In der Phase Null werden die Voraussetzungen und Bedarfe ermittelt, die sich aus dem Standort und dem Programm der jeweiligen Schule ergeben. Die Empfehlungen aus der Phase Null sind die Basis für den späteren Entwurf.
Das Lüftungskonzept war in Weimar kein Thema der Phase Null und wurde erst in den weiteren Leistungsphasen im Zusammenhang mit der Grundrissentwicklung und Ausbauplanung betrachtet.
Die Normen und Richtlinien für den Schulbau variieren. Gleichzeitig sind viele geltende Richtlinien überholt. In jedem Projekt ist zu prüfen, wie vorhandene Vorgaben mit den Anforderungen vor Ort am besten zu verbinden sind.
Vorgaben für maximale CO₂-Konzentration in der Raumluft finden sich in vielen unterschiedlichen Regelwerken. Die Grenzwerte liegen in dem Bereich zwischen 1000 und 2000 ppm, wobei sich die meisten Richtlinien an dem Pettenkofer-Wert von 1000 ppm orientieren (siehe Grafik). Anzumerken ist, dass der Pettenkofer-Wert aus dem Ende des 19. Jahrhunderts unter den damaligen hygienischen Randbedingen aufgestellt wurde und daher heute als Grenzwert neu zu überprüfen wäre.
Die Clusterflächen in Weimar werden einfach und robust über die Fenster der Gebäudelängsseiten belüftet. Der große Luftraum und die Möglichkeit der Querlüftung ermöglichen eine gute Lufthygiene bei geringen Luftwechseln. Bei achtsamer manueller Fensterlüftung von 10 min pro Zeitstunde kann bei vollbesetztem Raum und ggf. mit geringen Komforteinschränkungen im Winter eine ausreichend gute Luftqualität im Cluster um den Wert von 1000 ppm Wert erzielt werden.
Bei einem Lüftungsintervall von 10 min pro Stunde bleibt im gleitenden Stundenmittel die Konzentration von CO₂ durchgängig unter 1.000 ppa. Die Simulation berücksichtigt allein die bodentiefen Schiebeflügel, die zu den umlaufenden Balkonen führen – nicht die Kipp-Oberlichter, die zusätzlich geöffnet werden könnten. Außerdem lässt die Simulation den Durchzug-Effekt außer Acht – es wird eine einseitige Lüftung angenommen. In der Realität des Schulbetriebes, in welcher die Schiebeflügel zu den Balkonen nicht nur zum Lüftungszweck aufgeschoben werden, ist daher mit noch günstigeren Werten zu rechnen.
Natürliche Lüftung und Gebäudeform bedingen einander und müssen von Beginn an integrativ geplant werden. Die Technischen Regeln für Arbeitsstätten (ASR) geben bestimmte Proportionen von Raumtiefe zu Raumhöhe vor, die für eine natürliche Lüftung einzuhalten sind (ASR A3.6 Lüften, 5.3 Systeme der Freien Lüftung, Tabelle 3). Für ein wirkungsvolles Lüftungskonzept mit Fensterlüftung spielen also sowohl die Gestaltung der Fassade als auch die räumliche Konfiguration eine entscheidende Rolle. Die lichte Raumhöhe ist jedoch auch unabhängig der Einhaltung der ASR ein wichtiger Aspekt, da bei einem größeren Raumvolumen die erforderliche Luftwechselrate / Stunde je Raum sinkt.
Die Raumproportionen der Lernlofts in Weimar leiten sich direkt aus den Vorgaben der ASR für Konzepte der freien Lüftung ab und sind somit entwurfsbestimmend für das architektonische Konzept der drei Lernhäuser.
Raumproportionen
Berechnung nach ASR A3.6 Lüften, 5.3 Systeme der Freien Lüftung, Tabelle 3
Raumtiefe = 16 m
Raumhöhe = 3,53 m
Verhältnis Raumtiefe zu Raumhöhe: 16 m ÷ 3,53 m = 4,6
→ Mindestanforderungen der ASR ist erfüllt
(Raumtiefe ÷ Raumhöhe = 5)
Die Berechnung der Öffnungsfläche zur Sicherung des Mindestluftwechsels kann nach ASR (ASR A3.6 Lüften, 5.3 Systeme der Freien Lüftung, Tabelle 3) für zwei Lüftungsarten vorgenommen werden: kontinuierliche Lüftung oder Stoßlüftung. Diese beiden Berechnungswege unterscheiden sich. Während die Berechnung der notwendigen Öffnungsquerschnitte bei der kontinuierlichen Lüftung auf der Anzahl an Personen im Raum basiert, erfolgt die Berechnung der Stoßlüftung – welche für die Praxis des Schulalltags relevanter ist – anhand der gegebenen Grundfläche des Raumes. Die Anzahl an Personen pro Raumvolumen ist jedoch im Schulbau eine zentrale Größe. Zum einen ist die Anzahl der Kinder pro Fläche durch die Berechnungsgrundlage der Phase Null klar benannt, zum anderen zeigt sich gerade in dem Verhältnis von Kubikmetern Luft pro Person ein deutlicher Vorteil neuer Organisationsmodelle gegenüber konventionellen Klassenraumstrukturen.
