Plusenergiekonzept
Schulneubau mit hybridem Lüftungssystem

Die neue Grundschule in Hohen Neuendorf soll zeitgemäßen Unterricht in einem Gebäude mit innovativem Energiekonzept ermöglichen. Ziel des Projektes ist eine Plusenergie-Schule mit minimalem Energieverbrauch im Betrieb und hohem Nutzerkomfort bei gleichzeitig günstigen Baukosten und einer über den gesamten Gebäudelebenszyklus effizienten Energie- und Kostenperformance. Der Einsatz eines hybriden Lüftungskonzeptes spart Strom, innovative Materialien und Komponenten, wie z. B. Nanogel-Verglasungen, mikrostrukturierte Sonnenschutzgläser, lichtlenkende und elektrochrome Verglasungen sind Teil des Beleuchtungskonzepts.

Das neue Schulgebäude ist nach dem Plusenergie-Konzept geplant. Mit dem dafür unerlässlichen integralen Planungsprozess sollten zudem folgende Ziele erreicht werden: Minimierter Energieverbrauch, reduzierte Baunutzkosten bei gleichzeitig hohem Nutzerkomfort und eine über den gesamten Gebäudelebenszyklus effiziente Energie- und Kostenperformance.

In der Stadt Hohen Neuendorf verdoppelte sich die Zahl der Einwohner in den letzten 20 Jahren auf knapp 25.000 Einwohner. Wegen der guten Verkehrsanbindung und der unmittelbaren Nähe zur Hauptstadt Berlin ist die kleine Stadt für junge Familien attraktiv. So stieg auch die Anzahl der Schüler sprunghaft an. Für die dadurch notwendig gewordene neue Grundschule wurde Anfang 2008 eine Machbarkeitsstudie in Auftrag gegeben, welche erste Planungsdaten und Kennwerte definierte. Der Neubau liegt direkt neben einer bestehenden kommunalen Sportanlage, so dass diese für den Schulsport mit genutzt werden kann. Die Dreifeld-Sporthalle der zukünftigen Schule ist daher eine ideale Ergänzung und Aufwertung des Standortes für den Breitensport.

Erkenntnisse aus der Machbarkeitsstudie wurden zur Grundlage für ein europaweites Vergabeverfahren (nach VOF). Bereits bei der Auswahl des Architekten wurde ein besonderes Augenmerk auf Erfahrungen im energieoptimierten Bauen gelegt.

Neben der Senkung verbrauchsabhängiger (Energie-)Kosten war wesentliches Planungsziel die langfristige Minimierung der Wartungs- und Instandhaltungskosten. Vor diesem Hintergrund ist das Gebäude als „Low-Tech“- und „Low Cost“-Plusenergie-Grundschule geplant. Das Energiekonzept basiert einerseits auf der Minimierung des Energiebedarfs für das Gebäude und die technischen Anlagen und zum anderen auf der Nutzung regenerativer Energiequellen zur Bedarfsdeckung. 

Forschungsfokus

Mit einer detaillierten wissenschaftlichen Evaluierung sollte untersucht werden, ob das Plusenergie-Konzept auf Schulen übertragbar ist. Dabei wurden insbesondere das hybride Lüftungskonzept, das Zusammenspiel von natürlicher und künstlicher Beleuchtung, die regelungstechnische Verknüpfung von Heiz- und Lüftungssystem und die Gebäudeenergiebilanz genauer analysiert und konkrete Hinweise zur Optimierung erarbeitet.

Gebäudekonzept

Mit dem Vorhaben sollte gezeigt werden, dass Plusenergie-Konzepte auch auf Schulgebäude übertragen werden können. Der Neubau umfasst den Bau einer 3-zügigen Grundschule mit integrierter Dreifeld-Sporthalle. Ziel waren optimale bauliche Voraussetzungen für ein zukunftsfähiges Lern- und Lehrumfeld, nicht zuletzt um flexibel auf neue pädagogische Konzepte reagieren zu können. Dies wird vor allem durch differenzierte, teilbare und flexibel nutzbare Räume erreicht. Im Rahmen eines integrierten Planungsansatzes werden alle technischen, energetischen und funktionalen Anforderungen als Teil der Architektur verstanden.

