Deutsche Bundesstiftung Umwelt im Kontext zwischen Ökonomie und Ökologie Gute Luft macht Schule! Alternativen im Vergleich Transsolar Energietechnik GmbH Dipl.-Ing. Alexander Knirsch Stuttgart http//:www.transsolar.com Folie 1
Transsolar Energietechnik GmbH High Comfort Low Impact gegründet: 1992 Mitarbeiter: ca. 45 Büro: Stuttgart München New York KlimaEngineering Folie 2
Themengebiete Schule Luftqualität Wärmebedarf sommerlicher Wärmeschutz Tageslicht Folie 3
Luftqualität in Klassenräumen MAK-Wert Max. Grenzwert (DIN1946/2) Pettenkofer-Zahl Frische Luft an bayrischen Schulen Untersuchungen zur Verbesserung der Luftqualität 09/2006 Bayrisches Landesamt für Gesundheit und Lebensmittelsicherheit Sollbereich 60% der Tagesmittel über 1500ppm Folie 4
Vergleich Luftbedarf Büroraum / Klassenraum 2 Personen-Büro 20 m² - 3 m lichte Höhe: 2 x 30 m³/h = 60 m³/h ca. 1-facher LW (3m³/hm²) Klassenraum 30 Schüler + 1 Lehrer 66 m² - 3 m lichte Höhe: 31 x 15 m³/h = 465 m³/h ca. 2.3-facher LW (7m³/hm²) 31 x 20 m³/h = 660 m³/h ca. 3.3-facher LW (10m³/hm²) Folie 5
3000 Zeitliche Entwicklung der CO2 Konzentration in der Raumluft 66m² Klassenraum mit 30+1 Personen Belegung CO2 Konzentration in ppm 2500 2000 1500 1000 500 0 1 0 1 2 3 4 5 6 10 min Pause Stunden nach Veranstaltungsbeginn Grenzwert: 1500 ppm Pettenkofer-Wert: 1000 ppm Außenluft: 350 ppm Stoßlüften in Pause Folie 6
3000 Zeitliche Entwicklung der CO2 Konzentration in der Raumluft 66m² Klassenraum mit 30+1 Personen Belegung CO2 Konzentration in ppm 2500 2000 1500 1000 500 0 1 0 1 2 3 4 5 6 10 min Pause Stunden nach Veranstaltungsbeginn Grenzwert: 1500 ppm Pettenkofer-Wert: 1000 ppm Außenluft: 350 ppm Stoßlüften in Pause Stoßlüften in Pause + einmal Unterricht Folie 7
3000 Zeitliche Entwicklung der CO2 Konzentration in der Raumluft 66m² Klassenraum mit 30+1 Personen Belegung CO2 Konzentration in ppm 2500 2000 1500 1000 500 0 1 0 1 2 3 4 5 6 10 min Pause Grenzwert: 1500 ppm Pettenkofer-Wert: 1000 ppm Außenluft: 350 ppm Stoßlüften in Pause Stunden nach Veranstaltungsbeginn Stoßlüften in Pause + einmal Unterricht 12m³/h pro Person + Stoßlüften in Pause Folie 8
3000 Zeitliche Entwicklung der CO2 Konzentration in der Raumluft 66m² Klassenraum mit 30+1 Personen Belegung CO2 Konzentration in ppm 2500 2000 1500 1000 500 0 0 1 2 3 4 5 6 Stoßlüften in Pause 1 10 min Pause Stunden nach Veranstaltungsbeginn Stoßlüften in Pause + einmal Unterricht Grenzwert: 1500 ppm Pettenkofer-Wert: 1000 ppm Außenluft: 350 ppm 12m³/h pro Person + Stoßlüften in Pause 15m³/h pro Person Folie 9
Luftqualität im Klassenraum Problem - Zuführung von Außenluft erforderlich - Fensterlüftung im Winter nur eingeschränkt möglich (Zugerscheinung) - Bei manueller Fensterlüftung: Wer bedient die Fenster? Optionen - optimierte natürliche Lüftung über Schächte und Abluftkamine - Kontrolle Raumluftqualität - mechanische Lüftung Folie 10
Luftqualität Wärmebedarf Folie 11
