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School vent cool – Herausforderungen und Lösungsansätze bei Schulsanierungsstrategien

Die Veränderungen pädagogischer Konzepte nehmen endlich Einfluss auf die Gestaltung der Schulen, auch im Zuge von Sanierungen [1]. Ob das irgendwann in der Mitbestimmung durch die SchülerInnen selbst kulminieren wird, lässt sich noch nicht sagen. Fest steht aber, dass die Bedingungen, unter denen die SchülerInnen in Schulgebäuden derzeit arbeiten, d.h. lernen müssen, erhöhter Aufmerksamkeit bedürfen. Dies und wie zumindest technische Verbesserungen bei Schulsanierungen möglich wären hat das Projekt „School vent cool“ versucht zu zeigen.

Abbildung 1: Eine Schule wie ein Wohnhaus - Sanierte Schule nahe Kopenhagen. Quelle: AEE INTEC

Ziel

Auf Basis einer Schul-Gebäudetypologie und ExpertInnendiskussionen wurden verschiedene Strategien für thermisch-energetisch hochwertige Schulsanierungen entwickelt. Neue Lösungen für die Vorfertigung von Sanierungsmodulen, für die Lüftung und passive Kühlung zum Schutz vor Überhitzung der Klassenzimmer wurden untersucht, in die Konzepte integriert und getestet. Dazu analysierte das Projektteam die thermisch-energetische Situation, das Lichtangebot und die Raumluftqualität sowie das Empfinden der SchülerInnen für verschiedene Komfortbedingungen in Klassenzimmern.

Schultypologie und Sanierungsstrategien (school)

Die Schweizer Projektpartner entwickelten aus 29 dokumentierten Schulgebäuden in 4 verschiedenen Ländern eine Schulgebäudetypologie. Die Ergebnisse für die Leitmerkmale („General Types“) dieser Typologie lassen sich in Abbildung 2 zusammenfassen. Die Landesimmobilien-Gesellschaft mbH Steiermark (LIG), österreichische Kooperationspartnerin im Projekt, stellte sechs landwirtschaftliche Fachschulen und Berufsschulen als Fallbeispielschulen zur Verfügung.

Die Leitmerkmale lassen sich folgendermaßen unterteilen:

• Fassadentyp (Loch-, Skelett- und Elementfassade)
• Gebäudeposition (End-, Mittel-, freistehendes Gebäude)
• Anzahl der Geschoße (eines, 2 bis 3, mehr als drei)

Die Fokus- oder spezifischen Merkmale, die für die Entwicklung von vorgefertigten Fassadenelementen bei Schulsanierungen wichtig sind, betreffen vor allem die Fenstergröße, Fenstersturz- und -parapethöhen. Nach ihnen richtet sich die Lüftungsrohrintegration und -verteilung an der Fassade (Abbildung 3).

Bevor die Schulsanierung den Fokus auf das Gebäude selbst legt ist jedoch ein übergeordneter Prozess der SchuleigentümerInnen erforderlich, der definiert, welche Gebäude denn überhaupt im Portfolio sanierungswürdig sind. Fragen wie „Passen die Infrastruktur oder die Nachfrage am jeweiligen Ort?“ müssen beantwortet sein. Zu diesem Prozess wurde die „School vent cool“-Methode formuliert (siehe Abbildung 4).

Abbildung 2: Übersicht der Leitmerkmale, visualisiert mit Fallbeispielgebäuden aus School Vent Cool

Abbildung 3: Vorgesetzte Fassadenelemente im Schnitt (links) und im Aufriss (rechts) - zentrale Be- und Entlüftung mit horizontaler Lüftungsrohrverteilung (blau=Zuluft, rot=Abluft) gut in die Fassade integrierbar und damit kaum Auswirkung auf die Architektur. Quelle: FHNW

Abbildung 4: Die "School vent cool"-Methode, einen Schulsanierungsprozess einer Stadt oder Gemeinde durchzuführen

Notwendigkeit der Klassenzimmer-Lüftung (vent):

Schlechte Luftqualität in Schulgebäuden führt wie auch hohe Temperatur zu Konzentrationsschwäche der SchülerInnen. Damit sinkt der Lernerfolg und in manchen Fällen gibt es sogar chronische Gesundheitsschäden. Dass es ausreichend Möglichkeiten für die Lüftung in Schulen gibt, wurde durch die dänischen Partner der DTU im Projekt demonstriert. Von der Fensterlüftung durch die SchülerInnen aufgrund von CO2-Feedback bis zur „Diffuse Ceiling Ventilation“, einem zentralen Be- und Entlüftungssystem mit Wärmerückgewinnung, das die Frischluft über eine abgehängte Deckenkonstruktion einbringt und diese über perforierte Deckenplatten ins Klassenzimmer eindiffundieren lässt, wurden bisher verschiedene Lösungen getestet.

