Eine Schule der Zukunft

Als Träger der beruflichen Schulen führte der Rhein-Neckar-Kreis (RNK) den Neubau der Louise-Otto-Peters-Schule (LOP) am Standort Hockenheim für 280 Schüler durch. Der RNK setzt dabei auf ein nachhaltiges und umweltfreundliches Gebäudekonzept. Konkret bedeutet dies die Errichtung der LOP im Passivhaustandard sowie die Teilnahme am Modellprojekt des Bundes für „Bildungsbauten im Effizienzhaus-Plus-Standard“. Gegenüber einem üblichen Neubau können im Betrieb bis zu 65 t CO₂ pro Jahr eingespart werden.

Ab dem Jahr 2019 müssen öffentliche Neubauten nach der geltenden EU-Gebäuderichtlinie den Niedrigstenergiestandard erreichen. Seine Konkretisierung steht mit dem kommenden GebäudeEnergieGesetz GEG an, das die Energieeinsparverordnung EnEV ablösen wird. Für das Jahr 2050 wird in Deutschland sogar der „klimaneutrale Gebäudebestand“ angestrebt. Vor diesem Hintergrund ist das Modellvorhaben zu sehen – eine neue Generation von Gebäuden, die auf Jahressicht einen Überschuss an Energie erzielen, zu errichten.

Im Rahmen des Modellvorhabens wird zudem eine Zertifizierung nach BNB (Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen des Bundes) durchgeführt. Da auch Messwerte der Inbetriebnahme in die Bewertung einfließen (z.B. hinsichtlich der Innenluftqualität), wird mit dem Abschluss der Zertifizierung in Silber zum Jahresanfang 2018 gerechnet. Der Aufwand für die Nachhaltigkeitszertifizierung ist vergleichsweise hoch, bereichert aber den Planungsprozess. Die Auseinandersetzung sollte daher so früh wie möglich beginnen.

Organisation und Konstruktion

Der Z-förmige Baukörper, entworfen von Roth Architekten aus Schwetzingen, ist übersichtlich strukturiert. Von einem zentralen Aufenthalts- und Erschließungsbereich mitsamt zuschaltbarer Aula werden zwei Gebäudeflügel erschlossen. Das EG beinhaltet den gesamten Verwaltungsbereich und alle berufsbezogenen Fachräume, das OG die allgemeinen Unterrichts-, Aufenthalts- und Arbeitsräume. Technik und Lager befinden sich im UG.

Das Tragwerk besteht aus Stützen und Außenwänden in Stahlbeton. Die Innenwände werden als Trockenbau- und Systemtrennwände errichtet. Als Dämmung kommt ein Wärmedämmverbundsystem (WDVS) mit einer Dämmstärke von 20 cm zum Einsatz. Das WDVS ist mit Klinkerriemchen verblendet, in Teilbereichen auch mit einer vorgehängten, hinterlüfteten Metallfassade. Die Dämmung der Dachfläche beträgt im Mittel 30 cm. Raumhohe Verglasungen werden als Pfosten-Riegel-Fassade konstruiert, die Einzelfenster in Holz-Aluminium. Generell wird Dreischeiben-Wärmeschutzverglasung ausgeführt. Alle Fensterflügel sind für Lehrer zu öffnen. Zur Verbesserung von Tageslichtversorgung und Ausblick wurden die Leibungen abgeschrägt.

Energiestandard und Anlagentechnik

Ausgangs- nicht Endpunkt für das Energiekonzept war 2014 der Passivhausstandard. Eine Grundlage ist der hohe Wärmeschutz der Gebäudehülle. Der mittlere U-Wert der opaken Bauteile liegt bei 0,116 W/m²K, der der transparenten Bauteile unter 0,900 W/m²K. Daneben sorgen Lüftungsgeräte für die Sicherstellung des hygienisch notwendigen Luftwechsels, während gleichzeitig die hocheffiziente Wärmerückgewinnung die Heizlast gering hält.

Insgesamt wurden sieben Zu- und Abluftanlagen im Gebäude installiert, die verschiedene Zonen versorgen. Fünf kleine Geräte ohne Heiz- und Kühlfunktion belüften die im ganzen Gebäude verteilten, innenliegenden Sanitärbereiche. Ein großes, zentrales Lüftungsgerät versorgt die Klassen und die Räume für den Lehrkörper, ein weiteres die Lehrküche. Hier gelten erhöhte Anforderungen an die Filter. Beide großen Lüftungsanlagen wurden als Zweikanalsystem (System „Bauer Optimierungstechnik“) ausgeführt. Dabei stellen Heiz- und Kühlregister gebäudezentral unterschiedliche Temperaturniveaus in zwei getrennten Zuluftkanälen ein. Raumseitige Thermostate und raumseitige Volumenstromklappen in der Abluft regeln den Luftvolumenstrom und damit auch den Wärmeeintrag in den Raum individuell.

