Passivhausstandard im Schulbau: Grundschule Frankfurt-Preungesheim

HOCHGEDÄMMTE LERNSTÄTTE

Über zwanzig Schulbauten in Passivhausbauweise gibt es laut dem Darmstädter Passivhausinstitut inzwischen in Deutschland. Das Beispiel einer Ganztagsgrundschule im Frankfurter Stadtteil Preungesheim verdeutlicht, dass Passivhausschulen ökologisch und gleichermaßen wirtschaftlich günstig sind. Es zeigt aber auch die Schwierigkeiten, die sich für die Architekten während der Planung ergaben – als sie den Wettbewerb gewannen, war Passivhausqualität beispielsweise noch nicht gefordert …

  • Architekten: Cheret & Bozic
  • Text: Peter Cheret Fotos: Roland Halbe, Cheret & Bozic
Die Stadt Frankfurt am Main veranstaltete Ende 2000 Architektenwettbewerbe für fünf verschiedene Schulneubauten. Dies entsprach dem abzusehenden Bedarf an Schulplätzen infolge der dezentralen Stadterweiterungen. Einer der Standorte war der neue Stadtteil »Preungesheim-Ost«. Dort sollten an der Schnittstelle zwischen künftiger Bebauung und offener Landschaft eine Grundschule mit Sporthalle, Kindertagesstätte und ein Jugendhaus entstehen. In unserem Wettbewerbsbeitrag konzentrierten wir uns konzeptionell auf den Typus Schule als sozialen wie urbanen Ort. Das Ergebnis war demzufolge ein wenig kompakter, dafür differenzierte öffentliche Räume schaffender Gesamtbaukörper.
2001 waren die Wettbewerbe entschieden, und die Siegerentwürfe konnten – rechtzeitig vor den aktuellen Kommunalwahlen – öffentlich präsentiert werden. Zur Beauftragung kam es in unserem Fall aber erst vier Jahre später, im Januar 2005. Zu diesem Zeitpunkt waren sowohl die Fertigstellung zum Beginn des Schuljahres im August 2007 fixiert als auch die Vorgehensweise: Das gesamte Projekt, ausschließlich der Außenanlagen, sollte als GU-Verfahren und in Passivhausbauweise realisiert werden. Innerhalb eines Dreivierteljahres war die Planung fertigzustellen – von der Überarbeitung des Entwurfs bis hin zu einer über eine konventionelle GU-Ausschreibung weit hinausreichenden Ausführungsplanung. Im Mai 2006 konnte mit den Bauarbeiten begonnen werden.
NACHTRÄGLICH gefordert
Bereits 2003 hatte das Stadtschulamt mit dem Magistrat der Stadt Frankfurt den Beschluss gefasst, alle künftigen Schulbauten und Kindertagesstätten in Passivhausstandard (PH-Standard) zu errichten. Während die überwiegende Zahl der vom Darmstädter Passivhaus Institut zertifizierten Projekte [1] erst in der fortgeschrittenen Planung zum Passivhaus »umgeplant« wurden, war diese Zielsetzung beim Bau der Grundschule Preungesheim von Anfang an integraler Bestandteil der Planung.
Das kleine Einmaleins des energiegerechten Bauens fordert zwar ein optimiertes Verhältnis zwischen dem Gebäudevolumen und der Hülle. Unser Entwurfskonzept mit seiner wenig kompakten, raumgreifenden Gebäudestruktur bewegte sich jedoch am Limit zur PH-tauglichen Gebäudefigur. Dass es dennoch gelang, den ebenso hohen energetischen wie architektonischen Ansprüchen gerecht zu werden, ist das Ergebnis intensiver Abstimmungen, kollegial begleitet durch das Frankfurter Hochbauamt. Es erklärt sich von selbst, dass die Forderungen aus dem bauphysikalischen wie energetischen Gesamtkonzept nicht von sich aus gestalterische Qualität erzeugen. Der architektonische Entwurf war ein überaus simultaner, bis hinein in die konstruktiven Details reichender Prozess.
SCHULBAU IM PH-STANDARD
Heute verfügen wir Planer über eine ausreichende Bau- und Gebäudetechnik, um den PH-Standard auch bei Schulen zu erreichen. Erste realisierte Bauten zeigen dies mit überzeugenden Ergebnissen. Die Grundvoraussetzung zur Realisierung des PH-Standards ist neben der hochwertigen Gebäudehülle ein schlüssiges, energetisches Gebäudekonzept. Oberstes Gebot sind, neben der weitreichenden Vermeidung von Wärmebrücken, die luft- und winddichten Anschlüsse an den Übergängen zwischen den Bauteilen (Luftdichtheit n 50 von 0,46/h).
