5. Fachtagung: Energieeffizienz in kirchlichen Liegenschaften 11.05.2016-12.05.2016 in Münster Veranstalter: EnergieAgentur.NRW in Kooperation mit dem Akademie Franz Hitze Haus Dipl.-Ing. Rainer Heimsch Beratender Ingenieur VBI Ehnernstr. 92 26121 Oldenburg E-Mail r.heimsch@ibholb.de
Raumklima in Kirchen unter besonderer Berücksichtigung von klimastabilisierendem Lüften Vortrag von Dipl.-Ing. Rainer Heimsch, Oldenburg Beratender Ingenieur VBI, Kirchenheizung Energiekonzepte Dipl.-Ing. Rainer Heimsch Beratender Ingenieur VBI Ehnernstr. 92 26121 Oldenburg E-Mail r.heimsch@ibholb.de
Philosophie und Arbeitsweise des Büros Erfahrung in Planung, Begutachtung und Ausführung von mehr als 300 Kirchen Ausführliche Voruntersuchung unter besonderer Berücksichtigung der Erfahrungen und Ziele der Nutzer Ganzheitliche Betrachtung und Umsetzung der Aufgabe unter besonderer Berücksichtigung denkmalpflegerischer, ökologischer und ökonomischer Rahmenbedingungen Enge Abstimmung mit allen Projektbeteiligten, insbesondere mit dem Nutzer, in allen Leistungsphasen Intensive Einweisung für die Nutzer und Begleitung bei der Inbetriebnahme und Nutzung 3
Raumklima in Kirchen Einflussfaktoren auf das Raumklima in Baudenkmalen 4
Thermische Behaglichkeit Mensch Bekleidung Aktivitätsgrad Aufenthaltsdauer Alter Gebäude Wandtemperatur Strahlungsanteil Thermische Behaglichkeit Raumluft Lufttemperatur Luftgeschwindigkeit Luftfeuchte ϑ e = ϑ str + 2 ϑ luft 5
Besondere Belastungen (beispielhaft) Nutzungsbedingt: Konzertante Nutzung im Sommer und Winter Starke Belastungen durch Besucher/Touristen (im Michel in Hamburg ca. 3.000 /Konzert) mit Staub- und Feuchteeintrag Bauliche Randbedingungen: Baukörpermassen reagieren träge bei Aufheizung, dadurch Kältestrahlung von den Wänden hohe Aufheizleistung erforderlich Oftmals (z.b. Chorbereiche) ohne Wärmequellen (Zugerscheinungen) Ausreichende Lüftungsmöglichkeiten fehlen Kaltluftabfall an den meist hohen, einfach verglasten Fenstern Anordnung von Temperatur- und Feuchtefühlern oft fehlerhaft 6
Rauchversuch Zugerscheinungen vom Chor Richtung Schiff in der Stadtkirche St. Marien, Celle 7
Rauchversuch Luftbewegungen im Fußraum der Kirchenbänke in der Marienkirche, Büchen-Dorf 8
Kaltluftabfall Kaltluftabfall am Verlauf des Strömungsfadens zu erkennen, St.-Nikolai-Kirche Kiel 9
Festlegung der Raumklimadaten Temperatur-/Feuchtefeld Kirchenheizung 10
Normen/Richtlinien VDI-Richtlinie 3817: Technische Gebäudeausrüstung in Baudenkmalen und denkmalwerten Gebäuden DIN EN 15757: Erhaltung des kulturellen Erbes Festlegungen für Temperatur und relative Luftfeuchte zur Begrenzung klimabedingter mechanischer Beschädigungen an organischen hygroskopischen Materialien DIN EN 15759-1: Erhaltung des kulturellen Erbes Festlegung und Regelung des Raumklimas Teil 1: Leitfäden für die Beheizung von Andachtsstätten WTA Merkblatt E 6-12: Klima und Klimastabilität in historischen Bauwerken Richtlinien der Landeskirchen 11
