Gebäudeklima in Museen

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

5.8 Lüftungsanlagen, Klimaanlage

Hauptaufgabe lüftungstechnischer Anlagen ist, im Gegensatz zu Heizungsanlagen, die Erneuerung der Raumluft. Manche Lüftungsanlagen bereiten die Frischluft auf, sodass der Übergang zu Klimaanlagen fließend ist. Lüftungsanlagen kommen zum Einsatz, wenn die natürliche Fugenlüftung nicht ausreicht oder die Wärme aus der Abluft zurückgewonnen werden soll. Im Gegensatz zur natürlichen Fugenlüftung bieten Lüftungsanlagen die Möglichkeit, durch entsprechende Filtersysteme Stäube und Luftschadstoffe gezielt auszufiltern und den Museumsräumen somit weitgehend schadstofffreie Luft zuzuführen. Der Zuluftstrom erzeugt einen leichten Überdruck im Raum, der das Eindringen von Außenluft durch Fugen verhindert.

Luftgeräusche hängen ab von Luftgeschwindigkeit, Einblasöffnungen und von der Größe des Ventilators (Ellis).

Nach kurzer Betriebszeit wurde diese Lüftungsanlage einer Gemäldegalerie wieder außer Betrieb gesetzt. Die Staubfilter (Türe offen) sind verdreckt, der Kanalanschluss an den Ventilator leck.

Lüftungsarten: (nach Hilbert 1996)

Mischlüftung ist die "Standardausführung" in der Klimatechnik und auch in Museen am verbreitetsten. Die Luft wird unter der Decke eingeblasen. Sie "hangelt" sich an der Decke entlang (Coanda-Effekt) weit in den Raum hinein und vermischt sich dort mit der Raumluft. Eine intensive Vermischung findet nur bei starkem Luftstrom statt. Bei schwachem Luftstrom fällt die kühlere Zuluft Kaltluft zum Boden, sofern die Auslässe nicht speziell konzipiert sind. Nachteilig bei der Mischlüftung sind die hohen Strömungsgeschwindigkeiten (Lärm, Zugluft) und die Turbulenzen, die zu starker Staubaufwirbelung führen. Mit Mischlüftung lassen sich hohe Kühllasten meistern, bis ca. 100W/m3. Durch die intensive Vermischung der Luftmassen sind Temperatur und Feuchte im Raum gleichmäßiger als bei anderen Lüftungsarten.

Bei der Verdrängungslüftung wird auf einer Raumseite Luft großflächig zugeführt und auf der gegenüberliegenden Seite großflächig abgeführt. Hierbei soll möglichst keine Vermischung stattfinden, die Zuluft "schiebt" die verbrauchte Luft zur Abluftöffnung. Häufig wird die Luft auf der einen Raumseite oben zugeführt und unten abgeführt. Die Luftgeschwindigkeiten sind abgesehen vom Auslassbereich extrem niedrig.

Bei der ab ca. 1980 eingeführten Quelllüftung wird die Zuluft in Bodennähe ohne merkliche Geschwindigkeit zugeführt, durch lange Schlitze im Sockelbereich oder ganzflächig durch den textilen Bodenbelag. Es entsteht ein Kaltluftsee am Boden. Bei Anwesenheit von Menschen (oder anderer Wärmequellen) sorgt die lokale thermische Auftriebsströmung dafür, dass Luft nach oben steigt. Das Folkwang-Museum Essen hat Anfang der Neunziger Jahre komplett auf Quelllüftung umgestellt, wobei die Zuluft durch die früheren Abluftöffnungen in Fußbodennähe austritt.

