Richtiges Heizen und Lüften in Kirchen

Richtiges Heizen und Lüften in Kirchen

"Das richtige Raumklima zur Bespielbarkeit und Werterhaltung der Orgel"

Vortrag Baukirchmeistertagung

25. ‐ 26.09.2009

Dipl.‐Ing. (TU) Hans Breiden

INGENIEURBÜRO B R E I D E N + S T I T T G E N


Inhalt

2

Einleitung

1. Anforderungen an das Raumklima

2. Referenzdaten für das Raumklima

3. Regelung des Feuchtehaushaltes

4. Theorie und Praxis zur kontrollierten Lüftung über das Außenklima

5. Gerätetechnik

6. Beispiele ausgeführter Objekte

Zusammenfassung

Literatur

Einleitung

Die von Denkmalpflegern und Orgelsachverständigen geforderten raumklimatischenVerhältnisse in denkmalgeschützten Kirchen mit wertvoller Inneneinrichtung sind beimHeizen mit den heutigen speziellen Regelgeräten bis auf die relative Feuchte sehr exakteinzuhalten.

Die relative Feuchte, die physikalisch bedingt von der Innenraumtemperatur abhängt,ist einer der wichtigsten Parameter. Ohne aufwändige und schwer realisierbare Be‐ undEntfeuchtungseinrichtungen ist die Feuchte nicht regelbar.

Nachfolgend wird ein Verfahren beschrieben, mit dem sich der Feuchtehaushalt inKirchen mittels einer weiterentwickelten Aufheizautomatik über eine automatischeFeuchtesteuerung verbessern lässt.

INGENIEURBÜRO B R E I D E N + S T I T T G E N 3

Neben dem Wunsch nach Behaglichkeit für die Besucher während der Nutzungszeitsind die Aspekte der Wirtschaftlichkeit während der Heizzeit und vor allen Dingen dieschonende Beheizung zur Werterhaltung von wertvollen Einrichtungsgegenständenund zur Bespielbarkeit der Orgel zu beachten.

Hier gilt es zwischen den bildlichen Begriffen "Gotteshaus" und “Museum“ einenKompromiss zu finden. Behagliche Wohnzimmertemperaturen von nahezu 20°C, wieoft verlangt wird, und relative Feuchtewerte von mindestens 50 % sind physikalischwidersprüchlich und ohne großen technischen Aufwand nicht realisierbar.

1. Anforderungen an das Raumklima

Zu den raumklimatischen Daten liegt eine große Anzahl von Quellenangaben vor. Diewesentlichen Daten einiger Quellen/Literatur haben wir nachfolgend zusammen‐gefasst.

Wie man sieht, weisen die Werte eine große Bandbreite aus, u.a.:

Heiztemperatur

Grundtemperatur

Heizrampe

Relative Feuchte

unterer Grenzwert

oberer Grenzwert

12,0 … 20,0

5,0 … 10,0

1,0 … 2,0

> 40 … 50

70 … 80

°C

°C

K/Std

%

%

Aufgrund unserer langjährigen Erfahrungen können die "Raumklimatischen Daten" derTabelle 1 als Empfehlung für die Einstellung der Regelanlage der Kirchenheizungprogrammiert werden.

Die Heizrampe mit 0,5...1,5 K/Std und die Feuchtigkeitsgrenze der Tabelle 1 mit demZusatz “Grenzwerte sollten dauerhaft nicht unter‐ bzw. überschritten werden“ sind indie Allgemeinen Geschäftsbedingungen Deutscher Orgelbaumeister unter Pkt. IX“Gewährleistung“ übernommen worden.

2. Referenzdaten für das Raumklima


Wird die Einhaltung eines unteren Grenzwertes der rel. Feuchte von z.B. 50 %gefordert, so sind Befeuchtungsanlagen einzubauen.

Man unterscheidet zwischen Wasserluftbefeuchtern und Dampfluftbefeuchtern.

Zum Thema Wasserluftbefeuchter gibt es Zerstäuber, Verdunster und Luftwäscher. DieWasserluftbefeuchter werden vorwiegend für gewerbliche und industrielle Zweckeverwendet. Wegen der Nachteile (Schall, Mikroorganismen, Kalkablagerungen, hoherWartungsaufwand) kommen diese Geräte in Kirchen in der Regel nicht zum Einsatz.

Dampfluftbefeuchter (siehe Bild 1) lassen sich technisch problemlos in eineWarmluftheizungsanlage jeglicher Leistungsgröße integrieren. Eine exakte Regelungder rel. Feuchte ist automatisch gewährleistet.

Mit den Dampfluftbefeuchtern ist auch eine direkte Raumluftbefeuchtung möglich.

