Klimatische Probleme in historischen Bauwerken mit musealer Nutzung

House of Lords 1870
Ein Zeitdokument: House of Lords im britischen Parlament, etwa 1870 (Francis Godolphin Osbourne Stuart)

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Bereits vor 27 Jahre plädierte Günter Bredenbeck in seinem interessanten Vortrag, sich bei Lösungen im Bereich der Lüftung und Klimatisierung durchaus an Erkenntnissen zu orientieren, die teils über Jahrzehnte in Vergessenheit geraten sind. Speziell im Bereich der Museen sind das zum Beispiel angepasste Temperaturen, Luftfeuchten und die Quelllüftung.

Vorbemerkung

Das nachfolgende „historische Dokument“ ist ein Vortrag, den Dr.-Ing. Günter Bredenbeck – AIK Planungsbüro Kulturbauten GmbH, Berlin, am 22. September 1994 beim Forum „Das Museumsgebäude – Schutzhülle des Sammlungsgutes“ gehalten hat.

Zur besseren Lesbarkeit des Beitrags wurde das originale Redemanuskript für cci Wissensportal in eine Word-Datei überführt.

Dr.-Ing. Günter Bredenbeck
Dr.-Ing. Günter Bredenbeck (Abb. privat)

Der Vortrag 1994

Meine sehr verehrten Damen, meine Herren,

zu den Fragen des Klimas in Museen ist in den letzten Jahren so vieles veröffentlicht worden, so dass es eigentlich zu diesem Thema kaum wesentlich neue Aussagen geben kann. Dies gilt für Museen, die über große Anlagen der Haustechnik verfügen, als auch für Museen oder als Museum genutzte Bauten, in denen keine Haustechnik vorhanden ist.
Es geht vielmehr darum, das bekannte Wissen so für den allgemeinen Museumsgebrauch aufzubereiten und wieder zu vergegenwärtigen, dass es auch wirklich für den Schutz des Kulturgutes angewendet werden kann. Einige Beispiele aus der Lüftungstechnik mögen uns zeigen, wie schnell dokumentiertes Wissen vergessen werden kann.

1860 wird der Plenarsaal des Londoner Parlamentes mit einer Luftführung von unten nach oben über den Bodenbelag als Quelllüftung belüftet. Trotz bester Erfolge und Erfahrungen mit diesem Verfahren gerät es danach fast 120 Jahre in Vergessenheit, bis es dann 1980 für einen ähnlich Bau – den Plenarsaal des Bundestages im Wasserwerk in Bonn – wiederentdeckt wird und es 1990 auch für die Klimatisierung von Museumsbauten mit Erfolg angewendet wird.

1864 hat Pettenkofer im Zusammenhang mit seinen Forschungen um gesunde Raumzustände die bauphysikalischen Zusammenhänge der Feuchtigkeitsbewegungen in Bauwerken erkannt. Bei seinen Besuchen im Schloss Schleißheim erkennt er in der Feuchtigkeitsbewegung die Ursache für den Zerstörungsmechanismus von Firnis auf Gemälden, dokumentiert dies ausführlich: dennoch erscheinen diese Probleme noch heute manchmal nicht lösbar, und die tieferen Fragen des Raumklimas sind noch nicht allgemeiner Lehrstoff bei der Ausbildung von Museologen.

1872 wird beim Umbau des Wintertheaters in Berlin, dem heutigen Deutschen Theater, ein Theaterstuhl eingebaut, bei dem die Zuluft für den Theatersaal aus einem Druckraum unter dem Saal über die Rückenlehne des Stuhles in den Saal eingeblasen wird. In der Literatur wird dieses Verfahren als die „Scharrat’sche Porenlüftung“ dokumentiert, um dann fast 100 Jahre vergessen zu werden. 1960 wird es wiederentdeckt, verbessert und patentiert. Inzwischen wird es in vielen bekannten Einrichtungen als „Lüftung über den Klimastuhl“ eingesetzt.

