3. Klimatisierung von Vitrinen und Depotschränken in der Praxis

Seminarvortrag Christoph Waller, Stand Juni 2006

3.1 Undichtigkeitsfaktoren bei Vitrinen

Gestaltung der Vitrinenböden, Dichtigkeitsmessung und Dichtigkeitswerte, Nachrüsten von Altvitrinen

Keine Vitrine ist "luftdicht" oder "dampfdicht" im eigentlichen Sinne. Solche Vitrinen würden bei normaler Bauweise durch die Luftdruckschwankungen zerbersten, wie es mir einmal mit einer kleinen Eigenbauvitrine passiert ist. Bei allen Vitrinen kommt es daher aufgrund der Luftdruckschwankungen (dazu gehören auch Türenschließen und Anspringen einer Klimaanlage) - und auch der Temperaturschwankungen in der Vitrine - zu einem Pumpeffekt, der nicht zu vermeiden ist. Der Pumpeffekt ist allerdings bei normalen Verhältnissen recht klein - etwa 0,03 Luftwechsel pro Tag (= 1 Luftwechsel alle 33 Tage), sodass es dennoch möglich ist, sehr dichte Vitrinen zu bauen. Meist sind die anderen Undichtigkeitsfaktoren sehr viel größer.


Beispiel
: Diese in der prallen Sonne aufgestellte Vitrine (auf der Expo 2000) war ebenso wie das Modell der Dresdner Frauenkirche auf Temperaturen bis 80°C ausgelegt worden. Um trotz der enormen Temperaturschwankungen Kondensfeuchtigkeit zu vermeiden, wurde das Innere der Frauenkirche mit 10 kg Silikagel gefüllt (in Säckchen). Die Vitrine sollte hiermit über die Dauer der Ausstellung trocken genug gehalten werden.

Dies ließ sich nur über eine extrem dichte Bauweise der Vitrine erreichen. Zum Ausgleich der temperaturbedingten Druckunterschiede wurde das Vitrineninnere über eine Schlauchleitung mit einem Druckausgleichsbeutel im nebenan liegenden Gebäude verbunden. Auf diese Weise ließ sich der "Pumpeffekt" weitestgehend ausschalten.

Die grundlegende Veröffentlichung zur Vitrinendichtigkeit ist der Artikel von Stefan Michalski "Leakage prediction for buildings, cases, bags and bottles". Hierin wird der Wirkung der drei Einflussfaktoren eingehend erörtert:

Wir betrachten hier von oben eine Vitrine im Schnitt. Die großen Pfeile bezeichnen die drei Arten, wie Wasser von außen in die Vitrine gelangen kann:
Durch
  • Infiltration von Luftströmen,
  • Diffusion durch stehende Luft - und
  • Dampfdurchlässigkeit (permeation) von Materialien,

wobei es auf die Fugenbreite (crack width), Fugentiefe (crack depth) und Lochdurchmesser (hole width) ankommt. Die Ergebnisse seien im folgenden summarisch zusammengefasst.

3.1.1. Infiltration:

Druckunterschiede zwischen Vitrinenluft und umgebender Raumluft führen zur Infiltration. Sie können auf vier Ursachen beruhen:

Meist sind die Fugenspalte der bestimmende Faktor für die Undichtigkeiten. Bei geringen Wandungsdicken (wie bei Vitrinen der Fall) nehmen die Fließgeschwindigkeiten in der 3. Potenz mit der Spaltbreite zu! Beträgt die Spaltbreite einer mittelgroßen Vitrine rundum 0,3 mm, erreicht die Vitrine etwa einen Dichtigkeitswert von 1 Luftaustausch pro Tag. Werden die Spalte wesentlich dicker, lässt sich die Vitrine nicht mehr mit passiven Methoden klimatisieren.

Befinden sich die Fugenspalten oben und unten, erzeugen sie eine Art Kamineffekt, der sich sehr nachteilig auf die Dichtigkeit auswirkt. Doppelte Vitrinenhöhe bedeutet zudem doppelter Druck. Hohe Vitrinen mit Undichtigkeiten im unteren und oberen Bereich werden daher eher schlechte Dichtigkeitswerte aufweisen. Liegen die Fugenspalte dagegen alle auf gleicher Höhe (wie bei einer Sturzvitrine), läge die Dichtigkeit auch bei einem umlaufenden Spalt von 1 mm Breite etwa bei 1 Luftaustausch / Tag, ein etwa 10 mal kleinerer Wert als er bei Turmvitrinen zu erwarten wäre.

