Zusammen mit drei Fachhochschulen entwickelte das Sanitärunternehmen Swissframe ein Vorwandsystem mit einer Wärmepumpe, welches die Brauchwarmwasserproduktion revolutioniert. Für den energietechnisch optimalen Betrieb des Systems sorgt eine Steuerung von Siemens.

Seit dem 21. Mai 2017 ist es beschlossene Sache: Das Schweizer Stimmvolk hat die Energiestrategie 2050 angenommen und nun gilt es, den Energieverbrauch zu senken, die Energieeffizienz zu erhöhen und die erneuerbaren Energien zu fördern. Tatsache ist aber auch, dass von den rund 2.3 Millionen Gebäuden in der Schweiz rund 70 % vor 1980 erbaut wurden und bezüglich Energieverbrauch nicht den neuesten Standards entsprechen. Dieser Gebäudepark verschlingt etwa die Hälfte des inländischen Primärenergieverbrauchs. Neben der Heizung spielt auch die Warmwasserproduktion eine bedeutende Rolle: Meist findet sie zentral im Keller statt und das warme Wasser wird danach in die Wohneinheiten verteilt.

Auf dem Weg durch die Leitungen kommt es dabei zu hohen Energieverlusten von bis zu 50 %. Zudem lauert auch die Gefahr von Legionellen, wenn das Wasser nicht genügend erhitzt wurde oder zu lange in den Rohren weilt. Dass es auch anders geht, beweist die Firma Swissframe aus Münchenbuchsee: Das Sanitärunternehmen hat auf der Basis einer Simatic-Steuerung in Zusammenarbeit mit der Berner Fachhochschule eine innovative Lösung entwickelt, bei der das gesamte Warmwasser einer Wohnung dezentral im Badezimmer produziert wird.

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Steuerung soll dafür sorgen, dass das System energieoptimiert läuft

Dem Inhaber von Swissframe, Balz Hegg, schwirrten schon seit geraumer Zeit Ideen zur Energieoptimierung seiner Vorwandsysteme mit integrierter Lüftung im Kopf herum. «Ursprünglich wollten wir mit gebäudeeigenem Solarstrom einen Elektrodurchlauferhitzer betreiben», erinnert sich der Sanitär. An einer Veranstaltung traf Hegg auf Experten des Labors für Photovoltaiksysteme der Berner Fachhochschule und liess sie an seinen Plänen teilhaben. Bald kristallisierte sich die Idee heraus, mit der Restenergie der Lüftungs-Fortluft eine hocheffiziente kleine Wärmepumpe zu betreiben, die das Warmwasser für die Wohnung produziert. Dabei soll eine Steuerung dafür sorgen, dass das System energieoptimiert läuft und die Bewohnerinnen und Bewohner stets genügend Warmwasser haben. Im Vergleich zu einem Elektroboiler spart das System so 70 % Energie ein.

Digitalisierung ging bisher an der Sanitärwelt vorbei

Das Projekt stiess bei der Agentur Innosuisse, die wissenschaftsbasierte Innovationsprojekte zwischen Unternehmen und Forschungspartnern fördert, auf offene Ohren. Die Projektleitung lag bei der Berner Fachhochschule (BFH), an der auch die Software für die Steuerung entwickelt wurde. Swissframe übernahm als Industriepartner die praktische Umsetzung.

Der spezielle kubistische Boiler mit einer innovativen Vakuumisolierung wurde an der Hochschule für Technik Rapperswil (HSR) entworfen und das Institut für Energiesysteme der Interstaatlichen Hochschule für Technik Buchs (NTB) kümmerte sich um den Wärmepumpenkreislauf.

Sein Vorwandsystem mit einer Steuerung zu versehen, war für Hegg Neuland: «Die Digitalisierung ist bisher an der Sanitärwelt und insbesondere an der Warmwasserproduktion so gut wie vorbeigegangen. In unserer Branche waren es bis anhin vor allem saubere Installationen und langlebige Materialien, die zählen.»

Steuerungen von Siemens: rückwärtskompatibel

Lange evaluierte der wissenschaftliche Mitarbeiter Joel Bärtschi von der Berner Fachhochschule, welche Steuerung sich für das Vorhaben eignen würde. «Aus unserer Sicht standen Zuverlässigkeit und Langlebigkeit an erster Stelle», betont Hegg, denn im Sanitärbereich seien Lebzeiten von 25 Jahren keine Besonderheit.

