Gebäudeautomation im Schulbau richtig planen und ausführen

In Räumen gibt es diverse Einflussfaktoren auf die Raumluftqualität. Dies sind zum einen chemische Verunreinigungen, wie flüchtige organische Verbindungen (VOCs), und CO₂. Aber auch mikrobielle Allergene und Schadstoffe, wie Viren, Bakterien und Keime, Sporen von Pilzen sowie Endotoxine (beim Zerfall von Bakterien freigesetzte Giftstoffe) und Feinstaub beeinflussen die Luftqualität. Neben diesen Faktoren spielt auch die thermische Behaglichkeit eine wichtige Rolle.

Die genannten Indikatoren lassen sich messtechnisch leicht und zuverlässig erfassen. Da die Leistungsfähigkeit des Menschen jedoch keine reale Messgröße darstellt, werden später Ergebnisse von Studien vorgestellt, die die Verringerung der Leistungsfähigkeit durch schlechte Raumluft untersucht haben. Abb. 2 zeigt eine Auswahl an Quellen von Luftverunreinigungen.

Normative Anforderungen

Zunächst ein kurzer Blick auf die Anforderungen von Verordnungen und Richtlinien: Im „Leitfaden zur Raumluftkonditionierung in Schulen bei Neubau und Sanierung unter Beachtung ökonomischer, ökologischer und soziokultureller Aspekte“ [1] wird zunächst auf die Arbeitsstättenverordnung (ArbStättV) verwiesen.

Sie dient dem Nutzen, die Beschäftigten (Lehrer und weiteres Personal) vor Arbeitsunfällen und Berufskrankheiten zu schützen, indem es Mindestvorschriften an die Sicherheit und den Gesundheitsschutz beim Einrichten und Betreiben von Arbeitsstätten fordert.

Zusätzlich sind die Technischen Regeln für Arbeitsstätten (Arbeitsstättenregeln – ASR) zu beachten. Diese enthalten Beschreibungen von Maßnahmen zur Realisierung der in der Arbeitsstättenverordnung geforderten Kriterien. Sie sind allerdings nicht gesetzlich vorgeschrieben. Ein gewisses Schutzniveau, entsprechend dem „Stand der Technik“, gilt es jedoch zu erfüllen.

Des Weiteren wurde vom Umweltbundesamt (UBA) ein Leitfaden für die Innenraumhygiene in Schulgebäuden erstellt. Dieser Leitfaden wendet sich an Lehrpersonal, Schüler und Eltern sowie an Schulträger, Aufsichtsbehörden etc. Weiter dient er als Informationsquelle für alle Berufsgruppen, die an der Planung, Errichtung, Renovierung und Sanierung von Schulgebäuden beteiligt sind. Der Leitfaden verweist auch auf DIN EN 13 779 (inzwischen ersetzt durch DIN EN 16 798-3:2017-11), welche die Klassifizierung der Raumluftqualität sowie die notwendigen Lüftungsraten für bestimmte CO₂-Konzentrationen vorgibt (Abb. 3).

Wann sind Maßnahmen erforderlich?

In Summe ergibt sich folgendes Bild: Bei CO₂-Konzentrationen von absolut weniger als 1.000 ppm sind keine Maßnahmen zu ergreifen (Achtung: Die Einteilung erfolgt nun absolut und nicht relativ zur Außenluft, wie noch in Abb. 3 verwendet). Bei CO₂-Konzentrationen zwischen 1.000 und 2.000 ppm spricht man von einer hygienischen Auffälligkeit.

Das Lüftungsverhalten sollte überprüft und verbessert werden (z. B. die Lüftungshäufigkeit vor / nach und während der Unterrichtsstunden). Spätestens bei CO₂-Konzentrationen über 2000 ppm sind bauliche Maßnahmen, wie der Einbau einer technisch geregelten Lüftungsanlage, zu prüfen.

Auswirkungen schlechter Raumluft

Die direkten Auswirkungen der Raumluftqualität auf den menschlichen Körper standen in diversen Studien bereits im Mittelpunkt der Untersuchung. Studien aus den Jahren 2006 und 2008 haben ergeben, dass eine Leistungssteigerung (erhöhte Arbeitsgeschwindigkeit bei vergleichbarer Fehlerrate) bei einer Verdoppelung des Außenluftvolumenstroms um 8 bis 14 % und durch Absenkung der Raumlufttemperatur im Sommer von 23 bis 24 °C auf 20 bis 21 °C um 5 bis 15 % erreicht werden kann [6, 7].

