Ausgangslage

Verschiedene Schulhäuser in der Stadt Chur weisen im Bereich Schulzimmer einen Investitionsbedarf zur Instandsetzung und Werterhaltung auf. Dies betrifft die Themen:

  • Tageslicht
  • Kunstlicht
  • Akustik
  • Luftqualität
  • Fenster
  • Sonnenschutz
  • Komfort
  • Behaglichkeit
  • Oberflächenerneuerung
  • Energieverbrauch

Das Pilotprojekt Musterschulzimmer zeigt nun mit einem integralen Ansatz, dass trotz der Erfüllung von höheren Anforderungen in einer energetisch schlechten Gebäudehülle mit U-Werten um 1,0W/(m2K) massiv Energie gespart werden kann. Die erarbeitete Strategie nutzt in erster Linie die solaren Direktgewinne und Abwärme von Schülern optimal. Bei der Betrachtung stehen 3 Themen im Fokus: Verbesserung respektive Optimierung von Akustik, Beleuchtung und Raumluft.

 

Abbildung 165: Musterschulzimmer.

 

Kostenübersicht

In Tabelle 3 sind die Kosten enthalten. Eine beträchtliche Kosteneinsparung ist, dass man den alten Akustikputz an der Decke nicht abbrechen muss.

Die Kostenübersicht gilt nur für Schulzimmer mit dem Fassadenanteil von Südost über Süden nach Südwest. Für Schulzimmer mit Fassadenanteil von Nordost über Norden nach Nordwest betragen die Kosten pro Zimmer 33’800 Fr., da es keine Lichtlenker respektive keinen Blendschutz braucht und es braucht auch keine Storensteuerung, weil die solaren Erträge hier eine geringe Rolle spielen.

Themaheutige SituationZiel
Akustik (Nachhallzeit)0,8 – 0,9 sec0,6 sec
Beleuchtung500 – 800 lux sehr hoher Stromverbrauchmind. 500 lux bei niedrigerem Stromverbrauch
Raumluftüber 1400 ppm bei Vollbelegung nach ½ Stundeunter 1400 ppm bei Vollbelegung nach ½ Stunde
Tabelle 2: Anforderungen an ein Schulzimmer.

 

Kostenübersicht für Sanierung pro Zimmer
MaterialPreis
Glasersatz4’100 Fr.
Oberflächen4’700 Fr.
Blendschutz innen (vereinfachte Variante)5’200 Fr.
Sonnenstoren mit Steuerung6’100 Fr.
Akustikdecke mit Speichermasse7’200 Fr.
Lüftungsgerät, semizentral9’000 Fr.
Beleuchtung ohne Lichtregelung4’800 Fr.
Total pro Zimmer41’100 Fr.
Tabelle 3: Sanierungskosten pro Zimmer.

