| Die Beheizung von Schwimmbädern mit Sonnenenergie |
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Zusammengetragen von Andreas Burfeind von WOGE-Aktiv Sie haben sich für ein Schwimmbad entschieden und stehen nun vor der Frage, Das Wasser muss beheizt werden!.
Zunächst lassen Sie uns kurz einen kurzen Ausflug in die Welt der Pool-Erwärmunsmöglichkeiten machen, um zu sehen, welches System am Sinnvollsten ist. I. Heizen mit Strom
II. Heizen durch eine Wärmepumpe
III. Heizen über Wärmetauscher über die Zentralheizung.
IV. Die günstigste Methode ist die Erwärmung mit Sonnenenergie.
Inhalt:
1. Eine solare Erwärmung ist auch bei uns sinnvoll.Zunächst wollen Sie natürlich wissen, was eine Solaranlage für einen Nutzen bringt. Um dies deutlich zu machen haben wir hier in Grafik die die jährliche Energiezufuhr der Sonne auf 1 m² Erdoberfläche belegt. GlobalstrahlungUnter der Globalstrahlung versteht man die Summe aus direkter Sonnenstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung auf die horizontale Fläche. Es ist leicht verständlich, daß die Globalstrahlung von der Sonnenhöhe, der Seehöhe, der Trübung, der Bewölkung und Feuchtigkeit etc. abhängt und somit selbst in der Bundesrepublik große Unterschiede aufweist. Der Verlust durch Streuung mit Aerosolen ist für die Globalstrahlung geringer als bei der direkten Sonnenstrahlung doch kann bei hohen Staubkonzentrationen (z.B. industrielle Verdichtungsräume) die Globalstrahlung insbesondere bei niedriger Sonnenhöhe durchaus um 30% reduziert werden. Die mittlere Jahressumme der Globalstrahlung beträgt z.B. in Stuttgart-Hohenheim für den 30jährigen Zeitraum 1961 bis 1990 402 kJ/cm², was einem Durchschnittswert der jährlichen Strahlungsleistung von 127 W/m² oder 1116 kWh/m² Jahr entspricht. In der nachfolgenden Abbildung wird die Verteilung der durchschnittlichen Sonnenscheindauer und der jährlichen Energielieferung der Sonne auf 1 m² Erdoberfläche für den Bereich der Bundesrepublik Deutschland dargestellt. Die Sonnenschein-dauer umfaßt hier die Spanne zwischen 1300 und 2000 Jahresstunden, während sich die Globalstrahlung zwischen den Werten 780 bis 1240 kWh/m² Jahr bewegt.
2a. Welchen Energiebedarf benötige ich zur Erwärmung?Nachfolgende Grafik zeigt den Verlauf der Wassertemperaturen in der Saison 1998 ohne die Solaranlage gegenüber der Wassertemperatur in der Saison 1999 mit solarer Beckenerwärmung. Wobei das Jahr 1999 höhere Durchschittswerte hatte als 1998. Die beiden Kurven verdeutlichen trotzdem den Nutzen beim Vergleich der jeweils erreichten Höchstwerte. Mit der Solaranlage ist eine Verlängerung der Saison um ca. 2 - 3 Monate bei wesentlich höherem Komfort erreicht worden.
