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Passivhausschule - Grundschule Riedberg, Frankfurt am Main
demo-best_frankfurt Adresse: Zur Kalbacher Höhe 15, 60439 Frankfurt am Main
Bauherr: Staatliches Schulamt der Stadt Frankfurt am Main
Antragsteller: Staatliches Schulamt der Stadt Frankfurt am Main
Ansprechpartner: Hochbauamt der Stadt Frankfurt am Main,
Abteilung Energiemanagement

 

 

Projektbeschreibung

 

Allgemeine Daten [1]
b01_ansicht-nord-west
Nordwest-Ansicht des Schulgebäudes

 

Projektadresse Grundschule Riedberg
Zur Kalbacher Höhe 15
60439 Frankfurt am Main
Deutschland
Bauzeit September 2003 - Oktober 2004
Anzahl der Sch√ľler Vollbelegung: 400
(+ 125 Kinder in der KiTa)
Anzahl der Klassenzimmer 16

 

Bruttogeschossfläche
- Schule + KiTa
8.785 m²
Beheizte Nettogrundfläche
(EBF - Energiebezugsfläche)
- Schule inkl. K√ľche und KiTa
5.541 m²
Hauptnutzfläche
- Schule + KiTa
6.100 m²
A/V 0,35 1/m
Luftdichtigkeit n50 0,46 1/h

Projekt√ľbersicht

Die Stadt Frankfurt fasste bereits 2002 den Grundsatzbeschluss, alle k√ľnftigen Neubauten im Bereich Schulen und Kindertagesst√§tten im Passivhaus-Standard zu errichten, wenn die Wirtschaftlichkeit im Einzelfall nachgewiesen werden kann. Am Neubau der Grundschule und Kindertagesst√§tte im Baugebiet Riedberg sollte der Erfolg dieser Entscheidung in der Umsetzung √ľberpr√ľft werden.
Die Passivhaus Grundschule und Kindertagesst√§tte Frankfurt a. M. Riedberg wurde nach nur rund 14 Monaten Bauzeit im November 2004 er√∂ffnet. Das Passivhaus Institut Darmstadt begleitete die Planungen und f√ľhrte die Qualit√§tssicherung w√§hrend der Ausf√ľhrungsphase sowie eine abschlie√üende Begleitforschung durch.
Es ging dabei nicht nur um die Verifizierung der Effizienz und Wirtschaftlichkeit der getroffenen Ma√ünahmen, sondern auch um weiterf√ľhrende Fragestellungen der Grundlagenforschung.
Das Projekt wurde durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU und durch das Land Hessen gef√∂rdert. Die Mehrkosten f√ľr den Passivhausstandard betrugen 5,3 % gegen√ľber dem in Frankfurt √ľblichen KfW-60 Standard f√ľr Neubauten mit einem maximal zul√§ssigen Prim√§renergiebedarf von 60 kWh/m¬≤a.


Umgesetzte Maßnahmen
Folgende Maßnahmen wurden umgesetzt:
- wärmegedämmte, robuste Vorhangfassade aus Faserzementplatten und Mineralwolle
- 3-fach Wärmeschutzverglasung
- hochwärmedämmende Dachfenster, aus Einzelkomponenten zusammengesetzt
- Dach mit 30 cm Gefälledämmung
- D√§mmsch√ľrzen zur Verbesserung der m√§√üig ged√§mmten Bodenplatte
- zentrale Gebäudeleittechnik
- Heizung: Vollautomatischer Holz-Pellet-Kessel (2 x 60 kW), dezentrale Einzelgeräte
- L√ľftung: Zuluftsystem mit W√§rmer√ľckgewinnung
- extern betriebene Solarstromanlage auf dem Dach

 

