Temperierung historischer Gebäude nach dem Verfahren des Bayerischen Landesamtes für Denkmalpflege

Inhaltsverzeichnis

1. Einführung

2. Begriffsbestimmung

3. Entwicklungsgeschichte der Temperierung

4. Aufbau von Temperieranlagen

5. Wärmetechnische Dimensionierung einer Temperieranlage

6. Wirkungsweise der Temperierung nach dem BLfD

7. Wertung der Temperierung in der Fachwelt
7.1 Verhinderung von Feuchteschäden
7.2 Energieeinsparung durch Temperierung
7.3 Inaktivierung von Schadsalzen
7.4 Thermische Behaglichkeit
7.5 Raumklimatische Nebeneffekte

8. Zusammenfassung

9. Literaturverzeichnis (inklusive weiterführender Literatur)

1 Einführung

Das Bayerische Landesamt für Denkmalpflege^[1] (BLfD), als Entwickler der Temperierung, eines Verfahrens, das durch Erwärmung der Gebäudehülle die bauphysikalischen, raumklimatischen sowie die physiologischen Bedingungen in einem Gebäude optimieren soll, sowie Befürworter dieser Methode versprechen einen umfassenden Gebäudeschutz, der mit einer Energieeinsparung verbunden ist.

In der Literatur finden sich allerdings auch gegensätzliche Meinungen^[2], die die Temperierung allein zur Behebung lokaler Schadstellen und als Raumheizung nur in Verbindung mit einem erhöhten Energieaufwand sehen. Offenkundig ist die Debatte zwischen Vertretern und Kritikern der Temperierung kontrovers, die Begriffsklärung im Einzelnen schwierig und interessenabhängig. Die Diskussion zum Thema Temperierung zeigt, dass trotz zahlreicher realisierter Projekte in historischen Gebäuden Unklarheiten zu den Einsatzgrenzen der Temperierung nach wie vor bestehen. Selbst bei 25-jähriger Praxiserfahrung ist es bis heute nicht gelungen, eine Vereinheitlichung sowohl für den Begriff als auch für den Gegenstand Temperierung zu erarbeiten. Daher will die vorliegende Arbeit versuchen, zur Klärung offener Fragen in diesem Zusammenhang beizutragen, indem sie eine Ebene schafft, die es ermöglicht, die Begrifflichkeiten zum Thema Temperierung und deren Einsatzmöglichkeiten diskutieren zu können.

Die Arbeit macht es sich daher zur Aufgabe, den aktuellen wissenschaftlich-technischen Forschungsstand des vom BLfD entwickelten Verfahrens und dessen Bewertung in der Fachwelt vorzustellen.

2. Begriffsbestimmung

Zu den wichtigsten Vorteilen der Temperierung nach Vorgaben des BLfD gehört die Beseitigung von Feuchte im Wandinneren und an der Wandoberfläche. Die Feuchtebelastung einer Wand kann durch verschiedene Faktoren entstehen [Bild 1]:

- Belastung durch Schlagregen
- aufsteigende Feuchte
- hygroskopische Feuchte
- Kondensation.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 1: Unterschiedliche Feuchtebelastungen einer Außenwand (Quelle: Rahn, 2001)

Aufsteigende Feuchte dringt durch anstehendes Wasser in bodenberührte Bauteile ein und steigt durch das kapillare Verhalten des Baustoffes in ihm auf. [Vgl. Arendt, 2003, S. 136]

Mit hygroskopischer Feuchte wird die Eigenschaft einiger Salze bezeichnet, dampfförmiges Wasser aus der umgebenden Luft aufzunehmen, im Baustoff zu speichern und in Abhängigkeit mit der relativen Raumluftfeuchte wieder abzugeben. Die eintretende Materialfeuchte wird auch Gleichgewichtsfeuchte genannt. Aufsteigende Feuchte kann durch hygroskopische Feuchte unterstützt werden und am Bauwerk Höhen erreichen, die durch reine Kapillarkräfte nie erzielt werden könnten. [Vgl. Arendt, 2003, S. 136]

Bei Belastung durch Schlagregen werden auch höher gelegene Wandbereiche mit Feuchtigkeit belastet, trocknen aber gewöhnlich schnell wieder aus. Eine wirkliche Schädigung der Bausubstanz tritt nur ein, wenn ein zu großes Saugverhalten der Wandoberfläche oder eine Behinderung der Feuchteabgabe vorliegt. Ein weiteres Schadensbild zeigt sich bei sauren Regen vor allem an Natursteinfassaden. [Vgl. Arendt, 2003, S. 136]