Historisches Klima Auszug aus der DIN EN 15757: 5.3 Priorität des historischen Klimas Wurde der Zustand von Gegenständen aus organischen Materialien, die über einen längeren Zeitraum(mindestens 1 Jahr)in einem bestimmten Mikroklima aufbewahrt wurden, von qualifizierten Fachleuten für Innenraumklima und Erhaltung für zufriedenstellend befunden, sollte das historische Klima im Raum, einschließlich der mittleren Werte der rel. Luftfeuchte, des Bereiches der Variabilität der natürlichen Zyklen(jahreszeitlich oder täglich) und der Änderungsgeschwindigkeiten, unverändert bleiben. Dipl.-Ing. Rainer Heimsch Beratender Ingenieur VBI Ehnernstr. 92 26121 Oldenburg E-Mail r.heimsch@ibholb.de 12
Dipl.-Ing. Rainer Heimsch Beratender Ingenieur VBI Ehnernstr. 92 26121 Oldenburg E-Mail r.heimsch@ibholb.de 13
Auswertung Raumklimamessungen Dom Verden Dipl.-Ing. Rainer Heimsch Beratender Ingenieur VBI Ehnernstr. 92 26121 Oldenburg E-Mail r.heimsch@ibholb.de 14
Auswertung Rel.Luftfeuchte gem. DIN EN 15757 Feuchteschwankungen im Jahresgang zulässiger Korridor +/-10% 15
DBU-Forschungsprojekt -St. Georgen Wismar 16
St. Georgen Wismar 17
Heizlast von Kirchen Q = Q + Q + F W Q L Q = A F U F AW ( ϑi ϑa ) + ( ϑi ϑo ) + VR Ln ( ϑi ϑa ) R Z Q F Q W Q L Q F Q W Q L = Heizlast für Fenster und sonstige nicht speichernde Bauteile auch Decken = Heizlast zum Aufheizen speichernder Bauteile, auch Fußböden = Lüftungsheizlast ϑ e = 0,5( ϑl + ϑu,m) 18
Heizlastverteilung Schematisierte Heizlastverteilung einer Kesselanlage während der Heizperiode bei 1.800 Betriebsstunden 19
Einfluss der Raumlufttemperatur auf die Heizlast Temperatur permanent 10 C permanent 12 C Grundtemperatur 10 C / Nutzungstemperatur 14 C Grundtemperatur 10 C / Nutzungstemperatur 16 C Grundtemperatur 12 C / Nutzungstemperatur 16 C Grundtemperatur 10 C / Nutzungstemperatur 18 C Heizlast 600 kw 665 kw 870 kw 1.060 kw 930 kw 1.125 kw Wärmebedarf bei unterschiedlichen Heizstrategien, berechnet für St. Georgen, Wismar 20
Spezifischer Energieverbrauch Vergleich St. Marien und St. Georgen, Wismar 21
DBU-Forschungsvorhaben-Auswertung von Temp.-Feuchtefühler Temperaturern in C und Ventilatorstufe Calorsystem 18,00 17,50 17,00 16,50 16,00 15,50 15,00 14,50 14,00 13,50 13,00 12,50 12,00 11,50 11,00 10,50 10,00 9,50 9,00 8,50 8,00 7,50 7,00 6,50 6,00 5,50 5,00 4,50 4,00 3,50 3,00 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00 26.10.2003 00:00 26.10.2003 03:00 26.10.2003 06:00 26.10.2003 09:00 26.10.2003 12:00 26.10.2003 15:00 26.10.2003 18:00 26.10.2003 21:00 27.10.2003 00:00 27.10.2003 03:00 27.10.2003 06:00 27.10.2003 09:00 27.10.2003 12:00 27.10.2003 15:00 27.10.2003 18:00 27.10.2003 21:00 28.10.2003 00:00 28.10.2003 03:00 28.10.2003 06:00 28.10.2003 09:00 28.10.2003 12:00 28.10.2003 15:00 28.10.2003 18:00 28.10.2003 21:00 29.10.2003 00:00 29.10.2003 03:00 29.10.2003 06:00 29.10.2003 