Kulturgut erhalten

Über Jahrzehnte verfestigte Klimaanforderungen werden neu hinterfragt (Literaturliste: [1] [2] [3] [4]). Lösungsansätze findet man in schon im ASHRAE- Handbuch [5] oder der DIN EN 15757 „Erhaltung kulturelles Erbe“ [6]. Hinweise zur technischen Umsetzung werden zum Beispiel im Taschenbuch für Heizungs- und Klimatechnik [7] oder im Kompendium Technik in Museen [8] beschrieben. Dabei ist eine eindeutige Definition der einzuhaltenden Klimaparameter wichtig. Denn sie wirkt sich auf den zu erwartenden Energieverbrauch aus [9]. Die Energiepreisteuerung verschiebt zusätzlich den Fokus der Betrachtung immer mehr auf die laufenden Betriebskosten. Auch Architekturentwürfe für Kulturbauten als Neubau und Sanierungen werden sich zukünftig mit den Themen zur Reduzierung des Energieverbrauchs, des Energiebedarfs und der Nachhaltigkeit der Baukonstruktion bzw. des Gebäudes intensiver auseinandersetzen müssen.

In Diskussionen und Fachbeiträgen wird deshalb die Notwendigkeit des Einbaus von Klimaanlagen oft hinterfragt. Sicherlich zeichnet sich in den letzten Jahren eine zunehmend kritische Haltung gegenüber teuren, technischen Klimalösungen für Museen ab. Auch begründet sich diese Einstellung oft damit, dass auch mit Klimaanlage die einzuhaltenden Klimaparameter einschließlich der vorgegebenen zulässigen Schwankungen nicht eingehalten werden, ja die Werte sogar möglicherweise noch schlechter sind als ohne Klimaanlage. Die häufigen dafür verantwortlichen Ursachen, wie fehlendes Fachpersonal für den Betrieb und unzureichende Wartung der Anlagen, bleibt meist unerwähnt.

Ein nicht ausreichendes Monitoring und nicht durchgeführte Inspektionen sind hier von entscheidender Bedeutung. Das auch noch, obwohl die hierfür erforderliche Datenlage im Rahmen der Gebäude­automatisierung meist verfügbar und Durchführung von Inspek­tionen in der Energieeinsparverordnung (ENEV) als auch im Gebäude­energiegesetz (GEG) 2024 [12] gefordert ist. Im selben Atemzug wird aber der mögliche Ausfall der Klimaanlage als besonders dramatisch dargestellt. Was ist nun gewollt: Vollklimaanlage, ein „wenig Klima“ oder ganz ohne technische Anlagen?

Der Verzicht auf technische Anlagen wird meist damit begründet, dass sich historische Gebäude ohnehin relativ gut auf natürliche Weise und dennoch konservatorisch vertretbar temperieren lassen. Gerade für kleinere Museen mit eingeschränkter finanzieller Ausstattung ist es wirklich sinnvoll, über Möglichkeiten der natürlichen Klimatisierung nachzudenken. Dabei sind folgende Aspekte zu beachten:
Bauliche Gegebenheiten können präventiv wirken,

Bild: A. Trogisch

Für größere Museen mit großen Besucherzahlen lassen sich diese Lösungen aber in der Regel nicht umsetzen. Ausnahmen, insbesondere bei historischen Bestandsbauten sind aber auch zu finden (Burgen und Schlösser, zum Beispiel Schloss Neuschwanstein). Hier werden Kompromisse bei den Anforderungen bewusst eingegangen (zulässige Raumluftbedingungen wie Raumlufttemperatur und Raumluftfeuchte).

Schon bei der Formulierung der Anforderungen (ausführliche Checklisten im „Kompendium Technik in Museen“ [8]) sollte betrachtet ­werden, um welche Art von Museumsgebäude es sich hier handelt:

Insbesondere durch die Nutzungsart mit Aufsichten sind arbeitsrechtliche Bedingungen bezüglich der Raumtemperatur und der hygienisch notwendigen Außenluftversorgung zwingend einzuhalten.

Bei unsanierten historischen Gebäuden kann überwiegend die Außenluftzufuhr in Abhängigkeit von der Besucheranzahl über Gebäudeundichtigkeiten sichergestellt werden. In Abhängigkeit vom Winddruck und thermischen Einflüssen kann hier ein Außenluftwechsel von 0,5 bis 1,0 h-1 (pro Stunde) erreicht werden, jedoch nicht gesichert und nicht kontinuierlich. Für einen 100 m² großen und 4 m hohen Raum bedeutet das einen natürlich zugeführten Außenluftvolumenstrom von 200 bis 400 m³/h. Das heißt für circa vier bis acht Personen bei circa 50 m³/(h*Besucher) kann damit eine ausreichende Außenluftversorgung unter vorgenannten Randbedingungen gewährleistet werden. Das entspricht allerdings nicht ganz den Hinweisen in der Literatur für Besucherzahlen für Dauerausstellungen von 10 m²/Besucher [7][8].

