Erfahrungen mit der Planung von Lüftungsanlagen für Schulgebäude aus der Sicht eines Ingenieurbüros "

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1 Workshop Umsetzung von raumklimatischen Anforderungen und Energieeffizienz in der Praxis Erfahrungen mit der Planung von Lüftungsanlagen für Schulgebäude aus der Sicht eines Ingenieurbüros "

2 Workshop Umsetzung von raumklimatischen Anforderungen und Energieeffizienz in der Praxis Erfahrungen mit der Planung von Lüftungsanlagen für Schulgebäude aus der Sicht von Wortmann & Scheerer "

3 Das Unternehmen Leitlinie: Wohlbefinden, Gesundheit und Nachhaltigkeit durch Energieeinsparung, wirtschaftlich machbar. Ingenieurbüro, unabhängige Beratung und Planung Gründung Mitarbeiter

4 Kompetenzen - Schwerpunkte Wärmeschutz Energiekonzepte Wirtschaftlichkeitsberechnungen EnEV-Nachweise Passivhauskonzepte (PHPP) Wärmebrücken Technische Planung Heizung, Lüftung, Sanitär alle Leistungsphasen Simulationen, Gutachten, Studien Thermische Simulationen Strömungssimulationen Tageslichtsimulationen Solare Stadtplanung Verschattungssimulationen Beratung zu Energieeffizienz

5 Die wesentlichen Aspekte des Themas 1. Gesundheit und Behaglichkeit 2. Energieeffizienz 3. Kosten und Wirtschaftlichkeit Es geht also darum, nicht nur die zu betrachten, sondern ein in sich stimmiges Gesamtkonzept zu erarbeiten!

6 CO 2 -Konzentration Fensterlüftung nur Fensterlüftung Unterricht 0,1 h -1 Pause 20 h m³ 2,84m ,4m 8,3m CO 2 -Konzentration [ppm] maximal zulässige Konzentration 1500 ppm 1300 ppm sollten nicht überschritten werden Außenluftkonzentration 0 U-Beginn Pause Unterrichtszeit [Minuten] Pause 5 Pause 10 Pause

7 CO 2 -Konzentration Lüftungsanlage Fazit: Nur mit Fensterlüftung in der Pause, ist eine befriedigende Luftqualität in einem Klassenraum nicht erreichbar! Es muss immer wieder auch während des Unterrichts das Fenster geöffnet werden! Oder

8 CO 2 -Konzentration Lüftungsanlage U-Beginn Pause CO2-Konzentration [ppm] Pause 5 Pause 10 Pause maximal zulässige Konzentration 1500 ppm 1300 ppm sollten nicht überschritten werden Außenluftkonzentration Unterrichtszeit [Minuten]

9 Luftmenge Nach DIN EN IDA 4 niedrige Raumluftqualität < 21,6 m³/hpers. IDA 1 hohe Raumluftqualität > 54 m³/hpers. Aber, hohe Luftmenge heißt zu trockene Luft im Winter oder einzige Lösung Wärmerückgewinnung mit Regenerator! Höhere Investitionskosten Höherer Energieverbrauch für Heizung und Strom Wir simulieren individuell den CO 2 -Gehalt D.h. meist reichen 15-20m³/hPers. aus Denkansatz: die meisten Schulen haben faktisch keine Luftqualität mit einer Minimal-Lüftung werden 1300ppm CO 2 eingehalten! Falls es mal nicht reicht, kann man immer noch zusätzlich mit dem Fenster lüften. -> hybride Lüftung.

10 Thermische Simulation Winter, Heizfall Variante A konventionelle Schule nach EnEV mit Abluftanlage (oder bedarfsgerechter Fensterlüftung!!) Variante B - Passivhaus

11 Thermische Simulation Winter, Heizfall Fazit: Bei einer gut gedämmten Schule mit mech. Lüftung mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung ist während des Unterrichts keine (kaum) Heizung erforderlich. Die inneren Lasten reichen zur Beheizung (fast) aus.

