Energieautarke Forschungsstation im Westsibirischen Tiefland

Entwurfshintergrund
Ausschlaggebend für dieses Projekt war die bereits bestehende Meteostation „Muchrina“ der staatlichen Universität Yugra, an der die Auswirkungen der CO2 und der Methangasemissionen der Moore auf den Green-House-Effekt untersucht werden.

Die Station ist ein Teil eines Netzwerkes aus Messstationen und befindet sich ca. 30 km südwestlich von Khanty-Mansiysk im autonomen Krei Jugra, der Russischen Föderation.
Hierbei handelt es sich um einen Blockhüttenbau mit über 200m² überdachter Fläche, die Wohnraum und Platz für Studien bietet.

Die Nutzung der Station erfolgt saisonal mit wechselnder Mitarbeiteranzahl. Während der Hochsaison (Juni) kann die Belegung eine Anzahl von 14 Personen erreichen, unter Berücksichtigung externer wissenschaftlichen Mitarbeiter kann die temporäre Anzahl der Besetzung bis auf 32 Personen steigen.

Leider ist die Forschungsstation nur schlechte ausgestattet und genügt weder den heutigen Ansprüchen noch entspricht die Ausführung den heutigen Regeln der Technik.

Forschung
Im Zuge eines Forschungsprogramms der UNESCO zur „Dynamik und globale Klimaveränderung“ wurden langjährige Informationen zu verschiedenen ökologischen Parametern gesammelt und den Endverbrauchern zur Verfügung gestellt.

Die wissenschaftliche Arbeit besteht in Untersuchungen der lokalen Moore und ihrer einzigartigen Flora und Fauna , Mikrofossilanalysen, Untersuchungen torfchemischer Parameter und hydrologischer Dynamik, sowie Sammlungen von diversen Proben für weitere laborale Analysen.
Die Erkenntnisse der Untersuchungen tragen zur Rekonstruktion der Moorentwicklung und zur Regenartion des Moores sowie zum Umweltschutz bei.

Entwurfskonzept
Gegenstand der gestellten Aufgabe war der Entwurf und die Konzeptionierung einer energieautarken, standortunabhängigen und modular aufgebauten Forschungsstation im Westsibirischen Tiefland.

Aufgrund der Kombination verschiedener Nutzungen, wurde ein optimiertes Raumprogramm entwickelt, das sowohl Wohnraum, Labor- und Forschungsräume sowie Lagerräume und Flächen für die technischen Ausrüstung beinhaltet.

Die verschiedenen Nutzungen aus Wohnen, Forschung und Service wurden in drei einzelnen Trakten zusammengefasst und um einen zentralen Technikkern angeordnet.
Diese Anordnung ermöglicht eine Vielzahl an verschiedenen Konstellationen und Kombinationen der Trakte, die individuell in ihrer Größe der Nutzung angepasst werden können.

Zum Schutz der Station vor Hochwasser und Einschneien, wurde die Kubatur auf hydraulische Stützen aufgestellt, wodurch der Abstand zum Boden dem Wasserpegel/der Schneedecke angepasst werden kann. Die Erschließung erfolgt dabei durch ans Tragwerk eingehängte Schleusen.
Weiterhin wurde die Form aerodynamisch angepasst und für die Verwendung von Solarthermie und Photovoltaik Elementen optimiert.

Zur Sicherung der Trinkwasserversorgung wurde der zentrale Technikkern in seiner Dachform angepasst und eine Senke geschaffen. Durch Windverwehungen kann sich Schnee auf dem Dach sammeln, welcher durch Heizdrähte geschmolzen werden kann und als Schmelzwasser in einem zentralen Trinkwassertank gespeichert wird.

Großes Augenmerk wurde sowohl auf ökologische und ökonomische Errichtung als auch Betrieb und Rückbau mit minimalen Folgeschäden für den Standort gelegt. Ein weiterer Fokus lag auf der Modulbauweise, die auf einem multifunktionalen Bestandsmodul der Forschungsstation Verwendung fand. Folglich wurde ein Energiekonzept für eine energieautarke Nutzung aufgestellt. Hierbei wurden zeitgemäße Entwicklungen und innovative Technologien berücksichtigt.

Konstruktion
Die Planung und Realisierung der Forschungsstation sollen in beispielgebender Weise den Grundsätzen der Nachhaltigkeit entsprechen.
Die Forschungsstation soll mit möglichst wenigen Sonderlösungen in der Modulbauweise errichtet werden.
Ein Modulaufbau mit Vorfertigung und Vormontage in der Werkstatt erlaubt eine wirtschaftliche und schnelle Herstellung mit schneller Anlieferung
und zügiger Montage vor Ort.
Konstruktive Anschlüsse werden möglichst simpel gestaltet, sodass die Montage und Reparaturen vor Ort auch von ungelernten Personal durchgeführt werden können.
Großes Augenmerk wird auf eine hohe thermische Qualität, Fugendichtheit und eine möglichst wärmebrückenfreie Konstruktion der Gebäudehülle
gelegt.

