Klimaschutz durch Hightech? Wie das gehen könnte, soll die NEST-Unit «HiLo» demonstrieren

Manuel Pestalozzi
14. 十月 2021
Die filigrane Betonkonstruktion hat mit ihren Formen das Aussehen des NEST deutlich verändert. (Foto: Manuel Pestalozzi)

Die neue Einheit am Forschungsbau soll Wege aufzeigen, den CO2-Fussabdruck durch sparsamen Materialeinsatz und haustechnische Neuerungen zu senken. Forschende und Industrie knüpfen grosse Hoffnungen an sie.

In Dübendorf gab es jüngst doppelt Grund zum Feiern: Am Forschungsbau NEST wurden gleich zwei neue Einheiten fertiggestellt – «Sprint» schon im August und vor wenigen Tagen dann «HiLo». Das zweigeschossige Atelier HiLo, das über 120 Quadratmeter Nutzfläche verfügt, prägt mit seiner expressiven Schalenkonstruktion aus Beton fortan den Bau am Eingang des Geländes der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (Empa) wesentlich. Am 6. Oktober 2021 wurde die Eröffnung gross gefeiert. Über 600 Personen verfolgten die Online-Präsentation, die auf YouTube weiterhin abgerufen werden kann. Wir Journalist*innen durften schon morgens die neuen Räume erkunden.

Im Inneren von HiLo befinden sich zwei Raumboxen, die ein Galeriegeschoss bilden. (Foto: Roman Keller)

HiLo ist weit mehr als die mehrfach gekrümmte Betonkonstruktion, die man schon von weitem beeindruckt wahrnimmt. Die neue Einheit und die aus ihrer Entwicklung und ihrem Betrieb gewonnen Erkenntnisse sollen einen wichtigen Teil dazu beitragen, das Bauen zu verändern und zukunftsfähig zu machen. Passend dazu waren beim Online-Event zur Eröffnung einflussreiche Persönlichkeiten aus der europäischen Industrie zugeschaltet: Simon Kronenberg, CEO von Holcim in der Schweiz and Italien, war genauso dabei wie Dr. Daniel Coakley, Senior Research Engineer am Mitsubishi Electric R&D Centre Europe. 

Die Primärstruktur des doppelt gekrümmten Schalendachs ist ein gespanntes Kabelnetz. (Foto: ETH Zürich, Block Research Group, Juney Lee)
Betonbau: Zukunft durch sparsamen Materialeinsatz?

HiLo steht für «High Performance – Low Emissions», also hohe Leistung bei geringen Emissionen. Die Grundidee ist eigentlich so altbekannt wie simpel: Besonders materialsparende Konstruktionen sollen helfen, signifikante Mengen an Beton einzusparen – wie etwa bei den eleganten Konstruktionen aus der Frühzeit des Betonbaus, als das neue Material noch kostspielig war, die Arbeit dafür aber umso billiger, nur diesmal eben im Sinne des Klimaschutzes. Noch wird Beton zumeist in wuchtigen, überdimensionierten Bauteilen eingesetzt, denn das Material ist günstig. Nachhaltig ist das nicht. Doch digitale Technologien (parametrische Werkzeuge insbesondere) ermöglichen heute, sehr effiziente Geometrien zu entwickeln: Mit Gewölbestrukturen etwa lässt sich der Verbrauch an Beton und Stahl um die Hälfte reduzieren. Besonders bei der Erstellung grosser Bauten bedeutet das ein enormes Potenzial. «Bei 10- bis 30-stöckigen Hochhäusern lassen sich durch optimierte Deckenstrukturen bis zu 41 Prozent des Gewichts einsparen», rechnete ETH-Professor Dr. Philippe Block, dessen Block Research Group an der Entwicklung von HiLo federführend beteiligt war, am erwähnten Medienrundgang vor.