Auf dem Flachdach der zweigeschossigen Schule ist eine Photovoltaik-Anlage mit einer Leistung von 191,4 kW_p installiert. Die Module sind flach aufgeständert und nach Westen und Osten ausgerichtet. Damit verfügt die LOP über mehr als 1 kW_p pro 20 m² Nettogrundfläche, dem Modellvorhaben geschuldet ein recht hoher Wert. Der für das Standardklima Potsdam errechnete Stromertrag von knapp 165.000 kWh im Jahr wird vorrangig innerhalb des Gebäudes verwendet, Überschüsse finden außerhalb der Ferienzeiten auf dem umgebenden Schulcampus ihre Verwendung.

Die geringfügige, auf verschiedene Zapfstellen im Gebäude verteilte Warmwasserbereitung erfolgt aus hygienischen und ökonomischen Gründen dezentral elektrisch. Die Bereitung der Heizwärme erfolgt bivalent. Priorität genießt eine Sole-/Wasser-Wärmepumpe. Diese nutzt einen Eisspeicher als Umweltwärmequelle, die im Sommer über Wärmeeinträge aus dem Gebäude und aus einem Außenluftabsorber regeneriert wird. Zur Spitzenlastabdeckung soll das Fernwärmenetz der Stadtwerke Hockenheim mit einem Primärenergiefaktor von 0,64 dienen. Bilanziell wurden der Wärmepumpe nur 30 % und der Fernwärme 70 % Deckungsanteil zugerechnet. Dies wird einerseits mit der Versorgungssicherheit begründet. Desweiteren ergibt die Bilanz nach DIN V 18599:2011 einen deutlich höheren Heizwärmebedarf als beispielsweise die parallel erstellte Bilanz nach dem Passivhaus-Projektierungs-Paket PHPP. Erklärtes Ziel ist aber, im realen Betrieb die für ein Passivhaus bekannten Kennwerte einzuhalten und die Deckungsanteile beider Wärmeerzeuger auszutauschen.

Detailliertes Monitoring

Das Konzept für die Positionierung der Sensoren und Zähler wurde von der Ina Planungsgesellschaft mbH (ina) erstellt. Es ergibt sich aus den Vorgaben des Leitfadens Monitoring des Bundesumweltministeriums zum Modellvorhaben. Dieser sieht eine Unterteilung in Verbrauchsdaten, Klimadaten und Nutzerverhalten vor. Ziele des Monitorings sind die Ermittlung spezifischer Kennwerte für den Endenergieverbrauch, getrennt nach Prozess-/Anlagenkomponente, als auch des spezifischen Nutzenergieverbrauchs im Raum. Aus diesen Werten werden Aufwandszahlen für alle Erzeuger abgeleitet und die Verbrauchsstruktur analysiert. Die Erfassung aller Werte erfolgt auf 15-Minuten-Basis. Aus diesen werden Stunden-, Tages-, Monats- und Jahreswerte gebildet. Neben dem Verständnis des Gebäudeverhaltens und der Betriebsoptimierung nach dem ersten und zweiten Jahr Intensivmonitoring dient die Datenerfassung auch der Überprüfung der berechneten Plus-Energie-Bilanz in der Praxis.

Um eine detaillierte Gegenüberstellung der während der Planungsphase berechneten Bedarfe nach DIN V 18599 und der im Betrieb gemessenen Verbräuche zu ermöglichen, erfolgt die Erfassung getrennt nach den elf Zonen verschiedener Nutzung, die schon Grundlage der Bilanz waren. Zudem musste das Gebäude hinsichtlich der elektrotechnischen Ausstattung in fünf Bereiche aufgeteilt werden, die unabhängig voneinander verkabelt und abgesichert werden. In Summe wurden so allein 90 Messpunkte für die Stromversorgung vorgesehen: Davon entfallen je knapp 30 Messpunkte auf die zonenweise Messung der Beleuchtung und des Nutzerstrombedarfs. Der Rest dient der Erfassung des Strombedarfs für die Durchlauferhitzer, Pumpen und Ventilatoren sowie für den Ertrag und die Einspeisung der Photovoltaikanlage.

