Mit Lichthöfen und Klimawänden

Die energetische Ertüchtigung der Außenfassade erfolgte durch den Einbau von neuen Fenstern und einer gedämmten Verblendfassade. Für frische Luft im nun deutlich dichteren Ge­bäu­de sorgt eine neue Lüftungsanlage. Ergänzend zu den Lüf­tungs­anlagen sorgen Klimawände für optimale Raumtemperaturen, die agn gemeinsam mit der Fachhochschule Münster am Standort Steinfurt entwickelt hatte. Das eingesetzte Wasser stammt aus einem eigens dafür gebohrten Brunnen.

Im Multifunktionsraum und dem kompletten Verwaltungsbereich erfolgt die Beheizung und Kühlung über in die abgehängte Decke integrierte, gelochte Deckenstrahlplatten (DSP). Diese benötigen nur einen geringen Instandhaltungsaufwand und dienen zudem als Akustikdecken. Damit geht eine akustische Verbesserung in den Klassenzimmern einher. Die Nachhallzeit soll künftig bei unter 0,7s liegen.

Entscheidung für die Sanierung

Im Rahmen der Sanierung wurde auch die Dreifach-Sporthalle erneuert und erweitert. Beide Sanierungen, die der Schule und der Sporthalle, wurden auf insgesamt 11 Mio. € veranschlagt. Da­mit lagen die Kosten bei etwa der Hälfte von dem, was ein Neu­bau gekostet hätte. Wichtig bei der Entscheidungsfindung war daher im Vorfeld eine genaue individuelle Analyse der vorhan­denen Gebäude einschließlich einer thermischen Gebäude­si­mulation. Anhand der Betrachtung verschiedener Varianten und Berechnungen im Vorfeld der eigentlichen Planung konnte agn eine kos­ten­günstige Lösung empfehlen. Durch eine gute Vorbereitung wurden letztendlich Zeitplan und Kostenrahmen gleichermaßen eingehalten.

Betriebskosten im Blick

Ein wichtiger Punkt bei der Planung war die Berücksichtigung der Betriebskosten. So wurde ein Energiekonzept gewählt, dass zu einer Kostenreduzierung im Energiebereich um rund zwei Drittel gegenüber dem Stand vor der Sanierung führen soll. Zugleich wurde darauf geachtet, dass das Energiesystem möglichst einfach aufgebaut ist. Dies gelang mit der Klimawand, über die nicht nur ge­heizt und gekühlt wird, sondern die auch für die Zufuhr von Frisch­luft sorgt.

Die Klimawand im Einsatz

Heizen, Kühlen und Lüften sollten in einem einzigen integralen Bau­teil ermöglicht werden. Dazu wurde die bestehende Wandverklei­dung genutzt. Zudem sollte die akustische Trennung zwischen den einzelnen Klassenzimmern verbessert werden. Man entschied sich, die Trennwände so zu ertüchtigen, dass sie möglichst viele Funktionen aufnehmen konnten, um im angegebenen Kostenrahmen zu bleiben. Die Lösung für all diese Anforderungen war schließlich die „Klimawand“.

In Zusammenarbeit mit der FH Münster, Fachbereich Energie-Gebäude-Umwelt (kurz EGU), Standort Steinfurt, wurde das thermische und strömungstechnische Verhalten der neu entwickelten „Klimawand“ ermittelt. Diese Absicherung anhand eines Modells und Messungen unter realen Bedingungen im Labor führten letztendlich zu einem deutlichen Mehr an Planungssicherheit.

Die „Klimawand“ ist folgendermaßen aufgebaut:

Rotationswärmetauscher in den kombinierten Zu- und Abluftanlagen mit 82 % Wirkungsgrad dienen der Wärmerückgewinnung. Durch den hohen Wärmerückgewinnungsgrad, in Verbindung mit dem Luftführungssystem der Klimawand, konnte auf den Einsatz von PWW-Heizregistern in den RLT Geräten verzichtet werden.

Luftzufuhr in den Raum

Die Luftzuführung in den Klassenraum erfolgt über die untere Schachtöffnung. Die Funktionsweise ähnelt der eines üblichen Quellluftauslasses. Zudem wird über die obere Schachtöffnung Sekundärluft aus dem Raum mitgenommen und als „Umluftanteil“ in der Klimawand gekühlt bzw. erwärmt. Dadurch, dass nur geringe Über- bzw. Untertemperaturen genutzt werden, eignet sich das System auch für die Nutzung von regenerativen Energiequellen.

Nutzung von Brunnenwasser

Die Kühlenergie für die „Klimawand“ wird einem zu diesem Zweck extra gebohrten Brunnen entnommen. Durch eine geologi­sche Standortuntersuchung konnte das notwendige Grund­was­servorkommen festgestellt werden. Ein Rutengänger ermittelte die ideale Bohrstelle. Nach der Brunnenbohrung überprüfte man seine Förderleistung mittels eines zweiwöchigen Testlaufes. Die Temperatur des geförderten Wassers liegt je nach Jahreszeit bei 8 bis 12 °C.

