Nachdiplomstudium Energie Diplomarbeit. Energietechnische Optimierungen in der Gemeinde Gränichen. Oliver Löffler, Christoph Oertli, Barbara Zehnder

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1 Nachdiplomstudium Energie Diplomarbeit Energietechnische Optimierungen in der Gemeinde Gränichen Oliver Löffler, Christoph Oertli, Barbara Zehnder Muttenz, Juni 2006

2 Eine Diplomarbeit von Studierenden des Nachdiplomstudiums Energie an der Fachhochschule Nordwestschweiz. Oliver Löffler, Eidg.dipl. El.-Installateur Christoph Oertli, Masch. Ing. HTL Barbara Zehnder, Dipl.-Ing. Architektur FH Muttenz, Juni 2006 Zu dieser Diplomarbeit Der vorliegende Bericht wurde von den Studierenden des NDS-Energie, unter Mithilfe und Betreuung von Dozenten, im Rahmen der Diplomarbeit erarbeitet. Die Arbeit ist projektbezogen und zeigt konkrete Handlungsmöglichkeiten auf. Die Autor/innen hoffen, dass der Bericht gute Dienste bei der weiteren Arbeit leiste. Es muss an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, dass die Arbeit nicht im Rahmen eines Auftragsverhältnisses erstellt wurde. Weder die Autor/innen noch die Fachhochschule Nordwestschweiz können deshalb für Aktivitäten auf der Basis dieser Studierendenarbeit planerische Haftung übernehmen. Das Nachdiplomstudium Energie an der Fachhochschule Nordwestschweiz Das NDS-Energie ist ein berufsbegleitender interdisziplinärer Studiengang, der sich über zwei Semester mit anschliessender Diplomarbeit erstreckt. Er richtet sich an Architekt/innen, Ingenieur/innen und Hochschul- und Fachhochschulabsolvent/innen anderer technischer Fachrichtungen oder Personen mit gleichwertiger Ausbildung. Weitere Informationen: Fachhochschule Nordwestschweiz,,, CH- Tel

3 Abstract In der Aargauer Gemeinde Gränichen werden energietechnische Optimierungen untersucht, die ein breites Spektrum abdecken: Gebäudehülle, Wärmeerzeugung, Wärmeverteilung und Haustechnik. Um die Auslastung einer bestehenden Holzschnitzel-Feuerung zu verbessern, wird die Möglichkeit abgeklärt, sie in einen bestehenden Wärmeverbund zu integrieren. Angedacht ist ausserdem eine Pellets-Produktion. Für ein an den Wärmeverbund angeschlossenes Schulhaus wird ein wärmetechnisches Sanierungskonzept erarbeitet, sowie eine neue energieeffiziente Beleuchtung vorgeschlagen. Die Visualisierung des solaren Ertrages einer bestehenden Sonnenkollektor-Anlage ergänzt die gesamtheitlichen Betrachtungen, die durch Wirtschaftlichkeitsrechnungen und Finanzierungsmöglichkeiten in ihrer Machbarkeit überprüft werden.

4 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung, Umfang der Arbeit Seite 1 2. Vorstellung der Gemeinde Gränichen und der in die Arbeit involvierten Gebäude und Anlagen Seite 2 3. Optimierung Oberstufenschulhaus - Sanierung Gebäudehülle Seite 6 4. Optimierung Oberstufenschulhaus - Sanierung Beleuchtung Schulzimmer Seite Optimierung Auslastung der Holzschnitzelheizung Altersheim Seite Projekt 1: Erweiterung Fernwärmeverbund Seite Projekt 2: Pellets Seite Finanzierung Contracting für Projekt 1 Seite Visualisierungskonzept Sonnenkollektoranlage Sporthalle Seite Zusammenfassung und Schlussfolgerungen Seite 45

5 1 Einleitung, Umfang der Arbeit Das Studium am Institut für Energie ist sehr vielseitig. Es hat uns breite Grundkenntnisse im Energiesektor vermittelt, Einblicke in verschiedene Bereiche der Energieversorgung, der Energieeffizienz, der Energiespar- und Optimierungsmöglichkeiten und dem Einsatz erneuerbarer Energien ermöglicht. Bestandteil des Studiums war immer die Arbeit in interdisziplinären Teams. Auch in unserem Diplomteam treffen verschiedene Bereiche aufeinander: wir decken den architektonischen, den ingenieurtechnischen, den elektrotechnischen und den unternehmerischen Bereich der Energieversorgung ab. In der vorliegenden Arbeit haben wir uns dies zu Nutze gemacht, um unser Thema vielseitig zu erarbeiten und ein breit abgestütztes Ergebnis vorlegen zu können. Unser Ziel: umfangreiche und verschiedene Aspekte eines ganzheitlichen Energiekonzeptes zu erarbeiten und damit zu einer konkreten Umsetzung beizutragen. Vor diesem Hintergrund war es für uns interessant, eine Diplomarbeit über ein Thema zu schreiben, das bei Nachweis der Wirtschaftlichkeit auch Realisierungschancen hätte: Energietechnische Optimierungen in der Gemeinde Gränichen Ausgangslage: Im Dorfkern der Gemeinde Gränichen befinden sich mehrere Grundstücke mit Gebäuden, die im Besitz der Einwohnergemeinde und der Ortsbürger sind. Es handelt sich um eine Schulanlage mit einigen Gebäuden aus verschiedenen Baujahren, einer Sportund einer Mehrzweckhalle, dem Gemeindehaus, einem Dorfzentrum mit Läden, Büros und Wohnungen, sowie einem inzwischen erweiterten Altersheim. Realisiert wird in den nächsten 2 Jahren ein weiteres Gebäude mit Alterswohnungen zusätzliche Alterswohnungen könnten ins Gespräch kommen. Ein Grossteil der Gebäude wird versorgt über einen Wärmeverbund mit Anlagen unterschiedlicher Baujahre (Gas-/Ölkessel). Zusätzlich befindet sich auf dem Dach einer Sporthalle eine Sonnenkollektoranlage. Im Altersheim ist eine Holzschnitzelheizung installiert. Potential für unsere Arbeit: Die Schulgebäude weisen aufgrund ihres unterschiedlichen Alters verschiedene Standards auf. Eines der älteren Gebäude von 1973 ist in einem Zustand, der eine Sanierung der Gebäudehülle in den nächsten Jahren wahrscheinlich macht. In welchem Umfang bewirkt eine wärmetechnische Sanierung der Gebäudehülle eine Energieeinsparung? Welche Massnahmen können vorgeschlagen werden? Kann durch eine Sanierung der Beleuchtung in den Klassenzimmern eine Effizienzverbesserung erreicht werden (effizientere Leuchtmittel, tageslichtabhängige Steuerung)? Anhand einer Gebäudeanalyse werden Optimierungsmassnahmen erarbeitet, die mit einer Wirtschaftlichkeitsrechnung zu einer konkreten Empfehlung führen. Die Energieerzeugungsanlagen des bestehenden Wärmeverbundes machen aufgrund ihres Alters eine zumindest teilweise Erneuerung in den nächsten Jahren notwendig. Bei dieser Gelegenheit sollte anstelle eines reinen Ersatzes der Anlagen auch das Energieversorgungskonzept überprüft werden. Die Holzschnitzelheizung im Altersheim scheint für den augenblicklichen Verbrauch zu gross dimensioniert zu sein und entsprechende Leistungsreserven zu haben. Der Eigentümer ist zudem im Besitz einer grossen Waldfläche und eines Forstbetriebes. Der weitere Absatz von Holzschnitzeln wäre daher wünschenswert. Gibt es entsprechende Energiereserven und in welcher Grössenordnung? Wie lässt sich die überschüssige Leistung ökologisch und ökonomisch sinnvoll verwenden und damit die Holzschnitzelheizung besser auslasten? Können eventuell weitere Gebäude an den Wärmeverbund angeschlossen werden? Lässt sich das gesamte Gebiet zu einem Fernwärmeverbund zusammenschliessen? Wie könnte dies finanziert werden? Wäre allenfalls ein Contractor für den Wärmeverbund zu finden? Wir prüfen die Erweiterung des Verbundes mit dem Bau einer weiteren Fernwärmeleitung und ihrer Dimensionierung. Eine Wirtschaftlichkeitsrechnung führt am Ende zu einer konkreten Empfehlung. Der Beitrag der Sonnenkollektoranlage auf dem Sporthallendach wird bisher nicht erfasst. Die zahlreichen Nutzer der Sporthalle (Schüler, Vereinsmitglieder) bilden jedoch ein breites Publikum, dem hier der Zugang zu erneuerbaren Energien vermittelt werden könnte. Kann mit vertretbarem Aufwand der solare Ertrag erfasst und angezeigt werden? Wie muss das Messkonzept aussehen, wie die Anzeige? Unsere Arbeit berücksichtigt ein breites Spektrum möglicher energetischer Verbesserungen. Wir hoffen, dass unsere Arbeit einen Beitrag leisten kann zu energietechnischen Optimierungen in der Gemeinde Gränichen. Seite 1