Die erste Schicht Beton wird auf die Textilschalung gesprüht. (Foto: ETH Zürich, Block Research Group, Juney Lee)

Das doppelt gekrümmte Dach von HiLo ist eine Sandwichkonstruktion. Sie besteht aus zwei Betonschichten, die über Stahlanker verbunden sind. Zwischen ihnen verläuft eine Dämmschicht. Erstellt wurde die Schalenstruktur mithilfe einer flexiblen Schalung aus einem gespannten Seilnetz und einer Membran, auf die der Beton gespritzt wurde. An den Oberflächen ist diese Vorgehensweise noch erkennbar. Durch sie konnten grosse Mengen an Schalungsmaterial eingespart werden, das sonst wohl obendrein auf dem Müll gelandet wäre. Um dies zu verdeutlichen, zeigte Philippe Block ein Foto mit dem Schalungsabfall des Rolex Learning Center in Lausanne. Bei HiLo wurde ein Schalungs-Bausatz eingesetzt, der sich wiederverwenden lässt – zu grossen Teilen wenigstens.

Die leichten Decken der Raumboxen wurden vor Ort gegossen. Sie sind aber als Prototypen für die Vorfabrikation gedacht. Wiederum ermöglicht die Geometrie, die dem Kräfteverlauf Rechnung trägt, viel Material einzusparen. (Foto: ETH Zürich, Block Research Group, Juney Lee)

Im HiLo-Atelier stehen zwei Raumboxen, die miteinander verbunden sind und ein Galeriegeschoss entstehen lassen. Für sie fertigte die Block Research Group zwei Leichtbaudecken mit Aussteifungsrippen an, wobei auch das Team von ETH-Professor Dr. Benjamin Dillenburgers Lehrstuhl für Digitale Bautechnologien beteiligt war. Die Bauteile kommen ohne Armierung aus und verfügen über eine Art Ringanker entlang der Basis mit den Auflagerpunkten. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Deckenkonstruktion aus Beton werden so laut der Forscher*innen über 70 Prozent an Beton und gar über 90 Prozent an Bewehrungsstahl eingespart. 

Besonders Industriepartner Holcim verspricht sich hiervon viel. Die Firma möchte sich, das wurde am Medienrundgang angetönt, mittelfristig vom Rohstoffproduzenten zu einem Produktanbieter entwickeln. Das Deckensystem im HiLo, das vor Ort erstellt wurde, könnte in der Zukunft zu einem vorfabrizierten Produkt weiterentwickelt werden. Philippe Blocks Vision ist ein Click-in-Place-System, ein Deckenbausatz aus vorgefertigten Betonteilen. Er sieht in dieser Idee grosses Potenzial im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Forscher*innen und Industriepartner hoffen, dass sich solche Produkte auf dem internationalen Markt durchsetzen werden. Gerade auch in Ländern, in denen Holz kaum verfügbar ist, sehr teuer oder es an Holzbau-Know-how fehlt, könnten sie, so die Hoffnung der Beteiligten, nachhaltigere Bauten ermöglichen. 

Professor Dr. Philippe Block (links) mit Peter Richner, dem stellvertretenden Direktor der Empa – beide setzen grosse Hoffnungen in die Betonkonstruktionen der Einheit HiLo. (Foto: Manuel Pestlaozzi)

Die Akustik in HiLo ist sehr angenehm. Philippe Block führt dies auf die hohe Steifigkeit der Gewölbe- und Deckenelemente zurück, die die Funktion der fehlenden Masse bei der Verminderung der Schallübertragung übernimmt. Er freut sich auch über auf die Präzision der Details, insbesondere im Bereich der Anschlüsse der mit photochromatischen Gläsern versehenen Fenster. Hier liessen sich dank des Schalungssystems die Toleranzen im Millimeterbereich einhalten, die die Empa gefordert hatte. Philippe Block unterstrich schliesslich, dass bei der Planung einer solchen Konstruktion von Beginn an über Disziplingrenzen hinweg eng zusammengearbeitet werden müsse und es in der Bauwirtschaft künftig eine neue Kultur der Zusammenarbeit brauche.

