Schnee-Kühlung im Snow Dome

Im Snow Dome (www.snow-dome.de) in Bispingen bei Hamburg steht den Wintersportlern eine 300 m lange und bis zu 100 m breite Piste mit einem für sie optimalen Gefälle von 9 bis 20 % zur Verfügung. Auf insgesamt 23 000 m² war eine Schneehöhe von mindestens 33 cm zu gewährleisten – und das sowohl im Winter, als auch im Sommer bei entsprechend hohen Außentemperaturen. Die erste Anforderung lag in der Kapazität der Schneeproduktion, die über 13 Hochleistungs-Schneekanonen sichergestellt wird. Eng damit verbunden war die Planung der Klimaanlagen, da die Schneeproduktion sowohl durch die entstehende Wärme als auch die Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft beeinflusst wird. Der Schnee-Erzeugung nutzt die Verdunstungs-Kühlung, das heißt die feinen Wassertropfen aus den Schneekanonen geben Wärme an die Umgebungsluft ab.Auf Skipisten in den Bergen ist dies kein Problem, da ein praktisch nahezu unendliches Luftvolumen zur Verfügung steht. Anders ist dies in der Skihalle: Hier wird die bei der Schneeproduktion entstehende Verdunstungswärme sowie ein Teil der Feuchtigkeit an die begrenzt vorhandene Raumluft abgegeben. Die Klimaanlagen müssen also eine entsprechend hohe Leistungsfähigkeit besitzen, um Temperaturen von -2 °C bis -4 °C und eine konstant niedrige Luftfeuchtigkeit halten zu können.

Kühlung der tragenden Unterkonstruktion

Mit der Kühlung der Umgebungsluft allein lässt sich jedoch die Qualität der Schneedecke nicht aufrechterhalten. Die Lösung stellte eine Aktivierung des Untergrundes durch mäanderförmig verlegte Kühlrohre dar: Insgesamt 36 km Uponor PE-Xa–Rohre (www.heizen-kuehlen.uponor.de) in der Dimension 20 x 2,3 mm wurden in einer speziellen Konstruktion (Bilder 3 und 6) verbaut. Als Aufnahme für die Rohre dienen mit Stahlblechsicken ummantelte PUR-Hartschaumplatten. Die Sicken verlaufen quer zur Fahrtrichtung. Sie sorgen zum einen dafür, dass der Schnee nicht verrutschen kann und gewährleisten zudem einen einwandfreien Halt der PE-Xa-Rohre. Damit diese Konstruktion vor der Gewichtsbelastung durch die Schneeraupen geschützt wird, sind zur Lastverteilung längs zur Fahrtrichtung noch Holzlatten im Abstand von 70 cm aufgebracht worden. Besonders wichtig bei der Auslegung des Systems ist, dass der Schnee an der Unterseite nicht schmilzt, so dass eine Abrutschgefahr auf der bis zu 20 % geneigten Piste ausgeschlossen wird. An dieser Stelle kam die Uponor Abteilung Sonderanwendungen ins Spiel: Bei der vorgegebenen Raumtemperatur von -2 °C bis -4 °C waren die Kühlrohrabstände wie auch die Vor- und Rücklauftemperaturen so zu wählen, dass der Taupunkt auch bei sommerlichen Außentemperaturen in der Dämmung unterhalb der Konstruktion liegt.

Schnee-Simulation zur Ermittlung des Wärmeleitwiderstandes

Neben der Anforderung an die Lage des Taupunktes waren die Uponor Ingenieure gefragt, die Kühlung möglichst effizient zu halten. Aus diesem Grund wurde von den Uponor-Spezialisten mittels der Finite Elemente Methode (FEM) die Temperaturverteilung in der Schneeschicht und in der Dämmung ermittelt. Hierzu war es notwendig, zunächst die Schneeschicht genau zu berechnen, da sich der Wärmeleitwiderstand von Schnee mit dessen Verdichtung verändert: Je stärker er verdichtet wird, desto besser ist die Wärmeleitfähigkeit. Davon ausgehend, dass sich der Schnee im Untergrund durch die Beanspruchung mit der Zeit immer stärker verdichtet, wird die Kälteübertragung vom Rohr aus zunehmend besser werden. In Bild 4 ist der Temperaturverlauf dargestellt, der sich bei einer Raumlufttemperatur von -5 °C, einem Kühlbedarf von -8,5 °C und einer Erdreich- bzw. Außentemperatur von +10 °C ergibt. Mit Hilfe dieser Berechnungen konnten sämtliche Parameter wie z. B. Systemtemperaturen – Vorlauf- und Rücklauftemperatur mit -10 °C und -7 °C – benötigte Verlegeabstände und Rohrdimensionen kalkuliert werden. Auf Grund baulicher Gegebenheiten kann in einzelnen Bereichen der Abstand der Rohre bis zu 60 cm betragen. Das System wurde so ausgelegt, dass auch in diesem Fall sämtliche Vorgaben eingehalten werden.

Auslegung der Kühlrohre

Die Zu- und Abführung des Kühlmediums geschieht über ein Verteilleitungssystem, welches parallel zur Pistenrichtung verlegt wurde. An 15 Abgängen sind jeweils ein Vor- und ein Rücklauf in einer Tichelmann-Verteilleitung angebunden (Bild 5). Um eine homogene Druckverteilung im ganzen System zu erhalten, haben die Planer an den einzelnen Abgängen Strangregulierventile zur Einregulierung vorgesehen. Hierbei war nicht nur zu berücksichtigen, dass klassisch die weiter entfernt liegenden Verteiler weniger Druck erhalten: Die an den einzelnen Verteilern angebundenen Rohrabschnitte weisen aufgrund der unterschiedlichen Pistenbreite zwischen 60 und 100 m deutliche Längenunterschiede auf. Dabei sind sie als Mäander angelegt, wobei ein Kreis je nach Pistenbreite zwischen 120 und 200 m lang ist. Das System wurde so geplant, dass der wirksame Druckverlust in jedem Kühlkreis mit rund 150 mbar identisch ist. Dies ermöglichte eine energetisch effiziente Auslegung der Pumpenleistung.
Das eingesetzte Uponor PE-Xa-Rohr, hochdruckvernetzt nach Verfahren Engel, ist in Bezug auf die Langlebigkeit des Systems die richtige Wahl: Selbst dauerhaft niedrige Temperaturen wie im Snow Dome hält das Kunststoffrohr problemlos aus. Auch für das eingesetzte Wasser-Glycol-Gemisch ist das Rohr dauerhaft geeignet. Somit spielt die von Uponor speziell für den Snow Dome konzipierte Sonderanwendung für Flächenkühlung im gesamten Kühlkonzept der Skihalle eine wichtige Rolle, um eine beständig gute Schneequalität zu gewährleisten. Ermöglicht hat dies die Uponor Abteilung Projektierung und Sonderanwendungen, welche sich in diesem Fall intensiv mit dem Thema Schnee auseinander gesetzt hat. So konnte für den Kunden eine optimale Lösung gefunden werden. Die Besucher werden es danken – sie können nun jede Skifahrt auf Qualitäts-Pulverschnee genießen.