Diagramm 2, Michalski
Auf diesem Diagramm ist links die Luftwechselrate pro Tag angegeben für eine Vitrine von 1 m³, mit Fugenspalten rings um den Vitrinendeckel und Vitrinensockel.

Die durchgehenden Linien links geben an, welche Luftwechselraten zu erwarten sind bei einer Spaltbreite von 0,1 - 1 mm bei einem Druckgefälle von 0,4 oder 0,04 Pa.

Die beiden rechten, geknickten Linien gelten für Löcher von 1 - 10 mm, wenn in jeder Ecke ein Loch ist, jeweils auch für unterschiedliche Druckverhältnisse.

 

Ganz rechts ist aufgetragen, wie viel organische Puffermaterialien wie Papier/Holz/Leder notwendig sind, um in der Vitrine eine hygrometrische Halbwertzeit von 1 Jahr zu erzielen (ausgedrückt in Prozent des Vitrinenvolumens, das dann in etwa mit dem organischen Puffermaterial ausgefüllt ist).

3.1.2 Diffusion:

Die gestrichelten Linien betreffen die Diffusion. Wie man sieht, ist die Diffusion gegenüber der Infiltration erst bei Spalten von 1 - 2 Zehntel-Millimetern wichtig und wird erst bei dicken Spalten bestimmend. Die Diffusion ist abhängig von der Fugenbreite und sinkt proportional zur Material (Glas)-dicke. Bei einer Vitrine aus 8 mm-Glas mit 1 m³ Volumen und 1 mm-Spalt rundum entspricht die Undichtigkeit aufgrund von Diffusion nur einem 0,75-fachen Luftaustausch pro Tag .

Einzelne Löcher in der Größenordnung von 1 mm spielen eine weit geringere Rolle als Fugen. Entscheidend ist der Durchmesser und nicht die Flächensumme der Löcher - ein großes Loch bewirkt daher mehr als viele kleine. Grundsätzlich gilt, dass sich an Oberflächen bewegungsträge Luftschichten ausbilden, ähnlich wie bei Bächen, die auch am Ufer langsamer fließen.

3.1.3 Durchlässigkeit von Vitrinenwerkstoffen:

Außer Glas und Metall sind die meisten Vitrinenmaterialien mehr oder weniger dampfdurchlässig. Bei Silikonfugen fällt dies aufgrund der geringen Breite kaum ins Gewicht, bestehen aber Rahmenmaterial oder Rückwand aus Holz, kann eine beachtliche Menge Wasser durch diese Materialien hindurch in die Vitrine gelangen.

Am ehesten ins Gewicht fällt ansonsten noch die Durchlässigkeit von Acrylglas (oft im Vitrinendeckel verwendet), das gar nicht so dicht ist wie man glaubt. Es kann sogar bis zu 2% Wasser aufnehmen. Bei einer 5 cm flachen Vitrine und nur 0,04 Pa Druckunterschied liegt die Durchlässigkeit bereits in der Größenordnung des Pumpeffekts.

3.1.4.1 Messung der Vitrinendichtigkeit:

Zur Messung der Vitrinendichtigkeit sind leider keine einheitlichen Standards festgelegt. Gängige Verfahren sind:

Manche Vitrinenhersteller ziehen den Nutzen solcher Dichtigkeitsmessungen in Zweifel, da die Vitrinendichtigkeit u.a. auch davon abhängt, ob eine Vitrine genau waagerecht und spannungsfrei aufgestellt wird. Außerdem kann sich die Dichtigkeit durch Abnutzung der Dichtungen verändern. Ich vertrete allerdings die Meinung, dass eine Angabe der Dichtigkeit aufgrund eines einheitlichen Standards ein große Hilfe wäre, da sich ansonsten Qualitätsunterschiede zwischen den Vitrinen verschiedener Hersteller vor dem Kauf kaum beurteilen lassen.

Eine relativ simple und grobe Methode, Undichtigkeiten in Vitrinen aufzuspüren, stellt der Rauchgasvernebler Cumulus bzw. Flow Check von Draeger dar (ca. € 400,-). Hierbei wird 3 Minuten lang ein feiner Nebel erzeugt, dessen Ausbreitung und Verhalten in der Vitrine sich vor schwarzem Hintergrund gut beurteilen lässt. Die Nebelwolken bestehen aus einem höhermolekularen Alkoholgemisch und seien für die Umwelt unschädlich. Die genaue Zusammensetzung wird nicht bekannt gegeben, sodass der Einsatz des Geräts in Vitrinen nicht bedenkenlos empfohlen werden kann. Das Gerät ist vor allem geeignet, Konvektions- und andere Luftströmungen in Museumsräumen anzuzeigen.
Für mehr Informationen zum Flow Check - bitte hier klicken!