6 2 Vorstellung der Gemeinde Gränichen und der in die Arbeit involvierten Gebäude und Anlagen 2.1 Gemeinde Gränichen Bei Gränichen weitet sich das Wynental, die bewaldeten Hügelzüge treten zurück und geben den Blick frei nach den fernen blauen Juraketten. In engen Seitentälchen rauschen versteckte Quellen und Wässerlein, blühen Anemonen, Veilchen und Schlüsselblumen, weiden um einsame Bauernhäuser Hasen und Rehe. Daneben machen die breite Talstrasse und die Talbahn den Gang in die Stadt kurz und angenehm. Einleitung aus Alt-Gränichen, Bilder aus der Dorfgeschichte von Max Byland Ganz so idyllisch verläuft das Leben in Gränichen nicht mehr. Gränichen ist gewachsen und hat sich dem Lauf der Zeit gestellt, aber noch immer unter dem Motto Gränichen - ein Dorf zum Daheimsein. Die Gemeinde Gränichen im Kanton Aargau, gelegen auf 410 müm (Höhe Bahnhof), gehört zum Bezirk Aarau, ist aber durch die Autobahn von ihm getrennt. Es liegt im nördlichsten Ende des Wynentales, hat sich aber seine Eigenart und Eigenständigkeit gegenüber allen übrigen Wynentaler Gemeinden bewahrt. Mit einer Gesamtfläche von 1`723 ha ist Gränichen die viertgrösste Gemeinde im Aargau. Nur 175 ha davon sind überbaute Fläche, 955 ha Waldfläche. Der überwiegende Teil der Waldfläche ist im Besitz der Ortsbürgergemeinde (761 ha). Gränichen in Zahlen (Ende 2005) Einwohner: 6396 Haushalte: ca. 2`700 Schüler Schuljahr 2005/ Erwerbstätige ca. 3`000 Arbeitsplätze ca. 1`000 (JOWA ca. 576 / Zehnder Heizkörper AG ca. 210) Geschichte - Gränichen wird im Jahre 1184 in Schirmbrief des Klosters Engelberg erstmals erwähnt - ist im Besitz der Lenzburger Grafen und später der Kyburger, wird 1281 den Habsburgern verpfändet - ist 1450 bernisches Untertanenland unter dem Lenzburger Vogt - kommt nach dem Einfall der Franzosen 1798 im Jahre 1803 zum neuen Kanton Aargau Sehenswertes in Gränichen - reformierte Kirche mit Grisaille-Malereien von Hansueli Fisch, 1663 erbaut von Abraham Dünz, 1978/79 restauriert - Pfarrhaus Kirchenbündten, 1580 erbaut, 1719 barockisiert - Beinhaus Kirchenbündten, zweigeschossiger Mauerbau aus dem 15./16. Jahrhundert - Vogtshaus an der Lochgasse, 1674 als bernische Untervogtei errichtet, nachgotisch - Speicher auf der Liebegg, 1752 erbaut, 1956 von Murgenthal nach Gränichen verschoben - Schloss Liebegg, 1241 erstmals erwähnt - Chornhuus, erbaut 1608, heute Dorfmuseum und Musikschule - Dorfzentrum Linde, eröffnet 1993; Gemeindeverwaltung, Einkaufszentrum, Büros, Wohnungen Bild 2.1: Lageplan Aarau und Gränichen Nachbargemeinden Suhr Hunzenschwil Schafisheim Seon Teufenthal Unterkulm Hirschtal Muhen Oberentfelden Seite 2

7 2.2 Eingrenzung: Planungsgebiet der Diplomarbeit Die Untersuchungen dieser Arbeit konzentrieren sich auf ein Gebiet im Zentrum des Ortes Gränichen, an dem die durch den Ort führende Kantonsstrasse K242 eine auffallende S-Kurve bildet. Unser Planungsperimeter umfasst die im Situationsplan unten grau hervorgehobenen Gebäude: - im Südwesten Schulgelände und Chornhuus - im Südosten die Mehrzweckhalle, dahinter die neue 3-fach Sporthalle - nördlich der Kantonsstrasse das Dorfzentrum mit Läden, Wohnungen, Büros und dem Gemeindehaus - im Norden unterhalb des Bahnhofs das Altersheim Schiffländi - auf der Parzelle des Altersheims die für 2007 geplanten Alterswohnungen und die Brockenstube 2.3 Gebäude und Anlagen Im Folgenden geben wir einen kurzen Überblick über die in unsere Arbeit einbezogenen Gebäude und deren Nutzungen. Die Reihenfolge entspricht der Nummerierung im Situationsplan. 1 Gemeindehaus Das Gemeindehaus ist als Teil des Dorfzentrums Gränichen 1993 aus dem Wettbewerbserfolg des Architekturbüros Fugazza Steinmann & Partner AG, dipl. Arch. ETH/SIA, aus Wangen bei Olten entstanden. Es wird genutzt von der Verwaltung, Eigentümer ist die Einwohnergemeinde Gränichen (EWG). 1 Gemeindehaus (1) 8 Doppelturnhalle (17) 2 Dorfzentrum Linde (12) 9 Mehrzweckhalle (18) (Läden, Büros, Wohnungen) 10 3-fach Halle (19) 3 Chornhuus (Dorfmuseum) (2) 11 Altersheim Schiffländi (5) 4 Dorfschulhaus (13) 12 Alterswohnungen Primarschulhaus (14) 13 Brockenstube 6 Oberstufenschulhaus (15) 14 Bahnhof (3) 7 Bezirkschulhaus (16) Die in Klammern gesetzte Nummerierung bezieht sich auf den aktuellen offiziellen Ortsplan Gränichen. 2 Dorfzentrum Linde (Läden, Büros, Wohnungen) Das Dorfzentrum Linde wurde erbaut nach einem Architektenwettbewerb von 1988 durch das Büro Fugazza Steinmann & Partner. Der Bezug war Seitdem finden sich im Dorfzentrum Läden, Büros und Dienstleistungen verschiedener Art und Wohnungen in den Obergeschossen (28 Wohnungen zwischen 1.5 Zimmern und 4.5 Zimmer Maisonette-Wohnungen). Im Untergeschoss befindet sich eine Einstellhalle für rund 100 Stellplätze. Eigentümer des Zentrums sind die Einwohnergemeinde Gränichen und die Basler Versicherung. Bild 2.2: Situationsplan Planungsgebiet Diplomarbeit Seite 3

