Zentral, semizentral, dezentral?

Zeitunginnen2-08
05.08.2008
11:38 Uhr
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Thema
Zentral, semizentral, dezentral? –
Lüftungskonzepte für die Klassenraumlüftung
in der Sanierung von Schulbauten
nicht egal
Bemerkungen zur Luftqualität in Klassenräumen
durch permanent gekippte Fenster oder eine mechanische Lüftungsanlage gewährleistet. [3]
In dichtbesetzten Klassenräumen ist die Luftqualität primär durch die Menschen und die Lüftung
beeinflusst. Sondersituationen können sich durch
Ausdünstungen von Baustoffen, Möbeln, Lacken
etc. oder standortbedingt belastete Außenluft ergeben. Die durch Atmung abgegebene Menge
CO2 korreliert mit den sonstigen menschlichen Geruchsstoffen und Ausdünstungen und ist damit
ein guter Indikator für die durch Menschen bestimmte Luftqualität in Räumen. Eine zunehmende Geruchsempfindlichkeit tritt ab 800 ppm CO2
auf. In stark besetzten Klassenräumen steigt selbst
bei höherem Fenster- oder Fugenluftwechsel von
1/h bereits nach 10 bis 15 min die CO2-Konzentration über 1000 ppm, nach 45 min bis auf 2500
ppm. Regelmäßig in Messungen auftretende Spitzenwerte für die CO2- Konzentrationen in Klassen
liegen im Schnitt bei etwa 2500 bis 3000ppm, bei
2-stündig durchgehendem Betrieb wurden CO2Konzentration bis zu 6500 ppm gemessen, was
bereits über dem gesundheitsschädlichen MAKWert von 5000 ppm liegt. [4]
Auswahl einiger wesentlicher Anforderungen
an die Klassenraum-Lüftung [1]:
• Gebäude-Luftdichtigkeit: Drucktest sollte maximal 1-fache Luftwechselrate nach ÖNORM EN
13829 (Blower Door Test) ergeben.
• Aus der anzustrebenden lufthygienischen Qualität der Raumluft ergeben sich je nach Altersstufe zuzuführende Frischluftmengen von 20–
25 m3/h pro Schüler bzw. 30 m3/h für Lehrpersonen
• Hocheffiziente Wärmerückgewinnung (> 85 %)
• Sparsame Anlage mit einer gesamten elektrischen Leistungsaufnahme für die Luftbeförderung von max. 0,35 W je m3/h
• Max. 30 dB(A) lüftungsinduzierter Schalldruckpegel im Raum bezogen auf eine Nachhallzeit
von 0,5 s
• Bedarfsgerechte Steuerung: anwesenheitsoder CO2-geführte Luftmenge, um eine Austrocknung der Raumluft zu vermeiden
• Möglichkeit einer Bypassschaltung Wärmetauscher und einer freien Sommernachtkühlung
• Geringes Zugluftrisiko im Aufenthaltsbereich:
max.15 % nach EN ISO 7730, bzw. 0,13 m/s
bei 20 °C Raumtemperatur im Aufenthaltsbereich nach ÖNORM EN 13779.
• Einweisung der Schulbetreuung in die Funktion
und Bedienung der Anlage sowie Übergabe der
Betriebs- bzw. Wartungsanleitung.
• Gute Reinigbarkeit des Gerätes sowie des Kanalnetzes
Grundlagen für komfortable Lüftungskonzepte in Schulklassen
Eine hohe Raumluftqualität zu erreichen ist das
Ziel einer Lüftungsanlage. Nach ÖNORM EN
13779:2008 bedeutet eine hohe Raumluftqualität
(IDA 2), unter Einbeziehung der Außenluftkonzentration von 400 ppm (durchschnittliche Konzentration in einer Stadt), eine CO2-Konzentration
von max. 1.000 ppm. Dieser Wert deckt sich mit
der so genannten Pettenkoferzahl und sollte Zielwert der Luftkonditionierung sein.
