Editorial

Die Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa wurde 1880 gegründet. Vorerst war die neue Institution im Keller des Polytechnikums in Zürich untergebracht und hauptsächlich damit beschäftigt, Qualitätsprüfungen von Bau- und Konstruktionsmaterialien für die Schweizerische Landesausstellung 1883 durchzuführen. Mit den Jahren entwickelte sie sich jedoch zu einer universellen Prüfanstalt ­im Bauwesen und Maschinenbau; 1962 bezog sie ein eigenes Areal in Dübendorf.

Der jüngste Neubau auf dem Empa-Areal heisst «Next Evolution in Sustainable Building Techno­logies» oder NEST. Er wurde am 23. Mai 2016 eingeweiht, doch fertig gebaut ist er eigentlich nie. Der Wandel ist Programm: Das NEST besteht aus Gemeinschaftsräumen, einem Kern und Deckenplatten, auf die man temporäre Module stellen kann; eine Fassade hat es nicht. Es funktioniert wie ein Regal im städtebaulichen Massstab oder, wie es der stellvertretende Empa-Direktor ­Dr. Peter Richner formuliert, wie ein «gestapeltes Quartier». Das NEST stellt gleichsam Baugrund und Gerüst zur Verfügung, Partner aus Forschung und Industrie bauen die Module. Das Ziel ist, neue Technologien und deren Wechselwir­kungen unter realen Bedingungen zu testen, um sie ­rascher zur Marktreife zu bringen.

Zudem sollen die Interaktionen zwischen den Modulen und mit dem ganzen Empa-Areal dazu beitragen, neue Erkenntnisse zu gewinnen, die über das Einzelobjekt hinausweisen: etwa zu Stoff- und Energiekreisläufen auf Ebene der Stadt.

Aus heutiger Sicht ist das NEST ein Versprechen. Was darin heranwachsen wird, ist abzuwarten. Wir bleiben dran!

Judit Solt

Inhalt

AKTUELL
07 WETTBEWERBE
Ins Heute transformiert

12 PANORAMA
Eine (schlechte) Zukunft ­für die Vergangenheit | ­­Harte Schale, weicher Kern | ­Auf zur ­mediter­ranen Moderne!

20 VITRINE
Neues aus der Baubranche | Weiterbildung

23 SIA
Entwurfsbegeisterung versus Verhandlungsgeschick? | Aussichten weiterhin ­­fast wolkenlos | SIA-Form Fort- und Weiterbildung

28 VERANSTALTUNGEN

THEMA
30 EMPA NEST – Brutplatz ­für die Forschung

30 «MAN DARF SCHEITERN»
Judit Solt
Was geschieht im NEST und warum? Fragen an Dr. Peter Richner.

34 SOLIDES RÜCKGRAT
Joseph Schwartz, Neven Kostic
Das Traggerüst enthält eigens konstruierte Stahlpilze und präzise geführte Spannkabel.

38 SCHAUFENSTER FÜR DIE AVANTGARDE
Adrian Altenburger
Im NEST wird die Wechselwirkung verschiedener Systeme unter Realbedingungen getestet.

AUSKLANG
41 STELLENINSERATE

45 IMPRESSUM

46 UNVORHERGESEHENES

«Man darf scheitern»

Next Evolution in Sustainable Building Technologies – NEST: Der jüngste Neubau der Empa erlaubt es, Wechselwirkungen zwischen Produkten, Systemen und Menschen in einem real genutzten Gebäude zu testen. Warum das nötig ist und was der Bau sonst noch ermöglicht, erläutert Dr. Peter Richner, Initiant des NEST und stellvertretender Empa-Direktor.

Das NEST ist kein gewöhnlicher Bau, sondern eine Versuchsanlage in stetem Wandel. Er besteht aus einem zentralen Betonkern – dem Backbone –, gemeinschaftlich genutzten Räumen und ­Geschossplatten. Alles andere sind sogenannte Innovationsobjekte oder Units, die auf die Geschossplatten gestellt, im Plug-in-System an die ­Medienkanäle im Backbone angeschlossen und nach einigen Jahren wieder entfernt werden.

Für die Tragkonstruktion bedeutet das maximal auskragende, stützenfreie Geschossplatten, um eine möglichst grosse Freiheit bei der Anordnung der Units zu ermöglichen, und immer wieder andere Belastungen (vgl. «Solides Rückgrat», S. 34). Für die Gebäudetechnik macht die wechselnde Nutzung ein redundantes System erforderlich, das in der Lage sein soll, alle erdenklichen zukünftigen Nutzungen abzudecken (vgl. «Schaufenster für die Avantgarde», S. 38). Und für die Architekten stellte sich die Aufgabe, ein Gebäude ohne fertiges Raumprogramm und ohne Fassade zu entwerfen, das dennoch einen eigenständigen Charakter aufweist.

