Energetische Sanierung unter Einsatz von transparenter Wärmedämmung: Die Paul-Robeson-Schule in Leipzig

	Adresse:	Jungmannstraße 5, 04159 Leipzig
	Bauherr:	Stadt Leipzig
	Antragsteller:	Hochbauamt der Stadt Leipzig

Projektbeschreibung

Allgemeine Daten

Projektadresse	Paul-Robeson-Schule Jungmannstraße 5 04159 Leipzig Deutschland
Baujahr	1969
Sanierungszeitraum	1991-1993
Anzahl der Klassenzimmer	18 + 6 Fachräume
Standard- Klassenzimmer	54 m² für 25 - 30 Schüler

Nutzfläche (EBF - Energie- bezugsfläche)	4.100 m²
A/V	0,35 1/m

Nord-Ansicht des sanierten Gebäudes

Projektübersicht
Die Paul-Robeson-Schule stellt einen Typ der sogenannten Typenschulbauten dar, der in Plattenbauweise ab 1960 bis Mitte der 80er Jahre in der früheren DDR erstellt wurde. Insgesamt wurden etwa 400 baugleiche Schulen in Ostdeutschland errichtet. Die Gebäude weisen heute aufgrund mangelhafter Bauteilherstellung und Bauausführung, sowie fehlender Bauerhaltungsmaßnahmen, bauliche und energetische Schwachstellen auf, die letztlich zu einem hohen Heizenergiebedarf von mehr als 200 kWh/m² führen. Zwischen 1991 und 1993 wurde an diesem Gebäude eine beispielhafte Sanierung durchgeführt, die das energetische Einsparpotential aufzeigen sollte. Eine der wichtigsten Sanierungsmaßnahmen war der Einsatz von ca. 300 m² transparenter Wärmedämmung im Vergleich zu konventionellen Dämmmaterialien.

Umgesetzte Maßnahmen
Es wurden folgende Maßnahmen umgesetzt:

-	Transparente Wärmedämmung
-	Dämmung der Außenwand, des Daches und der Kellerdecke
-	Sonnenschutz vor der transparenten Wärmedämmung und der Südfenster (nach Überhitzung der Räume innerhalb der ersten Messperiode)
-	Wärmeschutzverglaste Fenster
-	neue Heizungsregelung, individuelle Raumregelung
-	Lüftungsschlitze in den Fensterrahmen und unterstützende Ventilatoren

Lage

Standort der Schule in Deutschland

Breitengrad	51,4 °N
Längengrad	12,4 °O
Höhenlage	107 m über NN
Mittlere Jahrestemperatur	9,1 °C
Mittlere Wintertemperatur (Oktober - April)	0 °C
Klima - Beschreibung	Klimazone TRY: 4 Potsdam

Gebäudetyp / Baujahr
Das Gebäude wurde 1969 als typische Seitengangschule erstellt. Es wird als Grund- und Oberschule genutzt.

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

Gebäude

Die Paul-Robeson-Schule liegt am nördlichen Stadtrand von Leipzig. Das Gebäude ist freistehend und wird weder durch angrenzende Gebäude, noch durch Bäume verschattet.

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Regel-Grundriss

Das Schulgebäude ist ein 4-stöckiger Block mit 81 m Länge und 9 m Breite. Die Klassenzimmer weisen in Richtung Süd-West.

Hüllflächen
Die Außenwände wurden aus Leichtbeton in einer Rahmenkonstruktion mit U-Werten von bis zu 2,6 W/m²K erstellt, die Originalfenster waren doppelverglaste Holzrahmenfenster. Die Kellerdecke war ungedämmt. Das Betonflachdach wies einen U-Wert von 0,65 W/m²K auf.

