Projektübersicht

 

Gebäudetyp / Baujahr

Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie: "EnEff:Schule"
Ministerium für Bauen und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen
Ministerium für Generationen, Familie, Frauen und Integration des Landes Nordrhein-Westfalen
Europäische Union: "Europäischer Fonds für regionale Entwicklung"

Im Science College soll begabten Schülern die Möglichkeit gegeben werden, sich intensiv mit Mathematik, Naturwissenschaften, Informatik und Technik auseinanderzusetzen.
Neben exzellenter fachlicher Ausstattung wurde deshalb - im Sinne einer praxisnahen Ausbildung - Wert auf ein innovatives Gebäudekonzept gelegt, durch das die Schüler direkt vor Ort Energieeffizienz erfahren und begreifen können.
Für die Neubauten wird Passivhausstandard angestrebt. Im Folgenden steht das Science College aufgrund seiner Architektur, der Gebäudetechnik und dem pädagogischen Konzept im Mittelpunkt.

Das Science College wurde auf ein Grundstück an die Bestandsgebäude anschließend geplant und steht in starkem Kontext zwischen den historischen Altbauten auf der einen und einem Landschaftsschutzgebiet auf der anderen Seite.

Der Entwurf wurde so konzipiert, dass die Gesamtanlage weiterhin zur Landschaft hin offen bleibt. Das Gästehaus für 12 Schüler bildet die Verlängerung des östlichen Arms des Altbaus und gleicht sich in seiner Form und Architektur an die Bestandsgebäude an.
In diese U-förmige Anlage wurde das Science College als Solitär mit moderner Formensprache und Materialwahl gestellt. Das Gebäude ist in sich verdreht, so dass das Erdgeschoss am alten Vierkanthof ausgerichtet ist, während die oberen Etagen den Landschaftsfluchten folgen.

Das College ist als konzentrischer Baukörper konzipiert. In seinem Zentrum befindet sich das Forum als Raum der Begegnung und Kommunikation. Rund um dieses Zentrum steigen wie bei einer Helix die Fachbereiche mit den Einheiten Sammlung, Vorbereitung und Hörsaal über zwei Geschosse an ("Band des Wissens"). Den oberen Abschluss bildet eine Freiklasse anschließend an den Astronomieraum.
Dem Wunsch nach einer vom Austausch geprägten Lernatmosphäre wurde durch eine transparente und offene Gestaltung der Fachbereiche Rechnung getragen.

 

 

Das Gebäude ist als Stahlbeton-Massivbau mit einer Trapezblech-Dachkonstruktion über dem zentralen Forum geplant. Die übrigen Dachbereiche sind massive Flachdächer (teilweise als Dachterrasse). Diese dienen im Verbund mit Stützen und Wänden dem Lastabtrag aus Gebäudeauskragungen von bis zu 8 m und haben deshalb integrierte Armierungen.
Ein hoher Dämmstandard der Gebäudehülle, bei durch die Gebäudeform optimiertem Volumen-Oberflächenverhältnis, soll den spezifischen Transmissionswärmeverlust (mittlerer U-Wert der thermischen Hülle) auf  unter 0,25 W/m²K reduzieren.
Die Innenwände erfüllen die Anforderungen für erhöhten Schallschutz und sind mit Brandschutzverglasung ausgeführt. Im Atrium gewährleisten Rauchgasvorhänge die Erfüllung der Brandschutzanforderungen.

 

 

Im Bereich der Anlagentechnik wurde ein Konzept verfolgt, welches versucht, äußere (solare Gewinne) und innere Wärmequellen optimal zu nutzen und für Heizzwecke zur Verfügung zu stellen.

Das Heizsystem ist monovalent, d. h. die einzige Heizquelle stellt eine über 9 Erdsonden an das Erdreich gekoppelte Wärmepumpe dar, die das Gebäude über Bauteilaktivierung der 20 cm dicken Stahlbetondecken temperiert. Die Koppelung des Heizsystems an das Erdreich bietet sich aufgrund einer hohen Verfügbarkeit von oberflächennah vorhandenem, fließendem Grundwasser aus dem Talbett der Rur an. Durch Aktivierung der Speichermassen kann dieses genutzt werden, um mit sehr niedrigen Temperaturen zu heizen (24 °C) und zu kühlen (18 °C). Durch diese kleine Temperaturdifferenz zwischen Quelle und Senke (Empfänger) kann eine hohe Effizienz der Wärmepumpe bei gleichzeitig minimalem Energieverbrauch erwartet werden. Man spricht hier von einem Niedrigexergie-Konzept.