Lage

b02_lage-frankfurt
Standort der Schule in Deutschland
Breitengrad 50,18 ¬įN
L√§ngengrad 8,64 ¬įO
H√∂henlage 112 m √ľber NN
Mittlere Jahrestemperatur 10,1 ¬įC
Mittlere Wintertemperatur (Oktober - April) 4,7 ¬įC
Klimabeschreibung / Referenzstation Klimazone TRY:
12 Mannheim

 

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

 

Gebäude
b03_luftbild
Luftaufnahme des Gebäudekomplexes
Die Schule liegt exponiert auf einem nach S√ľdosten abfallenden Hanggrundst√ľck.

b04_schnitt
Schnitt durch den Nordfl√ľgel des Schulgeb√§udes

Es handelt sich um ein 3-geschossiges, U-f√∂rmiges Geb√§ude. Die Geb√§udetrakte der KiTa (S√ľd-Fl√ľgel) und der Schule (West- und Nord-Fl√ľgel) werden von der Sporthalle im Osten abgeschlossen, wodurch eine Hofsituation entsteht.
Die Sporthalle wurde im Niedrig-Energie-Haus-Standard ausgef√ľhrt und wird nicht in die energetische Evaluation aufgenommen.

 

b05_grundriss
Erdgeschossgrundriss des Gebäudes

 

Energieeinsparung

Konzept

Gem√§√ü dem Grundsatzbeschluss aus dem Jahr 2002 wurde f√ľr die Grundschule Riedberg ein energetischer Standard auf Passivhaus-Niveau (maximaler Heizw√§rmebedarf von 15 kWh/m¬≤a) angestrebt.
In der Begleitforschung wurden die Ma√ünahmen auf ihre Wirksamkeit hin √ľberpr√ľft und verbessert. Zus√§tzlich wurden Eingangsluftwechsel und Wirkung der D√§mmsch√ľrzen unter der Bodenplatte evaluiert, um eine Kl√§rung dieser kontrovers diskutierten Ma√ünahmen zu erhalten.

Geb√§udeh√ľllfl√§chen

Die Speicherung der W√§rmegewinne im Winter und der K√ľhle im Sommer √ľbernehmen die massiven Bauteile: Dies sind die Fundamente, Au√üenw√§nde und insbesondere die 50 cm dicke Bodenplatte der Schule. Um die Ausk√ľhlung der Bauteile durch die Au√üenluft zu verhindern, muss eine passivhaustaugliche D√§mmung eingesetzt werden. Auf die Stahlbetonkonstruktion mit massiven Au√üenw√§nden ist daher eine hinterl√ľftete Vorhangfassade aus Faserzementplatten mit 280 mm starker Mineralwolled√§mmung aufgebracht. Die Befestigung der Vorhangfassade wurde mittels Edelstahl-U-Profilen auf Thermostopp (8 mm) realisiert. Diese Unterkonstruktion weist im Vergleich mit √ľblichen Konstruktionen verh√§ltnism√§√üig geringe W√§rmeverluste auf. Dabei werden zwar nicht die geringen D√§mmstoffst√§rken eines W√§rmed√§mmverbundsystems (ein gleicher U-Wert w√§re mit etwa 200 mm WDVS erzielt worden) erreicht, jedoch ist die Konstruktion dampfdiffusionsoffen und robust.
√úber der Bodenplatte aus Beton liegen eine 10 cm starke Polystyrol-D√§mmung, eine Perlite-Ausgleichssch√ľttung, der Trockenestrich, sowie eine Trittschalld√§mmung. Tragende St√ľtzen und W√§nde reichen allerdings ohne thermische Trennung bis auf die Bodenplatte. Eine Optimierung der Bodenplattend√§mmung erfolgt durch 2 m tiefe und 20 cm starke D√§mmsch√ľrzen mit Betonteil, um gleichzeitig Schubspannungen aufgrund der Hanglage aufzunehmen. Dadurch wird eine W√§rmeglocke unter dem Geb√§ude erzeugt, und der U-Wert des Bauteils verbessert.
Die Fenster wurden mittels Winkeln auf PU-Recycling-Blöcke aufgebracht.

