Energetische Sanierung der Käthe-Kollwitz-Schule in Aachen

	Adresse:	Bayernallee 6, 52066 Aachen
	Bauherr:	Stadt Aachen
	Antragsteller:	Stadt Aachen
	Ansprechpartner:	Stadt Aachen, Eigenbetrieb Gebäudemanagement, Martin Lambertz

Projektbeschreibung

Allgemeine Daten

Projektadresse	Käthe-Kollwitz-Schule, Bayernallee 6, 52066 Aachen Deutschland
Baujahr	1951 - 1955
Sanierungszeitraum	2000 - 2003
Gesamtgrundfläche	8.737 m²
Anzahl der Schüler / Lehrer	2.200 / 85
Anzahl der Klassenzimmer	---
Standard- Klassenzimmer	55 m² 20 Schüler

Die Käthe-Kollwitz-Schule nach der Sanierung

Projektübersicht
Die Bauarbeiten und die wissenschaftliche Begleitung der Sanierung des Käthe-Kollwitz-Berufskolleg wurden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit im Rahmen des Förderprogramms EnSan (energetische Sanierung von Gebäuden) als Demonstrationsvorhaben gefördert. Ziel war die beispielhafte Sanierung einer Schule der 50er Jahre. Neben der maßgeblichen Reduzierung des Energieverbrauchs durch bauliche und haustechnische Maßnahmen standen folgende Betrachtungen im Vordergrund:

-	Lokalisieren typischer Wärmebrücken und Entwicklung geeigneter Sanierungsmaßnahmen
-	Untersuchung von allgemeinen Rahmenbedingungen für die Lüftung von Schulen und Vor- und Nachteile unterschiedlicher Lüftungssysteme
-	Erfahrungen mit dem Einsatz der LON-Technik in Schulen
-	Einbindung der Nutzer

Eingesetzte Sanierungsmaßnahmen

-	Dämmung der Außenhülle
-	Umstellung des Heizsystems auf Fernwärme-Bezug
-	Installation und Auswertung verschiedener Lüftungsvarianten
-	Erneuerung des Beleuchtungssystems, tageslichtabhängige Kunstlichtsteuerung
-	Testlauf von Einzelraum-Regelungstechnik auf LON-Basis

Lage

Standort der Schule in Deutschland

Breitengrad	50,8 °N
Längengrad	6,1 °O
Höhenlage	167 m über NN
Mittlere Jahrestemperatur	10,1 °C
Mittlere Temperatur im Winter	6,0 °C
Klima - Beschreibung	ozeanisch

Gebäudetyp / Baujahr
Die Schule ist in ihrer Bauform und Baukonstruktion typisch für Schulgebäude der 50er Jahre. Die Gebäudeanlage wurde 1978 durch eine Turnhalle und 1990 durch eine Erweiterung ergänzt.

Gebäudetyp		Baujahr
Gebäudetyp		vor 1910	1910-1930	1930-1950	1950-1970	1970-1990	nach 1990
Dorfschule
Mehrgeschossige Schule	Mittelflur-Schule
Mehrgeschossige Schule	Seitenflur-Schule
Pavillon-Schule
Hallen-Schule
Zentral-Schule
Kammform-Schule					X	X
Offenes-Konzept-Schule
Cluster-Schule
Sonstige

Ausgangszustand
Gebäudekonstruktion Das Gebäude hat zwei (im Verwaltungsbereich drei) Vollgeschosse und ist größtenteils unterkellert. Das Dachgeschoss ist ungenutzt. Die unsanierten Außenwände bestanden aus zwei verschiedenen Fassadenstrukturen aus Ziegelmauerwerk, das 36,5 cm (bzw. 49 cm) stark war. Die Fenster nahmen mit 67 % einen großen Anteil in der Fassadenfläche ein.	Lageplan mit Darstellung der verschiedenen Sanierungsabschnitte

Heizung / Lüftung und Beleuchtungsanlage
Die Wärmeversorgung erfolgte über eine Zentralheizung mit zwei Gaskesseln mit jeweils 500 kW Leistung, nicht in allen Räumen waren die Rippenheizkörper durch Thermostatventile regulierbar. Bedingt durch das vorhandene, ineffektive Leitungssystem war der Warmwasserspeicher mit 2 x 1000 l Fassungsvermögen sehr groß dimensioniert. Die Belüftung erfolgte in Klassenzimmern natürlich, im Chemieraum und der Küche mechanisch.

