Holzbau-Sporthalle – Wärme und Lüftung

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Haustechnik
Holzbau-Sporthalle – Wärme und Lüftung
Teil 1: Projekt, Aufgabe und Planung
Immer mehr werden auch Nichtwohngebäude im Passivhausstandard
errichtet. Auch bei scheinbar einfachen Aufgaben
wie der Errichtung einer Sporthalle sind einige Besonderheiten
der technischen Ausstattung für die Wärmeversorgung
und Lüftung zu beachten, um zu einer kostengünstigen Lösung
in der Investition und im Betrieb zu kommen.
Autor:
Norbert Stärz,
inPlan Ingenieurbüro TGA GmbH,
Pfungstadt
Die Planungsaufgabe
Bei der hier beschriebenen
Neubaumaßnahme handelt es
sich um eine Serie von Ersatzbauten
für Bestands-Turnhallen
bei Frankfurter Schulen.
Errichtet werden Einfeld-
Sporthallen mit angegliedertem
zweigeschossigem Nebenraumtrakt.
Die Nutzfläche der
nicht unterkellerten Halle liegt
bei ca. 890 m 2 . Neben der
schulischen Nutzung wird die
Halle von Sportvereinen, auch
in den Ferien, genutzt.
Eine Lüftungsanlage mit
Wärmerückgewinnung gehört
dass die Konvektoren die
Transmissionswärmeverluste,
bei niedrigster Außentemperatur
nach PHPP-Heizlastfall,
decken müssen. Bei Ausfall
der Lüftungsanlage ist so eine
Grundbeheizung der Turnhalle
sichergestellt. Im normalen
Betrieb, d.h. mit Lüftungsanlage,
wird über eine Erwärmung
der Zuluft nach der
Wärmerückgewinnung eine
Hallentemperatur von 18°C
erreicht.
Für das Eingangsfoyer
erfolgt eine Erwärmung auf
15°C über einen im Treppenabsatz
eingebauten Konvekentsprechend
der Passivhaus-
Bauweise zum Standard. Die
Wärmeversorgung erfolgt aus
der Bestandsschule über eine
vorhandene Nahwärmeleitung
– dies ermöglicht geringste
Investitionskosten bei Anschluss
an die erdverlegte
Leitung direkt am Baufeld des
Neubaus.
Die Wärmeversorgung steht
ganzjährig zur Verfügung (wie
im Bestand zuvor). Um die
Investitionskosten von vornherein
möglichst gering zu
halten, stand deshalb die Installation
einer thermischen
Solaranlage nicht zur Diskussion.
Da die Stadt Frankfurt in
vorherigen PH-Projekten
schlechte Erfahrungen mit der
alleinigen Beheizung über die
Zuluft gemacht hatte, war von
Beginn an die Beheizung über
wärmeabgebende Flächen –
und nicht mit der Lüftung –
Planungsinhalt. Der Nachteil
der Beheizung über die
Lüftung bei nicht täglich genutzten
Gebäuden: Kommt es
zum Ausfall der Lüftungsanlage,
steht auch keine Wärmeversorgung
mehr zur Verfügung.
Da die Bauvorhaben
noch nicht an eine übergeordnete
Leittechnik angeschlossen
sind, würde ein Ausfall
z.B. während der Weihnachtsferien
nicht auffallen. Das
Gebäude kühlt stark aus und
die über die Lüftung zu transportierende
Heizleistung reicht
für ein schnelles Anheizen
nicht aus. Ein regulärer Nutzungsbeginn
bei Beginn des
Schulbetriebes ist gefährdet.
Das Lösungskonzept
für die Heizung
Aus dieser Betrachtung
heraus wurden für die Beheizung
der Hallenfläche verschiedene
Lösungen untersucht:
Deckenstrahlplatten
und Fußbodenheizung
(Schwingboden) wurden aus
Gründen der Investitionskosten
ausgeschlossen. Die Anordnung
von großformatigen
Heizkörpern innenseitig an
den Hallenwänden war nicht
möglich, da diese als Prallwände
vorzusehen waren.
Die gewählte Lösung: In
einen Hohlraum hinter der
Prallwand an der Hallenlängsseite
wurden Heizkonvektoren
eingebaut, die mit Zu- und
Austrittsöffnungen ihre Wärme
als Warmluft in die Halle
einbringen (Abb. 3). Die
Raumluft tritt am Fußboden
hinter die Prallwand ein, und
kann über die obere Abdeckung
mit schmalen Lüftungsgittern
in die Halle austreten.