b06_fensteranschluss
Fensteranschlussdetail


Bei den Dachfenstern war eine hochw√§rmed√§mmende Konstruktion gew√ľnscht, welche noch nicht als Gesamtkomponente auf dem Markt verf√ľgbar war. Daher erfolgte die Zusammensetzung aus Einzelkomponenten. Um Kondensbildung zu vermeiden, wurde die Dreischeiben-W√§rmeschutzverglasung direkt in die D√§mmebene mit Hinterl√ľftung eingesetzt.

b07_detail-lichtkuppel
Schnitt durch die Dachlichtkuppel mit zusätzlicher horizontaler Dreifachverglasung


Zusammenstellung der U-Werte der Geb√§udeh√ľllfl√§chen
Bauteil U-Wert
[W/m²K]
Beschreibung
Außenwand 0,19 Faserzementplatten mit dahinter liegender Minearalwolle (Dämmstärke 28 cm)
Fenster 0,74 3-fach-Wärmeschutzverglasung
Ug = 0,6 W/m²K; g = 0,41
Dach 0,11 ---
Boden 0,35 50 cm Beton mit Polystyrol-Dämmung
0,22 D√§mmsch√ľrze unter Betonw√§nden und St√ľtzen

Heizung / L√ľftung / Beleuchtung

 

b08_regelung
Einzelraum-Bediengerät mit Anzeige der Ist- und Soll-Temperatur

√úber die zentrale Geb√§udeleittechnik (GLT) werden √ľber Zeitprogramme die gew√ľnschten Raumnutzungen eingestellt und dar√ľber z. B. die Heizung, L√ľftung, Stellung der L√ľftungsklappen und die Au√üenverschattung gesteuert. In den R√§umen k√∂nnen die Nutzer √ľber ein Bedienger√§t f√ľr den jeweiligen Raum die Sollwerttemperatur um +/- 2 K ver√§ndern (keine K√ľhlung). Au√üerdem k√∂nnen sie die GLT-Steuerung des Sonnenschutzes und der L√ľftungsklappen individuell √ľbersteuern.


Die Beheizung des Geb√§udes erfolgt √ľber zwei kaskadierte, vollautomatisierte Holzpellet-Kessel mit je 60 kW. Der Jahresnutzungsgrad wird aus den Herstellerangaben zu knapp 92 % abgesch√§tzt. Im Winter wird dieser Wert aufgrund geringer D√§mmst√§rken der langen L√ľftungsleitungen mit ő∑eff = 74 % angegeben. Die Versorgung mit Holzpellets stellt die g√ľnstigste W√§rmebereitstellungsart dar, g√ľnstiger sogar noch als Fernw√§rme.
Abweichend vom "klassischen" Passivhauskonzept werden die einzelnen R√§ume √ľber kleine Heizk√∂rper beheizt. So kann flexibler auf wechselnde Belegung und damit schwankende innere Lasten reagiert werden. In der K√ľche existiert lediglich ein Vorheizregister der Zuluft, um die Mindestlufttemperatur zu gew√§hrleisten.
Die Geb√§udel√ľftung erfolgt √ľber ein Zuluftsystem mit W√§rmer√ľckgewinnung (WRG). Daf√ľr stehen 6 zentrale L√ľftungsger√§te f√ľr jeweils verschiedene Nutzungsbereiche mit Nennvolumenstr√∂men von 1900 (Turnhalle) ‚Äď 6440 (K√ľche) [m¬≥/h] zur Verf√ľgung. Komponenten der Anlage sind ein Dreifach-Plattenw√§rme√ľbertrager, ein W√§rmerad mit Feuchter√ľckgewinnung, sowie ein Plattenw√§rme√ľbertrager mit adiabater K√ľhlung. Die optimale Luftwechselrate wird (gem√§√ü Planungsempfehlung aus Pfluger 2006 zwischen 15 ‚Äď 20 m¬≥/h‚ąôPerson) mit 16,4 m¬≥/h‚ąôPerson festgelegt. Die Zuluft wird beim Vorsp√ľlen (eine Stunde vor Nutzungsbelegung) beheizt, um fehlende interne Lasten auszugleichen.

