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Förderkennzeichen: 0327430L
Status: Abgeschlossen
Laufzeit: 05/2010 bis 03/2015
Themen: Sanierung von Einzelgebäuden, Heizen, Lüften, Kühlen, Gebäudebetrieb & Gebäudeautomation, Wärmenetze & Kältenetze, Solare Wärme, Wärme aus Erdreich, Grundwasser, Abwasser
Standort: Universitätsstraße 18, 03046 Cottbus, Brandenburg
Innovation: Der Stundenplan fungiert als Steuerungselement für die Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung. Für einen Schulflügel wird zur Beheizung der Rücklauf eines anderen Gebäudeflügels genutzt.
Schlagworte:

Quintessenz

  • Gebäudehülle auf Passivhausniveau gedämmt
  • Sole-Erdwärmeübertrager temperieren Zuluft
  • Erdreich unterhalb der Turnhalle dient als Speicher für solare Wärme
  • In einem Teil der Schule werden über 50% des Wärmebedarfs mit Rücklaufwärme gedeckt
  • Optimierung der Einschaltzeiten und Solltemperaturen bewirken wesentliche Einsparungen
  • Steuerung der Raffstore-Anlagen abhängig von der solaren Einstrahlung im Sommer vermeidet Überhitzung

Die zweiflügelige Typenschule in Plattenbauweise mit Aula und Turnhalle stammt aus 1974. Das Sanierungsprojekt versteht sich als Vorbild für andere Schulen, denn der Gebäudetyp ist regional weit verbreitet. Das Gebäude wurde entkernt und nach Passivhausstandard saniert. Seit 2012 ist es das neue Zuhause des Max-Steenbeck-Gymnasiums in Cottbus. Fernwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung versorgt das Gebäude mit Wärme und effiziente Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung sorgen für Hygienelüftung. Darüber hinaus hält das Energiekonzept weitere innovative Ansätze bereit: So wird zum Beispiel der Fernwärmerücklauf für die Beheizung eines Teils der Schule genutzt sowie im Erdreich unter dem Turnhallenboden Wärme gespeichert.

Projektkontext

Das Max-Steenbeck-Gymnasium ist eine Schule mit besonderer Förderung in Mathematik, Naturwissenschaften, Informatik und Technik. Die Schule ist im Oktober 2012 von ihrem bisherigen Standort in das neue Gebäude umgezogen. Die Schule ist eine Typenschule mit Aula aus dem Jahr 1974. Sie basiert auf dem letzten, noch bis 1990 oft gebauten Schultyp in Wand-Skelett-Bauweise. Durch die energetisch vorteilhafte Mittelflurbauweise hebt sie sich ab von den älteren Typenschulen.

Die Schule in Cottbus besteht aus einem zweiflügeligen Gebäude mit Aula und Turnhalle. Die zwei dreigeschossigen, unterkellerten Flügelgebäude sind über einen zweigeschossigen Verbindungsbau an die Aula angeschlossen und haben eine Grundfläche von je 18 x 48 m. Das Gebäude war sanierungsbedürftig, dies gilt für Wärmedämmung, Gebäudetechnik und Fenster. Es gab zahlreiche Undichtigkeiten, Risse, Betonabplatzungen und freiliegenden Bewehrungsstahl. Aula und Treppenhäuser waren einfachverglast. Sämtliche Ausbaumaterialen und Gebäudetechnikeinrichtungen waren nach 35-jähriger Nutzung völlig verschlissen und zum Teil funktionsunfähig, das Gebäude war nicht barrierefrei und auch die Brandschutzbestimmungen wurden nicht eingehalten.

Das sanierte Schulgebäude in Nordansicht: Eingerahmt von den beiden Schulflügeln und dem Zwischenbau wird der nördliche Schulhof. Auf den Dächern sind die Lüftungsanlagen nicht zu übersehen – es sind insgesamt fünf.

© BTU Cottbus

Panoramaansicht der Nordseite: Das Gebäude war noch bis 2009 mit verschiedenen Zwischennutzungen belegt. Es liegt auf einem 18.800 m² großem Grundstück direkt neben dem Campus der Universität im nördlichen Stadtzentrum.

© Richter Altmann Jyrch, Cottbus

Weitere Abbildungen

… damit das Max-Steenbeck-Gymnasium hier zwei Jahre später einziehen konnte. Das Gebäude in Südansicht: Die Aula mit neu gestaltetem Pausenhof.

