Grundschule Hohen Neuendorf (GSHN) Plusenergie-Grundschule Hohen Neuendorf: Messtechnische Evaluierung des hybriden Lüftungskonzeptes

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1 Grundschule Hohen Neuendorf (GSHN) Plusenergie-Grundschule Hohen Neuendorf: Quelle: IBUS Architekten und Ingenieure Messtechnische Evaluierung des hybriden Lüftungskonzeptes Sebastian Dietz Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 1

2 Einleitung Gebäudehülle nach dem Passivhausstandard Gebäudestruktur mit viel Speichermasse für eine freie (Nacht-)Kühlung Tageslichtnutzung von mehreren Seiten Präsenzabhängige Beleuchtung Hybrides Lüftungskonzept Nachhaltige Energieerzeugung (Pellet-Heizkessel, PV) Quelle: IBUS Architekten und Ingenieure Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 2

3 GSHN - Lüftungskonzept Ziel 1: Zuverlässig funktionierende Austauschlüftung in der Pause Quelle: BLS Energieplan, Präsentation vom , Werkstatt Energieeffiziente Schulen Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 3

4 GSHN - Lüftungskonzept Ziel 2: Einhaltung der CO 2 -Grenzwerte für natürlich belüftete Räume Richtwert für nat. belüftete Räume Raumklima und Schülerleistung Fraunhofer IBP Quelle: BLS Energieplan, Präsentation vom , Werkstatt Energieeffiziente Schulen Natürliche Pausen-Stoßlüftung: Mechanische Sowieso -Lüftung: Optional: Mechanische Lüftung auf Stufe 2: /h Luftwechsel für 10 Minuten 6,25 m³/(h*pers) 18,75 m³/(h*pers) Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 4

5 Umsetzung: GSHN - Lüftungskonzept Quelle: BLS Energieplan, Präsentation vom , Werkstatt Energieeffiziente Schulen Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 5

6 Umsetzung: GSHN - Lüftungskonzept Quelle: BLS Energieplan, Präsentation vom , Werkstatt Energieeffiziente Schulen Quelle: BLS Energieplan, Präsentation vom , Werkstatt Energieeffiziente Schulen Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 6

7 GSHN Inbetriebnahme Lüftungsflügel Inbetriebnahme motorisierte Lüftungsflügel IBUS Architekten BLS Energieplan (Fachplaner) Innoline (Fensterbauer) ESKOB (Elektro) Windowmaster (Fenstermotoren) Sauter (MSR) Beispiel Inbetriebnahme: Fenster fährt nicht komplett zu - Scharniere schwergängig / defekt? - Fensterkonstruktion verzogen? - Spannungsversorgung überlastet? - Klemmschutz defekt? - Synchronisation Doppelmotoren? - Programmierungsfehler MSR Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 7

8 GSHN - Luftwechselratenmessung Der Zielwert für die Luftwechselrate über die motorisierten Lüftungsflügel wird ab einer Temperaturdifferenz von 7 K erreicht. (die entspricht einer Außentemperatur von ca C) Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 8

9 GSHN - Luftqualität Tagesverlauf der CO 2 Konzentration und der Raumtemperatur am im Heimatbereich I (Flügel A, OG) Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 9

10 Häufigkeit Häufigkeit GSHN - Luftqualität November 2013 November %>1500 ppm 58%>1500 ppm 0%>1900 ppm 24%>1900 ppm CO 2 Konzentration in ppm CO 2 Konzentration in ppm Häufigkeitsverteilung der CO 2 -Konzentration für ausgewählte Zeiträume mit (links) und ohne (rechts) Betrieb der Lüftungsflügel für den Klassenraum 2.2 Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 10

