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SiLK - Sicherheitsleitfaden Kulturgut

8. Klima

> Fragebogen Klima

 

I. Bauphysikalische Aspekte
 

Raumklima und Sammlungsgut
Das Raumklima wird im Regelfall durch die Lufttemperatur und die relative Raumluftfeuchte beschrieben. Im Hinblick auf den Schutz von Sammlungsgut ist das Raumklima von wesentlicher Bedeutung, da eine Vielzahl von Materialien (z.B. Holz, Papier, Papyrus, Stahl, Eisen) mit dem Raumklima in Wechselwirkung treten. Bei kapillarporösen Stoffen (z.B. Putze, Mörtel, Mauerwerk, Holz) passt sich die in den Poren enthaltene Luft den Raumklima-bedingungen an, wobei es sowohl zur Feuchteanreicherung als auch zur Trocknung kommen kann. Dieser Prozess wird als Sorption bzw. Desorption bezeichnet. In Abhängigkeit von der Materialart kann dies Quell- oder Schwindprozesse des Materials bewirken. Bei Metallen kann es ab gewissen relativen Luftfeuchten zu Korrosion kommen. Maßgeblich hierfür ist nicht die relative Luftfeuchte im Raum, sondern die relative Luftfeuchte an der Sammlungsgutoberfläche, die wiederum durch die Temperatur der Oberfläche des Sammlungsgutes beeinflusst wird.

Die AMEV-Richtlinien (Richtlinien des Arbeitskreises Maschinen- und Elektrotechnik staatlicher und kommunaler Verwaltungen, www.amev-online.de/Erlasse) geben eine Orientierung hinsichtlich möglicher geeigneter Raumklimawerte für unterschiedliche Nutzungen. Neben der Höhe der relativen Luftfeuchte ist die Schwankungsbreite der relativen Raumluftfeuchte über den Tag bzw. über das Jahr maßgeblich. Es gilt somit zum einen zu klären, inwieweit zum Schutz des Sammlungsgutes bestimmte Raumluftkonditionen sicherzustellen sind und zum anderen wie hoch dabei die relative Raumluftfeuchte sein darf bzw. sein muss sowie welche Schwankungs-breite über den Tag sowie über das Jahr zulässig ist. Als Hilfestellung kann hierbei das Buch "Sammlungsgut in Sicherheit" von Günter S. Hilbert, erschienen im Gebrüder Mann Verlag, Berlin, dienen.

Raumklima und Gebäude
Neben der Ermittlung der gewünschten optimalen Raumklimaverhältnisse zum Schutz von Sammlungsgut ist es erforderlich zu klären, welche Raumklimaverhältnisse die Baukonstruktion schadensfrei zulässt, da jedes Gebäude gewisse technische Eigenschaften und Fähigkeiten hat. Im Hinblick auf das Raumklima ist zu beachten, dass es je nach wärmeschutztechnischem Standard des Gebäudes zu Schäden kommen kann, wenn die relative Raumluftfeuchte gewisse Grenzwerte überschreitet.

Möchte man ein bestehendes Gebäude klimatisieren, um Sammlungsgut zu schützen, muss zuerst geprüft werden, ob die für die Klimatisierung vorgesehenen Raumklimawerte auch vom Gebäude schadensfrei ertragen werden. Hierzu müssen alle Bauteile, die klimatisierte Räume von nicht beheizten Räumen oder von der Außenluft trennen, im Hinblick auf ihren Wärmeschutz untersucht und bewertet werden. Derartige Untersuchungen können von Bauphysikern oder von Sachverständigen für Bauphysik oder Wärme- und Feuchteschutz vorgenommen werden. Sollte festgestellt werden, dass bei den vorgesehenen Raumklimawerten eine schadensfreie Nutzung nicht möglich ist, muss geprüft werden, welche Maßnahmen zur Verbesserung des baulichen Wärmeschutzes möglich und notwendig sind. Bei Neubauten muss der bauliche Wärmeschutz primär auf die Raumklimaverhältnisse abgestimmt werden. Im Regelfall ist hierbei der raumklimabedingte Wärmeschutz umfangreicher als der aufgrund der Energieeinspar-verordnung zu berücksichtigende Wärmeschutz.

