Der Dachverband Lehrerinnen und Lehrer Schweiz hat jüngst ein Positionspapier zum Wärmeschutz an Schulen publiziert. Neben betrieblichen Massnahmen werden darin auch Anpassungen an der Infrastruktur gefordert. Der vorliegende Beitrag zeigt die Problematik sowie bereits implementierte Lösungsansätze in der Stadt Zürich auf.
Die Entstehung von Wärme in Schulgebäuden hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Neben der Aussentemperatur spielen insbesondere die Sonneneinstrahlung, die Bauweise, die Lüftungsmöglichkeiten sowie getroffene technische Massnahmen eine wichtige Rolle. Je nach Gebäude unterscheiden sich die Voraussetzungen, die Problematik und damit auch die möglichen Lösungen deutlich.
Schulgebäude müssen einerseits eine gute Aufenthaltsqualität mit ausreichend Tageslicht bieten, andererseits aber auch so geplant werden, dass sich die Räume im Sommer möglichst wenig aufheizen. Dabei spielt auch die Wärmespeicherfähigkeit eines Gebäudes eine wichtige Rolle. Gebäude mit geringer Masse reagieren schneller auf hohe Aussentemperaturen, während massereiche Bauten Temperaturspitzen besser abfedern können. Zwischen grossen Fensterflächen, natürlichem Licht, Verschattung und Wärmeschutz besteht deshalb häufig ein Zielkonflikt.
Die Möglichkeit einer Nachtauskühlung
Bei der Nachtauskühlung wird die kühlere Nachtluft genutzt, um die im Gebäude gespeicherte Wärme abzuführen. Dazu werden Fenster oder Lüftungssysteme in den Nachtstunden geöffnet. Besonders wirksam ist diese Massnahme bei massereichen Gebäuden, da die gespeicherte Wärme über Nacht wieder abgegeben werden kann. Voraussetzung ist jedoch, dass die Aussentemperaturen nachts genügend tief sind.
Die Grösse der Fensterflächen
Fensterflächen haben einen grossen Einfluss auf die Temperaturentwicklung im Innern eines Gebäudes. Über die Verglasung gelangt Sonnenenergie direkt in die Räume und führt zu einer Erwärmung. Je grösser die Fensterflächen sind und je stärker sie der Sonne ausgesetzt sind, desto höher ist die Wärmeeintragung. Gleichzeitig sind grosse Fensterflächen aus pädagogischer und architektonischer Sicht erwünscht, da sie viel Tageslicht und eine hohe Aufenthaltsqualität ermöglichen.
Ein wirksamer Sonnenschutz durch Storen oder spezielle Verglasungen
Ein aussenliegender Sonnenschutz gehört zu den wichtigsten Massnahmen gegen sommerliche Überhitzung. Sonnenstoren verhindern, dass die Sonnenstrahlen direkt auf die Fensterflächen treffen und die Räume aufheizen. Ergänzend können spezielle Verglasungen eingesetzt werden, welche einen Teil der Wärmestrahlung reflektieren. Ziel ist es, den Wärmeeintrag bereits ausserhalb des Gebäudes zu reduzieren.
Verschattungsmöglichkeiten
Auch der Aussenraum beeinflusst die Temperatur in Schulgebäuden. Bäume, begrünte Flächen oder beschattete Aufenthaltsbereiche reduzieren die Aufheizung der Umgebung und verbessern das Mikroklima rund um das Gebäude. Gleichzeitig bieten beschattete Aussenräume angenehmere Aufenthaltsorte für Schülerinnen und Schüler während der Pausen. Um die Sonneneinstrahlung zu minimieren, können bauliche Massnahmen am Gebäude realisiert werden. So lässt sich etwa mit Vorsprüngen oder Balkonen die Sonneneinstrahlung verringern.
Aktive Kühlsysteme
Wenn passive Massnahmen nicht ausreichen, können zusätzliche Kühlsysteme eingesetzt werden. Dazu gehören beispielsweise Free-Cooling-Systeme über Erdsonden, gekühlte Lüftungssysteme oder Bodenkühlungen. Solche Anlagen sind technisch aufwändig und verursachen höhere Investitions- sowie Betriebskosten, ermöglichen aber eine deutliche Reduktion der Überhitzungsstunden.
Massnahmen zur Luftbewegung
Luftbewegung verbessert das subjektive Wärmeempfinden der Personen im Raum. Bereits leichte Luftbewegungen können dazu führen, dass hohe Temperaturen als weniger belastend wahrgenommen werden. Umgesetzt wird dies beispielsweise durch mechanische Lüftungen oder Ventilatoren. Dabei wird die Raumtemperatur selbst nur geringfügig gesenkt, die Aufenthaltsqualität kann jedoch deutlich verbessert werden.
Für Schulneubauten bestehen klare Vorgaben bezüglich sommerlichem Wärmeschutz. Gemäss der Norm SIA 180 darf eine definierte maximale Raumtemperatur während höchstens 100 Stunden pro Jahr überschritten werden. Diese sogenannten Überhitzungsstunden werden mithilfe aufwändiger thermischer Simulationen und zukunftsgerichteter Klimamodelle berechnet.
Werden die zulässigen Werte überschritten, müssen zusätzliche bauliche oder technische Massnahmen umgesetzt werden.
