Hohe Besucherzahl erfordert Klimatisierung

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• Nach der Weihe der Frauenkirche Dresden lag die Besucherzahl um den Faktor 4 über den Vorgaben für die Konzeption und Auslegung der TGA.
• Ursprünglich realisiert wurde für den Kirchenraum eine Warmluftheizung mit zwei RLT-Geräten mit jeweils 20 000 m³/h Luftleistung. Mit der speziell für historische Kirchen entwickelten Luftführung konnte trotz 37 m Raumhöhe ein Temperaturgradient von nahezu Null erreicht werden.
• Durch den Besucherandrang musste eine Klimatisierung nachgerüstet werden, was durch in die RLT-Geräte eingeplante Leerteile mit geringem Umbauaufwand möglich war.

Die Gesamtfläche der Frauenkirche Dresden, einschließlich Nebenräume und Treppenhäuser, beträgt 1137 m². Davon sind 752 m² dem Kirchenraum im Erdgeschoss zuzuordnen. Folgende Raumvolumina wurden ermittelt:

• Kirchenraum: 25 300 m³
• Nebenräume: 3150 m³
• Treppenhäuser: 3900 m³
• Obere Kuppel 7800 m³
• Gesamtvolumen: ca. 40 000 m³

Ursprünglich wurde im Rahmen eines bauphysikalischen Gutachtens eine maximale Belegung von 1800 Personen abgeschätzt – bei im Mittel gleichzeitig anwesenden Personen von nP = 50 (unterer Wert) bis nP = 150 (oberer Wert) bezogen auf den 24-h-Tag. Tatsächlich lagen die Werte in den ersten beiden Jahren bei einer Anwesenheitszeit von 1,5 h und 8000 bis 12 000 Personen täglich bei 400 bis 600 und damit um den Faktor 4 höher – bei allen Berechnungen wurde aber nicht mit einer so hohen Besucherzahl gerechnet.

Wärmebedarf

Die Grundlage zur Planung einer Heizungsanlage für denkmalgeschützte (historische) Kirchengebäude ist die Berechnung des Wärmebedarfs, der in Anlehnung an DIN 4701 Abschnitt 7.1 „Wärmebedarf selten beheizter Räume schwerer Bauart“ (herausgegeben 1983, zurückgezogen) bei einer Normaußentemperatur von – 16 °C und einer Rauminnentemperatur von + 16 °C ermittelt wurde. Inzwischen wird die Frauenkirche jedoch im Winter durchgehend mit 18 °C beheizt. Auslegungsdaten:

• Kirchenraum und Obere Kuppel: 16 °C
• Grundtemperatur: 8 °C
• bei Konzerten und Veranstaltungen: 18 bis 20 °C
• Aufheizgeschwindigkeit: 1 K/h
• ständig genutzte Räume: 20 °C
• Nebenräume: 16 °C
• Treppenhäuser: 10 °C
• U-Wert Fenster: 2,5 W/(m²  K)
• Anheizwiderstand der Außenwände: 0,25 (m²  K)/W

Der Lüftungswärmebedarf wurde bei einer Außenluftrate von 50 % ermittelt bzw. ergibt sich mit der Annahme, dass bei Normaußentemperatur die Mindestluftrate mit etwa 10 m³/h Person angesetzt wurde. Mit den getroffenen Annahmen wurde der gesamte Wärmebedarf mit 1040 kW berechnet. Durch die deutlich höhere Personenzahl seit der Weihe ergibt sich gegenüber der ursprünglichen Auslegung eine Reserve beim Wärmebedarf.

Heizungskonzept

Als Energieträger steht Fernwärme mit indirekter Einspeisung über einen Platten-Wärmeübertrager zur Verfügung. Zur Einhaltung der Randbedingungen zur schonenden Beheizung des Kirchenraums wurde eine Warmluftheizung mit einem Luftvolumenstrom von 2 × 20 000 m³/h Abb. 3 und einer Heizleistung von 568 kW geplant, einschließlich Wärmerückgewinnung, Dampfluftbefeuchtung und einer hocheffizienten Filteranlage. Die Mantelräume und die vier großen Treppenhäuser werden über statische Heizflächen beheizt bzw. temperiert. Acht dezentrale Wärmestationen beheizen die obere Kuppel.