Die Gründung der Station mit ihren Modulen erfolgt durch Stützen, die in dem Untergrund befestigt werden. Diese kann multifunktional den Bodengegebenheiten und unterschiedlichen Untergründen wie Mooren, Sümpfen, Permafrostboden, Gesteinsboden, Schneeböden oder Gewässern angepasst werden. Die Fußpunkte können in Form von Punktfundamenten für Permafrostböden, Plattenfundamenten mit vergrößerter Auflagefläche für absinkende, instabile Böden wie in Mooren oder Sümpfen, Verankerungen im Gestein, auf Kufen für Schneeflächen oder auf Pontons für Feuchtgebiete mit hohem Überschwemmungsgrad und Gewässer ausgeführt werden, wobei ebenso der Unterbau der Module als ein Schwimmkörper ausgeführt werden kann.

Modul
Der Konstruktion wird ein Konstruktionsraster von 6,80 m zugrunde gelegt, welches einem Vielfachen dem Raster von Forschungsbauten entspricht.
Diese Raster wird in anderen Nutzungsbereichen beibehalten und auf die Nutzung im Ausbauraster angepasst.
Die Modulbauweise ermöglicht eine langfristige und flexible Nutzungsqualität.
Die für den Transport notwendigen Halterungsplatten der einzelnen Module werden wärmebrückenarm ausgeführt und bleiben nach Montage vor
Ort erhalten. Diese Halterungen dienen als Befestigungsvorrichtungen für die modularen Dach- und Fassadenaufbauten wie Photovoltaik, Solarkollektoren und Regenwassersammelmodulen und erhöhen den Grad der an den Standort angepassten Nutzung.

Fassade
Die Fassade wird aus recyclebaren Aluminiumsverbundplatten errichtet. Diese werden in einer markanten Signalfarbe gestaltet, sowohl um die Sichtbarkeit der Station bei geringer Sichtweite zu ermöglichen als auch eine Landmarke zu schaffen.

Energiekonzept (Photovoltaik,Sonnenkollektoren u. Windkraft)
Um eine autarke Funktionalität der Station zu gewährleisten, ist eine Minimierung des Heizenergieverbrauchs, des Stromverbrauchs, sowohl der
Beleuchtungsstrom als auch den Nutzungsstrom, sowie eine Minimierung des Wasserverbrauches notwendig.
Photovoltaik-Module und Vakuumröhren-Sonnenkollektoren auf dem Dach des Gebäudes, sowie eine innovative fliegende Windturbine versorgen die Station mit ökologischen und nachhaltigem Strom, dessen Überschuss in Akkumulatoren gespeichert werden kann und zu benötigten Zeiten zur Verfügung steht.
Ein mit Ethanol betriebener Notgenerator stellt die Versorgung im Ausfall der Elektronik oder bei Engpässen sicher.
Bei einer negativen Energiebilanz sind unter strengen Schutzvorrichtungen und einer schonenden Installation Photovoltaik-Stellanlagen in der Nähe
der Station zu errichten.

Prinzip von Wärmegewinnung und Energieverbrauch
Die aus Solarkollektoren gewonnene Wärme wird in einer Kombination aus Luft-Wasserwärmepumpe gespeichert und kann mit Hilfe von einem Puffer konstant einem Wärmespeicher zugeführt werden.
Ein Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung minimiert die Energieverluste aus der Außenluft, Zuluft, Abluft und Außenluft und ermöglicht eine optimale Energierückgewinnung.
Ein Kraft-/Wärme-/Kälte-Verbund ermöglicht ein konstantes Raumklima.
Auf Wärmepumpen und Nutzung von Geothermie, wird zu Gunsten des Naturschutzes und zur Schonung des Moores verzichtet.

Fenster und Tageslichtnutzung
Um den Bedarf des Beleuchtungsstromes zu reduzieren, wird eine Tageslichtnutzung mit fensterorientierten Arbeitsplätzen und einer optimierten
Gebäudeposition zur Sonne vorausgesetzt. Die Belichtung wird durch geschosshohe Fenster sichergestellt. Der nötige Wärmeschutz wird dabei von
einer hochwärmedämmende Dreifachverglasung sichergestellt. Zur Reduktion des externen solaren Energieeintrages werden diese mit einem
außenliegenden Sonnenschutz versehen.