Die Raumtemperatur kann im Winter mit Hilfe einer Heizungs­anlage eingehalten werden. Im Sommer gibt es im Regelfall keine Probleme, die arbeitsrechtlichen Anforderungen für die Aufsichten zu erfüllen, wenn die äußeren Lasten gering sind (kleine Fensterflächen) und eine „reduzierte“ Kunstlichtbeleuchtung installiert ist.

Problematisch wird es erst, wenn nur die Fenster nach heutigem Dämmstandard ertüchtigt werden, wenn sich die Vorwarnstufe „Kondensat an der Scheibe“ nicht mehr zeigt und sich damit die Gefahr der Kondensat- und Schimmelpilzbildung eventuell unbemerkt in die angrenzenden Wandbereiche verlagert. Hier sind meist der Scheibenrandverbund und die Fensterlaibungen besonders gefährdet. Mit dem Einbau einer Heizungsanlage wird zwar die erforderliche Raumtemperatur eingehalten, aber damit wird sofort die einhergehende zu niedrige relative Raumfeuchte im Winter zum Problem. In Verbindung mit der unkontrollierten Infiltration kommt es zu gemessenen rela­tiven Feuchten von unter 30 %. Damit entsteht in vielen Fällen die Notwendigkeit des Einsatzes von mobilen Befeuchtern. Das wiederum führt bei unzureichenden bauphysikalischen Voraussetzungen zur ungewollten Kondensation und Schimmelpilzbildung.

In Depots und teilweise auch in Museen versucht man, hier durch ein Absenken der Raumtemperatur dem Absinken der relativen Feuchte entgegenzuwirken. Auch eine Wandheizung kann das bauphysikalische Problem abmildern, wobei die in „Klima in Museen und historischen Gebäuden“ [11] (siehe auch [8]) propagierte „Temperierung“ keine Lösung im Sinne einer Flächenheizung sein kann. Ob die in [11] dargelegten Systemlösungen (Abb. 2) als eine mögliche „Temperierung“ von Teilen der Wandkonstruktion betrachtet werden können und in wie weit diese eine Kompensation der Wärmeverluste sowie eine Konstanz der Raumlufttemperatur ermöglicht, erscheint sehr fraglich. In den dargelegten Beispielen [11] ist jedoch nicht erkennbar, welchen Einfluss die Lüftung, d.h. die Infiltration oder Fugenlüftung der Fensterkonstruktionen, sowohl auf die Raumerwärmung als auch relative Feuchte der Raumluft gehabt haben.

In Museumsräumen mit Aufsichten sind hier für den Winter arbeitsrechtliche Grenzen gesetzt, wie zum Beispiel eine Raumtemperatur von mindestens 19 °C. Bei Neubauten sind die Dämmanforderungen entsprechend der aktuellen Rechtsvorschriften und die Arbeitsstättenverordnungen zwingend anzuwenden. Hinzu kommen noch die kulturgutabhängigen Anforderungen an das Raumklima.

Bei überwiegend in historischen Gebäuden anzutreffenden „Kaltmuseen“ (zum Beispiel Schlösser und Burgen) sind im Einzelfall ­Entscheidungen zu treffen, welche Maßnahmen zur Klimastabilisierung angewendet werden können/sollen.

Bild: A. Trogisch

Variantenbetrachtung

Die folgenden Betrachtungen zur Energieeinsparung beziehen sich nur auf Museen, Archive und andere Einrichtungen, bei denen entschieden wurde, dass ohne Klimaanlagen die Anforderungen nicht erfüllt werden können. Die Größe der raumlufttechnischen Anlage (im üblichen Sprachgebrauch „Klimaanlage“) und damit auch der Energiebedarf für Heizung-, Kälte- und Elektroenergie werden durch folgende Einflussgrößen bestimmt:

1: Äußeren Lasten

Der Einfluss der äußeren Lasten auf das Raumklima kann reduziert werden durch:

Bild: A. Trogisch

2: Künstliche Beleuchtung und Geräte

In [8] werden die Ergebnisse (Abb. 3) der Simulation zur Bewertung der Einflussgrößen Sonnenschutz, Besucher und Kunstlicht auf die Größe der Klimaanlage für ein historisches Museum (Neues Museum auf der Berliner Museumsinsel) dargestellt. Als Vergleichsbasis wird eine definierte Grundvariante (Sonnenschutz zwischen innerer und äußerer Glasebene, 10 m²/Besucher, 20 W/m² installierte Beleuchtung) für einen historischen Ausstellungsraum auf der Ostseite des Hauses vorgegeben. Ergänzt werden muss dabei allerdings, dass zum Zeitpunkt der Simulation die LED-Beleuchtung in Museen noch nicht Stand der Technik war. Mit der flächendeckenden Installation von LED-Leuchten sind niedrigere installierte Beleuchtungsleistungen (10 bis 15 W/m²) bei gleichen Beleuchtungsergebnissen, als hier in der Grund­variante dargestellt, zu erwarten. Der Einfluss der Beleuchtungslast auf den Luftwechsel und damit auf die Größe der Klima­anlage ist aus der Abbildung 3 aber trotzdem gut ableitbar.

Die Einflussgrößen der äußeren Lasten und der Wärmebelastung durch künstliche Beleuchtung auf die Größe der Klimaanlage sollen hier aber nicht weiter vertiefend betrachtet werden. Aufgezeigt sollen aber die Auswirkungen nutzerseitiger Entscheidungen bei Vergrößerung der zulässigen Schwankungen von Temperatur und relativer Feuchte, unterschiedlicher technischer Anlagenkonzepte und Betriebsweisen werden.

3: Klimaanforderungen des Nutzers

Variante 0

Für die vergleichenden Betrachtungen wird hier als Bezugsvariante in Anlehnung an die Empfehlung des Deutschen Museumsbundes (DMB) [12] vorausgesetzt:

Sommer: 25 °C ± 1 K, 50 % ± 5 %

Winter: 20 °C ± 1 K, 40 % ± 5 %

Nach EnEV bzw. GEG sind grundsätzlich Wärmerückgewinnungssysteme vorzusehen. Aufgrund der abzuführenden Kühllast beträgt der Umluftanteil circa 70 bis 80 % der Gesamtluftmenge bei RLT-Anlagen ohne Zusatzsysteme zur Kühlung (zum Beispiel Fußbodenkühlung).

Nachteilig für die Lösung nach Abbildung 4 ist, dass der gesamte Zuluftvolumenstrom zum Entfeuchten bis zum Beispiel 11 °C abgekühlt wird und dann wieder nachgeheizt werden muss. Die Lösung nach Abbildung 5 hat den Vorteil, dass der Zuluftvolumenstrom nur trocken bis zur Zulufttemperatur gekühlt werden muss; der entfeuchtete und auf zum Beispiel 11 °C gekühlte Außenluftvolumenstrom muss nicht nachgeheizt werden. Nach der Mischung mit Umluft ist dieser warm genug.

Im Rahmen der Planung ist zu prüfen, ob eine Anlagenkonfiguration nach Abbildung 5 möglich ist. Schon damit wären Energieeinsparungen in einer Größenordnung von circa 8 % verbunden [13] [14].

Variante 1

Einsparmöglichkeiten durch Erweiterung der zulässigen Schwankungsbreite:

Sommer: 25 °C ± 2 K, 50 % ± 10 %

Winter: 20°C ± 2 K, 40 %  ± 10 %

Die Einsparung von Elektro-, Heizungs- und Kälteenergie gegenüber Variante 0 liegt in einer Größenordnung von 10 bis 15 %.

4: Innere Lasten durch Besucher

Variante 2

Bei der Planung lufttechnischer Anlagen ist der Außenluftvolumen­strom nicht frei wählbar, sondern muss entsprechend der DIN EN 16798 Bl. 3 (E) [15] raumweise berechnet werden. Der hygienisch er­forderliche Mindestaußenluftvolumenstrom ist abhängig von der Personenzahl, der Verunreinigung durch Gebäudeemissionen (Baustoffe, technische Einrichtungen und Mobiliar) und der einzuhaltenden Raumluftqualität.

Für Ausstellungsräume in Museen hat sich hier in den letzten 20 Jahren ein spezifischer Außenluftvolumenstrom von 30 m³/(h*Besucher) als ausreichend erwiesen (s. auch [8]). Im Zeitraum davor wurde entsprechend der damals ­gültigen DIN 1946 und AMEV „RLT-Anlagenbau 2004“ mit 20 bis 25 m³/​(h*Besucher) geplant. Die darauffolgende DIN EN 13779: 2007-09 (nicht mehr gültig, Ersatz durch [15], [16]) empfahl bei einer mäßigen Raumluftqualität von IDA 3 einen spezifischen Außenluftstrom von 30 m³/(h*Besucher). Pauschale Festlegungen, wie in früheren Ausgaben der DIN, sind heute nicht mehr möglich, auch wird die Berechnung gutachterlich im Genehmigungsverfahren geprüft.