11 GSHN - Luftqualität Raum Klassenraum 2.2 Klassenraum 4.2 Schuljahr 2012/ / / /14 Gesamte Nutzungszeit 1 888,75 h 879,83 h 860,92 h 1009,67 h Nutzungszeit bei σ (CO2) > 1900 ppm 64,08 h 3,58 h 97,42 h 128,08 h (Relativ) (7,21%) (0,41%) (11,32%) (12,69%) Nutzungszeit bei σ (CO2) > 1500 ppm 168,58 h 67,42 h 235,92 h 307,58 h (Relativ) (18,97%) (7,66%) (27,40%) (30,46%) 1 Entspricht der Nutzungszeit mit validen Daten für die CO2-Konzentration und den Präsenzstatus. Regulärer Lüftungsbetrieb Auch über längere Betrachtungszeiträume erzielt das hybride Lüftungssystem gute Resultate (bei regulärem Betrieb) Ohne einen automatischen Betrieb der Lüftungsflügel verschieben sich die CO 2 -Konzentrationen in einen nicht akzeptablen Bereich. der Betrieb der Lüftungsflügel ist trotz CO 2 Ampel für eine gute Luftqualität unverzichtbar Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 11

12 GSHN - Wetterschutz Der Wetterschutz verhindert häufig ein reguläres Lüften über die Lüftungsflügel Folge: keine effiziente Nachtauskühlung und höhere CO 2 -Werte Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 12

13 GSHN thermische Behaglichkeit Operative Raumtemperatur und der Behaglichkeitsbereich nach DIN EN in Abhängigkeit der stündlich gemittelten, gleitenden Außenlufttemperatur. Dargestellt sind die 5-Minutenwerte aus dem Klassenraum 2.2 für das Schuljahr 2012/13. Berechneter PMV-Index (vorausgesagtes mittleres Votum) in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur für die raumklimatischen Verhältnisse im Referenzklassenraum 2.2 für das Schuljahr 2012/13. Der PMV-Index ist ein Maß für das menschliche Wärmeempfinden. Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 13

14 GSHN - Lüftungsstrategie Zwischen großer Hof-Pause und kleiner Pause muss die Lüftungsstrategie unterscheiden Ein Gruppierung der Räume nach Nutzung sinnvoll Anpassungsmöglichkeiten durch den Nutzer sollten möglich sein (Hausmeister) Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 14

15 Stunde am Tag Leistung in kw Volumenstrom in m³/h GSHN: Systematische Inbetriebnahme Fehlerhafter Betrieb Außer Betrieb Regulärer Betrieb Fehlerhafter Betrieb Wartung Fehlerhaft er Betrieb Zeitreihe des Luftvolumenstroms (oben) und Carpetplot für die elektrische Leistungsaufnahme der Lüftungsanlage Flügel A der GSHN Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 15

16 GSHN Wärmeenergieverbrauch Verbrauch in den Übergangszeiten reduzieren Manuelle Abschaltung, 5kW Grundlast Mittlere tägliche Wärmeleistung des Pellet-Kessels und des Heizkreises für die Klassenflügel A + B (oben), sowie den Status für den Heizbetrieb bei unterschiedlichen Regelstrategien (unten). Problem: Ein gleitendes Mittel lässt sich an der Heizungssteuerung nicht einstellen (keine GLT vorhanden) Allgemein: Gute Abstimmung von Heiz- und Lüftungssystem notwendig (z.b. unnötiges Heizen zwischen Lüftungsvorgängen vermeiden) Das hybride Lüftungskonzept stellt erhöhte Anforderung an die Gebäudeautomation Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 16

17 GSHN Lessons learned - hybride Lüftung Verbesserungsmöglichkeiten für zukünftige Projekte: Eine hybride Lüftung kann dauerhaft eine gute Raumluftqualität sicherstellen Hierfür ist ein fehlerfreier Betrieb notwendig Wartung der Lüftungsflügel (LF) sollte bei der Vergabe berücksichtigt werden LF müssen mit Fensterkontakten ausgestattet werden Komplexere Auswertung der Wettersituation für den Wetterschutz Unterschiedliche Lüftungsstrategie je Nutzungsbereiche (Raumgruppen) sinnvoll Eine Anpassung der Lüftungsstrategie muss möglich sein (Anpassung an Nutzungsänderungen) Gemeinsame Regeleinheit / GLT für Lüftung und Heizung Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 17