Unabhängig vom PH-Standard ist der sommerliche Wärmeschutz zu beachten. Die geregelte Nachtauskühlung ist ebenso hilfreich wie der außenliegende Sonnenschutz unabdingbar. In einer PH-Schule reicht die Körperwärme von 25 Schülern und einem Lehrer (mit jeweils 1,5–2 kW ›
› pro Person) aus, einen Klassenraum ganzjährig ausreichend zu beheizen. Obwohl rechnerisch auf eine Heizungsanlage verzichtet werden könnte, zeigt die Praxis allerdings, dass sich eine, wenn auch niedrig ausgelegte Beheizung bis zur Einstellung ausgewogener Bauteiltemperaturen empfiehlt. Außerdem wird eine Grundschule meist sukzessive aufgebaut, das heißt, sie ist nicht mit dem ersten Jahr voll belegt und muss nach einer Ferienzeit ohnehin erst wieder innere Wärmelasten »tanken«. Im hiesigen Fall wurde eine Holzpelletanlage eingebaut. Eine solarthermische Anlage könnte zwar jederzeit auf dem Dach nachgerüstet werden und war auch bereits zu Beginn der Planungen Teil der Überlegungen, hat sich aber in diesem Fall energetisch und wirtschaftlich nicht gerechnet.
Zum Standard einer PH-Schule gehört eine Lüftungsanlage. Sie hat mit einer Luftmenge von 15–20 m3/Person den zweifachen Luftwechsel und eine dauerhaft ausreichende Luftqualität nach DIN 1946 T2 (Begrenzung der CO2-Konzentration in Räumen auf unter 1500 ppm) sicherzustellen. Die Wärmerückgewinnung reduziert die Wärmeverluste erheblich. Außerhalb der kurzen Heizzeit kann die PH-Schule über Fenster gelüftet werden.
Die Lüftungsanlage im Preungesheimer Schulkomplex ist mit einem Wärmebereitstellungsgrad von 80 % ausgelegt, samt Bypass am Wärmetauscher zur sommerlichen Nachtlüftung. Der Luftvolumenstrom ist entsprechend den hygienischen Erfordernissen auf 420 m³/h dimensioniert, was einem gut zweifachen Luftwechsel entspricht. Die Zuluftrohre wurden mäanderförmig in die Ortbetondecke eingelegt.
NACHWEIS DER WIRTSCHAFTLICHKEIT
Eine der Vorgaben zur Umsetzung dieses Magistratsbeschlusses aus dem Jahr 2003 ist der Nachweis über die Wirtschaftlichkeit des jeweiligen Vorhabens. Dabei muss die Variante Passivhausqualität mit einer Basisvariante nach EnEV und einer optimierten Variante nach den Leitlinien für wirtschaftliches Bauen der Stadt Frankfurt (NEH (Niedrigenergiehaus)-Standard nach RAL = EnEV –30 %) verglichen werden. Der Heizenergiebedarf wird nach LEG (Leitfaden (Heiz)Energie im Hochbau) EN 832 berechnet. Im Fall der Preungesheimer Grundschule wurden sowohl die Auslegungen des Passivhauses als auch die nach EnEV beziehungsweise EnEV –30 % berechnet (Flächen, U-Werte) und mit den Daten der Kostenberechnung in das Gesamtkostenverfahren eingegeben. Auf Grundlage der Investitions- und lokalen Energiekosten vom August 2005 errechnete sich mit diesem Verfahren die in Abbildung 7 dargestellte Wirtschaftlichkeit. Mit einem Kapitalzins von 3,5 % ergab sich eine Amortisationszeit für die PH-Variante von rund acht Jahren. Bei Vorgabe von 5,5 % Kapitalzins amortisiert sich das Gebäude in 10,5 Jahren.
SOMMERLICHER WÄRMESCHUTZ VERSUS RAUMAKUSTIK?
