Energiekonzept für Bildungsbauten

Vorbemerkungen

Nachhaltige Energiekonzepte spielen heutzutage immer mehr eine Rolle im energieeffizienten Bauen. Den Schulen kommt hierbei eine Schlüsselrolle zur Erreichung der Klimaschutzziele zu. Sie sind nicht nur für die Ausbildung der kommenden Generationen verantwortlich, sondern mit ihrem umfangreichen und heterogenen Gebäudebestand sowie ihren Neubauten dazu prädestiniert, ein Lernlabor für „Energieoptimiertes Bauen und Betreiben“ zu bilden.

Die wissenschaftlichen und technischen Arbeitsziele im Neubau des Willibald-Gluck-Gymnasiums beruhen auf der Umsetzung und Dokumentation der Schule inklusive Turnhalle als EnergiePlus-Gebäude. Im Rahmen des Projektes wird ein Monitoringkonzept zur Überprüfung und Qualitätssicherung der Energie- und Komfortziele des Gebäudes umgesetzt. Des Weiteren werden innovative Betriebsstrategien für Schulgebäude entwickelt und evaluiert in Hinblick auf eine hohe Energieeffizienz und Steigerung der Eigenstromnutzung sowie der Nutzung der Erdwärme zur Beheizung des Schul- und Turnhallengebäudes und dem Einsatz innovativer Technologien.

Das integrale Gebäudekonzept vereint das Zusammenspiel von architektonischen Überlegungen zur Ausrichtung und Gebäudeform, eine hochwertige und luftdichte Gebäudehülle mit niedrigen Wärmedurchgangskoeffizienten sowie eine energieeffizienten Gebäudetechnik zur Wärme- und Stromversorgung.

Neben der regenerativen Energieerzeugung über eine erdgekoppelte Wärmepumpe und einer PV-Anlage auf dem Schul- und Turnhallendach (290 kW_p) bildet ein VRF-Batteriesystem mit 130 kWh Speicherkapazität die Grundlage für zukunftsträchtige Energiekonzepte in Bildungsbauten.

Der Schulneubau

In der Stadt Neumarkt i.d. OPf. errichtete der Landkreis Neumarkt den Neubau des Willibald-Gluck-Gymnasiums (WGG) mit Turnhalle für rund 1.400 Schüler. Das vierstöckige Schulgebäude mit innenliegendem Atrien und einer Nettogeschossfläche (NGF) von rund 11.500 m² hat zum Winterschuljahr 2015/2016 den Betrieb aufgenommen. Zusätzlich entstand eine Dreifeld-Turnhalle im Nordwesten mit einer NGF von rund 2.900 m² (Bild 1).

Im Vorgriff auf die Vorgaben aus der EU-Richtlinie zur Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden sollte der Schulkomplex als „EnergiePlus-Schule“ realisiert werden und setzt damit den geforderten Standard eines „nearly zero energy buildings“ als Demonstrationsprojekt um. Das ganzheitliche und innovative Energiekonzept setzt auf ein energieoptimiertes, nachhaltiges, funktionales, behagliches und architektonisch wertvolles Gebäude. Dabei werden für diesen Standard notwendige innovative Technologien und Methoden eingesetzt und evaluiert. Das Projekt demonstriert diese genannten Inhalte in besonders anschaulicher Weise und übernimmt als öffentliche Bildungseinrichtungen eine Vorbildfunktion ein.

Die umgesetzten innovativen Technologien werden mit einer neuen Methodik – dem „digitalen Prüfstand“ – systematisch in Betrieb genommen und fortlaufend automatisiert überwacht. Über die eingebaute Mess- und Monitoringinfrastruktur können die Betriebsdaten, die Gebäudeperformance und die Innenraumqualität differenziert dargestellt werden.

