Schulhaus Pestalozzi: Luft im Dach
Seit September 2021 begleiten wir den Umbau des Schulhauses Pestalozzi in Basel. Spektakulärstes Element des Dachausbaus sind die neuen Windtürme, die eine Belüftung fast ohne Technik ermöglichen.
Einer der Gründe für die aktuellen Umbauarbeiten in dem 1893 erbauten Schulhaus waren neben dem Sanierungsbedarf einiger Bauteile auch neue pädagogische Konzepte: Offene Lernateliers sollten die klassischen, auf Frontalunterricht ausgerichteten Klassenzimmer ergänzen. Wie viele Schulhäuser dieser Zeit war der Bestand robust genug, auch die aktuellen Nutzungsanforderung zu erfüllen. Das bis anhin ungenutzte Dachgeschoss weist mit einer Raumhöhe von rund 7 m und dem Kniestock auf 1.80 m Höhe die nötigen Dimensionen dafür auf.
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Im Lauf der Planungen wurden aus den offenen Ateliers wieder kleinere Einheiten, unter anderem für die Tagesbetreuung, das Textile Werken sowie die neue Mediathek, erschlossen durch einen grosszügigen Flur auf der Hofseite. Doch ob nun offene Ateliers oder Klassenräume, das Geschoss muss klimatisiert, belüftet und auch belichtet werden.
Für die Belichtung hatte sich die Planerinnen und Planer im Austausch mit der Denkmalpflege für Dachflächenfenster anstelle der ehemaligen relativ kleinen Gauben entschieden. Der Nachteil: Bei Niederschlag können Dachflächenfenster nicht zum Lüften geöffnet werden. Anstelle einer maschinellen Lüftung entwickelten die Architekten zusammen mit HLK-Planer Martin Herrmann eine ebenso spektakuläre wie simple Idee: Die Zuluft soll dank Kamineffekt durch Klappen im Kniestock ein- und durch rekonstruierte Windtürme auf dem Dach wieder ausströmen. Diese Türme waren bereits zur Bauzeit Teil der Dachlandschaft gewesen, verschwanden dann aber aus unbekannten Gründen. Die Planerinnen und Planer schlugen also vor, diese Türme zu rekonstruieren und als Teil des Belüftungskonzepts in Betrieb zu nehmen.
Aber gelangt auf diese Weise überhaupt genug frische Luft in Innere, auch bei hohen Temperaturen? Wie viele Lüftungsklappen braucht es dafür, und wie müssen diese dimensioniert sein? Diese Fragen galt es im Vorfeld zu klären, nicht zuletzt, um auch die Bauherrschaft von der unkonventionellen Idee zu überzeugen.
Gerechnet siehts gut aus
Um Antworten zu bekommen, entschieden sich Fachplanerinnen und -planer – Martin Herrmann von Herrmann & Partner Energietechnik aus Basel, und das Zürcher Büro Lemonconsult–, eine thermisch-dynamische Simulation durchzuführen. Als Richtwerte für die anzunehmenden Lasten galten die Kennwerte der Lastprofile für Schulräume gemäss SIA 2024. Die Wetterdaten beruhen auf den Angaben in der SIA-Norm 2028 für den Raum «Basel Binnigen Normal», also ohne Extremereignisse.
Für die Wärmeabgabe setzten die Beteiligten einen Wert von 60 Watt pro Person ein, da es sich bei den Nutzerinnen und Nutzern hauptsächlich um Kinder und Jugendliche handelt (Erwachsene: 70W/P). Die Anzahl der Personen pro Raum beträgt zwölf, da in den Räumen in Halbklassen unterrichtet werden wird. Zum Einsatz kam das thermische Gebäudesimulationsprogramm TAS. Die fünf Unterrichtsräume sind als fünf Zonen deklariert, das Lager in der Gebäudemitte wurde in der Simulation ausgespart. Aus drei Räumen (1, 4, 5) kann die Luft direkt über eines der drei Türmchen entweichen. Aus zwei Räumen erfolgt eine Überströmung in angrenzende Räume, wo die Luft dann über die Türmchen entweicht.
Martin Herrmann erklärt: «In der Simulation untersuchte man verschiedene Querschnitte für die Kniestocköffnungen, verschiedene Querschnitte für die Öffnungen in den drei Türmen und verschiedene Werte für die CO2-Regelung, also den Grenzwert für das automatische Öffnen und Schliessen der Fenster. Das Ergebnis ist nicht überraschend: Je kleiner das Fenster, desto höher die CO2-Konzentration im Innenraum.
Ein weiterer Wert sind die Stunden, in denen die Raumtemperatur bei über 28º Celsius liegt, dem Grenzwert für das Unterrichten. Tatsächlich zeigen die Ergebnisse, dass es einigen Tage gibt, an denen dieser Grenzwert überschritten wird. Dabei gilt es aber zu bedenken, dass ein Grossteil dieser Zeit in den Sommerferien und damit in der unterrichtsfreien Zeit liegen dürfte.
In der Untersuchung speziell dargestellt ist die Differenz der Raum- zur Aussentemperatur und der gleichzeitige CO2-Gehalt der Luft. Je höher die Differenz, desto einfacher ist es zu lüften. Ein Beispiel: Es hat –3º Celsius Aussentemperatur, im Inneren herrschen 22º Celsius. Öffnet man die Fenster, ist der Raum in kurzer Zeit durchgelüftet. Das Problem beginnt, sobald es keine Differenz gibt. Auf der Grafik entspricht jeder Punkt einer Stunde. Die grünen Punkte sind die Stunden, in denen Unterricht stattfindet. Das Ziel war also, dass möglichst wenig grüne Punkte über dem CO2-Grenzwert von 1500 ppm liegen, vor allem bei kleiner Temperaturdifferenz.»
Natürlich, aber kein Low-tech
Dieses Ergebnis konnte durch das Anpassen der einzelnen Parameter schliesslich erreicht werden. Es zeigt: Eine natürliche Belüftung der Räume ist möglich, die Luftqualität kann im gewünschten Bereich gehalten werden. Die Planer verwarfen die ursprüngliche Absicht, die Zonen 2 und 3, die keinen direkten Zugang zu einem Turm haben, via Überströmung in Zone 1 bzw. 4 zu entlüften. Die Luft dieser beiden Zonen wird nun direkt in ein Türmchen geführt.
Als Grenzwert, um die Lüftungsklappen automatisch zu öffnen, schlugen die Planerinnen und Planer 1300 ppm innerhalb der Heizperiode vor, ausserhalb öffnen sich die Klappen schon bei 1000 ppm. Sensoren messen den CO2-Gehalt der einzelnen Räume. Für alle Jahreszeiten sind 1500 ppm der Grenzwert, bei dem sich die 0.31 m2 grossen Klappen vollständig öffnen, zwei pro Zone. Die Öffnungen in den Türmchen sind 0.27 m2 gross und damit deutlich kleiner als ursprünglich projektiert.
So einfach und logisch die Belüftungstypologie an diesem Ort erscheint, ein technikfreier Ansatz ist es nicht: Sensoren messen den CO2-Gehalt der Raumluft, Motoren regeln das Öffnen und Schliessen der Klappen. Doch auch wenn es bis zum optimalen Betrieb wie bei Gebäudetechnik üblich vermutlich noch etwas Finetuning brauchen wird, überzeugt die Niederschwelligkeit und Robustheit schon jetzt: Denn muss man tatsächlich mal den Kopf lüften, können dafür auch einfach zusätzlich die Dachflächenfenster geöffnet werden – vorausgesetzt es hat keinen Niederschlag.
