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Einsatz maschinell gefertigter Module mit transparenter Wärmedämmung: Die Ringelnatz-Grundschule in Wurzen
demo-best_wurzen Adresse: Querstraße 25, 048018 Wurzen
Bauherr: Stadt Wurzen, Bauamt - Sachgebiet Hochbau
Antragsteller: Stadt Wurzen
Ansprechpartner: Stadt Wurzen, Bauamt - Sachgebiet Hochbau,
Carl-Heinz Kraft, Diese E-Mail-Adresse ist gegen Spambots geschützt! Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie sie sehen können.

 

 

Projektbeschreibung

 

Allgemeine Daten
Projektadresse Ringelnatz-Grundschule
Querstraße 25
04808 Wurzen
Deutschland
Baujahr 1972
Sanierungszeitraum 1995-1999
Anzahl der
Schüler
290
Anzahl der
Klassenzimmer
24
Standard-
Klassenzimmer
9 x 6 m,
Fachräume 9 x 9 m
Beheizte Nutzfläche
(EBF - Energiebezugsfläche)
4.100 m² [2]
A/V 0,35 1/m
b01_sued ansicht
Süd-Ansicht des sanierten Gebäudes

Projektübersicht
Der energetische und bauliche Zustand des Gebäudes erforderte eine Sanierung des gesamten Gebäudekomplexes. Hauptziel der Sanierung war die Senkung des hohen Heizenergiebedarfs unter Nutzung solarer Techniken.
Zum Einsatz kamen unter anderem ca. 300 m² transparente Wärmedämmung (TWD) an der Südfassade, wobei aus Erfahrungen der energetischen Sanierung der pfeil-rechts_blau Paul-Robeson-Schule in Leipzig zurückgegriffen werden konnte. Dadurch konnte ein System zur vereinfachten Montage und Verschattung der TWD entwickelt werden.
Die Durchführung der Sanierungsmaßnahmen fand größtenteils in den Sommerferien 1996 statt, um die Beeinträchtigungen für den Schulbetrieb zu minimieren.
Das Projekt wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung als Demonstrationsobjekt gefördert.

Umgesetzte Maßnahmen
Es wurden folgende Maßnahmen umgesetzt:
- Sanierung der thermischen Hülle inkl. Austausch der undichten Fenster
- Einsatz von ca. 300 m² TWD an der Südfassade mit vereinfachtem Montagesystem
- Entwicklung einer gemeinsamen Verschattung für TWD und Fenster
- Sanierung des veralteten Heizungssystems inklusive Trennung der Heizkreise
- Einzelraum-Temperatur-Regelung (ETR)

 

Lage

b02_lage-wurzen
Standort der Schule in Deutschland
Breitengrad 51,4 °N
Längengrad 12,8 °O
Höhenlage 124 m über NN
Mittlere Jahrestemperatur 8,8 °C
Mittlere Wintertemperatur (Oktober - April) 4,0 °C
Klima - Beschreibung Klimazone TRY:
4 Potsdam

Gebäudetyp / Baujahr
Die Schule wurde 1974 gebaut und ist den „Flurtypschulen“ zuzuordnen, baugleich mit der Paul-Robeson-Schule in Leipzig. Dieser Umstand führte dazu, dass auf die Erfahrungen aus dieser Sanierung mit TWD zurückgegriffen werden konnte, was auch durch die Mitwirkung des gleichen Projektteams unterstützt wurde.
Gebäudetyp Baujahr
vor 1910 1910-1930 1930-1950 1950-1970 1970-1990 nach 1990
Dorfschule
Mehrgeschossige
Schule
Mittelflur-Schule
Seitenflur-Schule X
Pavillon-Schule
Hallen-Schule
Zentral-Schule
Kammform-Schule
Offenes-Konzept-Schule
Cluster-Schule
Sonstige

 

