Wer selbst schon einmal in einem unklimatisierten Büro gearbeitet hat, kennt das Problem: An heissen Sommertagen sinkt die Konzentration, was sich unmittelbar auf die Produktivität auswirkt. Deshalb ist die Kühlung der Büroräumlichkeiten für viele Unternehmen nicht mehr bloss Wellness für ihre Mitarbeitenden, sondern ein direkter Erfolgsfaktor. Und die Herausforderung verschärft sich, denn mit dem Klimawandel steigt die Anzahl Hitzetage.

Viele Immobilienunternehmen statten ihre Büroräumlichkeiten deshalb mit Klimasystemen aus. Herkömmliche Lösungen verbrauchen allerdings oft sehr viel Energie. Diesem Grundgedanken folgend, setzte sich ein Team des Instituts Nachhaltigkeit und Energie am Bau (INEB) der FHNW mit der Frage auseinander, wie sich bestehende Bürogebäude effizient kühlen lassen.

Energieeinsatz tief halten

«Wir wollten den Energieeinsatz tief halten und deshalb möglichst wenig klassische Klimasysteme einsetzen», sagt Prof. Dr. Ralph Eismann, ehemaliger Gruppenleiter der Forschungsgruppe Erneuerbare Energie und Gebäudetechnik am INEB der FHNW. Ausgangspunkt waren laut Eismann dabei drei Fragen: Wie können bestehende Gebäude an den Klimawandel angepasst werden, ohne sie ersetzen zu müssen? Wie lässt sich Kühlung energieeffizienter gestalten – etwa durch nächtliche Wärmeabgabe? Und wie können Stromspitzen reduziert werden, wenn nicht alle Gebäude gleichzeitig kühlen?

Bewährte physikalische Prozesse neu eingesetzt

Daraus entstand die Idee für CoolShift: ein Konzept, das die thermische Masse des Gebäudes nutzt. Das Grundprinzip: Die Bauteile speichern die Wärme tagsüber und geben sie – mit technischen Hilfsmitteln – in der Nacht wieder an die Umgebung ab. Dabei kommen bewährte physikalische Prozesse wie Konvektion, Wärmestrahlung und Wärmeleitung (siehe nächsten Abschnitt, «Kurz erklärt») zum Einsatz, welche die Menschen teilweise schon in der Antike genutzt haben.

«Vereinfacht gesagt, läuft der Prozess in drei Schritten ab», erklärt Prof. Dr. Ralph Eismann. «Wärme speichern, Wärme entziehen und Wärme abgeben.» Für Speicherung und Entzug kommen Kühlsegel oder Kapillarrohrmatten zum Einsatz. Für die nächtliche Wärmeabgabe nutzt CoolShift PVT-Kollektoren. Es handelt sich hierbei um kombinierte Solarmodule, die sowohl Strom (via Photovoltaik) als auch Wärme (via Solarthermie) produzieren und abgeben können.

Kurz erklärt: 3 Prinzipien der Wärmeübertragung

• Wärmestrahlung: Wärme überträgt sich durch elektromagnetische Strahlung.
• Wärmeleitung: Wärme überträgt sich innerhalb eines festen Körpers (z. B. Metall) oder zwischen zwei direkt berührenden Materialien.
• Konvektion: Wärme überträgt sich durch die Bewegung von Flüssigkeiten oder Gasen.

Zusammenarbeit verschiedener Forschungsteams

Eine vielversprechende Forschungsidee war geboren. Doch die eigentliche Bewährungsprobe stand erst bevor: die wissenschaftliche Validierung und der Schritt in die Praxis. Dabei ist es dem INEB gelungen, Forschungs- wie auch Praxispartner in das Projekt einzubinden.

«Unser Beitrag war die Entwicklung von Modellen und Berechnungsverfahren, damit CoolShift geplant werden kann», erläutert Prof. Dr. Ralph Eismann. Das SPF Institut für Solartechnik der Ostschweizer Fachhochschule (OST) hat die Kühlung mit Kollektoren bei Nacht experimentell untersucht und die Parameter für das empirische Kollektormodell geliefert. Die Hochschule Luzern (HSLU) hat mittels Gebäudesimulationen Komfort und Wirtschaftlichkeit untersucht.

Drehbare Panels: Energieproduktion am Tag, Wärmeabgabe in der Nacht

Die Anbieterin für Raumklimasysteme KST AG griff den Ansatz als Industriepartner auf und entwickelte ihn für die Praxis weiter. «Das Konzept hat uns von Anfang an überzeugt», sagt Beat Schönbächler, Gründer und Inhaber des Einsiedler Unternehmens, das primär Wasserkühl- und -heizdecken entwickelt und herstellt, bei denen Akustik, Lüftung und gestalterische Aspekte mitgedacht sind. «Es war für uns nicht nur eine Chance, unsere eigenen Produkte einzusetzen, sondern auch eine Möglichkeit, eine innovative Technologie weiterzuentwickeln und damit zu einer sparsameren Gebäuderückkühlung beizutragen.»

Im Entwicklungsprozess hin zur realen Umsetzung gelang dem Unternehmen ein weiterer wichtiger Innovationsschritt: Es entwickelte eigene, drehbare Panels mit einem Photovoltaikmodul auf der einen Seite und einem Emitter-Modul auf der anderen, und kombinierte das Emitter-Modul mit dem von CoolShift vorgesehenen Ansatz der Bauteilaktivierung.

«Tagsüber richtet sich das Photovoltaikmodul optimal zur Sonne aus und maximiert die Energieproduktion», erläutert Beat Schönbächler. «Und in der Nacht drehen sie selbständig und nutzen das rückseitige Emitter-Modul zur Wärmeabgabe.» Zusammen mit den firmeneigenen Kühl- und Heizsegeln entstand so beim Neubau der KST AG ein integriertes System, das Energieproduktion, Gebäuderückkühlung und eine optimierte Raumklimatisierung kombiniert.

Mit dem Energiepreis ausgezeichnet

Rund sechs Jahre nach der ersten Idee zeigt CoolShift damit, wie Forschung ihren Weg in die Praxis finden kann. Die Energiekommission Einsiedeln hat das im Neubau der KST AG realisierte System CoolShift mit dem Energiepreis 2025 ausgezeichnet. «Das Projekt ist ein hervorragendes Beispiel, wie aus der Zusammenarbeit verschiedener Forschungspartner und Industrieunternehmen echte Innovation entstehen kann», freut sich Prof. Dr. Ralph Eismann. Und auch Beat Schönbächler ist zufrieden. «In unserem Neubau sparen wir nicht nur Energie, sondern arbeiten im Sommer auch effizienter – den kühlen Temperaturen sei Dank.»