Gramazio & Kohler Architekten betrachteten das Projekt nicht als Gebäude, sondern als Konzentrat eines Stadtteils. Die Geschossplatten stellen gleichsam den Baugrund an gut erschlossener Lage dar und die Units die einzelnen Häuser, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten von unterschiedlichen Architekturbüros erstellt werden. Wie bei einer Blockrandbebauung haben die Einheiten verschiedene Ausrichtungen, Nutzungen und Gestaltungsansprüche. Anstelle einer Fassade haben Gramazio & Kohler daher «städtebauliche» Richtlinien entworfen, denen alle Units zu folgen haben. Dazu gehört etwa die mit einer Baulinie vergleichbare Vorgabe, dass die Units einen bestimmten Abstand von der Kante der Geschossplatte einhalten müssen, damit deren horizontale Linie als prägendes Element erhalten bleibt, oder die Vorschrift, dass die obersten Units maximal zwei Geschosse aufweisen dürfen. Zudem müssen alle Units so gedämmt sein, dass sie sich in Bezug auf den Energiehaushalt nicht gegenseitig beeinflussen.

Am 23. Mai 2016 wurde das NEST feierlich eingeweiht. Doch fertig ist es noch lang nicht und soll es auch nicht sein: Der Wandel gehört zum Programm.


TEC21: Herr Richner, welche Funktion hat das NEST?

Peter Richner: Es dient als Forschungs- und Technologietransferplattform für den Hochbaubereich. Die akademische Welt und die Industrie können hier Materialien, Produkte oder Systeme, die sie im Labor entwickelt haben, unter realitätsnahen Bedingungen testen und verbessern, um den Schritt auf den Markt vorzubereiten. Das gab es bisher nicht.

TEC21: Und weshalb braucht es eine solche Institution?

Peter Richner: Weil die Baubranche vergleichsweise langsam ist, wenn es um die Implementierung von Innovationen geht. Um neue Entwicklungen zur Marktreife zu bringen, braucht sie viel länger als andere Branchen. Das hat mehrere Gründe. Zum einen besteht die Schweizer Baubranche aus vielen unterschiedlichen Akteuren. Für die meisten liegt es weder finanziell noch personell drin, Forschung aus eigener Kraft zu betreiben; Entwicklungen entstehen direkt am Bau. Zum anderen sind Auftraggeber selten bereit, sich auf technische Experimente einzulassen, weil sie viel Geld investieren und zu Recht erwarten, dass ihre Bauten mehrere Jahrzehnte lang ihre Funktion erfüllen. Dank der Möglichkeit, Innovationen realitätsnah an einem Bau zu testen, können sie sich ­im NEST diesbezüglich absichern.

TEC21: Worin unterscheidet sich diese Realitätsnähe von den Laborbedingungen oder von Mock-ups, wie sie auf dem Bau oft zum Einsatz kommen?

Peter Richner: Im Labor werden neue Produkte in der Regel isoliert entwickelt. Das ist wissenschaftlich korrekt, denn um ihre Performance zu verstehen, muss man sie zuerst isoliert untersuchen. Auch Mock-ups beschränken sich auf bestimmte Funktionen eines einzelnen Gebäudeteils, etwa das Witterungsver­halten einer Fassade. Doch es gibt Sekundäreffekte, die sich erst zeigen, wenn das Produkt mit anderen kombiniert und von Menschen genutzt wird. Ein Gebäude ist immer ein Gesamtsystem, in dem die Materialien, die technischen Einrichtungen und – nicht zu vergessen – die Benutzerinnen und Benutzer interagieren. Es ist kaum möglich, ihr komplexes Zusammenwirken theoretisch vorauszusehen. Im NEST kann man solche Wechselwirkungen in einem tatsächlich genutzten Gebäude analysieren.

TEC21: Heute arbeiten am NEST Partner aus Forschung und Industrie intensiv zusammen. Was hat es gebraucht, um sie zusammenzuführen?

Peter Richner: Die Idee ist sieben Jahre alt. Anfangs war es schwierig, Industriepartner zu finden: Die meisten Akteure, die wir angefragt haben, fanden die Idee zwar grundsätzlich gut, wollten sich aber nicht verpflichten, weil sie wohl nicht glaubten, dass sie realisiert würde. Letztlich war es die Nuklearkata­strophe von Fukushima, die Bewegung ins Projekt brachte: Der grösste Teil der Finanzierung kommt aus dem Energiebereich. Doch mittlerweile sind sehr gute Partner aus unterschiedlichsten Bereichen beteiligt (vgl. Kasten S. 40). Was mich besonders freut: Es sind auch Akteure interessiert, die nicht aus der Baubranche stammen, aber ein grosses Immobilienportfolio haben und von den Erkenntnissen am NEST profitieren möchten. Ich hoffe, dass diese positive Stimmung anhält. Gibt es in einigen Jahren Produkte oder Lösungen auf dem Markt, die hier zum ersten Mal ausprobiert wurden, sind wir auf dem richtigen Weg.