12 Beispiel Comenius-Schule Duisburg

13 Varianten EnEV Passivhaus NEH EnEV 2-Scheibenverglasung 3-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung Abluftanlage ohne WRG Zu-/Abluftanlage mit WRG Zu-/Abluftanlage mit WRG Fensterlüftung A B C 0

14 Variante B - Passivhaus Die Variante B entspricht dem Passivhausstandard. Dies hat etliche Voraussetzungen zur Folge von denen die wichtigsten diese sind: Möglichst kompaktes Gebäude Sehr gute Isolierung Keine Wärmebrücken Dichtes Gebäude Hohe solare Gewinne Lüftungsanlage mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung Heizenergiebedarf kleiner 15 kwh/m²a

15 Energiebilanz Schule-Wohngebäude als Passivhaus Gewinne Passivhaus - Schule Verluste Passivhaus - Schule innere Gewinne Gewinne Passivhaus Wohngebäude Verluste Passivhaus Wohngebäude - 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Energiebedarf Nutzenergie [kwh/m²a]

16 Energiebilanz Schule-Wohngebäude als Passivhaus Gewinne Passivhaus - Schule innere Gewinne Verluste Passivhaus - Schule solare Gewinne Gewinne Passivhaus Wohngebäude nicht nutzbare Gewinne Verluste Passivhaus Wohngebäude - 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Energiebedarf Nutzenergie [kwh/m²a]

17 Energiebilanz Schule-Wohngebäude als Passivhaus innere Gewinne Gewinne Passivhaus - Schule solare Gewinne Verluste Passivhaus - Schule nicht nutzbare Gewinne Gewinne Passivhaus Wohngebäude Verluste Passivhaus Wohngebäude Transmission Außenwände, Dach, Boden Transmission Fenster - 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Energiebedarf Nutzenergie [kwh/m²a]

18 Energiebilanz Schule-Wohngebäude als Passivhaus innere Gewinne Gewinne Passivhaus - Schule solare Gewinne Verluste Passivhaus - Schule Gewinne Passivhaus Wohngebäude nicht nutzbare Gewinne Transmission Außenwände, Dach, Boden Transmission Fenster Wärmebrücken Verluste Passivhaus Wohngebäude Lüftungsverlust - 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Energiebedarf Nutzenergie [kwh/m²a]

19 Energiebilanz Schule-Wohngebäude als Passivhaus innere Gewinne Gewinne Passivhaus - Schule solare Gewinne Verluste Passivhaus - Schule Gewinne Passivhaus Wohngebäude nicht nutzbare Gewinne Transmission Außenwände, Dach, Boden Transmission Fenster Wärmebrücken Verluste Passivhaus Wohngebäude - 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Energiebedarf Nutzenergie [kwh/m²a] Lüftungsverlust Lüftung Wärmerückgewinnung

20 Energiebilanz Schule-Wohngebäude als Passivhaus innere Gewinne Gewinne Passivhaus - Schule Verluste Passivhaus - Schule Gewinne Passivhaus Wohngebäude solare Gewinne nicht nutzbare Gewinne Transmission Außenwände, Dach, Boden Transmission Fenster Wärmebrücken Lüftungsverlust Verluste Passivhaus Wohngebäude Lüftung Wärmerückgewinnung Heizung - 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Energiebedarf Nutzenergie [kwh/m²a]

21 Energiebilanz Passivhausstandard Fazit: Bei einer Schule dominieren die inneren Lasten und die Lüftungsverluste die Planungserfordernisse. Bei Wohngebäuden eher die solaren Gewinne und die Transmissionsverluste.

22 Wärmedämmung Variante 0, A Variante B Variante C Bauteil Fläche [m²] Dämmung Dämmung Dämmung Außenwände mm WLG mm WLG mm WLG 035 Dach mm WLG mm WLG mm WLG 035 Bodenplatte mm WLG mm WLG mm WLG 040 Pfosten/Riegel Scheiben 3-Scheiben+gedämmte Rahmen 2-Scheiben

23 Primärenergie Primärenergiebedarf kwh/a A EnEV Abluftanlage B Passivhaus Zu-/Abluftanlage mit WRG C NEH Zu-/Abluftanlage mit WRG 0 EnEV Fensterlüftung 2010 Wortmann & Scheerer

