Hybride Lüftungskonzepte in Schulgebäuden

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1 Hybride Lüftungskonzepte in Schulgebäuden Prof. Dr.-Ing. Runa T. Hellwig Fakultät Architektur und Bauingenieurwesen, Fachgebiet Energie Effizienz Design und Bauklimatik Luftqualität und Lüftungstechnik in Schulgebäuden KEA EBZ Stuttgart, 19. Juli 2011 UBA-Leitfaden Leitwert für Kohlendioxid CO 2 - Konzentration [ppm] Hygienische Bewertung < 1000 Hygienisch unbedenklich Empfehlungen Keine weiteren Maßnahmen Hygienisch auffällig > 2000 Hygienisch inakzeptabel Lüftungsmaßnahme (Außenluftvolumenstrom bzw. Luftwechsel erhöhen) Lüftungsverhalten überprüfen und verbessern Belüftbarkeit des Raumes prüfen ggf. weitergehende Maßnahmen prüfen,, Energie Effizienz

2 Stoßlüftung Stoßlüftung ,, Energie Effizienz

3 Welche Luftmengen werden gefordert? Beispiel-Klassenraum: 30 Schüler + 1 Lehrkraft Grundfläche m² 70,6 Raumhöhe m² 3,1 Volumen m³ 219 Fläche pro Schüler m²/pers 2,35 CO 2 -Konzentration bis maximal 1000 ppm CO 2 -Konzentration bis maximal 1500 ppm m³/h h -1 m³/(h Pers) m³/h h -1 m³/(h Pers) 960 4, ,5 18 Weitere raumklimatische Anforderungen,, Energie Effizienz

4 Temperatur - Sonnenschutz - Sommerlicher Wärmeschutz - Lüftung Hellwig, Antretter, Holm, Sedlbauer, Bauphysik, 2009 Temperatur - Sonnenschutz - Sommerlicher Wärmeschutz - Lüftung Außenlufttemperatur R205 (Süd-West) R208 (Nord-West) R211 (Süd-Ost) 19. Juli Temperatur [ C] :00 04:00 08:00 12:00 16:00 20:00 24:00 Hellwig, Antretter, Holm, Sedlbauer, Bauphysik, 2009,, Energie Effizienz

5 Akustik - Störgeräusche von außen - Störgeräusche aus Nachbarräumen - Störgeräusche aus Haustechnischen Anlagen - Sprachverständlichkeit Akustik Schalldruckpegel von 11 Lüftungsanlagen: bei vor Ort eingestellten Luftwechseln zwischen 4 und 26 m³/(h Pers), häufigster Wert 17 m³/(h Pers) Schalldruckpegel [db(a)] Greml et al. 2008: Evaluierung von mechanischen Klassenzimmerlüftungen.,, Energie Effizienz

6 Akustik In der Stillarbeit ist es wirklich still. Anteil "stimmt" Antworten [%] < 0,66 s, N = 124 0,66-0,95 s, N = 170 >0,95 s, N = 95 Nachhallzeit [s], Anzahl befragter Kinder Klatte in Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie (Hrsg.): Lärmminderung in Schulen, 2007 Kategorien für das Raumklima nach DIN EN zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik Kategorie I II III IV Beschreibung Hohes Maß an Erwartungen; empfohlen für Räume, in denen sich sehr empfindliche und anfällige Personen mit besonderen Bedürfnissen aufhalten; z.b. Personen mit Behinderungen, kranke Personen, sehr kleine Kinder und ältere Personen Normales Maß an Erwartungen; empfohlen für neue und renovierte Gebäude Annehmbares moderates Maß an Erwartungen; kann bei bestehenden Gebäuden angewendet werden Werte außerhalb der oben genannten Kategorien. Diese Kategorie sollte nur für einen begrenzten Teil des Jahres angewendet werden.,, Energie Effizienz