Bei der Planung von Befeuchtungs‐ und Heizungsanlagen sollte wegen derKomplexität der bauphysikalischen Probleme immer ein mit der Kirchenheizungs‐technik erfahrener Fachingenieur beauftragt werden.

3. Regelung des Feuchtehaushaltes

Die kontrollierte Lüftung, d.h. Lüften zum richtigen Zeitpunkt, hat zwei Anforderungenzu genügen:

• Verbesserung des Feuchtehaushaltes in der Kirche

• Vermeidung von Schimmelbefall (Bild 2)

4. Kontrollierte Lüftung über das Außenklima

Neben der Befeuchtung mittels Befeuchtungsanlagen bietet sich die Be‐ und Ent‐feuchtung über das natürliche Außenklima an.

Physikalische Zusammenhänge (Bild 3):

Beim Lüften werden Außenluft und Raumluft gemischt. Die relative Feuchte reduziertsich z.B. bei einem Außenluftzustand von + 5,0°C/40 % r.F. im Winter beim Lüftenwährend des Heizbetriebes auf 20 % r.F., d.h. es wurde zum falschen Zeitpunkt gelüftet.

Für das richtige Lüften ist die absolute Feuchte x (g Wassser/kg trockene Luft) alsVergleichsmaßstab von Bedeutung. Dieser Wert kann nicht direkt gemessen werden,sondern ist indirekt über die Temperatur und die relative Feuchte aus dem h,x‐Diagramm nach Mollier zu ermitteln.

4.1 Verbesserung des Feuchtehaushaltes


Beim richtigen Lüften zur Erhöhung der relativen Feuchte muss die absolute Feuchteaußen höher sein als innen, während z.B. im Sommer zur Reduzierung der relativenFeuchte der Wert der absoluten Feuchte außen niedriger sein muss als innen.

Bei einer Querlüftung bei geöffneten Fenstern bzw. bei einer mechanischenAußenluftbeimischung mischen sich Luftmengen in einem Mischpunkt, der für dieErrechnung des x‐Wertes wichtig ist. Im h,x‐Diagramm werden die beiden Luftzustände1 und 2 eingetragen und durch eine Gerade verbunden. Der Mischpunkt liegt immerauf dieser Verbindungsgeraden entsprechend dem Verhältnis zu den gemischtenLuftmassen.

Die absoluten Feuchtewerte sind also innen und außen über Kombimessfühler undüber ein Rechenprogramm zu ermitteln und miteinander zu vergleichen. Dann erstkann nach einem weiteren Vergleich der rel. Feuchte (Istwert) mit dem vorgegebenenSollwert vom Rechner die Entscheidung getroffen werden, zu welchem Zeitpunkt einsinnvolles Lüften möglich ist.

Die Entscheidung, über eine Lüftung in der Kirche den Feuchtehaushalt zu verbessern,kann nicht vom Menschen sondern nur vom Rechner getroffen werden.

Bei falschem Lüftungsverhalten schlägt sich die Feuchtigkeit der Außenluft an denkühlen Wandflächen und an den wertvollen Einrichtungsgegenständen (z.B. Orgel)durch Taupunktunterschreitung, d.h. Schwitzwasserbildung nieder. Wandschwärz‐ungen und Schimmelbefall sind die Folge.

Bei welcher Außenlufttemperatur und Luftfeuchtigkeit gelüftet werden darf, kannpraktisch und theoretisch wie folgt nachvollzogen werden:

1. Wenn eine gefüllte Wasserflasche, die längere Zeit in Wandnähe in der Kirchegelagert war, beschlägt sobald sie ins Freie gebracht wird, sollte nicht gelüftetwerden.

2. Anhand des Lüftungsdiagramms (Bild 4) für Kirchen kann nach Messung des Außen‐klimas (Kombimessgerät für Temperatur und rel. Feuchte) und der Wand‐/ Innen‐temperatur entschieden werden, ob gelüftet werden kann. Die Kurven stellen dieTaupunktkurven dar. Die Wandtemperatur muss höher sein, um Schwitzwasser‐bildung zu vermeiden. Anzumerken ist, dass die Wandtemperatur nach 4‐5 Tagenohne Heizen sich der Innentemperatur angeglichen hat.

Automatisierte Lüftung ‐ Die speziellen Regelgeräte für Kirchenheizungen erfüllen dievorgenannten Anforderungen bezüglich Heizen nach den Richtlinien zur schonendenund wirtschaftlichen Beheizung von denkmalgeschützten Kirchen und bezüglich einerkontrollierten Lüftung über das Außenklima.