3.1.4.2 Dichtigkeit kommerzieller Vitrinen:

Bei den Vitrinen der Firmen Glasbau Hahn und Rothstein wurden z.T. hervorragende Dichtigkeitswerte gemessen. Bei Vitrinen der Firma Glasbau Hahn wurden Werte von 0,02 - 0,05 Luftaustausch/Tag ermittelt, also wenig mehr als bereits durch den "Pumpeffekt" aufgrund von Luftdruckschwankungen verursacht wird. Bei Rothstein-Vitrinen wurden Werte von 0,1 und 0,2 gemessen (Potter 1999). Die Werte sind nur als Beispiele zu verstehen und gelten selbstverständlich nur für die getesteten Vitrinen und nicht für alle Vitrinen eines Herstellers. Große Vitrinen erreichen naturgemäß eine geringere Luftwechselrate als kleine, kubische eine geringere als flache, niedrige Vitrinen eine geringere als hohe. Es ist daher unmöglich, Werte zu vergleichen, wenn nicht Vitrinen gleicher Maße getestet wurden.

Eine Luftwechselrate von 0,1 / Tag ist ein sehr brauchbarer Wert für Dauerausstellungen. Bei kürzeren Wechselausstellungen kann evtl. auch ein schlechterer Wert genügen - demontierbare Vitrinen sind natürlich weniger dicht als Vitrinen mit fest verklebten Scheiben. Frühere Tests bei Vitrinen verschiedener Hersteller erbrachten auch bei so genannten "Klimavitrinen" sehr unterschiedliche Werte. Es sind somit große Qualitätsunterschiede zu beobachten.

3.1.5 Erhöhung der Dichtigkeit bei vorhandenen Vitrinen:

Zum Nachrüsten alter Vitrinen listet Michalski eine ganze Reihe von Beschichtungsstoffen auf, mit denen Holz o.ä. dampfdichter gemacht werden können. Relativ guten Erfolg versprechen dicke Latexanstriche - am besten eignet sich jedoch ein Kaschieren der Oberfläche mit Alufolie, Alu-Verbundfolie oder anderen speziellen Dampfsperrfolien.

Zum Abdichten von Fugen eignet sich oft additionsvernetzendes Silikonharz. Bei Flügeltüren wird die Türe zunächst rundum verklebt und die Silikonfuge danach mit einer Klinge mittig aufgeschnitten.

Bei Schiebetüren könnten Bürstchendichtungen im Prinzip auch schon eine für Wechselausstellung ausreichende Dichtigkeit bieten. Sie sind jedoch nicht sehr flexibel und verwölben das Glas nach außen, sodass hinter der Frontscheibe oft auf halber Höhe ein sehr breiter Spalt entsteht. Dichtungsprofile aus dem Fensterbau sind für Schiebetüren ungeeignet, da sie sich zu sehr an den Scheiben festsaugen. Für normale Schiebetüren müssen Dichtlippen daher leicht beflockt sein, um eine Gleitfähigkeit herzustellen. Bei manchen Vitrinenherstellern werden die Frontscheiben daher zunächst einige cm nach vorn gefahren, ehe sie sich seitlich verschieben lassen.
Nach Verschließen der Vitrine noch bestehende Fugenspalte lassen sich mit transparenten Selbstklebebändern (Archivqualität, siehe 3M 850) relativ unauffällig überkleben.

Insgesamt sind für Klimavitrinen Flügeltüren oder Schiebetüren mit Anpressdruck am besten geeignet. Die Dichtungen sollten lückenlos um die gesamte Frontscheibe herum verlaufen.

