Sanierung und Erweiterung der Heinrich-Hertz-Schule in Karlsruhe

Selbstverständnis/Situation

Das Hauptgebäude der Heinrich-Hertz-Schule zeigt sich als großformatiger, kubischer Baukörper, der sich stadträumlich markant zur Brauerstraße hin abbildet und durch seine freie Stellung im Umfeld das aus 4 solitären Schulbauten bestehende Areal dominiert. Die Veränderungen am Bauwerk und der geplante Erweiterungsbau wahren diesen Charakter, verändern durch ihre differenzierten Eingriffe nur die Art der Ausgestaltung, verleihen dem Bauwerk wie dem Umfeld eine neue Wahrnehmung ohne die bauzeitliche Grundhaltung zu verunklaren.

Städtebau und Außenraum

Das Areal zwischen Brauerstraße/Südendstraße/Steinhäuserstraße und Hermann-Veit-Straße bildet den Endpunkt des sich zunehmend verdichtenden Stadtteils rund um den Hallenbau von ZKM/HfG/Städt. Galerien sowie des Beiertheimer Feldes. Es ist geprägt durch 4 Schulen mit sehr unterschiedliche Bauformen und Gebäudestrukturen, die frei auf diesem Areal platziert sind und untereinander keine strukturellen Verbindungen aufweisen.
In konsequenter Weiterführung wird parallel zum Hauptgebäude der Heinrich-Hertz-Schule eine in die Fläche führende Raumstruktur/Raufolge entwickelt, die beginnend mit einer neu geformten Eingangssituation entlang der Südendstraße die verschiedenen Bezüge des Baukörpers zum Umfeld thematisiert und auch den von der Straße abgerückten Erweiterungsbau außenräumlich einbindet. Durch die Überlagerung dieser Bezüge entsteht zudem eine räumliche Verdichtung die entlang dem Hauptgebäude ihren Schwerpunkt bildet und somit zur Brauerstraße hin Freiraum für eigenständige Nutzungen (Jugendhaus) gewährleistet. Gleichzeitig entwickeln sich Nutzungen aus den Erdgeschossen von Hauptbau und Erweiterung in den Außenraum hinein, verbinden Innen und Außen.

Gebäudestruktur + Nutzung

Der großformatige Baukörper des Hauptgebäudes bleibt in seiner Kubatur und Dominanz im Stadtraum unverändert. Der im Verhältnis deutlich kleinere Neubau ist ebenfalls als eigenständiger Körper ausgebildet, setzt städtebaulich jedoch keine Gegenakzente zum Hauptbau.

Die Grundstruktur des 6-geschossigen Hauptbaus erweist sich als sehr vorteilhaft und bleibt nahezu unverändert: Das überhöhte Erdgeschoß bildet mit seinen offenen Strukturen und Außenbezügen das kommunikative Zentrum und weist keine unterrichtsbezogenen Elemente auf. Die Obergeschosse sind als 2-Bund ausgebildet. Die Vertikalerschließungen teilen die Obergeschoße in drei Abschnitte, die in idealer Weise den neu gegliederten Raumnutzungen/Abteilungen entsprechen und die Erschließungswege minimieren. Die Verlegung der Sanitärzellen neben die Treppenhäuser schließt die Raumfolgen entlang der Ostfassade (Sammlungsräume) und ermöglicht die Anbindung des Neubaus an den südlichen Treppenraum des Hauptgebäudes. Gleichzeitig stehen sie jetzt in räumlichen Zusammenhang zu den Sonderbereichen zwischen den Treppen entlang der Westfassade, in denen die Lehrerarbeitsräume, Lehrerzimmer, sowie Aufenthaltsflächen zentral angeordnet sind.