TEC21: Wie muss man sich die Units vorstellen?

Peter Richner: Weil die Geschossplatten stützenfrei auskragen, gibt es praktisch keine Einschränkungen in Bezug auf die Gestaltung der einzelnen Units. Sie können ganz unterschiedlich organisiert, materialisiert und ausgerüstet werden. Sie sind auf eine Lebensdauer von fünf bis sechs Jahren ausgelegt und entwickeln sich in dieser Zeit laufend weiter. In und an diesen Einheiten kann man Neues erforschen, testen, verbessern oder ersetzen. Vor allem aber: Man darf auch scheitern. In einem Innovationsprozess ist das enorm wichtig, denn nur so kann man den Dingen auf den Grund gehen und daraus lernen. Auf der Baustelle ist das keine Option mehr.

TEC21: Was wird in diesen Units erforscht?

Peter Richner: Sehr Unterschiedliches. In «Vision Wood» sind Ergebnisse einer gemeinsamen Forschung der Empa und der ETH Zürich implementiert, die darauf abzielt, die Eigenschaften von holzbasierten Materialien zu verbessern. Getestet werden unter anderem hydrophobes oder magnetisierbares Holz, eine bindemittelarme Holzfaserdämmung und antimikrobielle Holzoberflächen. «Solare Fitness & Wellness» sucht nach neuen Wegen, Bedürfnisse zu befriedigen, ­die sonst mit einem hohen Verbrauch von fossilen Energien verbunden sind. Die Anlage – darunter eine Sauna, eine Bio-Sauna und ein Dampfbad – ist mit modernen Technologien aus der Haustechnikbranche ausgestattet; es gibt ein neues Energiesystem mit CO2-Wärmepumpen, Wärme- und Feuchterückgewinnung, Regenwassernutzung ...
«HiLo» ist ein ETH-Projekt, in dem Ultraleicht­bau und adaptive Gebäudetechnik erprobt werden; das System von ultraleichten, superintegrierten Elementen ist am geschwungenen Dach sichtbar. «Meet2Create» der Hochschule Luzern HSLU ist ein Bürolabor für Arbeitsplätze der Zukunft; bei «SolAce» der EPFL geht es um die Gewinnung von Solarenergie in der Fassade, aber auch um Tageslichtnutzung und visuellen ­Komfort. Weitere Themen sind Urban Mining, digitale Fabrikation, Assisted Living und viele mehr.

TEC21: Solche Versuchsanlagen könnten doch auch einzeln, an unterschiedlichen Orten gebaut werden. Wozu hat man sie hier versammelt?

Peter Richner: Die räumliche Konzentration bringt Vorteile. Erstens ermöglicht sie eine maximale Flexibilität für die Forschung. Im Grund genommen bietet das NEST einen Baugrund an extrem gut erschlossener Lage: Das Versorgungssystem im Backbone, an dessen Komponenten die Units ganz nach Bedarf angeschlossen werden, stellt alles zur Verfügung; neben Strom, Wasser und Luft gibt es zum Beispiel drei Wärmenetze auf unterschiedlicher Temperatur, und die Eawag wird die Möglichkeit aufbauen, Abwasser in sechs verschiedenen Qualitäten zurückzuspeisen und aufzuarbeiten.
Zweitens entsteht mit diesem Gebäude eine Art kreatives Biotop, in dem sich Neues entwickeln kann: Die beteiligten Forschungsanstalten und Industriepartner können ihre Produkte nicht nur in der eigenen Unit ­testen, sondern auch die Nähe anderer innovativer ­Akteure nutzen. Deshalb hat das NEST öffentliche Bereiche wie das Atrium, wo sich Menschen begegnen können; es soll auch gemeinsame Anlässe geben. ­Dieses Plattformkonzept stösst auf grosses Interesse.

TEC21: Das Gebäude funktioniert also als offenes System, in dem sich akademische oder industrielle Partner provisorisch niederlassen und untereinander ver­netzen können. Gibt es bereits Wechselwirkungen unter den verschiedenen Units?

Peter Richner: Auf jeden Fall. In den «Meet2Create»-Büros der HSLU ist das NEST-Team untergebracht, aber auch Partner können Arbeitsplätze belegen. «Vision Wood» ist eine Wohneinheit für akademische Gäste der Empa und der Eawag, die typischerweise nicht aus dem Baubereich kommen, aber als Bewohnerinnen und Bewohner ein Feedback zum Experiment abgeben. Im Fitness- und Wellnesszentrum, das allen offen steht, werden Ergebnisse aus anderen Projekten erprobt, etwa ein Waschbecken aus hydrophobiertem Holz. Indem die Beteiligten im NEST wohnen, arbeiten und sich begegnen, fungieren sie auch als Testpersonen für die Forschung – die eigene, aber auch die der anderen.