© BTU Cottbus

Ostflügel, Verbindungsbau und Aula im Schnitt

© Richter Altmann Jyrch, Cottbus

Ein typischer Klassenraum: Zu sehen sind die günstige Tageslichtsituation und die ergänzende Kunstlicht-Beleuchtung. Weniger sichtbar sind die Akustikdecke und die Lüftungsanlage.

© BTU Cottbus

Das neue Foyer ist jetzt großzügiger

© BTU Cottbus

Die neue Aula

© BTU Cottbus

Das Schulgebäude im Grundriss

© ARGE Steenbeck, Cottbus

Das ist die alte Typenschule, errichtet im Jahr 1974, hier in einer Aufnahme von 2010. Das Gebäude musste grundlegend saniert werden …

© BTU Cottbus

Forschungsfokus

Mit dem begleitenden Gebäudemonitoring werden innovative Konzepte und Technologien untersucht, um die Anwendbarkeit und Übertragbarkeit auf Schulen vergleichbaren Typs untersuchen zu können. Vgl. hierzu die Ausführungen unter „Energiekonzept“. Der Einsatz dieser Konzepte wird unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten analysiert. Durch die zwei baugleichen, symmetrischen Schulflügel besteht die Möglichkeit, innovative Komponenten im direkten Vergleich zu konventionellen Varianten einzusetzen.

Der Gebäudebetrieb wurde zwei Jahre lang einem Intensivmonitoring unterzogen. Dazu wurden das Bussystem erweitert und 25 Wärmemengenzähler, 73 Stromzähler sowie einige Wasserzähler installiert, damit die Energieströme und Anlagenparameter detailliert im 15-Minuten-Takt erfasst und gespeichert werden können. Zudem wurden webbasierte Datenabfragen ermöglicht, um Energiebilanzen erstellen und den Gebäudebetrieb wissenschaftlich begleiten zu können. Im Behaglichkeitsmonitoring werden zudem bestimmte Raumparameter (wie z.B. Innenlufttemperatur, Strahlungstemperatur, Luftströmung, Luftschichtung, Kohlendioxidgehalt) in verschiedenen Unterrichtsräumen gemessen.

Konzept

Sanierungskonzept

Mit der Sanierung soll das Gebäude Passivhausstandard erreichen, das entspricht einem Heizwärmebedarf von höchstens 15 kWh/m²a. Dafür wird es bis auf den Rohbau entkernt und anschließend mit Passivhauskomponenten wärmegedämmt.

Der Nachweis des Passivhausstandards hat mit dem Passivhaus-Projektierungspaket (PHPP) einen Heizenergiebedarf von ca. 14,1 kWh/m²a ergeben. Turnhalle und Schulgebäude haben die Passivhauszertifizierung erhalten. Die Werte des 3-Liter-Haus-Standards nach DIN V 18599 werden ebenfalls eingehalten, darin ist für Heizung, Lüftung und Hilfsenergie als Obergrenze ein Primärenergiebedarf von 34 kWh/m²a definiert.

Das großzügige Mittelflurkonzept mit zwei dreigeschossigen Schulflügeln wurde beibehalten, die Eingänge wurden mit zusätzlichen Windfängen ausgestattet. Der zuvor offene Hofbereich unter der Aula wurde geschlossen und damit zum neuen Standort für Kantine und Bibliothek. Die Flure wurden an den Stirnseiten zum Fenster hin geöffnet und auf diese Weise um Pausenzonen erweitert. Vor dem Kellergeschoss wurde ein Außenbereich für die angrenzenden Fachräume Musik/Kunst geschaffen. Mit dem Einbau von Aufzügen wurde das Gebäude barrierefrei gemacht.

Decke im Schnitt: Weil das Dach ist in Leichtbauweise ausgeführt ist, sollen Phase Change Materials (PCM) die thermische Kapazität der Decke erhöhen.

© BTU Cottbus

Weiter Abbildungen

Der energetische Standard des 1974 errichteten Gebäudes war nicht mehr zeitgemäß, wie die Thermographie-Aufnahme eines Gebäudeflügels eindrucksvoll zeigt.

© BTU Cottbus

Hier ist die nach Passivhaus-Standard sanierte Fassade eines Gebäudeflügels zu sehen. Die im Keller liegenden Räume für Musik und Kunst erhielten einen für Veranstaltungen nutzbaren Außenhof und bodentiefe Fenstertüren nach außen.