2b. Wieviel Energie benötige ich zur Erwärmung?Die Faktoren Wasservolumen (Beckeninhalt), die Temperatur und die benötigten Energie für Temperaturänderungen stehen natürlich in klar definierten physikalischen Zusammenhängen. Zum besseren Verständnis. Für die Erwärmung von 1 l Wasser um 1° C. benötigt man die Energie von 1,16 Watt oder auch 1 kcal. Berechnung: Wenn man nun den Inhalt des Schwimmbeckens in Kubikmetern (m²) durch 0,86 dividiert erhält man den Wärmebedarf für eine Temperaturerhöhung um 1° C in Kilowattstunden. Beispiel: Becken Bali mit 42 m² soll um 1° erhöht werden. 42 m² / 0,86 = 50 kWh Dies ist natürlich kein einmaliger Beitrag den wir Leisten müssen, sondern diese Energie muss immer wieder hineingesteckt werden um die Verluste durch Verdunstung, nächtliche Abkühlung oder Abkühlung bei geringeren Außentemperaturen auszugleichen sind. 3. Woraus setzt sich eine Solaranlage zusammen?Im Schwimmbadbereich unterscheiden wir Kollektoren und Absorber. Die Berechnung der benötigten Absorberflächen ist von verschiedenen Faktoren abhängig: a) vorhandener Platz Größe:Für die Berechnung einer Solaranlage ist die Wasseroberfläche (m²) als Basisgröße gängig. Die Faustformel geht davon aus: Das Verhältnis Absorberfläche (m²) zu Wasserfläche (m²) liegt zwischen 0,6 : 1 bis 1,2 : 1, je nach Gegebenheit. Grundsätzlich gilt jedoch, so groß wie möglich, empfohlen ist ein Flächenverhältnis von 1 : 1, dann hat man genügend Heizfläche für Frühjahr und für Herbst. Im Frühjahr und Herbst ist die tägliche Sonnenscheindauer mehrere Stunden kürzer als im Sommer und die Sonne steht auch nicht mehr so hoch am Himmel. Das bedeutet, die Heizleistung nimmt ab. AusrichtungOptimal ist die Ausrichtung der Absorberfläche nach Süden mit einer Neigung zwischen 0° und maximal 45°. Wenn dies nicht möglich ist, muss man die Absorberfläche je nach Abweichung noch einmal um den Faktor 1,1 bis maximal 1,4 korrigieren. Bei Ost-West ausgerichteten Dächern kann man mit zwei getrennten Absorberflächen arbeiten, die von der Solarsteuerung umgeschaltet werden können!
Eine Variante ist die Nutzung der vorhandenen Filterpumpe und Ansteuerung über ein Dreiwegeventil durch die Solarsteuerung. Ist dies nicht möglich, wird ein separater Wasserkreislauf mit eigener Pumpe aufgebaut. Welchen Weg man wählt ist stark abhängig von der Leistung der vorhandenen Pumpe. Eine sehr wichtige und leider oft vernachlässigte Größe ist die Wasserdurchflussmenge durch den Absorber. Lesen sie dazu mehr im nächsten Abschnitt!
Einfachste Lösung:Solar Control "Sunset"
Man benötigt man noch einen Belüfter und eine automatische Entleerung, sowie einen Absperrhahn. Der Belüfter ist erforderlich damit die Anlage beim Stillstand leerlaufen kann. Die Entleerung ist für den Saisonabschluß notwendig. In den PVC-Rohren darf kein Wasser stehen bleiben, da diese nicht frostfest sind. Die Absorber sind in der Regel alle frostfest bis mindestens – 50°C. Der Absperrhahn dient zur Einregelung des Warmwassers zum Schwimmbecken. Ohne Hahn zieht das schnell fallende Wasser Luft über den Belüfter durch den Absorber. Dies muss jedoch unbedingt vermieden werden, da erwärmte Luft lange nicht soviel Energie tragen kann wie erwärmtes Wasser! Der Wirkungsgrad der Anlage sinkt! 4. Was kann eine Solaranlage leisten?Der Wirkungsgrad beschreibt wieviel der eingesetzten Energie (hier Sonnenstrahlung) in Wärme umgesetzt wird. Bei einer Solaranlage lässt sich der Wirkungsgrad leider nicht mit einem konstanten Wert ausdrücken. Der verwendete Absorber ist einerseits dem Wind auf dem Dach und andererseits der Außentemperatur ausgesetzt ist. Diese beiden Größen haben leider auch direkten Einfluss auf den Wirkungsgrad. Kühle Außenluft und Wind reduzieren den Wirkungsgrad auch bei wolkenloser Sonnenbestrahlung erheblich! Röhrenprofilabsorber werden von den Herstellern mit einem Wirkungsgrad von bis zu 85 % angegeben. Diesen Wert erreicht man aber in der Regel nur am Tag der Sommersonnenwende um 13:35 Uhr bei windstillem Wetter und wolkenlosem Himmel. In der Grafik 3 ist der real erzielte Wirkungsgrad einer Solaranlage (Süddach mit 32° Neigung) über eine Saison dargestellt.
