Klim a in S chulen, Innenraum lufthy giene und technis che Perform ance

Prof. Dr. Klaus Peter S edlbauer

Lehrstuhl für Bauphysik Ingenieurfakultät Bau Geo Umwelt Technische Universität München

Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Bauphysik Stuttgart, Holzkirchen, Nürnberg, Rosenheim

Forschung und Innovationen in verschiedenen Bereichen

Von der Schallplatte

Vom analogen Telefon

Von der Glühbirne

zum MP3-Player

zur digitalen Vermitt- zur lungstechnik Leuchtdiode

Vom Altbau

zum Effizienzhaus-Plus

Meilensteine des energiesparenden Bauens

Effiziente Gebäude Energieeins parung durch: pas s iv e Maßnahm en

Wärmebrücken vermeiden

Luftdichtheiten

Neue Dämmstoffe sommerlicher Wärmeschutz

intelligente Technik

Wärmerückgewinnung

Geäudeautomation

Techniken zur solaren Klimatisierung

Aus dem Solarhaus der 1. Generation …….

.... wird last but not least das Plus-Energiehaus (2011 – …)

Beispiel Plusenergiehaus : Uhlandschule in StuttgartZuffenhausen

Grund- und Hauptschule

443 Schüler Alter: 6 bis 16 Jahre

Plusenergieschule Stuttgart Konzept zur S teigerung der Energieeffizienz Winter

Plusenergieschule Stuttgart Konzept zur S teigerung der Energieeffizienz Sommer

Plusenergieschulen

Beis piel: Uhlands chule, S tuttgart  Photovoltaikmodule auf dem Dach und an der Fassade (1.700 m²)  Strom für Wärmepumpen, Beleuchtungs- und Lüftungsanlagen, Hilfsstrom und Computer sowie Whiteboards  Gebäudehülle: Wärmedämmverbundsystem und dreifach verglasten Fenstern  durchschnittliche U-Wert der Gebäudehülle bei 0,23 W/m²K  Lüftungstechnik in den Fensterbrüstungen: CO2-gesteuert. Im Sommer: Fensterlüftung (inkl. Nachtlüftung)  Präsenzgesteuerte Beleuchtung, außenliegende Jalousien mit Tageslichtlenkung  Wissenschaftliche Begleitung durch das Fraunhofer IBP

Ökobilanz

Bedeutung der Ökobilanz

Der Lebenszyklus als Grundlage

Vorprodukte-Hers tellung Hers tellung Rohs toff-Abbau

Ents orgung

Recy cling

Nutzungs phas e

Zertifizierung von Schulen  Bew ertungs s y s tem Nachhaltiges Bauen für Bundes gebäude (BNB )  Profil „Neubau Unterrichts gebäude“

 Zertifizierungs s y s tem der Deuts chen Ges ells chaft für Nachhaltiges Bauen (DGNB)  Profil „Neubau Bildungs bauten“ •

z.B. Atert Ly cée, Lux em burg

•

z.B. Neubau Ins els chule Fehm arn

Nachhaltigkeit in Schulen Bes ondere bauphy s ikalis che Anforderungen für S chulen in der Zertifizierung  Innenraumhygiene •

Hohe CO2-Konzentration

 Lüftungs s y s tem  Akustischer Komfort •

Hohe Ansprüche an Kommunikationsbedingungen

 Berechnung der Nachhallzeit

 Was fehlt: S prachv ers tändlichkeit (Bezug zum Störgeräuschpegel)

Nachhaltigkeit in Schulen Bes ondere Anforderungen für die Nutzung als S chule  Vandalismusprävention •

Gestaltung der Grundrisse  keine Nischen

•

Haptik der Oberflächen

•

Auswahl hochwertiger Materialien

 S teigerung des Wohlbefindens © Thomas Siepmann / pixelio.de

Forschungsschwerpunkt »Menschen in Räumen« Physikalische Umgebung

Mediierende Prozesse

• Klima • Licht • Geruch • Akustik

Physiologische Prozesse

• Umwelt • Technologie

Moderatoren wie • Alter, Geschlecht, Kultur • Persönlichkeitseigenschaften • Einstellungen

Psychologische Prozesse • Kognition • Motivation • Affekt

Leistung und Verhalten

Wirkung auf • Produktivität • Gesundheit und Wohlbefinden • Personenwahrnehmung • Soziale • Interaktion • Konsumentenverhalten