Dass Siemens als einer der wenigen Hersteller bei seinen Produkten eine mittlere Lebensdauer nennt, weckte das Vertrauen der Projektbeteiligten. Bärtschi legte auch Wert darauf, dass die Steuerungen von Siemens rückwärtskompatibel sind: Sollte die Steuerung irgendwann durch einen Nachfolger ersetzt werden, könnte die Software weiterhin verwendet werden.

Im Gegensatz zum industriellen Umfeld werden die Komponenten in Privatwohnungen verbaut und nicht in einem leicht zugänglichen Technikraum. Verständlich, dass sich die Bewohnerinnen und Bewohner ungern in ihren eigenen vier Wänden stören lassen – umso wichtiger ist es, dass das System über Jahre einwandfrei funktioniert.

Kompakte Steuerung geschaffen für enge Platzverhältnisse

Punkten konnte die S7-1200 auch durch ihre kompakte Bauweise, denn die Platzverhältnisse im Vorwandsystem sind sehr eng. Das Netzteil sowie die Ein- und Ausgänge sind in der Steuerung bereits integriert, platzraubende Zusatzmodule waren so keine notwendig. Dank einem in der Steuerung integrierten Webserver können alle Daten zu Betriebsdauer oder Temperaturverläufen im System vor Ort einfach ausgelesen werden. So erhalten die Entwickler wertvolle Erkenntnisse über das System und auch für die Servicetechniker ist es ein Leichtes, die Funktion der Anlage zu prüfen oder Parameter neu einzustellen.

Ob Einpersonenhaushalt oder Familienwohnung – der 90-Liter-Boiler reicht in den meisten Fällen gut aus, um den Warmwasserbedarf zu decken. Was passiert aber, wenn jemand dennoch einmal mehr warmes Wasser verbraucht, als die Wärmepumpe produzieren und der Boiler speichern kann? Hegg und sein Team wählten einen pragmatischen Ansatz – denn Komforteinbussen sind keine Option. Bevor die Wassertemperatur unter ein bestimmtes Niveau sinkt und jemand kalt duschen muss, schaltet sich ein Elektro-Durchlauferhitzer ein.

Preisgekrönt und zukunftsträchtig

Hegg schätzte besonders, dass sich die Steuerung so leicht in die Vorwandlösung integrieren liess: «Dank Siemens ist uns der Start voll gelungen.» Bärtschi und sein Team versahen einen Prototyp des Vorwandsystems mit über 20 Sensoren, um das Zusammenspiel aller Komponenten bis ins Detail zu verstehen. Aufgrund der so gewonnenen Erkenntnisse konnten die Entwickler die Steuerung programmieren und das System optimal dimensionieren. «Wir müssen genug Warmwasser produzieren, dürfen aber gleichzeitig nicht zu viel Luft für die Wärmepumpe abzapfen, sonst entsteht in der Wohnung ein störender Luftzug», erklärt Hegg.

Solche Lösungen – die sowohl bei Neu- als auch bei Umbauten zum Einsatz kommen – helfen mit, die Energiewende zu schaffen. Die dezentrale Warmwasserproduktion revolutioniert die Energieversorgung eines Gebäudes als Ganzes: Dank ihr kann die Gebäudeheizung von der Warmwasserproduktion getrennt betrieben werden und muss nicht mehr Temperaturen von über 60 Grad erreichen, um Keime im Warmwasser abzutöten. Sie kann so deutlich kleiner und damit günstiger ausfallen. Perfekt passt das System von Swissframe zu einer Wärmepumpenheizung, die im Temperaturbereich um 40 Grad den besten Wirkungsgrad aufweist.

Für ihren Mut und die innovative Modullösung, die sie bei einer Sanierung von bestehenden Mehrfamilienhäusern in Burgdorf eingesetzt haben, wurden Swissframe und weitere beteiligte Unternehmer mit dem Berner Unternehmenspreis «Neue Energie 2019» ausgezeichnet. Ausserdem wurde das Vorwandsystem für den Swiss Technology Award 2019 nominiert, einer bedeutenden Auszeichnung für Innovation und Technologietransfer der Schweiz.