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HiLo

Mit der Devise «High Performance – Low Emissions» demonstriert die NEST-Unit HiLo, wie sich attraktive Architektur mit energie- und ressourcenschonendem Bau und Betrieb verbinden lässt. Dabei vereint die Unit neuartige Planungs- und Konstruktionsmethoden für effiziente Betonstrukturen mit einer selbstlernenden und adaptiven Gebäudetechnik.

Die Bauindustrie ist für einen grossen Teil des weltweiten Ressourcen- und Energieverbrauchs und der ausgestossenen Treibhausemissionen verantwortlich. Gleichzeitig sieht sich der Bausektor einer ständig wachsenden Weltbevölkerung gegenüber. In der HiLo Unit kommen Innovationen zur Anwendung, mit denen diese Herausforderungen angegangen werden. 

Der integrierte Design- und Fertigungsansatz, der beim Bau der zweistöckigen Unit zur Anwendung kam, markiert den Ausgangspunkt für die Art und Weise, wie wir in Zukunft planen, entwerfen und bauen werden.

Die Unit auf der obersten NEST-Plattform wurde von der «Block Research Group» und der «Architecture and Building Systems Group» der ETH Zürich gemeinsam mit zahlreichen Industriepartnern realisiert.

Die Innovationsobjekte in der Unit HiLo

Flexibel geformtes Betondach

Das Dach der NEST-Unit HiLo ist ein doppelt gekrümmtes Betontragwerk, das in Sandwichbauweise aus zwei dünnen Betonschichten von nur fünf und drei Zentimetern Dicke besteht. Die Schichten sind in einem Abstand von zehn Zentimetern durch Dämmblöcke getrennt und miteinander durch ein Netz aus schlanken Aussteifungsrippen und vertikalen Zugstäben verbunden. Dank dieses leichten, doppelschaligen Aufbaus und der aus der stark gekrümmten Geometrie abgeleiteten Tragfähigkeit steht das Dach frei auf fünf Stützen und überspannt eine Fläche von 120 m2.

Unkonventionelle Betonstrukturen erfordern massgeschneiderte Schalungen, für die in der Regel grosse Mengen an gefrästem Holz oder Kunststoff verwendet werden. Die Herstellung solcher Einwegschalungen ist kostspielig und ressourcenbelastend. Die Dachkonstruktion von HiLo wurde stattdessen mit einer flexiblen Schalung gebaut, die auf weitgehend wiederverwendbaren Teilen basiert. Die Primärkonstruktion der Schalung ist ein Seilnetz aus einzeln zugeschnittenen Stahlseilsegmenten verbunden mit maßgeschneiderten Knotenpunkten, welches innerhalb eines Holzrahmens gespannt wird. Über das Seilnetz wird eine dünne Textilmembran gespannt und mit den Knotenpunkten verbunden. So bildet sie eine gespannte Oberfläche, auf die der Beton gegossen oder gespritzt werden kann.

Das HiLo-Dach ist eine Inspiration dafür, wie die Gebäudehülle neu gedacht werden kann und welche neuen Möglichkeiten sich aus der Kombination von traditionellem Wissen und digitalen Methoden ergeben.

Partner: ETH Zürich

Optimierung der Gebäudetechnik

Die Gruppe «Architecture and building systems (A/S)» an der ETH Zürich entwickelt neue Methoden zur Gebäudesteuerung mithilfe von Machine Learning. Ziel ist die Optimierung des Betriebs hinsichtlich Raumqualität (Indoor environmental quality, IEQ) und Energieverbrauch oder weiterer Parameter. Die meisten neuartigen Steuerungsstrategien basieren entweder auf einem modellprädiktiven Ansatz oder auf künstlicher Intelligenz. In diesem Forschungsprojekt wird der Einsatz von Machine Learning zur Verbesserung der Steuerung von HLK-Systemen mit dem Schwerpunkt auf dem Nutzerkomfort untersucht.