Implementierung

• Patente • Produktentwicklung • Beratung

Innenraum hat erheblichen Einfluss auf den Nutzer  Neue Materialien und Technologien  Mens ch-Um gebungs interaktions m odell phy s iolog. Modellierung, Gebäudes im ulation, …  Mens chliche Leis tungs fähigkeit

Tem peratur, Licht, IAQ, ...  Ideale Um gebungs bedingungen für Büros , Hotels , Krankenhäus er, S chulen  S chnitts telle zur Fas s ade

Testraum

Begriffsklärung Ges undheit (präv entiv und therapeutis ch):  Ges undheit is t ein Zus tand v ollkom m enen körperlichen, geis tigen und s ozialen Wohlbefindens und nicht die bloße Abw es enheit v on Krankheit oder Gebrechen. (WHO v om 22. Juli 1946)

Behaglichkeit:  Behaglichkeit is t definiert als das Gefühl, das Zufriedenheit m it dem Um gebungs klim a aus drückt. (DIN EN IS O 7730: 2006) Abs ence of driv ing im puls es from either field to correct the env ironm ent by behav ior. (Benzinger 1979 )

Leis tungs fähigkeit / Produktiv ität:  Leis tungs fähigkeit / Produktiv ität bedeutet allgem ein das Vorhandens ein der nötigen Voraus s etzungen, um eine Leis tung langfris tig und s tabil zu erbringen .

Bulgaria Italy Croatia Romania Luxembourg Malta Germany Czech Republic Latvia Cyprus Spain Switzerland Slovenia Austria Slovakia Hungary Estonia Greece EU (28 countries) Portugal France Poland Lithuania United Kingdom Sweden Netherlands Norway Belgium Finland Denmark Ireland Iceland

Percent

Anteil Schüler und Studenten in Europa

Euros tat S ILC Datenbank

30%

25%

20%

18% 95 Mio

15%

10%

5%

0%

ISCED Levels 1-6 (Grundschule bis Bachelor)

Allgemein abträgliche Lebensbedingungen Euros tat S ILC Datenbank

Feuchte und nas s e Innenräum e

80 Mio 16%

 Schimmelpilzbefall garantiert  Wahrscheinliche (RH >75% an der befallenen Wand) Beeinträchtigung der Atemwege (Asthma, Husten, Bronchitis, etc.)

Allgemein abträgliche Lebensbedingungen Euros tat S ILC Datenbank

Zu dunkel bew ertete Räum e

6%

 Mangel an Tageslicht

30 Mio

 Risiko für Erhöhung depressiver Zustände (Niedergeschlagenheit, Inaktivität, Müdigkeit, etc.)  Geringere Leistungsfähigkeit

Einfluss der Lüftungsrate Ges undheits s y m ptom e

 Geringe Lüftungsraten in Gebäuden  erhöhtes Risiko für Atemwegserkrankungen  Die Art der Lüftung (mechanisch oder natürlich) ist nicht Grund für eine gesundheitliche Zuträglichkeit  Gesundheitssymptome korrelieren jedoch teils signifikant mit der Lüftungsrate:  unzureichend niedrige vs. empfohlene Lüftungsraten:  zweimal so hohes Risiko zu Keuchen (OR 2,28) oder zu Husten (2,26)2)   etwa anderthalbfach so hohes Risiko allergische Symptome zu entwickeln (OR 1,42)3)

1) Dimitroulopoulou, C.: Building and Envi-ronment 47 (2012) 109-125. 2) Sun, Y., Zhang, Y., Bao, L., Fan, Z., Sundell, J.: Indoor Air, 21 (2011), p. 277-283. 3) Hägerhed-Engman, L., et al.: Indoor Air, 19 (2009), p. 184-192.

Einfluss der Lüftungsrate

 In den nordischen Ländern sind Wohnungslüftungsraten von 0,35 bis 0,5 1/h empfohlen.  40-60% der Wohnungen liegen in der Praxis darunter1)  In Schulen werden üblicherweise Lüftungsraten von 8 l/s pro Person empfohlen.  87% der untersuchten Klassenräume erfüllten diesen Standard nicht2)  Für eine gute Luftqualität werden CO2-Werte von weniger als 1500 ppm empfohlen.  In Schulen werden regelmäßig CO2-Werte über 2100 ppm – teilweise auch bis zu 4000 ppm – berichtet.