1906 werden bei einer Tagung zur Belüftung großer Räume, wie zum Beispiel Theater und Versammlungsräume, kritische Auswertungen zu den möglichen Luftführungen – von unten nach oben, von oben nach unten, von oben nach oben – an ausgeführten Beispielen vorgestellt. Experimentell wird an diesen realisierten Anlagen erkannt und dokumentiert, dass mit einer Lüftung von unten nach oben bessere Ergebnisse (stabile Strömung, größere Behaglichkeit) bei geringerem Energieaufwand erreicht werden. Dennoch wird in viel zu vielen Fällen noch heute, wo auch genaustens die theoretischen Zusammenhänge dazu bekannt sind, die Luftführung von oben nach unten bevorzugt angewendet.

Diese Beispiele lassen sich sicherlich fortsetzen, deshalb bin ich schon der Auffassung, dass es hin und wieder erforderlich ist, mit dem bekannten Wissen der verschiedenen Fachdisziplinen die praktischen Anwendungen näher zu betrachten.

Allgemein hat sich inzwischen durchgesetzt, dass vor jeder Präsentation von Kunst- und Kulturgut ein Ausstellungskonzept erarbeitet werden muss, aus dem ganz klar die Standorte der Objekte, die Grenzbedingungen bzw. Bewahrungsbedingungen und die Schutzanforderungen hervorgehen müssen. Jede Präsentation setzt Licht und Besucher voraus, und dies sind die Störgrößen für die Bewahrungsbedingungen, die im Wesentlichen mit der geforderten Lufttemperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit beschrieben werden.

Die Klimaanlage wird also für die Einhaltung der Bewahrungsbedingungen des Exponates eingesetzt, weil die beiden Störgrößen der Präsentation zunächst nicht anders beeinflussbar sind und weil sie auch für die Sauerstoffversorgung der Besucher erforderlich ist.

Wenn mit einer Klimaanlage der Schutzanspruch des Exponates, also konstante Umgebungsbedingungen zu schaffen, erfüllt werden soll, muss das Exponat von dem sauberen, nach den Bedingungen des Exponates geregelten Zuluftstrom gleichmäßig und mit geringer Strömungsgeschwindigkeit umspült werden. Die erforderlichen Regelschwankungen der Zulufttemperatur müssen dabei an die zulässigen Temperaturänderungsgeschwindigkeiten des Exponates angepasst sein. Bei diesem „Luftschleier“ um das Exponat ist eine Luftführung von unten nach oben wegen des meist kürzeren Weges durch die Raumströmung günstiger als eine Luftführung von oben nach unten, bei der längere Mischungswege mit der Raumluft vorhanden sind.

Dieses System ist aber nur ausführbar, wenn entsprechende Luftauslässe um den Bereich der Exponate angeordnet werden können und im Fußboden des Raums ein entsprechender Druckraum beziehungsweise das erforderliche Luftverteilungssystem angeordnet werden kann. Als Luftauslässe kommt die zuvor schon erwähnte Quelllüftung über den Bodenbelag, gleichmäßig verteilte bodenebene Quellauslässe oder im Boden angeordnete Linearauslässe, die schon als Deckenauslässe bekannt sind, zum Einsatz.

Die Einhaltung begrenzter Geschwindigkeiten in den bodennahen Bereichen begrenzt den maximal möglichen Luftvolumenstrom und damit die Wirksamkeit des Verfahrens bei hohen Wärmelasten. Bei hohen Räumen und asymmetrischen Wärmelasten im Raum kann es zu Sekundärströmungen kommen, was die Wirksamkeit ebenfalls einschränkt. Die Anwendung des Verfahrens setzt bei historischen Gebäuden, die meist mit Gewölbedecken ausgestattet sind, Eingriffe in die Bausubstanz voraus, die aber selten realisierbar sind.