Vergleich von 3 Varianten (Dämmstandard bzw. technische Ausrüstung) Variante A Basisvariante: EnEV 2009 Variante B erhöhter Dämmstandard Variante C Passivhaus Standard Definition Passivhaus: Wärmebedarf: Gesamtprimärenergiebedarf: 15 kwh/m²a* 120 kwh/m²a * Berechnet mit Passivhaus Projektierungs-Paket Folie 12
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80 70 Heizenergiebedarf Klassenraum Süd Bezugsfläche: 66 m² (NGF) Testreferenzjahr 12 Heizung 60 kwh/m²ngfa 50 40 30 100% 84% 20 10 28% 0 VARIANTE A VARIANTE B VARIANTE C 1.9 1.6 0.5 ENEV 2009 Dämmung optimiert Passivhaus Standard Folie 14
80 70 60 Nutzenergiebedarf Klassenraum Süd Bezugsfläche: 66 m² (NGF) Testreferenzjahr 12 Hilfsenergie - elektr. Strom Lüftung - elektr. Strom Licht - elektr. Strom Heizung kwh/m²ngfa 50 40 30 20 10 0 VARIANTE A VARIANTE B VARIANTE C ENEV 2009 Dämmung optimiert Passivhaus Standard Folie 15
Annahmen: Wärmeversorgung über Pellet oder Hackschnitzel (75%) Strom aus dem Netz (Strommix D) Folie 16
80 70 60 Primärenergie Klassenraum Süd Holzhackschnitzel (72%) Bezugsfläche: 66 m² (NGF) Testreferenzjahr 12 (Mannheim) Hilfsenergie - elektr. Strom Lüftung - elektr. Strom Licht - elektr. Strom Heizung + BWW (nicht - regenerativ) Heizung + BWW (regenerativ) kwh/m²ngfa 50 40 30 100% 89% 81% 20 10 0 VARIANTE A VARIANTE B VARIANTE C 3 MWh/a 3 MWh/a 2 MWh/a ENEV 2009 Dämmung optimiert Passivhaus Standard Folie 17
80 70 60 Primärenergie Klassenraum Süd Holzhackschnitzel (72%) "Nicht - Regenerativer" Primärenergiebedarf Bezugsfläche: 66 m² (NGF) Testreferenzjahr 12 (Mannheim) Hilfsenergie - elektr. Strom Lüftung - elektr. Strom Licht - elektr. Strom Heizung + BWW (nicht - regenerativ) kwh/m²ngfa 50 40 30 100% 93% 125% 20 10 0 VARIANTE A VARIANTE B VARIANTE C 2 MWh/a 2 MWh/a 2 MWh/a ENEV 2009 Dämmung optimiert Passivhaus Standard Folie 18
16 14 12 CO 2 -Emissionen Klassenraum Süd Holzhackschnitzel (72%) Einfamilienhaus heutiger Standard (Gas) - EFH = 1.6 tco2/a Bezugsfläche: 66 m² (NGF) Testreferenzjahr 12 Hilfsenergie - elektr. Strom Lüftung - elektr. Strom Licht - elektr. Strom Heizung kg CO2 /m²a 10 8 6 100% 92% 117% 4 2 0 VARIANTE A VARIANTE B VARIANTE C 0 tco2/a 0 tco2/a 0 tco2/a ENEV 2009 Dämmung optimiert Passivhaus Standard Folie 19
Ursache Hochwertiger Strom zur Einsparung von Wärme Schlussfolgerung Mechanische Lüftung ist nicht per se eine Maßnahme zur Reduzierung der CO 2 Emissionen Bemerkung: Lüftungsanlagen werden teilweise in der Übergangs- und Sommerzeit nicht oder nur minimal betrieben! Luftqualität wieder abhängig von der Bedienung der Nutzer Fragestellung Wie wird in (Passivhaus)Schulen die Nachtlüftung realisiert? Mechanisch zusätzlicher Strombedarf Automatisch z.b. über Oberlichter zusätzliches System, Kosten bei Optimierung der nat. Lüftung kann u.u. auf mechanische Lüftung verzichtet werden Folie 20
Erweiterung Jörg Lederer Schule - Kaufbeuren Folie 21
