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Unabhängige Fachzeitschrift für die Sanitär-, Heizungs-, Lüftungs- und Energiebranche

Weltneuheit im NEST, dem Forschungs- und Innovationsgebäude von Empa und Eawag in Dübendorf. Ende August ging eine Fitness- und Wellness-Anlage in Betrieb, die komplett mit Sonnenenergie und dem sportlichen Beitrag der Nutzer betrieben wird. Die zahlreichen Gäste hatten Gelegenheit für einen spannenden Besuch der innovativen Unit.

Fitness und Wellness stehen für ein wachsendes Bedürfnis unserer Gesellschaft, das meist auf Kosten der Umwelt geht und grosse Energiemengen verschlingt. Den Energieverbrauch von Wellness-Anlagen massiv senken und die verbleibende Energie selber produzieren: Das ist das Konzept der Unit «Solare Fitness & Wellness». Sie ist Teil von NEST, der modularen Forschungs- und Innovationsplattform auf dem Campus der Empa in Dübendorf, und thront auf der obersten Plattform des Gebäudes.
Im NEST arbeiten Forschung, Wirtschaft und öffentliche Hand zusammen, um neue Technologien, Materialien und Systeme im Bau- und Energiebereich unter realen Bedingungen testen zu können. NEST ist als «Living Lab» konzipiert – mit tatsächlich genutzten Wohnungen und Büroräumen, die gleichzeitig Versuchsumgebungen für neue Produkte, Komponenten oder Systeme sind. Auch im Fall «Solare Fitness & Wellness» ist deshalb die Wellness-Nutzung Mittel zum Zweck: «Unser Ziel ist es, ein energieintensives Bedürfnis wie Wellness komplett mit erneuerbarer Energie abdecken zu können», erklärte Peter Richner, Stv. Direktor der Empa und strategischer Verantwortlicher von NEST.
«Im Raum schweben futuristische Ellipsoiden von der Decke.»
Ein Sechstel der Energie eines herkömmlichen Betriebs
Erst der Praxistest wird zeigen, ob die gesteckten Energieziele erreicht werden können. Und die Ziele sind ambitioniert: «Wir wollen die Anlage mit einem Sechstel der Energie betreiben, die sie bei herkömmlichem Betrieb bräuchte», erläuterte Mark Zimmermann, Innovation Manager NEST. Das bedeutet konkret: Die 120000 kWh Strom, welche die finnische Sauna, die Biosauna und das Dampfbad normalerweise jährlich verbrauchen würden, sollen auf rund 20000 kWh sinken. Die Basis für diese massive Reduktion legt eine Hochtemperatur-CO2-Wärmepumpe der Firma Scheco, die Temperaturen von bis zu 130°C erzeugen kann. Für einen effizienten Betrieb muss die erzeugte Wärme über einen möglichst grossen Temperaturbereich genutzt werden. Dazu ist der jeweilige Bedarf der unterschiedlichen Wellness-Module als Kaskade aufeinander abgestimmt. Die Wärme wird in einem grossen Tank geschichtet gespeichert und für die einzelnen Nutzungen bereitgestellt: 120°C für die finnische Sauna, 90°C für den Dampferzeuger im Dampfbad, 70°C für die Biosauna und schliesslich 50°C beziehungsweise 30°C für die Duschen und die Heizung. Das zugrunde liegende Energiekonzept haben Forschende der Empa zusammen mit der NTB Interstaatlichen Hochschule für Technik Buchs und der Hochschule Luzern erarbeitet.

Wärme effizient nutzen und Verluste vermeiden
Durch die Wärmeerzeugung mit der CO2-Wärmepumpe wird der Stromverbrauch bereits um rund zwei Drittel reduziert. Mit zusätzlicher Wärme- und Feuchterückgewinnung aus Sauna und Dampfbad lassen sich zudem die Lüftungsverluste mindestens halbieren. «Dazu kommt ein Steuerungssystem, das auf die konkreten Buchungen der Wellness-Module reagiert und diese nur dann aufheizt, wenn es nötig ist», so Zimmermann weiter. Eine verbesserte Wärmedämmung sorgt für minimale Transmissionswärmeverluste.
Um auch die Nordfassade optimal zu nutzen, wird eine acht Meter hohe Vierfach-Verglasung der Firma Glas Troesch eingesetzt. Mit einem Isolationswert von 0,3 W/(m2•K) erreicht diese Fassade im Winterhalbjahr eine günstigere Wärmebilanz als eine fünfmal dickere hochisolierte Wand bei gleichzeitig hohem Komfort und Tageslichtanteil. An der Fassade sowie auf dem Dach sorgen drei Photovoltaikanlagen dafür, dass die verbleibenden rund 20000 kWh Strom im Jahresdurchschnitt solar erzeugt werden. Die eingesetzten bifacialen (mit zwei gleichen Seiten) Glas-Glas-Module der Firma Meyer Burger wandeln das Sonnenlicht dabei sowohl auf der Vorder- wie auf der Rückseite«Für die Gebäudetechnikbranche ist das zukunftsweisende Projekt ein Meilenstein.»
in elektrische Energie um – reflektiert durch das Material des Dachs oder durch die weisse Verkleidung der Fassade. Ergänzt werden die Photovoltaikanlagen durch eine thermische Solaranlage für das Warmwasser. Zu guter Letzt tragen auch die Fitness-Benutzer zur Energieproduktion bei: mit Fitness-Geräten, die Strom generieren.