Gebäude

Die Schule entstand als Montagebau mit Einschichtelementen aus Stahlbeton. An der Südseite wurden 24 Klassenzimmer und an der Nordseite Korridore und Sanitärräume angeordnet. Größere Räume, die sich über die gesamte Gebäudebreite erstrecken, waren mit Sondernutzungen belegt (z. B. Fachräume, Hausmeisterwohnung usw.).
b03_Grundriss Erdgeschoss
Erdgeschoss - Grundriss

Das Gebäude zeigte aufgrund mangelhafter Bauausführung und fehlender Wartungsarbeiten zahlreiche Mängel auf, vor allem im Brüstungs- und Fensterbereich. Die Fenster waren dabei in so schlechtem Zustand, dass infolge der Undichtigkeiten fast ständig ein zweifacher Luftwechsel im Raum erfolgte. Die komplette Sanierung der thermischen Hülle inklusive Austausch der Fenster war notwendig.
Das Gebäude verfügte über einen Fernwärmeanschluss mit zwei Heizkreisen, einen für die Sporthalle, der andere für Schulgebäude und Hausmeisterwohnung. Durch diese Aufteilung wurde auch am Wochenende und in den Ferien das gesamte Schulgebäude geheizt. Das Heizungssystem war veraltet und nicht regelfähig.

Frischluftzufuhr erfolgte mittels natürlicher Fensterlüftung. Dieses Konzept wurde auch nach der Sanierung beibehalten.

Die Belichtung der Normalklassenzimmer erfolgte über die Fenster an der Südseite, in Fach- und Giebelräumen zusätzlich über Fenster an der Nordseite. Der Fensterflächenanteil der Süd- und Nord-Fassade betrug etwa 60 %, wobei die Giebelseiten keine Fenster hatten. Durch starre Verschattungselemente an der Südfassade und vorhandene Bäume kam es zu einem ungenügenden Tageslichteintrag in den Räumen vom Keller bis zum 2. Obergeschoss.

 

Energieeinsparung

Konzept
Neben der bereits erwähnten Nachbesserung der dämmenden Hülle und des vorhandenen Heizsystems wurde vor allem großer Wert auf die Optimierung der Montage und des Einsatzes von transparenter Wärmedämmung (TWD) gelegt, wobei deren Gesamtkosten nicht mehr als 1000 DM (511,29 €) pro m² betragen sollten. Insgesamt wurde eine Einsparung an Heizenergie von mehr als 60 % gegenüber dem unsanierten Zustand angestrebt.

Gebäudehüllflächen
Die Besonderheit der Sanierung der äußeren Gebäudehülle lag in diesem Projektbeispiel vor allem am Einbau von TWD an den Brüstungselementen der Südseite. Zum Einsatz kamen 72 kg schwere, der Gebäudefassade vorgehängte Module, wodurch eine Montage von Hand und ohne lastverteilende Unterkonstruktion ermöglicht wurde. Zudem wurde eine Integration der externen Verschattung in die TWD-Module angestrebt und es kam zur Verbesserung des Moduldesigns hinsichtlich kompakter Bauweise, Erhöhung des industriellen Vorfertigungsgrades und Verringerung der investiven und montageseitigen Kosten.

Zusammenstellung der U-Werte der Gebäudehüllflächen vor und nach der Sanierung
Bauteil U-Wert [W/m²K] Beschreibung
Vorher Nachher
Außenwand Nord 0,67 0,37 10 cm mineralische Dämmung
Außenwand Giebelseiten 1,76 0,36
Außenwand Süd mit TWD 1,67 0,53 Holzrahmen (1295 x 1200 mm) mit 83 mm Polycarbonat-Kapillarmaterial, Abschluss außen- und innenseitig mit Glasscheiben
Fenster 2,8 1,44 Holz-Aluminium-Fenster mit Wärmeschutzverglasung
Außentüren 3,5 1,8 ---
Dach 0,65 0,27 Warmdach, 12 cm PS-Dämmung des Gefälledaches
Kellerwand mit Erdberührung 1,39 / 1,16 0,43 / 0,42 6 cm Perimeterdämmung
Kellerwand mit Außenluftkontakt 1,38 / 1,13 0,29 / 0,29