In Klassenräumen gilt: je mehr Schüler in einer
Klasse sind und je höher deren Aktivitätsgrad, desto schneller steigt die CO2-Konzentration an und
desto höhere Werte werden erreicht. Ziel der planerischen Anstrengungen sollte im Sinne der Gesundheitsvorsorge und der Sicherung der Aufnahme- und Leistungsfähigkeit der Schüler/innen sein,
dass der beschriebene Zielwert von 1000 ppm
durch gutes Lüften möglichst dauerhaft unterschritten wird. Reine Stoßlüftungs-Strategien über
Fenster führen in Schulklassen neben einem erhöhten Heizenergiebedarf aufgrund der zeitlich
konzentrierten Schadstoffbelastung zu inakzeptabler Luftqualität. Ausreichende Luftqualität ist erst
Untersuchung von Lüftungskonzepten in der
Sanierung am Beispiel des ausgeführten Projekts „Passivhaus-Schulsanierung Hauptschule II in Schwanenstadt/ OÖ“
Im Rahmen der Entwicklung des Passivhauskonzeptes für die Schule Schwanenstadt wurden 3
Varianten der Lüftungsführung verglichen. [2]
Folgende 3 Möglichkeiten der Lüftungsausführung
erfüllen die grundlegenden Kriterien für eine mechanische Lüftung in Passivhausqualität und wurden dem Vergleich unterzogen: zentrale Lüftung
des gesamten Gebäudes, semizentrale Lüftung
von Gebäudeabschnitten und dezentrale Lüftung
der einzelnen Klassenräume.
Informationen
teamgmi Ingenieurbüro GmbH
DI Michael Berger, Geschäftsführung,
Projektleitung Gebäudetechnik,
Passivhausengineering
A-1050 Wien, Schönbrunnerstr. 44/10
fon +43-(0)1-5457489-0
www.teamgmi.com
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Zentral – Semizentral – Dezentral
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Variante 1: zentrale Lüftung
Variante 1, zentrale Lüftung; Prinzipdarstellung Grundriss HS 2 OG (Lüftungsgerät im EG).
Variante 2, semizentrale Lüftung; Prinzipdarstellung Grundriss HS 2 OG.
(rechtes Bild)
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Lüftungsgeräte, Lüftungsanlagen
Über je ein zentrales Lüftungsgerät mit 15500 m3/h
bzw. 8000 m3/h Nennluftmenge werden die gesamten Baukörper „Hauptschule II“ und „Polytechnische Schule (PTS)“ versorgt. Jedes Gerät ist
mit einer hocheffizienten Wärmerückgewinnung
mit einem Rotationswärmetauscher ( > 80 % Wärme- bzw. Feuchterückgewinnung) sowie druckgesteuerten, stufenlos geregelten energieeffizienten
Ventilatoren ausgestattet. Die Geräte werden in einem Technikraum situiert.
Luftführung, Luftkanalnetz
Zuluftverteilung vertikal im Gebäude über Steigschächte, horizontal in der abgehängten Decke in
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den Gangzonen über Luftkanäle ca. 70 cm auf
30 cm Innenlichte oder einzelne Wickelfalzrohre
lichter Durchmesser 20 bis 22 cm, entsprechende
Kreuzungen und Durchbrechungen der im Bestand
gegebenen Deckenunterzüge sind abzuklären.
Belüftung der Klassenräume, Seminar- und Konferenzräume, Werkräume und Garderobenbereiche
z.B. über Luftauslässe im Bereich oberhalb der
Raumeingangstüre, Mischlüftungsprinzip, Telefonieschalldämpfer zwischen den Klassen.
Volumenstromregelung der Zuluft für die einzelnen Räume dezentral in der Zuluftrohrstrecke für
den jeweiligen Raum.
Überströmung der Raumluft durch haustechnisch
realisierte schallisolierte Überströmöffnungen aus
den Klassenräumen in den Gangbereich.
Zentrale Abluftabsaugung gesammelt im Gangbereich am Steigschacht oder deckenstirnseitig zu
Lufträumen, zentrale Volumenstromregelung in
der Abluft.