Cluster und offene Lernlandschaften ermöglichen vermehrt fließende und offene Raumübergänge und bewirken auf diese Weise – bei insgesamt geringerem Flächenbedarf – ein wesentlich höheres Luftvolumen pro Person und daher günstigere Voraussetzungen für eine natürliche Belüftung. Die Lernlofts in Weimar mit den bodentiefen Schiebeflügeln in der Fassade übertreffen die Vorgaben der ASR an Mindestöffnungsflächen für beide Lüftungsarten deutlich.
Lüftungsquerschnitt
Berechnung nach ASR A3.6 Lüften, 2012 / 2018, Kapitel 5.3 Systeme der Freien Lüftung Tabelle 3
Lüftungsquerschnitt pro Fensterfeld = 2,76 m²
Anzahl an Personen pro Lernloft: 78
Grundfläche Lernloft: 370 m²
Gesamtquerschnitt von 12 Fensterfeldern pro Lernloft: 12 × 2,76 = 33,12 m²
Fall kontinuierliche Lüftung: 33,12 m² ÷ 78 Personen = 0,42
→ gefordert 0,20
Fall Stoßlüftung: 33,12 m² ÷ (370 m² ÷ 10) = 0,89
→ gefordert 0,60
Im Vergleich der Luftvolumina pro Person werden die günstigen Voraussetzungen verdeutlicht, die das Lernloft gegenüber einem Standard-Klassenzimmer für eine natürliche Lüftung bietet:
Luftvolumen pro Person
Luftvolumen pro Person im Lernloft
370 m² × 3,5 m Raumhöhe ÷ 78 Personen = 17 m³ Luftvolumen / Person
Luftvolumen pro Person in einem Standard-Klassenzimmer:
65 m² × 3 m Raumhöhe ÷ 25 Personen = 7,8 m³ Luftvolumen / Person
65 m² × 3 m Raumhöhe ÷ 30 Personen = 6,5 m³ Luftvolumen / Person
Während der konventionelle Schulbau von einer hierarchischen Ordnung an Raumgrößen geprägt war – kleine Räume für Klassen und große Räume für Versammlungen (z. B. Aula) –, wird bei neuen Schulraumkonzepten ein Nebeneinander vielfältiger Raumgrößen mit teilweise wechselnden Nutzungen notwendig. Das führt dazu, dass an ähnlich große Räume in einer Schule unterschiedliche Anforderungen gestellt werden, abhängig davon, ob sie als Unterrichtsflächen oder als Gemeinschaftsflächen definiert sind. Programmflächen über 200 m², die nominell nicht zu den Unterrichtsflächen zählen, fallen unter die Versammlungsstättenverordnung (MVStättVO) und müssen – anders als beispielsweise Lernfelder über 200 m² – mit einer Lüftungsanlage ausgestattet werden (MVStättVO, § 17 Heizungsanlagen und Lüftungsanlagen). Da jedoch heutzutage Gemeinschaftsflächen in der Regel auch Lernflächen sind, ist die pauschale Trennung in unterschiedliche Nutzungen und die damit ungleiche Behandlung nicht mehr passend.
