Heizung/Lüftung in Schulen, Beispiel Ökohauptschule Mäder. Christoph Muss, team gmi Vorarlberg

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1 Heizung/Lüftung in Schulen, Beispiel Ökohauptschule Mäder Christoph Muss, team gmi Vorarlberg

2 1 Energie- und Komfort in Schulen und Kindergärten Bedingt durch die Nutzung sind in Schulen und Kindergärten über die Unterrichtszeiten sehr dichte Personenbelegungen gegeben, die Räume weisen vergleichsweise hohe Raumtiefen auf. Die in Bezug auf Energieverbrauch und Nutzerkomfort wesentlichen Punkte sind damit: Gute Frischluftqualität (-> Konzentrationsvermögen Schüler/Lehrer, Gesundheit): komfortable Einbringung der erforderlichen hohen Zuluftmengen während der Unterrichtszeit, geringe bzw. keine Zuluft (Lüftung, Fenster, Fugen) im Winter außerhalb der Unterrichtszeit. Reduzierung der durch die benötigte Frischluft bewirkten Lüftungswärmeverluste. Gute Tagesbelichtung insbesondere der Unterrichtsräume (-> insgesamt bessere Lichtqualität, geringerer Stromverbrauch Kunstlicht): hohe Verglasungsanteile an der Fassade, zur Vorbeugung gegen Blendung nur einseitig sinnvoll. Oberlichten zur Gangbereichen. Angenehme empfundene Temperaturen (beeinflußt durch Raumlufttemperatur und Innenoberflächentemperaturen), insbesondere in der Nähe der - bedingt durch die erforderliche Tageslichtnutzung - großen Verglasungen. I.w. passiv beheiztes Gebäude außerhalb der Unterrichtszeit auf Absenktemperaturniveau (Sonnenenergiegewinne, niedrige Wärmeverluste). Rasche Aufheizmöglichkeit durch das Heizsystem bei Unterrichtsbeginn, den Nutzungszeiten angepaßte Heizungs- und Lüftungsregelung. Geringe Umweltbelastungen und flinke Aufheizmöglichkeit durch Wärmeerzeugung und Wärmeeinbringung, die Aufheiz Heizlasten (viel größer als stationäre Heizlast) sind durch Gebäudequalität und Heizungsregelung entsprechend anzupassen. Vermeidung sommerlicher Überwärmungsprobleme durch gleichzeitiges Auftreten hoher innerer Wärmegewinne durch Personen und hoher Einstrahlung durch die Fenster. Darüberhinaus stellt eine Schule oder ein Kindergarten ein Gebäude mit einem hohen Öffentlichkeitswert und Multiplikatoreffekt über Schüler, Lehrer, Eltern,... dar. Dementsprechend ist eine energetisch und in Bezug auf den Nutzerkomfort beispielhafte Lösung für Schulen und Kindergärten besonders sinnvoll. Zum Begriff Empfundene Temperatur : Der menschliche Wärmeaustausch zur Umgebung erfolgt im wesentlichen durch Wärmekonvektion an die umgebende Luft, durch Wärme - Strahlungsaustausch mit den umgebenden Oberflächen und durch Verdunstung an die Raumluft. Als Folge hängt die vom Menschen empfundene Temperatur nicht nur von der Raumlufttemperatur, sondern auch von der Temperatur der umgebenden Oberflächen und den (durch natürliche und mechanische Lüftung bewirkten) Luftgeschwindigkeiten am Menschen ab. In der Regel setzt sich die empfundene Temperatur etwa zur Hälfte aus der durchschnittlichen Temperatur der umgebenden Oberflächen und zur Hälfte aus der Raumlufttemperatur zusammen. Ob einer Person kalt oder warm ist hängt von der empfundenen Temperatur und damit auch entscheidend von den Rauminnenoberflächentemperaturen ab. Sind hohe Oberflächenanteile im Heizfall signifikant kühler als die Raumlufttemperatur, so ist neben der heizungstechnischen Verhinderung von Zugerscheinungen durch Kaltluftabfälle (z.b. Heizkörper vor der Fassade) eine signifikant höhere Raumlufttemperatur zum Ausgleich der niedrigen Oberflächentemperaturen notwendig. Dies führt zu einem höheren Heizwärmeverbrauch und zu einer zusätzlichen Verstärkung von möglichen Zugerscheinungen aufgrund von Temperaturdifferenzen. Insbesondere bei hohen Verglasungsanteilen ist damit für einen guten Nutzerkomfort eine Ausführung der Verglasung in sehr guter Qualität (Stand der Technik: mindestens 3 Scheibenverglasung, Kunststoffabstandhalter o.ä.) sinnvoll. Im Sommer ist darauf zu achten, daß bedingt durch Sonneneinstrahlung nicht hohe, unkomfortable Innenscheibentemperaturen auftreten, was zum Beispiel durch einen außenliegenden Sonnenschutz gelöst werden kann. Lüftung in Schulen und Kindergärten: Bei vorgegebenem Gebäudekonzept mit guter Kompaktheit und guter thermischer Gebäudehülle stellt der Lüftungswärmebedarf einen erheblichen Anteil des gesamten Heizwärmebedarfs dar (z.b. Ökohauptschule Mäder bei Fensterlüftung: 38% mindestens bei optimaler Stoßlüftung gemäß den hygienischen Erfordernissen). Soll der Gesamtenergieverbrauch weiter reduziert werden so bietet sich an, mittels einer Lüftung mit Wärmerück- Ökohauptschule Mäder 2 team gmi Vorarlberg