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Bewertung Variante 1
(+ Vorteile, - Nachteile)
+ Einsatzmöglichkeit von Rotationswärmetauschern, damit angenehmere, höhere
Raumluftfeuchten im Winter.
+ Einfache Möglichkeit der Einbindung eines zentralen Erdwärmetauschers – bedeutet höhere Zulufttemperaturen und
Wärmeeinsparungen im Winter, kühlere
Zulufttemperaturen im Sommer.
+ Teilbeheizung über die Zuluft möglich,
geringeres Risiko von Kälteempfinden
durch zu kühle Zuluft in den Klassen, entsprechend kleineres Heizungsnetz.
+ Wärmeausgleich wärmere/kühlere Zonen
durch die zentrale Abluft und die Wärmerückgewinnung.
+ Gang-/Erschließungsflächen werden mit
be- und entlüftet
+ Vergleichsweise geringer Aufwand der
Wartung des zentralen Lüftungsgeräts
- Hoher Raumbedarf für die zentralen Lüftungsgeräte und die vertikalen Steigschächte Außenluft, Fortluft, Zuluft und
Abluft.
- Schwierige horizontale Luftverteilung in
den Gangbereichen aufgrund der im Bestand vorgegebenen Deckenstruktur mit
statisch notwendigen Unterzügen.
- Höhere Anforderungen der Lüftung bei
Schallschutz, Brandschutz und Regelung
im Vergleich zur semizentralen oder dezentralen Lüftung.
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- Aufwändige individuelle Raumregelung
der zentralen Lüftung oder sehr eingeschränkte raumspezifische Regelungsmöglichkeiten.
- Risiko der Geruchsverschleppung durch die
zentrale Abluft (frühzeitige Abklärung diesbezüglich nötig, geringere Flexibilität hinsichtlich Nutzungsänderungen im Betrieb).
Kosten Variante 1
Herstellkosten Lüftung gesamt: 356.046 Euro netto (inkl. lüftungstechnisch realisierte
Überströmöffnungen, ohne bauliche Kosten
ib. zentrale Technikräume, vertikale Schächte, ohne Küche)
Variante 2: semizentrale Lüftung
Lüftungsgeräte, Lüftungsanlagen
Über je ein Lüftungsgerät pro Geschoß mit
2500 m 3/h bzw. 5000 m 3/h werden die
Baukörper „Hauptschule II“ und „Polytechnische Schule (PTS)“ versorgt. Jedes Gerät
ist ausgestattet mit einer hocheffizienten
Wärmerückgewinnung mit einem Rotationswärmetauscher (> 80% Wärme- bzw. Feuchterückgewinnung) sowie druckgesteuerten,
stufenlos geregelten energieeffizienten Ventilatoren.
Luftführung, Luftkanalnetz
Außenluftansaugung über Dach in einen
vertikalen Steigschacht oder direkt über die
Abb. 3: Variante 3, dezentrale Lüftung; Prinzipdarstellung Grundriss PTS EG. Ein haustechnisch und konstruktiv funktionierendes, modulweise anwendbares Fassadendetail
für die Außenluftansaugung und die Fortluftführung über die Fassade ist im weiteren
Planungsverlauf im Detail zu entwickeln.
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Zentral – Semizentral – Dezentral
Kosten Variante 2
• Herstellkosten Lüftung: 385.250 Euro netto (inkl.
lüftungstechnisch realisierte Überströmöffnungen, ohne bauliche Kosten insbes. semizentrale
Technikräume, vertikale Schächte, ohne „Küche“)
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Fassade im Bereich des jeweiligen Lüftungsraums.
Zuluftverteilung, Volumenstromregelung, Abluftführung über Erschließungsbereiche analog Var 1.
Zentrale Abluftabsaugung je Geschoß im Gangbereich am Steigschacht oder deckenstirnseitig zu
Lufträumen, zentrale Volumenstromregelung in
der Abluft.
