Echte Innovation gelingt dort, wo Forschungsdrang der Hochschulen und unvoreingenommene Kreativität eines Unternehmens sich befruchten – gerade in der Gebäudetechnik. Eines der Probleme, welche die Branche noch länger auf Trab halten wird, ist die Gebäuderückkühlung in heissen Sommertagen.

Redaktionelle Bearbeitung: Phase5

Einige Akteure in der Branche sind schon länger auf der Suche nach neuen Ansätzen, die energieeffizienter und nachhaltigeren Kühlkomfort gewährleisten als gängige Lösungen auf dem Markt, die vorab auf die Wirkungsweise von Kältemaschinen vertrauen.

An einem Anlass anfangs Juni in Einsiedeln hatten eingeladene Gäste aus Forschung, Verwaltung und Politik die Gelegenheit zu erkunden, was unter einem neuen Kühlsystem namens «CoolShift» zu verstehen ist und was es zu leisten vermag. Die Neugier war geweckt: Auf dem Dachgeschoss eines topmodernen Bürogebäudes hinter dem Saal wartete ein sichtbarer, mutmasslich spektakulärer Teil des neuartigen Kühlsystems auf seine Entdeckung und mancher fragte sich: «In ihrer Winkelstellung verstellbare Photovoltaik-Module haben irgendetwas mit dem Kühlen von Gebäuden zu tun?»

Passive Kühlung

Doch der Reihe nach. Die Grundidee ist nicht neu: Bereits in alten Städten im Nahen und Mittleren Osten verschaffte man sich Kühlung in Wohnräumen mit allerlei Tricks; etwa das Kühlen der Umgebung durch grossflächige Wasserbecken, indem die im Wasser gespeicherte Wärme an den klaren Nachthimmel abgegeben wurde.

Mit steigenden Temperaturen und wachsendem Energieverbrauch erlebt die passive Kühlung eine Renaissance. 2020 finanzierte der Bund eine Machbarkeitsstudie, um anhand der bekannten physikalischen Prinzipien – Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung – ein neues Kühlsystem zu konzipieren. Das Institut für Nachhaltigkeit und Energie am Bau (INEB) der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) entwickelte im Rahmen eines Projektauftrags des Bundesamts für Energie (BFE) zunächst Modelle, um das System zu planen und zu simulieren, bevor die experimentelle Validierung erfolgte. Diesen Modellen lang die ursprüngliche Frage zu Grunde, wie sich bestehende Bürogebäude effizient kühlen lassen. «Dabei wollten wir den Energieeinsatz tief halten und deshalb möglichst wenig klassische Klimasysteme einsetzen» sagt Ralph Eismann, emeritierter Professor und ursprünglicher Projektinitiator, der das Projekt als Gruppenleiter der Forschungsgruppe Erneuerbare Energie und Gebäudetechnik am INEB leitete.

Wärmelasten verschieben

In der Zusammenfassung des Schlussberichts der Hochschulen 2023 wird die Projektaufgabe offen umrissen:

«Dieses Projekt befasst sich mit der Kühlung bestehender Bürogebäude, deren Kühlbedarf in den nächsten Jahrzehnten vor allem im städtischen Umfeld deutlich zunehmen wird. Forschungsgegenstand ist ein mit CoolShift bezeichnetes Konzept zur Kühlung von Gebäuden, welches Lastverschiebung ermöglicht. Dabei wird die tagsüber anfallende Wärme in der Gebäudemasse bzw. in einem geeigneten Speicher zwischengespeichert.»

Der Bericht empfiehlt als Systeme zur nächtlichen Abgabe der Kühlleistung, Standardkomponenten wie handelsübliche photovoltaisch-thermische (PVT)-Kollektoren oder unverglaste Kollektoren zu verwenden. In der Nacht soll die gespeicherte Wärme mittels Kühlsegeln oder Kapillarrohrmatten der Gebäudemasse entzogen und über PVT-Kollektoren/ unverglaste Kollektoren abgegeben werden. Als Projektziele werden u.a. die Erarbeitung von Planungs- und Berechnungsmodellen und das Durchführen von Simulationen anhand diverser Varianten genannt.