Für Transparenz und Akzeptanz des zukunftsfähigen Projektes sorgt eine Lernplattform für Schüler und Lehrer. Hierzu findet im Projekt die praktische Umsetzung der „Aktiven Funktionsbeschreibung“ im digitalen Gebäudeprüfstand statt, einer durch das IGS in Kooperation mit der Fa. synavision entwickelten webbasierten Plattform zur Spezifikation und Fehlererkennung im Betrieb. Durch die Visualisierung der aufgezeichneten Daten soll die Energieperformance und der Innenraumkomfort im Schulgebäude den Schülern und Lehrern transparent gemacht werden. Die Bearbeitung und Analyse erfolgt im Rahmen der Einrichtung eines Energielabors für den Schulunterricht.

Architektur

Licht, Transparenz, offene Kommunikation und klare Orientierung sind nur einige der selbst gesetzten Qualitätsfaktoren für Innenarchitektur und Architektur des neuen Gymnasiums. Oberstes Ziel war ein optimales Unterrichtsklima für Schüler und Lehrer zu schaffen. Bunte Glasscheiben, Witterungsschutz für die Öffnungsflügel der Fenster, setzen fröhliche Akzente. Im Inneren wirken Schallabsorber als gestaltende Elemente der Innenarchitektur (Bild 4).

Im gesamten Schulgebäude erleben Schüler und Lehrer offene und helle Räume, u. a. durch Durchbrüche in den Innenraum. Es eröffnen sich Licht und Blickbeziehungen für eine offene und kommunikative Schule. Für Tageslicht im Innenbereich sorgen die zwei großen Atrien. Helle Verkehrswege verbinden alle Bereiche, den klassischen langen, dunklen Schulflur gibt es hier nicht. Die Erschließungsflure sind eher wie offene Straßen, an denen sich immer wieder Plätze für offene Kommunikation oder ruhige Nischen zum Rückzug öffnen (Bild 5).

Energiekonzept

Als Leuchtturmprojekt – für einen neuen Gebäudetypus EnergiePlus-Schule – nutzt das WGG die Bausteine Photovoltaik (PV), Wärmepumpe sowie ein neuartiges Batteriesystem „Vanadium-Redox-Flow“ (VRF-Batterie) und wird dadurch dezentraler Energieerzeuger in einem virtuellen Netz. Strom dominiert als Energieträger das Energiekonzept, sodass ein energetisches und wirtschaftliches Interesse besteht, den selbst erzeugten Photovoltaikstrom im Gebäude zu nutzen und einen hohen Eigenstromnutzungsanteil zu erreichen.

Das Erdreich wird als Niedertemperaturwärmequelle bzw. -senke sowie thermischer Speicher über 99 aktivierter Energiepfähle (Gründungspfähle) und einem Flächenkollektor (Agrothermiefeld) unter dem Sportplatz erschlossen. Die erdgekoppelten elektrischen Wärmepumpen erzeugen die Bedarfswärme für die Fußbodenheizung und Betonkerntemperierung sowie Lüftungsanlagen.

Alle Klassenräume werden mechanisch belüftet, um die für Bildungsbauten in besonderem Maße relevante Raumluftqualität (CO₂-Gehalte kleiner 1.500 ppm) sicherstellen zu können (Bild 4). Zur Reduzierung der Lüftungswärmeverluste ist eine Wärmerückgewinnung integriert, sowie eine adiabate Abluftbefeuchtung zur Kühlung im Sommer. Die Zuluft wird über die Klassenräume eingebracht und strömt in die Flure, Hallen und Pausenzonen. Die Absaugung erfolgt zentral im Dachbereich der beiden Atrien. Eine Nachtlüftung mit den Lüftungsanlagen unterstützt die Kühlung der Schule. 

Mit der Lüftungsanlage werden variable bedarfsgesteuerte Luftmengen je Klassenräume über die CO₂-Konzentration (≤ 1.500 ppm) in den Raum eingebracht. Der maximale Luftwechsel in den Klassenzimmern ist auf 4,4 1/h begrenzt.