Zur Erfassung und Analyse der gebäudezentralen Wärme- und Kältebereitung wurden weitere 95 Messpunkte installiert. Mit 71 Messpunkten entfällt die Mehrheit dabei auf Temperatursensoren vor und hinter allen anlagentechnischen Komponenten – 37 davon für alle Kanäle der Lüftungsanlagen. Ergänzt werden diese von 13 Wärmemengen- und elf Volumenstromzählern. Die Erfassung des Heizwärme- und Nutzkältebedarfs muss dagegen raumweise erfolgen. Hier werden ausschließlich die ohnehin vorhandenen und für die Konditionierung des Gebäudes notwendigen Raumthermostate und Volumenstromregler ausgewertet. Allein im Namen der Forschung wären die hierfür vorgesehenen 420 Messpunkte nicht zu vertreten, stehen so aber für eine Analyse des Bedarfs und der Behaglichkeitsbedingungen bereit.

Modellvorhaben Effizienzhaus Plus

Bildungsbauten werden als Effizienzhaus Plus bezeichnet, wenn sowohl ein negativer Jahres-Primärenergiebedarf als auch ein negativer Jahres-Endenergiebedarf vorliegen. Damit entspricht die Definition dem Modellvorhaben für Wohngebäude aus dem Jahr 2012. Im Unterschied müssen aber alle Energiedienstleistungen für Nichtwohngebäude nach EnEV enthalten sein. In die Bilanz eingerechnet werden also die Bedarfe der Anlagentechnik des Gebäudes für Wärme, Kälte, Beleuchtung und Lufttransport sowie zusätzlich ein pauschaler Nutzerstrombedarf von 10,0 kWh/m²a.

Als Bilanzgrenze gilt das Grundstück. Alle Energiemengen werden gemäß DIN V 18599 auf Monatsbasis ermittelt, miteinander verrechnet und Kennwerte gebildet. Mit dem EnEV-Standardklima Potsdam ergibt sich ein Stromertrag der Photovoltaik von 43,8 kWh/m²a, bei einem Gesamt-Endenergiebedarf für Fernwärme und Strom von 39,5 kWh/a. Der Überschuss an Endenergie beträgt damit 4,3 kWh/m²a, primärenergetisch gewichtet liegt er mit etwa 40 kWh/m²a eine Größenordnung höher. Rein stromseitig beläuft sich der Überschuss auf 14,7 kWh/m²a, resultierend aus einer Netzeinspeisung von 23,2 kWh/m²a bei einem Netzbezug von 8,5 kWh/m²a. Die Eigennutzung des vor Ort erzeugten Stroms beträgt hierbei 20,6 kWh/m²a. So schlüssig die Zahlen auch sind – in ihrer Gesamtheit sind sie schwer lesbar und noch weniger aufschlussreich.

Teil des Modellvorhabens ist daher die Visualisierung der Energiemengen und die Bildung relevanter Kennwerte. Ina hat dafür neben den gewohnten Säulen- und Tortendiagrammen ein „Energiedreieck“ entworfen, das den Fluss der Energie zwischen dem Gebäude als Verbraucher, der Photovoltaik als Erzeuger und den anliegenden Energienetzen als quasi „unbegrenzte Speicher“ anschaulich machen soll. Das Energiedreieck zeigt, wie der erneuerbare Stromertrag (grün) der Photovoltaik in etwa hälftig eingespeist und eigengenutzt wird. Die Menge aus dem Netz bezogenen Stroms (rot) ist vergleichsweise gering, selbst der Fernwärmebezug liegt bilanziell darüber. Mit einem Blick kann der Überschuss an Strom und auch an Endenergie abgelesen werden. Zudem werden die vorgeschlagenen Kennzahlen verständlich: 47 % Eigennutzung des erzeugten Stroms auf Basis des Gesamtstromertrags bedeuten gleichzeitig 71 % Eigenversorgung auf Basis des Gesamtstrombedarfs. Auch ein Stromspeicher lässt sich leicht darstellen – er sitzt im Zentrum des Dreiecks, leitet eine vormalige Einspeisung verzögert in das Gebäude und verringert dadurch den Netzstrombezug.

Gegenwärtig basieren die Daten noch rein auf den Bilanzwerten auf Monatsbasis. Zukünftig werden die auf Viertelstundenbasis erfassten und ausgewerteten Messdaten in die Visualisierung einfließen. Die Auswirkungen der Änderung, insbesondere des Bilanzintervalls, werden gravierend sein: Die Eigennutzung wird ohne lokalen Stromspeicher deutlich sinken, die Inanspruchnahme des Stromnetzes klar steigen. Denn bisher negiert das Monatsintervall die Unterschiede von Tag und Nacht, Werktag und Wochenende, guter und schlechter Witterung, mit allen scheinbar positiven Auswirkungen auf die Kennzahlen wie derzeit noch dargestellt. Die Zukunft bleibt spannend!