Mängel / Schäden
Die thermische Untersuchung zeigte große Wärmebrücken an der äußeren Hülle auf: Das Ziegelmauerwerk hatte an den Radiatornischen eine verminderte Dicke von nur 14 cm. Die vorhandenen Fenster waren zu großem Teil einfachverglast und mit teilweise verrotteten/undichten Holz-Rahmen. Das Dach und auch die Obergeschossdecken waren mit nur 1 cm starken Mineralwolleplatten quasi ungedämmt, auch die Kellerdecken und Bodenplatten waren gänzlich ohne Dämmung. Zudem existierte keine Abtrennung zwischen Fluren und Treppenhäusern, was zu Zugluftproblemen und höheren Lüftungswärmeverlusten führte. Das Leitungssystem war veraltet und wies hohe Bereitstellungsverluste auf. Zudem erschwerte das Einrohr-Heizsystem eine effiziente Regelung der Heizanlage und den hydraulischen Ausgleich. Die Beleuchtungsanlagen (Opalwannenleuchten oder Leuchtstoffröhren ohne Reflektor) waren veraltet. 60 % der Klassenräume erhielten nicht die nach DIN 5035 geforderten 300 Lux horizontale Beleuchtungsstärke.

Energiesparkonzept

Hauptziele des Projekts waren es, den Primärenergieverbrauch um 50 % zu senken (durch energetische Verbesserung der Gebäudehülle und des Heizungs-, Lüftungs- und Beleuchtungssystems), die berechneten Bedarfswerte mittels Messungen und Dokumentation zu überprüfen, sowie durch Einbezug der Nutzer einen modellhaften integralen Planungsprozess zu erreichen. Bauliche Maßnahmen umfassten dabei vor allem den Wärmeschutz, sowie Einsatz entsprechend optimierter Anlagentechnik (Lüftung + Wärmerückgewinnung, Kraft-Wärme-Kopplung, Wärme-/Kälte-Verbund, Regelungstechnik). Besondere Sorgfalt wurde auf die Beseitigung von Wärmebrücken gelegt.

Gebäudehüllflächen

Die Außenwände wurden durch ein bis zu 14 cm dickes Wärmedämmverbundsystem gedämmt, in Bereichen, an denen die ursprüngliche Fassade erhalten werden mußte, wurde innenseitig mit Polystyrol-Hartschaum gedämmt.
Teile des Daches wurden mit 18 cm Polystyrol-Hartschaumplatten versehen, verlegt von Schülern und Lehrern im Rahmen einer Projektarbeit.
Die alten Fenster wurden durch Fenster mit Wärmeschutzverglasung und Holz-Aluminiumrahmen ersetzt. Das Aufbringen einer Innendämmung überall dort, wo beheizte Aufenthaltsräume an das kalte Erdreich angrenzen, erschien hingegen als notwendige und durchführbare Maßnahme.

Zusammenstellung der U-Werte der Gebäudehüllflächen
vor und nach der Sanierung

Bauteil	U-Wert [W/m²K]		Beschreibung
Bauteil	Vor der Sanierung	Nach der Sanierung	Beschreibung
Außenwand	1,26 - 1,56	0,27	Wärmedämmverbundsystem mit Polystyrol-Hartschaum, bzw. vorhangfassade mit je 12 cm Dämmung
Fenster	5,2	1,3	Holz-Aluminiumrahmen mit Wärmeschutzverglasung
Dach	1,70	0,17	20 cm Zellulose-Dämmmaterial
Kellerdecke	1,7	0,3	Dämmung der Kellerdecke und Innendämmung der Wände im beheizten Kellerbereich

Beim Prüfen der Luftdichtigkeit (Blower-Door-Test) traten zum Teil unbefriedigende Luftwechsel-Werte von 0,84 – 2,4 1/h auf. Dies war zurückzuführen auf kleinere Leckagen in Fenstern und interne Leckageströme, was im 2. BA durch zusätzliches Kompriband vermieden werden konnte.