Das Gliederungsprinzip wird ebenso im 4-geschossigen Neubau umgesetzt:
Die Schülerbibliothek und die SMV bilden im Erdgeschoss einen klassenübergreifenden, offen gestalteten Bereich mit bewußt ausformulierten Außenbezügen zum neu entstandenen Forum. In den Obergeschoßen sind die Unterrichtsräume 3-seitig um eine zentrale Erschließungsfläche mit eingestelltem Sanitärkern herum angeordnet und auf die Abteilungsgrößen zugeschnitten. Die Anbindung an das Hauptgebäude erfolgt im 1. und 2. OG über eine verglaste Brückenkonstruktion, so daß auch hier kurze Erschließungswege sowie eine direkte Anbindung an Verwaltung/Lehrerzimmer im 1. OG des Hauptgebäudes gegeben sind. Die kompakte Bauform ist Voraussetzung für einen optimalen A/V-Wert.

Die Untergeschosse von beiden Baukörpern sind den haustechnischen Funktionen vorbehalten.

Bauausführung/Bauabschnitte

Die Ausbildung des Neubaus als eigenständiger Baukörper ermöglicht eine vom Unterrichtsbetrieb im Hauptgebäude unabhängige Erstellung. Die in den weiteren Bauabschnitten entfallenden Räume des Hauptbaus können durch Nutzung des im 1. BA fertig gestellten Neubaus zum großen Teil ausgeglichen werden, so daß die kostenintensive Anmietung von Ersatzräumen minimiert werden kann.
Bedingt durch die vom Keller aus aufsteigenden TGA-Trassen ist eine vertikale Trennung der Bauabschnitte im Hauptgebäude vorgesehen.

Baukonstruktion/Vorfertigung

Grundgedanke des Entwurfes ist ein erweiterter Effizienzbegriff, der auch auf den baukonstruktiven Bereich angewendet wird: Eine an die Bausubstanz angepasste Raum- und Flächennutzungen in Verbindung mit dezentralen Lüftungseinheiten und Niedrigtemperaturheizsystemen ermöglichen es, den Rohbau aus Stahlbeton nahezu unverändert zu belassen. Die für die neue Haustechnik erforderlichen Räume und Speicher werden im UG des Neubaus realisiert. Zusätzlich wird die Bauzeit vor Ort durch modulare, vorfabrizierte Fassadenelemente, Trennwandelemente und Deckensegel reduziert, in die auch die meisten technischen Komponenten integriert sind (Lüftung, Heizung/Kühlung, Belichtung, Schallabsorbtion).
Gleichzeitig entwickelt der Entwurf hieraus seine ästhetisch-architektonischen Grundlagen: Die Grundstruktur und somit auch die Kubatur und Gliederung des Baukörpers bleibt erhalten und wird im Innenraum durch freiliegende Konstruktionselemente wie Deckenuntersichten und Stützenfluchten erlebbar. Neu eingebrachte Bauteile wie Fassadenelemente, Flurtrennwände und Deckensegel sind als eingestellte, modular strukturierte Elemente gestaltet. Das Zusammenspiel bauzeitlicher Grundstrukturen mit modernen Elementen des Innenausbaus und der Gebäudetechnik erzeugt im Innenraum wie in der Fassade ein vielschichtiges, collagiertes Gesamtbild, das klar gegliedert, aber niemals ästhetisch-autoritär ist. Das eindeutig der Entstehungszeit zugeordnet werden kann, aber nicht auf zeitgemäße Gestaltung verzichtet. Die Verwendung verschiedener, möglichst sortenreine Materialien wie Kupfer (Fassade), Holz (Fenster + Flurtrennwände), Aluminium (Deckensegel) und farbigem Linoleum sind Sinnbild für die elektrotechnische Ausrichtung der Schule, werden positiv wahrgenommen und tragen ein Übriges dazu bei.