Tauwasseranfall und Schimmelpilzbildung
Um die mögliche Ursache für Tauwasseranfall und Schimmelpilzbildung beurteilen zu können, ist die Kenntnis einiger bauphysikalischer Zusammenhänge erforderlich. Luft setzt sich aus Sauerstoff, Kohlendioxid und einer Reihe weiterer Gase und Schadgase sowie aus Wasserdampf zusammen. Das heißt, die Luft ist in der Lage, Feuchtigkeit aufzunehmen. Die Menge der aufnehmbaren Feuchtigkeit hängt von der Temperatur der Luft ab. Während kalte Luft nur sehr wenig Wasserdampf aufzunehmen vermag, kann warme Luft größere Wasserdampf-mengen binden. Somit nimmt die sogenannte Sättigungsfeuchte der Luft mit der Temperatur zu.

Bild 1 verdeutlicht dies. Die Grenzlinie zwischen der weißen und der gelben Fläche gibt den Verlauf dieser sogenannten Sättigungsfeuchte in Abhängigkeit von der Lufttemperatur an. Die Sättigungsfeuchte ist die bei einer bestimmten Temperatur von der Luft maximal aufnehmbare Menge an Feuchtigkeit.



Bild 1: Sättigungsfeuchte der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur

Hinsichtlich der Bewertung von Klimaverhältnissen verwendet man die Begriffe relative Luftfeuchte und absolute Luftfeuchte. Die absolute Luftfeuchte gibt an, wie viel Gramm Wasser pro Kubikmeter Luft (g/m³) in der Luft enthalten sind. Die relative Luftfeuchte gibt an, wie viel Prozent von der Sättigungsfeuchte erreicht sind. Da warme Luft eine größere Sättigungsfeuchte aufweist als kalte Luft, ist warme Luft, bei gleicher relativer Luftfeuchte wie kalte Luft, absolut gesehen feuchter. Das hat zur Folge, dass Außenluft mit einer Temperatur von 0 °C und einer relativen Luftfeuchte von 90 % trotz ihrer sehr hohen relativen Luftfeuchte absolut gesehen trockener ist als Raumluft mit einer Temperatur von 20 °C und 50 % relativer Luftfeuchte. Somit würde beim Lüften trotz der hohen relativen Luftfeuchte der Außenluft die Raumluft nachhaltig getrocknet werden.
Zusammenfassend bedeutet dies, dass auch bei niedrigen Außenlufttemperaturen und hohen relativen Außenluftfeuchten eine Trocknung der Raumluft beheizter Räume durch Belüften erreicht wird.

Im Hinblick auf die Möglichkeit von Tauwasserbildung lässt sich aus den vorangehenden Erläuterungen erkennen, dass, sofern man ein Luftvolumen mit einer bestimmten Temperatur und einer bestimmten relativen Luftfeuchte abkühlt, die relative Luftfeuchte stetig ansteigt, während die absolute Luftfeuchte gleich bleibt. Die Temperatur, bei der die relative Luftfeuchte infolge des Abkühlens genau 100 % beträgt, wird Taupunkttemperatur genannt.

Die sich aufgrund des Klimas in Räumen einstellenden Taupunkttemperaturen sind in hohem Maße von der Nutzung abhängig. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass der Mensch durch seinen Stoffwechsel in Abhängigkeit von seiner Tätigkeit ständig Feuchtigkeit abgibt. Während in Wohnräumen durch Kochen, Waschen, Duschen, Trocknen von Wäsche sowie durch Pflanzen, Haustiere und Aquarien der Raumluft ständig Feuchtigkeit zugeführt wird, geschieht dies in Büros und eben auch in Museen, Archiven und Bibliotheken nicht im selben Umfang. Dort erfolgt während der Heizperiode eine Feuchteabgabe lediglich durch Mitarbeiter und Besucher, zum Beispiel auch durch feuchte Kleidung (Mäntel, Schirme, Schuhe). Insbesondere bei winterlichen Temperaturen muss davon ausgegangen werden, dass infolge des natürlichen Luftwechsels über Fugen oder das Öffnen von Türen und Fenstern eine Raumluftrocknung erfolgt, sofern keine künstliche Raumluftbefeuchtung vorgesehen wird. Dies soll durch ein einfaches Zahlenbeispiel belegt werden.