Quelllüftung zeichnet sich aus durch Zugfreiheit und geringen Energieaufwand. Die Staubaufwirbelung ist in Bodennähe bis zu 10x geringer als bei Mischlüftung. Nachteilig ist, dass die Raumtemperatur in Fußhöhe geringer ist als in Kopfhöhe. Bei hohen Kühllasten (viele Besucher, Sommertag...) muss die Zuluft entsprechend kalt sein, wodurch es zu kalten Füßen kommen kann. Am Boden sollte es höchstens 2° K (Pistohl 1999) bis 3°K (Hilbert 1996) kühler sein als 1 m darüber. Bei hohen Gemälden treten zwischen unten und oben u.U. Abweichungen der relativen Feuchte auf, die konservatorisch nicht mehr vertretbar sind. Die vertikale Temperaturdifferenz ist abhängig von der Kühllast. Quelllüftung erlaubt nur Kühllasten bis max. 30- 40 W/m2, größere Kühllasten lassen sich nur in Verbindung mit Kühldecken oder wasserdurchflossenen Bauteilen beherrschen.

Klimaanlagen (nach Pistohl 1999)

Klimatisierung ist immer nur dann erforderlich, wenn die Erhaltung des Sammlungsguts davon abhängt, und auch immer nur dort, wo sich konservatorisch begründete Anforderungen an das Raumklima definieren lassen (Hilbert 1996).

Es ist zu prüfen, ob das gewünschte Ziel nicht auch mit anderen Mitteln zu erreichen ist. Gerade bei historischen Gebäuden ist der minimale Eingriff eine nachzustrebende Maxime. Ein wärmetechnisch schlechter Zustand eines Gebäudes ist keine Begründung für eine Lüftungs- oder Klimaanlage (gbt). Die Anlagengröße wird weitgehend durch die Kühllast vorgegeben, weshalb die Verringerung der Kühllasten große Aufmerksamkeit verdient. Ein Team zur Planung des Gebäudeklimas sollte neben Architekt, Haustechniker auch Restauratoren, Denkmalpfleger etc. umfassen (Park). Zur Unterstützung bei der Planung lassen sich Simulationsprogramme (z.B. TRNSYS, GTD) einsetzen. Rechtzeitig in der Planungsphase eingesetzt, lassen sich hierdurch Kosten einsparen und Risken minimieren.

Die Sollwerte sollten nicht stur irgendwelchen der z.T. widersprüchlichen Empfehlungen aus der Literatur folgen (vgl. "Welches Klima für welches Exponat") sondern vom Museumsrestaurator in Abstimmung mit dem Klimaingenieur festgelegt werden, der die Auswirkungen der Vorgaben auf die Kosten und Gebäudestruktur absehen kann und wo die Kostensprünge liegen. . Ein saisonales Schwanken der Sollwerte mindert die Energiekosten sowie die Gefahren für die Kunstwerke bei Ausfall der Klimaanlage. Eine Änderungsgeschwindigkeit von 1°C und 2% rF pro Monat gilt als vertretbar, z.B. im Winter 20°C und 45% rF, im Sommer 24°C und 55% rF. Eine Nachführungsautomatik, die in Bürogebäuden die Temperatur in Abhängigkeit vom Außenklima ändert, ist bei Klimaanlagen in Museen mit klimaempfindlichem Kulturgut nicht einsetzbar.

Wichtig ist, dass die Anlagen nicht ständig bei maximal notwendigem Volumenstrom fahren, sondern die Einheiten nach Erfordernissen regelbar sind.

Wartung: Kontrolle über Checklisten Druck vor und nach Reinigung: Maschinen-Tagebuch erfasst Störungen. Nachspannen/ersetzen Keilriemen.

Generelle Nachteile von Klimaanlagen:

Zu Klimaanlagen für Depots ein Zitat aus Padfield: "Klimaanlagen für Depoträume sind häufig überdimensioniert, da der Ingenieur unbedingt die vom Kunden gewünschten Grenzwerte einhalten will -d. h. die Grenzwerte, die der Restaurator festgesetzt hat ohne eine Vorstellung von den damit verbundenen Kosten zu haben. Das Resultat dieser interdisziplinären Zusammenarbeit ist, dass der Klimaingenieur noch in die letzten Ritzen einen zehnfachen Luftwechsel hineinbläst - von dick isolierten, riesigen Räumen, die vollgestopft sind mit rF-puffernden Kostbarkeiten. Nach zwei Jahren Messung lässt sich oft die Luftzirkulation auf nahe Null herunterdrosseln ohne andere negative Effekte als das Rosten der Klimaanlage...".