Die wirksame Höhe des Konvektionsschachtes
beträgt hier
ca. 80 cm.
Die Auslegung erfolgt dabei
auf eine Soll-Raumtemperatur
von 15°C, ohne Betrieb der
Lüftungsanlage. Dies bedeutet,
Abb.1:
Sporthalle mit Glasfassade
Quelle: [Architektin Bärbel Hoffmann, 2010]

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Abb. 2:
Ansichten
Abb. 3:
Wandeinbau Heizkonvektor
tor. Die Sanitärräume werden
mit normalen Heizkörpern auf
22°C ausgelegt. Die für die
Auslegung anzusetzenden
Raumtemperaturen wurden
mit dem Hochbauamt der
Stadt Frankfurt vereinbart.
Die Raumtemperaturregelung
erfolgt über Standard-
Thermostatventile am jeweiligen
Heizkörper, lediglich die
Konvektoren werden elektronisch
über Raumthermostate
geregelt. Nebenräume wie
Geräteräume und Lager
werden nicht aktiv beheizt.
Wie groß ist die Heizlast?
Nach PassivHaus-ProjektierungsPaket
(PHPP) beträgt die
Heizlast ca. 8,2 kW insgesamt
bzw. bezogen auf die Nutzfläche
11 W/m² bei einer mittleren
Innentemperatur von
18°C und einer kältesten
Außentemperatur für FFM
von -7,7°C (bei Wetter 1). Zu
beachten ist, dass die Energiebezugsfläche
nach PHPP aufgrund
der reduzierenden Bewertung
von z.B. Nebenräumen,
Fluren nur 745 m² beträgt.
Wird die Heizlast nach [DIN
12831] ermittelt, reicht eine
vergleichbare Heizlast von 8,4
kW bei gleicher Außentemperatur
-7,7°C nur für 15°C
Innentemperatur, und das
ohne Betrieb der Lüftungsanlage
bzw. ohne Luftaustausch
z.B. durch Infiltration. Die
Ermittlung mit dem modifizierten
Normverfahren für den
Normalbetrieb der Turnhalle,
d.h. bei Außentemperatur
-7,7°C, 18°C Innentemperatur
in der Halle, 22°C in Sanitärräumen,
15°C im Foyer, mit
Betrieb der Lüftungsanlage,
ergibt eine Heizlast von
14 kW. Die Modifikation
erfolgt durch von der Norm
abweichende Randbedingungen:
niedrigste Außentemperatur
nach PHPP, Fenster als
Festverglasungen (keine Infiltration),
Luftaustausch entsprechend
Lüftungsplanung,
kein Wärmebrückenaufschlag.
Die Einzelraumergebnisse
der DIN-Berechnung wurden
für die Auslegung der Heizflächen
verwendet. Diese sind
somit für den durchgängigen
Heizbetrieb überdimensioniert,
bieten dadurch jedoch eine
Reserve als Aufheizleistung.
Ein Mehrverbrauch durch zu
große Heizkörper ist nicht zu
erwarten, da ihre effektive
Wärmeabgabe durch Vorlauftemperatur
und Thermostate
gesteuert wird.
Das Lösungskonzept
für das Warmwasser
Für die Warmwasserbereitung,
d.h. die Versorgung von
2 x je 5 Duschen in den Umkleideräumen
wurde ein Pufferspeicher
(500 Liter) mit
einer angeschlossenen Warmwasserbereitung
im Durchflusssystem
vorgesehen. Die
thermische Anschlussleistung
von 65 kW erlaubt eine
schnelle Wiederaufladung des
Pufferspeichers nach dem
Duschbetrieb. Bei Vereinsnut-

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Haustechnik
Infokasten
Heizlast – nach PHPP oder DIN EN 12831?
Die Heizlast beschreibt die Leistung (in Watt [W] oder [kW]),
die zur Erreichung der gewünschten Innentemperatur bei
einer gegebenen Außentemperatur erforderlich ist.
In der DIN 12831 ist hierzu das Berechnungsverfahren
beschrieben, die Vorgänger-Norm war DIN 4701 Wärmebedarfsberechnung.
Standard-Randbedingungen sind z.B. eine
Innentemperatur von 20°C und eine Außentemperatur von
z.B. -12°C, abhängig vom geographischen Standort. Die
Norm-Heizlast wird raumweise errechnet, die Ergebnisse
werden zur Auslegung der Heizflächen, der Rohrleitungen
sowie des Wärmeerzeugers verwendet.