Komfortsteigerung

  • Luftqualität: Abbildung 166 zeigt ein typisches Bild für die Wintertage. Blau ist immer das Musterzimmer, rot das Zimmer rechts und grün ist das Zimmer links (mit zusätzlicher Aussenwand) des Musterzimmers. Die Bildskala zeigt den ppm-Wert des CO2-Gehalts der Innenluft. Am unteren Bildrand sieht man die Anwesenheitszeiten. Am Morgen sind alle Zimmer gut besetzt, am Nachmittag das Musterzimmer, die andern nur sporadisch. Am Morgen sind alle Zimmer bei etwa 500 ppm CO2. Nach einer halben Stunde Betriebszeit sind die Normalzimmer bereits über dem kritischen Wert von 1400 ppm. Die Werte steigen dann sehr schnell weiter bis über 2000 ppm (der Messbereich der Sensoren ist leider begrenzt). Diese Belastung erzeugt Symptome wie Konzentrationsprobleme und Müdigkeit. Danach sieht man die Wirkung der Pausenlüftung. Die Radikallüftung im grünen Zimmer sorgt dann nur für die erste halbe Stunde des Unterrichts für gute Luftqualität, später muss die Luftqualität mit schlecht bis sehr schlecht bezeichnet werden. Mit dem Lehrer des grünen Zimmers wurden dann Versuche mit viertelstündlicher Stosslüftung durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass dies bei der heute üblichen Minimalbeheizung auf 20°C bis 21°C zu grossen Komfortproblemen führte. Die Versuche mussten abgebrochen werden, die geforderten 1400 ppm konnten damit nicht erreicht werden.
    Fazit: Entweder baut man in jedes Schulzimmer eine Lüftung mit den guten Resultaten ein, oder man überheizt die Schulzimmer wieder massiv, um viertelstündliche Lüftungsaktionen oder gekippte Fenster bei dann mässigem Komfort zu ermöglichen. So gesehen spart also die Lüftung enorme Energiemengen bei sehr gutem Komfort. Im Sommer, bei hohen Aussentemperaturen sind offene Fenster ebenso ein Komfortproblem. Einzig in der Übergangszeit sind die CO2-Werte zwischendurch gut, weil die Fenster geöffnet werden können.
  • Akustik- und Temperaturschwankungen: Die Akustikverbesserungen mittels Lamellen zur Erhöhung der Speichermasse und den Akustikplatten über den Fenstern haben die gewünschten Anforderungen erfüllt (Abbildung 167). Die Wirkung der Massenerhöhung im Musterzimmer (blau) kann hier sehr gut aufgezeigt werden. Es gibt 2 recht schöne Tage am Wochenende (Mitte November). Alle Sonnenstoren sind offen, die Zimmer unbesetzt. Die Zimmertüre des «roten Zimmers» steht zum Gang hin offen. Der direkte Vergleich mit dem «grünen Zimmer» zeigt am zweiten Tag, dass die Innentemperatur bei gleicher Sonnenstrahlungseinwirkung um etwa 2 Grad ansteigt, während im Musterzimmer gerade gut 1 Grad Unterschied entsteht. Sogar das «rote Zimmer» bei offener Türe schwingt höher aus. Die eingespeicherte Wärme lässt das Zimmer dann auch weniger schnell auskühlen, es muss weniger geheizt werden. Diese schwächere Amplitudenschwankung und höhere Absorptionsleistung lässt bei gutem Komfort die volle Nutzung der Sonnenstrahlung zu – der Effekt des solaren Direktgewinns!
  • Tageslicht- und Kunstlichtnutzung: Die Lichtumlenkung zeigt bei einfacher Bedienung grosse Wirkung. Bei der grossen Raumtiefe ist die Wirkung aber auf die fensterseitige Hälfte beschränkt. Abbildung 168 zeigt einen sonnenreichen Tag Anfang April. Wie so oft stimmt hier die Benutzungszeit nur teilweise mit dem Tageslichtangebot überein. Die fette, blaue Linie zeigt den Leistungsbezug in Watt der Gesamtbeleuchtung an. Die dünneren dunkelblau bis hellblau gefärbten Linien visualisieren die Dimmstufe in Prozent der 3 Lichtbänder. Es zeigt sich, dass die Leuchtengruppe an der Innenwand immer voll brennt.
    Die mittlere Leuchtengruppe wird relativ wenig gedimmt und die Gruppe beim Fenster sehr stark, sobald die Sonne scheint. Die grüne Linie zeigt den vergleichsweise geringen Elektroleistungsbezug der Lüftung, die Ventilatorstufen sind gut ersichtlich. Abbildung 169 und Abbildung 170 zeigen die Wechselwirkung von Sonnenstrahlung (gelb) und dem Leistungsbezug (dunkelblau) der Beleuchtung schön auf (oben in der Übergangszeit, unten im Winter). Benutzungs- und Sonnenstrahlungszeit stimmen selten überein. Einfache, lichtumlenkende, innere Blendschutz-Einrichtungen in Schulzimmern mit Ausrichtung Südost über Süd bis Südwest sind ausreichend. Von Südost über Süd bis Südwest sollen die Storen in der Übergangszeit und im Sommer nach der Innentemperatur und Sonnenlichtstärke geregelt werden.

 

Abbildung 166: CO2-Gehalt der Raumluft in 3 Schulzimmern (ppm). Grün: Bestehendes Zimmer links; blau: Musterzimmer; rot: bestehendes Zimmer rechts.

 

Abbildung 167: Temperaturverlauf in 3 Schulzimmern (°C). Grün: bestehendes Zimmer links; blau: Musterzimmer; rot: bestehendes Zimmer rechts.

 

Abbildung 168: Leistungen Strom (Watt). Blau: Leistungen Strom Musterzimmer; grün: Leistung Strom Lüftung; rot: Anwesenheit; gelb: Sonnenstrahlung.

 

Übersicht

Die Winterhalbjahresübersicht zeigt verschiedene Aspekte:

  • 5 Wochen kürzere Heizsaison im Musterzimmer.
  • Temperaturen im Musterzimmer sind fast immer leicht höher, Bilanz wäre also noch besser als gemessen.
  • Merklich tiefere Wärmebezüge des Musterzimmers ab Februar (höheres Strahlungsangebot).

Betrachtet man nur Kilowattstunden, erscheint der Elektroverbrauch als sehr gering, obwohl im Musterzimmer nicht nur wie in den Vergleichszimmern das Licht, sondern auch die Lüftung sowie der Beamer und Computer gemessen wird.