Funktionsschema einer Klimaanlage,
aus: Padfield

Die Außenluft durchläuft nach der Einlassklappe zunächst einen Partikelfilter, der die nachfolgenden Komponenten vor dem Verstauben schützt. Ein Vorerhitzer erwärmt bei Minusgraden die Luft, damit das Kaltwasser im Kühlelement nicht gefriert. Danach wird die Luft erhitzt, befeuchtet und schließlich durch ein Feinfilter geblasen. Es können natürlich auch mehrstufige Filterelemente eingebaut werden, auch ein Teil Umluft ist möglich.

Jede Klimaanlage benötigt als Betriebsmittel sowohl ein Heizmedium als auch ein Kühlmedium. Zum Heizen wird entweder Dampf, Warmwasser oder Heißwasser aus einem Kessel geliefert, während zum Kühlen entweder eine Kältemaschine oder Brunnenwasser verwendet wird.

Klimaanlagentypen

Klimaanlagen sind in der Lage, Luft zu reinigen (filtern), zu erwärmen, kühlen, befeuchten und entfeuchten und halten, gesteuert durch Regeleinrichtungen, Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftreinheit das ganze Jahr über auf vorgegebenen Werten. Klimaanlagen sind grundsätzlich in der Lage, den Wärmebedarf vollständig zu decken. Da Luft eine geringe Wärmekapazität besitzt, sind große Luftmengen erforderlich, um ein Gebäude zu beheizen. Bei vielen Systemen wird daher zusätzlich ein stationäres Heizsystem installiert, das auch nach Abschalten der Klimaanlage eine ausreichende Temperierung des Gebäudes gewährleistet.

Wie auch Lüftungsanlagen sollten moderne Klimaanlagen für Museen Filtereinheiten zur Luftreinigung beinhalten. Im Sinne der Energieeffizienz sollten die Anlagen auch mit hohem Umluftanteil betrieben werden können und die Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung nutzen. Da Umluft hygienisch nicht die beste Lösung ist, versucht die Klimatechnik heute, zu einer 100%igen Versorgung mit Außenluft zurückzukehren (wobei andere Kompromisse eingegangen werden müssen).

Niederdruck-Anlagen: Die Kanäle müssen die volle Luftmenge aufnehmen können, was aufgrund der geringen Geschwindigkeit von unter etwa 8 m/s zu sehr großen Kanalquerschnitten führen kann.

Hochdruck-Anlagen kommen aufgrund der höheren Luftgeschwindigkeiten (12-16 m/s und mehr) mit ca. 1/4 des Kanalquerschnitts aus. Der Ventilator muss allerdings weit höhere Drücke erzeugen und verbraucht daher mehr Energie. Vor dem Einblasen in den Raum muss die Luftgeschwindigkeit in sog. Entspannungskästen wieder herabgesetzt werden, die zum Abbau der Luftgeräusche Einbauten aus schallschluckendem Material enthalten.

Zentrale Klimaanlagen: (Nur-Luft-Klimaanlagen)

Bei diesem Typ erfolgt die gesamte Luftaufbereitung in der Klimazentrale, während in den klimatisierten Räumen, abgesehen von einer evtl. stationären Heizung, keine Nachbehandlung der Zuluft stattfindet. Bei Einkanal-Klimaanlagen erhalten alle angeschlossenen Räume Zuluft mit gleichem Luftzustand, es sei denn, es werden zonenweise Nacherwärmer etc. eingebaut.

Soll das Klima je nach Raum unterschiedlich regelbar sein, kommen Zweikanal-Klimaanlagen zum Einsatz, die aufgrund des Raumbedarfs für das doppelte Kanalsystems meist als Hochdruck-Anlagen ausgeführt werden. Beide Systeme können entweder ausgelegt werden auf konstantem Volumenstrom (Einblastemperatur variabel) oder variablen Volumenstrom (Einblastemperatur konstant). Letztere sind für Ausstellungsräume eher geeignet, da bei höherem Besucherandrang eine höhere Kühllast anfällt und gleichzeitig der Außenluftstrom angehoben werden muss.