Bei Kondensation fällt bei Unterschreitung der Taupunkttemperatur Feuchte auf einer Bauteiloberfläche aus. Hierbei ist zwischen Winterkondensation und Sommerkondensation zu unterscheiden. Winterkondensation tritt dort auf, wo dünne oder stark wärmeleitende Außenwandkonstruktionen eine niedrige Temperatur der Außenmauerinnenseite bewirken. Sommerkondensation entsteht an Stellen, wo große Baumassen (Kirchen, Burgen) tiefe Temperaturen weit in wärmere Witterungsperioden hinein speichern. [Vgl. Arendt, 2003, S. 136]

Unter absoluter Luftfeuchte ^[3] c [(g/m³)] versteht man die auf das Luftvolumen V bezogene Wasserdampfmenge m, das heißt, die tatsächliche Wasserdampfkonzentration in der Luft.

Die relative Luftfeuchtigkeit φ [(%)] ist das Verhältnis von tatsächlich herrschendem Wasserdampfpartialdruck pD (Partialdruck des Wassers) zu dem bei der Lufttemperatur maximal möglichen Sättigungsdampfdruck pS. [Hohmann/Setzer, 1997, S. F115]

Bild 2 verdeutlicht, dass bei gleicher relativer Luftfeuchte kühlere Luft stets trockener ist als wärmere Luft. Dadurch steigt die relative Luftfeuchte beim Abkühlen stetig an. Erreicht die relative Luftfeuchte einen Wert von φ = 100%, nennt man die dazugehörige Temperatur Taupunkttemperatur. Unterschreitet die Innenoberflächentemperatur eines Bauteils die Taupunkttemperatur der Raumluft, so fällt an dieser kühleren Oberfläche Tauwasser aus. Um Tauwasserausfall zu vermeiden, ist es notwendig, dass die raumseitige Bauteiloberfläche eine höhere Temperatur aufweist als die Taupunkttemperatur der Raumluft. [Vgl. Rahn, 2002, S. 75 ff]

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Bild 2: Zusammenhang zwischen Taupunkttemperatur und der Raulufttemperatur in unterschiedlich beheizten Kirchen (Quelle: Künzel, 2005)

Neben der Wechselwirkung von Feuchte und Temperatur spielen auch baustoffliche Eigenschaften eine wesentliche Rolle, Feuchtigkeit aufzunehmen und abzugeben. In oberflächennahen Bereichen eines Baustoffes kann es in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte zu einer Anlagerung von Wassermolekülen (Adsorption) kommen. Im Inneren eines Baustoffes nennt man dies Kapillarkondensation. Adsorption und Kapillarkondensation werden unter dem Begriff der Sorption zusammengefasst. Das Sorptionsverhalten eines Baustoffes ist von großer Bedeutung und gibt Auskunft darüber, in welcher Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchte ein Baustoff Feuchte aufnehmen (Absorption) und wieder abgeben (Desorption) kann. [Vgl. Rahn, 2002, S. 75 ff] In Bild 3 ist das Sorptionsverhalten verschiedener Wandoberflächen zu erkennen. Deutlich wird, dass der Desorptionvorgang länger dauert als die Absorption. [Vgl. Künzel, 2005(a)]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Bild 3: Sorptionsverhalten verschiedener Wandoberflächen in Abhängigkeit zur Zeit (Quelle: Künzel, 2005)

Einen weiteren wichtigen Aspekt beim Thema Raumklima stellt die Behaglichkeit dar. Darunter versteht man das Wohlbefinden eines Menschen – bedingt durch äußere Einflüsse in seiner Umgebung. Sie stellt sich bei einem thermischen Gleichgewicht von Körperwärme und Umgebung ein. So wird bei durchschnittlicher Bekleidung, geringer Luftbewegung und bei mäßig körperlicher Arbeit eine gleichmäßige Temperatur von Raumluft und raumumschließenden Wänden von +20°C bis ca. +25°C als behaglich empfunden. Dieses Verhältnis von Raumluft und raumumschließenden Wänden wird in Bild 4 dargestellt. [Vgl. Kochkine, 2004, S. 3]

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Bild 4: Verhältnis von Raumluft und raumumschließenden Wänden für die Behaglichkeit (Quelle: Kochkine, 2004)

Der Wert „Behaglichkeit“ schwankt hinsichtlich seiner Ausprägung, da er je nach Gebäudeart eine unterschiedliche Gewichtung erfährt. So ist in einen Wohnraum die thermische Behaglichkeit von höherem Stellenwert als in zeitlich begrenzt benutzten Gebäuden (u.a. Kirchen, Museen).

