Christoph Meier

Das Projekt «GreenHub» ist eines von insgesamt acht grossangelegten Flagship-Projekten der Schweizerischen Agentur für Innovationsförderung (Innosuisse). Zusammen mit 16 Forschungspartnern verfolgt das Konsortium unter Leitung der OST ein klares Ziel: die Entwicklung systemischer und innovativer Ansätze für die Produktion, Umwandlung und Speicherung von erneuerbarer Energie in umweltfreundliche, flüssige Brennstoffe unter Verwendung von Rohstoffen, die z.B. von Kehrichtverwertungsanlagen geliefert werden.

Das Papieri-Areal in Cham ist ein ehemaliges Industrieareal der Papierindustrie, das von der Cham Group in Etappen zu einem neuen Quartier mit im Endausbau 1000 Wohnungen und 1000 Arbeitsplätzen entwickelt wird. Die bestehenden Industriebauten werden saniert, umgenutzt und durch Neubauten ergänzt, so dass eine Kombination aus 30% Altbauten und 70% Neubauten entsteht. Die Energieproduktion für die Wärme- und Kälteversorgung, die durch das Planungsunternehmen AWIAG geplant worden ist, wird vollständig erneuerbar und CO2-neutral über zentrale Ammoniak-Wärmepumpen mit den zwei Wärmequellen Erdsonden- und Flusswasser gewährleistet. Auf den Dächern der Neubauten sind 6500 m2 PV und auf dem Areal ein Flusswasserkraftwerk mit 230 kW installiert, die im Jahr 2.4 GWh erneuerbaren Strom produzieren.

Das Areal ist ab 2022 als 2000-Watt-Areal zertifiziert. Im Papieri-Areal wird so die Energiewende auf Quartiersebene umgesetzt, was im Vergleich zum Einzelgebäude die Energiewende beschleunigt und 2024 mit den Watt d’Or ausgezeichnet wurde. Das Areal fungiert weiterhin als Forschungsplattform zur Auswertung von Wärmepumpenkonzepten in hocheffizienten Gebäudeclustern und Arealen. Als Beitrag zum internationalen Forschungsprojekt IEA HPT Annex 61 mit dem Titel «Wärmepumpen in Plusenergiequartieren» im Wärmepumpenprogramm (HPT) der Internationalen Energieagentur IEA dient das Areal als Demoprojekt für die Wärmepumpenintegration, die am IET Institut für Energietechnik der OST Ostschweizer Fachhochschule mit Modellierung und Simulation sowie Auswertung von Monitoring-Daten im Detail untersucht wird. Ziel ist eine Optimierung des Anlagenbetriebs der Wärme- und Kälteversorgung und das Ableiten von Best-Practice-Systemlösungen, die auch im internationalen Kontext ausgewertet werden.

Das Projekt untersucht einen Wärmeerzeugerersatz in zwei Mehrfamilienhäusern, bei dem die Ölkessel durch zwei innenaufgestellten Propan-Wärmepumpen ersetzt werden, und die als Wärmequellen Luft und eine Spitzenlastdeckung über Erdwärmesonden nutzen. Durch die Auslegung der Erdreichquelle auf Spitzendeckung werden bestehende Platz- und Bohrtiefeneinschränkungen überwunden und die Wärmepumpe wird ohne fossile Spitzendeckung betrieben. Dies wird auch durch die hohen möglichen Vorlauftemperaturen der Propan-Wärmepumpe von 70 °C unterstützt. Das Monitoring der Wärmepumpen über drei Heizperioden dient daher neben der Betriebsauswertung und –optimierung auch zur Verifizierung von Simulationsmodellen, mit denen erweiterte Auslegungs- und Planungsempfehlung für Mehrquellensysteme entwickelt werden. Weiterhin wird eine Bewertung der innenaufgestellten Propan-Wärmepumpen in Hinblick auf die Effizienz und Wirtschaftlichkeit vorgenommen. Ziel ist die Dokumentation eines Best Practice Systems für den Mehrquelleneinsatz und den Wärmeerzeugerersatz mit innenaufgestellte Propan-Wärmepumpen.

Im Projekt SunStore wird ein neues, auf Phasenwechselmaterialien (PCM) basiertes Wärmespeicherkonzept für Pufferspeicher in Wärmepumpensystemen unter realen Bedingungen eingebaut, getestet und evaluiert. Das PCM wird in modifizierten high-density Polyethylen (HDPE) Kapseln als Schüttgut in den Pufferspeicher gefüllt. Im Projekt SunStore wird ein neues, auf Phasenwechselmaterialien (PCM) basiertes Wärmespeicherkonzept für Pufferspeicher in Wärmepumpensystemen unter realen Bedingungen eingebaut, getestet und evaluiert. Im Projekt sollen insbesondere die Vorteile von PCM-Speichern in Bezug auf das Erreichen eines hohen Eigenverbrauchs von PV-Strom in Kombination mit Wärmepumpen untersucht werden. An der Pilotanlage mit Luft/Wasser-Wärmepumpe und einer Nachrüstung von PCM in den bestehenden Pufferspeicher sollen Erfahrungen zum Einsatz von PCM im realen Betrieb über drei Heizperioden ausgewertet und der Anlagenbetrieb optimiert werden. Das Projekt startete im Herbst 2021. Bisher wurde eine Referenzperiode mit konventionellem Wasserpufferspeicher und eine Heizperiode mit der ersten Generation PCM-Kapseln gemessen. Erste Ergebnisse zeigen eine Steigerung des PV-Eigenverbrauchs und der Heizautarkie. In der Heizperiode 23/24 wurden neue Kapseln mit einer verbesserten PCM-Rezeptur und leicht angepasster Kapselgeometrie befüllt.