Fußboden auf Erdreich
gedämmt / nicht gedämmt

1,37 / 2,42 1,37 / 2,42 ---

Heizung / Lüftung / Beleuchtung

Zur Steuerung und Regelung des Heizungssystems wird eine PC-gesteuerte Einzelraumtemperaturregelung (ETR) eingesetzt, die auch die Steuerung der Verschattungseinrichtung mit einschließt. Im Heizkreis Schule wird die Steuerung der Heizkörper über vier ETR-Steuereinheiten gemäß Raumnutzungszeit und einer Solltemperatur von 20 °C realisiert. Die Korridore und Sanitärräume sind mit voreingestellten Thermostatventilen ausgerüstet.

Die Frischluftversorgung erfolgt durch natürliche Fensterlüftung. Dabei werden eine oder mehrere Oberlichter oft über die gesamte Nutzungszeit gekippt. Nach Bedarf werden in den Pausen zusätzlich die Fensterflügel geöffnet. Lüftungswärmeverluste können dabei durch solare Erträge ausgeglichen werden, wenn von einem dreifachen Luftwechsel während und einem 0,3-fachen Luftwechsel außerhalb der Nutzungszeit (von 8.00 Uhr bis 14.00 Uhr) ausgegangen wird.

b04_markisolette
prinzip der Verschattung
der TWD-Module

Elemente zur Verschattung wurden an der Südseite mit dem Überhitzungsschutz für die TWD integriert. Davon versprach man sich eine Senkung der Investitions- und Montagekosten. Zum Einsatz kamen Markisen und Markisoletten mit einer Tuchwelle an der Oberkante der Brüstung, nicht wie sonst üblich im Sturz.
Als Behangstoff wurde ein dichtes und helles Material ausgewählt. Damit kann bei Verschattung der Klassenzimmer ein ausreichender Lichteintrag auch ohne Kunstlicht garantiert werden. Die Dichte des Stoffes erfüllt zudem die Brandschutzanforderungen.
Die Anlage beinhaltet fest programmierte Komponenten, erlaubt aber auch die individuelle Einflussnahme. Die Bedienung erfolgt über die Einzelraumtemperatursteuerung, bzw. individuell über Schlüsseltaster.

Durch eine spezielle Steuerung kann entweder eine Verschattung der TWD-Module oder der Fenster (mit gleichzeitiger Verschattung der TWD-Module) realisiert werden. Vorrang hat jedoch immer der Sonnenschutz vor energetischen Aspekten. In einer vorangegangenen Wärmebedarfs-Simulation wurden verschiedene Verschattungsstrategien untersucht [1].

Bei Betrieb der Anlage stellte sich heraus, dass die hier eingesetzte Lösung der Fallarmmarkisen nicht ideal ist.
In den ersten zwei Jahren der Benutzung traten wiederholt mechanische Instabilitäten an den Lagern der Tuchwellen auf, die zum Absturz mehrerer Tuchwellen führten und damit mit einer Gefährdung der Nutzer verbunden waren. Zudem kam es häufig zum Überschlagen einzelner Fallschienen aufgrund schlecht ausgeführter oder montierter Endlagenschalter und damit zum Ausfall der Markisen. In beiden Fällen wurden die entsprechenden Komponenten verbessert und ausgetauscht.
In den Übergangsmonaten nach der Heizzeit kam es infolge der tiefstehenden Sonne zu Blenderscheinungen und Aktivierung der Fensterverschattung durch den Nutzer. Damit wurden allerdings gleichzeitig die TWD-Module verschattet, was die, außerhalb der Sommermonate erwünschten, solaren Gewinne verringerte. Auch drang seitlich an den Markisen immer noch Licht in die Räume, weshalb nachträglich innenliegende Rollos als Blendschutz installiert werden mussten. 
Die gleichzeitige Verschattung von Fenstern und TWD-Modulen in den Sommermonaten erwies sich als bedingt effektiv. Zwar blieben die sommerlichen Raumtemperaturen auf weitestgehend angenehmem Niveau, bedingt durch den hohen Transmissionsgrad des gewählten Materials der Markisen traten jedoch trotzdem unerwünschte Wärmegewinne auf.