© BTU Cottbus

Die Phase Change Materials (PCM) werden in Form eines speziellen PCM-Putzes angebracht.

© BTU Cottbus

Und hier die fertige Decke – mit Lüftungsanlage und abgehängter Beleuchtung

© BTU Cottbus

Statt Wärmedämmung: Weil der Turnhallenboden erst kürzlich erneuert, jedoch nicht gegen das Erdreich thermisch isoliert wurde, können die Bodenplatte und das angrenzende Erdreich als Speicher für Überschusswärme und solare Wärme genutzt werden. Der Effekt in einer thermischen Simulation für Sommer und Winter.

© GWJ Ingenieurgesellschaft für Bauphysik GbR, Cottbus

Ein Teil der Bodenplatte unter der Turnhalle und das angrenzende Erdreich wird als Speicher für Überschusswärme und Niedertemperaturwärme des Solarkollektors genutzt. Dazu wurde ein Rohrsystem in drei Schleifen in bereits bestehende Kanäle unter der Bodenplatte eingebracht.

© BTU Cottbus

Mit dieser mobilen Messtation werden Raumklimaparameter und Energieeffizienzwerte gemessen. Die Station ist jetzt fester Bestandteil des Unterrichts im Schülerlabor.

© BTU Cottbus

Energiekonzept

Mit Fernwärme aus Kraft-Wärme-Kopplung wird das Gebäude mit Wärme versorgt und stromeffiziente Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung garantieren eine energieeffiziente Hygienelüftung.

Im Bereich der Gebäudetechnik kommen verschiedene innovative Konzepte und Technologien zum Einsatz:

  • Erdwärmespeicher zur Nutzung solarer Überschusswärme
  • Sole-Erdwärmeübertrager zur Vortemperierung der Zuluft
  • Nutzung von Wärme aus dem Fernwärme-Rücklauf

Einer der beiden Schulflügel erhält Fernwärme aus dem konventionellen Vorlauf (70°C), in Teilbereichen wird für den anderen der Fernwärmerücklauf genutzt (50°C). Dies erfordert zwar größere Heizflächen, doch wird damit auch die Effizienz des Fernwärmesystems verbessert.

Für einen der beiden Schulflügel sowie für die Aula, den Essensraum und die Bibliothek wird Erdreichwärme genutzt. 24 Sole-Erdwärmetauscher reichen jeweils 70 Meter tief ins Erdreich. Darüber kann im Winter eine passive Vorheizung der Zuluft und im Sommer eine Kühlung erfolgen. Die Lüftung mit einem Luftvolumenstrom von ca. 20 m³/h pro Person erfolgt dabei zeitlich nach Stundenplan gesteuert sowie bei außerplanmäßiger Nutzung auf Tastendruck. Es gibt zudem eine Abluft-Wärmerückgewinnung, womit die Lüftungswärmeverluste minimiert werden.

Im Bereich der Turnhalle ist die Nutzung des darunter liegenden Erdreichs als Speicher für Überschusswärme und Niedertemperaturwärme des Solarkollektors vorgesehen. Dazu wird ein Rohrsystem in drei Schleifen in bereits bestehende Kanäle unter der Bodenplatte eingebracht. Dadurch können im Sommer Wärmeüberschüsse ins Erdreich abgeleitet werden. Im Winter dient das System dazu, Transmissionswärmeverluste des Sportbodens der Turnhalle zu verringern. Denn der Boden wurde erst kürzlich erneuert - deshalb kommt aktuell eine effiziente Wärmedämmung aus wirtschaftlichen Gründen nicht in Frage. Dynamische Simulationsberechnungen aus einem vergleichbaren Projekt lassen winterliche Erdreichtemperaturen von ca. 18-20°C und damit stark verringerte Wärmeverluste über das Erdreich erwarten.

Auch die Beleuchtung wird optimiert: Zwar erfolgt die Einschaltung weiterhin manuell, doch eine automatische Ausschaltung zum Ende jeder Unterrichtsstunde ist möglich und vermeidet unnötigen Stromverbrauch für Beleuchtung.