Mit einem massiven Ausbau von Wärmepumpen werden für eine hohe Effizienz auch gute Wärmequellen benötigt. Insbesondere im höheren Leistungsbereich ab 50 kW und bei dichter Bebauung weisen einzelne Wärmequellen wie die Aussenluft oder das Erdreich Einschrän-kungen hinsichtlich Lärm respektive Platz und Bohrtiefe auf. Im Projekt HP-source wurden Integrationsmöglichkeiten von Wärmequellen anhand von Systemsimulationen mit dem Ziel untersucht, die Einschränkungen zu umgehen und einen monovalenten Wärmepumpenbetrieb mit hoher Effizienz zu ermöglichen.

The "GreenHub" project is one of a total of eight large-scale flagship projects of the Swiss Innovation Agency (Innosuisse). Together with 16 research partners, the consortium led by OST is pursuing a clear goal: the development of systemic and innovative approaches for the production, conversion and storage of renewable energy into environmentally friendly liquid fuels using raw materials supplied, for example, by waste incineration plants.

The Black & White building in Pfäffikon SZ is centrally located and combines commercial use on the ground floor, office use on the first two upper floors and multi-family residential use on the third and fourth floors and the attic of the building. The field measurements evaluated over a year and the simulations carried out confirm that a zero energy balance can be achieved even in an urban environment with the photovoltaic system integrated into the roof and façade and the highly efficient heat pump.

Das Gebäude Black & White in Pfäffikon SZ vereint in zentraler Lage eine kommerzielle Nutzung im Erdgeschoss, eine Büronutzung in den ersten beiden Obergeschossen und eine Mehrfamilien-Wohnnutzung im dritten und vierten Obergeschoss und der Attika des Gebäudes. Die über ein Jahr ausgewerteten Feldmessungen und die durchgeführten Simulationen bestätigen, das mit der Dach- und Fassadenintegrierten Photovoltaikanlage und der hocheffizienten Wärmepumpe eine Nullenergiebilanz auch in städtischem Umfeld erreicht werden kann.

Massive Bauteile wie Betondecken bieten eine hohe thermische Masse zur Speicherung von Wärme und Kälte und zur Dämpfung der Raumtemperatur. Mit dem Industriepartner Barcol-Air Group AG, Schwerzenbach, ist ein innovatives Hybridkühldeckenmodul mit Betondeckenaktivierung im Rahmen eines Innosuisse Projekts entwickelt worden, dass höhere Free-Cooling Anteile ermöglicht als konventionelle Kühldecken, womit sich Einsparungen von elektrischer Energie realisieren lassen.

Solid components such as concrete ceilings offer a high thermal mass for storing heat and cold and for damping the room temperature. With the industrial partner Barcol-Air Group AG, Schwerzenbach, an innovative hybrid cooling ceiling module with concrete ceiling activation has been developed within the framework of an Innosuisse project that enables higher free-cooling proportions than conventional cooling ceilings, which means that savings in electrical energy can be realised.

Die Erfahrungen aus verschiedenen Pilot- und Demonstrationsprojekten sowie die Einschätzung von Experten lassen vermuten, dass Heiz- und Kühlanlagen oft überdimensioniert sind. Da es in der Schweiz jedoch keine systematischen Untersuchungen zu diesem Thema gab, hat das Bundesamt für Energie (BFE) das SPF und das IET - Institut für Energietechnik mit dem Projekt OptiPower beauftragt. Das Team untersuchte insgesamt 341 Heizungsanlagen im Mehrfamilienhausbereich und zehn Verwaltungsgebäude hinsichtlich der tatsächlich benötigten Heiz- und Kühlleistung anhand der Auswertung von Messdaten und der installierten Leistung. Dabei wurde festgestellt, dass im Mehrfamilienhausbereich im Median eine Überdimensionierung von 44 % besteht und bei den Verwaltungsgebäuden die Anlagen um den Faktor 2-3 überdimensioniert sind. Das Projektteam hat weiter untersucht, wie sich diese Überdimensionierung auf die Kosten und die Effizienz der Wärmepumpen auswirkt und im Schlussbericht entsprechende Empfehlungen formuliert.

Experience from various pilot and demonstration projects, as well as the assessment of experts, suggests that heating and cooling systems are often oversized. However, since there were no systematic studies on this topic in Switzerland, the Swiss Federal Office of Energy (SFOE) commissioned the SPF and the IET - Institute of Energy Technology with the OptiPower project. The team examined a total of 341 heating systems in the multi-family house sector and ten administrative buildings with regard to the heating and cooling power actually required based on the evaluation of measurement data and the installed power. It was found that in the multi-family housing sector there is a median oversizing of 44 % and in the administrative buildings the systems are oversized by a factor of 2-3. The project team further investigated how this oversizing affects the costs and efficiency of the heat pumps and formulated corresponding recommendations in the final report.