2 Bauphysik - OTH Regensburg

Bauphysik
2
37. Jahrgang
April 2015, S. 96–99
ISSN 0171-5445
A 1879
Wärme | Feuchte | Schall | Brand | Licht | Energie
Sonderdruck
Evaluation der Bauteiltemperierung
für den Herzogskasten Abensberg
Maike Reuther
Oliver Steffens
Fachthemen
Maike Reuther
Oliver Steffens
DOI: 10.1002/bapi.201510010
Evaluation der Bauteiltemperierung
für den Herzogskasten Abensberg
Die These, dass die Methode der direkten Temperierung von erdberührten oder anderweitig feuchtebelasteten Bauteilen zur Beseitigung von Feuchteschäden in Bestandsgebäuden auch die
Energieeffizienz des Gebäudes erhöhen und sogar ohne weitere
energetische Sanierungsmaßnahmen die Anforderungen der
Energieeinsparverordnung (EnEV) erfüllen kann, wird anhand des
als Museum genutzten Herzogskastens in Abensberg überprüft.
In Verbindung mit einer Evaluation der Trocknungswirkung wird
die Gebäude-Energieeffizienz durch Vergleich von Bedarfsberechnungen auf Basis der DIN V 18599 mit realen Verbrauchszahlen überprüft und diskutiert.
Evaluation of component heating for the Herzogskasten monument at Abensberg. Component tempering as a means to mitigate
moisture-driven damage, i.e. direct heating of structural elements
in contact with the soil or otherwise moisture-loaded building components, could also improve the building energy efficiency and
even comply with the German Energy Saving Ordinance (EnEV),
without any further insulation measures. This hypothesis, in addition to an evaluation of the drying-off effect, is taken under closer
inspection using the Herzogskasten monument at Abensberg by
comparing calculated energy demands, based on DIN V 18599 calculations, with real energy consumption data.
z. B. vor Feuchteschäden, müssen zusätzliche Maßnahmen
ergriffen werden.
Die von Großeschmidt und der Landesstelle vorgeschlagene Temperierung soll eine Gesamtlösung mit minimalem Bedarf an Technik darstellen. Dafür werden in der
einfachsten Form ungedämmte, ganzjährig betriebene Heizrohre entlang der Sockelleisten der Außenwände verlegt.
Auf weitere Übergabemedien zur Erwärmung der Raumluft, wie beispielsweise Heizkörper, wird dabei komplett
verzichtet [1]. Dadurch kommt es nach Großeschmidt zu
mehreren Effekten: Im erdberührten Bereich verhindert
ein „Wärmestau“, der durch die ganzjährig betriebenen
Temperierrohre entsteht, kapillar aufsteigendes Wasser aus
dem Erdreich [1]. Eine alternative bauphysikalische Erklärung beruht auf dem Modell, dass eine erhöhte Mauerwerkstemperatur die aufsteigende Feuchte schneller nach
außen abtransportieren kann [2].
1 Die Temperierung
Anfang der 1980er Jahre wurde die Temperierung von
Henning Großeschmidt in Zusammenarbeit mit der Landesstelle für nichtstaatliche Museen in Bayern entwickelt.
Sie soll eine einfache und kostengünstige Lösung für die
vielen komplexen Anforderungen im musealen Sektor darstellen. Diese umfassen:
–– stabiles Raumklima in Bezug auf die vorhandene relative Feuchte,
–– akzeptable Raumlufttemperaturen für Besucher und Exponate,
–– Schutz des Gebäudes vor Feuchteschäden, wie Schimmel oder Mauersalzen,
–– möglichst geringe optische Veränderungen am Gebäude
für die Nutzung in Freilichtmuseen und Baudenkmälern,
–– Energieeinsparung.
Die klimatechnischen Anforderungen werden meist über
sehr komplexe und teure Vollklimaanlagen mit Be- und
Entfeuchtung erfüllt. Für den Schutz der Gebäudehülle,
Bild 1. Herzogskasten in Abensberg (Foto: Roelz)
Fig. 1. Herzogskasten at Abensberg (Photo: Roelz)
© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Bauphysik 37 (2015), Heft 2
08_096-099_Steffens_(010)_cs6.indd 96
3
25.03.15 10:26
M. Reuther/O. Steffens · Evaluation der Bauteiltemperierung für den Herzogskasten Abensberg
Über die direkte Beheizung der Wand erhöht sich die
Temperatur während der Heizperiode im Rohrnahbereich
auf 30 bis 40 °C. An der übrigen Wand stellt sich eine relativ konstante Temperatur zwischen 16 und 18 °C ein [1].
