Plusenergie-Schule
Ressourcenschonende Sanierung eines Berufskollegs
Auf dem Campus des Berufskollegs in Detmold wurden drei Schulgebäude und eine Sporthalle grundlegend saniert. Dazu wurden die Fassaden und obersten Geschossdecken mit Zellulose gedämmt, Passivhausfenster eingebaut und die Dachflächen mit PV-Paneelen eingedeckt. Das bestehende Heizsystem wird mit abgesenkten Temperaturen weiter genutzt. Kombiniert mit Solarstromerzeugung und Nutzung von Fernwärme Wärme aus Biomasse, erreichen die Gebäude jetzt Plusenergie-Niveau.
Projektkontext
Der Kreistag in Lippe hatte 2008 beschlossen, eigene Liegenschaften mit Passivhaus-Komponenten zu sanieren und Dachflächen zur Solarstromerzeugung zu nutzen. Als Gebäude des Felix-Fechenbach-Berufskollegs aus den Jahren 1954 bis 1962 zur Sanierung anstanden, wurde daraus eine Plusenergieschule konzipiert. In der Jahresbilanz sollte also mehr Primärenergie erzeugt werden als Beheizung, Lüftung und Trinkwassererwärmung – einschließlich Hilfsenergie – sowie Beleuchtung verbrauchen.
Im Vorfeld der Sanierung entstanden noch verschiedene Anbauten an den Bestand.
Forschungsfokus
Bei dem Projekt lag besonderes Augenmerk darauf, bestehende Konstruktionen zu erhalten sowie ressourcenschonende Materialien einzusetzen. Auf Basis von Lebenszyklusbetrachtungen fiel für die Fassadendämmung die Wahl auf vorgefertigte Module in Holztafelbauweise, die mit Zellulose befüllt wurden.
Das Projekt wurde sozialwissenschaftlich begleitet. Schüler und Lehrer wurden dreimal befragt, um so das Behaglichkeitsempfinden vor und nach der Sanierung zu erfassen und zu bewerten.
Konzept
Sanierungskonzept
Die verwendeten Baustoffe zeichnen sich durch sparsamen Material- und Ressourceneinsatz bei der Herstellung aus. Die Außenwände erhielten eine vorgehängte Fertigteil-Fassade in Holzbauweise mit wärmebrückenoptimierten Holzstegträgern. Die Konstruktion ist mit einer 36 Zentimeter starken Zellulose-Dämmung befüllt. Die Fassadenelemente wurden auf Basis eines 3D-Scans der Gebäude entwickelt und produziert. So ließen sich Maßtoleranzen der unebenen, schiefen und stark gegliederten Bestandswände berücksichtigen. Die Vorfertigung ermöglichte es, die Dämmmaßnahmen auf die Sommerferien zu begrenzen.
Weil neu entwickelte Passivhaus-Fenster mit besonders schmalen Profilen eingebaut wurden, bleibt der effektive Verglasungsanteil der Fassade weiterhin hoch. Die Tageslichtsituation wird durch Einfügung verglaster Oberlichter, helle Anstriche mit hohem Reflexionsgrad, schmale und tiefe Fensterrahmen und durch Vermeidung tiefer Fensterlaibungen verbessert
Auf den geneigten Dächern übernehmen Photovoltaik-Module die Funktion der Dachhaut. Die Module wurden zwecks guter Hinterlüftung mit einem vergrößerten Luftspalt auf das Unterdach aus Holzweichfaser montiert, was ihre Kühlung über natürliche Luftkonvektion unterstützt.
Energiekonzept
Die Klassenräume werden neben der Möglichkeit einer Fensterlüftung über dezentrale Geräte mit Wärmerückgewinnung mechanisch be- und entlüftet. Zwei Räume sind zu Testzwecken zusätzlich mit Deckenventilatoren ausgestattet. Zur Beleuchtung waren größtenteils bereits präsenz- und tageslichtgesteuerte Leuchtstofflampen installiert, in den restlichen Bereichen ist jetzt LED-Technik eingebaut.
Versorgt werden die Gebäude weiterhin mit Fernwärme aus Biomasse – gut für die Primärenergiebilanz. Im Rahmen der Tiefbauarbeiten wurden auch die Zuleitungen erneuert und gedämmt. Die deutlich bessere Gebäudedämmung ermöglichte es, die Vorlauftemperaturen zu senken und die Laufzeiten anzupassen. Um Verluste der Zirkulationsleitungen zu reduzieren, wurde die Trinkwarmwasserversorgung erneuert.
Von zentraler Bedeutung für die Erzielung eines Energieüberschusses ist die Photovoltaik-Anlage mit einer Gesamtspitzenleistung von 352 Kilowatt (peak).
Performance
Wie das Monitoring der Technischen Hochschule Ostwestfalen-Lippe belegt, erfüllt die Schule das Ziel der primärenergetischen Plusenergiebilanz bereits seit der Fertigstellung 2016. Die Sanierung und das betriebsbegleitende Monitoring reduzierten den bereinigten Endenergieverbrauch für Wärme um ca. 69 %. Dabei ist herauszustellen, dass die Betriebsoptimierungen gegenüber dem ersten Betriebsjahr (2016) eine Einsparung von 31 % thermischer Energie über den gesamten Campus und 53 % in den detailliert betrachteten Klassenzimmern ermöglichten. Die Bereitstellung des Trinkwarmwassers verursacht ca. 19 % des thermischen Energieverbrauches. Trotz gedämmter Leitungen und Reduktion der Verbrauchsstellen auf wenige Räume sind ca. 85 % des Verbrauches auf Verluste durch Speicherung und Zirkulation zurückzuführen.