Die Heizlastermittlung mit dem PHPP ist eine Mittelwertbildung
über das gesamte Gebäude, und erfasst die höchste
Heizlast während einer mehrtägigen Wetterperiode. Diese
kann relativ kalt bei gleichzeitig tagsüber hoher Sonneneinstrahlung
sein (Wetter 1). Mit Wetter 2 wird eine eher mäßige
Außentemperatur bei geringer Solareinstrahlung berücksichtigt.
Je nach Gebäudestandort, Fensteranteilen kann die
höchste Heizlast bei Wetter 1 oder bei Wetter 2 vorliegen.
Ein PHPP-Heizlastergebnis ist immer deutlich geringer als das
Berechnungsergebnis nach DIN, da bei letzterer u.a. die
internen Wärmequellen sowie die Solareinstrahlung durch
verglaste Flächen nicht berücksichtigt werden.
Für Passivhäuser sollte immer das Heizlastergebnis nach PHPP
zur Auslegung des Wärmeerzeugers verwendet werden, da
dieser sonst zu groß ausfällt. Unnötig hohe Investitionskosten
und ein unwirtschaftlicher Betrieb wären die Folgen.
zung mit 30 Personen/Duschnutzern
ist der Pufferspeicher
innerhalb von 30 Minuten
wieder voll geladen; die
Anschlussleistung erlaubt im
Durchfluss die Versorgung
von 3 – 4 Duschen gleichzeitig.
Auch ohne Nachheizen
ermöglicht die Speicherfüllung
ein 10-minütiges Duschen
an allen Duschen.
Die Ladung des Pufferspeichers
erfolgt konventionell im
Vorrang vor dem Heizbetrieb,
mit Ausnahme der Frostsicherung
für den Lüftungswärmetauscher.
Um den Anforderungen in
Bezug auf Vermeidung der
Legionellen zu genügen, wurde
auf einen Trinkwasserspeicher
verzichtet. Der Pufferspeicher
mit Frischwasserstation
bietet beste hygienische
Voraussetzungen. Das angeschlossene
Warmwasser- und
Zirkulationsleitungsnetz wird
ganzjährig mit 60°C betrieben.
Für den Verbrühschutz sorgen
thermostatische Auslaufarmaturen
mit Temperaturbegrenzung.
Um der besonderen Anforderung
der hohen Spitzenlastdeckung
im Sportbetrieb bei
der Warmwasserbereitung zu
genügen, benötigt der relativ
kleine Speicher eine große
Leistung für die Nachheizung.
Diese Auslegung wurde gewählt,
da die Gesamtleistung
einschl. der dafür notwendigen
Leitungen im Bestand
vorhanden war. Die Alternative
wäre ein größerer Pufferspeicher
mit längerer Nachladezeit
bei geringerer Leistung
des Wärmetauschers. Dies
wäre aber räumlich kaum
möglich gewesen und hätte
aufgrund der höheren Speicher-Wärmeverluste
einen
unwirtschaftlicheren Betrieb
bedeutet.
Das Lösungskonzept
für die Lüftung
Kernthema ist zunächst die
Festlegung des erforderlichen
Luftaustausches für die einzelnen
Nutzbereiche. Die Turnhalle
selbst wird von einer
stark unterschiedlichen Personenzahl
genutzt – Schulsport
mit ca. 35 Personen, Vereinssport
mit ca. 20 Personen.
In den Normen [DIN 18032]
bzw. [EN 13779] ist für Sporthallen
ein Luftaustausch von
60 m 3 /h pro Person vorgegeben
– also in Summe 1.200
bis 2.100 m 3 /h bei der geplanten
Belegung.
Da die Lüftungsanlage
möglichst einfach, ohne automatische
Anpassung des Luftaustausches
an die Luftqualität
ausgeführt werden sollte,
wurde mit dem Auftraggeber
für die Halle ein Luftaustausch
von ca. 1.400 m 3 /h
vereinbart. Hierbei wurde eine
Nutzung mit 35 Personen zugrundegelegt,
d.h. der personenbezogene
Luftwechsel liegt
bei 40 m 3 /h. Dieser für die
Schulzeit niedriger angesetzte
Luftaustausch pro Person
wurde als ausreichend angesehen,
da sich im Schulsport
nicht alle Schüler gleichzeitig
aktiv beteiligen.
Ein wesentliches Prinzip der
Lüftung im Passivhaus – die
Doppelnutzung der Luft durch
Querlüftung von der Zuluft-
zur Abluftzone– konnte durch
die ausschließliche Zulufteinbringung
in die Halle erreicht
werden. Die Abluftabsaugung
erfolgt in den Geräteräumen
im Erdgeschoss, sowie in den
Sanitärräumen im Erd- und
Obergeschoss.