3.1.6. Klimatisierungseinrichtung für passive Klimatisierungsmittel

Vitrinen mit guter Dichtigkeit lassen sich mit Umluft- oder Zuluft-Kleinklimageräten zuverlässig klimatisieren. Diese Geräte können ggf. auch außerhalb der Vitrine installiert und über eine Schlauchleitung mit der Vitrine verbunden werden. Soll die Vitrine passiv klimatisiert werden, müssen neben der Dichtigkeit noch drei weitere Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Die Vitrine muss über eine Möglichkeit verfügen, ein passives Klimatisierungsmittel (Silikagel, Salzlösungen ...) unterzubringen. Meist geschieht dies im Vitrinensockel, bisweilen auch im Vitrinendeckel oder im Vitrinenrahmen (Hahn protector). Der Raum sollte groß genug sein, um eine ausreichende Menge Puffer aufzunehmen - häufig ist er von vornherein zu klein bemessen. Es ist günstig, etwas mehr Raum vorzusehen, damit ggf. auch noch zusätzliche Trockenmittelbeutel, Schadstoffabsorber, Umluftfilter, Messgeräte oder Sicherheitselektronik Platz finden können.
  • Als zweites Kriterium sollte das Klimatisierungsmittel von außen zugänglich sein, ohne dass das Klima in der eigentlichen Vitrine zusammenbricht oder gar die Vitrine zuvor komplett ausgeräumt werden muss! Schubladen sind bequem, vermindern jedoch das Platzangebot. Ein von außen zugängliches Fach unter dem Vitrinenboden, mit einer aufschraubbaren Blende abgedichtet, ist meist die geeignetste und preisgünstigste Lösung.
  • Für ein gutes Funktionieren der Klimatisierung ist ein guter Luftaustausch zwischen dem Klimafach und dem Vitrineninneren wichtig. Es gilt unter umgekehrtem Vorzeichen das oben unter 3.1 Gesagte: Soll der Luftaustausch beispielsweise durch Löcher im Vitrinenboden stattfinden, einigen sich hier viele kleine Löcher weniger als einige sehr große. Wie sich in untenstehendem Experiment herausstellte, gilt dies jedoch nur für dickere Werkstoffe wie Holz oder Metallplatten. Dünne Textilien lassen dagegen einen guten Luftaustausch zu, und zwar weitgehend unabhängig von Material oder Webart des Gewebes

A und B: gute Anordnung:
C: weniger günstig (aus Lafontaine)

Ein praktisches Experiment zur Durchlässigkeit von Vitrinenböden und Bespannungen wurde 1999 von Kai Miethe (jetzt: Augustinermuseum Freiburg) durchgeführt. Überraschenderweise zeigte sich, dass hygroskopische Textilbespannungen den Feuchteaustausch nur um etwa 10% vermindern. Ob es sich hierbei um dünnes oder dickes Leinengewebe, Baumwolle oder Viskose handelte, spielte kaum eine Rolle. Sehr deutlich vermindert (um 30 - 50%) wurde der Feuchteaustausch jedoch durch Lochblech mit 5 mm bzw. 2 mm Löchern. Noch schlechter (Verminderung 60 - 70%) schnitten durchbohrte Holzplatten ab, obwohl mit 8 - 24 Löchern /dm² eigentlich recht viele und große (10 mm) Löcher vorhanden waren. Muss der Vitrinenboden aus Holz gefertigt werden, sind daher unbedingt breite Schlitze zu empfehlen (>20 mm).

Zoom Grafik
Probe ohne Vlies
Leinen dünn/dick, Baumwolle, Vlies, Viskose
Lochplatte mit 5 mm-Löchern
Lochplatte mit 2 mm-Löchern + Baumwolle, Lochplatte mit 2 mm-Löchern
Holz mit 75 Löchern
Holz mit 24 Löchern
Graphik: Kai Miethe, 2000


Ein gegebenenfalls bespannter Lochblechboden mit großem Lochdurchmesser wird in der Praxis immer einem geschlitzten Holzboden vorzuziehen sein, nicht zuletzt da Holzplatten aufgrund ihres gespeicherten Wassers immer die Klimatisierung stören können (s. 3.2.1).

Eine weitere gute Lösung besteht darin, die Luft nicht durch den bespannten Vitrinenboden hindurch sondern durch breite Schlitze zwischen Vitrinenrahmen und Vitrinenboden um ihn herum zu führen (Graphiken aus: Lafontaine 1984). Die Breite der Schlitze sollte möglichst rundum 2 cm betragen.

 

Die zwei häufigsten Gründe dafür dass eine Klimatisierung mit passiven Mitteln nicht funktioniert sind:

  1. dass in Form von Vitrinenböden, Sockeln oder Rückwänden aus Holz oder MDF große Mengen hygroskopisches Material in die Vitrine eingebracht wurden, welche das Klima anders beeinflussen als das Klimamittel (weil die Platten u.U. zuvor trockener oder feuchter gelagert wurden). Ein Farbanstrich verlangsamt den Austausch von Wasserdampf nur, unterbindet ihn jedoch nie völlig. Daher beeinflussen auch lackierte Holzmaterialien die Klimatisierung erheblich
  2. dass der Luftaustausch zwischen Klimamittel und Vitrinenraum nicht ausreichend ist, weil aus optischen Gründen Schlitze zu klein oder Löcher zu gering gehalten wurden.

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