3 gewinnung und allenfalls einer Zuluftvorwärmung über Erdwärmetauscher den Lüftungswärmebedarf zu reduzieren. Es können über Wärmetauscher in der Lüftungsanlage bis zu 8 % des thermischen Energieinhaltes wieder an die Zuluft übertragen werden. Die Vorteile der kontrollierten Lüftung sind: Starke Reduktion der Lüftungswärmeverluste im Vergleich zur konventionellen Fensterlüftung und damit Reduktion der Betriebskosten Heizung Kontrollierte Abfuhr von CO 2 und Gerüchen: Ständig gute Luftqualität und Lufthygiene in den Zimmern. Weit geringerer Staub-/Schmutzeintrag Höherer thermischer Komfort durch die kontrollierte Frischlufteinbringung (keine Umluft!) im Vergleich zur Fensterlüftung (kalte Zugluft bei niedrigen Außentemperaturen) Allfällige Schallbelastung durch gekippte Fenster in den Zimmern können vermieden werden Feuchtigkeit wird jederzeit abgeführt, dadurch verringert sich die Gefahr von Bauschäden. Ein Öffnen der Fenster kann projektbezogen hinsichtlich der Möglichkeiten natürliche Lüftung zur Reduzierung von Lüfterstrombedarf, Sommernachtlüftung, erhöhte Lüftungsmöglichkeit beim Auftreten von Gerüchen und Nutzerwunsch nach manuell öffenbaren Fenstern sinnvoll sein. CO 2-Konzentration in den Klassenräumen [ppm] Schulgebäude: CO 2 - Konzentration/Luftgüte Vergleich Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung und Lüftung über die Fenster Richtwert max. CO 2 - Belastung in Innenräumen Gute Luftqualität in Innenräumen 8: 8:2 8:4 9: 9:2 9:4 1: 1:2 1:4 11: 11:2 11:4 12: Tageszeit [hh:mm] Fensterlüftung Lüftungssystem mit WRG Ökohauptschule Mäder 3 team gmi Vorarlberg

