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Perfekte Luft und Kühlung fürs Labor

Raffinierte Kälte- und Lüftungsanlagen in einem topmodernen Forschungs- und Laborgebäude am Standort Schlieren sorgen für hohen Komfort, gedämpften Schall und maximale Sicherheit.

In Schlieren steht das vom Generalplaner Gewerbe- und Handelszentrum (GHZ) AG gebaute neue Forschungs- und Laborgebäude an der Südstrasse 1 kurz vor der Übergabe an Hochschulinstitute als Mieterinnen des Gebäudes. Auf fünf Stockwerken mit einer Fläche von insgesamt 3300 Quadratmetern sind 66 Laborräume, Büros, Sitzungszimmer, Seminarräume sowie eine grosse Cafeteria entstanden.

Das Projektteam der Hälg & Co. AG Luzern-Ebikon erhielt den Auftrag, die Heizungs-, Kälte- und Lüftungsanlagen im ganzen Gebäude zu realisieren. Die Kalt + Halbeisen Ingenieurbüro AG war für die gebäudetechnische Fachplanung (HLKKS/GA/FKoo) verantwortlich.

Papierlos, digital, mehr Koordination
Das Projekt wurde modellbasiert realisiert, weshalb die Arbeiten papierlos durchgeführt werden konnten. Das 3D-Modell, welches von der Fachplanung zur Verfügung gestellt wurde, und die darin enthaltenen Informationen waren auch auf der Baustelle jederzeit abrufbar.

Marcel Wyss, Leiter digitales Bauen bei der Hälg Group, spricht von einem Pilotprojekt: «Das 3D-Modell ist eine Art digitaler Zwilling des Projekts, und ausser einem einzigen Papierplan und einem Übersichts-Schema gab es sonst keine analogen Pläne mehr. Im 3D-Modell ist alles enthalten.» Die modellbasierte Planung anstelle einer konventionellen Planung hat auch Auswirkungen auf die Arbeitsorganisation der Montageteams. Neben der Beschaffung und Ablage der Unterlagen ist insbesondere der Materialauszug völlig neu und unterscheidet sich wesentlich von der herkömmlichen Arbeitsweise. So erstellt zum Beispiel nicht mehr der Projektleiter die Positionspläne und Materialauszüge, sondern dies wird über den CAD/BIM-Techniker von Hälg abgewickelt. Dadurch ist eine grössere Zusammenarbeit untereinander wichtig, und die Projektleitung übernimmt eine Kontrollfunktion. Weitere Vorteile: Fragen zu einzelnen Planelementen, Anmerkungen zu Bauteilen, festgestellte Mängel oder Fotos zu realisierten Abschnitten während des Arbeitstages sind alle in derselben digitalen Ablage zu finden. Für Installateure und Projektleitung bleibt so jeder Vorgang nachvollziehbar.

Roboter am Bau – hohe Hygieneanforderungen
Je nach Gewerk wurden die Arbeitsschritte unterschiedlich weit digitalisiert. Während bei der Befestigungsplanung der Heizungs- und Kälteleitungen sogar ein Roboter zum Einsatz kam, der 800 Bohrpunkte pro Geschoss ansteuern und bohren konnte, war dies bei den Lüftungsanlagen nicht der Fall. Für die Montage der Lüftungsanlagen waren die digitalen Hilfsmittel dennoch hilfreich, da die Qualität der Montageschritte sofort am Modell geprüft und abgeglichen werden konnte.

Ausserdem war ein grosses Augenmerk auf die Hygiene während der Installation zu setzen. Die Anforderung an die Dichtigkeit der Kanäle war dementsprechend grösser; diese wurde mit entsprechenden Messungen nachgewiesen.

Abwärme und Grundwasser
Für das Laborgebäude wird ein polyvalentes Heiz- und Kühlsystem mittels Kältemaschinen/Wärmepumpen eingesetzt. Durch die Doppelnutzung kann gleichzeitig Kaltwasser zur Klimatisierung und Warmwasser zur Gebäudeheizung produziert werden. Im Wärmepumpenbetrieb wird die Abwärme der Räume direkt als Energiequelle genutzt. So kann die von der Labornutzung anfallende Abwärme vollständig den Nutzungen mit Wärmebedarf (z. B. Lufterhitzer oder Raumheizung) zugeführt werden, ohne dass externe Energiequellen benötigt werden.

Wird zwecks Spitzenlastdeckung mehr Wärme benötigt, kann zusätzlich Energie aus dem Grundwasser gezogen werden. Mit den effizienten hybriden Trockenrückkühlern kann im Winter zusätzlich Kälte aus der Umgebungsluft im Sinne von «Free Cooling» genutzt werden. Die Systemtemperaturen zum Heizen und Kühlen sind nahe den Raumtemperaturen gewählt, womit eine energieeffiziente Wärme- und Kälteerzeugung realisiert werden konnte.

