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Energieverbundsystem im LEGO-Fabrikationsgebäde in Willisau

Von Markus Dolder, Kriens
und Josef Felchlin, Emmenbrücke

Die LEGO Gruppe erwartet innerhalb der Spielzeugbranche ein erhöhtes Wachstum. Konkurrenzdruck und der Kampf um Marktanteile werden härter. Diese Situation verlangt grosse Flexibilität, um noch rascher auf veränderte Kundenbedürfnisse und Konkurrenzsituationen reagieren zu können. Das neue Fabrikations- und Lagergebäude in Willisau mit seinem zukunftsweisenden Konzept leistet einen Beitrag, dass diesen Anforderungen Rechnung getragen werden. Das als Konzept vom dänischen Architektbüro Rudolf Lolk entworfene Gebäude hat einen modularen Aufbau. Es besteht aus sechs Modulen (ca. 58 X 58m mit zwei Geschossen), die mit Zwischenbauten verbunden sind. In einer weiteren Ausbauphase ist geplant, zwei zusätzliche Module anzufügen.

Flexibilität ist gefordert
Die geforderte Flexibilität, die unterschiedlichen Nutzungen und Ausbauphasen sowie auch die Versorgungssicherheit haben einen entscheidenden Einfluss auf die Konzepte der Haustechnikanlagen. Die LEGO Produktion AG beauftragte das Ingenieurbüro Künzle + Partner AG Kriens-Luzern im Herbst 1990 mit dem Energiekonzept und der Planung; der gesamten HLK-Anlagen. Der Auftrag umfasste die Projekt- und Ausführungsplanung inkl. Bauleitung der Heizungs-, Lüftungs-, Klima- und Kälteanlagen der Schalttafeln (HLK-Anlagen), der DDC-Regulierung und des Gebäudeleitsystemes HLK. Bereits im Oktober 1993 wurden die ersten Module für die weltweite Produktion der DUPLO Produkte durch die LEGO Produktion AG bezogen. Die Realisierung dieses Bauwerkes mit einer Gesamtbausumme von 165 Millionen Franken war nur möglich durch eine straffe Gesamtprojektleitung und die gute Zusammenarbeit aller Beteiligten des Planungsteams. Die kompetente und entscheidungsfreudige Bauherrschaft legte zu Beginn mit einem Phasenplan der verschiedenen Ausbauphasen die Grundlage für die Auslegung der Haustechnikanlagen fest. Für die Wärme- und Kälteversorgung musste also eine Infrastruktur geschaffen werden, die in der Lage ist, mit einem minimalen Energieaufwand und einer optimalen Betriebsweise, die unterschiedlichen Nutzungen und Phasen abzudekken. Dies konnte auf der Versorgungsseite dadurch erreicht werden, dass für jedes Modul eine eigene Versorgungszentrale geschaffen wurde, die das Gebäude mit Wärme für die Raumheizung, Lufterwärmung, Brauchwassererwärmung mit Kälte für die Prozesskühlung zur Produkteherstellung und Kühlung der Produktionsräume sowie mit Luft für die minimal erforderliche Aussenluftmenge und zum Abführen von Wärme aus den Produktionsräumen versorgt. In jede der fünf Versorgungszentralen sind drei Medien geführt:

• Niedertemperaturwärme 50/ 40°C für die Raumheizung, Brauchwarrnwasservorwärmung und Lufterwärmung.
• Mitteltemperaturwärme 65/ 55°C für die Brauchwarmwassernachwärmung
• Kälte 6/12 °C für die Prozesskühlung und die Luftkühlung

Die gewählten Medientemperaturen erlauben eine Nutzung von Abwärme auf ihren jeweiligen Temperaturniveau. Neben anderen Voraussetzungen ist dadurch die Grundlage für ein effizientes Energieverbundsystem geschaffen.