In der Fachliteratur versteht man unter Temperierung ein alternatives Wandheizsystem, bei dem der Wärmebedarf der einzelnen Wärmeverlustflächen (Außenbauteile und erdeberührende Bauteile eines Gebäudes) ständig und direkt an ihnen selbst gedeckt wird. Diese, auf das ganze Gebäude zielende Heizmethode, bietet den Vorteil, die bauphysikalischen, raumklimatischen sowie physiologischen Bedingungen in einem Gebäude zu optimieren.

Bei der Bauteiltemperierung wird im Gegensatz zur Temperierung nicht das gesamte Gebäude in die Betrachtung einbezogen, sondern nur einzelne Schadstellen. Somit wird sie vorrangig zur Verhinderung lokaler Bauschäden durch Tauwasser oder Sommerkondensat eingesetzt.

In der vorliegenden Arbeit versteht man unter Temperieranlage/Temperiersystem die Installation eines Wärmeträgers (warmwasserführendes Rohr, Heizkabel), der sich an der raumseitigen Oberfläche von Außen- bzw. Innenwänden befindet. Dieser Wärmeträger kann unter oder auf Putz verlegt werden.

3. Entwicklungsgeschichte der Temperierung

Das BLfD versteht unter Temperierung eine universelle Form der Wandheizung [Vgl. Großeschmidt, 2004, S. 342], daher bietet es sich an, die Entwicklungsgeschichte der Wandheizung im Folgenden kurz darzulegen.

Die Geschichte der Strahlungsheizung und im Speziellen der Wandflächenheizung ist von Strähle [Vgl. Strähle, 1987] ausführlich dargelegt worden. Als historische Beispiele führt er die römische Hypokaustenheizung, die chinesische Tong – Kang – Heizung sowie die mittelalterliche Steinofenheizung an. Des Weiteren zeigt Strähle auf, dass die Idee, in Außenwänden Warmwasser – Heizungsrohre zu integrieren, bereits um 1909 in Großbritannien [Bild 5] und um 1928 in Deutschland aufkam und durch Patente gesichert wurde.

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Bild 5: Brüstungsheizfläche nach einem britischen Patent von 1909 ((Quelle : Strähle , 1987))

Zwischen 1930 und 1942 sind in Deutschland weitere Verbesserungen von Strahlungsheizsystemen patentiert worden. Nach dem Zweiten Weltkrieg versuchte man beim Wiederaufbau, aufgrund gesteigerter Nachfrage die Strahlungsheizung im industriellen Bauen (hier vor allem für großformatige Bauteile des Wohnungs- und Bürobaus) einzusetzen.

Die Wandheizungssysteme der heutigen Zeit entstanden aus technischen Komponenten der Fußbodenheizung und basieren auf deren Vorgaben und Normen. In den letzten Jahrzehnten bildeten sich unterschiedliche technische Varianten von Wandheizungssystemen heraus. Dazu zählen u.a. Kapillarrohrmatten, Wandheizregister, Systeme mit Vorsatzschalen sowie Randleistenheizungen.

Ebenfalls zu Systemen, die die Wandfläche zur Erwärmung von Räumen benutzen, gehört das Temperiersystem, welches in den 1980er Jahren vom BLfD und freiberuflichen Fachkräften entwickelt worden ist. Im Gegensatz zu Wandheizsystemen, die nur einzelne Wandflächen einbeziehen, betrachtet die Temperierung das Gesamtgebäude. Vorrangiges Ziel der Temperierung ist es, auftretende klimatische Probleme in Museumsbauten und Magazinen zu entschärfen oder ganz zu beseitigen. Probleme stellen u.a. die starke Staubumwälzung durch Luftheizungen und die dadurch erfolgte Verschmutzung der Exponate und Hüllflächen dar. Außerdem zählen andererseits dazu die großen Temperaturunterschiede des Heizmediums Luft und der kalten Wand sowie die daraus resultierenden Probleme eines großen Befeuchtungsbedarfs, einer Kurzzeitschwankung des Raumklimas und Kondensats. [Vgl. Großeschmidt, 1996(a), S. 103]

Die Entwicklung der Temperierung nach Vorgaben des BLfD lässt sich anhand von zwei Schritten darstellen. Das erste Temperiersystem bestand entweder aus einer Wandschale oder einer Wand – Boden – Schale. Diese sind zum Beispiel 1982 im Stadtmuseum Starnberg [Vgl. Großeschmidt, 1992(b), S. 12] und 1987 im Heimatmuseum Schwandorf [Vgl. Micus, 1992] eingebaut worden. Wie im Bild 6 zu erkennen ist, sind diese Schalen Vorsatzwände, die im Kern eine luftdurchströmende Schicht aus Wellplatten aufweisen. In jenen Schalen befinden sich im Sockelbereich Heizrohre, die die Luft zwischen den Wellplatten erwärmen. Anschließend steigt die warme Luft in der Schale nach oben und gibt durch Strahlung die Wärme in den Raum ab.