Heizung / Lüftung / Beleuchtung
Abhängig von den Bauabschnitten wurden verschiedene Varianten zur Steuerung der eingesetzten Technik verwendet und erprobt. In den BA 1 und 2 wurde eine dezentrale Einzelraumregelungstechnik auf LON-Basis (Local Operation Network) eingesetzt. Davon versprach man sich das einfachere Handling der Funktionen Regeln, Messen und Darstellen bei den einzelnen Technikkomponenten. Der Einsatz dieses LON-Bus-Sytsems führte jedoch aufgrund vielfältiger Schnittstellenprobleme dazu, dass man im 3. BA auf eine zentrale Gebäudeleittechnik zurückgriff, welche eine Einzelraumregelung für die Heizung der Klassenzimmer, die Beleuchtung der Räume und die nutzerabhängige Lüftung vorsah.

Im Bereich der Heizungsanlage wurde der Wechsel von einer Wärmeversorgung über Gaskessel zu Nutzung des vorhandenen Fernwärmesystems angestrebt (Anschlussleistung 550 kW), was dem allgemeinen Ziel der städtischen Klimapolitik entspricht und gleichzeitig die Zahl der Emissionsquellen im Kurort Burtscheid verringert. Die alten Leitungsstränge werden überwiegend weitergenutzt, jedoch wurde das vorhandene Einrohrverteilsystem durch ein Zweirohrsystem ersetzt. Dadurch konnte der Warmwasserspeicher auf 1 x 300 l verkleinert werden, nur in einzelnen Fällen sind zusätzlich Untertischgeräte oder Durchlauferhitzer erforderlich. Infolge des reduzierten Wärmebedarfs konnten ca. 40 % der vorhandenen Rippenheizkörper demontiert werden.

Man entschied sich im Rahmen der energetischen Sanierung unterschiedliche Lüftungssysteme zum Einsatz zu bringen. Mit Hilfe der messtechnischen Begleitung sollte dabei die Wirksamkeit unterschiedlicher Systeme ermittelt und dokumentiert werden, um somit allgemeine Empfehlungen für den Einsatz von Lüftungssystemen in Schulen formulieren zu können.
Dabei wurde der erforderliche Volumenstrom gemäß DIN 1946, Teil 2 mit 30 m³/h∙Person angesetzt, was bei einer durschnittlichen Belegung der Räume mit 20 Personen zu einem Volumenstrom von 600 m³/h führt. Dieser Volumenstrom erscheint auf dem Hintergrund allgemeiner Planererfahrung sehr hoch gegriffen, was zu der Entscheidung führte, einen Teil der Anlagen mit dem halben Volumenstrom (300 m³/h) zu fahren. Luftqualitätsmessungen in der Betriebsphase sollten Aufschluss darüber geben, welcher Volumenstrom tatsächlich für eine gute Luftqualität notwendig ist.
In den Bauabschnitten 1 und 2 wurden die eingesetzten Lüftungsvarianten dezentral, also raumweise zugeordnet, mit Aufstellung der Geräte im DG, im Flur oder fassadenintegriert. Die Regelung des Zuluftstroms erfolgte stufenlos über Luftqualitätssensoren.

Im 2. Bauabschnitt verzichtete man aus Kostengründen auf den Einsatz von Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung. Diese wurden durch Abluftanlagen ersetzt.

Im 3. Bauabschnitt wurde schließlich auf eine zentrale Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung zurückgegriffen, die Regelung erfolgt hier nach Anwesenheit. Gründe für die Entscheidung zur Verwendung des zentralen Lüftungssystems sind geringere Investitions- und Wartungskosten im Vergleich zu dezentralen Geräten, eine verbesserte Nutzung interner Wärmequellen sowie eine bessere statistische Aussage über Energieverbräuche, da über eine größere Anzahl an Räumen gemittelt wird. Der wesentliche Nachteil liegt in einem deutlich aufwendigeren Brand- und Rauchschutz.