Wärmeenergie wird verschoben
Das Ziel eines Energieverbund- Systems ist es, Energie (im vorliegenden Falle Wärmeenergie) an Orten, wo ein Überschuss davon vorhanden ist, zu entziehen, um diese in anderen Gebäudeteilen, wo ein Energiebedarf besteht, zu nutzen. Je nach Lastverhältnissen und Wärmeenergiebedarf kann im vorliegenden Gebäude die Wärme an folgenden Stellen entzogen werden:

• Kühlen der Formen (Produktionsprozess
  der LEG0 Teile)
• Wärmeentzug auf den Fabrikationshallen
• Wärmeentzug aus Technikräumen (Trafostation, Drucklufterzeugung, EDV-Raum)

Eine Kühlung dieser Räume ist aus Prozess- oder anlagetechnischen Gründen notwendig. Über den Wärmepumpenprozess ist es nun möglich, diese Wärme zu nutzen. Zusätzlich wird direkte Abwärme aus der Druckluftproduktion auf dem Mitteltemperaturniveau genutzt. Die Nutzung der Abwärme ist einer jahreszeitlichen Schwankung unterworfen. Im Sommer, wenn die Wärme nur teilweise gebraucht werden kann, muss der Überschuss abgeführt werden. Dazu wird der Kühleffekt durch Verdunstung in Kühltürmen zu Hilfe genommen. Das Kühlwasser zwischen den Kältemaschinenkondensatoren und den Verdunstungskühlern zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Das Wasser, das zur Verdunstungskühlung genutzt wird, ist gesammeltes Regenwasser von den ca. 20'000 m2 grossen Dachflächen. Dieses wird in einen 1'100 Kubikmeter grossen Tank geleitet, der gleichzeitig als Retentionsbecken dient. In Trockenperioden speist eine eigene Grundwasserfassung zusätzlich den Tank.

Umweltfreundliche Kälteerzeugung mit gutem Wirkungsgrad
Am auffälligsten in der Energiezentrale sind die beiden York-Wärmepumpen/ Kältemaschinen, das Herz des Energieverbundsystems. Um den variierenden Lastverhältnissen Rechnung zu tragen und auch im Teillastbetrieb mit guten Wirkungsgraden zu fahren, sind für die Kompressionsarbeit Schraubenverdichter eingesetzt. Als Kältemittel wurde Ammoniak gewählt. Dieses wird seit über hundert Jahren erfolgreich für diese Anwendung eingesetzt und erlebt zurzeit eine Art Renaissance. Ammoniak hat hervorragende thermodynamische Eigenschaften, kein Ozonabbaupotential, kein Treibhauspotential und ist biologisch abbaubar. Die York-Aggregate werden doppelt genutzt, sowohl für die Wärme- als auch für die Kälteproduktion. Auf der Verflüssigerseite sind drei Wärmetauscher hintereinander geschaltet. Zuerst durchströmt das Heissgas den Enthitzer, dann den Wärmerückgewinnungskondensator und zuletzt den Kondensator zur Abführung der Wärme an den Verdunstungskühler. Der Olkühler der Kältemaschine ist ebenfalls in die Abwärmenutzung eingebunden.

Lüftungsanlagen für Energiegewinnung
Die Lüftungsanlagen sind wichtige Bestandteile des Energieverbund- Systemes. Wie auch die Wärme- und Kältegewinnung sind sie auf das Gesamtkonzept abgestimmt. Die Lüftungsgeräte sind in den Zwischenbauten plaziert. Durch mächtige Rohre wird die Zuluft in die Fabrikations- und Lagerräume geführt. Über Quelluftauslässe strömt die Luft mit leichter Untertemperatur aus und gelangt in Form eines Frischluftsees zu den Personen. Überall, wo sich im Raum Wärmequellen befinden (Menschen, Maschinen), entsteht ein Konvektionsluftstrom. Die erwärmte Luft steigt zur Decke und wird durch Abluft Öffnungen abgesaugt. Durch dieses Lüftungssystem verringert sich der Energiebedarf bei der Kühlung, und es hat gegenüber anderen Systemen einen besseren Lüftungswirkungsgrad. Aus der warmen Abluft kann nun Energie entzogen werden. Entweder direkt über die im Gerät eingebaute Wärmerückgewinnung oder zusätzlich bei Bedarf über Wärmeentzug mittels Luftkühler und Nutzung über das Energieverbundsystem. Im Modul 1 (Infrastrukturgebäude) sorgen kleinere Lüftungsanlagen für gute Luft, unter anderem in der Cafeteria, der Küche und den Büros. Die Anlagen sind so geschaltet, dass beim Öffnen der Bürofenster der entsprechende Luftstrang automatisch abgeschaltet wird.