Über einen Schichtenspeicher wird das Temperaturniveau des Brunnenwassers ausgenutzt und über einen Wärmetauscher an das geschlossene Heiz-/Kühlsystem abgegeben.  Das Brunnenwasser wird nach der thermischen Nutzung teilweise weiter verwendet, bei den WC-Spülungen und als Brauchwasser im Ausbildungsbetrieb der Gärtnerei. Nicht genutztes Wasser wird über ein Versickerungssystem dem Erdreich zugeführt. Das Brunnenwasser wird zudem zur Kühlung von EDV- und Serverraum genutzt. Ein weiteres Kühlsystem war bei der Maßnahme also nicht erforderlich. Damit wird für den Kühlbetrieb lediglich der Strom für die Brunnenpumpe benötigt, die eine Leistung von 2 kW hat. Mit dieser werden rund 40 kW Kälteleistung erzeugt. Bei maximal 20 m³ am Tag werden rund 190 kWh Kälteenergie bereitgestellt. Die Rückgabe an das Erdreich erfolgt bei maximal 20 °C.

Das Forschungsprojekt „Klimawand“

Da für die eigens konzipierte „Klimawand“ noch keine Erfah­rungs­werte bezüglich ihrer Kenn­daten bestand, initiierte man ein Forschungsprojekt in Zusammenarbeit mit der Fachhoch­schule Münster, Fachbereich Energie – Gebäude – Umwelt am Standort Steinfurt. Dabei wurde ein Modell der „Klimawand“ im Maßstab 1:1 im Labor aufgebaut und messtechnisch untersucht. Im Rahmen einer Diplomarbeit ermittelte man die Leistungskennzahlen. Die Untersuchung fand in An­leh­nung an die DIN EN 442-2 statt, die die Prüfvorgaben für Radia­toren und Konvektoren bein­haltet.

Die Messreihen lieferten gute Leistungswerte und zeigten die Vorteile insbesondere bei geringen Über- bzw. Untertemperatu­ren des Wärmeträgermediums, so dass Energieumwandler, die mit geringen Temperaturniveaus arbeiten, wie Geothermie und Wärmepumpen, gut eingesetzt werden können.

Auf Basis der Untersuchung legte man die Systemtempera­tu­ren für den Einsatz in den tech­nischen Schulen in Steinfurt fest. So ergab sich für das Hei­zen die Medientemperatur 40 °C und für das Kühlen eine Temperatur von 16 °C.

Nach Durchführung aller Tests stattete man testweise einen Raum mit der Klimawand aus, um die Akzeptanz bei den Nut­zern, Lehrer und Schülern zu erfahren. Das Ergebnis war so positiv, dass man schließlich alle 57 Klassenräume mit einer Klimawand ausstattete.

Lüftungsgeräte und Luftführung

Die Zuluft wird über die Klima­wand in einen Klassenraum eingebracht. Die Zu- und Abluftgeräte konnten einfach aufgebaut werden. Sie bestehen aus Zu- und Abluftventilator und einem Rotationswärmetauscher zur Wärmerückgewinnung. Auf Lufterhitzer bzw. Kühler konnte verzichtet werden, was gleichzeitig den Umfang der MSR-Technik für die Geräte sehr vereinfachte. Die Geräte wurden auf dem Flachdach des Gebäudes positioniert.

Selbst bei -12 °C Außentemperatur ist durch den hohen Wir­kungs­grad der Wärmetauscher von 82 % sichergestellt, dass die Zuluft mit mindestens 16 °C in eine Klimawand eingeblasen wird. Im Heizbetrieb wird die Luft in der Klimawand zusätzlich erwärmt, so dass im Raum keine Zugerscheinungen auftreten.

Fazit

Durch den einfachen Aufbau der RLT-Anlage einschließlich der erforderlichen Regelungstechnik konnten in diesem Bereich rund 30 % der Investitionskosten – gegenüber einer konventionell geplanten Lüftungsanlage – eingespart werden. Zudem sind im Betrieb deutliche Einsparungen festzustellen. Der Heizwärmebedarf der Schule hat sich im ersten Jahr nach der Inbetriebnahme um über 60 % gegenüber den erfassten Wärmemengen der Vor­jah­re reduziert.

Der Einsatz modernster Planungswerkzeuge, wie die dynamische Gebäudesimulation, die Modellanalyse im Labor sowie der Aufbau eines Testraumes, konnte die spätere Wirkung der Klimawand in den Räumen der Technischen Schulen Steinfurt mit ausreichender Genauigkeit bestimmen. Zudem konnten durch die Kooperation mit einer Fachhochschule verschiedene Varianten frühzeitig getestet werden. Durch die Tatsache, dass die Simulation immer wieder an den aktuellen Planungsstand angepasst wurde, waren die Planer in der Lage, das Gebäude im Rechnermodell real abzubilden. So konnte letztlich die Entscheidung über die einzusetzende Technik auf der Basis gesicherter Informationen erfolgen. Sowohl der generalplanerische Ansatz als auch die Nutzung von Simulationswerkzeugen waren wichtige Elemente, die zum Erfolg in diesem Projekt geführt haben.

Literatur