TEC21: Gibt es auch Interaktionen über das eigentliche Gebäude hinaus?

Peter Richner: Das NEST eröffnet ein zusätzliches Forschungsfeld, denn eigentlich ist es nichts anderes als ein gestapeltes Quartier. Dementsprechend beschäftigt sich die Eawag mit dem kompletten Wasserkreislauf (Versorgung, Entsorgung, Wiederaufbereitung). Das Multienergienetz im Backbone wiederum ist mit dem Energy Hub der Empa verbunden. Dort versuchen wir, lokal gewonnene erneuerbare Energie zu speichern, umzuwandeln, zu verteilen und nutzbar zu machen für Wohnen, Arbeiten und Mobilität. Zur Ausrüstung gehören Batterien, Supercaps, ein ­Hydrolyseur, um Wasserstoff bereitzustellen, modi­fizierte Brennstoffzellen (die mit einem Erdgas-­Wasserstoff-Gemisch funktionieren), Erdsonden, ein Eisspeicher ... Auch der Energy Hub lässt sich wie das NEST in unterschiedlichsten Konfigurationen fahren, und auch er ist überdimensioniert; denn wir wollen die Kombination der Elemente testen.

TEC21: Das NEST und der Energy Hub sind Teile eines Gesamtsystems. Gibt es noch weitere Bausteine?

Peter Richner: Hinzu kommt das Projekt «move – Future Mobility Demonstrator» mit unterschiedlichen Fahrzeugen, die man mit unterschiedlichen Energieträgern betanken kann, sei es mit elektrischem Strom, Wasserstoff oder einem Erdgas-Wasserstoff-Gemisch. Neue Fahrzeugantriebskonzepte und ihre Energieversorgung sollen einen möglichst tiefen CO2-Ausstoss verursachen. Geplant ist ein weiteres Projekt mit der ETH, das zusätzliche Elemente hinzufügen wird.
Wir können das NEST als isoliertes System betreiben oder jene Teile davon, die sich bewährt haben, wachsen lassen und mit dem Rest der Empa verknüpfen. In Zukunft soll sich das Ganze wie ein Industriequartier erweitern und verbinden. Wir müssen umdenken, weg vom Einzelobjekt und hin zum Areal.


[Dr. Peter Richner ist Leiter des Departements Bau- und Maschineningenieurwesen, stellvertretender Direktor der Empa und Leiter des im Juni 2014 gegründeten Swiss Competence Center in Energy Research «Future Energy Efficient Buildings & Districts». Er ist Initiant der Forschungs- und Technologietransferplattform ­NEST und deren Hauptverantwortlicher.]

TEC21, Fr., 2016.05.27

27. Mai 2016 Judit Solt

Solides Rückgrat

Für die einwandfreie Montage der auswechselbaren Forschungsmodule von aussen waren möglichst weit auskragende Decken gefordert. Die Ingenieure entwickelten ein Traggerüst mit eigens konstruierten Stahlpilzen und mit präziser Spannkabelführung – dies sogar im Holzdach.

Das Nutzungskonzept des Forschungsgebäudes NEST forderte Architekten und Tragwerksplaner gleichermassen heraus. Man war sich einig, dass das als grosses Regal konzipierte Gebäude an allen Fassadenflächen offen bleiben und keinerlei Tragelemente in den Fassadenebenen ­aufweisen sollte. Der Wunsch nach möglichst grossen Deckenflächen für die stockwerkhohen Forschungsmodule bedingte eine Tragstruktur mit entsprechenden Deckenauskragungen, die hohe Anforderungen an die konzeptionelle Entwicklung und die konstruktive Ausbildung des Stahlbetonbaus stellte.

Uneingeschränkte Nutzfläche

Die Planer entwarfen das Konzept in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit und entwickelten es zur Optimierung der Nutzungsanforderungen konsequent weiter (Abb. S. 35 unten). Von Anfang an war klar, dass sich die Nutzung am besten mithilfe eines zentralen Kerns erfüllen lässt, der die Erschliessung, die technischen Installationsschächte sowie die wenigen dienenden Räume aufnimmt. Der sich aus dem kastenförmigen Untergeschoss entwickelnde doppelwandige Kern wirkt als Rückgrat der gesamten Struktur, spannt die auskragenden Deckenplatten ein und steift das Gebäude aus. Durch geschickte Anordnung der Wände im Untergeschoss konnten die sehr grossen Kernkräfte möglichst gleichmässig durch die Bodenplatte in den Baugrund eingeleitet werden, sodass das Gebäude flach fundiert werden konnte.