Die Gebäudehülle wurde in Passivhausqualität errichtet, mit dem Ziel der weitgehenden Vermeidung von Wärmeverlusten. Wichtig dafür sind eine sehr gut wärmegedämmte Konstruktion mit luftdichter Gebäudehülle (n50 < 0,6/h) und ein ausgewogenes Verhältnis von transparenten zu nicht-transparenten Fassadenflächen. Die Ausführung erfolgte in Massivbauweise aus Stahlbeton, um ausreichende thermische Speichermassen zu erreichen, mit einer Fassade aus Vormauerziegeln. In den Brüstungsbereichen der südorientierten Klassenraumfenster und der ostorientierten Fachraumfenster sowie zur Minimierung kleinflächiger Wärmebrücken werden Vakuum-Isolationspaneele (VIP) eingesetzt.

Das Tageslichtkonzept setzt auf hohe Tageslichtautonomie, die auch für die flexiblen Nutzungsszenarien der Unterrichtsbereiche eingehalten wird. Gleichzeitig wird die thermische Belastung in den Sommermonaten minimiert. Das Konzept berücksichtigt die unterschiedlichen inneren (räumlichen, lichttechnischen und gestalterischen) Anforderungen und reagiert auf die äußeren Bedingungen, indem für die verschiedenen Orientierungen und inneren Anforderungen spezifische Sonnenschutz- und Tageslichtsysteme entwickelt werden. Zum Einsatz kommen verschiedene innovative Materialien und Komponenten, wie z. B. Nanogel-Verglasungen, mikrostrukturierte Sonnenschutzgläser, lichtlenkende und elektrochrome Verglasungen.

Die Raumakustik reagiert bei der Anordnung von schallabsorbierenden Akustikelementen sowohl auf die frei zugänglichen Massivbauteile als auch die verschiedenen Raumkonstellationen (Unterrichtsräume, Turnhalle, Aula). Durch Integration innovativer Bauteilkomponenten wird das Image eines Plus-Energie-Hauses auch architektonisch transportiert, die Komponenten sollen sichtbar sein und verständlich gemacht werden. Deutlich wird dies z. B. in der Umsetzung verschiedener Sonnenschutzkonzepte und den sichtbar gemachten Lüftungselementen. 

Energiekonzept

Durch die parallele Entwicklung von Energie- und Gebäudekonzept wurde ein hoher Integrationsgrad von architektonischem Entwurf und technischer Gebäudeausrüstung erreicht. Bei der Erstellung des Energiekonzeptes standen die Nutzung von natürlichen Ressourcen und passive Maßnahmen im Vordergrund, um aktive technische Komponenten im Sinne eines Lean-Building-Konzeptes (Schlanke Gebäudetechnik) zu minimieren. Dadurch werden die Lebenszykluskosten der technischen Anlagen und der Energiebedarf des Gebäudes deutlich verringert.
Schwerpunkte sind:

• Eine Gebäudestruktur mit viel Speichermasse für freie Kühlung, um die sommerliche Überhitzung zu vermeiden und den thermischen Komfort zu steigern.
• Ein Raumkonzept mit Tageslichteinfall von mehreren Seiten, um eine hohe Tageslichtautonomie zu erreichen und damit den Strombedarf zu senken.
• Ein Beleuchtungskonzept mit einer präsenz- und raumtiefenabhängigen Beleuchtungssteuerung, um nur das notwendige Maß an elektrischer Beleuchtung nachzuführen. Das Konzept sieht einen kombinierten Einsatz von LED-Leuchten und energieeffizienten konventionellen Leuchtsystemen vor.
• Ein hybrides Lüftungskonzept mit hauptsächlich natürlicher Lüftung. Luft wird nur dann maschinell bewegt, wenn es energetisch sinnvoll ist oder es Nutzungs- und Witterungsbedingungen erforderlich machen. Das Lüftungskonzept sieht vor, mittels maschineller Grundlüftung den Anstieg des CO₂-Gehalts in Klassenräumen zu verlangsamen und mittels zentral angesteuerter motorischer Fensterflügel über Stoßlüftung den CO₂-Gehalt wieder auf Außenluftniveau zu bringen sowie über natürliche Nachtlüftung einer sommerlichen Überhitzung zu begegnen.
• Eine nachhaltige Energieerzeugung durch kombinierten Einsatz von Biomasse (Pellet-Heizkessel und Pellet-BHKW) und Solarenergie (PV Anlage), um CO₂-Neutralität und die Zielsetzung des Plusenergie-Konzepts zu erreichen.