 

Partner: ETH Zurich, Mitsubishi Electric

Leichtbau-Gewölbedeckensystem

Die innovativen HiLo-Decken sind dünne, doppelt gekrümmte Schalen mit vertikalen Aussteifungen, um die Lasten nur durch Druckkräfte zu den Auflagern zu übertragen. Die Kräfte werden in den Ecken gesammelt, wo ihr nach aussen gerichteter Gewölbeschub von vorgespannten Verankerungen aufgenommen wird.

Dadurch, dass in den HiLo-Decken nur dort Material vorhanden ist, wo dieses entsprechend dem Kraftfluss von reinem Druck und Zug strukturell benötigt wird und alle Materialien sortenrein bleiben, spart das HiLo-Deckensystem im Vergleich zu einer herkömmlichen Stahlbetonplatte mehr als 70% Beton und 90% Bewehrungsstahl ein und ermöglicht ein einfaches Recycling am Ende seiner Lebensdauer.

In der HiLo-Unit wird dieses Deckensystem erstmals in einem echten Gebäude demonstriert und einen Ausblick auf das revolutionäre Potenzial der Bauindustrie gegeben, CO2-Emissionen drastisch zu reduzieren – lediglich durch den Ersatz einer unerwartet ressourcenintensiven Komponente der Gebäude um uns herum.

Partner: ETH Zürich

Gleichstrom statt Wechselstrom

Solarpanels generieren Gleichstrom, der für die Nutzung in Wechselstrom umgewandelt werden muss. Viele Endgeräte wandeln diesen Wechselstrom dann wieder in Gleichstrom um. Diese Umwandlungen sind nicht effizient. In HiLo werden möglichst alle Verbraucher der Haustechnik und Endgeräte direkt an ein Gleichstromnetz angeschlossen.

Partner: CSEM

Adaptive Solarfassade

Die adaptive Solarfassade soll das Potenzial der Gebäudefassade als Schnittstelle zwischen der Innen- und Aussenwelt ausschöpfen: Mit Hilfe von drehbaren, leichten Dünnschicht-Photovoltaikmodulen kann die Solarfassade kontinuierlich auf ihre Umgebung reagieren, indem sie die Ausrichtung der Module auf horizontalen und vertikalen Achsen ständig optimiert. Gleichzeitig steuern die Module die Beschattung des Innenraums und die Transparenz der Fassade. Dies ermöglicht passives Heizen, die Kontrolle solarer Gewinne oder auch die Reduktion des Kühlbedarfs für die Gewährleistung des Komforts. Die Steuerung der Solarfassade kann manuell, aber auch automatisch geschehen: Mithilfe von Lernalgorithmen lernt die Fassade, sich optimal an die Bedürfnisse der Bewohnerinnen und Bewohner anzupassen und gleichzeitig den Energiebedarf zu minimieren. Sie agiert als integraler Bestandteil des Gebäudesystems im Zusammenspiel mit anderen Komponenten der Gebäudetechnik wie Beleuchtung, Heizung und Lüftung.

Partner: ETH Zürich

3D-gedruckte Schalungen für integrierte Gebäudesysteme

Durch computergestützte Modellierung können Betonbauteile so entworfen werden, dass hocheffiziente energiesparende Gebäudesysteme für Heizung, Kühlung und Lüftung integriert werden können. Die komplexe Topologie solcher optimierten Designs lässt sich jedoch nicht mit herkömmlichen Rahmenschalungssystemen realisieren.

Ein interdisziplinäres Team der Gruppen «Architecture and Buildings Systems» und «Digital Building Technologies» der ETH Zürich hat deshalb ein innovatives Konzept für optimierte thermisch aktive Betonplatten und ein effizientes 3D-gedrucktes Schalungssystem für den Ortbeton entwickelt. Die auf diese Weise hergestellte Betonplatte für HiLo wirkt durch ihre gewölbte Oberfläche wie eine hocheffiziente Heiz-/Kühldecke. Die thermische Leistung wird durch ein aktives 3D-gedrucktes Belüftungssystem weiter verbessert, das die Luft im Raum mit reduziertem Energiebedarf verteilt. 

Partner: ETH Zürich

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