Gesamte Wertschöpfungskette zieht an einem Strick
«In der Unit ‹Solare Fitness & Wellness› arbeiten Vertreter der ganzen Wertschöpfungskette partnerschaftlich zusammen an einer neuen nachhaltigen Lösung – von den Herstellern der Einzelkomponenten über die Gebäudetechniker und die Planer bis hin zum potenziellen Kunden», zeigte sich Peter Richner erfreut. Schliesslich ist es genau diese disziplinenübergreifende Kooperation und die daraus resultierende Beschleunigung des Innovationsprozesses, die sich NEST auf die Fahne geschrieben hat. Für die Gebäudetechnikbranche ist das zukunftsweisende Projekt ein Meilenstein, weshalb der Schweizerisch-Liechtensteinische Gebäudetechnikverband Suissetec die Realisierung der Unit «Solare Fitness & Wellness» aktiv unterstützt hat. «NEST verlangt nach Lösungen, die bisher noch nie gefragt waren. Gärtchendenken kann man sich dabei nicht leisten. Man muss von Anfang an gemeinsam planen. In NEST kann unsere Branche idealtypisch ausprobieren, wie diese Zusammenarbeit funktioniert», sagte Daniel Huser, Zentralpräsident von Suissetec.

Wärmepumpe für hohe Temperaturen
Herkömmliche Wärmepumpen sind in der Lage, Temperaturen von typischerweise 60°C zu erzielen, da das verwendete Kältemittel ungefähr bei dieser Temperatur kondensiert. Mit Wärmepumpen,«CO2-Wärmepumpe als Herzstück nachhaltiger Wellnesstechnik.»

die CO2 als natürliches Kältemittel verwenden, sind Temperaturen über 100°C möglich. Druck und Temperatur werden so eingestellt, dass das CO2 weder flüssig noch gasförmig ist, sondern in einem sogenannten transkritischen Zustand. Dadurch kann die Wärmepumpe die Wärme bei unterschiedlichen Temperaturen abgeben. Am besten über einen möglichst grossen Temperaturbereich.
Die eingesetzte Heisswasseranlage nutzt die verfügbare Wärme in einer optimalen Kaskade von 120°C (finnische Sauna) bis hinunter auf 30°C (Duschwassererwärmung). Dadurch erreicht die Wärmepumpe trotz hoher Nutztemperatur eine Leistungsziffer (COP) von etwa 3.
Mit der Wärmeversorgung der Anlage Solare Fitness Wellness Empa NEST setzt die Scheco AG aus Winterthur ihre erfolgreiche Entwicklung von CO2-Wärmepumpen fort. Bisherige Anlagen dienten der Warmwasserbereitung auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau. Die Temperaturanforderungen des Saunabetriebs und die hierfür erhöhten Betriebsdrücke erforderten ein hohes Mass an Innovation, sorgfältige Auswahl und Auslegung der Komponenten sowie neuartige Regelstrategien. Die Wärmepumpe besteht im Wesentlichen aus einem Hubkolbenverdichter in 2-Zylinder-Ausführung mit einer Aufnahmeleistung von 3–7 kW, fünf Plattenwärmetauschern, einem Flüssigkeitsabscheider und dem Ölrückführungssystem. Die schalldämmende Wirkung des Gehäuses erlaubt den Betrieb der Wärmepumpe in unmittelbarer Umgebung der Fitness- und Wellnesseinrichtung. Durch die äusserst kompakte Bauweise wird lediglich eine Fläche von 0,9 x 1,4 Metern zur Aufstellung benötigt.

Ganzjährige Versorgung mittels Speicher
Im hocheffizienten Speicher mit Einschichtsystem kann vorproduzierte Wärme auf den jeweiligen Temperaturniveaus über längere Zeiträume bevorratet werden. Der Speicher versorgt ganzjährig die Warmwasserbereitung des Fitnesscenters. Durch den Einsatz einer Frischwasserstation können bis zu 40 Liter pro Minute Warmwasser bereitgestellt werden.
Die Regelung der Wärmepumpe, die Speicherbewirtschaftung sowie die Temperaturregelung der Saunas mit einer Gesamtleistung von etwa 9 kW übernimmt eine speicherprogrammierbare Steuerung. Die Bedienung erfolgt vor Ort oder via Fernwartung. Die Steuerung ist durch eine Bacnet-Schnittstelle mit dem Gebäudeleitsystem verbunden. Entsprechend Vorbuchungen der Kunden werden die Saunas bedarfsgerecht beheizt.
Vor dem Einsatz bei der Empa wurde die Wärmepumpe sorgfältig im Labor der ZHAW in Winterthur getestet. Eine Erstinbetriebnahme bei der Empa war dadurch innerhalb von nur 3 Tagen möglich. Zur Eröffnungsfeier wurde bereits Wärme mit einer Temperatur von 115°C produziert. Zur vollständigen energetischen Bilanzierung und zum Nachweis der Energieeffizienz wurden zahlreiche Wärme- und Strommessungen vorgesehen. Deren Auswertung soll in den kommenden Monaten des Testbetriebes eine Gesamtoptimierung der Anlage ermöglichen.
Der anschliessende Besuch in der Unit «Solarer Fitness- und Wellnessbereich» brachte die Gäste in eine futuristische Welt. Im offenen Raum schwebten drei Ellipsoiden von der Decke, in welchen zwei Saunas und ein Dampfbad untergebracht sind. Unter diesen Wellness-Kokons luden Fitness-Geräte zum Trainieren ein. Eine ideale Kulisse für Science-Fiction-Filme. Nur, auf den installierten Geräten ist Körpereinsatz genau-
so gefragt wie bis anhin und der triefende Schweiss wird auch echt sein. Diese Unit ist ein grossartiges Beispiel für Innovation und Kooperation in der Gebäudetechnik und der Besuch ein absolutes Muss.