F√ľr die zus√§tzlich freie Sommerl√ľftung und Nachtl√ľftung der Klassenr√§ume werden jeweils zwei L√ľftungsklappen vorgesehen.

b09_lueftungsklappen
L√ľftungsklappen

In den Klassenräumen gibt es seitlich zwei einzeln schaltbare Lichtbänder mit 4 Leuchten und vorne zwei Spiegelraster. Die Außenverschattung wird im Sommer zur Nutzung nur soweit geschlossen, dass diffuse Tageslichtnutzung möglich ist. Außerhalb der Nutzungszeit ist sie komplett geschlossen.

 

Energieverbrauch

Insgesamt liegt die Heizenergie-Einsparung gegen√ľber dem Standard-Verbrauch f√ľr 30 Frankfurter Schulen bei 88 %.

b10_energiebilanz
End- und Prim√§renergiebilanz f√ľr Schule, K√ľche und KiTa (ohne Turnhalle)
vom 1.Oktober 2005 bis 30. September 2006

 

Aufteilung der spezifischen Verbrauchswerte bezogen auf die beheizte Energiebezugsfläche von 5.541 m² [2]
Endenergie [kWh/m²a] Primärenergie [kWh/m²a]
Heizwärme 28,6 6,2
Warmwasser 1,3 0,4
Umwandlung / Speicherung 1,6 0,3
Strom gesamt ohne L√ľftung 13,6 36,6
Strom L√ľftung 5,8 15,7
Gesamt 50,9 59,2
Heizung und Bel√ľftung (einschlie√ülich Hilfsenergie, ohne Warmwasser) 36,0 22,2
Nutzerbewertung

Anf√§nglich starke Unterschiede der m√∂glichen Raumtemperaturen im EG (zwischen 17,3 und 23 ¬įC) werden in der folgenden Heizperiode durch Einstellung und Optimierung vieler Geb√§udeparameter korrigiert. Die Winter-Temperaturen pendelten sich zwischen 20,8 und 21,4 ¬įC ein. Im Sommerbetrieb wird der Grenzwert f√ľr sommerliche Innentemperaturen von 27 ¬įC (sommerhei√üe Klimazone) nur wenige Stunden erreicht, die mittlere Sommer-Temperatur (2006) liegt bei 22,9 ¬įC. Die mittlere Differenz zwischen Oberfl√§chen- und Raumlufttemperatur betr√§gt 0,6 K (Grenzwert laut Recknagel 2003: 3 K). Das Resultat best√§tigt eine hohe thermische Behaglichkeit w√§hrend der Nutzungszeit.
In der Kindertagesstätte wird ein generell etwas erhöhtes Temperaturniveau festgestellt.
Die relative Raumluftfeuchte betr√§gt im Mittel mit 36,5 % (2005/2006) und 46,5 % (2006/2007). Etwas h√∂here Raumluftfeuchten w√§ren w√ľnschenswert, jedoch aus l√ľftungstechnischen Gr√ľnden und fehlender Feuchtequellen nicht einstellbar. Somit ist eine m√∂glichst kurze L√ľftungseinstellung gem√§√ü Nutzungsbelegung k√ľnstlicher Raumbefeuchtung vorzuziehen, um m√∂gliche Beeintr√§chtigungen der hygienischen Anforderungen zu umgehen.
Im Normalbetrieb der L√ľftungsanlage (√úbereinstimmung der Nutzungsbelegung gem√§√ü vorprogrammierter L√ľftungsleistung) gibt es nur punktuelle √úberschreitung des CO2-Grenzwertes (DIN 1946 Teil 2) von 1500 ppm. Allerdings treten auch hier deutliche √úberschreitungen des Wertes aufgrund falsch programmierter oder f√ľr andere Nutzungsanforderungen ausgelegte Luftvolumenstr√∂me auf.