In Verbindung mit dem guten Wärmedämmstandard der Gebäudehülle und einer effizienten Lüftungsanlage benötigen die Klassenräume in der Heizperiode nach Schulbeginn häufig keine weitere Energiezufuhr mehr ("Schüler heizen ihre Schule"). Vielmehr muss bei höheren Außenlufttemperaturen überschüssige Wärme aus den Klassenräumen abgeführt und in Flure und Nebenräume ohne Wärmequellen verteilt, bzw. über eine zweite Wärmepumpe zur Warmwasserbereitung im Gästehaus herangezogen werden. Dazu wird überschüssige Wärme aus dem Schulgebäude entnommen und in einem Pufferspeicher auf ein Temperaturniveau von ca. 55 °C angehoben und steht dann für Heizzwecke und Warmwasserbereitung im Internatsgebäude zur Verfügung.

Auch die Möglichkeit der direkten, passiven Kühlung der Gebäude "Science College" und "Internat" wird über die Erdsonden bei minimalem Hilfsenergieeinsatz genutzt.

Um den Energie- und damit Kostenrahmen der sommerlichen Kühlung möglichst gering zu halten, wurden ursprüngliche Nutzeranforderungen (Raumtemperaturen konstant unter 26 °C bei Vollbelegung und ohne Nachtlüftung) der maximalen Kühlleistung des Erdsondenfelds angepasst. Werden Temperaturüberschreitungen über 26 °C an max. 60 Jahresstunden (ca. 4 % des Jahres) akzeptiert, kann das Gebäude passiv über die Bauteilaktivierung gekühlt werden, und es bedarf lediglich im Simulationslabor einer zusätzlichen Fußboden-Kühlung und dem Wechsel von normalen Computern auf Energiesparrechnern.
Für die Klassen und die Flure wird eine offene Abhangdecke mit Akustik-Baffeln geplant und entwickelt, die, unter Berücksichtigung der raumakustischen Ziele, die Abgabe von Strahlungswärme nicht wesentlich vermindert.

Neben niedrigen Transmissionswärmeverlusten ist auch die Minimierung der Lüftungswärmeverluste durch eine effektive Lüftung mit Wärmerückgewinnung ein wichtiger Schritt zum Erreichen des 3-Liter-Haus-Standards. Die Lüftungsanlage im Science College ist deshalb als Zu- und Abluftanlage mit einem Gesamtvolumenstrom von ca. 6.300 m³/h und Wärme- und Feuchtrückgewinnung aus der Abluft konzipiert. Die Zuluft wird dabei präsenzabhängig und bedarfsorientiert in den Hörsälen und Seminarräumen eingebracht, die Abluft wird über die Vorbereitungs- und Sammelräume abgesaugt. Nicht genutzte Bereiche werden nicht versorgt und verursachen keine Lüftungswärmeverluste. Dies führt zu einer Reduzierung der bewegten Luftmengen. Die erforderliche Luftwechselrate wird auf Basis der bisherigen Erfahrungen auf 17 m³/h∙Person angesetzt, in Verbindung mit einer gezielten Fensterlüftung kann damit die maximale CO2-Konzentration von 1.500 ppm größtenteils eingehalten werden. Höhere Volumenströme sind möglich, hierzu werden im Rahmen des Monitorings Untersuchungen durchgeführt
Im Gästehaus wird ebenfalls eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung eingesetzt, hier als Gegenstrom-Plattenwärmetauscher.

Das Beleuchtungskonzept zielt auf eine Verringerung des Kunstlichtgebrauchs durch eine optimierte Tageslichtnutzung in Forum und Klassenräumen ab.
Im Forum wird der Tageslichteintrag erhöht durch lichtlenkende Heliostatspiegel ("Lichtbrunnen") im Dach, die dem Sonnenstand nachgeführt werden. Die teilweise zum Forum transparenten Klassen ermöglichen, neben didaktischem Austausch, vor allem beidseitige Beleuchtung.