8 NDSE Energie Juni Chornhuus heute Dorfmuseum 1608 errichteten die Berner Räte das Chornhuus, das über 100 Jahre bis zum Einfall der Franzosen 1798 seinen Zweck erfüllte. Nach jahrelangem Leerstand und beginnendem Verfall kauften die Gränicher Ortsbürger 1851 das ehemalige Kornhaus und richteten im 1. Stock eine Strohweberei und eine Schnürlispinnerei ein, die beide 20 Jahre später wieder stillgelegt wurden. Danach wurden beide Stockwerke als Schulraum genutzt, später jahrzehntelang als Sitz der Gemeindeverwaltung. Nach einer umfassenden Renovation des Gebäudes konnte 1995 das Museum der Heimatvereinigung im ehemaligen Chornhuus eröffnet werden. 5 Primarschulhaus Das Primarschulhaus ist wie das Gemeindehaus und das Dorfzentrum ein Wettbewerbserfolg des Architekturbüros Fugazza Steinmann & Partner. Es wurde 1995 bezogen und beherbergt auf seinen 3 Geschossen 10 Primarklassen, insgesamt ca. 220 Schüler. 6 Oberstufenschulhaus Der Kubus wurde erbaut 1973 als klassischer Bau seiner Zeit. Er wird im Verlauf dieser Arbeit anhand einer Gebäudeanalyse detaillierter beschrieben. In ihm findet Unterricht für 8 Sekundarklassen und 4 Realschulklassen statt insgesamt also für weitere 200 Schüler. 4 Dorfschulhaus Das Dorfschulhaus stammt aus dem Jahr Es ist das erste Gebäude am Zugang auf das Gränicher Schulgelände und wie die anderen Schulgebäude im Besitz der Einwohnergemeinde Gränichen. Es wird genutzt von den beiden Einschulungsklassen und 3 Primarklassen insgesamt etwa 80 Schülern. 7 Bezirkschulhaus Das Bezirksschulhaus bildet als langgestreckter 2geschossiger Bau den Abschluss der Schulanlage gegen Nordwesten. Die Klassenräume werden genutzt von ca. 140 Schülern, aufgeteilt auf 9 Klassen. Seite 4 Diplomierende: Oliver Löffler, Christoph Oertli, Barbara Zehnder

9 Im Untergeschoss des Bezirksschulhauses befindet sich die Heizzentrale ausgerüstet mit 3 Kesseln mit umschaltbaren Brennern (Öl/Gas), die den bestehenden Wärmeverbund (Schulen, Mehrzweck- und Sporthalle, Dorfzentrum) mit Energie versorgen. Kessel 1 und 2 mit dem Baujahr 1986 weisen je eine Leistung von 465 kw auf, Kessel 3 aus dem Jahr 1994 eine Leistung von 265 kw. Weitere Details zur Heizanlage sowie der Energieversorgung finden sich in den entsprechenden späteren Kapiteln dieser Arbeit. 11 Altersheim Schiffländi Auch das Altersheim Schiffländi ist 1981 aus einem Wettbewerb hervorgegangen und ein Bau des Architekturbüros Fugazza Steinmann & Partner. Es wurde 1986 fertiggestellt und in Betrieb genommen. 8 Doppelturnhalle Die Doppelturnhalle gliedert sich in den Baukomplex des Bezirksschulhauses ein. Sie wurde vor kurzem saniert und steht für den Turnunterricht der Schule zur Verfügung. 9 Mehrzweckhalle Die Mehrzweckhalle war die erste Sporthalle der Schulanlage. In der Zwischenzeit ist eine weitere Sporthalle und die 3-fach Halle erbaut worden. Die Mehrzweckhalle wird heute für verschiedene Anlässe wie Ausstellungen und Feste genutzt. Der Anbau an der Nordwestseite entstand im Jahr 2000 und erweitert das Altersheim um 50 Zimmer. Der gesamte Komplex ist im Eigentum der Ortsbürgergemeinde Gränichen fach Halle Die 3-fach Halle wurde erbaut im Jahr 1997 und wird genutzt von der Schule, verschiedenen Vereinen und für diverse öffentliche Anlässe. Auf dem Flachdach des Gebäudes ist eine Sonnenkollektoranlage mit 25 m 2 Kollektorfläche installiert, die einen Beitrag zur Wassererwärmung liefert. Im Untergeschoss des Altersheims befindet sich die Heizzentrale ausgerüstet mit einer 460 kw Holzschnitzelheizung aus dem Jahr 2000 und einem 400 kw Gaskessel mit gleichem Baujahr. Auch hierzu finden sich ausführliche Angaben in den entsprechenden späteren Kapiteln dieser Arbeit. Quellenangaben [ 01 ] Seite 5

10 3 Optimierung Oberstufenschulhaus: Sanierung Gebäudehülle 3.1 Ausgangslage Die Schulanlage Gränichen besteht aus mehreren Gebäuden aus unterschiedlichen Baujahren. Eines der Gebäude, bei dem aufgrund seines Alters und seines Zustandes in den nächsten Jahren eine Sanierung in Frage kommen wird, ist das Oberstufenschulhaus der Kubus. Im Rahmen dieser Arbeit wird daher als energietechnische Optimierung in der Gemeinde Gränichen das Oberstufenschulhaus bezüglich seiner Gebäudehülle auf energetische Optimierungsmöglich keiten untersucht. Als Grundlage wird eine Gebäudeanalyse erstellt, die das Potential für Optimierungsmassnahmen zeigen wird. Die Gebäudeanalyse basiert auf Planunterlagen aus dem Jahr 1972 und ergänzenden Aufnahmen vor Ort. Sie soll die Ausgangslage liefern, die eine Einschätzung des Gebäudes ermöglicht. Sie kann aufgrund ihres Umfangs und ihres Detaillierungsgrades nicht als abschliessende Beurteilung des Baus gewertet werden, sondern eine Richtung und das Potential aufzeigen. Die vorgeschlagenen Massnahmen werden neben dem energetischen Gewinn auch anhand einer Kostenschätzung auf ihre Wirtschaftlichkeit überprüft. Nutzung Im Oberstufenschulhaus findet auf 3 Geschossen Unterricht für 8 Sekundarklassen und 4 Realschulklassen statt insgesamt ca. 200 Schüler. Der Zugang befindet sich gegenüber der 2-fach Turnhalle an der südwestlichen Stirnseite des Kubus. Im Erdgeschoss des Baus liegt der Lehrerbereich mit dem Rektorat, 2 der 12 Klassenzimmer, sowie die WC-Anlage an der Nordostseite. In den beiden Obergeschossen befinden sich je 5 Schulzimmer u- förmig um den zentralen offenen Treppenaufgang angeordnet. Bild 3.1: Situationsplan Schulgelände Das Gebäude ist aus dem Jahr 1973 und entspricht in seinem Standard einem Bau seiner Zeit. Am Gebäude wurden noch keine wärmetechnischen Verbesserungen vorgenommen. Der notwendige Unterhalt hat zwar stattgefunden, aber entsprechend der jahrelangen intensiven Nutzung einer Schulanlage ist der Kubus baulich in einem sanierungswürdigen Zustand. Baukonstruktiv und energetisch kann klar eine Verbesserung erreicht werden. Bild 3.3: Grundriss OG Bild 3.2: Foto Oberstufenschulhaus "Kubus" Mit dem Bau des an der Nordwestseite gegenüberliegenden Primarschulhauses im Jahr 1995 wurde im 1. Obergeschoss ein verschliessbarer interner Übergang geschaffen. Die Gebäude können jedoch konstruktiv und bauphysikalisch auch für die folgende Analyse getrennt betrachtet werden. Das UG ist als Zivilschutzkeller ausgeführt, dessen Räume neben einem Heiz- und einem Elektroraum als Materialräume und Lager genutzt werden. Seite 6