Muss auf diese gleichmäßige Verteilung der Zuluft im Raum aus denkmalpflegerischen oder aus finanziellen Gründen verzichtet werden, ergeben sich Kompromisslösungen, in deren Folge horizontale und vertikale Temperatur- und Feuchtigkeitsgradienten entstehen, die noch durch raumspezifische Bedingungen, wie zum Beispiel Fensternischen, nicht klimaanlagengerechte Verglasung, Außenwände, falsch angeordnete Messfühler und Beleuchtungselemente verstärkt werden können.

Die von der Klimaanlage geforderten Regeltoleranzen werden nur im Messbereich wirksam, im Raum hingegen treten erhebliche Abweichungen auf. Auf die Beleuchtung bezogen ergibt sich noch folgender zusätzlicher Effekt:
Vor der Öffnungszeit des Museums wird in den Ausstellungsbereichen die Beleuchtung eingeschaltet. Auf den Oberflächen aller direkt angestrahlten Exponate wird die eingestrahlte Energie in Wärme umgesetzt. Entsprechend der Farbgestaltung des Exponats setzt durch die unterschiedliche Reflexion der Strahlung auch eine unterschiedliche Oberflächenerwärmung ein. Ist eine ausreichende Temperaturerhöhung gegenüber der Umgebungstemperatur erreicht, setzt an der Oberfläche eine konvektive Strömung ein. Infolge dieser Temperaturerhöhung, die durchaus 3 K bis 8 K betragen kann, fällt an der Oberfläche des Exponats die relative Luftfeuchtigkeit um etwa 10 bis 20 % gegenüber der Raumluftfeuchte ab; das Exponat trocknet aus. Je nach Art des Exponats stellt sich nach kürzerer oder längerer Zeit ein neuer Gleichgewichtszustand mit dem Nahbereich ein, der messtechnisch nicht erfasst wird und von der Klimaanlage nicht kompensiert werden kann.

Dieser neue Gleichgewichtszustand bleibt solange erhalten, wie die Raumbelastung dem Auslegungszustand der Klimaanlage entspricht. Wird der Besucherstrom nicht der maximal möglichen Last der Anlage angepasst, so steigen bei der Überschreitung die Temperatur und die relative Luftfeuchtigkeit an. Der Gleichgewichtszustand um des Exponat wird erneut gestört. Die Oberflächentemperatur muss, um die weiterhin aufgenommene Strahlungswärme abgeben zu können, entsprechend der Erhöhung der Raumtemperatur ansteigen. Bei starkem Anstieg der Luftfeuchtigkeit beginnt die Oberfläche des Exponats aus der Raumluft Feuchtigkeit aufzunehmen. Hierbei ist die Diffusion von Schadstoffen aus der Raumluft (Öle und Säuren aus der Transpiration der Besucher) in die Oberfläche des Exponates nicht auszuschließen.

Zur Schließzeit des Museums laufen diese Vorgänge in umgekehrter Reihenfolge ab, nur die Schadstoffe verbleiben in der Oberfläche des Exponates. Wird die Beleuchtung abgeschaltet, bricht der Gleichgewichtszustand des Nahbereiches zusammen und es kommt wieder zum Temperatur- und Feuchtigkeitsausgleich mit der Umgebung.

Aus der musealen Praxis sind viele Beispiele bekannt, wo diese Wirkungsmechanismen relativ schnell erhebliche Schädigungen verursacht haben. Sie hat auch gezeigt, dass mit Klimaanlagen vertretbarer Leistungen, die unter solchen Kompromissbedingungen erstellt wurden, der Schädigungsmechanismus an den Exponaten nur begrenzt aufgehalten werden kann. Das gilt auch dann noch, wenn eine Besucherstrombegrenzung durchgesetzt werden kann und wenn die Beleuchtung ihrer Zweckbestimmung – das Exponat sichtbar zu machen -untergeordnet ist.