Dadurch wird die ausreichende Versorgung mit natürlichem Licht gewährleistet. Im Science College kommt als Sonnenschutz eine schaltbare "EControl"–Verglasung zum Einsatz, die sich bei Sonneneinstrahlung dunkel färbt (Reduzierung des g-Wertes), und so den solaren Energieeintrag reduziert und die Überwärmung der Klassenräume verhindert. Es handelt sich hierbei um eine Sandwichscheibe mit zwischenliegender Polymerfolie, die sich bei Anlegen einer Spannung von ca. 3 Volt verfärbt. Für den Schaltvorgang werden laut Hersteller ca. 0,5 Wh/m² benötigt. Bei bewölktem Himmel entfärbt sich die Verglasung wieder und sorgt für ungetrübten Durchblick ohne störenden mechanischen Sonnenschutz. Licht- und Wärmeeintrag ins Gebäude werden damit steuerbar. Der Grad der Lichttransmission liegt zwischen 13 und 46 % bei einem g-Wert der Verglasung zwischen 10 und 32 %.

Der Einsatz künstlicher Beleuchtung erfolgt unter tageslichtabhängiger Steuerung. In zwei Fachklassen wurden zudem Leuchtstofflampen installiert, die tages- und jahreszeitliche Farbtemperaturen nachbilden, womit die Auswirkungen der Lichtfarbe auf das Lernverhalten erforscht werden können.

 

Integrative Energieplanung sowie eine umfassende Optimierung des Gebäudebetriebs helfen, die Energie-, Wartungs- und Folgekosten der Gebäude gering zu halten.
Die gesamten Realisierungskosten belaufen sich auf rund 7,7 Mio. Euro brutto. Zuschüsse erhielt das Projekt aus
- verschiedenen Förderprogrammen der EU (Ziel2.NRW),
- des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie,
- des Ministeriums für Bauen und Verkehr (EuRegionalen 2008) des Landes Nordrhein-Westfalen sowie
- des Ministeriums für Generationen, Familie, Frauen und Integrationdes Landes Nordrhein-Westfalen und
- aus Spenden von Wirtschaft und Industrie.

Die Gelder teilen sich folgendermaßen auf [4]:

Zum Zeitpunkt Ende 2007 befand sich die integrale Planung des Projektes in der Planungsphase 1, die Vorplanung Phase 0 war abgeschlossen.
Der Baubeginn war für April 2008 anvisiert und der offizielle Spatenstich fand am 23.04.2008 statt. Mit den Bauarbeiten wurde Ende Mai 2008 begonnen. Verzögerungen im Bauablauf entstanden durch die elektrochrome Verglasung, zumal ein langer Vorlauf in der Produktion notwendig war. Vor Weihnachten 2008 konnte die wetterfeste Hülle sowohl des Gästehauses als auch des Science College geschlossen werden. Der Innenausbau erfolgte ab Anfang 2009.
Am 27.6.2009 fand die Einweihung statt.
Bereits im März 2009 fanden erste Messungen des Betriebs der Erdsonden statt. Im Herbst 2009 wurden die Schaltschränke der GLT in Betrieb genommen, parallel erfolgte der Abgleich der Messfühler und die Inbetriebnahme der Messdatenspeicherung. Seit November 2009 sind verlässliche Daten in der Monitoring-Datenbank verfügbar.
Eine Fortsetzung des Monitorings wurde bis Mitte 2013 beantragt.

 