7 Anforderungen für Beispiel-Klassenraum 71 m², 219 m³, 30 Schüler + 1 Lehrer Operative Temperatur 1) Lüftung, schadstoffarmes Licht 3) Akustik 4) Gebäude 2) Kategorie Volumenstrotungsstärkräuschpegehallzeit Luftwechsel Beleuch- Störge- Nach- Winter Sommer C C m³/h h -1 lx db(a) s II , (40) 0,66 5) III (20) ,5 1) zusätzlich sind lokale Unbehaglichkeitsphänomene zu berücksichtigen (ISO 7730, 2005), Zugluftrate DR (Kat B) < 20% 2) Der Begriff schadstoffarm wird in Anhang C, DIN EN 15251, 2007, definiert 3) Grad der Direktblendung durch Leuchten, Unified Glare Rating UGR 19, Farbwiedergabeindex Ra 80, zusätzlich die Forderung nach einer zylindrischen Beleuchtungsstärke von mindestens 50, besser 150 lx und einem steuerbaren Beleuchtungssystem auf. 4) Zusätzliche Anforderungen an den Schallschutz von Wänden, Decken, Böden sind einzuhalten. 5) unbesetzter Zustand, strenge Anforderungen für Nicht-Muttersprachler und das Verstehen schwieriger Texte Hellwig: Bauphysik 2010 Besonderheiten in Klassenräumen - hohe Personenbelegungsdichte: interne Wärmegewinne sehr hoch - Heizung nur zum Aufheizen der Räume,, Energie Effizienz

8 Lüftungswärmebedarf Außenklima 190 Schultage, Belegung 8:00 13:00 Analyse der Außentemperatur während der Schulzeit, TRY Würzburg: 90% der Außentemperaturwerte liegen zwischen -3 und 23 C. Hellwig: Bauphysik 2010,, Energie Effizienz

9 Besonderheiten in Klassenräumen - hohe Personenbelegungsdichte: interne Wärmegewinne sehr hoch - Heizung nur zum Aufheizen der Räume - innere und äußere Wärmelasten treten in der Regel gleichzeitig auf Besonderheiten in Klassenräumen - hohe Personenbelegungsdichte: interne Wärmegewinne sehr hoch - Heizung nur zum Aufheizen der Räume - innere und äußere Wärmelasten treten in der Regel gleichzeitig auf - Aufenthaltszone erfasst den gesamten Raum / flexible Sitzanordnung,, Energie Effizienz

10 Sitzordnungen Aufenthaltszone = komplette Grundfläche Besonderheiten in Klassenräumen - hohe Personenbelegungsdichte: interne Wärmegewinne sehr hoch - Heizung nur zum Aufheizen der Räume - innere und äußere Wärmelasten treten in der Regel gleichzeitig auf - Aufenthaltszone erfasst den gesamten Raum / flexible Sitzanordnung - Raumhöhen sind begrenzt - ein Lehrer, der unterrichtet kann nicht gleichzeitig Lüftungsbeauftragter sein,, Energie Effizienz

11 Welche Möglichkeiten zur Lüftung gibt es? Fensterlüftung Abluftsysteme Dezentrale raumweise Lüftungssysteme Zentrale Lüftungssysteme Hybride Lüftungssysteme Lüftungsplan Lüftungsampel Motorische Fensteröffnung Geregelte Abluftsysteme Einzelgeräte / Brüstungsgeräte Fassadenlüftungsgeräte Wandgeräte Deckengeräte Standgeräte VVS-Regelung mit CO2-Sensoren und Präsenzmeldern Lüftungssysteme können bei passenden Außenklimabedingungen mit einer Fensterlüftung kombiniert werden Hybride Lüftung,, Energie Effizienz