Schematische Darstellung der Wärmeversorgung

© BTU Cottbus und Integral Projekt GmbH & Co. KG, Cottbus

Performance und Optimierung

Mit Primärenergieverbräuchen von etwa 32 kWh/m²a für die Schule und 30-33 kWh/m²a für die Turnhalle wurde das Ziel einer 3-Liter-Schule erreicht.

Neben passivhaustauglicher Wärmedämmung, hochenergieeffizienter Lüftungs- und Haustechnik nutzt die Schule neuartige Konzepte, die es zu erproben galt. So liefern die Sole-Erdwärmeübertrager durch das Vorwärmen der Lüftungsanlagen etwa 8% der Heizwärme der Schule aus der Erdwärme. Im Hochsommer kann ein Vorkühlen mittels dieser Erdwärmeübertrager die Zulufttemperatur für den Klassenraum um bis zu 2 K senken. Die Einspeicherung von Überschusswärme der Solarkollektoranlage erwärmt das Erdreich unter der Bodenplatte der Turnhalle im Winter um etwa 3 K. Damit reduziert sich der Heizwärmeverbrauch der Turnhalle um 6 MWh pro Jahr. Durch Wiedereinspeisung des Fernwärmerücklaufs aus einem Teil der Schule in einen anderen Teil der Schule mit größeren Heizkörperflächen, kann dort zu über 60% des Wärmebedarfs mit der Rücklaufwärme geheizt werden. Dies entspricht einer Einsparung von 16 MWh Wärme.

Ein Klassenraum verfügt über eine wärmespeichernde Putzdecke (PCM). Aufgrund hoher Deckentemperaturen im gesamten Sommerhalbjahr und nicht ausreichender nächtlicher Auskühlung, kann die Speicherkapazität der Putzdecke nicht ausgeschöpft werden.

Die Thermische Behaglichkeit liegt während der Nutzungszeit meist im angenehmen Bereich, mit PMV-Werten zwischen -0,5 und +0,5. Der Kohlendioxidgehalt der Raumluft in den untersuchten Räumen liegt in der Nutzungszeit zu 98% unter 1.500 ppm und ist damit akzeptabel. Der Mindestluftwechsel der fünf zentralen mechanischen Lüftungsanlagen der Schule von 20 m³/h und Person wird als guter Kompromiss zwischen den technischen Möglichkeiten bei einer Sanierung und den Energiekosten gesehen. Zusätzlich wird bei voller Raumbelegung eine kurze manuelle Fensterlüftung in den Pausen und in der Mitte einer 90-Minuten Doppelunterrichtsstunde empfohlen.

Zur Optimierung des Gebäudebetriebs wurden in den ersten beiden Betriebsjahren sämtliche Einschaltzeiten, Solltemperaturen sowie Drücke der Lüftungsanlagen und die Schaltkriterien für die Heizung sowie die Nutzung von Erdsonden und Solarkollektoren eingehend überprüft.

So konnte durch Senkung der Heizgrenztemperatur auf 10°C die sommerliche Einschaltung der Heizungspumpen reduziert werden. Auch wurde das Heizungssystem von einer Außentemperatursteuerung auf eine Referenzraumsteuerung umgestellt, um einen morgendlichen Heizungsbetrieb im Sommer zu vermeiden. Der Ferienbetrieb mit Ausschaltung der Lüftungsanlagen und Absenkung der Heizung musste erst festgelegt und programmiert werden. Im Ergebnis sank der temperaturkorrigierte Heizenergieverbrauch des ersten Halbjahrs 2014 im Vergleich zu 2013 um 20%. Im ersten Halbjahr 2015 sank er erneut um 7%. Weitere Änderungen betrafen die spätere Einschaltung der sommerlichen Nachtlüftung erst ab 1 Uhr, dafür aber mit erhöhter Leistung. An Hochsommertagen erfolgt zwischen 5:00 und 7:45 eine manuelle Fensterlüftung. Grundsätzlich endet die automatische Lüftung um 17.30 Uhr. So konnte der Stromverbrauch der Lüfter um 10% gesenkt werden.

Probleme bereitete auch die Jalousiesteuerung. Im Sommerhalbjahr schlossen sich morgens alle Jalousien des Gebäudes. Mittlerweile sind die Jalousien entsprechend der Fassadenausrichtung morgens nur im Osten, mittags im Süden und nachmittags im Westen geschlossen, um zu hohen Energieeintrag zu verhindern. Ansonsten wird das natürliche Tageslicht weitgehend genutzt. Grundsätzlich hat der Lehrer die Möglichkeit, in die Steuerung manuell einzugreifen.