 

Kosten

Bezogen auf eine Hauptnutzfl√§che von 6.100 m¬≤ ergeben sich spezifische Baukosten (KG 300 + 400) von 1.850 ‚ā¨/m¬≤.

Aufschl√ľsselung der Investitionskosten
Position Kosten [EUR]
Baukosten - Kostengruppe 300 + 400 11,3 Mio.
Gesamtkosten (brutto) 16,7 Mio.

Die Mehrkosten f√ľr Ausf√ľhrung in Passivhausbauweise betrugen 900.000 EUR, also ungef√§hr 5,3 % der Gesamtkosten von 16,7 Mio. EUR.
Pro Bauteil lassen sich die Mehrkosten wie folgt aufschl√ľsseln:

b11_mehrkosten

Eine Neutralit√§t der Gesamtkosten gegen√ľber einer Standard-Schule auf Grundlage der Mehrkosten wird nach einer Kostenberechnung (Bretzke 2006) mit 5,5 % Kapitalkosten und 3 % Preissteigerung in 38 Jahren erreicht. Nach Messungen in 2005 konnte dieser Wert mit 12 Jahren deutlich gesenkt werden.
Dem Projekt wurde durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt ‚Äď DBU eine F√∂rdersumme von 250.000 ‚ā¨ gew√§hrt. Zus√§tzlich wurde der Heizkessel durch das Land Hessen mit 10.000 ‚ā¨ gef√∂rdert.

 

Zusammenfassung

Der Bau dieser ersten Passivhaus-Schule Deutschlands hat gezeigt, dass eine Ausf√ľhrung in Passivhaus-Weise wirtschaftlich tragbar ist und war Grundlage f√ľr den 2007 von der Stadt Frankfurt gef√§llten Entschluss, k√ľnftig alle √∂ffentlichen Geb√§ude in Passivhaus-Standard zu errichten.
Durch die Begleitforschung konnten die Anlagen verbessert werden, sowie Grundsatzfragen der Energiedebatte geklärt werden.
Es ergaben sich hohe Behaglichkeiten bei einer Heizenergieeinsparung von 88 % bezogen auf 30 Frankfurter Schulen und eine sehr gute primärenergetische Bewertung. Die Schule steht in großem internationalem Interesse und wurde umfangreich dokumentiert.

Empfehlungen
-

D√§mmsch√ľrzen mit reduziertem W√§rmeschutz der Bodenplatte sind mit Unsicherheiten (√ľber sich einstellende Erdreichfeuchte und ‚Äď W√§rmeleitf√§higkeit) behaftet. Daher sind entsprechende Sicherheiten einzuplanen.

-

Lange Leitungsf√ľhrungen reduzieren den effizienten W√§rmebereitstellungsgrad auf 74 % und steigern Investitionskosten. Kurze, gut ged√§mmte Kan√§le sind wichtig f√ľr eine effiziente L√ľftungstechnik.

- Eine komplizierte Logistik der Technikkomponenten erfordert eine umfangreiche Einweisung des zust√§ndigen Personals und ein l√ľckenloses Monitoring. Damit erst kann das volle Potential der GLT ausgen√ľtzt werden, z.¬†B. kann √ľber eine √ľber die GLT oder Jahresschaltuhr gesteuerte Abschaltung der Heizkreispumpen ein Einhalten der festgelegten Heizungsperioden erreicht werden, sowie unbenutzte R√§ume √ľber das Zeitprogramm in Ihrer Betriebstemperatur abgesenkt werden. Sondernutzungen au√üerhalb der L√ľftungszeiten (z. B. Elternabend) m√ľssen vorher einprogrammiert werden.
- Die eingesetzten Zweistrahl-Infrarotsensoren zur Messung der CO2-/VOC- Konzentration (MF420-IR-LC) wiesen bei der Kalibrierung große Abweichungen auf und teilweise hohen Drift und sind somit nicht zur Steuerung der Raumluftqualität geeignet.
- Lange Schlie√üzeiten der motorisch betriebenen Windfang-T√ľren ergeben L√ľftungsw√§rmeverlust von 4,7 kWh/Person a. Daher ist eventuell eine bauliche Trennung in einen h√§ufig frequentierten Haupteingang mit mechanischen T√ľrschlie√üern und einen weniger benutzten Nebeneingang mit motorisch betriebenen T√ľrfl√ľgeln anzustreben.