In Bezug auf den Einfluss der CO₂-Konzentration auf die Gesundheit wurde beobachtet, dass bereits bei Konzentration von 1.000 ppm gesundheitliche Beschwerden auftreten können, welche die Leistungsfähigkeit beeinflussen. Dazu zählen [2]:

• Reizungen der oberen Atemwege und Augen,
• Halsschmerzen,
• Kurzatmigkeit,
• Beklemmungsgefühl und das
• Auftreten allergischer Symptome.

In der Studie „Frische Luft für frisches Denken“ [2] werden weitere Auswirkungen des CO₂-Gehalts auf die Atemluft, welche sich mit steigender Konzentration verstärken, genannt. Als Ergebnis zeigte sich, dass eine hohe CO₂-Konzentration Befindlichkeitsstörungen hervorruft, deren Symptome sich folgendermaßen äußern können [2]:

• Störungen der Auge-Hand-Koordination,
• Aufmerksamkeitsstörungen,
• Konzentrationsabbau,
• Denkstörungen,
• Antriebsstörungen,
• Veränderungen des sozialen Verhaltens
• und Wahrnehmungsstörungen.

Eine in 2005 von Mark Mendell durchgeführte Recherche mit dem Thema „Do Indoor Pollutants and Thermal Conditions in School Influence Student Performance“ [4] betrachtete über 30 Studien und ihre Ergebnisse. Ziel war es, den Zusammenhang zwischen der Innenraumqualität von Klassenzimmern und der schulischen Leistung von Schülern darzustellen.

Deutlich wurde in diesen Studien gezeigt, dass eine Vielzahl an Erkrankungen der oberen und unteren Atemwege, Asthma und Allergien von mikrobiologischen und chemischen Stoffen hervorgerufen werden, welche durch aus dem Gebäudeinneren stammenden Quellen verursacht werden. Hierbei sind vor allem die bauseitige Ausführung und Baumaterialien sowie die HLK-Anlagentechnik zu betrachten. Aber auch die Raumausstattung und das Reinigungsverhalten spielen eine Rolle. Hieraus resultierten beispielsweise zu geringe Luftwechselraten, sichtbare Feuchteprobleme und Schimmel, Gase (wie Stickstoffdioxid, Schwefeldioxid oder Formaldehyd) oder Feinstaub in der Luft. Aber auch Verunreinigungen von außen (z. B. Pollen und Smog) wurden als Ursachen benannt. Diese und weitere Faktoren beeinflussen die Raumluftqualität und somit das Wohlbefinden der Anwesenden. Eine direkte Abnahme der Leistungsfähigkeit durch oben genannte Symptome bei Schülern, aber auch beim Lehrpersonal, ist die Folge.

Eine weitere Konsequenz schlechter Raumluftqualität zeigt sich in indirekter Form. So entwickelten sich oft aus den akuten Symptomen kurz anhaltende Erkrankungen bzw. chronische Krankheiten. Als Erkenntnisse der Recherche ergab sich hierbei, dass krankheitsbedingte Ausfälle der Schüler von der Luftqualität abhängen. Durch die Verwendung eines Luftbefeuchters konn-ten die Fehltage der Schüler um 20 bis 40 % verringert werden. In Fällen, in denen die Luftwechselraten zu gering waren, wurde beobachtet, dass 35 % der kurzfristigen Erkrankungen durch höhere Lüftungsraten verhindert werden konnten.

Krankheitsbedingte Fehlzeiten von Schülern resultieren wiederum in einer Senkung der Leistungsfähigkeit, da die Informationen der Unterrichtsstunde nicht aufgenommen werden können und die Schüler den Anschluss verlieren. Diverse im Rahmen von Mendell untersuchte Studien bestärkten hierbei den Zusammenhang zwischen Fehlzeiten und verringerter Leistungsfähigkeit.Dabei stellt er auch immer den Einfluss auf das Lehrpersonal dar, welches ebenso der Raumluftqualität ausgesetzt ist. Ein Ausfall der Lehrperson bedeutet meist den Unterrichtsausfall der kompletten Klasse.