Grundsätzlich sind diese Temperaturen jedoch von der
vorhandenen Vorlauftemperatur abhängig. Die warme
Wand wirkt als Strahlungsheizung in den Raum und verhindert den Ausfall von Tauwasser. Außerdem verdampft
schon vorhandene Feuchte im Mauerwerk.
Die typische Wärmeleitfähigkeit für historisches Mauerwerk liegt etwa bei λ = 1,4 W/(m∙K). Großeschmidt geht
bei temperierten Wänden dagegen von λ = 0,4 W/(m∙K)
aus, ermittelt für trockenes Ziegelmauerwerk [3]. Die Trocknung verringert die Wärmeleitfähigkeit des Mauerwerks,
und man kann eine Energieeinsparung erwarten. Nach den
Aussagen von Großeschmidt ist dieser Dämmeffekt so groß,
dass auch historische Gebäude die Energieeinsparverordnung einhalten können. Diese These wird in diesem Beitrag
am Beispiel des Herzogkastens in Abensberg überprüft.
Grundtemperatur von 16 °C erreicht werden soll. Diese
wurde im Erdgeschoss, in dem sich die Touristeninformation befindet, mit einer Fußbodenheizung ergänzt. In den
darüber liegenden Geschossen wurden zusätzliche Heizkörper bzw. in den Dachgeschossen zusätzliche Temperierschleifen angeordnet. Diese können bei Bedarf zugeschaltet werden und ermöglichen eine Erhöhung der Raumlufttemperatur um bis zu 3 K.
Lediglich im historischen Aufgang des Kellergeschosses war es aus konstruktiven Gründen nicht möglich, die
Temperierung durchgängig entlang der Außenwand zu
führen. Die Folge ist ein regelmäßiges Ablösen der Wandfarbe, was alle 1,5 bis 2 Jahre ausgebessert werden muss.
Solche Maßnahmen sind im restlichen Gebäude nicht nötig.
2 Der Herzogskasten in Abensberg
Für eine Evaluation wäre es optimal, wenn zwei exakt gleiche Gebäude als Vergleichsobjekte zur Verfügung stünden,
welche mit unterschiedlichen Heizungssystemen ausgestattet sind. Alternativ wurde für den Herzogskasten Abensberg in Ermangelung eines Referenzobjekts ein rechnerischer Vergleich durchgeführt. Hierfür wurde der Nachweis
nach DIN V 18599 ausgehend von den Bestimmungen der
Energieeinsparverordnung (EnEV) 2009 schrittweise an
die Temperierungssituation und die tatsächlichen Nutzungsbedingungen angepasst. Dies umfasst die Wärmeleitfähigkeit sowie Raumtemperatur und Nutzungszeiten der Standardnutzungsprofile. Im Anschluss erfolgt ein Vergleich mit
den tatsächlichen Verbrauchsdaten.
Der erste Nachweis wurde mit λ = 1,55 W/(m∙K) für
die Außenwände und mit den Standardnutzungsprofilen
nach DIN V 18599-10 geführt. Diese Berechnung entspricht
dem Betrieb des Herzogskastens mit einer konventionellen
Konvektoren- oder Radiatorenheizung ohne zusätzliche
Maßnahmen zur Senkung der Wärmeleitfähigkeit. Hier
werden weder die Trocknung des Mauerwerks durch die
Temperierung noch die tatsächlich gewünschte Raumtemperatur, welche mit 16 °C deutlich unter dem in der DIN
V 18599 geforderten Wert von 21 °C liegt, berücksichtigt.
Ziel dieses Nachweises ist es, den Wärmebedarf festzustellen, wenn keine Sanierungsmaßnahmen für das Außenmauerwerk stattgefunden hätten. Der Betrag der Wärmeleitfähigkeit wurde Messungen entnommen, welche vor
der Sanierung gemacht wurden.
Der Herzogskasten in Abensberg ist ein mächtiger, freistehender Satteldachbau mit drei Voll- und drei Dachgeschossen sowie einem nachträglich ausgehobenen Keller, im
Herzen der Stadt Abensberg. Erbaut wurde er erstmals um
1480. In seiner heutigen Form wurde er 1597 errichtet. Er
ist in die Spätgotik eingeordnet und steht unter Denkmalschutz.