12 Hybride Lüftung Hybride Lüftungssysteme nutzen natürliche und mechanische Antriebskräfte in Abhängigkeit von der Tages- und Jahreszeit um behagliche Innenraumbedingungen und eine gute Luftqualität herzustellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen der Lüftung haben Hybride Lüftungssysteme ein intelligentes Regelungssystem, das automatisch zwischen den verschiedenen Betriebsweisen schalten kann, um den Energieverbrauch zu minimieren oder den Innenraumkomfort aufrechtzuerhalten. (Definition angelehnt an Annex 35 Hybrid Ventilation Systems) Das Verbundprojekt Das Verbundvorhaben: Heizenergieeinsparung, thermische Behaglichkeit und gute Luftqualität in Schulgebäuden durch hybride Lüftungstechnik wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie/ Projektträger Jülich unter den Aktenzeichen: Die Fassade für das Testgebäude am Fraunhofer IBP wurde von der Firma Schüco International KG zur Verfügung gestellt. AZ: A AZ: C AZ: D AZ: B,, Energie Effizienz

13 Teilprojekt RWTH-E.ON ERC/ Wildeboer/ TU Berlin Teilprojekt RWTH-E.ON ERC/ Wildeboer/ TU Berlin Freie Lüftung über Fenster kombiniert mit maschineller Lüftung über fassadenorientierte Lüftungsgeräte - Entwickeln eines fassadenintegrierten Systems zur hybriden Lüftung: Kombination von Fenster zur natürlichen Lüftung und Lüftungsgerät sowie Regelung - Ausarbeitung architektonischer Konzepte, um kostengünstigen Einbau sicherstellen zu können - Überprüfung des Systems in einem realen Klassenzimmer Hybrides Lüftungssystem Bestandteile eines Fassadenelementes Oberlicht: kontinuierliches Öffnen Drehkippfenster: kontinuierliches Öffnen Maschinelles Lüftungsgerät Luftverteilung Misch- und Quelllüftung Arbeitsweisen Natürliche Lüftung Maschinelle Lüftung Hybride Lüftung,, Energie Effizienz

14 Feldtest in einem Berliner Schulgebäude - Ansicht der Außenfassade - Die Testfassade liegt neben einer Bestandsfassade, um das Innenraumklima in beiden Räumen zu vergleichen - Testraum mit neuen Fassadenelementen - Messungen der Raumlufttemperatur und -qualität CO 2 -Konzentrationen im Winter c med : Median der CO 2 -Konzentrationen UE tot : Anzahl aller Unterrichtseinheiten mit Belegung,, Energie Effizienz

15 Teilprojekt Fraunhofer IBP Teilprojekt Fraunhofer IBP Freie Lüftung über automatisch unterstützte Fensterlüftung - Aufstellen einer Typologie von Fassaden in Schulgebäuden (Raummaße, Fenstertypen, Sonnenschutz, Belichtung) - Optimierte Anordnung der Öffnungen in der Fassade: Untersuchungen in Freilandversuchseinrichtung - Kombination der optimierten Fassadenkonstruktion mit Komponenten zur automatischen Steuerung/Regelung und Unterstützung einer freien Lüftung Freilandversuchseinrichtung Schulhaus,, Energie Effizienz

16 Messeinrichtungen und Dummies Untersuchte Fassadenvarianten,, Energie Effizienz

17 Anforderungen an eine Fassade Fassade - Feine Einstellung der Öffnungsfläche - Flexible Öffnungsweiten von minimal für den Winter bis maximal für den Sommer (Große Variabilität der Öffnungsfläche) - Stabile Luftwechsel - Geringe Abhängigkeit des Luftwechsel von den Windverhältnissen - Möglichst keine Zuluftöffnung in der Nähe der Personen - Vorerwärmung der Zuluft durch Heizkörper oder durch Vermischung der Zuluft mit der Raumluft - Eignung zur Nachtauskühlung (Einbruchschutz) Bewertung der Fassadenvarianten Bewertung - Kippflügel in nur einer Reihe ungeeignet (instabile Luftwechsel, geringe Beeinflussbarkeit durch Öffnungsweitenverstellung) - Kippflügel in zwei Reihen bedingt bis gut geeignet - Schwingflügel sehr gut geeignet (stabiles Innenraumklima, gute Beeinflussbarkeit durch Öffnungsweitenverstellung),, Energie Effizienz