Fassadendetail der Musterklasse der
Hauptschule II und Polytechnischen
Schule in Schwanenstadt
Fassadenansicht nach erfolgter Sanierung (rechtes Bild)
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Bewertung Variante 2 (+ Vorteile, - Nachteile)
+ Einsatzmöglichkeit von Rotationswärmetauschern, damit angenehmere, höhere Raumluftfeuchten im Winter.
+ Einbindung eines zentralen Erdwärmetauschers
mit vertretbarem Aufwand bedeutet höhere Zulufttemperaturen und Wärmeeinsparungen im
Winter, kühlere Zulufttemperaturen im Sommer.
+ Teilbeheizung über die Zuluft möglich, geringeres Risiko von Kälteempfinden durch zu kühle Zuluft in den Klassen, entsprechend kleineres
Heizungsnetz.
+ Wärmeausgleich wärmere/kühlere Zonen durch
die zentrale Abluft und die Wärmerückgewinnung.
+ Gang-/Erschließungsflächen werden automatisch mitbelüftet.
+ Vergleichsweise mittlerer Aufwand für Wartung
der semizentralen Lüftungsgeräte.
+ Im Vergleich zur zentralen Lüftung kürzere Luftkanalleitungslängen und einfachere Regelung
der Lüftung.
- Höchster Raumbedarf für die semizentralen
Lüftungsgeräte in den Geschoßen.
- Schwierige horizontale Luftverteilung in den
Gangbereichen aufgrund der im Bestand vorgegebenen Deckenstruktur mit statisch notwendigen Unterzügen.
- Höhere Anforderungen der Lüftung bei Schallschutz, Brandschutz und Regelung im Vergleich
zur dezentralen Lüftung.
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Variante 3: dezentrale Lüftung
Lüftungsgeräte, Lüftungsanlagen
Die Be- und Entlüftung erfolgt über dezentrale Lüftungsgeräte mit variabler Luftmenge von 100 bis
500 m3/h pro Klassenraum. Für größere Bereiche
werden zwei Geräte oder Geräte mit einer höheren
Luftmenge gewählt, kleinere Bereiche können zusammen mit einem Gerät belüftet werden. Jedes
Gerät ist ausgestattet mit einer hocheffizienten Wärmerückgewinnung (80–90 %) sowie stufenlos geregelten Gleichstromventilatoren, die Geräteabmessungen liegen bei ca. H x B x T = 48 x 290 x 58 cm
pro Gerät inklusive Luftkanalnetz und Kanalschalldämpfern. Die Geräte werden pro Raum jeweils an
der Decke im Bereich der Außenwand oder im Bereich eines Klassenraummöbels situiert.
Luftführung, Luftkanalnetz
Die Außenluft- und Fortluft wird pro Raum direkt
an die Außenwand geführt und dort über Gitter
angesaugt bzw. ausgeblasen. Ein entsprechendes
haustechnisch und konstruktiv funktionierendes
Fassadendetail ist zu entwickeln.
Zuluft- und Abluftkanalnetz sowie Schalldämpfer
sind genauso wie Wärmerückgewinnungseinheit,
energieeffiziente Ventilatoren und dezentrale, individuelle Klassenraumlüftungsregelung im Gerät
bereits integriert und nicht auf der Baustelle herzustellen.
Sämtliche über dezentrale Geräte erschlossene Räume erhalten jeweils Zuluft- und Abluftauslässe in
Abstimmung mit der innenarchitektonischen Integration der Lüftungsgeräte in den Klassenräumen.
Bewertung Variante 3 (+ Vorteile, - Nachteile)
+ Einfache klassenweise Auslegung, modulweise
Anwendbarkeit.
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+ Geringer Koordinationsaufwand in Planung
und Realisierung der Gebäudelüftung insbesondere im Gebäudeinneren: keine größeren
Steigschächte, keine horizontale Luftverteilung
über die Abhängedecke mit Kreuzung der Unterzüge, keine Detailabstimmung Lufteinbringung in die Klassen vom Gang und Überströmöffnungen aus den Klassen.