Angepasst an die Typologie und Schulsanierungsstrategien im Projekt wurde ein „Design Chart“ entwickelt - eine Art schnelle Planungsanleitung für die Entscheidung, ob natürliche Lüftung überhaupt möglich oder mechanische dezentrale oder zentrale Lüftung als einzige Variante empfehlenswert ist. Die Abbildung 5 zeigt eines der beiden „Design Charts“, das zu sieben verschiedenen Lüftungslösungen führt.

Abbildung 5: Design Chart für Lüftungslösungen in zu sanierenden Schulen mit Skelettbauweise und Fassadenelemente

Abbildung 6: Beispiel für ein aktiv gekühltes Klassenzimmer in der warmen Jahreszeit in Dänemark - Messergebnisse mit und ohne CO₂-Feedback an die SchülerInnen über eine sichtbar im Klassenzimmer aufgestellte CO₂-Ampel: Wenn die Raumtemperatur in einem relativ angenehmen Bereich um die 22 bis 24°C liegt (rechtes Diagramm), dann öffnen die SchülerInnen die Fenster ohne CO₂-Feedback kaum (linkes Diagramm), obwohl die Luftqualität schlechter ist (mittleres Diagramm). Quelle: DTU

Herausforderung Behaglichkeit (cool):

Komfortempfinden der SchülerInnen

Hochwertige Schulsanierungen sollen nicht nur den Energieverbrauch senken, sondern die Behaglichkeit für die NutzerInnen steigern. Zweiteres kann nach Normen berechnet und „geplant“, oder - wie im Projekt versucht - nochmal analytisch aufgerollt werden. Dabei stand die Frage zu Beginn: Was ist für SchülerInnen komfortable Raumqualität bzw. Behaglichkeit im Klassenzimmer?

Das Ergebnis war, dass die Luftqualität und andere Parameter wie relative Luftfeuchtigkeit und Tageslichtangebot, die in Studien alle nachweislich gesundheitsrelevant für die SchülerInnen sind, bei den SchülerInnen nicht zwingend mit ihrem Komfortempfinden zusammenhängen. Vielmehr ist es vor allem die Raumtemperatur, die bei den SchülerInnen Reaktionen auslöst bzw. überhaupt wahrgenommen wird – siehe dazu Abbildungen 6 und 7.

Übertemperaturen in Klassenzimmern

Dass Klassenzimmer und ähnliche Räume mit dichter und hoher Belegung durch Personen leicht überhitzen, ist kein Geheimnis. Dass diese Überwärmung zu Konzentrationsstörungen in Schulen führt auch keines mehr. Aber welches Ausmaß diese Überwärmung vor allem in der warmen Jahreszeit mit der Nutzung von Computern und erhöhter künstlicher Beleuchtung erreichen kann, wurde selten untersucht. Im Projekt wurde jedenfalls über Simulationen gezeigt, dass unter ungünstigen Bedingungen, Ganztagsschulbetrieb und eventuell sogar Sommerbetrieb der Schulgebäude die Summe der Stunden über 26°C in den Klassenzimmern auf etwa ein Vierteljahr klettern können (siehe Abbildung 8).

Die niedrigsten Werte für Überhitzungszeiten in hochwertig sanierten Schulgebäuden mit mechanischer Be- und Entlüftung und Wärmerückgewinnung können übrigens mit einer Kombination aus tageslichtoptimierter Sonnenschutzregelung und erhöhter Nachtlüftung erreicht werden. Das ist nichts Neues, aber an der konsequenten Umsetzung muss gearbeitet werden. Und: Sollten Schulgebäude in Zukunft mehr genutzt werden, also auch im Sommer, was durchaus wünschenswert wäre, dann müssen genauere Simulationen und weitere Maßnahmen wie Grundwasserkühlung etc. folgen, um den Sommerkomfort zu halten.

Lösungen für Sonnen-, Blendschutz, Tageslichtnutzung

Das Ziel von Sonnenschutz ist eigentlich, die „Sonne und das Tageslicht (Himmelslicht) nutzerInnengerecht zu managen“ [3]. Zu „managen“ sind bei transparenten Bauteilen bzw. Fenstern vor allem:

• Tageslichtversorgung versus Blendung
• Freier Ausblick versus Sonnenschutz
• Solare Gewinne nutzen versus Überwärmung
• Digitale Medien versus Tageslichtbeleuchtung

Automatikfunktionen für Sonnen- und Blendschutz haben das Potenzial, in sanierten Schulgebäuden bei Ganztagsnutzung etwa 90% an elektrischer Energie für die künstliche Beleuchtung zu sparen und reduzieren saisonal das Überwärmungsrisiko. Dabei dürfen sie jedoch die NutzerInnen nicht entmündigen [3]. Bei der Tageslichtnutzung spielt auch die Helligkeit der Oberflächen im Raum eine große Rolle (siehe Abbildung 9).