Anlässlich der intensiven Konzeptbesprechungen wurde nach Möglichkeiten gesucht, den Umfang und die Tiefe der Nutzflächen zu variieren und weiter zu vergrössern, was letztlich zum Abweichen von einer rein prismatischen Gebäudefigur führte. Durch die stockwerkweise verschränkte Anordnung der im Grundriss polygonal verlaufenden Deckenränder wurde es nämlich möglich, Nutzflächen zu generieren, die nicht mehr allein durch die effektiven statischen Auskragungen begrenzt sind. Infolge der auf auskragenden Wandscheibenelementen hängenden beziehungsweise aufgelegten Deckenbereiche konnte zum Teil auf streng übereinanderliegende Wände verzichtet werden; so wurden stockwerkweise alternierend Deckenbereiche entwickelt, deren nutzbare Auskragung grösser ist als die effektive statische Auskragung (Abb. oben).

Sonderanfertigung gegen Durchstanzen

Die sich daraus ergebenden tragwerkstechnischen Herausforderungen sind aus den Abbildungen S. 37 ersichtlich. Es sind einerseits die grossen Schubbeanspruchungen der Decken in den Bereichen der Wandenden und andererseits die Durchbiegungen an den Deckenrändern. Zur Vermeidung von Durchstanzversagen der Decken im Bereich der Wandenden war die Anordnung einer lokalen Schubverstärkung unerlässlich. Mit Bügelbewehrung allein konnte der Durchstanzwiderstand der 55 bis 60 cm starken Obergeschossdecken unter maximal 6.5 MN nicht gewährleistet werden. Es wurden spezielle in der Sichtbetonkonstruktion integrierte Stahlpilze entwickelt, die eigens für diesen Bau konstruiert wurden. Diese Durchstanzpilze wurden mit weiteren in den Beton integrierten Stahlelementen ergänzt, die die Funktion kräftiger Bewehrungen übernehmen. Einerseits sind dies die schweren Druckbewehrungen aus Vollrundstahl, die die erwähnten gros­sen Deckenlasten mittels Kopfbolzendübeln in die Wände einleiten.

Die auskragenden Wandelemente, an denen sowohl unten als auch oben konzentrierte Deckenlasten von rund 6.5 MN wirken, mussten zusätzlich mit Spannkabeln versehen werden, um die Zugkräfte aus der unteren Decke aufzunehmen. Andererseits wurden die unteren Stahlpilze zusammen mit den aufgehenden Rundstählen derart mit kräftigen Stahllaschen und Ankerplatten ergänzt, dass die geneigten Spannkabel mit dem inte­gralen Stahlbauteil verbunden werden konnten, was einen sehr direkten und eleganten Kraftfluss in den extrem hoch beanspruchten Knotenbereichen ermöglicht, wie die Modellierung mit dem kontinuierlichen Spannungsfeld eindrücklich illustriert (Abb. S. 37 oben links). Vier weitere als Bügelbewehrung wirkende Spannkabel erhöhen den Schubwiderstand der Wandscheiben.

Verformungsarm dank Vorspannung

Die zweite grosse Herausforderung bestand in der ­Kontrolle der Verformungen der Decken infolge ihrer beträchtlichen Auskragungen von bis zu rund 10 m ­über die Eckdiagonalen gemessen.

Einerseits die grossen zu berücksichtigenden Nutzlasten von 10 bis 12 kN/m2 und andererseits die respektablen Eigenlasten liessen die Ausbildung ­d­er Decken mit ausschliesslich schlaffer Bewehrung ­als wenig zweckmässig erscheinen, sind doch ins­beson­­dere die Kriechverformungen problematisch, ­weil sie nicht eindeutig mittels einer Deckenüber­hö­­h­ung kompensiert werden können. Daher wurden die Decken konsequent vorgespannt, wobei die 1900-kN-Flachkabel derart geführt wurden, dass die ständi­gen Lasten ­weitgehend durch die Umlenkkräfte der Vorspan­nung kompensiert werden und somit weder elastische noch Kriechverformungen unter ständigen ­Lasten ­auftreten.

Ein weiterer Vorteil der Vorspannung besteht darin, dass sie die Steifigkeit der Betonplatten beträchtlich erhöht und entsprechend die Verformungen im Gebrauchszustand unter den hohen Nutzlasten der Module reduziert. Dabei vergrössert sie auch den Durchstanzwiderstand der Decken infolge der geringeren Rotationen über den Stützen einerseits, und andererseits durch den Einfluss der geneigten und gekrümmten Kabel im Bereich der Stützen, die somit ihre Umlenkkräfte direkt ins Auflager einleiten können.

Nichtsdestotrotz wurden die kritischen Bereiche der Decken zusätzlich mit einer Bügelbewehrung versehen. Unter Berücksichtigung der beschriebenen Kriterien wurde die Geometrie der Kabel sowohl im Grundriss als auch im Schnitt sorgfältig planerisch entwickelt und minutiös auf der Baustelle umgesetzt.