11 3.2 Gebäudehülle / Baukonstruktion Nachfolgend ein Überblick über die baukonstruktive Ausführung der Bauteile der Gebäudehülle: Bild 3.5: Fassadendetail mit demontierter Pelichromplatte Eck-/ und Mittelelemente Die betonierten Eck-/ und Mittelelemente der Fassaden lassen aus den Grundrissplänen ausser der statischen Funktion auf den ersten Blick keine eindeutige Funktion für die bestehenden nicht isolierten Hohlräume zu. Vermuten lässt sich eine Installationszone. Überprüfungen vor Ort konnten dies nur zum Teil bestätigen: in den Hohlräumen der Mittelelemente verläuft die vertikale Erschliessung der Heizleitungen. Die Hohlräume der Eckelemente wiesen jedoch keine Leitungsführungen auf und sind wie in den Plänen dargestellt mit lediglich 4 cm Isolation ausgeführt. Fenster Die Fenster sind seit dem Erstellungsjahr des Gebäudes weder saniert noch ausgewechselt worden. Es handelt sich um eine 2-Scheiben-Isolierverglasung der Firma Glaverbel SA. Nach Recherchen in Firmen- Unterlagen aus den 70er Jahren wird für die Fenster ein U-Wert von 2.8 W/m 2 K und ein g-wert von 0.75 angenommen. Die Dichtungen und Anschlüsse zu angrenzenden Bauteilen weisen an mehreren Stellen Sanierungspotential auf. Bild 3.4: Fassadenschnitt Südost - gekürzt Aussenwände Die Aussenwände bestehen in den nicht verglasten Bereichen aus 18 cm Backsteinmauerwerk (nicht tragend) mit 7 cm Isolation und einer vorgehängten Fassade aus Pelichromplatten. Die Brüstungsbereiche sind umlaufend betoniert (25 cm) und mit gleicher Isolationsstärke gedämmt (7 cm). Die Hinterlüftungsebene entspricht daher im Brüstungsbereich nur 19 cm statt 25 cm im geschlossenen Bereich des Mauerwerks. Die Fassaden zeigen den Fensteranteil an der Gebäudehülle: Bild 3.6: Fassade Südwest - Eingang Seite 7

12 Überblick U-Werte der Bauteile Gebäudehülle: Nachfolgend sind in einer Tabelle die U-Werte der verschiedenen Bauteile zusammengestellt, wie sie in der Gebäudeanalyse verwendet wurden. Bild 3.7: Fassade Nordwest Bild 3.8: Fassade Südost Bauteilbezeichnung Eckelement Mittelelement NO / SW Mittelelement SO / NW Brüstungselement Aussenwand Backstein Fensterfront Aussenwand Schutzraum UG Trennwand Schutzraum UG (gegen unbeheizt) Kellerboden Flachdach U-Wert 0.69 W/m 2 K 0.75 W/m 2 K 0.69 W/m 2 K 0.45 W/m 2 K 0.38 W/m 2 K 2.8 W/m 2 K 3.29 W/m 2 K 2.26 W/m 2 K 0.3 W/m 2 K 0.8 W/m 2 K Dach Das kiesgedeckte Flachdach konnte nicht vor Ort auf seine detaillierte Übereinstimmung in der Ausführung mit den Konstruktionsplänen überprüft werden. Daher wird der herkömmliche Flachdachaufbau auf der 30 cm starken Betondecke (Dampfsperre, Wärmedämmung, Trennlage, Kies) gemäss Plänen für die Analyse verwendet. Es weist lediglich eine 5 cm starke Wärmedämmung aus gerechnet wird mit Korkplatten oder vergleichbaren Material. Keller Der gesamte Keller muss mit 25 cm betonierter Aussenwand als ungedämmt betrachtet werden, liegt jedoch nicht ausserhalb des Dämmperimeters des Gebäudes. Die Definition des Dämmperimeters ist ein geschlossener geometrischer Körper aus den Bauteilen eines Gebäudes, die den beheizten Innenraum vom Aussenklima abgrenzen. Wäre der Keller also gedämmt, würde er den Dämmperimeter um das gesamte Gebäude schliessen. Wäre die Kellerdecke gedämmt, wäre das Gebäude oberirdisch im Dämmperimeter eingeschlossen und der Keller kalt. Mit der bestehenden Ausführung bildet der ungedämmte Keller ein Wärmeleck in der Gebäudehülle und ein dementsprechendes Sanierungspotential. An der Südostseite (unter dem Eingang im EG) schliessen die Schutzräume mit einer Gebäudefuge an den Zivilschutzkeller unter der 2-fach Turnhalle an. Allgemeiner Eindruck vor der Analyse Der Eindruck der Benutzer zeigt eine unbefriedigende Komfortsituation im Gebäude. Diese Aussagen können zum Teil durch Aufnahmen vor Ort bestätigt werden, wie z.b. das nachfolgende Foto einer undichten Fassade im Brüstungsbereich zeigt. Bild 3.9: Brüstung / Fensteranschluss Um einen Gesamteindruck der thermischen Hülle zu bekommen, haben wir Anfang Januar Aufnahmen mit einer Wärmebildkamera gemacht und ausgewertet. Die Aufnahmen zeigen die Schwachstellen im Bereich der Fensterfronten, wie zu erwarten besonders durch die Metallfensterrahmen. Verfälscht wird die scheinbar sehr gute Darstellung der Brüstungen und der geschlossenen Fassadenelemente durch die Hinterlüftungsebene die Oberflächentemperatur auf der Aussenseite der Pelichromplatten kann nicht als Vergleichswert herangezogen werden, massgeblich wäre die Ebene der Isolationsschicht hinter den Platten. Seite 8

13 NDSE Energie Juni 2006 Bilder / Thermobilder Eingangsfront SüdWest Thermographie: Eingangsfront SüdWest Fassade Nordwest Thermographie: Fassade Nordwest Fassade Nordwest Thermographie: Fassade Nordwest Fassadendetail SüdOst Thermographie: Fassadendetail SüdOst Diplomierende: Oliver Löffler, Christoph Oertli, Barbara Zehnder Seite 9

