Gebäudeklima in Museen

Unterrichtseinheit an der Universität für Angewandte Kunst, Wien, (Text in Bearbeitung)

5.4 Heizung , Wärmedämmung

(technische Begriffe)

Bei Strahlungsheizung reichen normale Einfachfenster bereits aus, um die Strahlungswärme nahezu komplett in den Raum zurück zu reflektieren (Treibhauseffekt). Zwei- und Dreifachverglasungen sind mit mit schwach wärmeleitenden Gasfüllungen wie SF6 gefüllt. Molekularsiebe in den Schmalseiten der Fenster sollen die durch die Dichtungen eindringende Feuchtigkeit binden und Kondensationsfeuchte auf den Scheiben verhindern. Die Lebensdauer der Fenster beträgt 25 Jahre und mehr.

Die Wärmekapazität für Wasser ist eine Konstante: 1,163 Wh/kg°K. Bei Häusern bestimmt die Masse der Wände die Speicherwirkung. Je besser die Speicherwirkung eines Hauses ist, desto langsamer sind die Einwirkungen der Witterung auf das Innenklima. Die Speicherwirkung bestimmt wesentlich den Heizbeginn bei fallender Temperatur im Herbst- und, da die Kältespitzen bei uns meist nicht sehr lange dauern, auch die Dimensionierung der Heizung:

Die minimalen Außenluftemperaturen in der Klimazonenkarte kann man deshalb um die unten angegebenen Temperaturen erhöhen, wenn die entsprechende Bauart gegeben ist:

Bauart der Wände dT [°K] konkrete Beispiele
leichte Bauart < 600 kg/m 0 Mineralfaser, Kork, Holz = 600 kg/m³
schwere Bauart 600...1400kg/m +2 Gasbeton, Gips
sehr schwere Bauart >1400kg/m +4 Ziegel, Kalksandsteine, Schwerbeton, Naturstein=2800 kg/m³

Beispiele

Heizung

Strahlungsanteil

Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung, Konvektion oder Strahlung. Wie unter Punkt Behaglichkeit beschrieben, ist die Strahlungswärme ein wesentlicher Faktor für das Wohlbefinden. Je mehr Strahlungswärme dem Menschen zugeführt wird, desto niedriger kann die Raumtemperatur gehalten werden, ohne dass die Behaglichkeitszone verlassen wird. Es ist daher energiewirtschaftlich wie physiologisch von Vorteil, den Strahlungsanteil von Heizsystemen möglichst hoch zu halten. Durch die niedrigere Lufttemperatur wird im Winter der Befeuchtungsbedarf geringer.

Je niedriger die Lufttemperatur gehalten werden kann, ohne dass der Mensch sich unbehaglich fühlt, umso besser: Die Vorteile beschränken sich nicht nur in der Energieeinsparung; bei niedrigerer Temperatur sinkt auch die relative Luftfeuchtigkeit im Winter nicht so stark ab (geringeres Austrocknen von Schleimhäuten ebenso wie von Gemälden und Holzobjekten); oder mit anderen Worten: bei niedrigerer Temperatur ist der Befeuchtungsbedarf ist geringer, gleichzeitig verringert sich auch die Gefahr der Kondenswasserbildung in der Gebäudehülle. Heizsysteme mit hohem Strahlungsanteil sind daher vorteilhaft. .

Wärmeabgabe

Heizungssysteme

Da Heizsysteme in Museen mit klimaempfindlichem Kulturgut möglichst gleichmäßig und durchgehend betrieben werden sollten, ist ein träges System vorzuziehen, das die Räume nur langsam auf Solltemperatur erwärmt. Die in Bürogebäuden übliche Nachtabsenkung der Temperatur sollte bei Museumsräumen mit schwankungsempfindlichen Exponaten unterbleiben.

Der ungünstigste Heizungstyp sind die Warmluftheizungen: (kein Strahlungsanteil, kalte Wände, warme Luft) Durch Einblasen warmer Luft sollen die Wärmeverluste an den Wänden ausgeglichen werden. Häufig sind Warmluftheizungen in Kirchen anzutreffen, wo sie z.T. nur sonntags betrieben werden. Durch die trockene Heizungsluft und die abrupten Schwankungen sind an Gemälden in solchen Kirchen schwerste Klimaschäden zu beobachten, vor allem wenn die Auslässe nahe den Kunstwerken liegen.