Erdsonden

Die Konzeption der Erdsonden sah eine Heizleistung von 30 kW bei Wärmepumpenbetrieb und eine Kühlleistung von 15 kW vor. Es sollten Untersuchungen mit Messfühlern in vier unterschiedlichen Tiefen erfolgen, um das Verhalten des Erdreiches messtechnisch zu erfassen.
Parallel erfolgte eine Gebäudesimulation, in der unter Annahme extremer Rahmenbedingungen festgestellt wurde, dass die Kühlleistung die Heizleistung bei weitem übersteigt.
Die 8 Erdsonden wurden im Januar 2009 gebohrt. Die für die Messtechnik bestimmte Sonde konnte nicht bis auf 80 m abgesetzt werden. Eine Nachmessung durch das SIJ ergab eine Tiefe von 65 m. Daraufhin wurde durch den Bohrunternehmer eine 9. Bohrung vorgenommen.
Nach den Bohrungen wurde direkt ein Response-Test mit anschließender Simulation der möglichen Heiz- und Kühlleistung durchgeführt. Daraus ergab sich, dass die aus der vorherigen Gebäudesimulation ermittelte Kältearbeit nicht erbracht werden würde. Daraufhin wurden die Rahmenbedingungen der ursprünglichen Gebäudesimulation kritisch hinterfragt und aktuelle Planungsdaten eingesetzt. In fast allen Räumen konnten so angenehme Innenraumtemperaturen in der Gebäudesimulation erzielt werden. Lediglich in einem Raum waren zusätzliche technische Maßnahmen nötig.
Durch die Kenntnis der geologischen Situation vor Ort wurde beschlossen, die Anzahl der Bohrungen nicht zu verändern. Die ersten Messergebnisse bestätigen diese Vorgehensweise. Die Messungen weisen darauf hin, dass sich das Erdreich und damit die Sonden schneller regenerieren, als dies im Response-Test angenommen wurde. Durch recht hohe Fließgeschwindigkeiten des Grundwassers bis zu 1 m/h im Bereich des ersten Grundleiters können konstante Temperaturwerte erreicht werden. Auch im kühleren Winter 2009/10 wurde keine deutliche Auskühlung der Erdsonden festgestellt. Dies deutet darauf hin, dass die zu erwarteten Leistungsdaten aus dem Response-Test übertroffen werden.
Bis auf einen kurzzeitigen Ausfall der Anlage aufgrund einer Undichtigkeit an einer Verschraubung im Verteilerschacht bereiteten die Erdsonden im bisherigen Betrieb keine Probleme.

 

 

ROHBAU

Betonkerntemperierung (BKT)

Die Auslegung der Speichermassenaktivierung wurde anhand der Heizlastberechnung ermittelt. Bei der Verlegung der Rohrschlangen der Betonkerntemperierung wurde auf vorgefertigte Matten zurückgegriffen.
Dies erwies sich aufgrund der komplexen Gebäudegeometrie mit den hohen tragwerksplanerischen Anforderungen als sehr planungsaufwändig. Die Einbindung der Matten in die Stahlbewehrung erforderte zudem eine hohe Nachbearbeitung auf der Baustelle. Eine Vor-Ort-Montage wäre in diesem Falle kostengünstiger und schneller gewesen.

 

Die Verlegung der Anbindeleitungen der BKT verlief größtenteils problemlos. Lediglich vereinzelt kam es zu kleineren Einbaufehlern, die jedoch erkannt und behoben wurden. So wurde beispielsweise im Gästehaus im Rahmen der nachfolgenden Gewerke eine BKT Leitung angebohrt. Sie wurde freigelegt und repariert.

Insbesondere die Abstimmung der Gewerke Rohbau und Haustechnik war von Bedeutung.

Die BKT wurde gemeinsam mit der Wärmepumpe ab Januar 2009 im Science College in Betrieb genommen und wurden zur Baustellenbeheizung und Bautrocknung genutzt. Die Erdsonden erfuhren hier ihre maximale Dauerbelastung.
Im Februar 2009 wurde nach einer langen Frostperiode das Gästehaus an den BKT-Kreis des Science College angebunden. Die hydraulische Ankoppelung musste dafür einreguliert werden.

Seitdem funktioniert die Betonkerntemperierung wie geplant. In den Räumen können die Innenraumtemperaturen auch bei sehr hohen Außentemperaturen stabil auf 26 °C gehalten werden.

GEBÄUDEHÜLLE

Vorbereitung der Fassade für die Anbringung des Wärmedämmverbundsystems

Wärmedämmverbundsystem (WDVS)

Nach intensiven Planungen und Entwicklung eines an die gebäudespezifischen Anforderungen angepassten Sandwichsystems mit Vakuum-Dämmpaneelen und äußerer Schutzschicht kam es zu einer europaweiten Ausschreibung. Die eingereichten Ergebnisse lagen um den Faktor 1,5 über den für den Förderantrag berechneten Kosten. Nach Recherchen stellte sich heraus, dass die Fassade innerhalb der anfänglichen Kostenschätzung nicht realisierbar war, zumal die Firmen zu Zeiten der Bauhochkonjunktur voll ausgelastet waren und wenig Interesse an einer pilothaften Umsetzung des neuen Fassadentypus hatten.