Die gemessenen CO2-Schadstoffkonzentrationen lagen bei reiner Fensterlüftung bei bis zu 5.000 ppm. Bei mechanischer Be- und Entlüftung mit 16-17 m³/h pro Person – in Verbindung mit Stoßlüftung über alle Fenster in den Pausen – wurde ein CO2-Gehalt von 1.500 ppm nie überschritten. Dadurch konnte gezeigt werden, dass der nach DIN 1946 geforderte Außenluftvolumenstrom von 30 m³/h pro Person für die Belüftung von Klassenräumen eher hoch angesetzt ist. Schon mit einer Luftmenge von 17 m³/h pro Schüler in Verbindung mit Pausenlüftung ließ sich eine gute Raumluftqualität in Klassenräumen erreichen, ohne dass hohe Stromverbräuche und gerade im Winter niedrige Luftfeuchten in Kauf genommen werden müssen.

Bewertungsnetz der vier eingesetzten Lüftungssysteme

Durch die Installation dimmbarer energieeffizienter Spiegelrasterleuchten (Leistung 5 W/m²) mit elektronischen Vorschaltgeräten, die für eine tageslichtabhängige Regelung sorgen, konnte der Stromverbrauch für die Beleuchtung annähernd halbiert werden.

Erzielte Energieeinsparung

Insgesamt konnte durch die Sanierungsmaßnahmen der Endenergiebedarf für Raumwärme, Warmwasserbereitung und Lüftung um 65 % gesenkt werden.

Heizenergieverbrauch vor und nach der Sanierung

	Heizenergieverbrauch [kWh/m²a]
	vor der Sanierung	nach der Sanierung
Endenergie	177,0	63,0
Primärenergie	205 (Primärenergiefaktor Gas 1,1)	205 (Primärenergiefaktor Fernwärme 0,73)

Nutzerbewertung

Ein weiteres Ziel des Demonstrationsvorhabens war der Einbezug der Nutzer über den gesamten Zeitraum der energetischen Erneuerung. Dennoch wurde bereits in Vorgesprächen ein hohes Maß an Resignation zu energetischen Fragen seitens des Lehrpersonals deutlich. Eine Integration der Berufsschüler in die Maßnahmen erwies sich als schwierig, da diese sich bei einem durchschnittlichen Schulbesuch von 1,5 Tagen pro Woche wenig mit der Schule identifizieren. Zudem findet kaum naturwissenschaftlicher oder technischer Unterricht statt, bei welchem das Thema gut in den Lehrplan hätte integriert werden können. Somit fand nur ein schwacher Austausch zwischen Planern und Nutzern statt, was wiederum den Informationsfluss, beispielsweise den richtigen Umgang mit den technischen Neuerungen erschwerte. Es kam wiederholt zu Unbehagen aufgrund von Bedienungsfehlern (z. B. unterkühlte Klassen, die aufgrund von geöffneten Fenstern und damit unterbrochener Fensterkontakte nicht beheizt wurden), was Beschwerden auslöste. Die durchgeführten Befragungen wurden nicht oder nur teilweise beantwortet, so dass die gewünschten Ergebnisse nicht erbracht werden konnten. Der enge Zeitrahmen für die Baumaßnahmen (Sommerferien) hatte den Nachteil, dass die Einregelung im laufenden Betrieb stattfinden musste, was auf Unmut bei den Nutzern stieß.

Sanierungskosten

Die Kosten des Bauabschnitt 1 stiegen um 5 % gegenüber den Schätzungen an, was hauptsächlich durch höhere Kosten beim Heizungs- und Lüftungs-System verursacht wurde (+ 20 %).

Zusammenstellung der Kosten der Sanierung

Energetische Sanierung	Kosten [EUR]
Wärmeschutz	1,5 Mio.
Haustechnik	840.000
Nebenkosten (Architekt, Fachplaner, allgemein)	450.000
Gesamtkosten	2,8 Mio.