Die Warmluftheizung wird aus Gründen der Energieeinsparung vorzugsweise als Umluftheizung betrieben. Die Beimischung von Außenluft mit einem Anteil von 0 bis 100 % wird zur Einhaltung der Luftqualität über CO₂-Sensoren automatisch nach dem tatsächlichen Bedarf geregelt.

Für die Warmlufteinbringung ist neben zwei Zuluftgittern im Altarbereich im runden Kirchenraum ein 68 m langes Band mit achtreihigen Kugeldüsen unterhalb der Betstubendecke in einer Höhe von 4 m vorhanden, sodass die Warmluft gleichmäßig und zugfrei eingeblasen wird Abb. 4. Die Abluft wird großflächig zentral in der Chorschranke vor dem Altarraum und unter den seitlichen Treppenstufen abgesaugt. Außenwandflächen sind ab dem Betstubengeschoss (1. OG) vorhanden, einschließlich großer Fensterflächen.

Das beschriebene Heizungskonzept hat sich als die optimale Lösung aller anstehenden Anforderungen an die Beheizung in der Frauenkirche bewährt und hat alle Bewertungskriterien erfüllt.

Die Kälte- und Klimatechnik

Eine Kühlung bzw. Klimatisierung der Kirche war nach den Vorgaben des Bauherrn bzw. Bauphysikers [1] ursprünglich nicht vorgesehen. Um die Option zum nachträglichen Einbau einer Kälteanlage zur Klimatisierung des Hauptkirchenraums zu ermöglichen, wurden aber bereits 1993 Leergehäuse zum späteren Einbau von Direktverdampfern und Kondensatoren eingeplant. Eine Ausstattung der RLT-Warmluftzentrale mit einer Klima-Kälteanlage wurde aufgrund der Vorgaben des Bauphysikers aber nicht realisiert.

Nachdem jedoch die Besucherzahlen seit der Weihe der Kirche bei 8000 bis 12 000 Personen täglich lagen und zusätzlich durch die künstliche (Beleuchtung und Verstärkeranlagen bei Konzerten) und natürliche (Fenster) Erwärmung die Innentemperatur in den Sommermonaten bis auf 35 °C anstieg, konnte diese Situation auf Dauer nicht akzeptiert werden. Die hohen Innentemperaturen im Sommer konnten auch nicht mit einer direkten nächtlichen Freikühlung behoben werden.

Ende 2006 wurde das für die Kirchenheizung verantwortliche Ingenieurbüro Breiden mit der Planung zur Nachrüstung der Klima-/Kälteanlage beauftragt. Der Einbau erfolgte 2007.

Kühllast

Aufgrund der hohen Personenzahl, die unablässig täglich in die Frauenkirche strömt, sind neben der Kühlung die Feuchtelast und die Luftqualität zu beachten. Zur Einhaltung der Luftqualität auf einen maximalen CO₂-Gehalt von 800 ppm ist eine hohe Luftrate von etwa 15 m³/(h  Pers) erforderlich. Als Grenzwerte zur Auslegung der Klimaanlage wurden folgend aufgeführte Randbedingungen vorgegeben:

Luftleistung: 2  20 000 m³/h

Außenluftrate: 100 %

Außenluft Sommerfall: 33 °C, 40 % r. F.

maximale Innentemperatur: 26 °C

maximale Feuchte: 55 % r. F.

maximale Personenzahl (gleichzeitig): 1800 Personen

Personenzahl pro Tag: 10 000 Personen

mittlere Personenzahl in 12 h: 1250 Pers/h

mittlere Personenzahl in 24 h: 625 Pers/h

Wärmeabgabe trocken und Feuchtelast: 80 W/Pers, 40 W/Pers

Feuchteabgabe: 40 g/(h  Pers)

Laut der Grundlagenermittlung von Dr. Karl Petzhold [1, 2] war im Rahmen der raumklimatischen Berechnungen eine mittlere Personenzahl von minimal 50 bis maximal 150 Pers/(24  h) zugrunde gelegt worden. Dies bedeutet, dass die Personenzahl nach der Weihe um das 4- bis 5-fache über den ursprünglich angenommenen Maximalzahlen lagen und nun zu berücksichtigen waren. Die Kühllast errechnet sich mit den angenommenen Randbedingungen wie folgt:

Kühllast durch Personen: 150 kW

Außenfenster und Fremdwärme: 30 kW

Ventilator: 2 × 11 kW = 22 kW

Außenluft (100 %): 100 kW

Anlagentechnik

Für die RLT-Geräte mit 2 × 20 000 m³/h Luftleistung wurden bereits in der Planungsphase Leerteile für Direktverdampfer im Zuluftstrom und Kondensatoren in der Fortluft vorgesehen, sodass die Nachrüstung der Kühlung ohne Umbau der Lüftungsgeräte und ohne erheblichen zusätzlichen Kostenaufwand möglich war. Zur Verteilung der klimatisierten Zuluft dienen die vorhandenen Zuluftauslässe, insbesondere die achtreihigen Kugeldüsenauslässe unter der Betstubenempore.

Das Konzept basiert auf dem Einsatz von Direktverdampfern mit Kälteerzeugung in der Zuluft und Kondensator in der Fortluft. Dabei handelt es sich um eine geschlossene Kälteanlage, bestehend aus Kälteerzeuger, Regelventil, Direktverdampfer, Kondensator und Rohrleitungen. Die Wärmeübertrager sind im Luftstrom der vorhandenen RLT-Geräte untergebracht Abb. 5. Als Kältemittel wird R-134a verwendet. Für die Außenluft- und Fortluftanbindung der RLT-Geräte wurden gestalterisch anspruchsvolle Ansaug- und Fortluftbauwerke im Neumarktbereich errichtet. Für die Nachrüstung der Kälte-/Klimaanlage konnten sie ohne Änderung weiter genutzt werden.

Der Kälteerzeuger wurde in doppelter Ausführung übereinander mit einem schallgeschützten Gehäuse und Schaltschrank mit integrierter DDC-Regelung Abb. 5 über die vorhandene Montageöffnung der Lüftungszentrale eingebracht und im Technikraum aufgestellt. Herzstück der Kälteanlagen sind Monoschraubenverdichter als Rotationsverdichter. Sie zeichnen sich dadurch aus, dass durch die Sternmotoren eine kontinuierliche Doppelverdichtung erreicht wird.

• Unter den vorliegenden Randbedingungen war es die einzige und gleichzeitig optimale Lösung, die Kälteversorgung über die „interne Kälteerzeugung“ zu gewährleisten, zumal der Außenluftstrom zur Einhaltung der Luftqualität ständig in Betrieb ist. Technische Daten je Schraubenkompressor: Kühlleistung: 30 bis 145 kW stufenlos
• Verdampfungstemperatur: 3 bis 5 °C
• Kondensatortemperatur: 50 bis 60 °C
• Leistungsaufnahme: 50 kW
• Anlaufstrom: 250 A
• Schallpegel: 32 dB(A) in 1 m Entfernung
• Abmessung (LBH): 268 × 93 × 102 cm

Regelung der Kälteanlage

Bei der ausgeführten stufenlosen Regelung steuern zwei Axialschlitzschieber den variablen Kältemittelstrom des Verdichters, dessen Leistung stufenlos zwischen 30 und 100 % ausgeregelt wird. Der maschineninterne DDC-Mikroprozessor überwacht sämtliche relevanten Parameter und optimiert den Arbeitsprozess des Klimasystems, um einen wirtschaftlichen Betrieb der Klimaanlage sicherzustellen.

Die Regelung, Steuerung und Überwachung der Heizungs- und Warmluftheizungsanlage erfolgt über eine DDC-Leittechnik mit zentraler Bedienung über eine PC-Anlage mit Drucker zur Ausgabe von Protokollen, Klimakurven und Störungsprotokollen. Die DDC-Regelanlage verwaltet die beiden Kältemaschinen in Sequenz der notwendigen Außenluftmenge gemäß der programmierten CO₂-Überwachung und der einzuhaltenden Innentemperatur im Kirchenraum. Jede Kältemaschine ist mittels MSR-Stellsignal im genannten Leistungsbereich stufenlos regelbar. Bei der installierten Kälteleistung von insgesamt 290 kW beträgt die kleinste, stufenlos ansteuerbare Leistung ca. 30 kW (15 % der Gesamtleistung).