Die Fassade wurde daher in Absprache mit dem Projektträger als herkömmliches Wärmedämmverbundsystem mit einem Kunstharzputz und einer 30 cm dicken Polystyroldämmung (U-Wert des WDVS = 0,40 W/m²K) ausgeführt. Im kostenmäßigen Gesamtrahmen waren andere Fassadentypen mit ähnlich gutem Wärmeschutz wirtschaftlich nicht darstellbar.
Ein Problem bei der Verwendung dieser sehr dicken Dämmplatten in Kombination mit der dunklen Putzfarbe war, dass sich Wochen nach der Fertigstellung die Plattenstrukturen durch Verfärbungen im Putz durchzeichneten, was sich durch die zusätzliche Einlage von Glasfasermatten als Putzträger verhindern lässt.

Lediglich innerhalb der Alu-Glaskonstruktionen waren die Vakuum-Dämmpaneele wirtschaftlich einzusetzen und erzielten dort trotz geringer Querschnitte sehr gute Dämmwerte.

Horizontalschnitt des Vakuum-Dämmpaneels zwischen Fenster und Fluchttür

Fenster

In der EnEV 2007 wird für Gebäude mit raumlufttechnischen RLT-Anlagen eine dichte Gebäudehülle mit einer maximalen Luftwechselrate n50 von 1,5 1/h verlangt, Passivhäuser erfordern eine noch dichtere Gebäudehülle mit n50 = 0,6 1/h.
Im Science College ergab die Luftdichtheitsmessung (Blower-Door-Test) eine Luftwechselrate von n50 = 0,47 1/h.
Zum Erreichen dieser hohen Luftdichtigkeit wurden bauseitig Butyldichtungsfolien für die Abdichtung der Fenster verwendet. Aufgrund des Einbaus bei niedrigen Temperaturen und relativ hohen Luftfeuchten musste ein Spezialkleber verwendet und die Massivbauteile vor dem Kleben vorgetrocknet werden.

Minimierung der Wärmebrücken

In der Planungsphase konnten durch die Ermittlung der Wärmebrückenverlustkoeffizienten die Schwachstellen der Fassadenanschlüsse frühzeitig erkannt und optimiert werden. Der Ersatz der ursprünglich geplanten Vakuumdämmpaneele durch das Wärmedämmverbundsystem ist aus wärmebrückentechnischer Sicht von Vorteil, da Wärmebrücken bei den Befestigungselementen vermieden werden. Die Ausführung wurde baubegleitend kontrolliert, wobei besondere Sorgfalt auf die Detailpunkte der Fenster-, Sockel- und Attikaanschlüsse gelegt wurde. Dadurch konnten Ungenauigkeiten, wie offene Fugen zwischen Dämmplatten, vermieden werden.

 

 

TECHNISCHER AUSBAU

Im Rahmen der Konzeptplanungen wurde ein umfangreiches Technikkonzept erstellt.

Ãœbersichtsschema Haustechnik [10]

Durch die anfänglich erstellte Gebäudesimulation konnte nachgewiesen werden, dass die geplanten Maßnahmen in den meisten Räumen eine angenehme Innenraumtemperatur gewährleisten.

Zonierung im 1. OG des Science College [8]

Zur Steuerung der Anlagentechnik wird eine Gebäudeleittechnik GLT eingesetzt. Diese dient gleichzeitig der Erfassung der Messdaten. Daraus ergaben sich erweiterte Anforderungen für die GLT zur Integration der erweiterten Parameter für Datenspeicherung, Datenaufbereitung und Weitervermittlung der Daten. Durch die frühzeitige Einbindung des Messteams in die Planungen konnten diese Anforderungen umgesetzt werden. So wurde eine ausführliche Messpunktliste erstellt, die in die Planung der GLT eingearbeitet wurde.