Kühlen ohne Schall und Zugluft
Die Abgabe von Wärme und Kälte in den Laborräumen geschieht über hocheffiziente sogenannte Heiz- und Kühlbaffeln. Deren Kühlflächen sind (im Querschnitt) v-förmig angeordnet, wodurch die Kühlfläche vergrössert wird. Zudem ermöglichen die Schlitze in den Baffeln eine gute Konvektion. In Kombination von Strahlung und Konvektion ergibt sich bei diesem System eine hohe Kühlleistung. Daniel Raidt, Geschäftsleiter von Kalt + Halbeisen Ingenieurbüro AG in Zürich, betont die Vorteile: «Dadurch können die internen Wärmelasten von Laborgeräten und Apparaten unter optimalen Komfortbedingungen abgeführt werden. Die Baffelkühlung verursacht weder Schallemissionen noch Zugserscheinungen, welche bei der Installation von Umluftkühlern auftreten würden.»

Die Wärme- und Kälteabgabe in den übrigen Nutzungen wie Büros, Cafeteria und Seminarräumen erfolgt über thermoaktive Bauteilsysteme (TABS), wobei die Decken als aktive Strahlungsflächen dienen und so die Betonmasse zu einem thermischen Speicher umfunktioniert wird. Durch diese Massenträgheit können zusätzlich Leistungsspitzen reduziert werden.

Lüftungstechnik für Labore
Die Lüftungsanlagen versorgen alle Stockwerke, ebenso Nebenräume und eine Einstellhalle. Insgesamt sieben Monoblöcke bewältigen eine Luftmengenzufuhr von insgesamt 164.000 m³ pro Stunde. Jedes der Stockwerke ist in vier Zonen unterteilt. Die technischen Einrichtungen sind für einen 24-Stunden-Laborbetrieb eingerichtet. Die Zuluft wird über gelochte Düsenrohre in die Labore abgegeben, die Abluft wird vorwiegend über sogenannte Kapellen abgeführt.

Kapellen sind für risikoarmes Arbeiten im Labor essenziell. Sie sorgen für eine unbedenkliche Umgebung, indem sie verunreinigte oder potenziell gesundheitsschädigende Luft direkt am Ort der Entstehung sicher absaugen. Gefährliche Arbeiten werden auf den Bereich der Kapellen begrenzt, sodass Forschende und Laboranten geschützt sind. Insbesondere auch Lösungsmittel können sich dadurch nicht im Raum verteilen. Somit werden der Raum und die darin befindlichen Personen vor möglichen explosionsfähigen Luftgemischen geschützt. Je nach Stellung des Frontschiebers wird mehr oder weniger Luft abgeführt; immer so viel, um das Ausbrechen von potenziell kontaminierter Luft zu verhindern. Damit die Frontschieber nicht unnötig offenstehen, sind die Kapellen mit Infrarotsensoren ausgerüstet. Wenn keine Person an der Kapelle arbeitet, schliesst der Schieber. Dadurch fährt der Luftvolumenstrom zurück und reduziert somit den Energieverbrauch. Bei den Büroräumen strömt die Zuluft über Deckenauslässe zu den Arbeitsplätzen. Die Menge der Zu- und Abluft wird bedarfsgerecht in Abhängigkeit des CO₂-Gehalts geregelt.

Kreislaufverbundsystem
Angesichts der komplexen Lüftungsanlagen im neuen Gebäude geschieht die Wärmerückgewinnung über ein Kreislaufverbundsystem. Die im warmen wie im kalten Luftvolumenstrom integrierten Register werden wasserseitig mit Rohrleitungen verbunden und mit einem Trägermedium gefüllt.

Die warme Luft überträgt die Wärme an das Trägermedium, wobei eine Pumpe diese zum zweiten Register fordert, wo die Energie an die kalte Luft abgegeben wird. Mithilfe eines Regelventils kann die Leistung stufenlos geregelt werden. Der Vorteil dieses Systems: Die beiden Luftströme liegen örtlich voneinander entfernt, da die Verbindung mit einem Rohrleitungssystem hergestellt wird.

Sicherheit und Energieeffizienz
Räume mit gefährlichem Lagergut verfügen überdies über eine Sturmlüftung, um diese im Falle einer Havarie vor Brand- und Explosionsgefahr zu schützen. Auslöser ist eine Gaswarnanlage, die im Falle einer Betriebsstörung, d. h. beim Ausströmen schadhafter gasförmiger Stoffe, in der Lage ist, grosse zusätzliche Luftmengen abzuführen. Die Einstellhalle weist ausserdem eine Abgasüberwachungsanlage auf.

In Sommernächten wird automatisch ein Nachtkühlbetrieb eingeschaltet, welcher die kühlere Aussenluft nutzt, um das Gebäude abzukühlen. Da keine aktive Kühlung (z. B. durch Kompressoren) benötigt wird, kann der Nachtkühlbetrieb erheblich zum Energiesparen beitragen. Alle Luftfilter sind mit Differenzdruckwächtern ausgerüstet: Markante Druckdifferenzen sind ein untrügliches Zeichen dafür, dass die Filter verschmutzt sind und ausgetauscht werden müssen.

Text: Manuel Fischer, Fotos: Michael Huwiler