Konvektionsheizung: Ein ähnliches Prinzip liegt den gängigen Heizkörperheizungen zugrunde: die durch Konvektion aufsteigenden Warmluftströme sollen die Wärmeverluste an den Wänden ausgleichen. Der Strahlungsanteil ist sehr gering, vor allem bei herkömmlichen Röhrenradiatoren. Der Strahlungsanteil erhöht sich vereinfacht gesagt mit zunehmender sichtbarer Fläche: Flachheizkörper liefern bereits bis zu 35% Strahlungsanteil. Um übermäßige Konvektion und Zugerscheinungen zu vermeiden, sollten möglichst alle Heizkörper eines Raums auf gleicher Stufe laufen. Die Heizkörpertemperatur (Vorlauftemperatur) sollte auch aus Energiespargründen so gering wie möglich gehalten werden; günstig sind Niedertemperaturheizungen.

Raumlufterhitzende Konvektionsheizung: Wärme ist vorwiegend an der Decke, der Boden ist kühl. Staub wird in Umlauf gebracht. Der Strahlungsanteil ist gering und geht vor allem vom Heizkörper und von der erwärmten Decke aus. Feuchteschäden und Schimmel durch Kondensatbildung sind quasi nur durch Konvektionsheizungen möglich (Meyer)

Das optimale Heizsystem sind Kachelöfen, wie sie im Museum für Stadtgeschichte Freiburg, (allerdings elektrisch und bei niedriger Temperatur) betrieben werden. Das Strahlungsklima des Kachelofens geht vom Zentrum des Hauses aus. Die bestrahlten Raumteile absorbieren die Wärme und strahlen sie ihrerseits zurück. Die Luftbewegung ist gering, ebenso die Lufttemperatur.

aus: Rauch 1994

Wandtemperierung und Wandflächenheizung

Mit einer Wandflächenheizung. lässt sich ein ähnlich gutes Raumklima erreichen wie mit einem Kachelofen. Eine frühe und noch immer aktuelle Form von Wandheizung sind die hinterlüftete Systeme wie die römischen Hypokaustheizungen, wobei die Wand durch im Wandinneren strömende Warmluft erwärmt wird. Wandflächenheizungen werden heute auch realisiert mit im Nassputz verlegten Rohrleitungen aus Kupfer oder Kunststoff. Für den Trockenausbau eignen sich fertige Elemente mit Gipskarton. Nachteilig ist, dass Bilder und Objekte nicht beliebig an der Wand befestigt werden können.

Da der stehende Mensch Strahlungsenergie von Fußboden oder Decke weniger gut aufnehmen kann, sind Fußbodenheizungen etwas ungünstiger als Wandheizungen. Sie erzeugen zwar keine dauernden Konvektionsauftrieb, regen aber gleichwohl die langsam erhitzte Luftschicht am Boden zu plötzlichen Auftriebsbewegungen an. Die Wirkung auf die kühlen Wände ist dann ähnlich der Konvektionsheizung.

Die Wandtemperierung durch Wandsockelheizungen sind nicht nur aufgrund des hohen Strahlungsanteils der konsequenteste Ansatz zur Optimierung des Museumsklimas: Es leuchtet ein, dass die Wärmeverluste des Raums am besten dort ausgeglichen werden, wo sie entstehen. Durch die gleichmäßige Temperatur sind Zugluft und Staubaufwirbelung minimiert. Die Wandtemperierung durch Wandsockelheizungen als Heizsystem für Museen geht wesentlich auf Großeschmidt zurück und hat in den Jahren der Entwicklung einige Veränderungen erfahren. Heute werden die Wandsockelheizungen hauptsächlich durch 15 - 22 mm starke Kupferrohre realisiert, die knapp über dem Sockel in die Wand eingegipst oder offen verlegt werden. Um spezielle Wärmeverlustzonen wie Fenster werden u.U. Extraschleifen gelegt. Die Wandaufheizung erfolgt hauptsächlich im Bereich der untersten 50 cm. Ab 1 m Höhe liegt die Wandtemperatur nur unwesentlich über der Raumlufttemperatur, sodass ab dieser Höhe auch Gemälde gehangen werden können, mit einigen cm Abstand zur Wand.