18 / m 2 BGF (netto) 1 Alle Kostenangaben sind netto, ohne Umsatzsteuer. GSHN - Kosten Baukosten 1 Vergleich Baukosten KG 300 KG /m²bgf 281 /m²bgf Kostenstand KG 400 KG 300 Nutzungskosten 1 Energie Heizung Energie Strom Wasser-/Abwasser Wartung, Inspektion Instandsetzung Einspeisung 1,68 /m²bgf 3,75 /m²bgf 0,72 /m²bgf 1,59 /m²bgf <0,10 /m²bgf +2,04 /m²bgf Bezugszeitraum Jahr Schule Hohen Neuendorf Demo- Gebäude niedrig mittel hoch BKI-Benchmark 2013 BKI-Benchmark 2013 Vergleichskennwert Schulen Hinweis: verfügbarer Vergleichskennwert bezieht sich auf allgemeinbildende Schulen (ohne Turnhallen). Quelle: Ökonomische Begleitforschung, Bergische Universität Wuppertal, EnOB-Symposium Essen, 2014 Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 18

19 GSHN Kosten Verbraucher Anteil 2013 /Schüler Lüftung ohne Sporthalle 5.83% 1, Lüftung Sporthalle 12.42% 3, Beleuchtung ohne Sporthalle 21.32% 5, Sporthalle (Beleuchtung) 37.98% 10, Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 19

20 GSHN Energiebilanz Randbedingungen der Bedarfsrechnung: Für den Energiebedarf wurden die nach EnEV 2009 festgelegten Energieströme bilanziell erfasst Gutgeschrieben werden die Stromeinspeisung aus Photovoltaik und KWK-Prozessen Stromverbräuche, die durch sonstige Geräte (z.b. Computer, Küchengeräte, etc.) verursacht werden, sind in der Bilanz nicht berücksichtigt Der Wärmeenergiebedarf wurde auf Basis zonenweiser Simulation (TRNSYS) mit anschließender Extrapolation auf das gesamte Gebäude ermittelt Dabei wurde eine Nutzungszeit von 8 Uhr bis 14 Uhr festgelegt (reine Schulnutzung) Ermittlung der Nutz- und Endenergiemengen auf Basis von spezifischen Kennwerten (z.b. spezifisch installierte Beleuchtungsleistung und Volllaststunden, keine DIN Berechnung!) Primärenergiefaktoren gemäß GEMIS 4.5 Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 20

21 GSHN Energiebilanz Annäherung der Randbedingungen an die Bedarfsrechnung Vergleich von Verbrauchswerten und der Bedarfsrechnung schwierig Die Zielwerte sollten bereits die tatsächlichen Nutzung und auch Verbräuche außerhalb der EnEV berücksichtigen Primärenergiebilanz der GSHN für die Bedarfsrechnung (links), den Ist-Verbrauch und Varianten mit unterschiedlichen Randbedingungen für die Bilanzierung. Der Stromverbrauch außerhalb der EnEV ist in der Gesamtbilanz (schwarze Linie) nicht enthalten. Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 21

22 GSHN Lessons learned Monitoring als Werkzeug für die Inbetriebnahme von Gebäuden ein wichtiges Instrument. Das hybride Lüftungskonzept stellt bei einem minimalen Einsatz elektrischer Energie eine gute Raumluftqualität sicher. Lüftungsstrategie muss an die tatsächlichen Nutzungszeiten anpassbar sein (Nutzerakzeptanz) Aufgrund der hybriden Lüftung ergibt sich für die GSHN eine hohe Heizgrenztemperatur (Optimierungspotential) Ein effizienter Betrieb der hybriden Lüftung fordert eine gute Abstimmung mit dem Heizungssystem (in zukünftigen Projekten sollte eine gemeinsame Regeleinheit / GLT vorgesehen werden.) Die GSHN wird sehr stark außerschulisch genutzt, wodurch die geplanten Zielwerte (reiner Schulbetrieb) nicht erreicht werden. Dennoch kann gezeigt werden, dass für die Randbedingungen der Planung und weiteren Optimierungen die Plusenergiebilanz erreichbar ist. Das architektonische Gesamtkonzept der GSHN wird von den Nutzern (Schüler und Lehrer) sehr positiv bewertet. Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 22

23 Grundschule Hohen Neuendorf (GSHN) Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Gute Luft in Schulen, , Architektenkammer Berlin Sebastian Dietz 23