Angewandte Forschung

Beim NEST handelt es sich um ein Forschungsge­bäude. Deshalb war es naheliegend, der geplanten Holzüberdachung im Dachgeschoss mit innovativen und experimentellen Lösungsansätzen – unter anderem mit vorgespannten Brettschichtträger (vgl. «Vorgespannte BSH-Träger», S. 36) – zu begegnen.

Das Tragwerk des Forschungsgebäudes Empa ­NEST stellte sehr hohe Anforderungen an die Planenden und an die Ausführenden. Dank bewusster und engagierter interdisziplinärer Zusammenarbeit ab der ersten Konzeptphase, dem sehr starken Vertrauensverhältnis sowohl der Planenden untereinander als auch mit der Bauherrschaft sowie dem grossen Einsatz und dem respektvollen Umgang aller Beteiligten in der Ausführungsphase konnten die technischen und baulichen Herausforderungen souverän gemeistert werden.

TEC21, Fr., 2016.05.27

27. Mai 2016 Joseph Schwartz, Neven Kostic

Schaufenster für die Avantgarde

Jede Unit des NEST dient einem anderen Forschungsthema und bedarf unterschiedlicher gebäudetechnischer Anlagen. Darauf reagierend bietet die Infrastruktur des Baus den Nutzungseinheiten höchste Individualität.

Angewandte Forschung über effizi­en­te Gebäudetechnik ist ein Schlüssel­element für die Umsetzung der Energiestrategie 2050. Die intelligente Kon­figuration verschiedener Systemteile ist die «Spielwiese» der Forscher. Das Gebäude NEST, auch Living Lab genannt, auf dem Empa-Areal in Dübendorf ist gleichermassen Bühne und programmatische Absicht für eine avantgardistische Situierung verschiedenster Nutzungen. An den Units der Forschungs- und Industriepartner soll ohne Einschränkungen experimentiert werden können, daher brauchen sie Anschlüsse für alle Arten von gebäudetechnischen Installationen. Wärme, Kälte, Elektrizität, Trinkwasser, Abwasser und Luft werden von den gebäudetechnischen Systemen der Units aufbereitet und / oder selbst produziert und verbraucht. Das NEST soll neuartige Wege der Energieerzeugung, -umwandlung, -speicherung und -verteilung ermöglichen. Jede Unit kann die zur Verfügung gestellte Technik gemäss dem eigenen Forschungsschwerpunkt ausnutzen oder unberücksichtigt lassen.

Seit einigen Jahren wird eine CO2-minimierte und exergetisch effiziente Energieversorgung übergeordnet für das gesamte Empa-Areal vorangetrieben. Die ursprüngliche Hochtemperaturversorgung des Areals basierte auf einer zentralen Wärmeerzeugung mit Erdgas. Sie wird schrittweise dekarbonisiert (z. B. Wärmepumpe und saisonale Speicherung, Abwärmenutzung etc.). Die Energieverbraucher werden in eine niedertemperaturfähige Konfiguration (< 45 °C statt 65 °C) transformiert. Die Stromversorgung spielt entsprechend ­
eine zunehmend grössere Rolle. Eigenerzeugter Strom ­(z. B. WKK-Anlage mit ca. 500 kW, PV-Anlage mit ca. ­700 kW etc.) ersetzt nach und nach die Stromversorgung aus dem Netz. Die Verbrauchereffizienz steigt z. B. durch Freecooling mit Grundwasser oder durch ein Erdwärmesondenfeld statt mechanischer Kälteerzeugung ­mittels Kältemaschinen. Das NEST wird kurzerhand in diese gesamtheitliche Nachhaltigkeitsentwicklung eingebunden. So kann sein Projektfokus statt auf Effizienz voll und ganz auf dem Aspekt der Forschung liegen.

Nebst anderen Planern und Spezialisten waren insbesondere die planenden Gebäudetechnikingenieure gefordert. Sie durften ihre weitgehend standardi­sierten Systemansätze zwar nicht gerade vergessen, mussten sich aber auf neue Wege einlassen und in interdisziplinären Auseinandersetzungen eine gleichermassen nachhaltige wie flexible Lösung entwickeln.

Energetisch selbstsicher

Dass diese angestrebte Vielseitigkeit ein flexibles und trotzdem stabiles gebäudetechnisches Grundkonzept bedingt, ist selbstredend. Das entsprechende Rückgrat, der sogenannte Backbone, stellt die Verteilung und Sammlung der zahlreichen Energie- und Medienflüsse aus den bei Maximalbelegung 18 Forschungs-Units ­sicher. Er erlaubt nicht nur eine modulare Systemtopografie, sondern auch den permanenten Austausch von Energie- und Stoffflüssen zwischen den Nutzungen und den unterschiedlichen Energieerzeugern. Einerseits gewährleisten die eigenen Anlagen im NEST mittels Energy Hub und dem Ziel des möglichst autarken Betriebs die Wärme- und Kälteversorgung, Wasserver- und Abwasserentsorgung, sowie Stromversorgung. Andererseits macht das Areal im Sinn eines «Backups» die entsprechenden Versorgungsströme verfügbar.