Lüftung kontrollierte natürliche Lüftung Beheizung Statische Heizfläche Abluft - Solarkamin - Masse - Verglasung Drosselklappe, therm ische Trennung Sommerlicher Wärmeschutz Nachtlüftung Kla sse nra um schallgedämmtes Zuluftelement Heizkörper Folie 22
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Ergebnis der meßtechnischen Überprüfung Funktion meßtechnisch nachgewiesen aber eine angemessene Überhöhung der Abluftkamine hätte die Wirksamkeit signifikant erhöht (Function has to follow form) Nutzer überwiegend zufrieden Deutliche Optimierungspotentiale bei der Regelung Überhitzungserscheinungen in Südwest orientierten Räumen Ursache Sonnenschutz wird bei Unterrichtsende automatisch hochgefahren Schlussfolgerung Auch bei einer automatisierten Regelung ist die Einbindung des Nutzers und Pflege des Systems essentiell für den Erfolg Die kontrollierte natürliche Lüftung ist machbar, erfordert aber eine sensible Abstimmung der einzelnen Komponenten insbesondere der Regelung Folie 24
Erweiterung Schiller Schule Walldorf (Planungsphase aktuell Vergabe) - Anforderung: Passivhausstandard - Aber Fokus liegt auf einer Gesamtoptimierung - Energetische Gesichtspunkte - Komfort im Gebäude - Flexibilität (für unterschiedliche pädagogische Ansätze) Folie 25
Problemstellung Lüftung Das pädagogische Konzept sieht differenzierte Lernbereiche vor - Klassenraum - Differenzierungsbereich - Lerninsel (Flur / Erschließung) Es ist nicht vorhersehbar, wo sich die Kinder aufhalten Lösungsansatz: Kaskadierung der Zuluft Die Zuluft strömt über schallgedämmte Öffnungen in den Klassenraum Differenzierungsraum Lerninsel Vorteile: minimale Luftmenge, geringerer mechanischer Aufwand (Kanäle, Klappen etc.), geringerer Wartungsaufwand Folie 26
Oberlicht: - Belichtung - natürliche Querlüftung exponierte Betondecke -> Aktivierung der thermischen Masse durch Nachtluftspülung Schacht: - natürliche Abluft Nordshed Oberlicht Photovoltaik Südseite Balkon als Fluchtweg und Zugang zum Pausenhof Klassenzimmer Lerninsel Dachüberstand Sonnenschutz Klassenzimmer Lerninsel Beweglicher Sonnenschutz mit Tageslichtlenkung Außenluftansaugung Erdkanal - thermische Zuluftkonditionierung Außenluft Fortluft + Abluft Zuluft mechanische Be- und Entlüftung mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung Heizkörper mit minimierter thermischer Masse Folie 27
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Luftansaugung Überströmung Klasse - Differrenzierungsraum Zuluft Abluft Lerninsel/Sanitärbereich Überströmung Differenzierungsraum - Lerninsel Folie 29
Zusammenfassung Nutzung von regenerativ erzeugtem Strom und Gasbrennwerttechnik zur Wärmeversorgung ist in Verbindung mit der hohen Dämmqualität eine energetisch sinnvolle Variante Erdwärmetauscher bietet die Möglichkeit zur Verbesserung der sommerlichen Konditionen in Verbindung mit der automatisierten Nachtlüftung Die optimale Tageslichtversorgung erhielt Vorrang vor der thermischen Optimierung Unterschiedliche Rahmenbedingungen bedingen unterschiedliche Lösungsansätze Folie 30