14 3.3 Berechnung Heizwärmebedarf Für die Gebäudeanalyse wurde das Programm Entech von Huber Energietechnik AG verwendet ein Programm zur Berechnung des Heizwärmebedarfs von Gebäuden nach der SIA-Norm 380/1 Thermische Energie im Hochbau. Zusammengefasst die wichtigsten Gebäudedaten: Energiebezugsfläche EBF = 2`727 m 2 Bruttovolumen V = 8`121 m 3 Gebäudehüllfläche A = 2`205 m 2 Gebäudehüllzahl A/EBF = 0.81 Nomen est omen der Kubus zeigt seine Kompaktheit in einer niedrigen (günstigen) Gebäudehüllzahl. Abweichende Eingaben gegenüber den Standardnutzungswerten nach SIA 380/1 wurden bei der Innentemperatur vorgenommen. Nach Norm beträgt die Standardinnentemperatur 20 C, wir mussten jedoch mit dem tatsächlichen Wert von 21 C rechnen, was einen nicht unerheblichen Einfluss auf den Heizwärmebedarf hat und diesen um etwa 10 % erhöht. Mit den oben beschriebenen Konstruktionen und U- Werten ergibt die Berechnung des Heizwärmebedarfs folgende Werte: Grenzwert Heizwärmebedarf H g = 225 MJ/m 2 Projektwert Heizwärmebedarf Q h = 318 MJ/m 2 Systemanforderung SIA 380/1: = nicht erfüllt! die Wärmezähler in der Grössenordnung des gesamten Verbundes zuverlässige Werte liefern. Der Wärmezähler des Oberstufenschulhauses separat betrachtet gibt allerdings den Verbrauch der letzten Jahre mit durchschnittlich 180 MJ/m 2 an. Das entspricht nur knapp 60 % des nach der Analyse rechnerisch erforderlichen Wertes. Diese hohe Abweichung hat uns zur detaillierten Überprüfung aller aufgenommenen und ausgewerteten Daten und der Gebäudeanalyse veranlasst. Die Werte des gesamten Verbundes bleiben in sich auch nach mehrfacher Gegenrechnung schlüssig, so dass wir sie der weiteren Arbeit in den folgenden Kapiteln zugrundelegen können. Der Ablesewert des Wärmezählers im Oberstufenschulhaus scheint jedoch in dem vergleichbar kleineren Massstab der Gebäudeanalyse betrachtet eindeutig einen zu geringen Wert anzuzeigen. Neben den bereits oben genannten Verbrauchszahlen anderer Schulbauten ziehen wir einen weiteren Vergleich: gemäss SIA 380/1 Anhang E liegt der Richtwert für die maximale Energiekennzahl eines Schulgebäudes mit Standardnutzung und einer Gebäudehüllzahl von 1.2 bei ca. 198 MJ/m 2. Dieser Werte gilt für Neubauten! Ohne die Abhängigkeit eines solchen Wertes von den konkreten Merkmalen jedes Objektes aus den Augen zu verlieren, bestätigt auch dies eher den rechnerischen Wert von 318 MJ/ m 2 für ein 33jähriges Gebäude als den abgelesenen Wert von 180 MJ/m 2. Da das Ziel der vorliegenden Gebäudeuntersuchung eine Einschätzung des Baus in sich und seiner Optimie rungsmöglichkeiten ist, beeinträchtigt die Abweichung die Schlussfolgerungen der Gebäudeanalyse und der vorgeschlagenen Massnahmen nicht. Exkurs Der Heizwärmebedarf Q h von 318 MJ/m 2 entspricht den Erwartungen, die aufgrund der Konstruktion, der U-Werte und des Baujahres an das Gebäude gestellt werden können. Auch Vergleichswerte von anderen Schulgebäude aus den 70er Jahren bestätigen diese Grössenordnung. Da uns im Rahmen der gesamten Arbeit nach unserer Bestandesaufnahme auch Verbrauchsdaten zur Verfügung stehen, liegt ein Vergleich zwischen rechnerischem und tatsächlichem Verbrauch nahe. Der Gasverbrauch für den gesamten Wärmeverbund liefert uns Zahlen, die abzüglich einzurechnender Verluste von ca. 10 % die Ablesewerte der Wärmezähler insgesamt bestätigen. Wir gehen dank dieser Übereinstimmung davon aus, dass 3.4 Bewertung der Analyse Die Erfassung des Gebäudes über die Software lässt relativ leicht eine Überprüfung der jeweiligen Konsequenzen auf das Endergebnis der Gebäudeanalyse bei Veränderung der Werte zu. Um das Gebäude zu erfassen und eine Bewertung durchführen zu können, haben wir die Auswirkungen verschiedener Veränderungen überprüft. Elemente, die den Endwert des Heizwärmebedarfs bei unserem Gebäude stark beeinflusst haben, die allerdings nicht optimiert werden können: Innenraumtemperatur: 21 C (IST-Zustand) statt 20 C (SIA-Norm) bewirkt eine Erhöhung des Heizwärmebedarfs um ca. 10 %. Seite 10

15 b-wert Wand gegen Erdreich: In der aktuellen Fassung der Norm 380/1 wird der Wärmefluss nicht mehr mit den Temperaturen der benachbarten nicht beheizten Räume gerechnet, sondern mit der Aussenluft. Um die Verminderung des Wärmeverlustes aufgrund dazwischenliegender Räume oder nicht dynamischer Systeme (Boden) zu berücksichtigen, wurde der Reduktionsfaktor b eingeführt. Bei der Wand und beim Boden gegen das Erdreich kann dieser nach der Norm 380/1 oder nach EN ISO berechnet werden. Die Berechnung nach EN ISO anstatt nach SIA 380/1 bewirkt eine Reduktion des Heizwärmebedarfs um ca. 12 %. Aus den Werten, die unserer Meinung nach optimiert werden können, leiten sich unsere Sanierungsvorschläge ab. 3.5 Sanierungsvorschläge Das Potential für energetische Verbesserungen des Gebäudes lässt sich klar an den U-Werten der Bauteile ablesen: die grössten Optimierungsmöglichkeiten liegen im ungedämmten Untergeschoss, in den Fenstern und im Flachdach. 1. Untergeschoss Das ungedämmte Untergeschoss bietet die grössten Möglichkeiten, über eine Verbesserung des U-Wertes der Aussenwand gegen das Erdreich sowie der Aussenwand gegen den angrenzenden unbeheizten Schutzraum unter der Turnhalle eine Reduktion des Heizwärmebedarfs zu erreichen. Mit einer Innenwärmedämmung von 8 cm lässt sich insgesamt eine Verbesserung auf 80 % der vorherigen Verbrauchs realisieren. (Der obere Wert steht für die Aussenwand gegen Erdreich, der untere für die Trennwand gegen den unbeheizten Schutzraum). U-Wert IST U-Wert neu Qh IST Qh neu 3.29 W/m 2 K 0.39 W/m 2 K 318 MJ/m MJ/m W/m 2 K 0.37 W/m 2 K 2. Fenster Die grossen Fensterflächen bieten aufgrund des für heutige Verhältnisse schlechten U-Wertes ein massgebliches Energiesparpotenzial. Zudem bietet eine Erneuerung die Möglichkeit, sämtliche Anschlüsse und nicht zuletzt Schäden - wie die in Kapitel 2.2 abgebildeten und beschriebenen im Bereich der Brüstungen und Stürze - zu beheben. Wir sehen deshalb eine Fenstersanierung als Möglichkeit einer Optimierungsmassnahme. U-Wert IST U-Wert neu Qh IST Qh neu 2.8 W/m 2 K 1.3 W/m 2 K 318 MJ/m MJ/m 2 3. Flachdach Ein Sprichwort sagt: Wenn ein Flachdach nach 10 Jahren immer noch dicht ist, muss man es aufmachen und nachsehen, warum! Das bestehende Flachdach zeigt keine offensichtlichen Schäden, kann aber bei einer Sanierung mit einer Wärmedämmschicht von 16 cm statt 5 cm die Energiebilanz um fast 15 % verbessern. U-Wert IST U-Wert neu Qh IST Qh neu 0.8 W/m 2 K 0.26 W/m 2 K 318 MJ/m MJ/m 2 4. Untergeschoss + Fenster + Flachdach Die folgende Variante zeigt die gesamte Auswirkung bei der (gleichzeitigen oder etappenweisen) Ausführung aller drei oben beschriebenen Massnahmen. Qh IST Qh neu 318 MJ/m MJ/m 2 5. Fassadendämmung Das Verbesserungspotential der Aussenwände ist im Verhältnis zur Energieeinsparung relativ klein. Der recht hohe bauliche Aufwand für einen höheren Dämmwert der hinterlüfteten Fassade schlägt sich auch in der Wirtschaftlichkeitsrechnung nieder. (Der obere Wert steht für den Bereich der Brüstungen, der untere für den Bereich der Backsteinmauer). U-Wert IST U-Wert neu Qh IST Qh neu 0.45 W/m 2 K 0.22 W/m 2 K 318 MJ/m MJ/m W/m 2 K 0.20 W/m 2 K 3.6 Wirtschaftlichkeit, Empfehlungen Wir haben Wirtschaftlichkeitsrechnungen für alle berücksichtigten Varianten erstellt und sie mit dem IST-Zustand des Gebäudes verglichen. Nachfolgend einige Auszüge der Wirtschaftlichkeitsrechnung. Die detaillierten Rechnungen mit allen Angaben sind im Anhang zu finden. IST Zustand In der Zusammenstellung des IST-Zustandes betrachten wir das Gebäude als abgeschrieben und setzen damit keine Kapitalkosten ein, sondern nur die aktuellen Energiekosten. Kapitalkosten entstehen erst bei den Sanierungen. Seite 11

