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24.03.2015

green school design

Neue Wege zu einer „grünen“ Schule.

Oliver Lange, Projektpartner, Drees & Sommer SE
Oliver Lange

Demografischer Wandel, neue Bildungskonzepte, variierende Schulsysteme – das Schulwesen in Deutschland ist in Bewegung und mit ihm stehen auch die Schulgebäude vor grundlegenden Veränderungen. Diese müssen in Zukunft flexibel genug für die sich wandelnden Rahmenbedingungen sein und gleichzeitig wirtschaftlich betrieben werden können. Vor allem aber ist das gesellschaftliche Bewusstsein hinsichtlich ökologischer Anforderungen erheblich gewachsen: Schadstofffreiheit, Behaglichkeit sowie Ressourcen- und Energieeffizienz gewinnen zunehmend an Bedeutung – für Schulleiter und Lehrer genauso wie für Eltern und Schüler.

Beim Schulneubau sind damit heute nachhaltige Gebäude- und Technikkonzepte unverzichtbar. Jedoch ist jede Schule anders und ein Pauschalrezept existiert nicht. Um ein sinnvolles Green Building Design auf den Weg zu bringen, müssen daher noch vor dem ersten Planungsschritt die verschiedenen Anforderungen von Pädagogen, Eltern und Schülern genau unter die Lupe genommen werden. Nur mit einem präzisen Anforderungsprofil und einer eindeutigen Zielfestlegung werden optimale Voraussetzungen geschaffen, um nachträgliche Änderungen in Planung und Umsetzung zu vermeiden.

Phase 0 – Schwerpunktdefinition

Sind die wesentlichen Ziele ermittelt, ist es an der Zeit, die Schulbehörde, Schulleiter sowie Architekt, Fassadenplaner und Energieberater ins Boot zu holen und gemeinsam die Grundlagen zu analysieren, ein Raum- und Funktionsprogramm zu entwickeln und gegebenenfalls Organisationsberater hinzuzuziehen, um funktionale Bedingungen und Ablaufprozesse zu optimieren. Parallel dazu wird eine Komfortanalyse durchgeführt: Ziel ist es, die jeweiligen Parameter und Grenzwerte für die spätere Gebäudetechnik festzulegen. Dabei fließen auch die Umgebungssituation, Lärmquellen, Verschattung, Luftqualität, Temperaturen und Luftfeuchtigkeit in die Betrachtungen mit ein. Auf Basis der zu erreichenden Ziele werden in der weiteren Planung verschiedene Methoden zu Erreichung geprüft und einer Wirtschaftlichkeitsanalyse unterzogen.

Green Building Design

Auf Basis dieser Rahmenbedingungen gilt es nun, die optimale Balance zwischen Komfort, Wirtschaftlichkeit und Ökologie zu erarbeiten. Je nach Vorhaben ergibt sich daraus meist eine Kombination aus bewährter Technik und neuen innovativen Methoden. Um alle Anforderungen an Nachhaltigkeit unter ein Schuldach zu bekommen, können sich die Projektbeteiligten an den Nachhaltigkeitskriterien der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB) orientieren. Diese hat einen Kriterienkatalog entwickelt, der hinsichtlich Ökologie, Wirtschaftlichkeit und soziokulturellem Komfort eigens an den Nutzungstyp Bildungsbau angepasst ist. Darüber hinaus muss sichergestellt werden, dass ausschließlich umweltfreundliche und gesundheitliche Materialien zum Einsatz kommen. Je nach Bauweise lassen sich auch beispielsweise Hölzer aus nachhaltig betriebener Forstwirtschaft – optimalerweise aus der Region – verbauen. Inwiefern die Baustoffe Umweltwirkungen wie Treibhausbildung, Ozonabbau oder Versauerung verursachen, wird mittels einer Ökobilanzberechnung ermittelt.

Energie- und Klimadesign

Für eine exzellente ökologische Gebäudeperformance ist neben geringen Umweltwirkungen ebenfalls ein geringer Energiebedarf von großer Bedeutung. Generell stehen die Komfortkriterien in direkter Abhängigkeit zum Energiebedarf. Die Zielvorgaben werden mittels Wirtschaftlichkeitsanalysen hinsichtlich Herstellungs-, Betriebs- und Rückbaukosten analysiert und bewertet. Es ist Aufgabe des Energiedesigners, zu evaluieren, welcher thermische, akustische, visuelle und olfaktorische Komfort erforderlich ist, um einerseits den Nutzeranforderungen zu entsprechen und andererseits der Energieverschwendung und Ressourcenverknappung entgegenzuwirken. Um diesen zu erreichen, greift der Energiedesigner beispielsweise auf Tools wie thermische oder Tageslichtsimulationen zurück. Anhand derer lassen sich die optimale Balance zwischen Komfortanforderungen und Energiebedarfsminimierung unter zusätzlicher Zugrundlegung einer klimafreundlichen Bereitstellung von erneuerbaren Energien berechnen.