In zwei Klassenräumen werden die Verbräuche und Lasten einzeln erfasst: Den größten Stromverbrauch verursacht das Whiteboard inkl. Lehrer-PC mit ca. 4,3 kWh/(m²a), ein System, mit dem die Schule bereits vor der Sanierung ausgestattet war.
Der bereinigte Energieverbrauch der statischen Heizung beträgt im Klassenraum ca. 15 kWh/(m²a) und konnte im Vergleich zum Ausgangszustand um über 90% reduziert werden. Dies bewirkte jedoch nicht allein die Sanierung, vielmehr reduzierten Optimierungen nach dem ersten Betriebsjahr den Verbrauch um weitere 53%.
Mitarbeiter des Instituts für Ressourceneffizienz und Energiestrategien (IREES) befragen Schüler und Lehrer regelmäßig, um das Behaglichkeitsempfinden vor und nach der Sanierung zu erfassen. Demnach waren die Nutzer nach der Sanierung vor allem mit der Luftqualität unzufrieden, obwohl während der überwiegenden Nutzungszeit eine CO2-Konzentration unter 1.000 ppm gemessen wurde. Messungen belegten kritische Zustände der Luftfeuchtigkeit im Winter: Der Außenluftvolumenstrom von ca. 20 m³/h pro Person führte etwa während eines Drittels der Nutzungszeit im Winter zu einer relativen Luftfeuchtigkeit von nur 20 bis 30% - ein typisches Problem bei mechanischer Lüftung. Nach der Anpassung der Heizungsregelung und der Absenkung des maximalen Volumenstroms auf 12 m³/h wurde der Grenzwert von 40% deutlich seltener unterschritten. Derzeit untersuchen die Wissenschaftler, wie sich dauerhaft eine hinreichende relative Luftfeuchtigkeit bei gleichzeitig geringer CO2-Konzentration gewährleisten lässt.
Optimierung
Die erzielten Einsparungen wurden durch die sukzessive Anpassung der Heizungs-Betriebszeit und Thermostatkopfeinstellung erreicht. Das Ziel bestand darin, das raumindividuelle Aufheiz- und Abkühlverhalten mit der vorhandenen Heizungsregelung zu berücksichtigen.
Die bestehenden Heizkreise der Altbauten können ohne zusätzlichen Aufwand nur gebäudespezifisch geregelt werden, da die Verteilung als Tichelmann-System ausgeführt ist. Sowohl die Klassenzimmer im Untergeschoss als auch Computerräume und Standardklassenzimmer sowie Lehrerzimmer sind dem gleichen Heizkreis zugeordnet. Die Möglichkeit, Temperaturen in den Räumen anzupassen, beschränkt sich auf die Betriebszeit der Heizung und die individuelle Einstellung der bestehenden („Behörden-“)Thermostatventile, die sich jedoch bzgl. ihrer mikroklimatischen Position innenausbaubedingt nicht innerhalb des sonst vorherrschenden Raumklimas befinden.
Das intensive Monitoring in Kombination mit Raumsimulationen ermöglichte die schrittweise Annäherung an eine optimale Fahrweise der Heizung durch Anpassungen im laufenden Betrieb.
Wirtschaftlichkeit
Die minimale Veränderung der Bestandsituation, die Durchführung von Sanierungsarbeiten bei laufendem Betrieb sowie die Nutzung der Bestandsheizung und -verteilung reduzieren die Kosten im Vergleich zu einem Neubau oder einer Sanierung mit neuem Versorgungskonzept maßgeblich. Die tagsüber stattfindende Schulnutzung begünstigt zudem einen hohen Eigennutzungsgrad des vor Ort erzeugten Solarstromes. In den Monaten Mai bis Juli können mehr als 70% der benötigten elektrischen Energie am sanierten Campus direkt von der PV-Stromerzeugung gespeist werden. Zugleich produzieren die PV-Module während dieser Zeit einen zusätzlichen Überschuss, der mehr als das 1,5 fache der insgesamt verbrauchten elektrischen Energie umfasst.
Die witterungsbereinigten Verbrauchskosten für Wärme lagen im Jahr 2019 um 49 % niedriger als vor der Sanierung. Rechnet man die Vergütung der PV-Einspeisung sowie die Eigenstromnutzung ein, konnte eine jährliche Einsparung von 10,72 €/( a m²BGF) erzielt werden.
Das Sanierungskonzept wurde mit dem BMWi-Preis „Schule 2030“ ausgezeichnet und erhielt dabei einen Sonderpreis für das innovative Beleuchtungskonzept.
Die Jury honorierte, dass es gut gelingt, den Gebäuden der 1950er Jahre im Zusammenhang mit der energetisch ambitionierten Sanierung ein zeitgemäßes Gesicht zu geben. Positiv eingestuft wurde, dass durch die konstruktive Lösung der Wärmedämmung im Fensterbereich keine Glasflächenanteile verloren gehen.
Projektkenndaten
12.07.2021