4.2 Vermeidung von Schimmelbefall


Die Aufheizautomatik bisheriger Bauart steuert die relative Feuchte, indem bei demprogrammierten Grenzwert von z.B. 45 % r.F. die weitere Aufheizung aufhört undkonstant bei z.B. 45 % r.F./14,0°C Innentemperatur weiter geheizt wird. Beim Über‐schreiten des oberen Grenzwertes von z.B. 75 % r.F. wird die Heizung eingeschaltet, umden eingestellten Grenzwert konstant zu halten.

Bei der weiterentwickelten Aufheizautomatik ist zusätzlich das h,x‐Diagramm nachMollier als Rechenprogramm im Prozessor hinterlegt sowie eine Software ergänzt, diedie Messwerte des Innen‐ und Außenklimas erfasst und verarbeitet sowie dieabsoluten Feuchtewerte mit dem eingestellten Sollwert der relativen Feuchte (z.B. 65%) vergleicht. Weiterhin wird über einen Wandfühler die Taupunkttemperaturermittelt.

Liegt die relative Feuchte unter dem Sollwert von 65 % und lässt das Außenklima eineBefeuchtung zu, d.h. absoluter Feuchtewert außen höher als innen, dann werden überRelais Fensterstellmotoren bzw. eine Außenluftklappe der Warmluftheizung zur Lüftungeingeschaltet. Die Funktion "Lüftung" zur automatischen Feuchtesteuerung über dasAußenklima ist nur während der Betriebszustände "Grundtemperierung " und "Ab‐heizen" freigeschaltet. Während des Heizbetriebes "Aufheizen" bzw. "Heizen" ist dieseFunktion gesperrt.

Die Aufheizautomatik mit der Gesamtansicht (Hauptmenü) ist im Bild 5 (Werkbild derFa. Sigmann) dargestellt. Die Bedienung erfolgt Menü‐geführt über Drucktasten zurNavigation innerhalb der Menüs.

Extern ist neben der üblichen Geräte‐ und Fühlertechnik ein Kombifühler, bestehendaus Außentemperatur‐ und Feuchtefühler, mit Wetterschutzhaube zu installieren.

Um eine ausreichende Querlüftung zu gewährleisten, sind bei kleinen bis mittelgroßenKirchen zwei Fensterflügel (60 x 60 bis 80 x 80 cm) mit Fensterstellmotoren, bekanntvon RWA‐Anlagen (Bild 6), auszurüsten und mittels Elektroverkabelung (4 x 1,5 mm²)mit einer Spannung von 230 V zu versorgen. Bei großen Kirchen sind vier Fensterflügelerforderlich. Ist eine reine Warmluftheizung mit Außenluftanschluss vorhanden, wirdüber das Schaltrelais der Stellmotor der Außenluftklappe angesteuert.

Bei einer Taupunktunterschreitung, d.h. Gefahr der Schwitzwasserbildung, bleiben dieFenster geschlossen.

Über eine Funktionstaste an der Aufheizautomatik kann auch von Hand gelüftetwerden.

Aus der Beschreibung der Gerätetechnik ist ersichtlich, dass der Aufwand für eineautomatische Feuchtesteuerung nicht erheblich ist.

5. Gerätetechnik


Nachfolgend werden einige Beispiele ausgeführter und von uns betreuter Anlagengezeigt.

Bild Kirche Bemerkungen

7 Hinterzarten Ohne Feuchtesteuerung, Feuchteschwankungen 30‐65%

8 Kirchvers Elektroheizung mit absoluter Feuchtesteuerung

9 Kirchvers mit Begrenzung auf max. 60% relative Feuchte

10‐12 Weinheim Trotz gleichbleibend hoher Temperaturen keine Unterschreitung des Feuchtegrenzwertes von 45%

13 Simtshausen Optimierung Feuchtehaushalt durch kontrollierte Lüftung

14 Buchholz Problem hohe Feuchte bis 80%, Absenkung auf rd. 65% durch kontrollierte Lüftung

15 Sandhofen Trockenes Innenklima: Einbau Dampfluftbefeuchtung wegen wertvoller Konzertorgel

16 Mainaschaff Voruntersuchungen mit raumklimatischen Messungen aufgrund starker Wandschwärzungen, Einbau absolute Feuchtesteuerung offen

17 Frauenkirche Einbau einer VollkimatisierungDresden

Alle relevanten Daten werden in der Aufheizautomatik bis zu einem Jahr gespeichertund können per PC ausgewertet werden.

6. Beispiele ausgeführter Objekte

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die automatische Feuchte‐steuerung über das Außenklima ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren ist, umden Feuchtehaushalt in denkmalgeschützten Kirchen zu verbessern. Eine genaueRegelung auf einen eingestellten Sollwert ist jedoch nur mit aufwendigen Be‐ undEntfeuchtungsanlagen möglich.