Für die Festlegung der Energieversorgung und der Klimatisierungssysteme werden dynamische Simulationen im Rahmen des Green Builing Designs durchgeführt. Diese Simulationen bilden den Gebäudebetrieb innerhalb eines Jahres virtuell ab. Der Gebäudesimulation liegen die jährlichen Klimadaten des Standortes, die Gebäudemerkmale (Gebäudehülle, Verschattung, Verglasung, Sonnenschutz) und die Nutzung (Personenanzahl, Beleuchtungstyp, Raumtemperaturen etc.) zugrunde. Vor dem Hintergrund dieser Rahmenbedingungen lassen sich verschiedene Raumklimasysteme und die jeweiligen Auswirkung auf Raumkomfort und Betriebskosten durch Energiebedarf simulieren. Damit lassen sich belastbare Handlungsempfehlungen für einen maßgeschneiderte ökologische Gebäudetechnik ermitteln.

Energiemonitoring

Im Anschluss an eine integrale Planung ist es mindestens genauso wichtig, die Umsetzung der Planungsvorgaben in der Bauausführung sowie nach Aufnahme des Gebäudebetriebes zu überprüfen. Erfahrungen aus der Analyse von Bestandsgebäuden zeigen, dass viele nachhaltige Gebäudetechnik-Konzepte zwar umgesetzt wurden, jedoch ergeben sich durch falsche Bedienung und mangelhafte Einstellung der Regelparameter oft unnötige Energieverbräuche und Ernegiekosten. Daher sollten im Bereich von energieintensiven Systemen wie Heizung, Warmwasser, Lüftung, Kälte, Beleuchtung, etc. Energiezähler oder Energiemanagementsysteme (EMS) installiert werden. Damit lassen sich Daten erheben und regelmäßig über eine Software auf Auffälligkeiten hin überprüfen.

Energie- und Klimadesign in der Praxis - Technische Berufsschule Neckarsulm

In Neckarsulm an der Odenwaldstraße 5 wird die Christian-Schmidt-Schule um eine Aula erweitert. Das eingeschossige Gebäude wird als Aufenthaltsraum und Kantine genutzt. Gelegentlich sind auch Veranstaltungen mit bis zu 200 Personen vorgesehen. Der Entwurf sieht im Süden und Westen großflächige Wärmeschutzverglasung mit außenliegendem Sonnenschutz vor. Süd- und Westfassade werden zusätzlich durch die benachbarte Bebauung verschattet. Grundlage des Raumklimatisierungskonzeptes ist eine Fußbodenheizung und eine natürliche Lüftung über motorisch betätigte Lüftungsklappen. Innerhalb der Planung wurde der Neubau mittels Simulation auf den virtuellen Prüfstand gestellt und das Zusammenspiel von Fassade, Lüftung und Raumklima bewertet.

Unter Berücksichtigung der mittleren Wetterdaten des Deutschen Wetterdienstes (DWD) der letzten 20 Jahre und der baulichen Umgebung haben die Experten ermittelt wie die Fensterklappen optimal angeordnet werden. Dafür wurde ein 3D-Modell entwickelt, welches den Neubau und die umliegenden Bestandbauten abbildet. In Kombination mit der Hauptwindrichtung (WEST) und typischen Windgeschwindigkeiten wurden die Klappen so positioniert, dass sowohl bei geringen als auch bei hohen Windgeschwindigkeiten eine bestmögliche Einströmung möglich ist. Um eine Raumüberhitzung zu vermeiden, wurde der Energiedurchlasskennwert der Verglasung in der thermischen Simulation untersucht und angepasst. Durch den Einsatz einer selektiven Glasbeschichtung ergibt sich ein geringer solarer Wärmeeintrag bei nahezu gleichem Tageslichtdurchgang.

In der Sommerzeit werden die Fenster nachts automatisch geöffnet und eine Auskühlung der vom Architekten geplanten freiliegenden Massivbauteile erzielt. Durch die einfache und funktionale natürliche Lüftung werden ein hoher thermischer Komfort und eine gute Lufthygiene bei minimalen Herstellungs- und Betriebskosten erreicht.

