheizung – mit einer Solaranlage ergänzt wird. Denn damit steht während des ganzen Jahres die Sonnenenergie zur Verfügung. In den kälteren Monaten weniger, aber immerhin so viel, dass damit der Öl- oder Gasbedarf für den vorhandenen Wärmetauscher reduziert wird. Dies gilt auch für Außenbäder, die über einen längeren Zeitraum betrieben werden. Auch in der kalten Jahreszeit scheint die Sonne. ▯

Autor: FRANK EISELE

Dipl.-Ing./Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH)
Der Autor ist von der IHK Region Stuttgart öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für Schwimmbad- und Wellnesstechnik sowie Technische Gebäudeausrüstung für Schwimmhallen und Mitglied in zahlreichen nationalen und europäischen Normungsgremien. Zudem ist er Präsidiumsmitglied im Bundesverband Schwimmbad & Wellness (bsw) und Vorsitzender des Technischen Beirates im bsw.