Heizung / Lüftung / Kühlung und Beleuchtung
Das Heizsystem wurde mit Stadtgas versorgt. Eine Kesselanlage mit 12 Gliederheizkesseln mit einstufigen Gasbrennern und je 116 kW Nennheizleistung wurde 1978 installiert. Die Heizlast betrug 1,4 MW. Die Systemtemperatur wurde der Außentemperatur nachgeführt.
Die Lüftung erfolgte durch natürliche Querlüftung über die Klassenzimmer: Von außen durch die geöffneten Fenster in die Klassenzimmer und dann mittels Lüftungsschächte an der Wand zu den Korridoren.
Die Beleuchtung wurde manuell von den Nutzern gesteuert. Natürliche Belichtung erfolgte in den Normalklassen über die nach Südwest orientierten Fensterflächen, während die Fachräume und Giebelzimmer beidseitig befenstert waren.
Der Sonnenschutz bestand aus einer fest angebrachten Auskragung.

Schäden / Mängel
Neben hohen U-Werten und somit hohen Transmissionswärmeverlusten war die Fassade auch nicht luftdicht.
Die Steuerung der Heizungsanlage war defekt: deshalb musste das Heizsystem manuell vom Hausmeister geregelt werden.

Energieeinsparung

Konzept
Das Sanierungskonzept zielte auf eine Reduzierung des Heizenergiebedarfs von mindestens 50 % ab. Dazu wurden Standardmaßnahmen wie die Verbesserung der Dämmung im Dach und an der Fassade, der Einsatz von Wärmeschutzverglasung und der Ersatz der Kesselregelung und der Heizkreissteuerung realisiert. Der Schwerpunkt des Sanierungsprozesses war jedoch auf den Einsatz von transparenter Wärmedämmung (TWD) ausgelegt. Die insgesamt 96 TWD-Module sollten von einheimischen Firmen hergestellt werden, wodurch ein Know-how-Transfer, sowie eine produktive Nutzung vor Ort stimuliert werden sollten.

Gebäudehüllflächen
Um den Energiebedarf um mindestens 50 % zu reduzieren, war es notwendig, die Fenster zu ersetzen und die Wärmedämmung im Dach und in den Fassaden zu verbessern. Die neuen Fenster bestehen aus Wärmeschutzverglasung in Holz-Aluminiumrahmen. Auf die Außenwände aus Leichtbeton wurden 8 cm starke Mineralfaserplatten mit mineralischem Putz als Wärmedämmverbundsystem aufgebracht. Das Dach und die Kellerdecke wurden mit Polystyrolhartschaum gedämmt. Auf der Südseite wurde ein 8 cm starkes transparentes Wärmedämmmaterial aus Polymethylmethacrylat (PMMA) hinter einer Glasscheibe eingesetzt, das in einen Holzrahmen integriert wie eine Vorhangfassade auf der Außenwand angebracht wurde. Damit erfolgte die Montage der TWD-Module aus Sicherheitsgründen in einer Vorhangfassade und konnte nicht, wie anfangs geplant, direkt auf die Brüstungselemente des Gebäudes erfolgen.

b04_fassadendetail
Vertikalschnitt durch das TWD-Modul

Im Oktober 1992 wurden die unterschiedlich gedämmten Fassadenbereiche des Schulgebäudes messtechnisch bewertet. Die ungedämmte Wand zeigte in dieser Zeit tägliche Wärmeverluste der Fassadenfläche von 650 Wh/m², an der opaken Wand betrugen die Verluste noch 200 Wh/m² und die transparent gedämmten Bereiche weisen in diesem Zeitraum Wärmegewinne von bis zu 420 Wh/m² auf. Dabei ist erwähnenswert, dass Heizkörper vor transparent gedämmten Wänden den Wärmeeintrag über die Fassade erheblich verringern.

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Energiebilanzen der ungedämmten, opak und transparent gedämmten Fassade im Oktober 1992

In der einstrahlungsarmen Zeit von November bis Februar traten jedoch infolge fehlender Wärmegewinne größere Transmissionswärmeverluste über die TWD-Fassade auf, die Wandtemperaturen auf der Rauminnenseite lagen hier bis zu ca. 2 K unter denen der Innenwände.