Abhängig vom Sonnenstand über die Saison und der herrschenden Bewölkung verändert sich auch der Wirkungsgrad nicht unerheblich! In der Grafik 3 sieht man die große Schwankungsbreite des täglichen Wirkungsgrades. Die orangefarbene Linie gibt den Mittelwert über die Saison wieder. Man erkennt deutlich die höchste Leistung beim höchsten Sonnenstand zur Sommersonnenwende im Juni. Der täglich erreichte und in der Grafik dargestellte Wirkungsgrad ist der Mittelwert über den ganzen Tag. D.h. beim höchsten Sonnenstand um die Mittagszeit wird ein höherer Wirkungsgrad als dargestellt erreicht. Uns interessiert jedoch das Tagesergebnis. Für unsere Beispielrechnung in einem weiteren Abschnitt dieser Informationsschrift wurde ein mittlerer Wirkungsgrad von 50% angewendet. Eine sehr wichtige Größe ist die Wasserdurchflussmenge durch die Absorberanlage. Mit steigender Durchflussmenge wird die erzielte Temperaturdifferenz geringer (ca. 2° - 3° C) und der Wirkungsgrad – und damit unser Ergebnis – steigt. Dies klingt vielleicht zunächst unlogisch. Geringe Temperaturunterschiede haben geringere Auskühlungsverluste. Mit einer großen Wassermenge kommt so mehr Wärme in unser Schwimmbecken. Es ist wesentlich effizienter viel warmes Wasser mit wenig Temperatur zu erzeugen als wenig Wasser zu erwärmen mit hoher Temperatur. Die ideale Durchflussmenge (in Liter/m² und Stunde) wird vom Hersteller der Absorber angegeben. Diese Wassermenge sollte dann auch als Ergebnis der Anlagenberechnung herauskommen. In diese Berechnung der erforderlichen Pumpenleistung fließen noch weitere Faktoren ein:
( bei einer Dachinstallation wird der Widerstand der Rohre zum Schwimmbecken nicht berücksichtigt! ) Hierzu hat ihr Schwimmbadhändler Berechnungsmodelle der Hersteller! Diese Berechnung ist einer der wichtigsten Abschnitte bei der Planung einer Solaranlage ! Sie sollte deshalb sehr gewissenhaft durchgeführt werden! 5. Was kostet so eine Anlage (Fixkosten)Hauptkostenträger ist der Solarabsorber. Auf dem Markt werden Absorberplatten (Bsp. oku), Absorberschlauchsysteme (Bsp. Solar-Flex) und Absorbermatten (Bsp. Mitra; Behncke-Solar) angeboten. Die Entscheidung welches System man wählt hängt u.a. von der Art der zur Verfügung stehenden Fläche ab. Auch entscheidet Systemwahl die Frage Eigenaufbau oder Installation durch eine Fachfirma. Ein zusätzlicher Faktor ist letztendlich auch der optische Eindruck einer Absorberanlage. Die Preise für die Absorber liegen bei diesen Systemen zwischen ca. 190,00 €/m² und 230,00 €/m². Nächster Kostenfaktor ist die Solarsteuerung. Angebote der Hersteller sind stark abhängig von Komfort und Ausstattung. Die Preise für die Solarsteuerung liegen zwischen ca. 200,00 € und 600,00 € (nach oben noch steigerungsfähig!). Weiterer wichtiger Kostenfaktor ist die Umwälzpumpe. Die Preise hängen direkt mit der Leistungsfähigkeit zusammen. Die Preise für die Umwälzpumpe liegen zwischen ca. 300,00 € und 700,00 €. Letztendlich fehlen noch die Rohre, Schläuche und Fittinge zur Fertigstellung der Anlage. Hier können keine pauschalen Angaben gemacht werden. Wichtig ist, dass alle dem Sonnenlicht ausgesetzten Teile UV-beständig sind (i.d.R. schwarze Fittinge und Rohre). Der Gesamtbetrag für eine Anlage mit 20 m² Absorberfläche bewegt sich dann im Bereich zwischen 1.750,00 € und 2.500,00 € nur für das Material. 