Bauliche Maßnahme	Kosten [EUR]	Energieeinsparung für Energiebezugsfläche im Vergleich zum unsanierten Zustand [%]
Dämmung Außenwand	490.000	17
Dämmung oberste Geschossdecke	50.000	16,5
Erneuerung Fenster	645.000	32,5
Gesamt	ca. 1,5 Mio.	66

Das Projekt wurde im Rahmen des Programms zur energetischen Sanierung von Gebäuden "EnSan" von dem Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie als Demonstrationsvorhaben gefördert.

Zusammenfassung

Trotz des wirtschaftlich und zeitlich begrenzten Rahmens konnten an der Käthe-Kollwitz-Schule eine Vielzahl von neuen Technologien installiert und evaluiert werden, was jedoch durch zahlreiche Schnittstellenprobleme der eingesetzten Technik und Informationsverluste beim Wechsel des Planungsteams auch sehr erschwert wurde. Diese Entwicklungen führten schließlich zur Rückkehr zur konventionellen, zentralen Gebäudeleittechnik, die jedoch auch teilweise durch falsche Bedienung höhere Stromkosten verursachte. Durch das kontinuierliche Monitoring und die Aufteilung des Ausbaus auf drei Abschnitte konnten viele Probleme jedoch frühzeitig erkannt und im nächsten Bauabschnitt korrigiert werden.

Empfehlungen
Teils aus baulich-konstruktiven Gründen, teils aus Kosten-Nutzen-Erwägungen wurden auch einige Wärmebrücken bewusst in Kauf genommen. So blieb beispielsweise der Sockelbereich ungedämmt und an der 4 bis 5 cm starken Wärmedämmung der nicht unterkellerten Bereiche wurde nichts geändert. Folgt man den Erfahrungswerten der Validierungsmessungen für unterschiedliche Lüftungsvarianten, kann der Stromverbrauch erheblich gesenkt werden, auch könnte die Lüftungsanlage von vornherein kleiner dimensioniert werden. Der Bauherr muss allerdings mit einer von den Vorgaben der DIN abweichenden Ausführung einverstanden sein. Der Einsatz von LON-Komponenten in Verbindung mit einer Standard-Gebäudetechnik erwies sich als kostenintensiv und sehr anfällig für Fehler. Vergleichsweise einfache regelungstechnische Aufgaben wie sie in Schulen auftreten, sollten mit entsprechend einfacher Technik gelöst werden. Wichtig ist in jedem Fall eine Betriebskontrolle. Diese sollte anfangs ausführlich und später stichprobenartig stattfinden.

Zusätzliche Informationen

Literatur

[1]	Klima, M./ Bähr, R./ Ranft, F.: Energetische Sanierung der Käthe-Kollwitz-Schule in Aachen, Endbericht; 2006
[2]	Erhorn, H. / Reiß, J.: Wissenschaftliches Begleitprojekt zum Förderkonzept Energetische Verbesserung der Bausubstanz (EnSan); 2008

Projektpartner

Projektleitung	Stadt Aachen, Abteilung Gebäudemanagement
Architektur	Büro Casa, Aachen, Prof. Fred Ranft (BA 1); Gerd Gerards, Architekt, Aachen (BA 2 + 3)
Bauphysik + Energiekonzept	VIKA Ingenieure GmbH, Aachen (BA 1); INCO Ingenieurbüro Aachen, Martin Klima (BA 3)
Förderprogramm	EnSan - Verbundprojekt

Links

EnOB: www.enob.info/de/sanierung/projekt/details/kaethe-kollwitz-schule-aachen/

BINE: www.bine.info/hauptnavigation/publikationen/publikation/gebaeude-sanieren-schule-aus-den-fuenfziger-jahren/

dena: www.dena.de/fileadmin/user_upload/Download/Veranstaltungen/2006/12/07-12-2006_Erhorn_Frauenhofer_Institut.pdf

Annex 36: www.annex36.de/eca/de/03viewer/case_studies/de_7_data.html