 

Zusätzliche Informationen

Literatur, Quellenangaben
[1] Bretzke, A.; "Planung und Bau der Passivhaus Grundschule, Kalbacher Höhe 15, Frankfurt a. M.", Energiemanagement der Stadt Frankfurt a. M.
(www.stadt-frankfurt.de/energiemanagement/passiv/Fachaufsatz-Riedberg.pdf)
[2] Peper, S. / Kah, O. / Pfluger, R. / Schnieders, J.; Passivhausschule Frankfurt Riedberg ‚Äď Messtechnische Untersuchung und Analyse; Passivhaus Institut Darmstadt, 2007
[3] Bretzke, A.; "Planung und Bau der Passivhaus Grundschule", Energiemanagement der Stadt Frankfurt a. M. (www.hessenenergie.de/Dossswnloads/Dl-Nach/dln-fkom/dln-fkom-pdfs/Bretzke_Foerd-08.pdf)

 

Projektpartner

Projektsteuerung Hochbauamt der Stadt Frankfurt Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots gesch√ľtzt! Sie m√ľssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen k√∂nnen.
Architektur 4a Architekten GmbH, Stuttgart Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots gesch√ľtzt! Sie m√ľssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen k√∂nnen.
Bauphysik und
Energiekonzept
- Passivhaus-Institut Dr. Wolfgang Feist, Darmstadt Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots gesch√ľtzt! Sie m√ľssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen k√∂nnen.
- Transsolar Energietechnik GmbH, Stuttgart Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots gesch√ľtzt! Sie m√ľssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen k√∂nnen.
Messprogramm Passivhaus-Institut Dr. Wolfgang Feist, Darmstadt Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots gesch√ľtzt! Sie m√ľssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen k√∂nnen.
Förderung - Land Hessen
- Deutsche Bundesstiftung Umwelt - DBU

 

Links

Messtechnische Untersuchung und Analyse der Schule durch die Begleitforschung:
pfeil-rechts_blau www.passiv.de/04_pub/Literatur/Riedberg/PH-Schule_Monitoring.pdf


Zusammenfassung des Bauvorhabens durch das Passivhausinstitut:
pfeil-rechts_blau www.passivhaustagung.de/Passivhaus_D/Fallbeispiel_Passivhaus_Schule_Riedberg.html


Vortrag von Axel Bretzke zum Bauvorhaben:
pfeil-rechts_blau www.stadt-frankfurt.de/energiemanagement/passiv/Fachaufsatz-Riedberg.pdf

 

Abbildungsnachweis

Foto im Datenkopf, Luftbild ‚Äď aus [3];
Hochbauamt der Stadt Frankfurt a. M., Abt. Energiemanagement


Foto Nordwest Ansicht ‚Äď aus www.beton.org/sixcms/detail.php?id=45406;
4a Architekten GmbH Stuttgart


Schnitt, Grundriss, Detail Lichtkuppel ‚Äď aus [2];
Planunterlagen 4a Architekten GmbH Stuttgart


Fotos Fensteranschluss, Einzelraum-Bedienger√§t, L√ľftungsklappen ‚Äď aus [2];
Passivhaus Institut Darmstadt

 

 

 

 
© 2013
Fraunhofer-Institut für Bauphysik