Ausschnitt der Ausführungsplanung "Heizung" mit Beschreibung der Datenpunkte

Hier wirkte sich die Beauftragung eines relativ kleinen Unternehmens zur Systemprogrammierung positiv aus, welches transparente Soft- und Hardwarekomponenten mit nachvollziehbaren Programmierungen verwendete, so dass Fehler rasch erkannt und behoben werden konnten.
Die Verdrahtung der Feldgeräte und der Steuermodule der EControl-Gläser war teilweise schwierig. Insgesamt war die Fehlerquote der Verkabelung recht gering, wodurch ein frühzeitiger Anlagenbetrieb gewährleistet werden konnte. Parallel erfolgte der Abgleich der Fühler und die Inbetriebnahme der Messdatenspeicherung, so dass ab November 2009 belastbare Messdaten erfasst wurden.
Aus ersten Messergebnissen wurden Unstimmigkeiten bei der Steuerung der EControl-Gläser und der Heliostate deutlich, die jedoch dank der offenen Programmierfunktion des TAC-Programms behoben werden konnten. Als aufwändig hat sich hingegen die Abstimmung mit dem Schnittstellenmodul des Wärmepumpenherstellers herausgestellt. Es wird empfohlen, zukünftig die Schnittstelle über potentialfreie Kontakte zu gewährleisten. Die in den Elektro-Unterverteilungen montierten Elektrozähler erforderten eine Umprogrammierung, was ebenso mit intensiver Recherche der Herstellerinformationen verbunden war.

Seit Dezember 2009 läuft die Regelungsanlage im Wesentlichen störungsfrei.

Wärmepumpen

Die Wärmepumpen wurden im Januar 2009 in Betrieb genommen. Seitdem arbeiten sie recht stabil. Unregelmäßigkeiten gab es jedoch bei der elektronischen Steuerung des Expansionsventils der Wärmepumpe im Science College, das aufgrund eines Software-Problems nicht richtig angesteuert werden konnte. Dieser dem Hersteller bekannte Sachverhalt wurde erst nach Reklamation ausgebessert.

Schaubild Wärmepumpe im Science College

Als Wärmequelle für die Wärmepumpe im Gästehaus sollte das Temperaturniveau der Betonkerntemperierung des Science College dienen. Dadurch versprach man sich, Temperaturüberschüsse aus dem Schulbetrieb für die Warmwasserbereitung und die Nachheizung der Lüftung im Gästehaus nutzen zu können. Die Simulation bescheinigte diesem System gleich gute Effizienzwerte wie bei einem direkten Anschluss an die Erdsonden. Durch den Werkskundendienst wurde ein getrenntes System mit Wärmetauscher gefordert, welches in den Planungen trotz Absprachen mit der Entwicklungsabteilung der Herstellerfirma nicht als Anforderung genannt wurde. Die Taktung der Wärmepumpe im Gästehaus musste nachreguliert werden, nachdem in den ersten Monaten übermäßig häufig die Stufe für zusätzlichen Lüftungswärmebedarf angesteuert wurde.

Schaubild: Wärmepumpe im Gästehaus

Unterstützt wird die Warmwasseraufbereitung durch eine Solaranlage auf dem Dach des Gästehauses. Aussagen zur Effizienz der Anlage können erst nach Auswertung der Messdaten erfolgen.

 

Lüftungsanlage

Lüftungskanäle auf dem Dach des Science College
– im Hintergrund die Heliostaten

Aufgrund neuer Brandschutzbestimmungen musste das Lüftungskonzept so umgeplant werden, dass die energetisch vorteilhaften Überströmungen von Klassenräumen in den Flur- und Aulabereich leider nicht mehr eingesetzt werden konnten. Dadurch mussten zusätzliche Leitungen und ein leicht erhöhter Volumenstrom ausgelegt werden.
Die veränderten Brandschutzanforderungen bedingten gegenüber den ersten Planungen eine weitaus aufwändigere und somit teurere Montage auf dem Dach.

Auch die Einrichtung des S1 Labors und die Überarbeitung des Konzeptes für die Fachklassen bedingten höhere Volumenströme. Die Lüftungsanlage wurde daraufhin in Abstimmung mit dem Hersteller und dem Lüftungsbauer erneut überarbeitet und hinsichtlich der Energieeffizienz optimiert. Der gemessene Wärmebereitstellungsgrad liegt unter den Werksangaben.
Da aufgrund der Vorgaben des Monitorings in mehreren Fachklassen CO2-Messsensoren installiert wurden, konnten diese dazu genutzt werden, den Volumenstrom entgegen der ursprünglichen Planung in Abhängigkeit von der CO2-Konzentration zu steuern. So können die Konzentrationen unter dem Zielwert von 1500 ppm gehalten werden. Die Messwerte werden dann auf die Steuerung der übrigen Räume übertragen und als Festwert eingegeben. Dies hat sich als sinnvolle Regelstrategie herausgestellt, die bedarfsabhängig den Volumenstrom der Klassenräume anpasst. Lediglich in den Fachklassen Vorbereitung und Hörsaal Physik kam es zeitweise zu hohen CO2-Werten aufgrund vertauschter Präsenzmelder, die in den Klassen - neben dem Kunstlicht - auch die Freigabe der Lüftungsanlage veranlassen.