1) Dimitroulopoulou, C.: Building and Envi-ronment 47 (2012) 109-125. 2) Haverinen-Shaughnessy, U., et al.: Indoor Air, 21 (2011), p. 121-131.

Einfluss der Lüftungsrate Zunahme der Leistung: in 5 v on 9 Tes ts Kein Einfluss auf Fehlerraten

(Bako-Biro et al., 2012)

(Petersen et al., 2015)

(Wargocki & Wyon 2007)

von1.7 bis 6.6 l/sp

7,4 l/sp

1,0 l/sp l/sp = liter per second and person

Zunahme der Leistung: 2,9% Mathematik, 2,7% Lesen (Haverinen-Shaughnessy et al. 2011 ; Shaughnessy et al. 2006)

Von 0.9 bis 7.1 l/sp In Scrhitten von 1l/sp

Zunahme der Leistung: 3.2% - 7.8% Kein Einfluss auf Fehlerraten

Von 3 bis 8.5 l/sp

Zunahme der Leistung: 2.2% - 15% Arbeitsgeschwindigkeit nimmt zu

Von 1 bis 8 l/sp

Lernerfolg in S chulen

Einfluss des CO2-Gehaltes Lernfähigkeit in S chulen Abnahme der Leistung in RT-Tests (Myhrvold et al. 1996)

(Ribic 2008)

*RT = reaction times of the tasks PPM-values are means or medians

3 Gruppen: 0-999 ppm, 1000-1499 ppm, 1500-4000 ppm

1000 ppm

Abnahme der Leistung bei einem Konzentrationstest (d2)

600-800 vs. over 3000 ppm

1500 ppm

(Twardella et al., 2012)

1045 vs. 2115 ppm

2000 ppm

(Coley et al., 2007)

690 vs. 2909 ppm

Abnahme der Abnahme der Leistung: Leistung: 5% geringere Fehler im Konzentration und KonzentrationsAufmerksamkeit test

Stoßlüften im IBP Schulhaus

 Stoßlüften nur in „5min-Pausen“ nach „45min-Stunde“ nicht ausreichend!  Eignung von Fassadenvarianten für automatisierte Fensterlüftung

(1)Schwingflügel (2)Kippflügel in zwei Reihen bedingt (3)Kippflügel in einer Reihe nicht

Temperatur

CO2

Automatisierte Fensterlüftung im IBP Schulhaus

Einfluss zu geringer Tageslichtverfügbarkeit Lernfähigkeit in S chulen

Schüler in Räumen mit der höchsten Tageslichtverfügbarkeit zeigten eine  15-20% schnellere Lernfähigkeit in Mathematik  23-26% schnellere Lernfähigkeit in Lesen als die Schüler mit der geringsten.1) Angebot von Tageslicht über ein skylight:  assoziiert mit 19-20% Leistungsverbesserung Öffenbare Fenster:  assoziiert mit 7-8% schnellerem Fortschritt

1) L. Heschong / Report HMG-R-9803 (21.7.1999)

Generierte „Aliens“ in Kreativitätsaufgaben mittelmäßig kreativ

S teidle & Werth, 2013

sehr kreativ

gar nicht kreativ

(z-transformierte Werte, je höher, desto besser)

Leistung

Licht

0.8

Logisches Denken

0.4

Kreativität

0.0 -0.4 -0.8

1500 (lux)

500 (lux)

150 (lux)

Hell

Kontrollgruppe

Dunkel

Quelle: Steidle, Hanke & Werth, under review

Interaktion: F(2, 138) = 9.45, p < .01 , ηp2 = .20 Logisches Denken: F(2, 137) = 3.21, p < .05, ηp2 = .05, Kreativität: F(2, 137) = 7.21, p < .01, ηp2 = .09

Dilemma bei schlechter Raumakustik

Ursache / Wirkung - Spirale, + 10 dB (A)

Hoher Grund-Pegel Schlechteres Hören

Fremd-Geräusche

Lauteres Reden

Schüler, Lehrer

Lauteres Reden

Raum-Einfluss

Höhere Hörschwelle

Auswirkung der Nachhallzeiten in Klassenräumen Chronis che Wirkungen unters chiedlich langer Nachhallzeiten auf kognitiv e Grundfunktionen 12

10

Leistung von Zweitklässlern beim Kategorisieren von Lauten.

Nachhallzeit 0,66s - 0,95s

Nachhallzeit