Performance

Das Ziel einer Plusenergiebilanz wird im Monitoring-Zeitraum nicht erreicht. Der Gesamt-Endenergieverbrauch von ca. 50 kWh/m²a für Wärme und ca. 20 kWh/m² für Elektrizität lassen auf eine gute Gebäudeperformance schließen, die Werte liegen jedoch über den prognostizierten Werten der Planer. Der höhere Verbrauch lässt sich im Wesentlichen auf die im Vergleich zur Bedarfsberechnung längeren Nutzungszeiten und eine intensive außerschulische Nutzung zurückführen. Insbesondere der Sportbereich hat, aufgrund der hohen installierten Leistung für künstliche Beleuchtung, einen sehr großen Anteil am gesamten Stromverbrauch. Zukünftig sollte daher ein verstärktes Augenmerk auf effiziente Beleuchtungstechnik sowie eine effiziente Tageslichtnutzung in Sporthallen gelegt werden. Zudem kann aufgrund der Marktsituation ein geplantes Pellet-BHKW nicht installiert werden, was zu einer weiteren Verschlechterung in der Primärenergiebilanz führt.

Die thermischen Komfortbedingungen in der untersuchten Schule bieten sowohl im Winter als auch im Sommer sehr gute Behaglichkeitswerte. Eine massive Stahlbetonweise mit einem hohen Anteil thermisch verfügbarer Speichermasse ermöglicht eine effiziente Regeneration in den kühleren Nachtstunden durch die freie Lüftung und verhindert somit eine Überhitzung der Klassenräume tagsüber.

Optimierungsmaßnahmen und -möglichkeiten

Aufgrund der detaillierten Messdatenerfassung konnten bereits frühzeitig Fehler im Gebäudebetrieb erkannt und behoben worden. Hierzu zählen ein falsch positionierter Außentemperaturfühler, falsche Betriebszeiten der Lüftungsanlagen und fehlerhafte Programmierungen der Gebäudeautomation.

Das hybride Lüftungskonzept, eine Kombination aus einer mechanischen Grundlüftung und einer automatisierten natürlichen Stoßlüftung sorgt bei fehlerfreiem Betrieb für eine gute Raumluftqualität – mit einem minimalen Einsatz elektrischer Energie. Im Gebäudebetrieb zeigte sich jedoch, dass die Lüftungsflügel der Schule sehr störanfällig und häufig außer Betrieb sind. Zudem gibt es Verbesserungsmöglichkeiten bei der Wetterschutzregelung und im Zusammenspiel mit dem Heizungssystem. Um auch in der kalten Jahreszeit eine hohe Nutzerakzeptanz für automatisierte natürliche Lüftungsvorgänge zu erzielen, müssen die tatsächlichen Nutzungszeiten in der Lüftungsstrategie berücksichtigt werden und manuelle Anpassungen, z. B. bei Nutzungsänderungen, sollten durch autorisierte Personen einfach möglich sein.

Wirtschaftlichkeit

Ziel der Konzeption ist es, die Bewirtschaftungskosten der Schule für die Kommune langfristig so niedrig wie möglich zu halten. Dabei werden einerseits die Instandhaltungs- und Wartungskosten durch den Einsatz langlebiger, robuster und wartungsarmer Bauteile und Baustoffe minimiert, andererseits werden die Verbrauchskosten für Energie auf ein sehr niedriges Niveau reduziert. Das Plus-Energie-Konzept ermöglicht darüber hinaus, einen wesentlichen Teil der Energiekosten durch den Ertrag aus der Energieerzeugung zu kompensieren. Die Baukosten sind mit denen konventioneller Gebäude vergleichbar, Energiekosten vgl. unten stehende Kostentabelle.

Projektkenndaten