Aufgrund der geringen Eingriffe in die Bausubstanz eignen sich Wandsockelheizungen besonders auch für historische Gebäude. Günstige Nebeneffekte der Wandsockelheizung ist die Trocknung der Wände, wodurch die Isolierwirkung des Mauerwerks enorm zunimmt. Aufsteigende Mauerfeuchte wird verhindert, es ist sogar möglich, auf diese Weise Kellerräume zu trocknen. Diese positiven Aspekte ergeben sich jedoch nur bei Ganzjahresbetrieb (Großeschmidt). Dennoch liegt der Gesamt-Heizenergieverbrauch wesentlich niedriger als bei konventionellen Heizsystemen. Muss aus Gründen der Sicherheit auf wasserführende Rohre im Gebäude verzichtet werden, lässt sich auch mit Heizkabeln und elektrischen Strahlern mit reduzierter Oberflächentemperatur temperieren.

Die Wandtemperierung wurde lange kontrovers und emotional diskutiert und hatte gewisse Kinderkrankheiten. Heute sind diverse Variationen erprobt. Die Beurteilung durch die Nutzer ist soweit zu erfahren positiv.

Eine ähnliche Funktionsweise wie die Wandflächenheizung zeigen Wandsockelheizungen. Wasserrohre verlaufen in Höhe der Fußleiste im gesamten Raum entweder vor dem Putz oder hinter einer vorgesetzten Gipsplatte. Die Warmluft erwärmt Putz oder Bauplatte und strahlt von dort in den Raum hinein.

Temperaturschwankungen werden minimiert durch eine massive, wärmespeichernde Bauweise mit aussenliegender Wärmedämmung. Im Sommer kühl, im Winter warm gilt nur für Konstruktionen mit großer "Temperaturamplitudendämpfung und "Phasenverschiebung", also Konstruktionen, bei denen es lange dauert, bis einseitige Temperaturänderungen zur anderen Seite "durchschlagen". Außerdem werden durch k-Wert-orientierte Konstruktionen (d.h. viel Dämmmaterial aber kein Wärmespeichermaterial) die Gebäude und die Gesundheit der Bewohner nachhaltig geschädigt (Fischer).

Bessere Wärmedämmung, Lüftungswärmerückgewinnung sowie Nutzung der Solarwärme und internen Wärmequellen sind die Maßnahmen, die dazu führen, dass der Heizbedarf stark minimiert wird, bei sogar erhöhter thermischer Behaglichkeit. Wärmedämmung besteht im Idealfall aus zwei Komponenten: 1) einer außenliegenden Dämmschicht mit geringem Wärmedurchgangswert (k-Wert) 2) einer innen liegenden Schicht mit großer Wärmespeichermasse.

Besteht eine Wahlmöglichkeit zwischen Heizen und Entfeuchten (z.B. um die rF in einem Depot niedrig zu halten) so ist Entfeuchten oft die bessere Alternative, da der Luftumsatz geringer gehalten werden kann.

Regelung

Fühler und Regelgeräte vergleichen ständig Ist- und Sollwerte und regeln Stellgeräte wie Klappen. Insbesondere die Feuchtesensoren können über Jahre einer merklichen Drift unterliegen und bedürfen daher regelmäßiger Überwachung. Man unterscheidet pneumatische, elektrische und elektronische Regelanlagen, erstere mit Druckluft von ca. 1 bar Überdruck als Hilfskraft.

Mikroklima: Die Temperaturverteilung im Raum ist selten völlig homogen. Außenwände sind kälter oder wärmer als Innenwände, Böden wärmer oder kälter als Decken. Kälteeintrag durch Fenster oder Türen, Wärmeeintrag durch Heizkörper oder Sonne. Vor allem bei schlechter Isolierung und schwacher Luftbewegung bilden sich Mikroklimata mit höherer oder niedriger Temperatur und damit auch relativer Luftfeuchtigkeit.