09:00 29.10.2003 12:00 29.10.2003 15:00 29.10.2003 18:00 29.10.2003 21:00 30.10.2003 00:00 30.10.2003 03:00 30.10.2003 06:00 30.10.2003 09:00 30.10.2003 12:00 30.10.2003 15:00 30.10.2003 18:00 30.10.2003 21:00 31.10.2003 00:00 31.10.2003 03:00 31.10.2003 06:00 31.10.2003 09:00 31.10.2003 12:00 31.10.2003 15:00 31.10.2003 18:00 31.10.2003 21:00 01.11.2003 00:00 01.11.2003 03:00 01.11.2003 06:00 01.11.2003 09:00 01.11.2003 12:00 01.11.2003 15:00 01.11.2003 18:00 01.11.2003 21:00 02.11.2003 00:00 T1 Nordraum T2 Nordraum Ist-Temp Soll-Temp Venti-Stufe Temperaturen in der Nordkapelle von St. Marien, Wismar 22
DBU- Forschungsprojekt- Reale Temperaturverläufe Aufheizvorgang 9.-10.12.2004 in St. Marien, Wismar 23
DBU-Forschungsprojekt -Kaltluftabfall an Fenstern Luftströmung des Kaltluftabfalls mit unterschiedlichen horizontalen Flächen zum Abbremsen der Luftströmung Freier Kaltluftabfall Fläche kleiner als Grenzschicht Fläche gleich Grenzschicht Fläche größer als Grenzschicht Grafik: Velta 2002 24
Windabweiser Versuchsanordnung St. Marien, Wismar (DBU-Projekt) Kaltluftabfall ohne Windabweiser mit Windabweisern (2,15 m Abstand) maximale Luftgeschwindigkeit entlang des Fensters 0,645 m/s 0,325 m/s mittlere Luftgeschwindigkeit entlang des Fensters 0,018 m/s 0,009 m/s 25
Klimastabilisierendes Lüften Auszug aus Abschlussbericht Prima Klima II IX. Bauliche Maßnahmen zur Energieeinsparung sind zum Teil kontraproduktiv und müssen vor Einbau überprüft werden! Durch Wärmeschutzmaßnahmen wie Vorsatzverglasungen, Windfänge und gedämmte Decken reduziert sich der natürliche Luftwechsel bzw. Luftaustausch in Kirchen erheblich. Das führt aber auch dazu, dass im Kirchenraum anfallende Feuchtelasten, wie beispielsweise aufsteigende Feuchte, nicht oder verzögert abgeführt werden. Der damit verbundene Feuchtestau kann zu Vergrauungen und anderen Schäden führen. Die Auswirkungen von baulichen Wärmeschutzmaßnahmen auf das Innenraumklima sollten deshalb grundsätzlich untersucht und bewertet werden. Quelle: Erzbischöfliches Ordinariat Freiburg (Hg.), Projektbericht Prima Klima II Richtig Lüften und Heizen in Kirchen, 2012. 26
Klimastabilisierenes Lüften Bei den Prima Klima II Kirchen ergab sich folgendes Ergebnis: 52% der Kirchen sind zu feucht 32% der Kirchen haben kein Feuchteproblem 16% der Kirchen sind zu trocken Der Begriff zu trocken bzw. zu feucht wurde dabei wie folgt definiert: Quartilswert relative Feuchte* zu feucht 97% > 75% zu trocken 3% < 40% *im ungünstigsten 2-Monats-Zeitraum Quelle: Erzbischöfliches Ordinariat Freiburg (Hg.), Projektbericht Prima Klima II Richtig Lüften und Heizen in Kirchen, 2012. 27
Klimastabilisierendes Lüften-Feinstaub und Lüftungsverhalten..auch bei derzusammensetzung der Partikel lohnt eine differenzierte Betrachtung. So finden sich beispielweise im Innenraum vermehrt Partikel, an die in hohem Maße Mikroorganismen, Endotoxine oder Allergene gebunden sind. Quelle: U. Koller, Helmholtz Zentrum München, FLUGS-Fachinformationsdienst. Feinstaub Droht Gefahr auch im Innenraum? a 28