16 Jahresenergiebedarf Wärme IST 240`000 kwh Jahreskosten - Kapitalkosten - Fr. - Energiekosten 13`940 Fr. Total Jahreskosten 13`940 Fr. Die Investitionen beinhalten sämtliche Baukosten der vorgeschlagenen Massnahme inklusive Baunebenkosten und Planerhonorare. Die Beträge basieren auf Unternehmeranfragen und Kosten-schätzungen. Zur Ermittlung genauerer Grundlagen wären bei einer konkreten Kostenberechnung weitere Detailabklärungen notwendig. Die Abschreibungszeit haben wir auf 30 Jahre, die Kapitalverzinsung auf 4.5 % festgelegt. Ergebnis ist die Jahreskostenbilanz, also der jährliche Mehr- oder Minderbetrag aus den Investitionen abzüglich der Energieeinsparung in Fr. 1. Untergeschoss Jahresenergiebedarf Wärme IST 240`000 kwh Jahresenergiebedarf Wärme NEU 190`000 kwh Investitionen Sanierung 20`500 Fr. Jahreskosten - Kapitalkosten 1`259 Fr. - Energiekosten 10`961 Fr. Total Jahreskosten 12`220 Fr. Jahreskosten (gegenüber IST) -1`721 Fr. Die Innenwärmedämmung des Untergeschosses ist eine sanfte Sanierungsmassnahme mit vertretbarem baulichen Aufwand und Einschränkungen der Nutzer. Auch finanziell bewegt sie sich in einem interessanten Rahmen. Bei einem Blick auf die Wirtschaftlichkeit, vor allem die durch diese Massnahme mögliche Energieeinsparung, sehen wir die Innendämmung des Kellers als Empfehlung zur energetischen Optimierung des Gebäudes. 2. Fenster Jahresenergiebedarf Wärme IST 240`000 kwh Jahresenergiebedarf Wärme NEU 195`000 kwh Investitionen Sanierung 195`000 Fr. Jahreskosten - Kapitalkosten 11`971 Fr. - Energiekosten 11`307 Fr. Total Jahreskosten 23`278 Fr. Jahreskosten (gegenüber IST) 9`338 Fr. Der Fensterersatz ist eine teure Sanierungsmassnahme mit hohen baulichen Aufwand. Wirtschaftlich betrachtet liefert diese Massnahme zu wenig Energieeinsparung, um sich allein dadurch zu lohnen. Allerdings sollte beim Oberstufenschulhaus mittelfristig ohnehin ein Fensterersatz je nach finanziellen Möglichkeiten und budgetierten Positionen zur Diskussion stehen. Berücksichtigt werden muss dabei auch die Komfortsituation im Gebäude sowie die Reduktion der Wärmeverluste durch schlechte Dichtungen, die eine erhebliche Verbesserung leisten könnte. 3. Flachdach Jahresenergiebedarf Wärme IST 240`000 kwh Jahresenergiebedarf Wärme NEU 210`000 kwh Investitionen Sanierung 55`000 Fr. Jahreskosten - Kapitalkosten 3`377 Fr. - Energiekosten 12`127 Fr. Total Jahreskosten 15`504 Fr. Jahreskosten (gegenüber IST) 1`563 Fr. Die Flachdachsanierung ist nach der Isolation im Kellergeschoss die wirtschaftlichste Sanierungsmassnahme. Sie kann in Anbetracht der dadurch erreichten energetischen Verbesserung des Schulhauses und der verbleibenden jährliche Kosten als sinnvolle und lohnende Massnahme betrachtet werden. Seite 12

17 4. Untergeschoss + Fenster + Flachdach Jahresenergiebedarf Wärme IST 240`000 kwh Jahresenergiebedarf Wärme NEU 110`000 kwh Investitionen Sanierung 270`500 Fr. Jahreskosten - Kapitalkosten 16`606 Fr. - Energiekosten 6`557 Fr. Total Jahreskosten 23`164 Fr. Jahreskosten (gegenüber IST) 9`223 Fr. Die Summe aller 3 bisher beschriebenen Varianten bedeutet wirtschaftlich gesehen eine nur unwesentlich höhere Kostensituation als die Fenstersanierung allein dies durch die negative Kostenbilanz der Innenwärmedämmung im UG. 5. Fassadendämmung Jahresenergiebedarf Wärme IST 240`000 kwh wenig gedämmte Flachdach und die Glasfronten. Die U-Werte der Bauteile zeigen das energetische Verbesserungspotential: U-Werte der Kelleraussenwände 3.29 W/m 2 K, der Fenster 2.8 W/ m 2 K, des Flachdach 0.8 W/m 2 K. Die vorgeschlagenen Massnahmen greifen diese Schwachstellen auf und beeinhalten daher eine Innendämmung des Kellergeschosses, einen Fensterersatz und eine Flachdachsanierung. Im wirtschaftlichen Vergleich zeigt sich die Innenwärmedämmung des Untergeschosses als einzige Massnahme, die sich allein durch die entstehende Energieeinsparung aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten lohnt. Alle anderen Massnahmen resultieren in einem höheren Wärmepreis. Bei der Grössenordnung der jeweiligen Jahreskosten sind allerdings weitere Sanierungsmassnahmen eindeutig zu empfehlen und für eine Entscheidungsgrundlage genauer zu untersuchen. Die in dieser Arbeit berücksichtigten Massnahmen können eine erste Einschätzung für das weitere Vorgehen liefern. Sanierungsmassnahmen könnten budgetiert und in den nächsten Jahren ausgeführt werden. Jahresenergiebedarf Wärme NEU 232`000 kwh Investitionen Sanierung 135`000 Fr. Jahreskosten - Kapitalkosten 8`288 Fr. - Energiekosten 13`422 Fr. Total Jahreskosten 21`710 Fr. Jahreskosten (gegenüber IST) 7`740 Fr. Die Fassadensanierung hat ähnlich der Fenstersanierung mit höheren Kosten zu kämpfen, die die Energieeinsparung nicht komplett kompensiert. 3.6 Fazit Baulich ist das Oberstufenschulhaus in einem Zustand, der Sanierungsmassnahmen in den nächsten Jahren unumgänglich macht, um die Komfortsituation nicht unter ein vertretbares Niveau fallen zu lassen. Die baulichen Schäden z.b. im Bereich der Brüstungen müssen dringend behoben werden. Die Gebäudeanalyse verdeutlicht die Schwachstellen des Baus: vor allem den ungedämmten Keller, das Quellenangaben [ 01 ] Hauswart Oberstufenschulhaus [ 02 ] SIA 380/1 "Thermische Energie im Hochbau" [ 03 ] SIA Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden - Berechnung des Heizenergiebedarfs Wohngebäude [ 04 ] Software Entech Version 3.17, Huber Energietechnik AG, Zürich Im Anhang finden sich zu diesem Thema folgende Unterlagen: 1. Planunterlagen 2. Gebäudeanalyse IST-Zustand und Sanierungsmassnahmen mit "Entech". 2. Wirtschaftlichkeitsrechnungen Seite 13