Die Kühlung der Klassenräume und EDV/Elektroräume erfolgt „passiv“ (reiner Umwälzpumpenbetrieb) über die Energiepfähle und das Agrothermiefeld. Die Energieerzeugung ist auf die Wärmequellen abgestimmt und stellt Wärme mit geringen Systemtemperaturen zur Verfügung (Low-Ex-Systeme). Das verbessert die Integration und Nutzung erneuerbarer Energien und ist die Voraussetzung für einen energieeffizienten Betrieb, insbesondere der Wärmepumpen. Der regenerativ erzeugte Strom aus der Photovoltaik wird primär im Gebäude genutzt, nur Überschüsse werden in das öffentliche Versorgungsnetz eingespeist. Das Energiekonzept sieht vor, dass rund 70 % des Wärmebedarfs über die Wärmepumpen bereitgestellt wird. Die Abdeckung der Spitzenlast (30 %) des Heizenergiebedarfs übernimmt ein Gas-Brennwertkessel.

Mit einer Leistung von rund 290 kW_p deckt die dachintegrierte PV-Anlage auf der Schule und der Turnhalle (Bilder 8 und 9) in der Jahresbilanz einen Großteil am Strombedarf für den Gebäudebetrieb und die Nutzung ab. 

Durch die Integration einer VRF-Strombatterie sieht die Planung vor, dass rund 65 % des solaren Ertrags vor Ort genutzt werden können, nur 35 % werden in das öffentliche Stromnetz eingespeist. Mit der PV-Anlage in Kombination mit der VRF-Batterie wird gemäß Planung ein solarer Deckungsanteil von ca. 40 % des Gesamtstrombedarfs erreicht (Bild 10).

Agrothermiefeld

Auf dem angrenzenden Sportplatz neben der Schule und Turnhalle entstand ein sogenanntes Agrothermiefeld. Das Agrothermiefeld – Flächenkollektor – steht im Kontext der Anwendung einer neuartigen, innovativen Einbringtechnologie im Bereich der Geothermie. Das Rohrsystem wird mit einem neu entwickelten Schwertpflug auf bis zu 2 m Tiefe unter das Sportfeld der Schule gepflügt. In Summe wurde eine aktive Agrothermiefläche von rund 4.400 m² erstellt. Die Fertigstellung des Agrothermiefeldes erfolgte im August 2015. Die neuartige Einbringmethode des Pflügens verlief reibungslos (Bilder 11 und 12 sowie Tabelle 1).

Strombatterie

Die Aufstellung und Inbetriebnahme der Vanadium-Redox-Flow-Batterie (VRF-Batterie) der Firma Gildemeister erfolgte im Zeitraum September bis Oktober 2015. Im Dezember 2015 konnte die VRF-Batterie ihren Betrieb aufnehmen. Seit März 2016 läuft die planmäßige Regelung und Beladung / Entladung der Batterie. Die Eckdaten der Vandadium-Redox-Flow-Batterie sind in Tabelle 2 aufgelistet.

Zwischenfazit

Das Pilotprojekt bildet sehr gut den Baustandard der Zukunft ab und zeigt gleichzeitig den Rahmen für die Entwicklung und Evaluation notwendiger innovativer Methoden und Werkzeuge für Bildungsbauten und öffentliche Gebäude auf.

Bereits nach wenigen Monaten des Bezugs der Schule zeichnet sich ein erhebliches Betriebsoptimierungs- und Einsparpotential der Anlagentechnik ab. Die Ergebnisse und Erkenntnisse des Forschungsprojekts helfen diese Probleme in zukünftigen Gebäuden und Anlagen zu vermeiden und zu optimieren. Der Neubau hat ein Vorbildcharakter und ist aufgrund seiner übertragbaren städtischen und gebäudetypischen Strukturen als Multiplikator geeignet.

Erst in der praktischen Anwendung zeigt sich, wie einzelne Technologien eingesetzt und in den Bauablauf integriert werden können und ob Betreiber bzw. Nutzer in der Lage sind, die Anlagen sinnvoll zu bedienen und zu warten. Im Rahmen des Forschungsprojektes kann festgestellt werden, dass die Umsetzung eines innovativen Energiekonzeptes mit Low-Ex Wärmequellen bereits bei der Planung ausführlich beschrieben und geplant und nach Inbetriebnahme intensiv kontrolliert werden muss. Eine erfolgreiche Umsetzung erfolgt nur in einem gemeinsamen Zusammenspiel aller Projektbeteiligten durch eine interdisziplinäre Bearbeitung.