Wenig kooperationsbereit zeigte sich der Hersteller bei der Entwicklung einer Steuerfunktion zur klimarelevanten getrennten Verschattung der TWD-Module je nach Jahreszeit, weshalb die gesamte Fassade in den Sommermonaten durch den Hausmeister manuell verschattet werden musste. Trotz intensiver Diskussionen konnte bis zum Projektende keine befriedigende Lösung gefunden werden.

 

Verbrauch

Insgesamt konnte durch die Sanierungsmaßnahmen ein spezifischer Heizwärmeverbrauch von knapp 53 kWh/m²a erreicht werden, was einer Einsparung von 69 % Heizenergie gegenüber dem unsanierten Zustand entspricht.
Die über die transparent gedämmte Wand erzielten solaren Gewinne vermindern die nächtliche Auskühlung des Gebäudes erheblich.
In der Heizperiode (November bis Februar) werden dabei solare Gewinne bis zu 29,4 kWh pro m² TWD-Fläche erzielt, während eine opake Außenwand Verluste von 54 kWh/m²a aufweist. In der gesamten Heizperiode (Oktober bis April) sind etwa 70 kWh/m² solare Gewinne über die TWD zu vermerken. Aber auch in den Sommermonaten werden über die transparent gedämmte Fassade noch etwa 24 kWh/m² oder 20 % solare Gewinne in das Gebäude eingebracht, die durch eine gute Raumlüftung abgeführt werden müssen.
Aufteilung der spezifischen Heizenergieverbrauchswerte der Schule (ohne Sporthalle) bezogen auf die beheizte Nettogrundfläche [1]
Verbrauch [kWh/m²a]
Vor der Sanierung Nach der Sanierung
Endenergie 173 53
Primärenergie
(fp = 1,3)
233 69

 

 

Nutzerbewertung

Die Nutzer sind hinsichtlich Gestaltung, Wärmeversorgung und Helligkeit der Räume mit den eingesetzten Sanierungsmaßnahmen zufrieden.
Auch das Raumklima wurde trotz solarer Gewinne aus der TWD in den Sommermonaten als angenehm eingestuft. Lediglich die Überwärmung einzelner Räume aufgrund wiederholter, ungeklärter Ausfälle der ETR-Steuereinheiten wurde bemängelt.
Außerdem wurden die bereits genannten Probleme der Verschattungsanlage stark kritisiert. Zudem werden die Schlüsselschalter als unbequem bewertet, da sie nicht automatisch in die Nullstellung zurückgehen und ein zentral gesteuertes Verschatten damit blockieren können. Aufgrund der Gesamtheit der mechanischen und reglungstechnischen Problemstellen fordert die Schule einen Ersatz der gesamten Anlage.

 

Kosten

Die TWD-Fassade (Module, Verschattung, Unterkonstruktion) kostete mit 1.008 DM/m² (518,38 €/m²) (netto) geringfügig mehr als der eingeschätzte Zielwert von 1000 DM/m² (511,29 €/m²). Der Anteil der Verschattungskosten an den Systemkosten beträgt 14 %, die Systemkosten für die Module liegen bei 10 % der Gesamtsanierungskosten.
Unter Berücksichtigung der Gesamtkosten einschließlich der Vorhaltungskosten beträgt die mittlere Einsparung jährlich 33.500 DM (17128.28 €) oder 40 % gegenüber dem unsanierten Gebäude (Stand 2000).