18 4 Optimierung Oberstufenschulhaus: Sanierung Beleuchtung Schulzimmer 4.1 Ausgangslage Im Rahmen unserer energetischen Optimierungen untersuchen wir die Beleuchtung der Klassenzimmer im Oberstufenschulhaus. Die 33jährige Beleuchtungsanlage muss demnächst ersetzt werden. Mit Hilfe eines Programms zur Berechnung von Beleuchtungsanlagen suchen wir eine optimale Beleuchtung für ein Klassenzimmer unter Berücksichtigung ökonomischer und ökologischer Aspekte. Im Oberstufenschulhaus befinden sich 12 Schulzimmer, in denen allgemeiner Oberstufenunterricht stattfindet. Die Räume sind ganztags belegt. 8 der 12 Klassenzimmer sind längs der Südost-Fassade des Gebäudes angeordnet und erhalten ihre natürliche Belichtung über die breite Fensterfront. Die anderen 4 Zimmer längs der Stirnseite des Gebäudes sind jeweils entsprechend über die Südwest- bzw. Nordost-Seite belichtet. Für unsere Untersuchung wählen wir als Standard-Schulzimmer eines der 8 südostseitigen Zimmer nachfolgend im Grundriss dargestellt. Bild 4.1: Grundriss Standard-Schulzimmer Beleuchtungskörper und Energieverbrauch Das nachfolgend beschriebene Beleuchtungskonzept der Schulzimmer stammt aus dem Entstehungsjahr des Gebäudes Seither wurden die Leuchten in regelmässigen Abständen gewartet, defekte Leuchten und Leuchtmittel ersetzt. Die bestehenden 15 Deckenleuchten (3 Reihen a 5 Leuchten) mit je 96 W Leistung erreichen eine mittlere Beleuchtungsstärke von 458 lx. Der gesamte elektrische Anschlusswert liegt bei 1440 W. Die Steuerung erfolgt manuell, es sind konventionelle Vorschaltgeräte (induktive und kapazitive) eingesetzt. Für eine Sanierung der Beleuchtungsanlage spricht in erster Linie die mögliche Betriebskosteneinsparung. Sie kann erreicht werden durch Energieeinsparung einerseits und reduzierte Wartungskosten andererseits. Die Energieeinsparung gegenüber der bestehenden Beleuchtung sehen wir neben den Vorteilen neuer Leuchten mit optimiertem Wirkungsgrad vor allem durch den Einsatz elektronischer Vorschaltgeräte und einer tageslichtabhängigen Steuerung. Diese Aspekte sind daher Teil unserer Sanierungsvorschläge. Gemäss Anforderungen der SLG (Schweizer Licht Gesellschaft) gelten für Schulzimmer mit Tagesbelegung Grenzwerte für die Beleuchtungsstärke von 300 lx. Diese Richtlinien sind auch in der SIA 380/4 festgehalten. Für die Wandtafelbeleuchtung liegen die Grenzwerte bei 500 lx. Da wir in den bestehenden Klassenräumen das gesamte Beleuchtungskonzept (Grundbeleuchtung und Wandtafelbeleuchtung) untersuchen und verbessern wollen, bilden diese beiden Werte unsere Planungsgrundlage. 4.2 Sanierungsvorschläge Für unsere Lichtberechnungen und die Sanierungsvorschläge haben wir die Software Relux verwendet, die auch von Beleuchtungsfirmen zur Planung eingesetzt wird. Die gewählten Leuchten stammen aus dem Lieferprogramm der Firma Regent. Die Vorschläge zeigen die Verbesserungsmöglichkeiten der Beleuchtung und das Energiesparpotential auf. Selbstverständlich erreichen vergleichbare Leuchten anderer Hersteller vergleichbare Werte. Nachfolgend beschreiben wir die 3 überprüften Varianten über einen Vergleich der Referenzdaten (Anzahl Leuchten, Beleuchtungsstärke, Anschlussleistung etc.). Dabei berücksichtigen wir die technischen Eigenschaften und die Wirtschaftlichkeit im Vergleich mit der bestehenden Beleuchtung. Eine Gesamtübersicht über die Daten findet sich in der Tabelle an Ende des Kapitels. Beschrieb Beleuchtungsvarianten: Die ausgewählten Beleuchtungssysteme (siehe Abbildungen rechts) beinhalten einfache bis qualitativ hochwertige Systeme. Alle 3 Systeme weisen stabile Rasterbefestigungstechniken auf (gegen Wurfgeschosse, Gummis, Bleistifte, Papierflieger, Bücher etc.) und entsprechen den Nutzungsanforderungen an einen Schulraum. Seite 14

19 Jede Beleuchtungsvariante schliesst die Grundbeleuchtung und im Gegensatz zum IST-Zustand eine Wandtafelbeleuchtung mit ein. Die Wandtafelbeleuchtung besteht jeweils aus 2 separat platzierten und auf die Tafel ausgerichteten Leuchten. Variante 1: Leuchtentyp Hello Bild 4.2: Leuchte "Hello" Ein hochwertiges System ist die Variante 1 Typ Hello. Sie ist mit einer Drahtseilaufhängung von der Decke abgehängt. Nicht nur die Leuchte, sondern auch das Montageprofil ist top. Dies schlägt sich jedoch auch im Preis nieder und sie ist somit die teuerste der 3 verglichenen Möglichkeiten. Ausgestattet werden die Leuchten mit 2flammigen Leuchtmitteln (35 W). Variante 2: Leuchtentyp ICE Bild 4.3: Leuchte "ICE" Bei Variante 2 Typ ICE ist die Leuchte wie auch das Montageprofil einfach konstruiert, wird aber trotzdem allen Ansprüchen gerecht. Im Gegensatz zu den beiden anderen Systemen wird sie von uns direkt an die Decke montiert sie könnte aber auch wie im Bild oben abgehängt werden. Sie wird ausgestattet mit 1flammigen Leuchtmitteln (54 bzw. 58 W). Variante 3: Leuchtentyp ICE Tempora Bild 4.4: Leuchte "ICE Tempora" Auch die Leuchte der Variante 3 Typ ICE Tempora entspricht höheren ästhetischen Ansprüchen. Das Montageprofil ist eher einfach konstruiert. Das System wird wie Variante 1 mit Drahtseilaufhängungen abgehängt und ist wie Variante 2 mit 1flammigen Leuchtmitteln (54 bzw. 58 W) ausgestattet. Die jeweilige Wandtafelbeleuchtung mit je 2 Leuchten wurde passend zu den Typen der Grundbeleuchtung gewählt und erfüllt den Grenzwert von 500 lx. Steuerung: Im IST-Zustand ist die Schaltung der Leuchten im Raum in 2 Gruppen aufgeteilt. Schaltgruppe A umfasst die Wandtafelbeleuchtung d.h. die jeweils vordersten Leuchten jeder Reihe, Schaltgruppe B die restlichen 12 2flammigen Leuchten über den Schultischen (s. Grundriss Standard-Schulzimmer ). Die Schalter für die 2 Gruppen befinden sich neben der Eingangstüre und steuern die in der Elektro-Unterverteilung montierten Schaltschütze; die Kontakte der Schaltschütze geben den Hauptstromkreis zu den Leuchten im Schulzimmer frei. Eine Steuerung der Beleuchtung abhängig vom vorhandenen Tageslicht ist nicht ausgeführt. Auch eine Feinregulierung der Raumzonen je nach Nutzung kann nicht erfolgen. Für unsere 3 Varianten haben wir eine tageslichtabhängige Steuerung eingesetzt. Dazu sind ein Deckenlichtsensor und spezielle Vorschaltgeräte notwendig (Mehrpreis ca. 40,- Fr. gegenüber üblichen EVG). Der Deckensensor steuert die Vorschaltgeräte mit einer Spannung von 0 10 Volt. Die an den Vorschaltgeräten angelegte Steuerspannung bestimmt deren Leistungsabgabe und somit die Beleuchtungsstärke am Arbeitsplatz. Dadurch ist eine Energieeinsparung von bis zu 40 % möglich [ 01 ]. Zusätzlich zur Energieeinsparung betrifft ein weiterer Vorteil einer tageslichtabhängigen Steuerung den sogenannten Wartungsfaktor. Dieser beinhaltet die Veränderung des Raumindex (Verschmutzung von Decke und Wänden), den Wirkungsgrad der Leuchte (Verschmutzung von Reflektoren und Raster) und die Reduktion des Lichtstroms (Alterung der Röhren). Bei der Planung einer Beleuchtungsanlage wird je nach Nutzung mit einem Wartungsfaktor - in unserem Fall von gerechnet. Deshalb wird die Beleuchtungsanlage 25 % zu gross dimensioniert, damit nach einer gewissen Betriebszeit (ca. 3 Jahre) die altersbedingten Verluste ausgeglichen werden können. Bei einer nicht regulierten Anlage ist der Energieverbrauch also in der Anfangsphase um 25% zu hoch. Durch den Einsatz einer Tageslichtregulierung kann diese Leistungsreserve als Energieersparnis vom ersten Tag an gewonnen werden [ 01 ]. Seite 15