 

Abbildung 169: Leistungen Strom (Watt) in der Übergangszeit. Blau: Leistungen Strom Musterzimmer; grün: Leistung Strom Lüftung; rot: Anwesenheit; gelb: Sonnenstrahlung.

 

Abbildung 170: Leistungen Strom (Watt) im Winter. Blau: Leistungen Strom Musterzimmer; grün: Leistung Strom Lüftung; rot: Anwesenheit; gelb: Sonnenstrahlung.

 

Betriebsenergieeinsparung

  • Wärmeeinsparung: Seit Herbst 2013 ist eine erhebliche Wärmeverbrauchseinsparung von 6450 kWh oder 39% erfolgt, dies entspricht rund 650 l Heizöl.
    Fazit: Die Wärmeenergieeinsparung von 6450 kWh pro Jahr und Schulzimmer ist gegen 1000 Fr. pro Jahr wert, würde also Energieeffizienzinvestitionen für einen Lebenszyklus von z. B. 30 Jahren in der Höhe von 20 000 Fr. rechtfertigen (Amortisation, Zins und Unterhalt eingerechnet).
  • Stromeinsparung: Der Elektroenergiebezug des Musterzimmers liegt bei rund 475 kWh gegenüber durchschnittlich 850 kWh in den anderen Zimmern. Es wurde also rund 45% Elektroenergie eingespart (über beide Jahre sind es 43%). Gemessen wird der Strombedarf der Beleuchtung in den Vergleichszimmern. Im Musterzimmer sind es die Beleuchtung, die Lüftung und der Beamer, also eine sehr bemerkenswerte Einsparung. Die LED-Beleuchtung mit Lüftung bezieht etwa 425 Watt, die alte Leuchtstoffröhren-Beleuchtung derweil 1200 Watt. Dieses gute Resultat wird einerseits durch die bessere Effizienz der neuen LED-Leuchten, aber auch durch die mittels Lichtumlenkung, Lichtregelung und Storensteuerung verbesserte Tageslichtnutzung erreicht.
    Fazit: Die Elektroenergieeinsparung von 1000 kWh pro Jahr und Schulzimmer ist gegen 200 Fr. pro Jahr wert, würde also Energieeffizienzinvestitionen für einen Lebenszyklus von z. B. 30 Jahren in der Höhe von 4000 Fr. rechtfertigen (Amortisation, Zins und Unterhalt eingerechnet).