Wirtschaftlichkeit

Die Sanierungskosten belaufen sich auf insgesamt knapp 13 Millionen Euro, kalkuliert waren gut 11 Millionen. Die halbe Summe kommt aus Förderprogrammen, die andere Hälfte wird über einen kommunalen Kredit finanziert.

Die Energiekosten inklusive Grundpreis betragen für Elektroenergie ca. 26 ct/kWh und für Fernwärme ca. 15 ct/kWh. Bei den Wärmekosten ist zu berücksichtigen, dass sich Energieeinsparungen nur marginal auf die Kosten auswirken, da der fixe Grundpreis für die Fernwärmeanschlüsse mehr als 50% der Kosten ausmacht. Dafür entstehen dem Gebäudebetreiber bei einem Fernwärmeanschluss auch keinerlei Kosten für die etwaige Wartung von Tank, Speicher, Brenner, wie das bei anderen Wärmeerzeugern nötig ist.

Pädagogikkonzept

Nach Projektende kann die Monitoringtechnik weitergenutzt werden. Dazu wurde der Monitoring-Arbeitsplatz in das für alle Schulen offenes „UNEX-Schülerexperimentallabor“ integriert, welches in einem Teilbereich des Erdgeschosses einzieht. Neben anderen Schülerexperimenten in Physik und Chemie wird so auch die Gebäudeenergieeffizienz experimentell erlebbar, womit die Thematik in den Unterricht der naturwissenschaftlich ausgerichteten Schule, sowie in Veranstaltungen der BTU Cottbus einfließen kann. Energieverbräuche, Informationen zum Passivhaus und zum richtigen Umgang mit Lüftung, Beleuchtung und Verschattung wurden auf einer Anzeigetafel in der Schule sichtbar gemacht.

Projektkenndaten

Gebäudekenndaten

Gebäudetyp Gymnasium in Plattenbauweise
Baujahr des Gebäudes 1974
Sanierungsbeginn 2010
Fertigstellung 2012
Inbetriebnahme 10.2012
   
Flächengrößen für Schulgebäude und Turnhalle  
Bruttogrundfläche (nach DIN 277) 10.863 m²
Beheizte Nettogrundfläche (für Nichtwohngebäude, in Anlehnung an DIN 277) 9.509 m²
Bruttorauminhalt 40.954 m³
Arbeitsplätze (oder Schüler oder vergleichbare Personenangaben) 600 Personen
A/V-Verhältnis (ggf. vor / nach Sanierung) 0,33 (vor); 0,35 (Schulgebäude) m²/m³

Energiekenndaten

Energiekennwerte Bedarf        
  Neubau / nach … vor Sanierung    
Heizwärmebedarf (Nutzenergiebedarf Wärme) 26,30 (Schulgebäude) 260,90 (Schulgebäude) kWh/m²a  
Primärenergie Gesamt 45,20 217,40 kWh/m²a  
         
Energiekennwerte Verbrauch        
  Neubau / nach … vor Sanierung    
Endenergie Strom gesamt 14,70 kWh/m²a  
Endenergie Wärme 22,50 133,20 (Schulgebäude) kWh/m²a  
Primärenergie Wärme 93,20 (Schulgebäude) kWh/m²a  
Primärenergie Gesamt 29,90 (Schulgebäude); 22,60 (Turnhalle) 132,10 (Schulgebäude) kWh/m²a  
         
weitere spezifische Verbrauchsdaten für Beleuchtung, Klima, Lüftung etc.        
  Neubau / nach … vor Sanierung    
Strom Lüfter und Pumpen 5,30 kWh/m²a  
Strom für Beleuchtung 5,60 kWh/m²a  
Strom Nutzung (Büro, Geräte) 3,80 kWh/m²a  

Kostenkenndaten

Baukosten bzw. Sanierungskosten für Schulgebäude und Turnhalle    
Kosten für die Sanierung der Baukonstruktion [KG 300] 486 EUR/m²
Kosten für die Sanierung der Technischen Anlagen [KG 400] 255 EUR/m²
     
Kosten für Einzelmaßnahmen    
Sanierung insgesamt 1.346 EUR/m²
     
Es handelt sich jeweils um eine Kostenfeststellung    

Letzte Aktualisierung: 21. April 2017

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