Kreisberufsschule Neckarsulm-3D-Modell mit Windrichtung und Verschattung

Verschattungsdarstellung mit Anzahl der verschattenden Stunden

Stadtteilschule Niendorf

Der Erweiterungsbau der Stadtteilschule Niendorf in Hamburg stammt aus der Feder von me di um Architekten. In dem Objekt sind 32 Klassenräume mit einer Fläche von je 58 Quadratmetern und einer Belegung von 26 Personen pro Raum geplant. Der Unterricht findet montags bis donnerstags von 8 bis 16 und am Freitag bis 13 Uhr statt. In den 1.400 Stunden mit aktivem Schulbetrieb sind eine konstante Versorgung mit Frischluft und ein hoher thermischer Komfort zu erreichen. Dabei sollten die Kosten für den Betrieb über den gesamten Lebenszyklus gering gehalten werden. Neben den Herstellungskosten liegt deswegen bei der Planung ein besonderes Augenmerk auf den Betriebskosten.

Die Komfortziele wurden in Anlehnung an die VDI 6040 (Raumlufttechnik an Schulen) wie folgt festgelegt. Die Raumtemperatur sollte die Untergrenze von 20°C nicht unterschreiten und im Sommer liegt die Obergrenze bei 26°C mit einer maximalen Überschreitung von 70 Stunden innerhalb der Nutzungszeit. Der CO2-Konzentration-Zielwert ist <1000 ppm mit zulässigen Überschreitungen im Bereich von 1000 bis 1500 ppm. Grundlage für die Erreichung der CO2-Zielwerte sind eine Raumlüftung mit automatischer Grundlüftung innerhalb der Unterrichtszeit und eine Intensivlüftung in den Pausenzeiten vor. Die Grundlüftung erfolgt mit einem Frischluftvolumenstrom von 15 Kubikmeter pro Stunde und Schüler und die Intensivlüftung erfolgt über manuell bedienbare Fenster mit 6 Quadratmeter zu öffnender Fensterfläche.

Für die Auswahl des passenden Lüftungskonzeptes wurden verschiedene Systeme mittels Simulation auf den virtuellen Prüfstand gestellt und mit einer klassischen manuellen Fensterlüftung verglichen.

A – Einseitige automatische Fensterlüftung mit CO2-Regelung
B – Mechanische Lüftung mit Wärmerückgewinnung
C – Schwerkraftlüftung mit Unterstützung durch windgetriebene Ventilatoren

Die Simulation basiert auf den Wettermessdaten der Station Hamburg Fuhlsbüttel des Deutschen Wetterdienstes (DWD). Darin enthalten sind die spezifischen Windverhältnisse mit Angaben zur Geschwindigkeit und Richtung, die Außentemperaturen und solare Strahlungswerte. Die Ergebnisse zeigen einen hohen Wärmebedarf beim Einsatz von manuellen Fenstern. Im Bereich der kontrollierten Lüftungssysteme A, B, C hat sich in Bezug auf den Energieverbrauch die mechanische Lüftung mit Wärmerückgewinnung als die beste Lösung erwiesen. Jedoch zeigt sich bei der Wirtschaftlichkeit ein deutlicher Vorteil der natürlichen automatischen Lüftungssysteme A und C. Ursache hierfür sind sowohl die günstigeren Herstellungskosten als auch die geringen Aufwendungen für Wartung und Instandhaltung. Im Vergleich der Systeme A und C bietet System C eine gleichmäßigere und zuverlässigere Frischluftversorgung. Daher wurde System C für die weitere Planung empfohlen.

Der Luftwechsel im Klassenraum ergibt sich durch den thermischen Unterschied der Raumluft- und Außenlufttemperatur. Die sogenannte Schwerkraftlüftung führt verbrauchte Luft über Schächte mit geringem Druckverlust. Um eine gute Durchlüftung zu erreichen, wurden die Schächte auf der Dachfläche bis zu 1,5 erhöht. Durch die Erhöhung wirkt der Kamineffekt auch in den oberen Etagen des Gebäudes. Um an Tagen mit ähnlichen Temperaturen im Klassenraum und der Umgebung eine Frischluftversorgung zu gewährleisten, wurden zusätzlich windgetriebene Ventilatoren geplant, welche mittels Wind Luftströmung im Schacht erzeugen.

Die Zuluft in den Klassenräumen strömt über schallgedämmte Außenluftdurchlässe (ALD) ein. Die ALD sind mit Druckklappen versehen, um auch bei höherem Winddruck nur eine maximale Luftmenge von 500 m³/h je Klassenraum zuzulassen. Für den akustischen Komfort wurden in den Räumen auf Empfehlung der Akustikberatung hin abgehängte Akustikbaffeln vorgesehen. Durch die Nutzung von vertikal angeordneten Akustikbaffeln ist eine optimale Nachtauskühlung mit Aktivierung der offen liegenden Betondecke möglich.

In Niendorf wird die Stadtteilschule erweitert. Bild: me di um Architekten

Die Nutzungsrechte wurden The Property Post zur Verfügung gestellt von Drees und Sommer AG
Erstveröffentlichung: April 2014, Schulbaumagazin