4 2 Haustechnisches Lösungskonzept Ökohauptschule Mäder Hohe thermische Gebäudequalität: Kompakte und damit kostengünstige Bauweise, 3 Scheibenverglasung der Fixelemente, 2 Scheibenverglasung der Flügel, U Werte von.19 W/m²K (Dach) bis.29 W/m²K (Außenwände), hohe Luftdichtigkeit. Kontrollierte Lüftung mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung: Ausgezeichnete Luftqualität, starke Reduzierung der Lüftungswärmeverluste über zentrale Wärmetauschereinheit mit hohem Wirkungsgrad (ca. 75%). Erdwärmetauscher: Zuluftvorwärmung im Winter auf mindestens C, Zulöuftkühung und Zuluftentfeuchtung im Sommer. Heizung über die Lüftung: Beheizung des Großteils des Gebäudes ausschließlich über die Lüftung bei den hygienisch erforderlichen Mindestluftwechselraten. Damit rasche Regelbarkeit der Heizung (Aufheizvorgänge, Reaktion auf innere und solare Wärmegewinne) und Entfall des entsprechenden Aufwands für ein wassergeführtes Heizsystem. Optimierte Heizungs-/Lüftungsregelung: Regelstrategie mit 3 Heizgruppen mit jeweils gleicher Zulufttemperatur nach Orientierung: Unterrichtsräume Ost Süd West (Nord: Stiegenhaus), Volumenstromregelung in den Klassen, 2 Absenksollwerte: Nachtbetrieb und Bereitschaftsbetrieb. Natürliche Lüftung: Automatisch öffenbare Fensteranteile in der Fassade und Dachoberlichten im Gebäudekern, damit natürliche Belüftung und Grundlüftung des Gebäudes in der Übergangszeit und im Sommer. Thermisch optimierte Doppelfassade: Neben dem Witterungsschutz für die thermische Gebäudehülle und den außenliegenden Sonnenschutz ergibt sich: keine Wärmeabstrahlung der 3 Scheibenverglasung gegen den winterlichen Nachthimmel. Sonnenschutz und geringere 3 Scheibeninnenoberflächentemperaturen im Sommer durch Einstrahlungsabsorption bereits in der äußeren Scheibe (i.b. bei hohem Sonnenstand), guter beweglicher Sonnenschutz, gute Doppelfassadenhinterlüftung. Passive Kühlung: kühle Raumtemperaturen im Sommer bei hohen inneren Wärmelasten über eine natürliche Nachtlüftung und Nachtkühlung der thermisch speicherwirksamen Oberflächen (nicht abgehängte Betondecken mit integrierter Beleuchtung, Akustik über Seitenwände + Möbel). Kühle Zuluft über Erdwärmetauscher, Sonnenschutz außen. Wärmeerzeugung aus erneuerbaren Energien: Anschluß an die Biomasse Hackschnitzelheizung Gemeindesaal, Schule, Turnhalle und Kindergarten. Ökohauptschule Mäder 4 team gmi Vorarlberg

5 Heizlast [kw], Temperatur [ C] Hauptschule Mäder: dynamischer Verlauf der Gesamtheizlast, 4. Februarwoche Februarwoche Wochenende Globalstrahlung horiz. [W/m 2 ] Außenlufttemperatur [ C] Heizlast [kw] Globalstrahlung horiz. [W/m2] 3 28 Hauptschule Mäder: Raumlufttemperaturen während einer heißen Sommerwoche Temperatur [ C] Globalstrahlung horiz. [W/m 2 ] Juniwoche Außenlufttemperatur [ C] Raumlufttemperatur [ C] Globalstrahlung horiz. [W/m2] Ökohauptschule Mäder 5 team gmi Vorarlberg

6 18 Hauptschule Mäder, Simulation: Jahresenergie-Bilanz mit Fensterlüftung Energie [kwh/a] Passiv-Solare Gewinne 6771 kwh/a Interne Gewinne 329 kwh/a Restheiz- Energiebedarf 7759 kwh/a Lüftung 671 kwh/a Transmission 1111 kwh/a INPUT OUTPUT 16 Hauptschule Mäder, Simulation: Jahresenergie-Bilanz mit kontrollierter Raumlüftung und Wärmerückgewinnung Energie [kwh/a] Passiv-Solare Gewinne 4542 kwh/a Interne Gewinne 3 kwh/a Restheiz- Energiebedarf 4558 kwh/a INPUT Lüftung 198 kwh/a Transmission 1111 kwh/a OUTPUT Ökohauptschule Mäder 6 team gmi Vorarlberg

7 Heizenergie [kwh/m2a] Hauptschule Mäder: Heizenergiekennzahlen im Vergleich (WRG: Wärmerückgewinnung) Grenzwert Schulneubau SIA Zielwert Schulneubau SIA Schule Mäder ohne Lüftung/WRG Schule Mäder mit Lüftung/WRG Ökohauptschule Mäder 7 team gmi Vorarlberg