Luft-Wasser-Anlagen

Luft-Wasser-Klimaanlagen ermöglichen mit einer Zentrale und einem relativ sparsamen Luftkanalsystem eine individuelle Raumtemperaturregelung für verschiedene Bereiche. Sie brauchen allerdings ein (in Museen wenig wünschenswertes) zusätzliches Wasserleitungsnetz für die Nachheizung bzw. Kühlung der einzelnen Raumgruppen. In den Unterzentralen wird die von der Zentrale aufbereitete Primärluft gefiltert, nacherwärmt oder gekühlt. Eine Nachregulierung der Luftfeuchtigkeit ist möglich. Dadurch, dass die Umluft innerhalb der Raumzone direkt umgewälzt wird, kann der Primärluftkanal auf den erforderlichen Anteil der Außenluft (ca. 30 - 40 % der Zuluft) reduziert werden.

Raumklimageräte sind Teilklimageräte mit Heiz- und Kühlfunktion, teilweise auch mit Luftentfeuchtung. Sie werden im Raum selbst oder im Nebenraum untergebracht und haben deshalb kein größeres Kanalsystem. Sie werden an Fenster oder Wand eingebaut.

Dezentrale Klimageräte sind oft die billigste und vernünftigste Lösung zur Nachrüstung von Altbauten. Diese Geräte (nicht zu verwechseln mit den Raumklimageräten, die nur Temperaturkontrolle bieten) können alles: kühlen/heizen, befeuchten/entfeuchten und filtern. Ein kurzes Kanalsystem kann nachgeschaltet werden. Billiger kommt es, Wärme über eine Heizungsanlage einzubringen und durch Kaltwasser zu kühlen. Dies erfordert wiederum die Installation vieler Wasser führender Leitungen, was aufgrund der Leckagegefahr in Museen gerne vermieden wird.

Minimalklimaanlage: Das im Raum installierte Teil, links, zieht die Luft über zunächst eine kalte und dann eine warme Oberfläche. Die Kühlflüssigkeit läuft vom Reservoir durch Ventil B in den Niederdruckbereich im Kühlelement. Dort verdunstet die Kühlfllüssigkeit und entzieht so der Luft Wärme. Der Niederdruck und damit der Verdunstungsvorgang wird durch Ventil A konstant gehalten. Das Gas wird durch eine Kolbenpumpe wieder verdichtet, auf dem Dach abgekühlt und läuft als kondensierte Flüssigkeit wieder ins Reservoir. Eine Befeuchtungseinrichtung ist nicht eingezeichnet. Wo dies notwendig ist, wird meist ein Dampfbefeuchter zwischengeschaltet.

Aus: Padfield

Luftbefeuchtung: Die Wahl zwischen Verkeimung, Versalzung und Energieverbrauch

Kein Befeuchtungsprinzip ist völlig problemlos und wartungsarm: Verdunstungs-Luftbefeuchter und Luftwäscher haben ähnlich wie mobile Luftbefeuchter mit Verkeimung und Versalzung zu kämpfen, Dampf-Luftbefeuchter mit Versalzung und hohem Energieverbrauch. Die hygienisch einwandfreie Prinzip der Zerstäubung von Frischwasser lässt sich in Museen nur mit absolut vollentsalztem Wasser vertreten, was bei den gängigen Entsalzungsverfahren nicht der Fall ist. Ein anderes Problem ist die Korrosion der Anlagen, die bei vollentsalztem Wasser eher zunimmt.

Verkeimung: Besonders bei mangelhafter Wartung können sich Klimaanlagen zu wahren Keimschleudern und Sporenverteilungssystemen entwickeln, mit entsprechenden Folgen für Kunstwerke und Mensch (sick-building Syndrom, Allergien, Legionärskrankheit...). Verkeimung findet vor allem auf den großen, immer benetzten Oberflächen der Tropfenabscheider oder in der Wäscherwanne von Luftwäschern statt. Auch bei Verwendung von vollentsalztem Wasser ist Verkeimung möglich. Sie lässt sich durch regelmäßige Spülvorgänge, Scheuerreinigung und Desinfektion aller Nassteile nur vermindern. Die empfohlenen Wartungsintervalle liegen bei 14 Tagen, ggf. öfter. Als Hygienekontrolle werden je nach Befeuchtungssystem vor und nach jeder Reinigung Biotest-Schnelltest GK-T/HS durchgeführt und ggf. Schimmelpilztests auf Kanalinnenseiten und Auslassgittern. Bei Normalklimaanforderungen darf z.B. das Luftwäscherumlaufwasser höchstens 1000 KBE (keimbildende Einheiten) enthalten.