Für den sommerlichen Wärmeschutz ist es von Vorteil, wenn die große Wärmekapazität massiver Decken und Wände zur Verringerung der Raumtemperaturspitzen herangezogen werden kann. Sie stehen im konvektiven Wärmeaustausch mit der Luft und im Strahlungsaustausch mit den übrigen Flächen im Raum. Dazu müssen die Flächen frei und offen zum Raum liegen. Dagegen schränken die unvermeidlichen, akustisch wirksamen Wand- und Deckenbekleidungen, die den Schall durch günstig angeordnete Reflexionsflächen zielgerichtet weiterleiten und störende Reflexionen reduzieren sollen, die positiv wirksame Speicherfähigkeit der Bauteile ein. Zusätzlich war in Preungesheim mit einem hohen Anteil an Schülern zu rechnen, deren Muttersprache nicht Deutsch ist. Für das wichtige, auch planerisch relevante Kriterium der Sprachverständlichkeit galten daher die erhöhten Anforderungen aus DIN 18 041, die in Abhängigkeit vom jeweiligen Raumvolumen die Soll-Nachhallzeiten für Unterrichtsräume definiert.
Da sich diese raumakustischen Anforderungen mit denen des sommerlichen Wärmeschutzes widersprechen, mussten sie schon in der frühen Planung optimierend und unter Berücksichtigung des übergeordneten, architektonischen Gesamtkonzeptes aufeinander abgestimmt werden. So wurde bereits frühzeitig die räumliche Gestaltung der Klassenzimmer untersucht und spätere Materialien festgelegt.
ANFORDERUNGEN AUS DEM SOMMERLICHEN RAUMKLIMA
Die Mindestanforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz regelt DIN 4108–2. Danach sollte unter Standard-Nutzungsbedingungen die Übertemperaturhäufigkeit während der mit 2000 h/a angenommenen ›
› Aufenthaltszeit 10 % nicht überschreiten. Frankfurt zählt zu den sommerheißen Gebieten mit einer Grenztemperatur von 27 °C. Hinsichtlich der internen Wärmequellen werden in »Nicht-Wohngebäuden« 6 W/m² im Tagesmittel angesetzt. Die tatsächlichen internen Wärmequellen in der Grundschule Preungesheim liegen in einem normalen Klassenraum im Tagesmittel bei rund 10–11 W/m². Für den thermischen Komfort ist eine Übertemperaturhäufigkeit von 5 % unter den tatsächlich zu erwartenden Nutzungsbedingungen möglichst nicht zu überschreiten. Um die Auswirkung verschiedener raumakustischer Maßnahmen auf die sommerlichen Temperaturen genauer zu untersuchen, wurden Tagesgänge der operativen Raumtemperaturen mit dem dynamischen Raummodell nach [2] untersucht (Abb. 3). Mit diesem Berechnungsverfahren kann das thermische Raumklima im Sommer unter Berücksichtigung von geometrischen Flächenbezügen und unterschiedlichen Wärmespeicheraufbauten genauer berechnet werden.
PLANUNGSERGEBNISSE UND AUSFÜHRUNG DER KLASSENZIMMER
Alle Klassenräume sind mit einem auf die Grundfläche bezogenen Fensterflächenanteil (Dreifach-Isolierverglasung, gVerglasung = 52 %, UGlas = 0,6 W/m2K) von 22 % nach Westen oder Süden ausgerichtet. In den Klassenräumen wurden etwa 30 % der Decke (30 cm Ortbeton mit eingelegten Lüftungsrohren) mit Schall absorbierenden Faserdämmstoffen belegt und mit Lochplatten bekleidet. Um Reflexionen über die Decke zielgerichtet wirksam werden zu lassen, sind die mittleren Deckenfelder in Sichtbeton belassen. Reflexionen an der dem Lehrer gegenüberliegenden Wand wurden mit als Pinnwand nutzbaren Bekleidungen vermindert. Die tafelseitige Wand hinter dem Lehrer blieb schallhart; wie die Innenwände zum Flur besteht sie aus Sichtmauerwerk. Unter Berücksichtigung des vorgesehenen Mobiliars liegen die Nachhallzeiten im Bereich der erhöhten Anforderungen nach DIN 18 041. Die Häufigkeit der Temperaturüberschreitungen beträgt in allen Klassenräumen und im Lehrerzimmer unter Berücksichtigung der tatsächlichen inneren Wärmelasten maximal 5 %. Die Außenwände bestehen aus 20–24 cm dicken Betonfertigteilen mit 24 / 28 cm Außendämmung sowie Vormauerschale zur Straßenseite beziehungsweise Holzbekleidung zum angrenzenden Grünzug. ›
FAZIT
Der PH-Standard ist nach den Berechnungen des Hochbauamtes Frankfurt wirtschaftlich. Im Vergleich zu konventionellen Standards stellt sich ohne zusätzlichen Investitionsaufwand ein wesentlich besseres Raumklima ein. Die Lüftungsanlage ist unverzichtbar. Ohne die sommerliche Nachtabkühlung würden tagsüber die Raumtemperaturen in den Klassenzimmern ganz erheblich ansteigen. Außerdem konnte das sommerliche Raumklima durch die optimierte thermische Zugänglichkeit der massiven und Wärme speichernden Bauteile erheblich verbessert werden. Allein der Einfluss einer freien, gegenüber einer vollständig belegten, Deckenfläche ist ähnlich groß wie der des außenliegenden, dennoch ebenfalls unverzichtbaren Sonnenschutzes. Die sorgfältige Abstimmung schon in der Planungsphase zwischen den Maßnahmen der Raumakustik, des sommerlichen Wärmeschutzes und der Raumlüftung ermöglichte damit eine weitere Verbesserung des sommerlichen Raumklimas ohne bedeutende Investitionen.