Das Institut für Solartechnik (SPF) der Fachhochschule OST hat die Kühlung mit Kollektoren bei Nacht experimentell untersucht. Das Institut für Gebäudetechnik und Energie (IGE) der HSLU hat mittels Gebäudesimulation den Komfort und die Wirtschaftlichkeit untersucht.

Betonkernaktivierung

Das auf Raumklimasysteme spezialisierte Unternehmen KST in Einsiedeln griff Ende 2023 als Industriepartnerin das Konzept zur Kühlung von Gebäuden mittels Lastenverschiebung von Tag in die Nacht auf, da es ohnehin einen Gewerbeneubau plante. In Details ging die KST noch einen Schritt weiter als es das ursprüngliche Forschungsprojekt der drei Hochschulen vorsieht.

Auch im KST-Neubau wird die Wärme, die tagsüber in den Aussenbereichen des Gebäudes entsteht und die Raumluft aufheizen würde, mittels Kühlsegel aufgefangen, abtansportiert und in der Geschossdecke im mittleren Bereich des Gebäudes eingelagert (so genannte TABS). Dadurch heizt sich die Geschossdecke entsprechend auf. Nachts gelingt die Kühlung via Wärmetauscher an den Sekundärkreislauf (aus frostsicherem Wasser-Glykol-Gemisch), der mit einer speziell entwickelten Konstruktion angeschlossen ist; eine Eigenleistung der hauseigenen Konstrukteure.

Drehbare Panels

Das Unternehmen KST baute eine komplexe Drehmechanik; auf der einen Seite sind Photovoltaik-Modul auf Sandwich-Platten montiert. Kopfüber weitere Platten, so genanntes Emitter-Module, die zur Abgabe der Wärme (aus dem Sekundärkreislauf) nach draussen dienen. Die Metallkonstruktion ist auf festen Betonplatten verschraubt.

Nun zum Vorführ-Moment: Remo Müller, Bereichsleiter Engineering, erklärte dem interessierten Publikum die Funktionsweise des Drehmechanismus. Asynchronmotoren lassen die Achsen drehen; während des Tages geht es darum, den Ertrag aus der Sonnenenergie mit der Nachführung des Winkels dem Sonnenstand anzupassen. Der Kettenantrieb befähigt die geschichteten Panels zu einer Drehung um 180º.

Seit Mai 2026 sind insgesamt 144 CoolShift-Panels in 4er-Gruppen installiert und an die Gebäudetechnik angeschlossen. Die gut 300 Quadratmeter grosse Emitter-Fläche sind in der Lage – nach der Drehbewegung in die optimale Position gebracht - Wärmeenergie von circa 3000 Quadratmeter Betonfläche umzulagern («Shift») und so den über den Tag eingefangenen Wärmeeintrag wieder nachts abzuführen – in der Form von Strahlung und Konvektion.

Mögliche Interessenten

Beat Schönbächler ist Gründer und Inhaber des Einsiedler Unternehmens, das primär Wasserkühl- und heizdecken entwickelt und herstellt – dies im Zusammenspiel von Akustik, Lüftungstechnik, Holzbau und gestalterischer Aspekte. «So eine Chance gibt es nur einmal im Leben. Einerseits können wir so unsere Produkte einbauen lassen, andererseits verstehen wir das Zusammenwirken von Kühlung, Betonkernaktivierung und Kühleffekte innerhalb eines innovativen Konzepts besser. Wir haben die CoolShift-Komponenten nicht nur eingebaut, um es in unserem Gebäude kühl und behaglich zu haben, sondern um langfristig zu messen.»

Beat Schönbächler macht sich bereits Gedanken, wer sich allenfalls für eine solches naturnahes Kühlsystem empfänglich zeigen könnte. Er denkt dabei an Schulhäuser, Altenheime oder andere Bauten der öffentlichen Hand. «Temperierung wird zunehmend zum Thema – auch bei älteren Bürogebäuden, die umgerüstet werden müssen.»