Die Grundfläche des Gebäudes ist mit circa 17 × 19 m
annähernd quadratisch. Von den 21 m Gesamthöhe entfallen gut 11 m auf den Dachstuhl, welcher in drei Dachgeschosse unterteilt ist. Das Mauerwerk besteht aus Bruchstein und verjüngt sich in die oberen Geschosse. Im Erdgeschoss kann man eine Wanddicke von bis zu 1 m messen,
im dritten Dachgeschoss beträgt sie noch 0,5 m.
Im Jahr 2000 beschloss die Stadt Abensberg, das Stadtmuseum und die Touristeninformation in den Herzogskasten umzusiedeln. Hierfür wurde in Zusammenarbeit mit
der Landesstelle für nichtstaatliche Museen ein Sanierungsund Museumskonzept entworfen, welches auch den Denkmalansprüchen gerecht wird. 2005 wurde der Herzogskasten saniert. Teil dieses Konzeptes war die feuchtetechnische Sanierung und Beheizung mittels Temperierung.
Umsetzung der Temperierung im Herzogskasten
Grundsätzlich ist eine Heizrohrschleife entlang der Außenwände aller Geschosse geführt worden, mit welcher eine
3 Evaluierung des Herzogskastens nach EnEV 2009
und DIN V 18599
3.1 Vorgehensweise
Tabelle 1. Übersicht über die Berechnungsvarianten zur Ermittlung der Wirkung der Temperierung
Table 1. Overview over different calculations for the evaluation of component tempering
Variante 1
Variante 2
Variante 3
Wärmeleitfähigkeit
λ = 1,55 W/(m K)
λ = 0,40 W/(m K)
λ = 0,40 W/(m K)
Verwendete
Nutzungsprofile
Standardnutzungsprofil
nach DIN V 18599
Standardnutzungsprofil
nach DIN V 18599
freies Nutzungsprofil
für den Herzogskasten
Gewünschtes Ziel:
Herausfinden, wie der rechnerische Bedarf des Herzogskastens
sein müsste, wenn die Temperierung keinerlei Wirkung auf das
Mauerwerk zeigt
Darstellung des Bedarfs nach
EnEV unter der Annahme, dass
die Wirkung der Temperierung so
eintritt, wie Großeschmidt es behauptet
Darstellung des Bedarfs mit Berücksichtigung der tatsächlichen
Nutzungszeiten. Vergleich mit
dem tatsächlichen Bedarf
4
Sonderdruck aus: Bauphysik 37 (2015), Heft 2
08_096-099_Steffens_(010)_cs6.indd 97
25.03.15 10:26
M. Reuther/O. Steffens · Evaluation der Bauteiltemperierung für den Herzogskasten Abensberg
Im zweiten Nachweis wird die Wirkung der Temperierung berücksichtigt, unter der Annahme einer auf λ =
0,40 W/(m∙K) herabgesetzten Wärmeleitfähigkeit. Weiterhin liegen die Standardnutzungsprofile der DIN V 18599
zugrunde, wodurch die tatsächliche Raumtemperatur wieder keine Berücksichtigung findet.
Der dritte Nachweis wird als „Freier Nachweis“ geführt. Neben λ = 0,40 W/(m∙K) für trockenes Mauerwerk
werden auch die tatsächliche Raumtemperatur von 16 °C
und die Nutzungszeiten angesetzt. Die Anpassung der Nutzungsprofile sind in der DIN V 18599 zwar möglich, für
einen EnEV-Nachweis jedoch unzulässig. Ziel des Nachweises ist es, den Bedarf des Gebäudes möglichst realistisch aus den vorherrschenden Bedingungen zu berechnen,
um das Ergebnis mit dem tatsächlichen Verbrauch zu vergleichen.
3.2 Ergebnisdarstellung
Verglichen wird der rechnerisch ermittelte Endenergiebedarf mit dem tatsächlichen Verbrauch des Herzogskastens,
gemittelt über die Jahre 2009 bis 2012. Das erste Betriebsjahr der Temperierung wurde bewusst aus der Mittelung
herausgenommen. Nach Großeschmidt muss zur Trocknung des Mauerwerks, mit welcher im Anschluss die positiven Eigenschaften der Temperierung einhergehen, die
Heizung im ersten Jahr mit voller Vorlauftemperatur betrieben werden. Dies führte im Fall des Herzogkastens zu
einer Verbrauchserhöhung von mehr als 100.000 kWh, im
Vergleich zu den Abrechnungen der folgenden Jahre. Dieser stark erhöhte Verbrauch sollte sich durch die langjährigen Einsparungen durch die Temperierung amortisieren.