24 Endenergie Endenergiebedarf kwh/a A EnEV Abluftanlage B Passivhaus Zu-/Abluftanlage mit WRG C NEH Zu-/Abluftanlage mit WRG 0 EnEV Fensterlüftung 2010 Wortmann & Scheerer

25 Steigepunkt zum Dachventilator Überströmöffnungen F90 Variante A Auslegung nach EnEV Abluftanlage Steigepunkt Fußboden heizung Fernwärme Aussenluft Abluft Heizung Erdgeschoss

26 Steigepunkt zum Dachventilator Variante A Auslegung nach EnEV Abluftanlage Aussenluft Abluft Klimaleisten Heizung Obergeschoss

27 Überströmöffnungen F90 An den Steige Punkten: Nachheizung für OG Steigepunkt aus OG Variante B. Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung, Beheizung über Lüftung Fernwärme Nachheizung Aussenluft Fortluft Abluft Zuluft Erdgeschoss

28 Steigepunkte Variante B. Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung, Beheizung über Lüftung Aussenluft Fortluft Abluft Zuluft Obergeschoss

29 Steigepunkte Überströmöffnungen F90 Steigepunkt aus OG Variante C. Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung Fußboden heizung Fernwärme Aussenluft Fortluft Abluft Zuluft Erdgeschoss

30 Steigepunkte Variante C. Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung Aussenluft Fortluft Abluft Klimaleisten Zuluft Obergeschoss

31 Investitionskosten EnEV EnEV Passivhaus NEH Mehr-/Minderkosten 2-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung 3-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung Fensterlüftung Abluftanlage mit ADL Zu-/Abluftanlage mit WRG Zu-/Abluftanlage mit WRG O A B C Außenwände Dach Bodenplatte Summe Mehrkosten Bauteile Fenster Pfosten/Riegel Summe Mehrkosten Fenster Mehrkosten,netto bauseits Raumlufttechnik Heizzentrale (incl. BWW) Heizung Summe Mehrkosten TGA Summe netto Planungsmehrkosten 10% pauschal Summe gesamt netto Summe gesamt brutto Mehrkosten, brutto

32 Ursprüngliche Fassade

33 Vereinfachte Fassade

34 Energieverbrauch und kosten Stromkosten der Lüftung EnEV Passivhaus NEH EnEV 2-Scheibenverglasung 3-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung Abluftanlage ohne WRG Zu-/Abluftanlage mit WRG Zu-/Abluftanlage mit WRG Fensterlüftung Variante A B C 0 Nutzfläche A N (EnEV) [m²] Nutzfläche A EB (PHPP) [m²] Heizleistung Gesamtkomplex [kw] 5) Jahreswärmebedarf Heizung [kwh/a] Summe Jahreswärmebedarf [kwh/a] Energieeinsparung 0,0% 83,5% 60,5% 0% Fernwärme x x x x Leistungspreis /a Arbeitspreis /a Grund/Messpreis /a Summe Wärmekosten [ /a] Strom Lüftung Jahresstrombedarf Antrieb Lüftung [kwh/a] Summe Strombedarf [kwh/a] Grundkosten /a Arbeitspreis /a Summe Stromkosten /a 6)

35 Kosten heute EnEV Passivhaus NEH EnEV 2-Scheibenverglasung 3-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung 2-Scheibenverglasung Abluftanlage ohne WRG Zu-/Abluftanlage mit WRG Zu-/Abluftanlage mit WRG Fensterlüftung Variante A B C 0 absolute Kosten (z.zt.) Mehr-Investitionskosten incl. Planungskosten [ ] Barförderung (REN-Mittel NRW) [ ] 7) Summe Verbrauchsgebundene Kosten [ /a] (Strom- + Wärmekosten) Instandhaltungskosten [ /a] 3)

36 Sensitivität ohne Förderung A EnEV 2-Scheibenverglasung Abluftanlage ohne WRG B Passivhaus 3- Scheibenverglasung Zu- /Abluftanlage mit WRG Annuität Gesamtkosten [ /a] C NEH 2-Scheibenverglasung Zu- /Abluftanlage mit WRG 0 EnEV 2-Scheibenverglasung Fensterlüftung 0 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% angenommene jährliche Energiepreissteigerung