6. Welche variablen Kosten kommen auf mich zu?Variable Kosten (Betriebskosten) entstehen nur durch den Energieverbrauch der Umwälzpumpe. Vernachlässigbar ist der Energieverbrauch für die Solarsteuerung. Die Kosten am Beispiel der Saison 1999 sind im nächsten Abschnitt ermittelt worden. Die Lebensdauer der Absorber wird mit bis zu 50 Jahren angegeben. Einzigstes Verschleißteil ist die Umwälzpumpe, die wie unsere Filterpumpe Schwerstarbeit leisten muss. In einer guten Saison läuft die Umwälzpumpe um die 1.000 Stunden. 7. Energiebilanz über eine Saison (1999)Die Solaranlage hat zwischen April und September einer Energiemenge von 7.700 kWh erzeugt. An elektrischer Energie für die Umwälzpumpe wurden 195 kWh eingesetzt. Bei einem aktuellen Preis von 16 ct/kWh sind dies Aufwendungen von 30,00 € für Energie. Der Preis für eine "solare kWh" beträgt demnach 0,007 ct/kWh. Der Vergleich mit Heizöl: Mit einem Liter Heizöl kann eine Energie von 10,08 kWh erzeugt werden. Bei einem Wirkungsgrad der Zentralheizung von durchschnittlich 87,5 % beträgt die umsetzbare Wärmeenergie noch 8,75 kWh. Für eine Energiemenge von 7.700 kWh benötigt man ca. 880 Liter Heizöl. Bei einem aktuellen Heizölpreis von 35 ct./l (Sommer 1999) entspricht dies einem Gegenwert von 308,00 € Dies ist jedoch eine "Milchmädchenrechnung". Denn steht die Heizung dauerhaft zur Verfügung wird sie auch in der Regel auch dauerhaft genutzt. Geht man hier von ca. 180 Tagen Saison aus benötigt man statt der 7.700 kWh ca. 9.500 kWh. Der Heizölverbrauch steigt auf ca. 1.100 l mit einem finanziellen Gegenwert von ca. 350,00 €. Der Vergleich mit elektrischer Beheizung: Hätte man diese Energiemenge direkt mit elektrischer Energie erzeugt entspricht diese Menge einem finanziellen Gegenwert von 1.100,00 €. Unter der gleichen Voraussetzung wie bei der Heizölberechnung ergibt sich bei ständiger Beheizung ein finanzieller Gegenwert von ca. 1.390 € für eine Saison. Wir stellen fest: Sieht man über die schwankenden Temperaturen hinweg ergibt sich für die Saison 2000 folgende Gegenüberstellung: Solar kWh 0,035 ct. Jahresbetrag 30,00 € Die Armortisation der Anlage hat von der gewählten Beheizungsart dann natürlich sehr unterschiedliche Laufzeiten. Wenn die Anlage sich jedoch schnell gerechnet hat (z.B. mit Strom) kommen auch schnell die teuren Zeiten auf Sie zu. 8. Zu beachten sind die Konsequenzen bei der WasserpflegeNun gilt es bei der Wasserpflege um durchschnittlich 10° C. höhere Temperatur gegenüber dem ungeheizten Becken zu berücksichtigen. Durch die Temperaturerhöhung findet einerseits ein stärkeres Algenwachstum statt, andererseits fühlen sich Bakterien und Krankheitserreger ebenfalls viel wohler im warmen Wasser. Der Verbrauch an Pflegeprodukten steigt daher etwas, aber der Spaß am warmen Wasser ist ungleich positiver. Schauen Sie daher auf unsere Hinweise zur Wasserpflege. Wichtig ist es bei Temperaturen über 25°C ein ausreichendes Depot an Desinfektionsmittel im Wasser zu