Entsprechend Bild 1 beträgt die Sättigungsfeuchte bei 0 °C 4,85 g/m³. Das heißt: Weist ein Luftvolumen eine Temperatur von 0 °C und eine relative Luftfeuchte von 100 % auf, dann entspricht die absolute Luftfeuchte der Sättigungsfeuchte und beträgt 4,85 g/m³. Wird dieses Luftvolumen nun auf 20 °C erwärmt, bleibt die absolute Feuchte gleich. Es ändert sich jedoch die Sättigungsfeuchte, da bei 20 °C die Luft entsprechend den vorangehenden Ausführungen in der Lage ist, mehr Feuchtigkeit aufzunehmen als bei 0 °C. Die Sättigungsfeuchte beträgt bei 20 °C 17,3 g/m³. Aus dem Verhältnis der absoluten Feuchte zur Sättigungsfeuchte ergibt sich die relative Luftfeuchte, die in diesem Fall 28 % betragen würde. Dieses Beispiel verdeutlicht die Beziehung zwischen Temperatur und Feuchte.

Ein Gebäude hat gewisse technische Grenzen. Das heißt, die relative Raumluftfeuchte darf bestimmte Werte nicht überschreiten, da es ansonsten zu Schäden kommt. Dies begründet sich dadurch, dass über die Außenbauteile, die sogenannten transmissionswärmeübertragenden Bauteile, ein Wärmestromabfluss auftritt, wodurch die raumseitigen Bauteiloberflächen eine niedrigere Temperatur aufweisen als die Raumluft. Sind die raumseitigen Oberflächen-temperaturen gleich der Taupunkttemperatur der Raumluft oder niedriger, so kann es zu Tauwasseranfall kommen. Die raumseitige Oberflächentemperatur wird hierbei durch den wärmeschutztechnischen Standard der jeweiligen Konstruktion bestimmt. Die Tabelle 1 verdeutlicht dies anhand einer Gegenüberstellung unterschiedlicher U-Werte für Außenbauteile und den daraus resultierenden Oberflächentemperaturen (Toi), relativen Grenzluftfeuchten (fGr) und der bewerteten relativen Grenzluftfeuchte (fGr;0,8).

Der als U-Wert bezeichnete Wärmedurchgangskoeffizient gibt an, wie viel Watt an Wärme je Quadratmeter Bauteilfläche und Grad Kelvin Temperaturdifferenz über das Bauteil abfließen können. Das heißt, je geringer der U-Wert ist, desto besser ist der Wärmeschutz des Bauteils. Dies verdeutlichen auch die in der Zeile 2 der Tabelle angegebenen Oberflächentemperaturen. Der Tabelle ist zu entnehmen, dass mit abnehmendem Wärmedurchgangskoeffizienten, d. h. mit besser werdendem Wärmeschutz die zu erwartenden raumseitigen Oberflächentemperaturen der Bauteile ansteigen. Während bei einem U-Wert von 1,4 W/(m²K) noch bei den betrachteten Randbedingungen mit einer Oberflächentemperatur von nur 13,6 °C zu rechnen ist, ist die zu erwartende Oberflächentemperatur bei einem U-Wert von 0,4 W/(m²K) mit 18,1 °C deutlich höher. Je höher die Oberflächentemperatur ist, desto höher sind auch die zulässigen Nutzungsfeuchten. Hierbei gibt die relative Grenzluftfeuchte den Wert an, ab dem mit Tauwasseranfall auf dem jeweiligen Bauteil zu rechnen ist. Die bewertete relative Grenzluft-feuchte fGr;0,8 gibt dagegen den Wert der relativen Luftfeuchte an, ab dem auf porösen Bauteiloberflächen ein Feuchtepotential entstehen kann, das die Ansiedlung von Schimmelpilzen begünstigt.