Die konsequente Umsetzung einer natürlichen Belüftung ist für den Marktplatz mit Bistro und Musikbereich im Gemeinschaftshaus daher nur über eine Ausnahmeregelung möglich. Wegen seiner Größe von über 200 m² und der Nutzung als Mehrzweckraum führt er zunächst zu einer Einordnung als Versammlungsstätte, was zur Folge hätte, dass der Raum nach § 17 der MVStättVO (2014) mechanisch belüftet werden muss. Zum Vergleich: Die flächenmäßig größeren Lernlofts fallen als Lernflächen nicht unter die Versammlungsstättenverordnung. Hier zeigt sich, dass es wichtig ist, die konkrete Zielvorstellung hinter der Verordnung zu entschlüsseln und die daraus folgenden Vorgaben zu hinterfragen. Der Raum soll während des gesamten Tages als erweiterter Aufenthalts- und Lernbereich zur Verfügung stehen. Ein Aufenthalt von mehr als 200 Personen wird nicht erwartet. Auf eine Lüftungsanlage wird verzichtet, weil der Raum mit 3,53 m besonders hoch ist, nicht im Raumverbund mit anderen Räumen der Schule steht und querzulüften ist. Durch seine Lage im Erdgeschoss und der Verbindung zu den Außenbereichen mit weiteren Sitzmöglichkeiten werden im Regelfall Türen häufig geöffnet bzw. werden dauerhaft offenstehen. Nach dem Mittagessen kann der Raum auch in kälteren Jahreszeiten schnell quergelüftet werden, damit ein guter Luftaustausch stattfindet, bevor z. B. Musikunterricht oder die Theater-AG beginnt. Die Ausnameregelung wird mittels eines Bestuhlungsplanes belegt, der verdeutlicht, dass nicht mehr als 199 Personen den Raum gleichzeitig nutzen.
Konzepte der Fensterlüftung müssen mit den Vorgaben des Unfallschutzes gut abgestimmt sein. Denn aufgrund der Verletzungsgefahr an offenstehenden Fensterflügeln sind die Anforderungen der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung (DGUV Regel 81, § 10 Türen, Fenster) so, dass Fensterflügel nicht in Räume hineinschlagen dürfen, während Kinder anwesend sind. Das betrifft in der Regel Fensterflügel, die ab Brüstungshöhe bzw. in Kopfhöhe in den Raum hineinragen könnten.
Werden Fenster, die für die Belüftung notwendig sind, nachträglich mit Öffnungsbegrenzern oder abschließbaren Fensterdrückern ausgestattet, können häufig die erforderlichen Lüftungsquerschnitte bzw. Luftwechselraten nicht erreicht werden. Zu beachten ist außerdem, dass Lüftungskonzepte nicht auf definierte Pausenzeiten ausgelegt sein sollten. Bei zunehmend fließenden zeitlichen Übergängen jenseits der konventionellen 45-Minuten-Taktung muss jederzeit eine gute Durchlüftung möglich sein, ohne die Arbeitsaktivitäten zu beeinträchtigen. Gute Lösungen bieten z. B. kleinteilige Öffnungsflügel, mit denen die Luft gut dosiert und behaglich in die Räume eingebracht werden kann.
Die beiden Längsseiten der Lernlofts sind mit bodentiefen Schiebelementen versehen. Da sie nicht in den Raum hineinragen, wird nicht nur die Anforderung der Unfallkasse erfüllt, sondern die gesamte Fassadenlänge kann dauerhaft als Arbeitszone genutzt werden. Damit kann der Raum jederzeit schnell quergelüftet werden, ohne dass Tische oder Gegenstände etc. umgestellt werden müssen. Außerdem benötigen die Flügel keine Sicherung gegen Zufallen.
Die Wirksamkeit von Konzepten zur freien Lüftung hängt stark von der Bedienbarkeit der Lüftungsöffnungen ab. Neben den Vorgaben des Unfallschutzes sind hier auch die Vorgaben der Barrierefreiheit relevant. So sollen Bedienelemente für Fassadenflügel auf einer Höhe von 85 cm angeordnet werden (DIN 18040 Barrierefreies Bauen, 4.5.2 Bedienelemente).
Dieser Zusammenhang ist insbesondere für die Planung von Oberlichtern relevant, welche standardmäßig mit Hebeln oder Kurbeln manuell bedient werden. Hebel sind in der Bedienung einfacher, jedoch müssen sie so angeordnet werden, dass sie nicht in den Raum hineinragen (DGUV Regel 81, § 10 Abs. 3). Kurbeln erfüllen eher die Ziele des Unfallschutzes, sind jedoch anstrengender zu bedienen, was dazu führen kann, dass sie in der Praxis seltener bedient werden.
In diesem Zusammenhang muss auch das Gewicht der Öffnungsflügel in die Betrachtungen mit einbezogen werden. Die 3-Scheiben-Verglasung hat große Vorteile hinsichtlich der Behaglichkeit, da Kaltluftfälle an den Fassaden und damit verbundene lokale Unbehaglichkeiten verhindert werden. Besonders große Fensterflügel können durch die wärmetechnische Qualität jedoch sehr schwer werden. Damit ein Lüftungskonzept gut umgesetzt werden kann, ist es wichtig, dass auch kleine Schülerinnen und Schülern die Flügel einfach und sicher handhaben können.