Im Vergleich zu Fensterlösungen, die den Gesamtenergiedurchlassgrad eines Fensters stark reduzieren, sind diese Systeme flexibler und letztlich „gesünder“, weil sie die gesundheitsfördernden Anteile des Lichts erhalten.

Abbildung 7: SchülerInnen bewerten hier den allgemeinen Komfort (1. Balken) ihrer Klassenzimmer in persönlichen Befragungen vor allem wegen ungenügender Temperaturverhältnisse (3. Balken) als unzureichend, nicht etwa wegen stickiger Luft (2. Balken) oder wegen des Tageslichtangebots (4. Balken). Quelle: AEE INTEC

Abbildung 8: Ergebnisse von Simulationsberechnungen für ein typisches, südost-ausgerichtetes Klassenzimmer: Die einzelnen Balken stehen für Variationen von (EDV-)Nutzung, Sonnenschutz-, (Nacht-)Lüftungs-, Wärmeschutz- und Fensterlösungen im bestehenden und sanierten Schulgebäude; jeder Balken zeigt in heller Färbung die Anzahl der Schulstunden zwischen 8 und 16 Uhr über 26°C und zusätzlich mit intensiver Färbung die Gesamtstunden im Kalenderjahr über 26°C.

Abbildung 9: Im besten Fall sind Klassenzimmer hell und relativ gleichmäßig ausgeleuchtet wie in dieser Klasse, wo außer strahlungsgeführtem Sonnenschutz weiße Deckenpaneele im Fensterbereich montiert wurden. Quelle BVST; AEE INTEC

Resümee

In thermisch-energetisch hochwertig sanierten Schulgebäuden sind neben „klassischen“ Sanierungsmaßnahmen wie hoher Wärmeschutz vor allem die den thermischen Sommerkomfort, die Luftqualität und die Gestaltungsflexibilität steigernden Maßnahmen zentral wichtig. Zum Sommerkomfort empfiehlt sich, thermische Simulationen zumindest einzelner kritischer Klassenzimmer vorzunehmen, und Sonnenschutz – in Kombination mit Blendschutz und Tageslichtnutzung – wie auch alle Möglichkeiten der Be- und Entlüftung inkl. Nachtlüftung an die jeweilige Situation angepasst zu nutzen. Vorgefertigte Elemente können Lüftungsvarianten und Sonnenschutz gut integrieren und sind ein wichtiger Teil übergeordneter Schulsanierungsstrategien. Bei allen Strategien und Maßnahmen sollte klar sein, dass für die NutzerInnen geplant und saniert wird.

Autorenbeschreibung

DI Armin Knotzer ist Mitarbeiter des Bereichs Nachhaltige Gebäude von AEE INTEC (Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!)

Literatur:

1. Siehe Czaja W.: „Klassenbester!“ Artikel in DerStandard, Album A4 vom 01.06.2013
2. Hviid, C.A., Petersen, S.: “Implementation of ventilation in existing schools – a design criteria list towards passive schools”. Passive House Symposium, Bruxelles, Oct. 5th 2012
3. Gerstmann J.: „LBS Gleinstätten – Belichtung Sonnenschutz Blendschutz“. Präsentation im Rahmen von School vent cool, 2012

Die Broschüre „The way towards your cool school“, ein SchülerInnenfilm zu Aspekten der Schulsanierung und weitere Informationen sowie ein internationaler Projektbericht finden sich unter: www.aee-intec.at und www.schoolventcool.eu

ProjektpartnerInnen, mit denen das Projekt „School vent cool“ durchgeführt wurde:

• Thomas Heim: Hochschule Luzern Technik & Architektur, Kompetenzzentrum Typologie & Planung in der Architektur (CCTP)
• René Kobler, Ralf Dott: Fachhochschule Nordwestschweiz, Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik, Institut Energie am Bau (FHNW)
• Christian Anker Hviid: DTU Technical University of Denmark, Civil Engineering - Building Physics and Services (DTU – BPS)
• Pawel Wargocki: DTU Technical University of Denmark, Civil Engineering - International Centre for Indoor Environment and Energy (DTU – ICIEE)
• Irena Kondratenko, Jeroen Poppe: Passiefhuis-Platform vzw (PHP)
• Leen Rams, Karl Cools, Falk Bandelow: Stadt Antwerpen

 

Dieses Projekt wurde im Rahmen von Haus der Zukunft Plus gefördert. Haus der Zukunft Plus ist ein Forschungs- und Technologieprogramm des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie. Es wird im Auftrag des BMVIT von der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft gemeinsam mit der Austria Wirtschaftsservice Gesellschaft mbH und der Österreichischen Gesellschaft für Umwelt und Technik ÖGUT abgewickelt.