Bei den Fensteranschlüssen konnten enge Toleranzen eingehalten werden. Die sichtbaren Ankerplättchen aus Stahl, die die beiden Schalen fixieren, haben auch eine gestalterisch interessante Wirkung. (Foto: Roman Keller)
Ausgefeilte Haustechnik und eine adaptive Solarfassade

Professor Dr. Arno Schlüter und das Team seines Lehrstuhls für Architektur und Gebäudesysteme der ETH Zürich brachten Konzepte für den Komfort und den Betrieb der Räumlichkeiten ein. In die Decken der Raumboxen wurde ein Heiz- und Kühlnetz eingebettet. Die thermische Leistung verbessert sich durch eine Kopplung mit dem Belüftungssystem. Mithilfe von 3D-Druck wurde eine optimierte Schachtgeometrie realisiert. Über vier Frischluftdüsen wird die Luft im Raum so verteilt, dass den Anwesenden trotz sehr geringem Energieverbrauch hoher Komfort geboten werden kann.

Die Struktur auf der Deckenunterseite unterstützt die Luftverteilung. Vor dem Fenster ist auf dieser Aufnahme eine adaptive Solarfassade zu sehen, die nicht nur der Energiegewinnung, sondern auch der Beschattung dient. (Foto: Roman Keller)

Ausserdem verfügt die neue NEST-Unit über eine adaptive Solarfassade, die vor einem Fenster installiert wurde. Sie besteht aus 30 leichten Modulen, die mit effizienten Dünnschicht-Solarzellen ausgestattet sind. Diese können sich auf zwei Achsen bewegen und funktionieren als Beschattungs- und Solar-Nachführsysteme. Die adaptive Solarfassade kann die Temperatur im Gebäude regulieren, indem sie den Sonneneinfall steuert. Dabei lässt sie das Sonnenlicht entweder zur passiven Beheizung in den Raum fallen oder verhindert im Gegenteil den Lichteinfall, um Blendung und Überhitzung zu vermeiden. Wenn sich gerade niemand im Raum aufhält, kann die Fassade die Energieproduktion maximieren und beispielsweise andere Einheiten innerhalb des NEST mit Strom versorgen.

HiLo ist mit dem zentralen Energy Hub des NEST-Gebäudes verbunden. An der Decke sind auf diesem Foto die vier integrierten Frischluftauslässe zu erkennen. (Foto: ETH Zürich, Architecture and Building Systems)
Lernfähige Systeme sollen für gutes Raumklima sorgen

Ein weiterer Forschungsbereich auf dem Gebiet der Raumbewirtschaftung befasst sich mit der Lernfähigkeit von Geräten – viele Firmen der Bauindustrie glauben, dass solchen Systemen die Zukunft gehört. Mit den Heiz-, Beschattungs- und Belüftungssystemen von HiLo können verschiedene Betriebsarten getestet werden, um für die richtige Temperatur, Beleuchtung und genügend Frischluft zu sorgen. Die Gruppe von Arno Schlüter möchte erfahren, wie Gebäude und ihre Systeme selbstständig lernen und dadurch besonders energieeffizient funktionieren sowie den Bewohnern den gewünschten Komfort bieten können. Das Lernen erfolgt anhand von Betriebsdaten – also beispielsweise aus den von den Bewohnern bevorzugten Temperaturen, Lichtverhältnissen und Luftqualitäten. 

Künftig wird HiLo von Forscher*innen genutzt. Sie sollen umfassend Feedback zu den Räumlichkeiten geben, das dann neben den vorzu gesammelten Daten in die Weiterentwicklung der eingesetzten Technologien einfliessen wird. Die Arbeit des grossen Teams hinter HiLo verspricht viel – doch wird sie in der Praxis Früchte tragen und tatsächlich dem Klimaschutz zugute kommen? Es ist zu hoffen, denn ein «Weiter wie bisher» darf es nicht geben. 

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