Kleine Module regulieren grosse Module
Den Kopf des Energieverbundes bildet eine Landis & Gyr-Regulierung in DDC-Technik (Digital Direct Control). Ausgewählte Messstellen fragen den Anlagezustand ab und ermöglichen es so, über einfache hydraulische Schaltungen und einfache Regelfunktionen in einem Teil des Gebäudes Wärme zu entziehen und an andere Gebäudeteile, wo diese Wärme genutzt werden kann, abzugeben. Gesamthaft ergibt sich ein recht komplexes vernetztes System. Es wurde jedoch darauf geachtet, dass die einzelnen Systeme autonom funktionsfähig und nur wenige Schnittstellen vorhanden sind. Dies wurde erreicht durch einen modularen Aufbau der Systeme und eine jederzeit verfügbaren Handbedienebene.
Auch die Schalttafeln und Elektro- Schemas sind modular aufgebaut. Bei einem späteren Ausbau oder Umbau, der durch eine Umnutzung nötig wird, können die erforderlichen Schalttafelfelder ähnlich wie bei den LEGO Steinen modular angebaut werden.
Ein durchgedachtes und konsequent bis ins letzte Detail durchgezogenes Beschriftungs- und Bezeichnungssystem ermöglicht dem Betriebspersonal eine rationelle Wartung aller Anlagen und Systeme. Die Grundlagen und Voraussetzungen dazu mussten schon sehr früh in der Planungsphase geschaffen werden.

Modernste Computersysteme sparen Energie- und lnstandhaltungskosten
Eine weitere Unterstützung für die rationelle Bedienung aller Anlagen gibt das Gebäudeleitsystem. Auf Monitoren sind die Zustände auf einen Blick ersichtlich. Auf Protokolldruckern erscheinen aktuelle Meldungen der Anlagen oder Wartungshinweise. Die Bedienung erfolgt auf einer gewohnten Benutzeroberfläche mit Fenstertechnik (0S2). Für Auswertungen und Optimierungen steht dem Betreiber ein ausgeklügeltes Messkonzept zur Verfügung. Mit dessen Hilfe ist es der LEGO Produktion AG möglich, die Energieflüsse im Gebäude zu kontrollieren und Energiebilanzen zu erstellen. Dadurch kann eine Aussage gemacht werden, wo wieviel Energie verbraucht, umgewandelt oder produziert wird. Die Überwachung und Darstellung der Wirkungsgrade, Laufzeitenund Betriebsweisen der Aggregate und Anlagen spart Energie- und Instandhaltungskosten. Über eine eigens für dieses Objekt geschaffene Schnittstelle werden die anfallenden Daten in ein Tabellenkalkulationsprogramm übernommen. Damit ist eine für den Anlagebetreuer sehr aussagekräftige Darstellung in Diagrammen und Grafiken möglich, und die Bedienung erfolgt wiederum auf einer vertrauten Benutzeroberfläche.

Kurze lnstallationszeit
lnstallationsbeginn im Rohbau war der 1. Februar 1992. Am 1. Oktober hatte die LEGO Produktion AG ein fixfertiges und beheiztes Modul bezogen. Die letzten Gebäudeteile wurden am 1. Februar 1993 ebenfalls termingerecht an die Bauherrschaft übergeben. Die Realisierung dieses Vorhabens war nur möglich durch die straffe, jedoch sehr unkomplizierte Führung des Generalunternehmens Alfred Müller AG und die entscheidungsfreudige Bauherrschaft. Dadurch wurden gute Rahmenbedingungen und eine ausgezeichnete Atmosphäre geschaffen. Ein weiteres Plus für die Realisierung des Energieverbundsystemes war die Tatsache, dass die HLK-Anlagen in der Planung, wie auch später nach der Vergabe in der Ausführung aus einer Hand kamen. Dadurch ergaben sich keine Schnittstellenproblerne und kurze Entscheidungswege. Die Anlagen Heizung, Lüftung, Klima, Kälte, Regulierung und Leitsysteme konnten somit optimal aufeinander abgestimmt werden.

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