Belichtung und Beleuchtung

Der natürliche Lichteintrag sollte so hoch wie möglich ausfallen. Daher wurden verschiedene Systeme zur Erhöhung des natürlichen Lichteintrags und zur Verschattung eingesetzt. Ergänzend kam tageslichtverlaufnachbildende Beleuchtung zum Einsatz.

Heliostate zur Lichtlenkung

Konstruktionsdetail: Anschluss Heliostat an Trapezblech-Dachkonstruktion

Montage des Tragrahmens eines Heliostaten

 

Zur Einstellung der Parameter der einzelnen Betriebsmodi (Nachführung bei direktem Sonnenlicht, Nachführung bei diffusem Sonnenlicht, Verschattung / optimale PV-Nachführung, geschlossener Zustand) war eine enge Zusammenarbeit der Hahn Helten Architekten mit dem Solar Institut Jülich und dem Ingenieurbüro INCO nötig. Es zeigte sich, dass die ursprünglich gewählten Parameter zu eng gewählt waren, so dass die Spiegel zu oft zwischen den Funktionen Öffnen / Schließen und Verschatten / Reflektieren wechselten. Nach Anpassung der Parameter konnte dieses Problem behoben werden. Zudem wurde ein Handschalter im Veranstaltungsbüro integriert, um auf bestimmte Nutzungsanforderungen (wie z. B. notwendige Verschattung bei Projektionen im Forum) reagieren zu können.

 

Durch spiralförmige Plexiglaskonstruktionen im Rauminnern wird das Licht in die Horizontale umgeleitet und es werden Lichteffekte in den Raum gestreut. Dadurch wird im Foyer und den umgebenden Erschließungsflächen eine angenehme Tageslichtsituation geschaffen, die in dieser Qualität durch Kunstlichtbeleuchtung nicht zu erreichen wäre.
Vorangegangene Lichtberechnungen für ein Oberlicht ergaben eine ins Gebäude geführte Lichtmenge von 315.000 klmh (Kilolumenstunde) im Winter und 85.000 klmh im Sommer (aufgrund der Verschattungsfunktion gelangt hier ausschließlich Diffusstrahlung ins Gebäude). Winterliche Transmissionswärmeverluste von 475 kWh stehen Energiegewinne von 2.374 kWh gegenüber. [9]

Innenliegende Verglasung

Neben Heliostaten zur Lichtlenkung ins Gebäude tragen verglaste Innenwände zu einer Lichtleitung in die Klassenräume bei und erhöhen die Transparenz im Inneren des Gebäudes. Dadurch wird die offene und vom Austausch geprägte Lernatmosphäre des Science College auch architektonisch abgebildet. Zur Erfüllung der Schall- und Brandschutzanforderungen wurden die Öffnungsflächen reduziert und Gläser mit Schalldämmmaß von 41 dB bei einer Brandschutzqualität G30 eingesetzt.

Verschattung mittels EControl-Sonnenschutzgläser

Die Fensterflächen, die nicht durch das Gebäude selbst verschattet werden, sollten mit elektrochromer Verglasung ausgestattet werden.
Eine internationale Ausschreibung der elektrochromen Verglasung zusammen mit den Aluminiumfenstern wurde nach Kostenüberschreitungen von über 35 %, die sich aufgrund der Auslastung der Firmen während der Hochkonjunkturphase ergaben, eingestellt. Stattdessen wurden Vertragsverhandlungen mit einer Metallbaufirma geführt. Dadurch entstanden Verzögerungen im Bauablauf, zumal ein langer Vorlauf in der Produktion notwendig war. Die Lieferzeiten des Glases waren etwa zwei- bis dreimal so lang wie für eine Dreifachverglasung ohne Sonderfunktionen.
Für das Projekt wurden die verwendeten Scheiben auf drei Formate standardisiert (Öffnungsflügel, Festverglasungen und Parallelogramm-förmige Scheiben), um eine Vorratshaltung im Falle von Scheibendefekten zu ermöglichen. Die Gesamtscheibengröße ist zudem begrenzt, so dass einteilige Verglasungen in Außentüren nicht mit elektrochromer Verglasung ausgeführt werden konnten.