International wird deshalb versucht, das Exponat konsequent vom Besucher zu trennen und in Vitrinen zu präsentieren. Hierdurch ist es möglich, um das Exponat ein eigenes, durch Vorgänge im Ausstellungsraum nur wenig beeinflussbares Klima zu schaffen. Mit zielgerichteten Untersuchungen an luftdichten Vitrinenkonstruktionen, in denen die Luftfeuchtigkeit durch Salze oder Gele konstant gehalten werden kann, oder der vorgegebene Luftzustand über fahrbare Kleinstklimaanlagen periodisch neu eingestellt wird, wurde nachgewiesen, dass damit optimale Bewahrungsbedingungen gewährleistet werden können. Durch eine auf die Vitrine aufgesetzte Beleuchtungseinheit lässt sich die Schadwirkung des Lichts erheblich einschränken, wobei gleichzeitig die Sicherheitsprobleme wie Berührungsschutz und Diebstahl gelöst sind. In Einzelfällen wurde dies auch schon in großräumigen Vitrinen durchgeführt. Ein generelles museales Konzept ist es leider noch nicht, und es findet auch noch nicht die Zustimmung der Museologen.

Die Forderung nach minimalen Kosten und Energieaufwand bei der Gewährleistung optimaler Bewahrungs- und Schutzbedingungen erfordert meiner Auffassung nach die konsequentere Trennung des Exponates von den Störgrößen Licht und Besucher durch Vitrinen jeder Größe, was auch einen Glastunnel durch das schutzbedürftige Bauwerk oder die Ausstellung bedeuten könnte oder auch durch die Präsentation von Faksimile und Nachbildungen erreicht wird. In beiden Fällen kann die Anforderung an die Klimatechnik auf die für die Besucher vertretbaren Bedingungen reduziert werden. Dies alles kann für Museen und Einrichtungen dargestellt und bedacht werden, in denen Klimaanlagen vorhanden sind bzw. eingebaut werden sollen.

Was aber ist in den Einrichtungen erforderlich, die sich noch im Zustand ihrer ursprünglichen Bauausführung befinden und über keine Heizungs- und Klimaanlage verfügen, wie viele der Schlösser und Sommerresidenzen mit großflächigen, meist Einscheibenverglasungen und großer Bauwerksmasse?

In solchen Schlössern sind die zahlreichen, periodischen Feuchtigkeitseinbrüche nach kalten Winterperioden bekannt, bei denen auch das Kondenswasser von den Wänden und den an ihnen befestigten Exponaten abtropft. Um diese Vorgänge zu verstehen, muss das Temperaturverhalten und die Bauphysik dieser Bauten betrachtet werden. Diese Gebäude beginnen im Herbst dann zeitverzögert mit abnehmender Außentemperatur auszukühlen, wenn die am Tag durch die Sonne eingestrahlte Energie nicht mehr ausreicht, um die nächtliche Auskühlung und Energieabgabe auszugleichen. Dieser Vorgang verläuft um so schneller, je größer der wetterbedingte äußere Temperaturabfall, je kürzer die tägliche Sonneneinstrahlung und je klarer der nächtliche Himmel (je größer die nächtliche Ausstrahlung) ist. Die Auskühlung der inneren Bauwerksmasse folgt dabei zeitverzögert der Auskühlung des Umfassungsmauerwerkes. Bei großflächigen Anlagen folgt die Fußbodenauskühlung diesem Vorgang nur bis zu einer Gleichgewichtstemperatur, die dem Wärmeaustausch mit dem darunterliegenden Erdreich entspricht.
Bei einer Einscheibenverglasung erfolgt die Auskühlung sehr schnell und kann bei längeren Kälteperioden bis zu Temperaturen unter den Gefrierpunkt führen.

Die Feuchtigkeitsbewegung im Bauwerk wird durch die Temperaturdifferenzen und die damit verbundene Dampfdruckdifferenz bestimmt. Da zu einer geringen Temperatur physikalisch auch ein geringer Wasserdampfdruck zugeordnet ist, wird die Feuchtigkeitsbewegung immer in Richtung des Temperaturgefälles, also zur kälteren Wand gerichtet sein.