Eine zusätzliche Möglichkeit ist die Entkeimung durch UV-C-Lampen, die bei Luftwäschern z.B. am besten in Druckleitungen angeordnet werden. Manche Keime (z.B. mit schwarzer Zellmembran) sind allerdings weitgehend resistent oder werden durch Zellaggregate, Inkrustationen oder Amöben geschützt. Es hat sich gezeigt, dass durch Koppelung von UV-Bestrahlung und Ultraschall bessere Ergebnisse erzielt werden können (Iselt 1996). In Klimaanlagen eingesetzte Biozide, wie das 2-Diethylaminoethanol, konnten auf Exponatoberflächen identifiziert werden. Biozide zur Legionellenbekämpfung sind behördlich weder zugelassen noch empfohlen (Iselt 1996) .

Versalzung der Anlagen lässt sich lässt sich durch nur durch Spülvorgänge oder vollentsalztes Wasser begegnen. Zur Herstellung entsalzten Wassers haben sich Umkehr-Osmoseanlagen (z.B. Condair) bewährt. Sie lösen jedoch nicht alle Probleme, da zum einen meist ein kleiner Restsalzgehalt (2-5%) verbleibt. Zum anderen wird die Verzinkung der Luftkanäle von entsalztem Wasser angegriffen, so dass hiergegen Vorsorge getroffen werden muss.

Verdunstung

Rieselbefeuchter: Die Luft durchströmt eine wasserbenetzte Oberfläche, z.B einen Kunststoffvlies und wird aufgrund der Verdunstung gleichzeitig befeuchtet und abgekühlt. Im Gegensatz zu Zerstäubern erfolgt kein Kalkeintrag in die Raumluft. Die Luft wird gleichzeitig ein wenig gefiltert, die Filterklasse erhöht sich gegenüber dem Trockenbetrieb etwa um eine Stufe. Zur Vermeidung von Schlammbildung muss das Wasser regelmäßig abgelassen werden und ist der Verdunstervlies ist kontinuierlich auf Verkrustungen zu untersuchen. Vollentsalztes Befeuchterwasser verringert die Verkrustungsgefahr. Nachteilig ist ähnlich wie bei Raumbefeuchtern die Gefahr des Verkeimens der Filtermatten, eine UV-C Entkeimung ist sinnvoll. Bei Trockenfallen des Verdunstervlieses besteht die Gefahr, dass Partikel abgeweht werden.

Obwohl Investitions- und Betriebskosten (hauptsächlich verursacht durch Wasseraufbereitung und Wartung) hoch sind, weist dieses System für Museen gewisse Vorzüge auf: Bei einem Defekt der Steuerung können diese Systeme nur begrenzt überbefeuchten, bis max. ca. 70% rF.

Dampfzuführung (aus Pistohl 1999)

Bei diesem Verfahren wird Dampf mit >100°C direkt in den Luftkanal geblasen und von der Luft aufgenommen. Die Lufttemperatur verändert sich hierbei kaum. Es wird nur Trockendampf verwendet, damit keine Nässung durch Kondensattropfen in den Kanälen erfolgt. Der Dampf wird in einem eigenen Kessel oder durch spezielle elektrisch betriebene Trockendampf-Luftbefeuchter erzeugt. Das Verfahren ist zwar vom hygienischen Standpunkt her besser als die Befeuchtung mit Luftwäscher oder Wasserverdunstung, energetisch und kostenmäßig allerdings ungünstiger. Problemzonen sind am ehesten die Kanalinnenseiten und Luftauslässe. Dampfbefeuchter neigen zudem zur Korrosion. Anti-Korrosionsstoffe in Dampfkochern basieren meist auf NaOH oder anderen Alkalien.