Energetische Funktionalität des Gebäudes

Ziel des Gesamtkonzeptes ist ein möglichst geringer Primärenergieeinsatz sowie eine Reduzierung der Betriebskosten. Neben der Nutzung verschiedener Energiequellen und der Reduzierung von Transmissionswärmeverlusten ist auch geplant, Überschussenergie (z.B. durch Schüler oder solare Gewinne) im Haus umzulagern oder zu einer späteren Nutzung in Wärmespeichern anzusammeln. Die technische Umsetzung orientiert sich hierbei unmittelbar an den baulichen Gegebenheiten. Der Einsatz dezentraler Lüftungseinheiten und Niedrigenergiesystemen zur Heizung/Kühlung ermöglicht es, auf Lüftungskanäle und die damit einher gehenden baulichen Anpassungen im Hauptgebäude zu verzichten. Gleichzeitig können diese Systeme unter Wahrung einer wirtschaftlichen Auslastung der Aggregate sehr flexibel eingesetzt und gesteuert werden.

Durch eine optimierte Gebäudeauslegung und eine alternative Energieversorgung wird dies mit den folgenden Maßnahmen umgesetzt:

Bauteile

Eine Glasfassade mit mehrschichtigem Aufbau reduziert den Heiz- und Kühlenergiebedarf. Über den Sonnenschutz erfolgt eine Lichtlenkung durch Lamellen ins Gebäudeinnere, wodurch der Energiebedarf für die Beleuchtung minimiert wird.
Ein Gründach reduziert die erforderliche Heiz- und Kühlleistung sowie die Regenabflussspitzen.
F 90 Ertüchtigung der Stahlbetonrippendecke

Beleuchtung

Tageslichtabhängige Beleuchtung mit Präsenzmeldern und Leuchten mit hohem energetischen Wirkungsgrad reduzieren den Primärenergiebedarf.

Lüftung / Kühlung / Heizung

Die Klassenräume erhalten akustisch wirksame Deckensegel zum Heizen und Kühlen sowie Brüstungsgeräte (dezentrale RLT-Geräte) mit den Funktionen Lüften, Kühlen, Heizen und Wärmerückgewinnung (WRG). Die Deckensegel belegen maximal 50 % der Decken, so dass die Speichermasse der massiven Decken genutzt werden kann. Sie decken den Großteil der Heiz- und Kühllasten in den Räumen ab. Die Brüstungsgeräte versorgen die Klassenräume mit genügend Frischluft. Durch die kurzen Wege der Luftführung wird der vom Bauherrn gewünschte maximale Ventilatorstromverbrauch von 0,4 Wh/m³ weit unterschritten (mit ca. 0,09 - 0,15 Wh/m³).
Die Räume im Erdgeschoss, wie Cafeteria, Ausstellung und Aufenthaltsraum werden ebenfalls wie die Klassenräume durch akustisch wirksame Deckensegel beheizt und gekühlt. Zusätzlich werden an der Decke dezentrale Flachlüftungsgeräte mit den Funktionen Lüften, Kühlen, Heizen und WRG installierte. Hierdurch kann ein ausrechender Luftwechsel gewährleistet werden. Auch diese Geräte halten den gewünschten maximalen Ventilatorstromverbrauch von 0,4 Wh/m³ ein.

Bereitstellung Kühlenergie

Die Grundversorgung für Kälte erfolgt über eine geothermische Anlage mit im Mittel 
ca. 44 kW Leistung (bzw. in der Spitze 57 kW). Die inneren Wärmelasten werden darüber zum größten Teil abgedeckt.
Ein Pufferspeicher glättet die Bedarfsspitzen. Er nimmt tagsüber die Wärmelasten des Gebäudes größtenteils auf und wird nachts über einen Rückkühler mit freier Kühlung wieder abgekühlt. Er kann als Wasserspeicher oder als Latentspeicher ausgeführt werden. Der geplante Wasserspeicher mit 110 m³ kann 6,5 h/d eine Kühlleistung von 30 W/m² bereitstellen.
Die Kälte des täglich benötigten Frischwassers zur WC-Spülung wird ebenfalls über einen Wärmetauscher in den Pufferspeicher eingeleitet und stellt ca. 27 kW zur Verfügung.