Eine besondere Bedeutung haben bei diesem Vorgang Fußböden und Wandflächen, die ohne Feuchtigkeitssperrschicht am Erdreich anliegen. Diese Flächen nehmen eine zwischen der Erdbodentemperatur und der Raumtemperatur liegende Oberflächentemperatur an. Bei Raumtemperaturen unter der angrenzenden Erdtemperatur wandert durch den Fußboden ständig Feuchtigkeit in den Raum, die wieder abgeführt werden muss oder an allen kühleren Wänden kondensiert. Die Auskühlung solcher Räume ist also solange unbedenklich, wie die innere Oberflächentemperatur der Wände über der Erdtemperatur liegt, d.h. ca. 8 °C bis 10 °C beträgt.

Dieser möglichen inneren Feuchtigkeitsbewegung ist noch der Feuchtigkeitstransport überlagert, der von den äußeren Feuchtigkeits- und Temperaturschwankungen erzeugt wird. Er ist solange in das Gebäudeinnere gerichtet, wie die Innentemperatur kleiner ist als die Außentemperatur – auch dann, wenn die äußere Luftfeuchtigkeit unter der Raumluftfeuchtigkeit liegt. Dieser Sachverhalt ist die Ursache für Kondensationserscheinungen auf den Wänden und Exponaten in solchen Gebäuden – was eigentlich seit 1864 durch Pettenkofer bekannt ist.

Diese Vorgänge lassen sich nur vermeiden, wenn die Oberflächentemperatur der Wände über der Kondensationstemperatur des zu erwartenden Außenluftzustandes nach Kälteperioden liegt. Die Wände müssen also auf etwa 10 °C temperiert werden, um größere Schäden zu vermeiden. Die weiteren Schutzmaßnahmen gegen die Auskühlung bestehen bei Gebäuden ohne winterliche Nutzung auch heute noch in der alten Art unserer Vorfahren – Isolierung der Fenster mit Fensterläden (die früher auch meist vorhanden waren) modernerer Bauart, also dicht schließend und besserer Isolierung durch andere Baustoffe.

Heute bekannte Möglichkeiten der Gebäudetemperierung durch Temperierung der Wärmebedarfsflächen über sogenannte Kapillarrohrmatten oder nur die Temperierung kritischer Bereiche der Wandflächen können jedoch nur eingesetzt werden, wenn das Bauwerk instandgesetzt werden muss, da diese Matten in den Putz der Wandflächen eingelegt werden. Der regelungstechnische Aufwand entspricht dabei dem einer Fußbodenheizung mit verschiedenen Heizkreisen.

Ich hatte zuvor auf raumspezifische Bedingungen wie Fensternischen, nicht-Klimaanlagen-gerechte Fenster (Einscheibenverglasung) und Außenwände verwiesen: hier sind eigentlich die gleichen Zusammenhänge – Temperaturdifferenzen – die Ursache für die vielfach bekannten und in der Literatur beschriebenen Erscheinungen – also eine lokale Abkühlung und damit ein Feuchtigkeitsanstieg in diesem Bereich.

Bei Gemälden, die bündig an einer Außenwand angeordnet sind, kommt noch hinzu, dass sie als innenliegende Isolierung wirken. Sie behindern die Wärmeversorgung der Außenwand, die dadurch weiter auskühlt als die angerenzenden Außenwandflächen und durch Strahlungsaustausch auch die Leinwand bis unter die Kondensationstemperatur abkühlen kann. Das kann nicht nur zur Feuchtigkeitsanreicherung hinter dem Gemälde führen, sondern auch zur Kondensation auf der Raumseite der Leinwand.
An der Außenwand angeordnete Exponate müssen also mit ausreichendem Wandabstand angeordnet werden. Das sind bei kleineren Gemälden 5 bis 8 cm, bei größeren Gemälden sollten es 12 bis 15 cm sein.

Ich hoffe, mit meinem Beitrag etwas zum Verständnis der Probleme beigetragen zu haben.

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