Häufig ergibt sich ein Zielkonflikt in der Umsetzung der Verschattungssysteme zur Einhaltung des sommerlichen Wärmeschutzes, aber auch zur Reduzierung von Spitzenlasten und Blendungen an sonnenreichen Wintertagen. Herabgelassene Sonnenschutzelemente minimieren den freien Lüftungsquerschnitt und können zu Stauwärme an der Fassadengrenzschicht führen. Daher sind die Materialität und die Anordnung der Behänge sowie die Kombination von Lüftung, Tageslichtversorgung und Sonnenschutz integriert zu planen.
In Weimar werden außenliegende Verschattungssysteme ganz vermieden. Die Verschattung erfolgt rein baulich durch die umlaufenden Balkone, welche die Pädagogische Fläche der Cluster in den Außenraum erweitern. Damit wird auch vermieden, dass eine Verschattung zu einer Verdunkelung der Clusterfläche führt.
Kosteneffizienz ist für jeden Schulbau ein wichtiges Ziel. Dabei gibt es viele Wege, um Wirtschaftlichkeit im Projekt und entlang der Anforderungen zu realisieren.
Die investiven Kosten für lufttechnische Anlagen sowie die folgenden Betriebskosten sind im Schulbau beträchtlich hoch. Außerdem weisen Schulen an Werktagen in der Tagesbilanz bereits einen hohen Stromverbrauch auf, welcher durch den Einbau von raumlufttechnischen Anlagen noch verstärkt wird. Hinzu kommen Kosten für Wartung und der Flächenverbrauch der Anlagen. Mit einer natürlichen Belüftung können diese Kosten erheblich reduziert werden.
Der Wartungsaufwand für eine Lüftungsanlage macht in der Regel eine externe fachliche Unterstützung notwendig. Die Praxis des Schulbetriebes zeigt, dass dadurch Schulen bei Problemen häufig lange auf technische Hilfe warten müssen. Weitere Unannehmlichkeiten entstehen bereits in der Inbetriebnahme, weil die Erarbeitung der Grundeinstellungen lange Zeiten in Anspruch nehmen kann.
Die drei Lernhäuser in Weimar werden mit einem robusten und kostengünstigen Lüftungskonzept umgesetzt, das den Einsatz raumlufttechnischen Anlagen weitgehend minimiert. Eine mechanische Lüftung wird nur für wenige innenliegende Bereiche, wie zum Beispiel die WCs, benötigt. Außerdem werden die Schulküche und einige Bereiche in dem naturwissenschaftlichen Bereich mechanisch belüftet.
Weil in der Summe nur sehr wenige lufttechnische Anlagen geplant sind, werden nur geringe Technikflächen benötigt. Diese sind pro Geschoss in einer kompakten Funktionsschicht zusammengefasst. Dadurch wiederum werden die Versorgungsleitungen durch das Haus verkürzt.
In der Konsequenz können sehr kleine lufttechnische Aggregate eingebaut werden, die – im Falle der beiden Lernhäuser – einfach und ohne Einhausung auf dem Dach platziert sind und von unten nicht wahrgenommen werden können.
Im Gemeinschaftshaus in der Schulküche wird aus Kostengründen eine konventionelle Haubenlüftung anstelle einer leichter zu reinigenden Lüftungsdecke geplant. Die Deckenhöhe wird dadurch nur an den dafür erforderlichen Stellen reduziert und die Raumhöhe der angrenzenden Raumbereiche kann auch in der Küche beibehalten werden. Die Lüftungsaggregate werden innerhalb des 2.OG untergebracht, wodurch hohe Dachaufbauten vermieden werden und die Leitungswege kurzgehalten werden können.
Gestaltung ist eine zentrale Qualität im Schulbau. Sie hängt wie der gesamte Entwurf eng mit den Anforderungen und dem Programm zusammen. Und sie kann hochwertig sein, ohne mehr zu kosten als eine "Standardlösung".
Dem Leitbild LowTech folgend, wird das Lüftungskonzept mit so wenig Technik wie möglich umgesetzt. Dadurch sind die Lernfelder geprägt durch eine hohe Raumhöhe und einen hohen Öffnungsanteil der Fassaden mit einfach zu bedienenden Öffnungsflügeln. Diese erlauben nicht nur eine natürliche Belüftung der Lernfelder, sondern bieten auf jeder Etage viele Ausgänge ins Freie.
Die wenigen notwendigen technischen Elemente werden nicht versteckt, sondern bleiben offen ablesbar und werden in das Gestaltungskonzept einbezogen. Hier erfüllt die Gestaltung den pädagogischen Sinn, die Funktion der Anlagen und seiner Teile nachvollziehbar zu machen.
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