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Bild 6: Wand-Boden-Temperierung durch Schalensystem (Quelle: Großeschmidt, 1992(b))

Über die technischen Parameter existieren wenig genaue Angaben, da diese Form der Temperierung schon seit Anfang der 1990er Jahre von dem BLfD nicht mehr empfohlen wird. In einer Veröffentlichung zur Wandtemperierung im Heimatmuseum Schwandorf wurden denkmalpflegerische Probleme dieser Schalensysteme deutlich [Vgl. Micus, 1992, S. 166]. Am beschriebenen Objekt hat man an die Innenseiten der historischen Außenwände eine Wandschale von 10 cm Stärke gesetzt, was zu einer Stufenbildung unterhalb der Stuckdecke führte. Hier werden die Mängel dieses Systems offensichtlich: In historischen Gebäuden stellen sie einen erheblichen Eingriff in das überlieferte Erscheinungsbild dar und ziehen bauliche Maßnahmen nach sich. Dadurch beschränkt sich der Einsatz der Wandschalentemperierung auf den Neubau oder historische Gebäude ohne restauratorische Befunde.

Durch den Wegfall allen „unnützen Ballastes“ [Großeschmidt, 1996(b), S. 9] und die Weiterentwicklung der Temperieranlagen mittels empirischer Vorgehensweise [Vgl. Großeschmidt, 2004, S. 328], kam es zum zweiten Entwicklungsschritt beim BLfD, der „Minimalanlage“. Dieser Erkenntnisgewinn entstand auf der Basis, dass man nunmehr sowohl positive Erkenntnisse als auch aufgetretene Fehler oder Mängel an betriebenen Temperieranlagen in die Entwicklung einbezog. Allerdings fehlt eine detaillierte Beschreibung der empirischen Vorgehensweise, da technische und konstruktive Schwächen installierter Temperieranlagen keine Erwähnung finden. Vielmehr werden in allen Veröffentlichungen des BLfD und anderen Befürwortern der Temperierung allein die positiven Effekte bei mehreren hundert Temperieranlagen, darunter in Deutschland, Österreich, Schweiz, Slowenien, Schweden und Italien, hervorgehoben [Vgl. Großeschmidt, 2004, S. 334].

Bei dieser entwickelten Minimalanlage werden die Heizrohre unter Putz oder direkt auf der Wand verlegt. Von Befürwortern wird dies als Vorteil angeführt so dass der Einsatz der Temperieranlagen in allen Arten von Bauwerken, insbesondere in historischen, ermöglicht wurde. Aber es zeigen sich auch Grenzen im Einsatz, wie beispielsweise bei Bauwerken mit hohem Substanzschutz an den Wänden, z.B. Fresken und Bemalungen.

Je nach Raumgröße, Raumart, Fensterflächen oder Anforderungen an die Strahlungswärme ist es möglich, mehrere Temperierschleifen im Mauerwerk zu verlegen. In die Fensterleibungen können Rohrschleifen eingebaut werden, um Kältebrücken zu entschärfen. Die möglichen Ausführungsformen einer Minimalanlage werden im Kapitel 5 näher vorgestellt. Zu den ersten dieser Anlagen gehören die Fundamentbeheizung des Rathauses in Tittmoning (1992) [siehe Anlage 3] sowie die Temperieranlage in der Kirche St. Georg in Obertraublingen (1993). [Vgl. Großeschmidt, 1996(a), S. 104] Seitdem ist die Temperierung in vielen Alt- und Neubauten, Baudenkmälern, Kirchen, Exponatgebäuden in Freilichtmuseen, Bergkellern und behausten archäologischen Ausgrabungen eingebaut worden.