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	1,4 / 2,6	0,38	Dämmung: Mineralwolle-Platten, 8 cm
Außenwand TWD - nicht verschattet	2,6	0,55	Transparente Wärmedämmung aus PMMA, 8 cm
Außenwand TWD - verschattet	2,6	0,38	Transparente Wärmedämmung aus PMMA, 8 cm
Fenster	2,8	1,5	Holz-Aluminium-Fenster mit Wärmeschutzverglasung
Dach	0,65	0,18	Polystyrolhartschaum-Dämmung
Kellerdecke	3,7	0,46	Polystyrolhartschaum-Dämmung

Heizung / Lüftung / Beleuchtung
Die Versorgung mit Stadtgas wurde im November 1993 auf Erdgas umgestellt. Die bestehende überdimensionierte Heizungsanlage wurde durch zwei neue, in Reihe geschaltete, Heizkessel ersetzt, die je nach Bedarf zur Wärmegewinnung herangezogen werden.
Die Räume werden durch eine Einzelraumtemperaturregelung gesteuert. Fensterkontakte bewirken in den jeweiligen Räumen bei geöffnetem Fenster das zwangsweise Schließen der Heizkörperventile.
Die Heizungsanlage der Hausmeisterwohnung wurde von der Anlage der Schule getrennt.
Durch die Sanierungsmaßnahmen wurde die Fassade sehr viel luftdichter. Deshalb wurden verschließbare Lüftungsschlitze in die Fensterrahmen eingebracht und Ventilatoren installiert, um die Luftbewegung zu unterstützen. Über die Belüftungsschlitze ist eine Luftzufuhr bis zu 500 m³ pro Stunde möglich. Die Ventilatoren arbeiten mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten und werden manuell geregelt.

Die Beleuchtung war kein Bestandteil des Sanierungskonzepts.

Nachdem im ersten Jahr Überhitzungserscheinungen auftraten, musste ein bewegliches Sonnenschutzsystem sowohl vor die transparente Wärmedämmung als auch vor den Südfenstern angebracht werden, um angenehme Temperaturen in den Räumen zu erreichen.
Alle Fensterverschattungen sind einzeln pro Klassenraum bzw. über eine zentrale Steuervorrichtung zu bedienen.

Verbrauch

Die Berechnung mit einem Simulationsprogramm ergab entsprechend der Gebäudekennwerte für den Ist-Zustand einen Heizenergiebedarf von 128,5 kWh/m²a, der gemessene Wert betrug jedoch 225 kWh/m²a.
Nach der Sanierung ergab die Abschätzung des Heizenergiebedarfs aus dem Gasverbrauch in den zwei Messperioden eine Reduzierung von 61 bis 75 %. Der Energieverbrauch in der zweiten Messperiode war deutlich höher, da der erste Winter milder war.

Aufteilung der spezifischen Verbrauchswerte bezogen auf die Bruttogeschossfläche

	Verbrauch [kWh/m²a]
	Vor der Sanierung	Nach der Sanierung
		Errechnet	1994/95 gemessen	1995/96 gemessen
Heizung	225	57	58	89

Die transparente Wärmedämmung wies zwischen der Sonneneinstrahlung und der Wärmeabgabe an den Raum eine Zeitverschiebung von 7 Stunden auf. Dadurch kann zwar eine konstantere Raumtemperatur erwartet werden, aber die solaren Gewinne werden in eine Tageszeit verschoben, in der die Schule nicht genutzt wird.
Nutzbare Wärmegewinne konnten nicht nachgewiesen werden.

Beleuchtung und elektrische Geräte wurden bei der Sanierung nicht berücksichtigt.

Nutzerbewertung

Das ursprüngliche Sanierungskonzept ohne Sonnenschutzsystem führte aufgrund Überhitzung der Räume im Sommer zu Beschwerden durch die Nutzer.
Zudem fiel aufgrund von mutwilliger Zerstörung der Kontrolllampen an den Reglerverteilerschränken, sowie absichtlicher Herbeiführung von Kurzschlüssen im Bereich der Ansteuerung der Heizkörperventile die Heizungsregelung im Januar 1994 wiederholt aus.
Die Nutzer akzeptierten das Lüftungskonzept nicht völlig, ließen die Lüftungsschlitze in den Fensterrahmen geschlossen und öffneten weiterhin die Fenster. Die nutzerabhängige Lüftung könnte verbessert werden durch eine CO2-Konzentrationsanzeige in den Klassenzimmern.
Ein höheres Temperaturniveau im Winter wurde von den Nutzern bevorzugt. Dies kann durch den Einsatz von transparenter Wärmedämmung unterstützt werden.