 

Zusammenfassung

Empfehlung

Die Sanierung der Grundschule wurde vom gleichen Projektteam wie auch an der Paul-Robeson-Schule in Leipzig bearbeitet. Dadurch konnte gesichert werden, dass diese Erfahrungen mit in die Sanierung einflossen und neuentwickelte Maßnahmen aus anderen geförderten Projekten zum Einsatz kamen.

Befindet sich hinter der transparent gedämmten Wand ein Heizkörper, so werden durch die Wärmeabstrahlung des Heizkörpers die Ergebnisse der solaren Energiebilanz in der Heizperiode um bis zu 60 % reduziert. Auch bei opak gedämmten Wänden erhöhen sich die Heizwärmeverluste um 20 %, wenn Heizkörper direkt im Anschluss an die Wand installiert werden. Eine thermische Abschirmung der Heizkörper gegen die Wand ist empfehlenswert, um maximale Wärmegewinne zu erzielen.

Für den Einsatz der TWD war aufgrund geltender Brandschutzanforderungen eine Genehmigung im Einzelfall erforderlich. Diese wurde erteilt unter der Auflage, Zwischen- und Randstücke mit Brandschutzmittel zu behandeln, sowie dem Einsatz schwer entflammbarer Behangsstoffe (Brandklasse B1).


Es kann gesagt werden, dass einerseits die energetischen Ergebnisse der Sanierung die Zielstellung des Projektes überbieten, es andererseits jedoch hinsichtlich der installierten Technik einige Probleme gibt. Hierzu zählen die bereits genannten mechanischen, sowie steuer- und regelungsseitigen Instabilitäten des konventionellen Verschattungssystems. Durch Störungen in der Heizungsregelung kam es zudem zur Überwärmung der Räume und unnötigem Heizwärmeverbrauch. In künftigen Projekten sollte deshalb noch sorgfältiger bei der Auswahl und Abstimmung der Systeme untereinander vorgegangen werden.

 

Zusätzliche Informationen

Literatur, Quellenangabe
[1] Russ, C.; Klinkert, V.: Einsatz maschinell gefertigter TWD-Module in einer optimierten Fassadenkonstruktion an Montagebauten mit Leichtbetonelementen; Abschlussbericht 2000 zum BMBF-Förderprojekt 0329224G, 2000
[2] BINE-Themeninfo 1/2006: Gebäude sanieren – Schulen

 

Projektpartner

Projektleitung Stadt Wurzen, Bauamt Sachgebiet Hochbau
Wissenschaftliche Projektleitung,
Energetisches Gesamtkonzept
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme – ISE, Freiburg,
Dr. Christel Russ
Planung Leipzig Projekt, Architekten und Ingenieure
Bauplanung: Architektur- und Ingenieurbüro Matthes und Buchmann
Heizungsplanung: Ingenieurbüro Malz, Leipzig
Steuer- und Regelung: Ingenieurbüro REMES, Leipzig
Einzelraumtemperatur-Steuerung: Fa. Dr. Riedel GmbH, Berlin
Bauausführung,
Generalauftragnehmer
Holz- und Leichtmetallbau GmbH Leipzig
Messtechnische Betreuung Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur – HTWK, FH Leipzig, Fachbereich Maschinen und Energietechnik, Volker Klinkert
Förderung Bundesministerium für Bildung und Forschung,
Förderkennzeichen 0329224 G

 

Links

Erfahrungen aus vom Fraunhofer-Institut begleiteten Projekten zur Energetischen Schulsanierung:
pfeil-rechts_blau www.bayern-innovativ.de/ib/site/documents/media/ff2e136f-2e55-8aa3-52e1-268e562ce58e.pdf/06_Erhorn.pdf


BINE-Leitfaden zur Schulsanierung:
pfeil-rechts_blau www.bine.info/fileadmin/content/Publikationen/Themen-Infos/I_2006/themen0106internetx.pdf

 

Abbildungsnachweis

Abschlussbericht des Fraunhofer-ISE [1]

 

 

 

 
© 2013
Fraunhofer-Institut für Bauphysik