Die DIN 16798 empfiehlt als Grundlage der Berechnung eine Zufriedenheitskategorie II. Die Gebäudekategorie „sehr schadstoff­arm“ sollte nicht verwendet werden, weil es keine geeigneten Nachweismöglichkeiten gibt.

Wenn man den Empfehlungen der DIN 16798 für die Berechnung folgt, kommt man in der Regel auf circa 50 m³/(h*Besucher) Außenluft. Abweichungen von den empfohlenen Annahmen sind jedoch in Abstimmung mit dem Bauherrn möglich und aber auch zu begründen.

Da in Museen sehr viel Wert auf den Einsatz besonders schadstoffarmer Baustoffe gelegt wird, sollte hier eine Eingruppierung „sehr schadstoffarm“ möglich sein. Auch bei der Wahl der Zufriedenheitskategorie sollte die Einordnung in die Kategorie III keine Nachteile für Besucher und Aufsichten bedeuten, da die der Berechnung zu Grunde gelegten spezifischen Besucherzahlen in der Regel im Vergleich mit Konzertsälen bzw. Büros nicht kontinuierlich auftreten. Eine Reduzierung auf circa 30 m³/(h*Besucher) kann dann erreicht werden (war nach früherer Normung üblich) [8]. Die zuständigen Planungsbüros sollten nicht den Empfehlungen der DIN 16798 gedankenlos zu folgen, sondern die Berechnungsmöglichkeiten für den Sonderfall „Museum“ nutzen.

Im laufenden Betrieb sind weitere Einsparmöglichkeiten durch den Einbau von Luftqualitätsfühlern möglich. Mit deren Hilfe kann der Außenluftvolumenstrom der jeweiligen Belastungssituation durch die Besucher automatisch angepasst werden.

Die Einsparung von Elektro-, Heizungs- und Kälteenergie gegenüber Variante 0 liegt in einer Größenordnung von circa 30 % (ohne Berücksichtigung des Einbaus von Luftqualitätsfühlern).

5: Technische Anlagenkonzepte/Betriebsweisen

Variante 3

Abschaltungen der RLT-Anlagen in der besucherfreien Zeit, zum Beispiel von 21 bis 4 Uhr (7 Stunden), Einschaltung vor Beginn der täglichen Reinigungsarbeiten.

Nachts in der besucherfreien Zeit sind die äußeren Lasteinflüsse gering bzw. vernachlässigbar, die Beleuchtung ist ausgeschaltet und es befinden sich keine Besucher im Museum. Das Museum kann vereinfachend wie eine große Vitrine beschrieben werden. Unter der Voraussetzung, dass für den Winter eine separate Heizungsanlage vorhanden ist, sollten sich die Klimaverhältnisse nur geringfügig verändern. Zulässige größere Schwankungsbreiten gemäß Variante 1 sind hilfreich. Hier spielt natürlich die Dichtigkeit des Gebäudes, die großen Einfluss auf die Außenluftinfiltration hat, eine entscheidende Rolle. Die Einsparung von Elektro-, Heizungs- und Kälte­energie gegenüber Variante 0 liegt in einer Größenordnung von circa 20 bis 25 %.

Variante 3.1

Als Untervariante zur Variante 3 erfolgt nur eine Abschaltung des Außenluftanteils. Das bietet eine etwas geringere Einsparung von Elektro-, Heizungs- und Kälteenergie als Variante 3.

Variante 4

Ebenfalls möglich ist ein Luft/Wasser System mit einer RLT-Anlage nur zur Sicherstellung des hygienischen notwendigen Luftbedarfes und zur Be- und Entfeuchtung. Daran betrieben werden kann ein Fußboden-, Wand- bzw. Deckensystem als Kühlungs- bzw. Heizungssystem.

Das bietet eine zusätzliche Einsparung von Elektroenergie, deutliche Reduzierung des baulichen und flächenmäßigen Bedarfes für lufttechnische Zentralen und Luftverteilung. ■

www.htw-dresden.de



* Hans-Peter Thiele, Dipl.-Ing., ehem. Fachverantwortlicher TGA für alle Baumaßnahmen auf der Berliner Museumsinsel beim Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung Achim Trogisch, Prof.(em) Dr.-Ing., HTW Dresden, Fakultät Maschinenbau

Prof. Dr.-Ing. (em.) Achim Trogisch,

HTW Dresden, Fakultät ­Maschinenbau, Lehrgebiet TGA

Bild: Trogisch