Salzproblematik

Wärmespeichernder Spezialputz (BASF) speichert in 2 cm Dicke ebenso viel Wärme wie 20 cm Ziegelwerk

Leichtbauwände mit massivem Komfort: Neuer Baustoff mit mikroverkapselten Phasenwechselmaterialien

Zusammen mit Industriepartnern entwickelt das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Baustoffe mit mikroverkapseltem Paraffin. Der wachsartige Zusatz erhöht die Wärmespeicherfähigkeit von Innenputzen und Trockenbauplatten stark. Eine 3 cm dicke Wand besitzt damit den Wärmekomfort einer 40 cm starken Betonwand. So bleibt der Raum im Sommer angenehm temperiert und kühlt im Winter nicht so schnell aus.

Wer sich schon einmal die Hände mit flüssigem Wachs verbrannt hat, weiß, wie viel Energie es enthält. Physiker sprechen von latenter - versteckter - Wärme. Wenn man festes Wachs schmilzt, erhöht sich trotz ständiger Energiezufuhr die Temperatur des Wachses nicht. Die Energie wird benötigt, um die Bindungen der Wachsmoleküle untereinander zu lösen. Im flüssigen Wachs ist diese Bindungsenergie latent gespeichert und wird erst beim Erstarren wieder als Wärme fühlbar. Das Ganze ist ein Wärmespeicher, der in erster Linie nicht die Temperatur sondern den Phasenwechsel von fest zu flüssig nutzt. Deshalb spricht man von Phasenwechselmaterialien oder PCM vom englischen Phase Change Materials.

Wie kann man das technisch nutzen? "Die nächstliegende Anwendung ist die Erhöhung der Wärmekapazität gängiger Baustoffe.", meint Dr. Hans-Martin Henning, Projektleiter am Fraunhofer ISE. "Doch im Prinzip kann man PCM überall nutzen, wo auf kleinem Raum eine hohe Wärmespeicherfähigkeit erwünscht ist, wie bei Wärmetauschern, Wärmeträgermedien oder Wärmespeichern. Der Temperaturbereich von PCM kann bei der Produktion zwischen -10 und +80 °C eingestellt werden. So würde ein Warmwasserboiler mit PCM nur etwa halb so groß sein wie bisher und die Wärme besser halten."

Und so funktioniert die umweltfreundliche Klimatisierung mit PCM in der Innenwand. Steigt die Raumtemperatur über 22 °C, beginnt das Wachs zu schmelzen und entzieht dem Raum Wärme, ohne selbst wärmer zu werden. Mit Nachtlüftung wird die Wand "entladen" und kann am nächsten Tag wieder für einen kühlen Kopf sorgen. In vielen Fällen wird damit die konventionelle Klimaanlage überflüssig. Das spart Energie und entlastet die Umwelt.

Bei dem aktuellen Projekt zur Entwicklung von Leichtbaustoffen spielt die Mikroverkapselung eine wichtige Rolle. Würde man das PCM direkt in den Baustoff einbringen, so würde schmelzendes Wachs die Materialeigenschaften negativ beeinflussen. Die BASF AG stellt deshalb das PCM in mikroskopischen Kügelchen von rund 1/50 mm Durchmesser bereit. Das PCM und der umgebende Baustoff kommen so nicht in direkte Berührung. Ein weiterer Vorteil der Mikroverkapselung ist die große innere Oberfläche. Die Wärme kann sehr schnell von der Umgebung in das PCM übergehen.

siehe auch:

Wärmedämmung

Transparente Wärmedämmung (aus Pistohl 1999)

Die transparente Wärmedämmung verbindet die Vorteile der Sonnenenergiegewinnung mit denen einer gut gedämmten Wand.

Der Sonnenenergiegewinn erfolgt durch eine lichtdurchlässige Dämmung

aus: http://www.energie.ch/themen/bautechnik/twd

TWD-M
Das neue passivsolare Fassadenelement von Schweizer

Die wichtigsten Funktionselernente:

1. Solarglas
2. Transparente Wärmedämmung
3. Absorbe
4. Aluminiumrahmen, isoliert
5. Sonnenschutz
6. Opake Wand

aus: http://www.energie.ch/themen/bautechnik/twd


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