In der Phase Null werden die Voraussetzungen und Bedarfe ermittelt, die sich aus dem Standort und dem Programm der jeweiligen Schule ergeben. Die Empfehlungen aus der Phase Null sind die Basis für den späteren Entwurf.
Das Heiz- und Temperierungssystem war in Weimar kein Thema der Phase Null. Relevant für die Vorplanung ist die Forderung, Lerncluster mit direktem Außenbezug umzusetzen.
Die Normen und Richtlinien für den Schulbau variieren. Gleichzeitig sind viele geltende Richtlinien überholt. In jedem Projekt ist zu prüfen, wie vorhandene Vorgaben mit den Anforderungen vor Ort am besten zu verbinden sind.
Ein hoher wärmetechnischer Standard sowie die Implementierung hocheffizienter haustechnischer Systeme galt in den letzten drei Jahrzehnten als Antwort auf die Herausforderungen des Klimaschutzes. Die gesetzlichen Vorgaben der EnEV (jetzt GEG) und der Passivhausstandard betrachten dabei vor allem den absoluten Heizwärmebedarf eines Gebäudes. Mittlerweile ist die alleinige Fokussierung auf den Heizwärmebedarf als Kenngröße für klimabewusstes Bauen insbesondere im Schulbau zu hinterfragen.
Wegen der gesetzlichen Anforderungen an die Effizienz der Fassaden fällt der Heizwärmebedarf in der Bilanz sehr gering aus und wird durch die internen Energiegewinne der Schülerinnen und Schüler in Neubauten nahezu ausgeglichen.
Die Notwendigkeit für hochtechnisierte Temperierungssysteme beruht auf veralteten Baustandards, die bis heute die Grundlage statischer Berechnungen von geltenden Energiestandards bilden. Dabei geht man von Spitzenlasten aus, die bei dynamischer Berechnung völlig andere Ergebnisse liefern. Angenommene Worst-Case-Szenarien tauchen nur äußerst selten bzw. gar nicht auf. Bei der Dimensionierung von Heizanlagen muss daher auch die Frage der zumutbaren Szenarien neu betrachtet werden.
Mit zunehmender Komplexität der technischen Systeme für Monitoring und Steuerung und der damit einhergehenden Fehleranfälligkeit verlieren die Gebäude ihre Robustheit gegenüber unsicheren Randbedingen wie Systemausfall, Fehlverhalten der Nutzer oder Klimaveränderungen. Weil die Systeme selbst nicht besonders langlebig sind, steht der finanzielle Aufwand in keinem sinnvollen Verhältnis zum energetischen Nutzen.
Wegen der geringen Unterschiede zwischen Oberflächentemperatur von Flächenheizungen und Raumtemperatur leisten die durch die EnEv / GEG geforderte Einzelraumregelungen keinen nachvollziehbaren Beitrag zum Energiesparen und entspricht auch nicht der Nutzungsflexibilität offener Schulraumkonzepte.
EnEV / GEG Ziele sind vor allem auf den winterlichen Wärmeschutz abgestimmt, in der Realität der Schule ist jedoch vor allem der sommerliche Wärmeschutz relevant. Das gilt besonders für Ganztagsschulen, weil sich Gebäude zum Nachmittag hin besonders aufheizen.
siehe auch: "Warum Lüftungsanlagen kaum zum Klimaschutz beitragen" im Kapitel Lüftung
Verbesserte Qualitäten der Baukonstruktion könnten die technischen Anlagen vereinfachen, fließen aber auf Grundlage der Normen und Vorschriften noch nicht ausreichend in die Gesamtbetrachtung ein. Die Schule in Weimar erfüllt die zum Zeitpunkt der Planung gültige EneV 2016, auch GEG (2020) wird eingehalten. Das Klimakonzept ist jedoch vor allem darauf ausgelegt, im Betrieb Kosten zu reduzieren.
Der sommerliche Wärmeschutz nach EnEV (jetzt GEG) ist als Simulation verschiedener Komponenten nachzuweisen, muss aber auch im Alltag des Schulbetriebes gut funktionieren. In Weimar können Wärmeüberschüsse durch eine Nachtauskühlung mit manuell zu öffnenden Kipp-Oberlichtern abgetragen werden. Die Erfahrung zeigt jedoch, dass die Verantwortlichkeit für eine Nachtauskühlung von Hand von den Nutzerinnen und Nutzern nur schwierig zu organisieren ist. Daher wird die Nachtauskühlung über die Oberlichter zwar für die Kalkulation nach EnEV angesetzt, für die verlässliche Temperierung des Gebäudes steht aber noch ein anderes System zur Verfügung. Die Wärmepumpe des Heizsystems kann im Sommer über die Fußböden auch Wärmelasten abtragen. Dieser Aspekt kann nicht in der EnEV berücksichtigt werden, weil die Pumpe Strom verbraucht. In diesem Fall wird der benötigte Strom jedoch von der eigenen PV-Anlage produziert und zudem genau dann abgenommen, wenn die Anlage im Sommer durch intensive Sonneneinstrahlung Überschüsse produziert. Das Haus funktioniert in diesem Moment gewissermaßen als Strompuffer.