Gebäudetechnik schafft Abhilfe

In vielen Schulgebäuden findet die Lüftung (noch) ausschließlich über Fenster statt. Leider verfügt der Mensch über keine Sensorik für CO₂ und gewöhnt sich an Gerüche (VOCs und andere Stoffe bzw. Gase in der Luft). Somit wird in den meisten Fällen nur vor und nach einer Unterrichtstunde gelüftet und das auch noch unzureichend [3].

Einen deutlich besseren Nutzen bietet der Einsatz einer raumlufttechnischen Anlage. Die Raumluftqualität wird auf einem durchgängig hohen Niveau gehalten und starkes Absinken der Raumtemperatur durch Lüften, vor allem im Winter, wird vermieden. Nur so kann ein durchgängig gutes Lernklima ohne Unterbrechungen durch Lüftungspausen und deren Auswirkungen ermöglicht werden.

Dabei muss die Raumluftanlage, aber auch die Heizung und womöglich auch die Verschattung und Beleuchtung, optimal betrieben werden. Dies wiederum gewährleistet eine korrekt geplante und installierte Gebäudeautomation – die neben dem für den Menschen zielgerichteten Betrieb auch die Betriebskosten senkt.

Energetisches Einsparpotenzial

Moderne Gebäude sind inzwischen gut gedämmt und nutzen üblicherweise eine effiziente Anlagentechnik. Was nutzt aber ein gut wärmegedämmtes Schulgebäude, wenn es beheizt wird, während gleichzeitig über die Fenster gelüftet wird? Was nutzt eine hoch effiziente Lüftungsanlage, die lüftet, obwohl ein Teil des Gebäudes nicht benutzt wird? Was nutzt eine energieeffiziente LED-Beleuchtung, die den ganzen Tag im Klassenzimmer eingeschaltet bleibt, beispielsweise weil es dem Lehrer in der Früh etwas zu dunkel war und er deshalb die Beleuchtung eingeschaltet, danach aber einfach keinen Anlass mehr gefunden hat, diese später wieder auszuschalten?

Dabei sind das noch relativ harmlose Beispiele. Wenn man sich die Betriebsarten der Anlagentechnik genauer ansieht, erkennt man in vielen Fällen schnell gravierendere Beispiele für Energieverschwendung. Dabei könnte in größeren Gebäuden ein Hausmeister den optimalen Betrieb der Anlagentechnik gewährleisten. Könnte er. Theoretisch. In der Praxis macht er es aber nicht! Ein Hausmeister wird die Anlagentechnik immer so betreiben, dass die Nutzer zufrieden sind und er möglichst seine Ruhe hat. Und da er nicht jede Viertelstunde durch das Gebäude laufen und überall nach dem Rechten schauen kann, wird er die Heizungs- oder Lüftungsanlage lieber so einstellen, dass diese eher mehr heizt und lüftet als nötig.

Ein Controler kann das besser. Der kann sogar im Minutentakt Soll- und Ist-Zustände vergleichen und den Anlagenbetrieb optimal steuern. Das hat auch der Gesetzgeber erkannt und fordert seit Mai 2014 in der Energieeinsparverordnung (EnEV), dass die Art des Anlagenbetriebs verstärkt berücksichtigt werden muss. Neu ist, dass mit der EnEV 2014 erstmals auch Fragen zum Automationsgrad des Gebäudes gestellt werden und die „Antworten“ Einfluss auf die Berechnung des Jahres-Primärenergiebedarfs, wie er über den Energieausweis ausgewiesen wird, haben. Da der Jahres-Primärenergiebedarf bei Neubaumaßnahmen vorgegebene Obergrenzen nicht überschreiten darf, gilt seit dem Inkrafttreten der EnEV 2014 erstmals: Kein Energieausweis ohne Berücksichtigung der Gebäudeautomation!

Der Einfluss der Gebäudeautomation auf den Energieausweis

Die Notwendigkeit zur EnEV 2014 ergab sich durch die EPBD 2010 (Energy Performance of Buildings Directive oder EU-Gebäuderichtlinie; wird aktuell überarbeitet). Die von der EU beschlossene Richtlinie ist der gesetzliche Rahmen für Vorgaben, die von den einzelnen Mitgliedsstaaten in jeweils nationales Recht umzusetzen sind. Auch in der EU-Gebäuderichtlinie 2010 finden sich erstmals Forderungen zu „intelligenten Messsystemen“, „aktiven Steuerungssystemen“ sowie „Automatisierungs-, Regelungs- und Überwachungssystemen“.