4. Aufbau von Temperieranlagen

Da man mit unterschiedlichen Ausführungsformen der Temperieranlage unterschiedliche Wirkungen erzielen kann, die von einer Trockenlegung des Mauerwerkes, über eine Grundtemperierung einzelner Räume bis hin zu einer Raumtemperatur für Wohnzwecke reicht, muss man dies auch beim Einbau beachten. Des Weiteren ist auf den baulichen Unterschied zwischen einer Temperierung der Gesamtgebäudehülle und einer Bauteiltemperierung für einzelne Bauteilbereiche zu achten. In diesem Abschnitt soll der Aufbau sowie der bauliche Unterschied der beiden Systeme knapp dargelegt werden. Sehr ausführliche Angaben zur Rohrmontage eine Temperieranlage finden sich in der aktuellen Veröffentlichung des BLfD. [Vgl. Großeschmidt, 2004, S. 358 ff]

Bei der Temperierung nach Vorgaben des BLfD wird das gesamte Gebäude in die Betrachtungen einbezogen. Ziel ist es, mittels Temperierung die Temperatur der Wandoberflächen zu erhöhen, nicht die der Raumluft. Nach diesen Vorgaben müssen alle Bauteile mit einem Wärmebedarf von Rohren im Sockelbereich umfahren werden. Diese Bauteile werden zusätzlich unterschieden zwischen Bauteilen mit einem ganzjährigen Wärmebedarf, wie sie Fundamente, erdberührende Außenwände, Innenwände über nicht beheizten Kellerräumen darstellen und Bauteilen mit einem Wärmebedarf während der Heizperiode. Dies sind Außenwände und Fensterleibungen mit Außenluftberührung. Bei einem höheren Wärmebedarf, wie ihn der Wohnfall darstellt, können auch alle Innenwände mit einer Rohrführung versehen und in Brüstungshöhe eine weitere Rohrschleife verlegt werden. Einige Varianten für die Möglichkeiten der Rohverlegung sind im Bild 7 dargestellt. Die Rohre kann man entweder unter oder direkt auf dem Putz befestigen. Bei der Unterputzmontage sollten sie maximal 1,50 cm ± 0,5 cm tief eingeputzt werden, da die Wärmestrahlung zu tief eingeputzter Rohre sehr stark gemindert wird. [Vgl. Großeschmidt, 2004, S. 357]

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a) b) c)

Bild 7: Verlegemöglichkeiten der Temperierleitungen der Minimalvariante:

a) ein Heizkreis mit nur Vorlaufrohrleitung am Wandsockel,

b) ein Heizkreis mit Vor- und Rücklaufrohrleitung am Wandsockel,

c) zwei Heizkreise mit Vor- und Rücklaufrohrleitung am Wandsockel und in

Brüstungsebene (Quelle: nach EURA – Ingenieure, 2005)

Bei der Aufputzmontage muss man die Rohre direkt auf dem Putz befestigen, da sonst ein großer Teil der Heizleistung an die Raumluft abgeführt wird. Des Weiteren sollten Rohre bei der Aufputzmontage für eine bessere Wärmeabstrahlung angestrichen werden. [Vgl. Großeschmidt, 2004, S. 357] Für die Rohre haben sich blanke Kupferrohre, schutzummantelte Kupferrohre, aber auch Kunststoffrohre als Material bewährt. Ebenso nutzt man Heizkabel für die Wärmeabgabe. Die Innenseiten des Außenmauerwerks müssen eine homogene Oberfläche besitzen um keinen Abriss der aufwärts gerichteten Warmluftströmung herbeizuführen. Dies bedeutet, dass die Wandoberfläche keine größeren Poren oder sichtbare Fugen aufweisen darf. [Vgl. Großeschmidt, 2004, S. 328]

Da in der Regel die Verlegung der Rohre unter Putz erfolgt und dadurch Schlitze durch Fräsen geschaffen werden müssen, sind statisch – konstruktive Aspekte zu beachten. Die erlaubte Schlitztiefe ist nach DIN 1053 zu ermitteln und einzuhalten.

Bei der Bauteiltemperierung wird im Gegensatz zur Temperierung nicht das ganze Gebäude betrachtet, sondern nur einzelne Schadstellen, wie z.B. Tauwasserschäden am Wandsockel und Wärmebrücken. Hier reicht oft schon ein Heizkabel von wenigen Metern Länge, um diese Feuchteschäden zu beseitigen und dauerhaft zu verhindern. Auf die Bauteiltemperierung wird hier nicht weiter eingegangen, da das BLfD diesen Begriff nicht verwendet und Auswirkungen einer Temperierung auf einzelne Bauteile nicht benennt.

[...]

^[1] Von 1978 bis 1990 dem Bayerischen Nationalmuseum und anschließend dem Bayerischen Landesamt für Denkmalschutz unterstellt.

^[2] Diese Meinung vertreten u.a.: Seele, Eicke – Hennig, Arendt, Freytag, Gronau.

^[3] Die absolute Luftfeuchte wird auch als Wasserdampfkonzentration oder Wasserdampfdichte bezeichnet. [Vgl. Hohmann, Setzer, 1997, S. F1215]