Anforderungen an Schulhäuser

  • Luftqualität: Jedes neu zu erstellende oder zu sanierende Schulzimmer braucht eine CO2-gesteuerte mechanische Belüftung mit Wärmerückgewinnung (min. 600m3/h Frischluft für 20 Personen; das heisst 30m3/h,Person), denn von November bis März sowie Juni bis September können die heute geforderten CO2-Limiten von 1400 ppm in einem Schulzimmer mittels Fensterlüftung, auch bei optimalem Nutzerverhalten, nicht eingehalten werden. Die Lüftungsanlage soll im Sommer auch zum Nachtauskühlen benutzt werden können. Raumbegrenzende Materialien sollen baubiologische Kriterien erfüllen (zum Beispiel: diffusionsfähig respektive geruchsneutralisierend). Die neuen Brandschutzrichtlinien ermöglichen einfachere Lüftungslösungen. Bei Sanierungen können aber auch Einzelgeräte wie im Musterzimmer eine gute Lösung ergeben.
  • Akustik- und Temperaturschwankungen: Bei Neubau und Sanierung von Schulzimmern sollen die Akustikmassnahmen in Kombination mit zusätzlicher Wärmespeichermasse realisiert werden. So kann die Abwärme von Personen und Stromanwendungen sowie das Sonnenlicht durch die Fenster besser genutzt werden. Dies kann mit einer massespeichernden Akustikdecke erreicht werden. Bei Schulzimmern mit 200m3 bis 250m3 Raumvolumen und Vollbelegung ist eine Nachhallzeit von ca. 0,6 s anzustreben. Schulzimmer mit einer Ausrichtung Südost über Süden nach Südwest brauchen mehr Speichermasse als andere Orientierungen (rechnerischer Nachweis erforderlich).
  • Tageslicht- und Kunstlichtnutzung: Ein Normschulzimmer ist meistens dreiseitig geschlossen und hat nur auf einer Seite Fensterflächen und natürlichen Lichteinfall. Aufgrund der vorhandenen Raumtiefen und der geforderten Beleuchtungsstärke von 550 Lux auf den Tischflächen ist ein reiner Tageslichtbetrieb nicht möglich. Energieeffiziente dimmbare Beleuchtungslösungen für optimales und konzentriertes Arbeiten sind nötig. Eine Lichtsteuerung ist nicht nötig. Die Beleuchtungsreihen im Raum sollen einzeln, jedoch manuell steuerbar bedient werden können (Dimmfunktion wünschenswert). Die Beleuchtungsreihen sollen parallel zur Hauptfensterfläche verlaufen. Zusätzlich muss eine separate Wandtafelbeleuchtung geplant werden.
  • Sonnenschutz: Schulzimmer brauchen einen möglichst windfesten Sonnenschutz, der auch übers Wochenende funktionsfähig bleibt. Ein Sonnenschutz sollte einen g-Wert unter 0,1 aufweisen und trotzdem einen Durchblick nach aussen erlauben. Ein robuster Lamellenstoren erfüllt diese Bedingungen. Die Modelle, die oben und unten verschiedene Anstellwinkel der Lamellen zulassen, verbessern auch noch die Tageslichtnutzung im Sommer. Denkbar sind auch robuste Ausstellstoren mit opakem, starkem Stoff. Eine Storensteuerung braucht es nur beim Sonnenschutz, der Südost über Süden nach Südwest ausgerichtet ist. Zum einen sollen die solaren Gewinne durch die Fenster optimal genutzt werden können, zum anderen müssen zu tiefe oder zu hohe Raumtemperaturen automatisch geregelt werden können. Der Sonnenschutz kann in den Zimmern von Nordwest über Nord bis Nordost immer als Verdunkelung eingesetzt werden, da dort die solaren Direktgewinne keine Rolle spielen.
  • Blendschutz: Jedes Schulzimmer mit Südost- bis Südwestausrichtung braucht einen inneren Blendschutz. Dieser muss das eindringende Sonnenlicht an die Decke umleiten können, einerseits zur besseren Tageslichtnutzung, andererseits zum Aufladen der Speichermasse in der Akustikdecke während der Heizperiode. Ebenso muss er als Verdunkelung einsetzbar sein, da in den Wintermonaten der äussere Sonnenschutz gesperrt ist. In der Verdunkelungsstellung sollte die Aussenseite zum Glas eine mindestens mittlere Dunkelheit aufweisen (gemeint ist die Farbe, zum Beispiel mittleres Grau), damit die Sonnenstrahlung nicht nach aussen reflektiert wird. Oben und unten ist eine genügend breite Öffnung nötig, damit die sich bildende Warmluft zirkulieren kann.
  • Fenster: Ein Fensterersatz sollte wenn möglich zusammen mit einer Fassadensanierung angestrebt werden. Für solare Direktgewinne sollte ein Fenster im Neubau und auch bei einer Sanierung soweit wie möglich aussen angeschlagen werden, dies um Verschattungen durch tiefe Leibungen und damit solare Einbussen vermeiden zu können. Bei Ausrichtungen der Fensterflächen von Südost über Süden nach Südwest ist ein g-Wert von mindesten 0,65 und ein U-Wert von maximal 0,8W/(m2 K) anzustreben. Bei Ausrichtungen der Fensterflächen von Südwest über Nord nach Südost ist der g-Wert nicht so wichtig und es genügt, wenn der g-Wert mindestens 0,45 ist. Hingegen spielt der U-Wert eine wichtige Rolle. Der sollte in dem Fall maximal 0,5 W/(m2 K) betragen.
  • Fassade: Eine diffusionsoffene kompakte oder hinterlüftete Lösung mit einem U-Wert von höchstens 0,15 W/(m2 K) ist anzustreben.
  • Bestandesaufnahmen bei Sanierungen: Im Falle einer Sanierung ist immer abzuwägen, ob es sich lohnt, ein Bauteil zu ersetzen. Ziel ist, keinen Wert zu vernichten. Energetische Optimierungen mit direkten solaren Gewinnen können auch ohne eine komplette Fassadensanierung erreicht werden. Ein Vergleich von konventionellen mit energieoptimierten Sanierungsmassnahmen am Beispiel vom Schulhaus Giacometti (Trakte A und B) ergab, dass die Mehrkosten mit einer energieoptimierten beziehungsweise integralen Lösung etwa ein Drittel höher sind. Damit wird aber nicht nur eine Energieoptimierung erreicht. Mit dem Einbau einer Lüftung wird auch der Komfort enorm gesteigert – sehr wichtig für ein gutes Schulklima. Betrachtet man nun die dadurch erzielten Energieeinsparungen in Bezug auf Strom und Heizkosten, neutralisieren sich diese Kosten bei einer Amortisationsfrist von 20 Jahren.
  • Projektverfasser: Andrea Rüedi, Chur