Das arealseitige Wärme- und Kälteversorgungsnetz stellt die Grundversorgung mit thermischer Energie sicher. Zusätzlich sind in der Energiezentrale im Untergeschoss, dem Energy Hub, für Forschungszwecke eigenständige Wärme- und Kälteerzeugungs- und -speicheranlagen situiert (Brennstoffzelle, Wärme­pumpen, Eisspeicher, Erdwärmesonden etc.). Diese sind vollumfänglich hydraulisch in das gebäudetechnische Konzept eingebunden. Das System ist so kon­figuriert, dass es bidirektionale Massenströme auf drei Systemtemperaturebenen gleichzeitig generieren kann. Das bedeutet, dass eine Nutzungseinheit jederzeit Wärme oder Kälte mit einem Temperaturregime von 60 / 45 °C (Hoch­temperatur), 38 / 28 °C (Nieder­temperatur) oder 5 – 15 / 15 – 25 °C (Tieftemperatur) aus dem Backbone beziehen oder an diesen abgeben kann. Die Units erlauben ihrerseits wechselnde Kon­figura­tionen und somit auch langfristig die Ein­bindung­ noch weiterer neuer Technologien und ent­sprechender Feldforschung.

Die Stromversorgung wird wie bei den obengenannten Systemen durch das Arealnetz der Empa und mit einer entsprechenden Niederspannungshaupt­verteilung (NSHV) im Untergeschoss des NEST sicher­gestellt. Die Forschungs-Units und der Energy Hub binden auch selber erzeugte Elektrizität (z. B. PV-An­lagen an den Units) in die Verteilung ein.

Rohrleitungen in megalomaner Zahl

Zur Lufterneuerung wurden im Backbone die Anlagen für die Grundversorgung der allgemeinen Räume vorgesehen. Daran angeschlossen sind die Lüftung der Kellerräume, die Teilklimaanlage von Seminarraum, ­Sitzungszimmer, Lobby und die Teilklimaanlage der Mehrzweckräume. Die Forschungs-Units hingegen verfügen über eigenständige und individuelle Lufterneuerungssysteme. Für sie wurden lediglich die Anschlüsse für ein zentrales Fortluftnetz bereitgestellt.

Ein sparsamer Umgang mit Wasser ist weltweit eben­so wichtig wie die nachhaltige Nutzung energetischer Ressourcen. NEST ermöglicht es, das Potenzial der ­Wasserbewirtschaftung sowohl im einzelnen Gebäude als auch auf Quartierebene zu untersuchen.

Für die Wasserver- und -entsorgung wurde ­der Backbone so konfiguriert, dass jede Unit grundsätzlich über vier unterschiedliche Wasserversorgungsmöglichkeiten verfügt:
Regenwasser mit Trinkwasserqualität
Regenwasser aufbereitet (keine Trinkwasserqualität)
Grauwasser
Kaltwasser aus dem Arealnetz
Das gesamte Regenwasser der nicht überdeckten Dächer wird gesammelt und in einen erdverlegten Tank (35 m³) geleitet. Die Planer gehen von einem Jahresertrag von ca. 880 m³ für die Wasserversorgung aus.

Jede Unit hat über den Backbone sechs verschiedene Abwasserabgabemöglichkeiten:
Schmutzabwasser (Abwasser mit fäkalen Anteilen)
Schwarzabwasser (Abwasser ohne Fäkalien)
Gelbabwasser (Abwasser mit urinalen Anteilen)
Grauwasser leicht (Dachwasser)
Grauwasser schwer (Oberflächenwasser)
Regenwasser
Entsprechend differenziert können die anfallenden ­Abwasser im 1. UG wieder aufbereitet und über das ­Verteilnetz zu den Units geführt werden. Ein Umlüftungsanschluss soll Unterdruckgenerierung vermeiden.

Der sogenannte «Water Hub» vereint Elemente wie moderne Trenntoiletten, Nährstoffrückgewinnung aus Urin, Substitution von Trinkwasser durch aktive Nutzung von Regenwasser und Aufbereitung von rezyk­liertem Grauwasser, Schwarzabwasser als Energiequelle, eine flexible Infrastruktur sowie neuartige Leitungsführungen für vereinfachte Abwassersysteme. Damit schafft er neue Erkenntnisse für die Sanitärtechnik­systeme der Zukunft.

Mögen die Spiele beginnen!