erreichen. (Chlor-, Brom- oder Sauerstoffprodukte sind zu empfehlen, nach unserer persönlichen Erfahrung hat Chlor die beste Wirkung) Das Becken sollte bei Beheizung unbedingt abgedeckt werden. Die Temperaturverluste entstehen zu 3/4 über Verdunstung an der Wasseroberfläche. Die Verluste über Seitenwände und den Boden sind nach Lehrbuch zu vernachlässigen. Im Herbst und im Frühjahr an den ersten kühlen Tagen können sie beobachten wie ihr Schwimmbad dampft! Die schönen Nebelschwaden enthalten aber einmal ihr Badewasser inklusive der vorher hinein erbrachten Wärmeenergie. Bei Wassertemperaturen zwischen 26° und 31° verdunsten bei offenem Becken und einer Oberfläche von ca. 24m² (entspricht einem Becken von 4 x 8 m) täglich je nach Luftfeuchtigkeit geschätzte ca. 100 l – 200 l Wasser! Die Temperaturverluste betragen dann bis zu 3 - 4° C über Nacht! Abgedeckt Verdunstet nur noch ein kleiner Teil und die Temperaturverluste über Nacht liegen dann nur noch zwischen 0,5° C. und maximal 1,5° C. 9. Berechnungsmodell für ihre SolaranlageWir beginnen mit der Ermittlung der Wasseroberfläche und des Volumens ihres Schwimmbades. Vorbereitet für die gängigsten Schwimmbecken. Hier die Formeln:
Wichtig ist die ermittelte Oberfläche als Berechnungsgrundlage für die Größe des Absorbers. Als nächster Schritt ist es die Aufgabe eine geeignete Fläche dieser Größe mit möglichst südlicher Ausrichtung zu finden. So Ermitteln Sie die täglich möglichen Erwärmung: In Deutschland beträgt die Globalstrahlung im Mittel ca. 900 - 1100 W/m². Dieser Wert wiederum muss nun mit der Absorberfläche multipliziert werden. Jetzt haben wir die Gesamtabsorberleistung ebenfalls in kW. Die Energiemenge für einen Tag ergibt sich aus der Multiplikation der Gesamtabsorberleistung mit der täglichen Laufzeit der Anlage in kWh. Dividiert man diese Tagesenergie durch den Wert „Energiemenge zur Erhöhung um 1°C“, erhält man tägliche Temperaturerhöhung. Beispielrechnung: Absorberfläche (32 m²) x Wirkungsgrad (50%) x Laufzeit der Anlage (8 Std.) x 0,86 (Standartwert) : 42 m² = +2,62°/Tag Was sagt uns dieses Ergebnis? Bei den angenommenen Bedingungen erhöht sich die Wassertemperatur an diesem Tag um 2,62 °C. Sind die Bedingungen besser können es auch noch mehr Celsiusgrade sein. In der Nacht kühlt das Becken wieder um 1 – 1,5 °C aus. So entsteht eine Temperaturkurve mit steigender Tendenz. Der obere Grenzwert wird meiner Einschätzung nach etwa 30°C sein. Mehr kann eine kleine Absorberanlage nicht leisten. Scheint die Sonne einmal nicht gibt es einen leichten Einbruch. Wichtiger Hinweis zur Wassertiefe: Der große Fehler der Branche ist die Faustformel Oberfläche geteilt durch 2 = m² Absorberfläche. In vielen Angeboten solarer Schwimmbeckenbeheizung wird als Berechnungsgrundlage nur die Wasseroberfläche herangezogen. Die kann zu schlechten Erfahrungen führen! Wenn man in der obigen Berechnung die Wassertiefe beispielsweise auf 2 m erhöht beträgt die tägliche Erwärmung unter den selben Voraussetzungen nur noch 1,96 °C.! An diesem Beispiel kann man erkennen, dass nur eine Berücksichtigung der Wasseroberfläche nicht ausreicht.
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