Die Raumplanung hilft
bei der Vereinfachung
Die Technikzentrale befindet
sich – was zunächst gewöhnungsbedürftig
erscheinen
mag, im Obergeschoss des
Nebengebäudes (Abb. 4).
Hier ist das Lüftungsgerät in
der warmen Gebäudehülle
positioniert, was seine Wärmeverluste
minimiert. Die
Außenluftansaugung erfolgt
auf kurzem Wege über die
Fassade, der Fortluftauslass
über das direkt darüberliegende
Dach. Das Gerät hat durch
einen groß dimensionierten
Kreuzgegenstromwärmetauscher
eine wirksame Rückwärmzahl
von 80 %. Der Einfrierschutz
des Wärmetauschers
ist über ein an die Heizung
angeschlossenes Vorheizregister
gelöst. Ein Nachheizregister
erwärmt die Zuluft
für die Halle im Heizfall.
Auch hierfür sind die Wege
kurz, da die Übergabestation
für die Nahwärmeversorgung
sich im gleichen Raum befindet.
Dieses Raumkonzept erlaubt
eine klare Luftführung mit
geraden Kanälen ohne Umwege.
Entscheidend war hierbei
die Entwicklung des Höhenschnitts
der zweigeschossigen
Nebenraumspange, der
den Bedarf für das Kanalsystem
gleich mit einbezog.
Die Zuluft wird über eine
horizontale Verteilleitung vom
Zentralgerät im OG direkt
mittels Weitwurfdüsen in die
Halle eingebracht. Die Abluft
Anzeige

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4a
4b
Abb. 4:
a) Gebäudegrundriss OG mit Zu- und
Ablufttrassen
b) Gebäudeschnitt mit Zu- und
Ablufttrassen
wird mit nur je einer geraden
Sammelleitung im EG und OG
erfasst.
Die Führung der Luft in
geraden Strängen ermöglicht
geringe Druckverluste und
damit einen stromsparenden
Betrieb der Lüftungsanlage.
Jede Bogenumlenkung führt
zu einem Druckverlust, der ca.
3 Meter gerader Strecke entspricht
– d.h. das Herumführen
einer Leitung z.B. um
einen Unterzug, verursacht
mit 4 Bögen einen Druckverlust,
der einer Leistungslänge
von 12 Metern entspricht.
Planung im Detail:
Kanalnetz und Regelung
Die Haupt-Kanalquerschnitte
am Lüftungsgerät liegen bei
40x40 cm.
Um die Abhanghöhen gering
zu halten, wurden die
Lüftungskanäle maximal
20 cm hoch ausgeführt (Breite
60 cm). Aufgrund der Flanschverbindungen
der Kanalstücke
und für die Befestigung ist
jedoch immer noch eine lichte
Höhe in der Abkofferung oder
Deckenabhängung von etwa
30 cm erforderlich. Das ist
auch ausreichend, um z.B. die
maximale Dicke der eingesetzten
Wickelfalz-Rundrohren
von 25 cm Durchmesser
unterzubringen.
In den Sanitärräumen EG
sollte die Abluftleitung in die
lichte Tiefe der Sanitär-Vorwand
passen. Hier wurde die
notwendige Luftmenge von
300 m³/h dann auf zwei
Rundrohre von je 125 mm
Durchmesser, übereinander
horizontal montiert, aufgeteilt.
Für kurze Rohrstrecken
liegt die Luftgeschwindigkeit
im Rohr dann zwar etwas erhöht
bei ca. 3,5 m/s (statt
2,5 m/s). Durch das insgesamt
sehr einfache und geradlinige
System stellt dies jedoch kein
Problem dar.
Während der Haupt-Nutzzeiten
der Schule wird die
Lüftungsanlage mit Nennvolumenstrom
betrieben, nachmittags
mit einem auf ca.
60 % reduzierten Luftaustausch.
Nachts, am Wochenende
sowie während der Ferien
ist die Lüftungsanlage
ausgeschaltet.
Für die Heizungs- und
Lüftungsanlage ist eine eigene
Regelungsanlage (MSR-Anlage,
DDC) vorgesehen, diese
kann später an eine übergeordnete
Leittechnik der Stadt
Frankfurt angeschlossen werden.
Die MSR-Anlage übernimmt
sämtliche Regelungsund
Steuerungsaufgaben,
auch für die sommerliche
Nachtlüftung.