Aus Bild 2 ist zu entnehmen, dass der tatsächliche
Verbrauch mit 127.955 kWh weit unter dem berechneten
Bedarf von 232.425 kWh für feuchtes Mauerwerk mit λ =
1,55 W/(m∙K) liegt. Für die Berechnung nach EnEV mit
λ = 0,40 W/(m∙K) beträgt die Abweichung des tatsäch­
lichen Verbrauchs zum berechneten Bedarf nur noch 8,4 %.
Die Berechnung kommt also dem tatsächlichen Verbrauch
sehr nahe. Dass die postulierte Trocknung des Mauerwerks
ursächlich ist für die gute Übereinstimmung und somit im
vollen Maße eintritt, kann daraus nicht direkt geschlossen
werden, weil in diesem Nachweis noch mit den Standardnutzungsprofilen der Norm gerechnet worden ist.
Für den Freien Nachweis liegt der errechnete Verbrauch mit 101.335 kWh ca. 20 % unter dem tatsächlichen
Verbrauch.
3.3 Schlussfolgerung
Aus den Bedarfsberechnungen kann man eindeutig schließen, dass es zu einer Senkung der Wärmeleitfähigkeit der
Gebäudehülle kommt. Vertraut man auf die Ergebnisse des
Freien Nachweises, der mit der Wärmeleitfähigkeit nach
Großeschmidt und den tatsächlichen Nutzungsanforderungen an den Herzogskasten gerechnet wurde, kann die
Senkung der Wärmeleitfähigkeit auf 0,40 W/(m∙K) als zu
optimistisch betrachtet werden. Der tatsächliche Verbrauch des Herzogskastens lässt sich mit angepassten Profilen und einer Wärmeleitfähigkeit von 0,68 W/(m∙K) reproduzieren. Dieser Wert liegt gut 60 % über dem von
Großeschmidt angegebenem Wert. Eine Begründung hierfür könnte darin liegen, dass Großeschmidt die Wärmeleitfähigkeit aus massivem Ziegelmauerwerk, Zement und
Sand als Grundwerkstoff ermittelt hat. Untersuchungen im
Zuge der Sanierung ergaben, dass der Herzogskasten aus
Bruchsteinmauerwerk mit nur einem geringen Anteil an
Ziegelmauerwerk besteht [4], einem Stein, der im trockenen Zustand eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Ziegelmauerwerk hat.
Anhand der im Rahmen der Arbeit geführten Berechnungen lässt sich qualitativ die Senkung der Wärmeleitfähigkeit feststellen. Dadurch kann man auch von einer
Energieeinsparung gegenüber dem vollkommen unsanierten Zustand ausgehen. Gegenüber dem EnEV-Nachweis
mit λ = 0,40 W/(m∙K) ist der tatsächliche Verbrauch geringer, da die Verordnung eine Verwendung der Standardnutzungsprofile vorsieht. Die Zieltemperatur der Verordnung
wird im Herzogkasten jedoch mit ΔT = 5 K weit unterschritten. Dies stellt die starre Einheitlichkeit der Standardnutzungsprofile in Frage, zumindest für den musealen
Sektor, da die angesetzte Raumtemperatur von 21 °C zur
Nutzungszeit in den meisten Museen aus konservatorischen Gründen nicht angestrebt wird.
Bild 2. Übersicht über die Ergebnisse aus den Berechnungen
für den Herzogs­kasten mit Bedarf des EnEV-Referenzgebäudes und dem gemittelten Verbrauch der Jahre 2009–2012
Fig. 2. Energy demand calculation results for the Herzogskasten and reference building and
the average consumption from
2009 to 2012
Bauphysik 37 (2015), Heft 2
08_096-099_Steffens_(010)_cs6.indd 98
5
25.03.15 10:26
M. Reuther/O. Steffens · Evaluation der Bauteiltemperierung für den Herzogskasten Abensberg
5 Fazit
Bild 3. Thermografie des Herzogskastens von außen; die
Lage der Temperierungrohre ist deutlich erkennbar
Fig. 3. Thermography from outside; the positions of the
­tempering pipes are clearly visible
4 Thermografien an der Außenseite der Gebäudehülle
des Herzogkasten
Großeschmidt behauptet, dass es bei Einsatz der Bauteiltemperierung zu keiner erhöhten Wärmeabgabe im Vergleich zu konventionellen Heizsystemen komme [1]. Demnach sollten die Rohrlagen auf Thermogrammen der
­Gebäudehülle nicht erkennbar sein. Die Rohre des Herzogskastens befinden sich auf Höhe der Zwischenböden,
welche am Fuß der markanten Spitzbogenfenster verlaufen.