20 Die nachfolgende Tabelle zeigt den technischen und wirtschaftlichen Überblick der Varianten: Bild 4.5: Tabelle technischer Überblick der Varianten Seite 16

21 Bild 4.6: Tabelle wirtschaftlicher Überblick der Varianten Die technischen Angaben stammen aus der Berechnung der Relux-Software, für den wirtschaftlichen Vergleich liegen uns Offerten der Firma Regent vor. Die Montage- und Unterhaltskosten errechnen sich aus den internen Stundenansätzen für Montagepersonal der Technischen Betriebe Gränichen, die für Gemeindeaufträge eingesetzt werden. Das Kapital verzinsen wir mit 4 % bei einer Abschreibungszeit von 15 Jahren. Bei den seit 33 Jahren in Betrieb stehenden Leuchten haben wir eine Lebensdauer von 40 Jahren eingesetzt - also bis 2013, da wir davon ausgehen, dass die Leuchten maximal weitere 7 Jahre betrieben werden können. Weitere Grundlagedaten zur Wirtschaftlichkeitsrechnung finden sich im Anhang. Der wirtschaftliche Vergleich zeigt die jährlichen Kosten der Varianten (Kapital, Amortisation und Betrieb) in Franken und in Prozent. Weiter zeigt der Vergleich die finanziellen Auswirkungen (jährlich) bei einem sofortigen Ersatz der bestehenden und unterhaltsintensiven Beleuchtungsanlage. 4.3 Fazit Alle ausgewählten Beleuchtungsarten erfüllen die technischen Anforderungen wie die notwendige Beleuchtungsstärke und bringen eine optimale Lichtverteilung im Raum. Wie beschrieben, ist eine tageslichtabhängige Steuerung bei allen Ausführungen dringend zu empfehlen und daher in die Wirtschaftlichkeitsrechnungen einbezogen worden. Alle 3 berücksichtigten Varianten zeigen eine deutliche Energieeinsparung gegenüber dem IST-Zustand. Als Vergleichswert hierzu dient uns die Gesamtleistung pro m 2. Mit einer Gesamtleistung von 18.6 W/m 2 verbraucht die bestehende Beleuchtung fast doppelt so viel Energie wie die neuen Vorschläge mit Werten zwischen 10 und 10.8 W/m 2. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung zeigt klar alle finanziellen Einsparungen bei einer Erneuerung der Beleuchtung in den Schulzimmern. Die bestehende Beleuchtung produziert vor allem hohe Betriebskosten (Strom und Unterhalt). Zum einen sind die Stromkosten durch den höheren Verbrauch der Leuchten fast 3mal so hoch wie bei den neuen Leuchten. Dazu kommt der höhere Unterhaltsaufwand, der sich seit Jahren durch den Austausch der alten Vorschaltgeräte und der Leuchtmittel auf ca. Fr. 220,- pro Jahr beläuft. Der Gegensatz zu den ca. Fr. 70,- pro Jahr für die neuen Beleuchtungen sprechen für sich. Die detaillierten Grundlagedaten zur Wirtschaftlichkeitsrechnung finden sich im Anhang aufgelistet. Variante 1 Typ Hello erreicht als Einzige aufgrund der relativ hohen Investitionskosten keine rentablen Jahreskosten im Vergleich zur bestehenden Beleuchtung. Beide anderen Varianten Typ ICE und Typ ICE Tempora unterschreiten die jährlichen Kosten jedoch um 25 % bzw. 5 %. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Entscheidung für eine neue Beleuchtung in den Schulzimmern des Oberstufenschulhauses eine klare und offensichtliche Entscheidung. Seite 17

22 Empfehlung Die 3 Varianten zeigen insgesamt betrachtet eine günstigere, eine mittlere und eine teurere Ausführung. Alle 3 Varianten erfüllen die Anforderungen. Die hohen Kosten von Variante 1 rechtfertigen aus unserer Sicht den Einsatz nicht. Falls die Kosten ausschlaggebend für die Entscheidung sind, müsste Variante 2 gewählt werden. Bei grösserem finanziellen Spielraum empfehlen wir aus ästhetischen Gründen Variante 3. Im Detail präsentiert sich die vorgeschlagene Ausführung folgendermassen: Bild 4.7: Leuchtdichteverteilung, 3d Visualisierung unseres untersuchten Schulzimmers Bild 4.8: Beleuchtungsstärkeverteilung farbig Seite 18

23 NDSE Energie Juni 2006 Bild 4.9: Lichtverteilkurve Die nebenstehende Lichtverteilkurve der Leuchte für die Grundbeleuchtung zeigt den direkten und den indirekten Anteil der Leuchte. Quellenangaben [ 01 ] Firma Regent [ 02 ] SIA 380/4 Elektrische Energie im Hochbau [ 03 ] Software Relux Professional 2005, Relux Informatik AG Im Anhang finden sich zu diesem Thema folgende Unterlagen: 1. Grundlagen zur Wirtschaftlichkeitsrechnung Die untenstehende Tabelle liefert dieselbe Aussage wie die Bilder 4.7 und 4.8 in lx auf der Höhe der Nutzebene in anderer Darstellung. Bild 4.10: Tabelle Beleuchtungsstärke, Nutzebene Tische Seite 19

24 5. Bessere Auslastung der Holzschnitzelheizung im Altersheim Ausgangslage Die im Altersheim Gränichen in Betrieb stehende Holzschnitzelheizung soll noch über Leistungsreserven verfügen. [ 01 ] Ziel dieses Kapitels der Arbeit: Eruieren einer allfälligen Reserve der Holzschnitzelheizung im Altersheim und Darlegen von sinnvollen Varianten. Die Nutzungsvarianten sollen - falls möglich - nichterneuerbare Energieträger ersetzen (Öl, Erdgas), zudem aber auch ökonomisch vertretbar sein. Altersheim Schiffländi Das Altersheim Schiffländi wurde im Jahre 1986 erbaut. Da das für 73 Bewohner ausgelegte Gebäude nicht mehr genügte, wurde im Jahre 2000 ein Anbau mit 50 weiteren Zimmern erstellt [ 02 ]. An der Versammlung der Ortsbürgergemeinde vom 12. Juni 2006 wird über den Baukredit von 20 Alterswohnungen befunden. Wohnbezug soll bereits Ende August 2007 sein. Erweiterungsmöglichkeit zum Beispiel für ein Projekt geführtes Wohnen wäre am heutigen Standort der Brockenstube ("Brocki") gegeben. Diese befindet sich ebenfalls auf der Altersheimparzelle der Ortsbürgergemeinde. Konkrete Projekte wurden jedoch noch nicht diskutiert [ 03 ]. Heizzentrale Altersheim Die Heizzentrale im Altersheim ist mit einer Holzschnitzelheizung ausgerüstet, die eine Leistung von 460 kw aufweist. Lieferant war im Jahre 2000 die Firma Müller Holzfeuerungen aus Balsthal. Aufzeichnungen zeigen, dass die Schnitzelheizung während den ersten fünf Betriebsjahren (2000 bis 2005) nur im unteren Bereich, dass heisst zwischen 30 und 50 % der maximal möglichen Leistung betrieben wurde [ 01 ]. Trotz dieser Drosselung liefert die Holzfeuerung rund 70 % des Wärmebedarfs Altersheim. Die restlichen 30 % werden mit einem ebenfalls im Jahre 2000 in Betrieb genommenen 400 kw Gaskessel der Firma Ygnis erzeugt. Dieser wird primär in der Übergangszeit, möglicherweise aber auch während den Sommermonaten zur Warmwasseraufbereitung betrieben. Zudem stellt er die nötige Redundanz sicher (Weiterbetrieb bei Ausfall der Holzheizung). Bild 5.2: Holzschnitzelheizung Altersheim 460 kw, Jg Bild 5.1: Situationsplan: Altersheim Schiffländi Bild 5.3: Gaskessel Altersheim 400 kw, Jg Seite 20