Kosteneffizienz ist für jeden Schulbau ein wichtiges Ziel. Dabei gibt es viele Wege, um Wirtschaftlichkeit im Projekt und entlang der Anforderungen zu realisieren.
Die energetische Planung folgt der Zielsetzung, so wenig Technik wie möglich einzusetzen. Dabei geht es nicht darum, Technik grundsätzlich zu vermeiden, sondern eine einfache und robuste Lösung zu finden, die nicht nur in der Simulation funktioniert, sondern mit der Realität des Schulbetriebes zusammenpasst. Es soll vermieden werden, dass eine Schule viel Geld für den Einbau einer hocheffizienten haustechnischen Anlage investiert, die aber kaum einen sinnvollen Beitrag für den Klimaschutz leistet und die Schule mit einem erhöhten Wartungsaufwand allein lässt, z. B., indem sie lange auf technische Hilfe warten muss, weil eine Regelungstechnik unzureichend eingestellt ist. Daher wird in Weimar auf den Einsatz raumlufttechnischer Anlagen weitgehend verzichtet. Die Belüftung des Gebäudes fordert dadurch mehr Eigenverantwortung ein, lässt aber auch mehr Nutzungsflexibilität zu.
Aufgrund der schlanken technischen Ausstattung betragen die Kosten der Technischen Anlagen (KG 400 = 1.987.850 € netto) nur etwa 23 % der Kosten des Bauwerkes (KG 300 + 400 = 8.326.892 € netto). In der KG 400 sind die PV-Anlage für die drei Häuser und die Küchenlüftung im Gemeinschaftshaus enthalten – das ist bei dem Vergleich mit den BKI-Werten für Schulbau zu berücksichtigen.
Die Voraussetzung für ein technisch einfaches Temperierungskonzept leistet eine gut gedämmte Gebäudehülle. In der Realität des Schulalltags haben daher interne Wärmegewinne der Schülerinnen und Schüler sowie die Speichermassen des Gebäudes umso höhere Auswirkungen auf den tatsächlichen Gesamtwärmebedarf eines Gebäudes.
Die Auslegung des Heizsystems basiert in diesem Projekt daher auf der Basis dynamischer Berechnungsmodelle, damit diese Faktoren – anders als die statischen Berechnungsmodelle der EnEV / GEG – berücksichtigt werden können.
Die geringen Transmissionswärmeverluste durch die Fassade können über die internen Energiegewinne der Nutzerinnen und Nutzer fast vollständig kompensiert werden. Für die Qualität der Fassade wird ein Standard im oberen Bereich der gesetzlichen Vorgaben gewählt. Es kommen grundsätzlich Fenster mit Dreischeibenverglasung zum Einsatz. Die hohe energetische Qualität der Fensterdämmung beugt außerdem Kaltluftabfällen an der Fassade vor und erhöht somit die Behaglichkeit der Lerncluster im Winter. Das Heizsystem dient lediglich dem Spitzenlastfall in den frühen Morgen[1]stunden nach einer besonders kalten Winternacht oder nach einem kalten Wochenende. Sobald der Schulbetrieb läuft, sind die internen Gewinne auch an kalten Tagen so hoch, dass sie teilweise sogar wieder abgetragen werden müssen. Dadurch kann die Wärmeanlage kleiner dimensioniert werden als bei konventioneller statischer Berechnungsweise. Investitionskosten und Betriebskosten werden reduziert.
Jahresheizstunden
Jahresdauerlinie Temperaturdifferenz [K] Nutzungszeit = 200 Unterrichtstage/Jahr – 8h/d
Wegen der guten Fassadendämmung können bei Berücksichtigung der internen Energiegewinne Lüftungswärmeverluste durch natürliche Lüftung bis zu einer Außentemperatur von 4,5° C ausgeglichen werden. Die Jahresheizstunden sind auf lediglich 500 h reduziert.
Entgegen dieser Berechnung hat die Stadt in der LPH5 dennoch eine konventionelle Berechnung des Wärmebedarfes mit mehr Sicherheiten für notwendig befunden. Für das Gemeinschaftshaus, das wegen der Küche einen höheren Bedarf an Warmwassererzeugung hat, wurde eine zweite Wärmepumpe vorgesehen.
In der Grundrissentwicklung können Kosten gespart werden, wenn Flächen bezüglich ihrer Ansprüche an Temperierung differenziert betrachtet werden. Reine Erschließungs-Treppenräume, Lager- und Technikräume haben andere Ansprüche an die Behaglichkeit als pädagogische Programmflächen. In Weimar werden Flächen mit geringerem Wärmebedarf zu einer kompakten Funktionsschicht zusammengelegt und zum Teil ohne eigene Wärmequelle ausgestattet. Diese Funktionsschicht bildet zusammen eine klimatische Pufferzone zu den Lernlofts. Die gesamte vertikale Erschließung wird in den Außenraum verlegt und damit aus den temperierten Flächen ausgeklammert. So können auch langfristig Betriebskosten niedrig gehalten werden.