 

  U   W/(m²K)      1,4        1,2        0,8        0,4    
  Toi       °C    13,6    14,5    16,3    18,1
  fGr        %    66    70    79    88
  fGr;0,8          %    52    56    63    70


Tabelle 1: Oberflächentemperaturen, relative Grenzluftfeuchte und bewertete relative Grenzluftfeuchte in Abhängigkeit vom U-Wert des Außenbauteils (exemplarische Betrachtung)
- Toi: Oberflächentemperatur bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C und einer Außenlufttemperatur von -15 °C bei unbehindertem Wärmeübergang.
- fGr: relative Grenzluftfeuchte bzw. relative Luftfeuchte ab der mit Tauwasseranfall auf der raumseitigen Bauteiloberfläche bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C und einer Außenlufttemperatur von -15 °C bei unbehindertem Wärmeübergang zu rechnen ist.
- fGr;0,8: bewertete relative Grenzluftfeuchte: relative Raumluftfeuchte ab der bei einer Raumlufttemperatur von 20 °C und einer Außenlufttemperatur von -15 °C bei unbehindertem Wärmeübergang auf den Bauteiloberflächen ein Feuchtepotential zu erwarten ist, das Schimmelpilzbildung fördert.

Die Betrachtungen, die der Tabelle 1 zugrunde liegen, erfolgten für sogenannte ungestörte Bauteilquerschnitte und berücksichtigen keinen behinderten Wärmeübergang, wie er in der Regel zu erwarten ist. Im Bereich von Wärmebrücken, wie Fensterleibungen oder Außenwandecken, sind geringere Oberflächentemperaturen, relative Grenzluftfeuchten und bewertete relative Grenzluftfeuchten zu erwarten. Die Gegenüberstellung in Tabelle 1 soll nur die Abhängigkeit der zulässigen Grenzluftfeuchte von dem wärmeschutztechnischen Standard, also vom Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert), verdeutlichen. Die Ermittlung der Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Werte) von Bauteilen kann anhand von Planunterlagen, Bauteilbeprobungen oder Vor-Ort-Messungen erfolgen. Hierzu stehen Bauphysiker oder Sachverständige für Bauphysik oder Wärme- und Feuchteschutz zur Verfügung.

Die raumseitige Oberflächentemperatur wird außer durch den wärmeschutztechnischen Standard auch durch die Wärmeübertragung von der Raumluft zur Bauteiloberfläche beeinflusst. Sofern diese Wärmeübertragung durch Einrichtungsgegenstände (Vitrinen, Regale, Schränke) behindert wird, muss mit einem Absinken der raumseitigen Oberflächentemperatur gerechnet werden. Hierdurch kann ebenfalls eine Taupunkttemperaturunterschreitung bewirkt werden, die zu einem Tauwasseranfall führt.

Zur Ansiedlung von Schimmelpilzen ist Tauwasseranfall jedoch nicht erforderlich. Hier reichen erhöhte Baustofffeuchten infolge von Sorption bzw. Kapillarkondensation aus, um ein für die Schimmelpilzansiedlung genügendes Feuchtepotential zu schaffen. Nach derzeitigem Kenntnisstand ist davon auszugehen, dass eine als Wasseraktivität bezeichnete relative Raumluftfeuchte von AW = 80 % bezogen auf den Sättigungsdampfdruck (der Sättigungsdampfdruck ist der Dampfdruck, den ein Luftvolumen mit einer bestimmten Temperatur maximal aufweisen kann) an der Bauteiloberfläche zur Schimmelpilzbildung ausreicht. Der Sättigungsdampfdruck an der Bauteiloberfläche hängt hierbei von der Oberflächentemperatur ab. Im Hinblick auf die Schimmelpilzbildung ist im Weiteren zu berücksichtigen, dass ein kurzzeitiges Überschreiten der Wasseraktivität von AW = 80 % nicht zwangsläufig zu Schäden führt, sondern die Wasseraktivität über einen längeren Zeitraum zur Ansiedlung von Schimmelpilzen überschritten werden muss. Tabelle 1 ist die Beziehung zwischen der relativen Grenzluftfeuchte und der im Hinblick auf die vermeintliche Gefahr der Schimmelpilzbildung bewerteten relativen Grenzluftfeuchte zu entnehmen. Zur Schimmelpilzbildung an Sammlungsobjekten siehe auch Kapitel Schädlinge.