Die Bewertungsgrundlagen für den Energiebedarf kommen inhaltlich aus der Vornorm DIN V 18 599. Schon seit der ersten Version wurden dort die Einflüsse von Gebäudezustand und Anlagentechnik berücksichtigt. Im Dezember 2011 wurde diese Vornorm um Teil 11 ergänzt, um dem Einfluss durch die Gebäudeautomation Rechnung zu tragen. Der in Teil 11 geflossene Inhalt stammt größtenteils aus EN 15 232 (Abb. 4).

EN 15 232

Die europäische Norm EN 15 232 ermöglicht eine grundlegende Bewertung des Einflusses der Gebäudeautomation auf die Energieeffizienz von Gebäuden und gilt auch für Schulgebäude. Sie nutzt eine einfache Checkliste zur systematischen Abfrage aller Gewerke. Basierend auf den Antworten können für das jeweilige Gebäude Gebäudeautomations-Effizienzklassen (A, B, C, D) sowie Energieeffizienz-Faktoren bestimmt werden.

In Summe ist die Norm ein ausgesprochen wichtiges Dokument, denn sie ermöglicht bei korrekter Anwendung die Ermittlung und Bewertung von sinnvollen Maßnahmen sowie die Abschätzung der Auswirkungen auf den Energiebedarf. Die Fragen der Checklisten sind so formuliert, dass zur Anwendung kein explizites Automationswissen notwendig ist.

Im Grunde kann jeder die Fragen beantworten, der ein gutes Grundwissen zur technischen Ausstattung von Gebäuden hat und nicht schon von Begriffen wie Vorlauftemperatur, Zirkulationspumpe, Wärmepumpe, Mehrstufenregelung, motorbetriebene Rollläden etc. abgeschreckt wird.

Die Gebäudeautomations-Effizienzklassen erlauben eine Aussage über die Qualität der Regelung oder Steuerung und sind wie folgt definiert:

• Klasse A: Energieeffiziente Gebäudeautomation und Energiemanagement
• Klasse B: Erweiterte Gebäudeautomation
• Klasse C: Standard-Gebäudeautomation
• Klasse D: Keine Energieeffizienz/Ineffizienter Gebäudebetrieb

Zur interaktiven Anwendung der Norm ist auf www.gebäude-iq.de ein kostenloses Tool verfügbar, das die Fragen der EN 15 232 stellt, die GA-Effizienzklasse bestimmt und gleichzeitig Maßnahmenpakete inklusive dem dazugehörigen prozentualen Einsparpotenzial ermittelt.

Abschätzung des Einsparpotenzials

Zusätzlich zum prozentualen Einsparpotenzial kann man sehr einfach auch das Jahreseinsparpotenzial in Euro für Schulgebäude abschätzen. Grundsätzlich wäre das recht einfach: Man nimmt die Jahreswerte für den thermischen und elektrischen Energiebedarf und multipliziert diese mit den jeweiligen prozentuellen Einsparpotenzialen.

In der Praxis liegen Jahreswerte des Energiebedarfs allerdings oft nicht vor. Für eine grobe Abschätzung beginnt man mit dem Baujahr des Gebäudes bzw. dem Jahr der letzten großen energetischen Sanierung. Je nach Jahr ergibt sich ein anderer Endenergiebedarf pro m². Abb. 5 zeigt typische Energiebedarfswerte und enthält gleichzeitig ein fiktives Beispiel. Parallel muss zum thermischen Energiebedarf auch der Bedarf an elektrischer Energie abgeschätzt werden.

Diese Energiebedarfswerte sind mit der Nutzfläche sowie den Energiekosten (abhängig vom Energieträger) zu multiplizieren. Für Gas und für Strom sind die Vertragswerte des Anbieters, bei Heizöl und Holzpellets Marktpreise oder Lieferrechnungen, zu verwenden. So erhält man die Jahreskosten, die nun noch mit dem Einsparpotenzial multipliziert werden müssen, das man über EN 15 232 bzw. das erwähnte Tool sehr einfach ermitteln kann.

Dieser Artikel von Michael Krödel ist zuerst erschienen in TGA/03-2018. Michael Krödel ist Professor für Gebäude­automation & ­-technik an der Hochschule Rosenheim.