Der gewünschte Sollwert der Raumtemperatur kann gleitend in Abhängigkeit von der Außentemperatur bis maximal 26 °C bei einer Außentemperatur von 35 °C am Regel-PC programmiert werden.

Raumklima und Langzeitmessungen

Die Regelung, Steuerung und Überwachung der Heizungsanlage erfolgt über eine DDC-Leittechnik mit zentraler Bedienung über eine PC-Anlage. Die Warmluftheizung des Kirchenraumes ist als reine Raumtemperaturregelung ausgelegt. Anforderungen an das Raumklima sind:

• Kirchenraum: 18 °C
• Konzertveranstaltungen: 20 °C
• außerhalb der Heizzeiten: 8 °C
• Relative Feuchte
  • unterer Grenzwert: 45 % r. F.
  • oberer Grenzwert: 75 % r. F.
  • ab 65 % r. F. wird eine Steuerung der absoluten Feuchte aktiv
• Temperaturänderung maximal: 1,0 K/h
• CO₂-Konzentration:  800 ppm

Zur Bespielbarkeit und Werterhaltung der Orgel darf der Temperaturgradient 0,5 bis maximal 1,0 K/h nicht übersteigen. Nach Meinung einiger Fachleute ist wegen der schweren Bauart und der Trägheit des Gebäudes eine Aufheizrampe von 0,5 K/h nicht realisierbar. Nach einer freien Abkühlung über Nacht konnte am folgenden Tag bei 100 % Luftleistung und einer Zulufttemperatur von 42 °C ein Temperaturanstieg von 2,3 K/h nachgewiesen werden. Die relative Feuchte blieb während der Messung konstant bei 48 %. Damit hat sich die Auslegung und Leistungsfähigkeit der Warmluftheizungsanlage bestätigt.

Der Leistungsnachweis wurde erbracht, nachdem vom Bauphysiker in der Planungsphase angezweifelt wurde, dass bei diesem Bauwerk Aufheizrampen bzw. Temperaturänderungen von 0,5 K/h und mehr realisierbar seien und eine durchgehende Beheizung mit 18 °C gefordert wurde. Mit dem Nachweis eines Temperaturanstiegs von 2,3 K/h bei einer Außentemperatur von + 8 °C in der Auskühlphase und maximaler Heizleistung steht auch bei einer Außentemperatur von – 15 °C noch eine ausreichende Leistung zur Verfügung, um die Raumtemperaturen nachts zur Energieeinsparung abzusenken. Als Sollwert ist eine Temperaturänderung von 1,0 K/h programmiert.

Der Temperaturgradient, also die mit der Höhe ansteigende Temperatur, ist in Kirchen in der Regel sehr groß. Bei dem hier geplanten und ausgeführten Heizungskonzept konnte ein Temperaturgradient von nahezu ± 0 K erreicht werden. Beispielsweise wurde bei einer Außentemperatur von 6 °C eine Innentemperatur von 17,8 °C im Erdgeschoss (± 0 m) und eine Temperatur von 18,4 °C am Kuppelring in 37 m Höhe gemessen.

Das „Patentrezept“ für einen niedrigen Temperaturgradienten bei Warmluftheizungen in denkmalgeschützten (historischen) Kirchengebäuden ist: „Viel Luft mit niedriger Temperatur einbringen und die Zuluft und Abluft immer in Fußbodennähe einblasen bzw. absaugen.“ Der spürbare Unterschied in vielen anderen Kirchen ist, dass das vom Ingenieurbüros Hans Breiden entwickelte Konzept nicht entsprechend ausgeführt wird.

Das Raumklima wurde nach der Weihe im Jahr 2005 im Rahmen von Langzeitmessungen ausgewertet. Die repräsentativen Klimakurven im Sommer und Winter mit und ohne Klimatisierung sind in den Bildern Abb. 6 bisAbb. 9 dargestellt.