18 Anforderungen an eine automatisierte Fassade Automatisierungskonzept - Öffnungsweitenveränderung in Abhängigkeit von den Raumparametern (häufige Lastwechsel in Klassen) - Leise Motoren - Gleichbleibende Öffnungsweite über lange Zeiträume (kein ständiges Öffnen und Schließen) - Schnelle Reaktion auf Änderung der Umgebungsbedingungen - Einfache Handhabung und Möglichkeit der Übersteuerung durch den Nutzer - Kostengünstig (wenig Sensoren, wenig automatisierte Fenster) - Witterungsschutz bei hohen Windgeschwindigkeiten und Schlagregen Regelungsversuche mit Personen - Schwingflügel,, Energie Effizienz

19 Regelungsversuche mit Personen - Schwingflügel Regelungsversuche mit Personen - Schwingflügel,, Energie Effizienz

20 Schülertest Unterricht im Testgebäude mit Schülern der Kollegstufe des Gymnasiums Tegernsee am und Leitfaden für die Innenraumhygiene in Schulgebäuden des Umweltbundesamtes, enraumhygiene/irk.htm Fachverband Gebäude-Klima e.v.: STATUS- REPORT 22 - Lüftung von Schulen REPORT/fgk_status-report.php Steiger, S.; Hellwig, R.T. (2011): Hybride Lüftungssysteme für Schulen. Abschlussbericht. Fachverband Gebäude-Klima e.v. (Hrsg.) im Rahmen des FIA Forschungs-Informations- Austausch, Bietigheim-Bissingen, April nloads_/schriften_des_fgk/schriften_des_fgk.p hp Photo: Hellwig, 2010,, Energie Effizienz

21 Literatur Hellwig, R.T.; Antretter, F.; Holm, A.; Sedlbauer, K.: Untersuchungen zum Raumklima und zur Fensterlüftung in Schulen. Bauphysik 31 (2009), Heft 2, Hellwig, R.T.; Kersken, M.; Schmidt, S.; Ausstattung von Klassenräumen mit Einrichtungen zum Temperieren, Lüften und Belichten in Schulen im Landkreis Miesbach. Bauphysik 31 (2009), Heft 3, Steiger, S.; Hellwig, R.T. (2009): Hybride Lüftung für Schulräume Automatisierte Fensterlüftung. Tagungsband Deutsche Kälte-Klima-Tagung 2009, Berlin, 18. bis 20. November 2009, Beitrag IV.10. Hellwig, R.T.: Das Verbundprojekt Hybride Lüftung in Schulen: Ziele und besondere Randbedingungen in Schulen. Holzkirchen, Symposium Innovative Lüftungstechnik in Schulen am Fraunhofer-Institut für Bauphysik, 17. Mai 2010 Hellwig, R.T. (2010): Hygiene und Komfort in Unterrichtsräumen - Wie sollen wir lüften? Regierung Oberbayern/ TU München (Hrsg.): Tagungsband Zukunft Schule - Rolle der Technik bei Neubau und Sanierung, München 16. Juni 2010 Steiger, S.; Wellisch, U.; Hellwig, R.T. (2010): Untersuchung der Eignung verschiedener Fassaden für automatisierte Fensterlüftung in Schulen mit einem Entscheidungsbaumverfahren. Bauphysik 32, Heft 4, S Hellwig, R.T. (2010): Raumklimatische Planungsgrundlagen für Klassenräume. Bauphysik 32, Heft 4, S Steiger, S.; Hellwig, R.T.: Hybride Lüftungssysteme für Schulen. Abschlussbericht. Fachverband Gebäude-Klima e.v. (Hrsg.) im Rahmen des FIA Forschungs-Informations- Austausch, Bietigheim-Bissingen, April 2011.,, Energie Effizienz