Schimmel kann jedoch nicht nur in Folge der Wechselwirkung zwischen Raumklima und Bauteiloberflächentemperaturen auftreten, sondern kann auch durch andere Feuchtequellen verursacht werden. Derartige Feuchtequellen können z.B. in Folge eines unzureichenden Witterungsschutzes im Bereich der Fassade, einer nicht mehr funktionstüchtigen Bauwerks- oder Dachabdichtung sowie auch infolge von Leckagen in wasserführenden Rohrleitungen entstehen. (Siehe auch Kapitel Havarien / Unfälle.)
Unter Berücksichtigung der vorangehenden Erläuterungen ist festzuhalten, dass sowohl nutzungsbedingte als auch konstruktionsbedingte Ursachen zu Tauwasseranfall und Schimmelpilzbildung auf den raumseitigen Bauteiloberflächen führen können.

Nutzungsbedingte Ursachen liegen vor, wenn seitens des Nutzers das Fenster als "natürlicher Indikator" für das Raumklima nicht wahrgenommen wird. Das Fenster ist im Hinblick auf den Wärmeschutz des Gebäudes im Regelfall das schwächste Element. Somit weisen die raumseitigen Oberflächen der Verglasung vergleichsweise zu den übrigen Bauteilen im Regelfall die niedrigste Oberflächentemperatur auf. Ist die Oberflächentemperatur der Verglasung niedriger als die Taupunkttemperatur der Raumluft, so tritt zwangsweise Tauwasseranfall auf den raumseitigen Verglasungsoberflächen auf.
Konstruktionsbedingte Ursachen liegen vor, wenn entweder die Verglasung nicht das schwächste Glied im Wärmeschutz des Gebäudes darstellt und somit nicht ihre Aufgabe als natürlicher Indikator für unzulässige Raumklimaverhältnisse nachkommen kann oder wenn der Wärmeschutz der Verglasung sowie die zum Schutz des Sammlungsgutes vorgesehenen Raumklimaverhältnisse nicht aufeinander abgestimmt sind. Um diese Gefahr zu vermeiden, ist, wie vorangehend erläutert, eine wärmeschutztechnische Bewertung der einzelnen transmissionswärmeübertragenden Bauteile bei klimatisierten Räumen zwingend notwendig.

                                                                                                                                                              

II. Klimatisierung

Die europäische Richtlinie über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden EU2002/91/EG Artikel 2 definiert eine Klimaanlage als „eine Kombination sämtlicher Bauteile, die für eine Form der Luftbehandlung erforderlich sind, bei der die Temperatur, eventuell gemeinsam mit der Belüftung, der Feuchtigkeit und der Luftreinheit, geregelt wird oder gesenkt werden kann“. Im Sinne dieser Richtlinie und der nationalen Umsetzung im Rahmen der Energieeinspar-verordnung EnEV wird eine „Klimaanlage“ wie folgt definiert:
1. Anlagen mit Lüftungsfunktion (Lüftungs- und Klimaanlagen siehe Tabelle 1)
2. Anlagen zur Raumkühlung ohne Lüftungsfunktion (Raumkühlsysteme, Raumklimageräte etc.)

 

 Thermodynamische Funktion Bezeichnung
Lüftung Heizung Kühlung Befeuchtung Entfeuchtung  
 x  -  -  -  - Einfache Lüftungsanlage
 x x  -  -  - Lüftungsanlage mit der Funktion Heizen oder Luftheizung
 x  x  -  x - Teilklimaanlage mit den Funktionen Lüften, Heizen, Befeuchten
 x  x  x - (x) Teilklimaanlage mit den Funktionen Lüften, Heizen, Kühlen
 x  x  x  x (x) Teilklimaanlage mit den Funktionen, Lüften, Heizen, Kühlen und Befeuchten
 x  x  x  x x Klimaanlage mit den Funktionen, Lüften, Heizen, Kühlen und Be- und Entfeuchten

Legende: -  von der Anlage nicht beeinflusst
                 x   von der Anlage geregelt und im Raum sichergestellt
                (x)  durch die Anlage beeinflusst, jedoch ohne Garantiewerte im Raum

(Quelle FGK Statusreport 14)

Tabelle 2: Anlagentypen und ihre thermodynamische Funktion (Luftfilter sind in allen Lüftungsanlagen enthalten).