Die dynamische Wechselwirkung der Infrastrukturen, mit der die Forscher spielen, stellt nicht nur topologisch, sondern auch regeltechnisch und hydraulisch höchste Anforderungen an die Gebäudetechniksysteme im ­Backbone. Das NEST ist nicht nur über den Backbone ­und den Energy und Water Hub mit dem Empa-­Cam­pus Dübendorf und auch der dort befindlichen ­Demonstrationsplattform «move» (siehe Kasten) verbunden. Es bezieht ausserdem die Energy System ­Integration Platform (ESI) des Paul Scherrer Instituts (siehe Kasten) mit ein.

Diese breit abgestützte Zusammenarbeit eröffnet der Energie- und Gebäudetechnikforschung eine völlig neue Dimension und ermöglicht die Untersuchung von Energienetzen, die nicht physisch, sondern virtuell über entsprechende Software («Internet of Things») ­gekoppelt sind. Zudem erlaubt die Kombination verschiedener Kompetenzen und Technologien einen ganzheitlichen Blick auf die Energie- und Gebäudetechniksysteme der Zukunft.

Als erste Forschungs-Units nehmen «Meet2­Create» und «Vision Wood» den Betrieb auf. «Meet2­Create» reduziert mit einem passiven Konzept den ­Energieverbrauch und erzeugt mit BIPV Strom. Eine Raumautomation regelt Heizung, Lüftung und Kälte von «Vision Wood» und optimiert so die Energieeffizienz. Hier werden Regelstrategien und -algorithmen getestet.

Die anderen Units werden ebenfalls über eine individuelle Gebäudetechnik verfügen und an die passenden Infrastrukturen angeschlossen. Der Mehrwert von NEST und dem Backbone ist, dass die Anbindung nicht fix festgelegt ist, sondern jederzeit Veränderungen vorgenommen werden können.

Adrian Altenburger, Bauherrenberater Energie und HLKKS für die ETH-Forschungsanstalten Empa, PSI, WSL und Eawag


Units

Digitale Fabrikation: Digitale Plan- und Bautechniken werden unter Langzeitbedingungen getestet. Ziel ist, Produk­tions­effizienz und Nachhaltigkeit des Gebäudes zu erhöhen. Betriebsaufnahme 2018.
HiLo – Ultraleichtbau und adaptive Fassaden: Ein zweigeschossiges Penthouse aus ultraleichten Betonschalen dient akademischen Gästen als Wohn- und ­Arbeitsraum. Getestet werden Schalungen, Dach- und Bodenkonstruktionen ­in Leichtbau sowie eine adaptive Solar­fassade. Betriebsaufnahme 2017.
Meet2Create – Das Büro der Zukunft: Mehrere Arbeits- und Meetingräume. Getestet werden unter anderem Tageslichtsteuerung, schalldämmende Textilien, PV-Fassade, Cloud Automation. Betriebsaufnahme Mai 2016.
Solare Fitness & Wellness – Energieef­fi­ziente Wellnesstechnik: Die Unit wird mit dem Schweizerisch-Liechtensteinischen Gebäudetechnikverband suissetec realisiert und geht im Herbst 2016 in ­Betrieb.
Urban Mining: Im Bau soll Abfall wiederverwertet und zukünftiger Abfall vermieden werden. Dazu werden Recyclingmaterialien und neue Konstruktions- und Fügetechniken für den geordneten Rückbau erprobt. Betriebsaufnahme 2017.
Vision Wood – Holzinnovationen: Untersucht werden unter anderem funktionalisierte Zellulose in Silikon, ein Bambus-Kompositmaterial für die Terrasse, nachhaltige und flammhemmende PU-
Schäume. Betriebsaufnahme Mai 2016.

Partnerprojekte

Water Hub – Projekt der Empa zu urba­nem Wasser- und Abwassermanagement: Forschungsthemen hier sind u. a. die Reduktion des Wasserverbrauchs, Nutzung verschiedener Stoffe im Abwasser, Nährstoffrückgewinnung aus Urin, Nutzung von Regenwasser und Abwasser als Energiequelle.
ehub – Energy Hub Demonstrator an der Empa: Es werden Energiekonzepte getestet, um Energiemanagement auf Quartier­ebene zu optimieren und den Einfluss der Konzepte auf das gesamte Energie­system zu evaluieren.
move – Future Mobility Demonstrator: ein benachbartes Projekt am Empa-Areal. Neue Fahrzeugantriebs­konzepte und ­ihre Energieversorgung sollen einen möglichst geringen CO2-Ausstoss verursachen.
ESI – Energy System Integration Platform: Forschungsprojekt des Paul Scherrer Instituts am PARK innovAARE in Villingen: Forschungsthemen: Beschleunigertechnologien, Advanced Materials and Processes, Mensch und Gesundheit sowie Energie.

TEC21, Fr., 2016.05.27

27. Mai 2016 Adrian Altenburger

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