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

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

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

Das Unternehmen Leitlinie: Wohlbefinden, Gesundheit und Nachhaltigkeit durch Energieeinsparung, wirtschaftlich machbar. Ingenieurbüro, unabhängige Beratung und Planung Gründung 1992 9 Mitarbeiter

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

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!

CO 2 -Konzentration Fensterlüftung nur Fensterlüftung Unterricht 0,1 h -1 Pause 20 h -1 245m³ 2,84m 2000 10,4m 8,3m CO 2 -Konzentration [ppm] 1500 1000 500 maximal zulässige Konzentration 1500 ppm 1300 ppm sollten nicht überschritten werden Außenluftkonzentration 0 U-Beginn 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Pause 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Unterrichtszeit [Minuten] Pause 5 Pause 10 Pause 15 5 10 15 20 25 30 35 40 45

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

CO 2 -Konzentration Lüftungsanlage 2000 1500 1000 500 0 U-Beginn 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Pause 5 5 10 15 20 25 30 35 40 45 CO2-Konzentration [ppm] Pause 5 Pause 10 Pause 15 5 10 15 20 25 30 35 40 45 maximal zulässige Konzentration 1500 ppm 1300 ppm sollten nicht überschritten werden Außenluftkonzentration Unterrichtszeit [Minuten]

Luftmenge Nach DIN EN 13779 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.

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

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.

Beispiel Comenius-Schule Duisburg

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

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

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]

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]

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]

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]

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

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]

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

Wärmedämmung Variante 0, A Variante B Variante C Bauteil Fläche [m²] Dämmung Dämmung Dämmung Außenwände 509 120mm WLG 040 300mm WLG 035 200mm WLG 035 Dach 437 160mm WLG 040 320mm WLG 035 300mm WLG 035 Bodenplatte 437 80mm WLG 040 240mm WLG 040 200mm WLG 040 Pfosten/Riegel 183 2-Scheiben 3-Scheiben+gedämmte Rahmen 2-Scheiben

Primärenergie Primärenergiebedarf 60000 50000 40000 kwh/a 30000 20000 10000 0 A EnEV Abluftanlage B Passivhaus Zu-/Abluftanlage mit WRG C NEH Zu-/Abluftanlage mit WRG 0 EnEV Fensterlüftung 2010 Wortmann & Scheerer

Endenergie Endenergiebedarf 70000 60000 50000 40000 kwh/a 30000 20000 10000 0 A EnEV Abluftanlage B Passivhaus Zu-/Abluftanlage mit WRG C NEH Zu-/Abluftanlage mit WRG 0 EnEV Fensterlüftung 2010 Wortmann & Scheerer

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

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

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

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

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

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

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 - 15.905 10.051 Dach - 15.295 13.110 Bodenplatte - 10.925 8.740 Summe Mehrkosten Bauteile - 42.125 31.901 Fenster - - - Pfosten/Riegel - 49.410 - Summe Mehrkosten Fenster - 49.410 - Mehrkosten,netto bauseits - 91.535 31.901 Raumlufttechnik 40.847 58.978 55.078 Heizzentrale (incl. BWW) - - 4.860-4.030 Heizung - 22.980-6.410 Summe Mehrkosten TGA - 40.847 31.138 44.638 Summe netto - 40.847 122.673 76.539 Planungsmehrkosten 10% pauschal - 4.085 12.267 7.654 Summe gesamt netto - 44.931 134.940 84.193 Summe gesamt brutto - 52.120 156.531 97.664 Mehrkosten, brutto - 52.120 156.531 97.664

Ursprüngliche Fassade

Vereinfachte Fassade

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] 1139 1139 Nutzfläche A EB (PHPP) [m²] 667 667 Heizleistung Gesamtkomplex [kw] 5) 62 25 27 62 Jahreswärmebedarf Heizung [kwh/a] 62977 10418 24897 62977 Summe Jahreswärmebedarf [kwh/a] 62977 10418 24897 62977 Energieeinsparung 0,0% 83,5% 60,5% 0% Fernwärme x x x x Leistungspreis /a Arbeitspreis /a 2393 396 946 2393 Grund/Messpreis /a Summe Wärmekosten [ /a] 2393 396 946 2393 Strom Lüftung Jahresstrombedarf Antrieb Lüftung [kwh/a] 1550 2480 2480 Summe Strombedarf [kwh/a] 1550 2480 2480 0 Grundkosten /a Arbeitspreis /a 290 463 463 0 Summe Stromkosten /a 6) 290 463 463 0

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 [ ] 52120 156531 97664 Barförderung (REN-Mittel NRW) [ ] 7) 0-60000 -17570 Summe Verbrauchsgebundene Kosten [ /a] (Strom- + Wärmekosten) 2683 859 1409 2393 Instandhaltungskosten [ /a] 3) 1252 700 700

Sensitivität ohne Förderung A EnEV 2-Scheibenverglasung Abluftanlage ohne WRG 20000 B Passivhaus 3- Scheibenverglasung Zu- /Abluftanlage mit WRG Annuität Gesamtkosten [ /a] 15000 10000 5000 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

Sensitivität mit Förderung A EnEV 2-Scheibenverglasung Abluftanlage ohne WRG 20000 B Passivhaus 3- Scheibenverglasung Zu- /Abluftanlage mit WRG Annuität Gesamtkosten [ /a] 15000 10000 5000 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

3D-Modell

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

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.

Wortmann & Scheerer

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Gemessener Verbrauch 30 kwh/m²a Sollverbrauch Verbrauch 15 kwh/m²a + Verluste d.h. ca. 18-25kWh/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

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!

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 1000-1300ppm 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.

Wortmann & Scheerer

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit www.wortmann-scheerer.de