37 Sensitivität mit Förderung A EnEV 2-Scheibenverglasung Abluftanlage ohne WRG B Passivhaus 3- Scheibenverglasung Zu- /Abluftanlage mit WRG Annuität Gesamtkosten [ /a] C NEH 2-Scheibenverglasung Zu- /Abluftanlage mit WRG 0 EnEV 2-Scheibenverglasung Fensterlüftung 0 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% angenommene jährliche Energiepreissteigerung

38 3D-Modell

39 Thermische Simulation Sommer Variante 0 EnEV mit Fensterlüftung Variante B Passivhaus Variante C NEH nahezu identisch

40 Comenius-Schule Duisburg 1. Alle drei Varianten mit Lüftungsanlage weisen etwa den gleichen Temperaturverlauf auf. 2. Die Klassenräume erreichen vormittags Raumlufttemperaturen oberhalb der Umgebungstemperaturen, ab Mittag sind die Räume kühler als die Umgebung. 3. Die empfundenen Temperaturen liegen deutlich unter den Raumlufttemperaturen. Dies ist auf die Möglichkeit der nächtlichen Lüftung mit den Lüftungsanlagen zurückzuführen. Nachts werden so die Speichermassen der massiven Bauteile aktiviert. 4. In der Praxis würden die Temperaturen unter dem simulierten Verlauf liegen, da die inneren Lasten in den Pausen wegfallen. 5. Die Befürchtung, dass es durch Niedrigenergie- oder gar die Passivhausbauweise im Sommer zu warm wird, ist unbegründet. Insbesondere durch die Möglichkeit der nächtlichen freien Kühlung ist das Gegenteil der Fall.

41 Wortmann & Scheerer

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45 Wortmann & Scheerer

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47 Gemessener Verbrauch 30 kwh/m²a Sollverbrauch Verbrauch 15 kwh/m²a + Verluste d.h. ca kWh/m²a Gründe für Mehrverbrauch: Wortmann & Scheerer Planung Kein Windfang Standard-Vorgaben sinnvoll! Jedes Heizregister hat eigenen Kreis Betrieb Kein Monitoring bzw. nicht zeitnah Nicht ausreichende Schulung von Mitarbeitern im Gebäudebetrieb Keine Einweisung der Nutzer Wortmann & Scheerer

48 Anforderungen an den Planungsprozess Leitgedanke: Es geht nicht nur darum zu integrieren, sondern ein in sich stimmiges Gesamtkonzept zu erarbeiten. Übliche Hindernisse systemimmanente Fehler: Kosten für Lüftung sind nicht in den Kostenvorgaben enthalten! Mehrkosten für Energieeffizienz z.b. Passivhaus sind nicht berücksichtigt. Aber wer nicht investiert, kann nicht sparen! Die Komplexität des Planungs- und Umsetzungsprozesses wird nicht berücksichtigt. Wir bauen das wie immer, nur mit etwas mehr Dämmung und mit Lüftung. Bevor ein Konzept vorliegt, wird von den Planern eine Kostenschätzung verlangt! Großes Einsparpotential Entwurfsbegleitende Energetische Optimierung wird nicht genutzt!

49 Zusammenfassung In Schulen kann unserer Ansicht nach auf eine Lüftungsanlage nicht verzichtet werden. Eine Abluftanlage sehen wir kritisch (viel kalte Luft im Winter). Zu- und Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung ist sinnvoller (Behaglichkeit + Energieeinsparung). Anlagenplanung: Luftmengen so klein es geht (aber ppm CO 2 ) Stromverbrauch der Ventilatoren beachten! Die Befürchtung, dass es durch Niedrigenergie- oder gar die Passivhausbauweise im Sommer zu warm wird, ist unbegründet. Insbesondere durch die Möglichkeit der nächtlichen freien Kühlung ist das Gegenteil der Fall. Energieoptimierter Planungs- und Umsetzungsprozess ist Voraussetzung für wirtschaftliche Lösungen. Eine Umsetzung des Gebäudes als Niedrigenergie- oder Passivhaus wird dann meist die wirtschaftlichste Variante sein.

50 Wortmann & Scheerer

51 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

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