Handbedienelemente zur Steuerung der EControl-Gläser [7]

Durch einen intensiven Austausch zwischen Fachplaner und Anbieter konnte schließlich neben der vorgesehenen Steuerung über die Gebäudeleittechnik GLT hinaus auch der Eingriff durch den Nutzer (Handbedienebene) gelöst werden.

Schema zur Steuerung und Messdatenerfassung einer EControl-Verglasungseinheit [7]

Vergleich der aktiven und inaktiven elektrochromen Verglasung [7]

Künstliche Beleuchtung

Für zwei Seminarräume im Erdgeschoss wurde in Zusammenarbeit mit dem Hersteller ein Konzept für eine den Tageslichtverlauf nachbildende Beleuchtung entwickelt. Bei den übrigen Räumen war dies aufgrund der dort eingesetzten Deckensysteme zur Ermöglichung einer Betonkerntemperierung nicht möglich.

Die Steuerungssysteme des EControl-Glases waren nicht anwendungsreif, weshalb im weiteren Planungsprozess eine gebrauchstaugliche Steuerung entwickelt wurde. Dabei war zu beachten, dass die Scheiben in relativ engen Zyklen angesteuert werden müssen, da ansonsten die Reaktion des Glases auf den Stromimpuls nicht mehr zuverlässig funktioniert. Auch wurde die Schwellentemperatur der Gläser heraufgesetzt, da sich die Scheiben in den Sommermonaten stark erhitzen und dann nicht mehr ansteuerbar waren.

Nachdem die anfänglich programmierten Szenarien nicht zufriedenstellend waren, wurden in Zusammenarbeit mit dem Leuchtenhersteller, dem Betreiber und dem Solarinstitut Jülich neue Szenarien programmiert.
Durch Fehlbedienungen an der raumweisen Fernbedienung kam es mehrmals zu Umprogrammierungen, die wiederum zu Irritationen der späteren Nutzer führten. Die Anlage wurde nochmals mit dem Werkskundendienst eingestellt.

Akustik

Geschlossene Abhangdecken verhindern den Strahlungsaustausch der thermisch aktivierten Betondecken. Für das Science College kamen deshalb senkrechte Akustikelemente, sogenannte Baffeln, zum Einsatz, die hinsichtlich ihrer akustischen Eigenschaften und dem Beleuchtungskonzept sowie des Gesamtkostenrahmens optimiert wurden. Zur Ausführung kamen 50 mm dicke Baffeln mit einer Höhe und in einem Abstand von 300 mm aus weiß lackiertem, gelochtem Metallblech. In den S1-Laboren wurden Baffeln mit geschlossener Oberfläche eingebaut. In zwei Seminarräumen mit großer Abhanghöhe wurden die Baffeln an abgehängte Schienen mit filigranen Distanzhaltern zur Beleuchtung montiert.

Eine "Baffeldecke" in der Rohmontage

In einigen Fluren und in den WC-Bereichen wurde offenes Streckmetall in ein industriell vorgefertigtes Halteraster gelegt. Im Bereich des Forums, in dem die akustischen Anforderungen denen des thermischen Strahlungsaustausches übergeordnet wurden, kam eine gelochte Gipskarton-Abhangdecke zum Einsatz.

Das Science College wurde sowohl nach EnEV 2007, als auch nach dem Passivhaus-Projektierungspaket energetisch berechnet.
Wie aus der Gegenüberstellung ersichtlich, sind die berechneten Energiekennwerte kaum vergleichbar. Die Ursache wird in unterschiedlichen Eingabeparametern und Berechnungsvorschriften gesehen. Konkret werden genannt:

Die berechneten Bedarfswerte werden anhand der gemessenen Energieverbräuche überprüft.

Zusätzlich zu den bereits bewilligen Fördergeldern von 1.030.702 Euro wurde seitens des Fördermittelgebers eine Aufstockung von 254.188 Euro sowie eine Laufzeitverlängerung bis Juni 2010 gewährt. Die Kosten teilten sich wie folgt auf die Gewerke auf:

 

 

 

 

 

 

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