Erdwärme für den "Powerturm"

Für das Projekt Power Tower (Architekten: Weber/Hofer, Zürich) gab es ehrgeizige Zielvorgaben. Das 19 Stockwerke hohe Gebäude sollte als erstes Hochhaus weltweit Passivhausstandard erreichen und weitgehend energetisch autark sein. Zu berücksichtigen war zudem ein großes Rechenzentrum, dessen Wärmeanfall möglichst ohne aufwändige Zusatzkühlung abgeführt werden sollte. Um alle Anforderungen unter einen Hut zu bekommen, mussten konzeptionell neue Wege beim Energiekonzept und der Gestaltung der Gebäudehülle beschritten werden.

Heizung und Kühlung des Gebäudes erfolgen über Geothermie und Abwärmenutzung.
Das große Rechenzentrum, das im Gebäude untergebracht ist, benötigt Kühlung für die Prozessoren. Die dabei anfallende Wärmeenergie sollte nicht einfach abgeleitet, sondern sinnvoll genutzt werden. Gelöst wurde die Aufgabe im Power Tower mit zwei Großwärmepumpen. Zwei Förderbrunnen zur Grundwassernutzung liefern zunächst das Kühlwasser für den Kühlkreislauf des Rechenzentrums. Über die Wärmepumpen wird ein Teil der Wärme aus dem Kühlwasser wieder entzogen. Die gewonnene Wärme wird der Gebäudeheizung zugeführt, indem sie im Winter die kalte angesaugte Außenluft in der Lüftungsanlage auf Zimmertemperatur vorwärmt. So werden Abwärmeverluste vermieden und die Wärmeenergie weitgehend zurückgewonnen.

Die Leistung der Wärmepumpen lässt sich jederzeit an den aktuellen Wärmebedarf im Gebäude anpassen. Eine Großwärmepumpe mit Turboverdichter entzieht die Wärmeenergie aus dem Kühlwasser und liefert eine regelbare Heizleistung zwischen 200 und 385 kW. Ihr drehzahlgeregelter Antrieb stellt mit variierbaren Drehzahlen von 18.000 bis 48.000 U/min, immer die richtige Menge Wärmeenergie zur Verfügung.

Die erste Pumpe ist mit einer weiteren Großwärmepumpe gekoppelt. Letztere ist mit einem halb-hermetischen Schraubverdichter ausgestattet und liefert eine Leistung von 337 kW. Auf diese Weise werden im System Heizungs-Vorlauftemperaturen bis zu 65°C. erzielt. Beide Pumpen erreichen nach Angaben ihres Herstellers, der Ochsner GmbH, aus Linz, Jahresarbeitszahlen (JAZ) von größer als 5. Das heißt, aus einem kW Strom werden mehr als 5 kW Wärme gewonnen. Damit liegen die Pumpen deutlich über den heute üblichen JAZ von maximal 4.

Das Kühlwasser versickert am Ende des Prozesses in einem separaten Versickerungsbrunnen, nachdem es auf eine Temperatur von rund 18°C abgekühlt ist. Die beiden Entnahme- und der Rückgabebrunnen mit je 10 Metern Tiefe und einem Durchmesser von einem Meter liegen etwa 50 Meter auseinander, um eine Vermischung von frischem und rückgeführtem Wasser zu vermeiden. Zwei Grundfos-Pumpen mit je 7,5 kW Leistung pumpen je 10 Liter pro Sekunde ins System.

Hauptlieferanten der geothermischen Energie sind 46 Tiefsonden mit insgesamt 6.900 laufenden Metern Länge. Dazu wurden zwei Erdsondenfelder mit Bohrungen bis 150 Meter Tiefe in den Untergrund eingebracht. In den Sonden kursiert eine 20-prozentige Glykol-Wassermischung. Sie gelangt mit 5°C zur Wärmepumpe, deren Kompression sie auf eine Temperatur von 40 °C bringt.
Die Sonden wurden mit einer speziellen Bentonitmischung verfüllt, die für einen guten Wärmeübergang auf die Sonden sorgt.

Zusätzlich wurden die Fundamentpfähle des Bauwerks als Wärmelieferanten erschlossen. In die insgesamt 86 Pfähle aus Beton, die das 19-geschossige Bauwerk tragen, wurden nochmals 900 laufende Meter Wärmesonden eingegossen. Als Kunststoffschläuche ausgelegt, wurden sie an den Bewehrungskörben der Pfähle befestigt und einbetoniert. Die Fundamentpfähle reichen acht Meter in die Tiefe und haben einen Durchmesser von je 90 Zentimetern.

Für den niedrigen Heizwärme- und Kühlbedarf des Gebäudes ist vor allem der Fassadenaufbau entscheidend. Die Fassade besteht zu zwei Dritteln aus Glas und zu einem Drittel aus hoch dämmenden opaken Elementen, die mit 20 Zentimeter Mineralwolle isoliert sind. Statt einer herkömmlichen energieintensiven Klimaanlage wird auf eine Kombination von Kühlung und Beschattung gesetzt. In die Fassadenelemente sind Lamellen mit einer Mikroprismenstruktur integriert, die auch bei fast horizontaler Stellung die Sonnenstrahlung reflektiert und den solaren Wärmeeintrag minimiert. So wird den Mitarbeitern trotz Sonnenschutz die maximale Durchsicht nach außen ermöglicht. Zusätzliche Kühlung übernehmen abgehängte Kühldeckenelemente mit hoher Strahlungswirkung für ein wohltemperiertes Raumklima. Sie lassen so gut wie keine unangenehmen Luftbewegungen entstehen.

Über einen Wasserkreislauf wird die überschüssige Wärme aus den Büros abgeführt und in die Erdsonden transportiert. Das Erdreich kann so zusätzlich als Wärmespeicher für Energie genutzt werden, die im Winter wieder für die Heizung zur Verfügung steht. Mit 1 kWh Strom für die Umwälzpumpe können so bis zu 50 kWh Kälte transportiert werden.

Wenn die freie Kühlung im Laufe des Sommers wegen des Temperaturanstiegs im Erdreich zu Ende geht, kann durch Umkehren des Wärmepumpenprozesses weiterhin Wärme aus den Büros in das Erdreich verfrachtet werden. 1 kWh Strom führt dann rund 2 kWh Wärme aus den Büros ab und bringt rund 3 kWh ins Erdreich ein.

Die Südwestseite des Towers ist mit 650 Quadratmetern eine der größten Photovoltaikanlagen Österreichs und trägt einen maßgeblichen Anteil zum Strombedarf des Gebäudes und zum Betrieb der Wärmepumpen bei. Die Solarstromanlage hat eine Spitzenleistung von 66 kW und liefert 42.000 kWh im Jahr.

Grundstücksfläche                    3.753 m2
Nettogeschossfläche                22.652 m2           ohne Tiefgarage
Bruttogeschossfläche               32.872 m2           inklusive Tiefgarage
Bruttorauminhalt                      124.282 m3         inklusive Tiefgarage
Fassadenfläche                        11.629 m2
davon Photovoltaikfläche         637 m2
Höhe Turm                                73 m
Geschossanzahl                       19
Geschossanzahl                       2-3
Geschossanzahl                       2     
Tiefgaragenstellplätze             246