Die Aufheizung des Wassers erfolgt bei Elektroden-Dampfbefeuchtern durch in den Wasserkessel gehängte Elektroden. Ein gewisser Salzgehalt des Wassers ist bei manchen Geräten daher notwendig. Durch elektronisch gesteuerte Wassereinlass- und Auslassvorgänge wird Wasserstand und Salzgehalt so eingestellt, dass sich der optimale Leitwiderstand (optimale Energieeffizienz) einstellt. Auch wenn durch Einblasen von Luft Fortschritte erzielt worden sind, verkalken die Elektroden doch im Laufe der Zeit und müssen ausgetauscht werden. Bild links: Elektroden-Dampfbefeuchter, aus john-anderberg.dk.

Etwas energieintensiver sind Dampfbefeuchter mit Heizstabheizung, die auch für den Betrieb mit vollentsalztem Wasser geeignet sind. Bei mit Druck arbeitenden Dampferzeugern ist ständig ein Dampfvorrat vorhanden, der eine schnelle Anpassung an den Sollwert ermöglicht.

Luftwäscher (aus Pistohl 1999, Iselt 1996)

In der Düsenkammer wird Wasser aus einem Tank in die Düsenkammer versprüht. Dahinter in Richtung der Luftströmung sind Tropfenabscheider angeordnet, die ein Großteil des versprühten Wassers wieder in die Bodenwanne des Befeuchters, den sogenannten "Sumpf" zurückführen. Infolge der Verdunstung des Wassers kommt es im Sumpf zu einer Anreicherung des Salzgehalts, welche Ablagerungen und Korrosion verursacht sowie Verkeimung fördert.

Bei der direkten Berührung der Luft mit dem zerstäubten Wasser sind - je nach Temperatur des Wassers - eine Vielzahl von Zustandsänderungen möglich:, u.a.:

Wasserzerstäubung

Ultraschallzerstäuber: Durch die hohe Frequenz (z.B. 1,7 MHz) entsteht bei negativer Amplitude ein Hohlsog, durch den im Wasser Bläschen entstehen. Bei positiver Amplitude werden diese Bläschen an den Rand der Wassersäule katapultiert und prallen dort mit großer Kraft aufeinander. Bei diesem Vorgang werden feinste Wasserpartikel zerstäubt, die sofort vom Luftstrom (Geschwindigkeit: 1, 5 - 3 m/s) tropfenfrei aufgenommen werden. Ein Tropfenfänger leitet evtl. dennoch entstehende Tröpfchen in einen Wasserablauf. Da alle im Wasser enthaltenen Salze mit in den Luftstrom gelangen, ist in Museen nur ein Betrieb mit absolut vollentsalztem Wasser denkbar (s.o.). Die Geräte zeichnen sich durch geringen Stromverbrauch und eine geräuschlose, tropfenfreie und keimarme Wirkungsweise aus. Die Betriebszeit der Ultraschallschwinger ist jedoch begrenzt (3000h) so dass ein hoher Ersatzteilbedarf einzuplanen ist (Iselt 1996).

Luftbefeuchter auf Ultraschall-Basis Ultraschallzerstäuber für die direkte Raumbefeuchtung, aus: http://www.john-anderberg.dk

Düsenzerstäuber und Motorische Zerstäuber weisen neben Betriebsgeräuschen ähnliche Nachteile auf wie Ultraschallzerstäuber. Sie sind in Museen unüblich.

Kaltdampf-Generatoren versetzen zunächst die Luft durch Infraschall (unter 20 Hz) in Schwingung. In diesen Luftstrom wird mit hohem Druck (∼100 bar) Wasser vernebelt. In den nachgeschalteten fünf Resonanzräumen erfolgt eine intensive Vermischung, wobei das Wasser bis annähernd zur Sättigung der Luft kalt verdampft. Der am Ende angeordnete Sattdampftrockner scheidet den überflüssigen Sattdampf aus und trocknet den kalten Dampf durch Drosselung. Der gewünschte Luftzustand am Austritt kann je nach Wasserdruck erreicht werden (aus: Iselt 1996).


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