In Abhängigkeit der Innenund
Außentemperatur werden
die Oberlichtfenster in der
Halle sowie in den Sanitärräumen
motorisch geöffnet,
sodass eine Auskühlung durch
natürliche Lüftung erfolgen
kann. Während der Zeiten der
natürlichen nächtlichen Lüftung
ist die Lüftungsanlage
ausgeschaltet. Kann die natürliche
Lüftung nicht erfolgen,
z.B. da es regnet oder
stark windig ist, geht die Lüftungsanlage
in Betrieb und
führt die kühle Außenluft
über den Sommerbypass des
Gerätes in das Gebäude.
Haustechnik und Holzbau
Brandschutztechnische Anforderungen
bestehen nur an

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Haustechnik
die Umschließungsflächen des
Technikraumes im OG, sodass
insgesamt nur vier Brandschutzklappen
mit Federrücklaufmotor
vorzusehen waren.
Diese schließen bei thermischer
Belastung (70°C) oder
wenn über die beiden Rauchsensoren
in Ab- und/oder
Zuluft Rauch erkannt wird.
Für die Einbausituation der
Brandschutzklappen (3 x
Wand-, 1 x Deckeneinbau)
mussten sich Architekt,
Brandschutzsachverständiger
und TGA-Planer an einen
Tisch setzen. Für die vorgesehenen
Massivholzbauteile der
Wände und den Zwischendeckenaufbau
gibt es keine
Brandschutzklappen mit allgemeiner
bauaufsichtlicher
Zulassung. Hier wurde eine
dem Einbau in Gipskarton-
Leichtbauwänden ähnliche
Lösung erarbeitet, die mit
einer Zustimmung des Herstellers
als geringfügige Abweichung
beurteilt wurde. Die
Lösung erfolgt in Analogie
der Muster-Richtlinie über
brandschutztechnische Anforderungen
an Bauteile in Holzbauweise
[M-HFHHolzR 2004],
jedoch nicht mit einer dort
vorgesehenen Auslaibung,
sondern durch Mörtelverguss.
Die Entkoppelung des Körperschalls
bei der Aufstellung
des Lüftungsgerätes mit ca.
250 kg Gewicht ist insbesondere
bei Holzbauweisen zu
beachten. Speziell ausgewählte
Schalldämmunterlagen
können die Anforderungen
jedoch erfüllen.
Auch sämtliche Leitungsdurchführungen
werden vom
Baukörper schallentkoppelt
ausgeführt. Bei den Brandschutzklappen,
die ja fest mit
dem Holzbauteil verbunden
sind, wird die Entkopplung
durch beidseitige elastische
Segeltuchstutzen erreicht.
Ausblick
Die Systemsporthallen, deren
Heiz- und Lüftungstechnik
in diesem Beitrag beschrieben
wurde, erhielten
2010 im Rahmen der Passivhaustagung
in Dresden den
Sonderpreis Nichtwohngebäude.
Hiermit wurde die Architektur
des Büros D’Inka-
Scheible-Hoffmann (Fellbach
bei Stuttgart) gewürdigt, die
mit einer typisierten Bauweise
eine in unterschiedlichsten
städtebaulichen Situationen
Frankfurts realisierbare
Sporthalle geschaffen hat.
[Passivhaus Institut 2010]
Zwischenzeitlich sind bereits
9 dieser Typensporthallen
errichtet und zum Teil seit 3
Jahren in Betrieb. Im zweiten
Teil dieses Artikels wird die
bauliche Ausführung der
Wärme- und Lüftungsanlagen
erläutert. Erste Erfahrungen
aus dem Betrieb, bereits realisierte
Veränderungen in der
Entwicklung der realisierten
Hallen sowie Einflüsse auf die
weiteren geplanten Neubauten
werden beschrieben.
Literaturverweise
[Passivhaus Institut 2010] PHI:
1. Architekturpreis Passivhaus – Die
Finalisten, PHI 2010.
[M-HFHHolzR 2004] Muster-
Richtlinie über brandschutztechnische
Anforderungen an hochfeuerhemmende
Bauteile in Holzbauweise. 2004.
[DIN 18032-1:2003] Hallen und
Räume für Sport und Mehrzwecknutzung.
2003.
[DIN EN 13779:2009] Lüftung von
Nichtwohngebäuden. 2009. Beuth-
Verlag
[DIN 12831:2003, Beiblatt 1:2008]
Heizungsanlagen in Gebäuden – Verfahren
zur Berechnung der Norm-
Heizlast. 2003/2008. Beuth-Verlag
Abb. 5:
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