+ Einfache klassenraumspezifische Regelung: keine aufwändige zentrale Lüftungsregelung über
Volumenstromregler, hohe Flexibilität im Betrieb gemäß der klassenspezifischen Nutzung,
gute Einstellbarkeit der raumspezifisch notwendigen Luftmenge ohne lufthydraulischer
Abhängigkeit von einem größeren zentralen
oder semizentralen Luftkanalnetz.
+ Sehr kurzes Luftkanalnetz, geringer Aufwand
für hygienische Überprüfungen.
- Aufwändiges Fassadendetail für die Außenluftansaugung und Fortluftausblasung über die
Fassade zu entwickeln, welches allen Anforderungen hinsichtlich Akustik, Lüftungsquerschnitten, Kondensatvermeidung, Luftdichtigkeit, Fassadendämmeigenschaften, Vermeidung von höheren Fortluftanteilen in der Zuluft
etc. genügt.
- Kein Rotationswärmetauscher bedeutet tendenziell trockenere Raumluft in den Klassen im
Winter.
- Aufwändigere Kondensatentwässerung für die
dezentralen Lüftungsgeräte.
- Höherer Wartungsaufwand durch die Filterwechsel pro Gerät.
- Höherer Aufwand für eine ausreichend geringe
Schallbelastung in den Klassen, da die Ventilatoren direkt im Raum montiert sind.
- Höheres Risiko von Kälteerscheinungen durch
zu kalte Zuluft z.B. aufgrund von sehr kalten
Außenluftbedingungen, verschmutzten/nicht
gewechselten Abluftfiltern, Geräteregelungsfehlern.
- Keine Außenluftkühlung im Sommer z.B. über
Erdwärmetauscher, damit höhere Raumtemperaturen im Sommer bei sonst gleichem Gebäudeklimakonzept im Vergleich zur (semi-)zentralen Lüftung.
Thema
raum noch zu verbessern war, gleichzeitig war die
positive Erfahrung mit der Luftqualität im Raum
ein motivierender Faktor für die Nutzer.
Die Anlage wurde im Herbst 2007 fertiggestellt
und der Schule übergeben. Der Betrieb der Anlage
wird derzeit im Rahmen der Programmlinie Haus
der Zukunft Im Auftrag des Bundesministeriums
für Verkehr, Innovation und Technologie evaluiert.
Literaturhinweise
[1] Greml, A. et al: Evaluierung von Klassenzimmerlüftungen in Österreich, Projektbericht im
Rahmen der Programmlinie Haus der Zukunft Im
Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie/ A, 2008
[2] Lang, G. et al: Erste Passivhaus – Schulsanierung, Ganzheitliche Faktor 10 Generalsanierung der Hauptschule II und Polytechnischen Schule in Schwanenstadt mit vorgefertigten Holzwandelementen und Komfortlüftung, Projektbericht
im Rahmen der Programmlinie Haus der Zukunft
Im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr,
Innovation und Technologie/ A, 2004
[3] Muß, C.: Die Schule als Niedrigenergiehaus,
Leitfaden im Rahmen der Schriftenreihe des österreichischen Instituts für Schul- und Sportstättenbau/ A, 2002
[4] Twrdik F., Brandl A.: Innenraumluftqualität
und aktuelle Raumluftmessungen in Schulen,
Österreichisches Institut für Schul- und Sportstättenbau (ÖISS) – Veranstaltung „Schule – ein Niedrigenergiehaus“, Wien 2001
Michael Berger
teamgmi Ingenieure
Klassenlüftungsgerät in schalldämmender Verkleidung
Kosten Variante 3
Herstellkosten Lüftung: 384.207 Euro netto (ohne
bauliche Kosten ib. ohne bauseitig notwendige
Arbeiten dezentrale Außenluftansaugung und
Fortluftausblasung über die Fassade)
Realisierung und derzeitiger Projektstand
Die Entscheidung im Projekt fiel für Variante 3, da
die Vorteile die höheren Kosten überwogen. Vor
Baubeginn wurde eine Klasse probeweise mit der
Lüftung ausgerüstet und über ein Betriebsjahr beobachtet. Die Erfahrungen dieser Musterklasse
zeigten, dass die Schallemission in den Klassen-
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