In gemeinsamer Abstimmung mit dem Schulverwaltungsamt und dem Hochbauamt wurden alle auftretenden Mängel beseitigt.

Kosten
Es gibt keine detaillierten Informationen, jedoch kann gesagt werden, dass ein Großteil der eingesetzten Technologien nicht kostendeckend war.

Zusammenfassung

Im Mittel wurde eine Reduzierung des Heizenergiebedarfs von 67 % realisiert. Das Konzept mit der transparenten Wärmedämmung erwies sich als stark klimaabhängig.
Bei der Anwendung von transparenten Wärmedämmverbundsystemen muss zudem berücksichtigt werden, dass diese Systeme keine allgemeine Brandschutzzulassung besitzen. Der Aufwand für zusätzliche Brandtests verlängerte die Planungsphase um 6 Monate.
Die Vorgabe örtliche Handwerker einzusetzen führte zu Zeitverzögerungen, da die angewendete Technologie neu für sie war.
Durch die reduzierte Lüftung wurde das Überhitzungsrisiko gesteigert. Ein Sonnenschutzsystem wurde 1994 nach der ersten Heizperiode angebracht. Als sofortige Lösung mussten die Nutzer die Oberlichter öffnen und die Ventilatoren mussten ab 4 Uhr morgens in Betrieb genommen werden, um die Überhitzung zu verringern.
Der Einsatz des mineralischen Putzes auf den opaken Dämmplatten erwies sich für Schulgebäude als ungünstig, da durch mutwillige Zerstörung (Steinwurf) mehrfach Putzzerstörungen auftraten.

Empfehlungen

Transparente Wärmedämmverbundsysteme müssen sorgfältig geplant werden hinsichtlich Sonnenschutz, Brandschutz,
Kosten, usw.
Bei innovativen Lüftungssystemen und ihrer Luftzufuhr müssen durch genaue Planungen unangenehme Kaltluftströmungen vermieden werden, da ansonsten die Benutzer die Systeme abschalten und die Fenster geöffnet lassen.

Um die Akzeptanz der mechanischen Lüftungssysteme zu verbessern, sollten sie nur zur Unterstützung der natürlichen Lüftung eingesetzt werden.

Zusätzliche Informationen

Literatur

[1]	Russ, C.; Hoffmann, V. U.: Energetische Sanierung einer Schule unter Verwendung transparenter Wärmedämmung – Modellvorhaben "Paul-Robeson-Schule" Leipzig, Schlussbericht zum Fördervorhaben 0329224A, November 1994

Projektpartner

Wissenschaftliche Projektleitung, Energetisches Gesamtkonzept	Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme – ISE, Freiburg, Gruppe Leipzig, Dr. Christel Russ
Gesamtplanung, Architektur	Leipzig Projekt, Ingenieur- und Planungsbüro Matthes und Buchmann
TWD-Module	Bauausführung: Holz- und Leichtmetallbau GmbH Leipzig Beratung – Ausführung: Glaserei Schmidt Freiburg Beratung – Verschattungseinrichtung: Fa. Remis, Köln
Messtechnische Betreuung	IfE Leipzig GmbH, Ingenieur- und Servicegesellschaft für Energie und Umwelt
Förderung	Bundesministerium für Forschung und Technologie, Projektträger Jülich Förderkennzeichen 0329224 A

Links

Projektbericht im Rahmen des Energy Conservation in Buildings and Community Systems (ECBCS) – Programms der Internationalen Energie Agentur (IEA):
www.annex36.de/eca/de/03viewer/case_studies/de_3_data.html

Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme – ISE Freiburg: www.ise.fraunhofer.de

Projektträger Jülich: www.fz-juelich.de/ptj/

Abbildungsnachweis

Abschlussbericht des Fraunhofer-ISE [1]

Homepage der Paul-Robeson-Mittelschule: www.sn.schule.de/~ms-robeson-l/