Schimmel Schimmel am Triumphkreuz im Lübecker Dom 29
Klimastabilisierendes Lüften Lüftungsflügel, Lüfter auf dem Dachboden und Öffnung im Gewölbe, Marienkirche Büchen 30
Klimastabilisierendes Lüften Deckenlüfter und Außenfühler 31
St. Michaelis Hildesheim (Weltkulturerbe) 32
St. Michaelis Hildesheim (Weltkulturerbe) 33
Winterkirche St. Jakobi Lübeck 34
St. Marienkirche Dortmund 35
St. Marienkirche Dortmund 36
Dom zu Lübeck 37
Dom zu Lübeck Aufnahme Ist-Zustand große Besucherzahl mit häufigem Türöffnen Schmutz-/Feinstaubeintrag hohe Luftfeuchtewerte im Sommer hohe Staubbelastung führt zu Schimmelbefall Besucher Textilsegel im Ostteil als Staubfänger Sanierungsbedürftige Kanäle, verschmutzte Filtermatten hohe Austrittsgeschwindigkeiten der Warmluft Sekundärzirkulationen Zugerscheinungen Temperaturspreizung über die Höhe z.t. zu groß Konvektive Luftströmungen Staub wird verteilt Aufheizgeschwindigkeiten z.t. zu hoch Hohe Temperaturen und hohe Feuchten im Sommer Schimmelpilzbildung wird begünstigt Niedrige Feuchten im Winter Können Schäden am Inventar verursachen, z.b. Risse im Holz 38
Dom zu Lübeck Wintermessung Temperatur-Feuchte-Diagramm Ostteil 04.-21.02.2009 39
Mikrobieller Befall im Dom zu Lübeck Schimmel am Triumphkreuz Dokumentation Butt Restaurierungen 40
Dom zu Lübeck-Klimastabilisierendes Lüften Außenluftanschluss über Dachlaterne 41
Dom zu Lübeck 42
Hauptkirche St. Michaelis Hamburg 43
Hauptkirche St. Michaelis Hamburg 44
Abluftsystem Entlüftungsanlage, Schallloch, St. Michaelis Hamburg 45
St. Michaelis Hamburg vor und nach Sanierung vorher (2005/06) nachher (2008/09) Differenz Wärmeverbrauch 1.486.312 kwh 963.150 kwh - 523.162 kwh Wärmekosten brutto 73.022,03 72.653,70-368,33 Kosten pro kwh 4,91 ct/kwh 7,54 ct/kwh 2,63 ct/kwh Kosten pro m³ Raumvolumen 1,97 /m³ 1,96 /m³ - 0,01 /m³ Spezifischer Wärmeverbrauch 40 kwh/m³ 26 kwh/m³ - 14 kwh/m³ 46
Seifenblasentest 47
Zusammenfassung und Ausblick Um eine Entscheidung für das geeignete Raumklima einer (Groß-)Kirche treffen zu können sind vorbereitende, ganzjährige Messungen des Raumklimas erforderlich. Energieeinsparungen(s.Michel HH) sind möglich, können aber nicht immer das Ziel sein. Einsatz von klimastabilisierendem Lüften bringt deutliche Verbesserungen beim Raumklima. Weitere Arbeiten, auch nach den aktuellen Ergebnissen von Prima Klima II aus Freiburg, sind insbesonders: optimale Regelungsstrategien, z. B. feuchtegeregelte Grundtemperatur, Ermittlung von realen Luftwechselraten, Optimierung der Nutzung, Optimierung der Temperaturen zulässige Materialbelastungen in Abhängigkeit der Änderungsgeschwindigkeit optimieren. 48
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Ing. Rainer Heimsch Beratender Ingenieur VBI Ehnernstr. 92 26121 Oldenburg E-Mail r.heimsch@ibholb.de