Die aufgenommenen Thermogramme wurden am
07. 12. 2013 zwischen 08:30 Uhr und 09:30 Uhr gemacht.
Die Außenlufttemperatur lag bei –5 °C, die Temperatur im
Gebäude lag zwischen 21 °C im Erdgeschoss und 16 bis
18 °C in den Obergeschossen.
Auf den Thermogrammen (Bild 3) ist die Lage der Temperierrohre jedoch deutlich erkennbar.
Aus dem Vergleich mit benachbarten Gebäuden des
historischen Stadtkerns lässt sich feststellen, dass die Hüllflächentemperatur des Herzogskastens nicht grundsätzlich
höher liegt. Erhöhte Temperaturbereiche beschränken sich
auf die Lage der Temperierrohre.
6
Die hier dargestellten Ergebnisse führen zu dem Schluss,
dass die wesentlichen Ziele der Wärme- und Feuchtesanierung von denkmalgeschützten Gebäuden mit der Methode
der Bauteiltemperierung erreicht werden können. Der Endenergiebedarf für das Referenzgebäude auf Neubauniveau
liegt ca. 30 % unter dem tatsächlichen Bedarf. Nachdem
die EnEV – ungeachtet des speziellen Status des Herzogs­
kastens als denkmalgeschütztes Bauwerk – für Bestands­
gebäude eine Überschreitung des Primärenergiebedarfs des
Referenzgebäudes um bis zu 40 % zulässt, kann man die
energetischen Anforderungen als erfüllt betrachten.
Abschließend sei noch bemerkt, dass weder das Gebäude noch die Exponate des Museums – oben genannten
Kelleraufgang ausgenommen – Feuchteschäden aufweisen.
So ist die Bauteiltemperierung in der Verwendung als
­Museumsheizung im vorgestellten Beispiel schlussendlich
positiv zu bewerten.
Literatur
[1] Großeschmidt, H.: Das temperierte Haus: Sanierte Architektur − Behagliche Räume − „Großvitrine“. Wien, 2004 (Wissenschaftliche Reihe Schönbrunn Bd. 9), S. 325–382.
[2] Krus, M., Lilian, R.: Rechnerische Untersuchungen zur
Wandtemperierung: Feuchtetechnische und wärmetechnische
Aspekte. http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-221370.
html – Überprüfungsdatum 2013-11-30. In: IBPSA-Tagungsband Bausim 2012, Berlin, S. 46–52.
[3] Großeschmidt, H.: Das temperierte Haus: Sanierte Architektur und Großvitrine. In: Kunz-Ott, H. (Hrsg.): Aspekte der
Museumsarbeit in Bayern: Erfahrungen – Entwicklungen –
Tendenzen. München: Weltkunst-Verlag, 1996 (MuseumsBausteine Bd. 5), S. 101–116.
[4] Rind, M.: Die Baugeschichte des Herzogskasten. In: Stadt
Abensberg (Hrsg.): Herzogskasten, 2006, S. 11–14.
Autoren dieses Beitrages:
Maike Reuther, B.Eng.,
Prof. Dr. rer. nat. Oliver Steffens,
Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg (OTH),
Fak. Allgemeinwissenschaften und Mikrosystemtechnik,
Angewandte Physik/Bauphysik,
Prüfeninger Straße 58, 93049 Regensburg
Sonderdruck aus: Bauphysik 37 (2015), Heft 2
08_096-099_Steffens_(010)_cs6.indd 99
25.03.15 10:26
Ostbayerische Technische Hochschule Regensburg
Kompetenzzentrum
Nachhaltiges Bauen
Lehre. Forschung. Weiterbildung.
www.oth-regensburg.de
Technik+++Wirtschaft+++Gestaltung+++Soziales+++Gesundheit