Nachtauskühlung

In der Kühlperiode wird die Speichermasse des Gebäudes nachts durch freie Kühlung durch die Brüstungsgeräte abgekühlt. Da in diesem Betriebszustand die Außenluft über einen Bypass an dem Wärmetauscher vorbeigeführt wird und sich somit der Druckverlust verringert, wird auch hier der gewünschte maximale Ventilatorstromverbrauch für Nachtlüftung von 0,05 Wh/m³ eingehalten. Der Pufferspeicher wird über Trockenkühler ebenfalls durch freie Kühlung rückgekühlt.

Der Mensch als Wärmequelle

Allein durch die Personen werden pro Tag ca. 770 kWh Wärme an das Gebäude abgegeben. Diese Leistung kann über die Kühlfunktion der Deckensegel abgeführt und zum Großteil des Jahres dem 110 m³ großen Pufferspeicher zugeführt werden. Die so eingelagerte Wärme wird der RLT-Anlage zeitversetzt zur Vorerwärmung der Außenluft zur Verfügung gestellt bzw. zum Beheizen der leeren Unterrichtsräume verwendet.

Bereitstellung Heizenergie

Um im Erdreich während eines Jahres eine ausgeglichene Bilanz zwischen Wärmeentnahmen und Wärmeeinleitung („Kälteentnahme“) zu gewährleisten, wird die geothermische Anlage zur Wärmegrundversorgung herangezogen. Es werden bis zu 50% des erforderlichen Heizenergiebedarfs bereitgestellt.
Die verbleibenden 50% werden teilweise über eine Abwärmenutzung des Servers, teilweise über die bereits im Bestand vorhandene Anbindung an das wirtschaftliche Fernwärmenetz gedeckt.
Die vorhandene Fernwärmeleitung muss trotz Neubau nicht erweitert werden. Dies liegt zum einen an der neuen Fassade mit hohem Dämmwert, zum anderen an der Nutzung von Erdwärme und Abwärme des Servers.

Serverabwärme

Die 20 kW Wärmelast des Servers kann zu ca. 75 % über einen Rückkühler mit freier Kühlung bzw. über einen Wärmetauscher zur Gebäudeheizung abgefahren werden. Der Rest erfolgt über ein Kältemaschine

Photovoltaik

Die Dachflächen des Neubaus bieten sich grundsätzlich für PV-Installationen an. Die PV-Anlage kann in der Spitze bis zu 35 kW Strom erzeugen und innerhalb des Gebäudes genutzt werden. Ausnahmen bilden lediglich die Wochenenden und die Ferienzeiten, in der jedoch die Grundlast von 20 kW des Servers weiterhin bedient wird. Der Reststrom wird in das Netz eingespeist.

Windkraft

Aktuell drängen Miniwindkraftanlagen auf den Markt, welche mit einem Rotordurchmesser von unter 1 m bis 4,5 m für die Installation auf Dächern im städtischen Bereich konzipiert sind.
Die Installationskosten sind gemessen an der Leistungsspitze vergleichbar zu denen der PV-Elemente. Der Einsatz von Miniwindkraftanlagen kann der Eigendarstellung dienen, innovative Technologien im Feld der Nachhaltigkeit einzusetzen. 
Auf dem Dach des Bestandsgebäudes werden auf der Längsachse 18 Miniwindkraftanlagen mit einer Leistung von jeweils 1 kW installiert.

Optimierter Planungsprozess

Im Rahmen des Planungsprozesses wird das hochdynamische thermische Verhalten des Gebäudes simuliert werden. Aus den Simulationswerten ermitteln wir den realistischen Bedarf an Wärme- und Kühllast vor dem Hintergrund von Raumkomfort und Behaglichkeit. Daraus folgt die erforderliche Auslegung der Anlagentechnik mit hoher Genauigkeit.
Technikflächen und Installationsbereiche werden maßgeschneidert bemessen. Zudem werden die zu erwartenden Energiekosten des Gebäudes frühzeitig ermittelt und die Anlagentechnik entsprechend optimiert.