Mechanische Raumluftbehandlungsanlagen zur Klimatisierung der Räume sind erforderlich, wenn die baulichen Verhältnisse keinen ausreichenden Schutz für das Sammlungsgut bieten oder wenn weitere Umstände hinzukommen, die eine Gefahr für das Sammlungsgut darstellen oder die Behaglichkeit der Besucher und Mitarbeiter unangemessen beeinträchtigen, z.B. Veranstaltungen mit hoher Personenanzahl, zu hohe Anzahl von Besuchern im Verhältnis zum Raumvolumen, hohe Wärmebelastung durch Beleuchtung, Staub- und Schadstoffbelastungen, Schwankungen der Raumtemperatur und Raumluftfeuchte durch Fensterlüftung.
Neubauten und sanierte Bestandsgebäude haben in der Regel eine dichte Außenhülle (durch das Baurecht vorgegeben), hier werden üblicherweise mechanische Raumluftbehandlungs-anlagen benötigt um den notwendigen Außenluftwechsel sicherzustellen. Ferner werden bei der Errichtung von Gebäuden und deren Innenausbau häufig Baustoffe verwendet, die Schadstoffe an die Räume abgeben (z.B. Lösemitteldämpfe). Diese Belastungen können mittels Luftaustausch und Luftbehandlung durch mechanische Raumluftbehandlungsanlagen beseitigt oder dermaßen gemindert werden, dass Schäden an den Sammlungsgütern oder Gesundheitsschäden bei den Mitarbeitern und Besuchern zu vermeiden sind.

Bei der Überlegung, ob eine mechanische Raumluftbehandlungsanlage eingesetzt wird, sollte zunächst ermittelt werden, welche technischen Leistungen und Aufgaben sie erfüllen muss (filtern, heizen, kühlen, be- und entfeuchten). Gleichzeitig sollte geprüft werden, wie der Leistungs- und Energieaufwand durch bauliche Maßnahmen und energieeffiziente Gebäude- und Anlagenplanung reduziert werden kann.
Bestehende mechanische Raumluftbehandlungsanlagen bedürfen einer fachkompetenten Bedienung, Wartung und Instandhaltung, um die Sollvorgaben und die Qualitätsanforderungen über den Lebenszeitraum der Raumlufttechnik (RLT)-Anlagen zu gewährleisten. Unter der Maßgabe des energieeffizienten Betriebes der Raumlufttechnik (RLT)-Anlagen besteht mit der Energieeinsparverordnung sogar die ordnungsrechtliche Vorschrift zur sachgerechten Bedienung und regelmäßigen Wartung und Instandhaltung der energie- bzw. wirkungsgradrelevanten Komponenten durch Fachkundige.

Den größten Einfluss auf sensible Sammlungsgüter hat die Raumluftfeuchte. Mit geringem Aufwand kann ein vom Umgebungsraum weitgehend unabhängiges Kleinklima geschaffen werden. Durch Verwendung von hygroskopischen Stoffen – wie Holz oder Textilien – und / oder durch Einbringen von Salzlösungen, Flüssigkeitsmischungen, Silicagel und anderen Trocknungsmitteln, die selbst keine Stoffe emittieren dürfen, lässt sich in Vitrinen die relative Luftfeuchte innerhalb bestimmter Grenzen einhalten.
Mit Klimavitrinen lässt sich der Schutz des Sammlungsgutes weitgehend unabhängig von den Raumbedingungen organisieren. Häufig veränderte Bedingungen, wie bei Wander-ausstellungen, lassen sich mittels Klimavitrinen optimal gestalten.

Mit mobilen oder örtlichen Befeuchtungsgeräten kann in Verbindung mit einer Veränderung der Raumlufttemperatur die geforderte relative Raumluftfeuchte weitgehend sichergestellt werden, wenn die kontrollierte Bedienung der Geräte sichergestellt ist.

 

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