Bei Außentemperaturen von etwa 35 °C stieg die Innentemperatur ohne die Möglichkeit zu Kühlen auf unerträgliche Werte bis zu 32 °C an Abb. 6. Nach dem Einbau der Kälte-Klimaanlage im Frühjahr 2007 konnte ihre Leistungsfähigkeit nachgewiesen werden, beispielsweise wurde die Innentemperatur am 16. Juli 2007 bei einer Außentemperatur von 35 bis 36 °C konstant auf den vorgegebenen Sollwert von 22 °C geregelt Abb. 7. Im Sommermonat Juli 2008 wird bei einer Außentemperatur von 32 bis 33 °C die Innentemperatur nahezu konstant auf den eingestellten Sollwert von 23 °C (tagsüber) geregelt Abb. 8.

Nach einem zehnjährigen, zufriedenstellenden Betrieb der klimatisierten Warmluftheizung wurden die Klimadaten im Juni 2017 und insbesondere am 22. Juni 2017 wie folgt ausgewertet:

• Am 22. Juni 2017 wurde die Innentemperatur im Erdgeschoss des Kirchenraumes bei einer Außentemperatur von 32,5 °C mit 22 bis 24 °C nahezu konstant geregelt Abb. 10.
• Im Juni 2017 variiert die Innentemperatur zwischen 20 und 24 °C und zeigt damit einen bestimmungsgemäßen Verlauf Abb. 11.
• Die relative Feuchte pendelt innerhalb der programmierten Sollwerte zwischen 40 und 75 % r. F., wobei der Autor die vom Betreiber eingestellten Sollwerte für die Temperaturen und die relative Feuchte für zu hoch hält.
• Die aktuellen Sollwerte betragen:
  • Temperatur im Sommer: 23 °C in der Nichtnutzungszeit und 24 °C in der Nutzungszeit
  • Temperatur im Winter: 18 °C
  • relative Feuchte: Entfeuchtung mit Kältemaschine ab 85 % r. F.
• Die Klimakurven im Juli und August 2017 verlaufen ähnlich bestimmungsgemäß wie im Juni 2017.

Seit der Weihe im Jahr 2005 wird die Frauenkirche täglich von bis zu 12 000 Personen besucht, wobei die Nutzungen vielfältig sind: Offene Kirche, Gottesdienste sowie Konzertveranstaltungen.

Die geplante und ausgeführte Warmluftheizung, die im Jahr 2007 mit einer Kälte-/Klimaanlage nachgerüstet wurde, hat sich sehr gut bewährt. Insgesamt konnte eine gleichmäßige Temperaturverteilung, sowohl horizontal als auch vertikal, realisiert werden, wobei der Temperaturgradient vom Erdgeschoss bis zur Kuppel in 37 m Höhe nahezu Null ist. Die mit Daikin ausgeführte Kälte-/Klimaanlage gewährleistet auch im Sommer bei Außentemperaturen von bis zu 35 °C angenehme Innentemperaturen von 22 bis 24 °C und damit ein behagliches und zufriedenstellendes Raumklima.

Literatur

[1] Petzold, Karl: Raumklimatische Analyse der Frauenkirche. München: Oldenbourg Industrieverlag, Der Gesundheitsingenieur, 05-1997

[2] Petzold, Karl: Raumklima im Kirchen-Hauptraum der Frauenkirche. Dresden: TU Dresden, 08. März 1995

[3] Breiden, Hans: Feuchtesteuerung. Kirchenheizung – Richtig lüften. Düsseldorf, Springer-Verlag, HLH 09-2006

[4] Recknagel-Sprenger-Schramek, Taschenbuch für Heizung+Klimatechnik: Kirchenheizungen. München: Oldenbourg Industrieverlag, Seiten 1065 bis 1070, Ausgabe 2007/08

[5] DIN 1946-1 Raumlufttechnik; Terminologie und graphische Symbole (VDI-Lüftungsregeln). Berlin: Beuth Verlag Oktober 1988 (zurückgezogen); DIN 1946-2 Raumlufttechnik; Gesundheitstechnische Anforderungen (VDI-Lüftungsregeln). Berlin: Beuth Verlag, Januar 1983 (zurückgezogen)

[6] Weitere Informationen zum Bauwerk und zur Nutzung der Frauenkirche Dresden: www.frauenkirche-dresden.de

ist Inhaber des Ingenieurbüros Hans Breiden, Beratender Ingenieur und Sachverständiger für Kirchenheizungen, 69221 Dossenheim, Telefon (0 62 21) 87 86 87, h.breiden@gmx.de