Als Grundlage für die Beurteilung des sommerlichen Wärmeschutzes werden bei Neubauten und Sanierungen thermische Simulationen erstellt. Dabei wird überprüft, wie stark sich die Innenräume im Sommer erwärmen und ob die zulässige Anzahl Überhitzungsstunden eingehalten wird. Die folgenden Beispiele zeigen vereinfacht den Einfluss unterschiedlicher Massnahmen auf den thermischen Komfort in Schulgebäuden.
Im ersten Simulationsbeispiel ist der thermische Komfort rot dargestellt. Punkte über der roten Linie gelten als Überhitzungsstunden. In diesem Beispiel sind zu viele Überhitzungsstunden vorhanden, welche sogar die baulichen Grundanforderungen überschreiten, die hier grün dargestellt sind. Es müssten also zwingend Massnahmen zum Wärmeschutz getroffen werden.
Durch die technisch aufwändige Kühlung der Zuluft und des Bodens konnten die Überhitzungsstunden auf Null gesenkt werden.
Die Massnahmen werden anhand der zulässigen Überhitzungsstunden von 100 Stunden und der Investitionen getroffen. Es wird also nicht immer die grösstmögliche Kühlvariante gewählt, sondern es ist ein Kompromiss zwischen den zulässigen Überhitzungsstunden und den Investitions- und Unterhaltskosten.
Bei Neubauten gibt es verschiedene Optionen, um eine angenehme Temperatur im Schulbau zu ermöglichen. Standardmässig werden elektronische Steuerungen der Sonnenschutzstoren umgesetzt. Dazu kommt die Möglichkeit einer automatisieren Nachtauskühlung über die Fenster. Bei Bedarf werden auch aufwändige Kühlsysteme eingeplant. So wurde in der Schule Guggach bei Simulationen festgestellt, dass die zulässige Anzahl Hitzestunden überschritten wird. Um den vorgegebene Wert einzuhalten wurde ein Free-Cooling-System über die Erdsonde eingebaut. Im Winter wird Energie aus den Erdsondenbohrungen entnommen und für die Heizung der Schulanlage verwendet. Im Sommer wird dafür Energie in die Erdsondenbohrung zurückgeführt, was zu einem Kühleffekt über die Bodenheizung führt.
Eine besondere Herausforderung stellt der sommerliche Wärmeschutz bei den Züri-Modular-Pavillons dar. Aktuell werden bei den beiden Pavillons ZM Riedhof 1 und 2 verschiedene Massnahmen getestet. Dazu gehören sowohl passive Nachtauskühlungen als auch aktive Kühlsysteme.
Nach Abschluss der Testphase werden die Resultate ausgewertet. Anschliessend prüft Immobilien Stadt Zürich mögliche weitere Umsetzungen.
Bei bestehenden Schulbauten gestaltet sich die Verbesserung des sommerlichen Wärmeschutzes deutlich schwieriger. Viele Gebäude der Stadt Zürich stehen unter Denkmalschutz, wodurch kurzfristige Anpassungen oft nur eingeschränkt möglich sind.
Im Rahmen von Sanierungen wird das Thema jedoch systematisch berücksichtigt. So wird beispielsweise aktuell bei der Schule Allenmoos eine gesteuerte Nachtauskühlung über die Fenster eingebaut. Dabei öffnen sich die Fenster nachts automatisch, damit die warme Luft aus den Klassenzimmern entweichen kann.
Auch bei Sanierungsprojekten werden thermische Simulationen durchgeführt. Die geltenden Grenzwerte für Überhitzungsstunden müssen dabei eingehalten werden. Auf dieser Grundlage wird definiert, welche Massnahmen erforderlich sind.
Der sommerliche Wärmeschutz ist für die Stadt Zürich ein wichtiges Thema. Neben Massnahmen an den Gebäuden werden auch Anpassungen im Aussenraum umgesetzt, beispielsweise durch zusätzliche Begrünung oder Verschattungen. Immobilien Stadt Zürich hat dafür eine Fachstelle für Hitzeminderung geschaffen, welche sich gezielt mit der Planung und Umsetzung entsprechender Projekte befasst.
Bei Neubauten und Sanierungen wird der sommerliche Wärmeschutz heute systematisch berücksichtigt. Zudem arbeitet Immobilien Stadt Zürich aktuell an Lösungen für die Züri-Modular-Pavillons.
Eine besondere Herausforderung bleiben die bestehenden Schulgebäude, bei denen Verbesserungen bis zu einer umfassenden Sanierung oft nur schwer möglich sind.
Wenn bauliche Massnahmen kurzfristig nicht möglich sind, bleiben häufig nur betriebliche Anpassungen zur Reduktion der Hitzebelastung.
- Morgens und abends gut lüften. Falls möglich können Personen, die sich früh im Schulhaus aufhalten, die Fenster bereits öffnen.
- Fenster tagsüber möglichst geschlossen halten und Sonnenstoren herunterlassen.
- Elektronische Geräte ausschalten, wenn sie nicht benötigt werden.
- Räume bei Bedarf mit mobilen Ventilatoren ausrüsten. Die Beschaffung von Ventiltoren über die SBMV muss mit der Schulleitung koordiniert werden.
- Anpassen des Schulbetriebs durch Verlagerung an kühlere Orte oder Anpassung des Programms.