Architektonisches Entwerfen und Konstruieren sind ein simultaner Vorgang. Je anspruchsvoller die bautechnischen Forderungen aus dem Aspekt der Energieeffizienz wie im Fall der Preungesheimer Schule, desto intensiver gestaltet sich dieser Prozess. Umgeben von Fachspezialisten fällt den Architekten umso mehr die »klassische Rolle« zu: die des für die Gestalt verantwortlichen Entwerfers mit dem Blick auf das Ganze und die des Kommunikators im Team. •
Literaturhinweise und weitere Informationen: [1] Feist, Wolfgang (Passivhaus Institut Darmstadt), Querschnitts- analyse: Passivhaus-Schulen im Vergleich, Arbeitskreis kostengünstige Passivhäuser, Protokollband 33, 2005 [2] Glück, Bernd, Dynamisches Raummodell zur wärmetechnischen und wärmephysiologischen Bewertung, ROM-Umweltstiftung, 2004–2005
Kirtschig, Thomas, Hartmut Kayser (IB ebök Tübingen) und Axel Bretzke (Hochbauamt Frankfurt, Abt. Energiemanagement), Beitrag zur 10. Internationalen Passivhaustagung 2006, Hannover
Deutscher, Peter, Martin Elsberger und Lothar Rouvel. Sommerlicher Wärmeschutz, Eine einheitliche Methodik für die Anforderungen an den winterlichen und sommerlichen Wämeschutz, Teil 1–3, in: Bauphysik 22, Heft 2000–2,3 u. 4, Verlag Ernst+Sohn, Berlin
Matthias Linder (Hochbauamt Frankfurt, Abt. Energiemanagement), Modellprojekt herstellerunabhängige Leittechnik in Frankfurt am Main, Beitrag zum 13. Deutschen Fachkongress der kommunalen Energie- beauftragten 2008
Bauherr: Stadtschulamt Frankfurt am Main, vertreten durch das Hochbauamt (Peter Maurer, Claus Chowanietz) Architekten: Cheret und Bozic Architekten, Stuttgart Mitarbeiter: Florian Gruner (Projektleitung), Dorte Sörensen, Juanita Cardenas, Jens Heissler, Anna Hofheinz, Natalie Maras, Karharina Marek Bauphysik: ebök, Tübingen Tragwerksplanung: König, Heunisch und Partner, Frankfurt/ Main Elektroplanung: Schad-Hölzel & Partner, Mörfelden Walldorf HLS-Planung: Petterson + Ahrens, Ober-Mörlen Außenanlagen: Luz, Landschaftsarchitekten, Stuttgart Generalunternehmer: Dywidag Bau GmbH, Niederlassung Frankfurt Hochbau Nutzfläche: 4300 m² Bruttorauminhalt: 44 924,5 m3 Baukosten gesamt (brutto): 21 800 000 Mio. Euro Gebäudekosten pro Bruttogeschossfläche (netto): 1100 Euro Bauzeit: Mai 2006 bis Dezember 2007 Kompaktheit: A/V-Verhältnis 0,40 1/m Primärenergie: 74 kWh/(m²a) für alle Anwendungen (Warmwasser, Heizung, Lüftung, Hilfsstrom, Beleuchtung, PCs etc.), 21 kWh/(m²a) für Warmwasser, Lüftung, Hilfsstrom Endenergiebedarf : 43 kWh/(m²a) Wärme, 4,6 kWh/(m²a) Hilfsstrom, 20 kWh/(m²a) sonstige Stromanwendungen (Beleuchtung, PCs …) Heizwärmebedarf: 15 kWh/(m²a)
Beteiligte Firmen: Holzfassade: Merkle GmbH, Bissingen u. T., www.merkle-holzbau.de Mauerwerkfassade: LEG Tubberbergen GmbH, Itterbeck