Ein weiteres Potenzial der Flächenheizung mit niedrigen Vorläufen liegt in der Vereinfachung der Regelung. Während in der Vergangenheit bei hohen Raumtemperaturunterschieden im Gebäude die Einzelraumregelung einen Beitrag für Einsparungen boten, kann inzwischen auf kleinteilige Regelkreise und -strategien verzichtet werden. Dies vereinfacht den Gebäudebetreib und erhöht das Potenzial für die flexible Flächennutzung von Lernfeldern. Die Heizkreise der Lerncluster orientieren sich daher am Großraum – räumliche Abtrennungen innerhalb des Clusters sind ohne Berücksichtigung der Heiz- und Regelkreise möglich. Entgegen der Konzeption in der LPH 3 wurden in der LPH 5 die Regelkreise auf die momentane Raumaufteilung ausgerichtet, was jedoch der Idee der Wandelbarkeit der Lernlofts widerspricht.
Ein besonderes Ziel der Planung ist es, die Flächen für Technik möglichst gering zu halten. Das gelingt – neben der allgemeinen Reduzierung von technischen Systemen – mit kurzen Weglängen und der Bündelung von technischen Anlagen zu kompakten Strukturen im Grundriss.
Während flächige Systeme in der Vergangenheit bei hohen Heizlasten mit hohen Vorläufen zu unbehaglichen Oberflächentemperaturen führten, können dieselben Systeme bei heutigen Baustandards durch geringe Temperaturunterschiede von nur 2 – 3 Kelvin gegenüber der Raumtemperatur sehr behagliche Verhältnisse schaffen. Diese sind außerdem in der Lage, bei steigenden Raumtemperaturen Spitzenlasten aufzunehmen, indem die Oberflächentemperaturen unter die Raumtemperatur fallen und das System die Lasten abträgt.
Wegen der geringeren Heizwärmebedarfe kann die Fußbodenheizung in den Lernclustern mit niedrigen Vorlauftemperaturen betreiben werden. Eine kleinteilige Regelung ergibt keine energetischen Vorteile. Räumliche Abtrennungen können daher unabhängig von den großflächigen Regelzonen vorgenommen werden.
Die Heizkreise sind so geplant, dass schwere Trennwände entlang der Hauptachsen und im mittleren Bereich entlang einiger Nebenachsen direkt auf den Heizestrich gestellt werden können. Leichte Wände können unabhängig von der Lage der Heizkreise später eingefügt werden.
Allein die Wand mit Wasserinstallationen steht auf dem Rohboden. Alle weiteren Wände werden auf den Estrich gestellt. Für die Wände der Teambox und der Differenzierungsbox ist der Estrich zur Verbesserung des Schallschutzes mit einem Fugenschnitt versehen.
Bauakustik
Fossile Energieträger sind grundsätzlich zu vermeiden. Investitionen im Schulbau sollten ein Vorbild dafür sein, wie die internationalen Klimaziele bis 2040 umgesetzt werden können. Für die Schule in Weimar wird ein Flächensystem in Kombination mit Umweltenergie gewählt, welches auch im Sommer zur Temperierung genutzt werden kann (reversible Wärmepumpe).
Sommerliche Wärmelasten sind eine große Herausforderung im Schulbau. Eine aktive Klimatisierung ist nicht nur aus energetischen Gründen zu vermeiden, sie würde es der Schule unmöglich machen, durch geöffnete Fassaden den Außenraum mit einzubeziehen. Wesentlich für die Vermeidung von Wärmelasten ist eine gute Verschattung der Fassaden. Damit bleiben sie auch im Sommer als pädagogische Fläche ganztägig erhalten. Automatisch betriebene Schattenelemente und Nachtlüftungsflügel sind jedoch problematisch, weil sie fehler- und wartungsanfällig sind. Für ein manuell betriebenes System dagegen fehlen häufig klare Zuständigkeiten und wird dann – vor allem am Wochenende – nicht ausreichend umgesetzt.
In Weimar werden bewegliche und motorisierte Verschattungselemente daher ganz vermieden. Die Verschattung erfolgt rein baulich durch die umlaufenden Balkone. Damit wird auch vermieden, dass eine im Bedarfsfall hinzugezogene Verschattung dann zu einer Verdunkelung der Clusterfläche führt.
Der Wärmeschutz nach EnEV erfolgt durch das Zusammenspiel von Komponenten, die zumeist schon aus anderen Gründen Bestandteil der Planung sind. Neben den Balkonen sind das: die thermische Masse der Estrichböden, die Dreifachverglasung mit geringem Energiedurchlassgrad (Teil des Dämmkonzeptes), die Nachtauskühlung über Kipp-Oberlichter (Teil des Lüftungskonzeptes) sowie innen liegende Vorhänge (werden auch als Blendschutz und zur Verdunkelung der Lernflächen benötigt).
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