Die beschriebene Technik ist praxiserprobt und bereits seit einigen Jahren in vielenKirchen eingebaut. Anhand der durchgeführten raumklimatischen Messungen hatsich gezeigt, dass sich die beschriebene automatische Feuchtesteuerung über dasAußenklima optimal bewährt hat.

Zusammenfassung

Literatur

1. "Richtiges Heizen in historischen Gebäuden", VDI‐Bericht 896, 1991

2. "Luftbefeuchtung", E. Henne, Oldenburg‐Verlag, 1995

3. ”Kirchenheizung” im Taschenbuch für Heizung + Klima Technik; Recknagel / Sprenger / Schramek.


Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

www.ib‐breiden.de

Ingenieurbüro Breiden + Stittgen

Dipl.‐Ing. (TU) Hans‐M. Breiden VDI

Beratender Ingenieur und

Sachverständiger für Kirchenheizungen

Dr.‐Ing. Michael Stittgen VDI

Beratender Ingenieur und

Sachverständiger für Kirchenheizungen

Gerhart‐Hauptmann‐Str. 38

69221 Dossenheim

Telefon (0 62 21) 86 63 99

Telefax (0 62 21) 86 09 19

E‐Mail: info@ib‐breiden.de


Anlagen

Tabellen und Abbildungen

zum Vortrag

"Richtiges Heizen und Lüften in Kirchen"

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenTabelle 1

Empfehlungen zum Raumklima in KirchenEmpfehlungen zum Raumklima in KirchenRaumklimatische Daten für die schonende und wirtschaftliche Beheizung von Kirchen

Messwerte Einheiten Empfehlungen Bemerkungen

1. Heiztemperatur °C 12-16 Konzertveranstaltung 18

2. Grundtemperatur °C 6 - 8 Kirche nicht genutzt

3 Aufheiz-/ Abkühlgeschwindigkeit K/Std 0 5 - 1 53. Aufheiz-/ Abkühlgeschwindigkeit K/Std 0,5 - 1,5

4. Relative Feuchte - unterer Grenzwert % 45

b G t 75

Grenzwerte sollten dauerhaftnicht unter- bzw. überschritten

- oberer Grenzwert % 75

- Sollwert für automat. Feuchtesteuerung % 65 anzustreben

- Sollwert für Dampfbefeuchtung % 50 zu regeln

werden

%

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 1: Dampfluftbefeuchter

RegelungsmöglichkeitenRegelungsmöglichkeiten

Dampfluftbefeuchter : KAUT Typ KR 322 / KD 322

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 2: Ev. Kirche Fronhausen

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 3: Luftzustands-Diagramm

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 4: Lüftungsdiagramm für Kirchen

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 5: Aufheizautomatik

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 6: Fensterstellmotor

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 7: Ev. Kirche Hinterzarten

HinterzartenHinterzarten

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02:0014.03.

Zeitachse in Stunden

2006

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 8: Ev. Kirche Kirchvers

EV.Kirche-Kirchvers - Typ7

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Tem

2003


Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 9: Ev. Kirche Kirchvers

Ev.Kirche-Kirchvers - Typ7

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Te

2003/04

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 10: Peterskirche Weinheim

Peterskirche-Weinheim - Typ8 - HK1

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2005

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 13: Ev. Kirche Simtshausen

Ev.Kirche-Simtshausen - Typ8

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2006

Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 14: Ev. Kirche Buchholz

Bild 15Ev.Kirche-Burgholz - Typ8Ev.Kirche-Burgholz - Typ8

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Hohe Innenfeuchte - Sollwert "Entfeuchten": 60 %

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20:4016.05.

16:4018.05.

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08:0022.05.


2005


Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 15: Ev. Kirche Sandhofen

Ev.Kirche-Sandhofen - HK1

60,00

70,00

B f ht B f ht

40 00

50,00

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Befeuchtung Befeuchtung

30,00

40,00

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Dampfluftbefeuchter !

10,00

20,00

Tem

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-10,00

0,0022:0016.03.

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17:4009.05.

01:4012.05.


2006


Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 16: Taupunktüberwachung

Kath.Kirche-Mainaschaff - KA100

80

90

100

g/m

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60

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30

40

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IstFeuchte-Innen

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Taupunkt

0

10

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-10

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03:0003.04.09

22:4013.04.09

18:4024.04.09


Dipl.-Ing.(TU) Hans BreidenBild 17: Frauenkirche Dresden

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Richtiges Heizen und Lüften in Kirchen