Marcus Müller-Witte für Kieback&Peter
Das Humboldt Forum im ehemaligen Berliner Schloss ist ein besonders anspruchsvolles Umfeld für das Raumluftmanagement, mit Maximalzielen in puncto Sicherheit und Werteerhalt. Ausgefeilte Monitoring- und Steuerungstechnik stellt hier optimale Raumluftwerte sicher.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ 30 000 physikalische / kommunikative Datenpunkte, 2300 Brandschutzklappen, 70 Automationsstationen, 41 RLT-Vollklimaanlagen … die Kennzahlen für 44 000 m2 Nutzfläche im Humboldt Forum deuten bereits die Komplexität der TGA an.
■ Bei der Gebäudeautomation war ein Schwerpunkt die Gewährleistung der Qualität der Innenraumluft mit einer Adaption, die objekt- bzw. materialorientiert absolut präzise (nach Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Gassättigung), räumlich begrenzt und lückenlos stabil realisiert werden kann.
■ Sie ist aber auch Grundvoraussetzung für ein Gebäudemanagement, das Ziele der Wirtschaftlichkeit, Sicherheit sowie des Klima- und Gesundheitsschutzes gleichermaßen realisieren kann.
Raumluftqualität und Innenraumklima haben nicht nur einen bedeutenden Einfluss auf das Wohlbefinden und die Gesundheit des Menschen: Da chemische, biologische oder physikalische Belastungen der Raum- und Außenluft immer auch Auswirkungen auf alle mit ihnen in Berührung kommenden Objekte haben, wird insbesondere in Schutzumgebungen – etwa in einem Museum – die Einhaltung optimaler Raumluftwerte durch ausgereifte Monitoring- und Steuerungstechnologien sichergestellt.
Die Anforderungen sind mitunter so komplex, dass sie sich nur auf Grundlage hochleistungsfähiger Automationslösungen störungsfrei realisieren lassen. Das Humboldt Forum im ehemaligen Berliner Schloss gilt als besonders anspruchsvolles Umfeld für das Raumluftmanagement, mit Maximalzielen in puncto Sicherheit und Werteerhalt.
Marcus Müller-Witte für Kieback&Peter
Auf rund 44 000 m2 Nutzfläche (Brutto-Grundfläche: 94 300 m2) erzählen rund 20 000 Exponate aus aller Welt Geschichten ihrer Zeit – darunter archäologisch, ethnologisch und kunstgeschichtlich bedeutsame Skulpturen, Gemälde, Präparate und Installationen. Den augenfälligen Ausstellungsort dafür entwarf der italienische Architekt Franco Stella; aus seiner Feder stammt der in achtjähriger Bauzeit fertiggestellte Gebäudekomplex mit einer ungewöhnlichen Zusammenführung von modernem Purismus und verspielten Barock-Elementen. Hinter seinen Mauern beheimatet das Humboldt Forum mehrere museale Institutionen:
Das Ethnologische Museum, das Museum für Asiatische Kunst (Staatliche Museen zu Berlin – Preußischer Kulturbesitz), die Berlin-Ausstellung (Kulturprojekte Berlin) und Stadtmuseum Berlin sowie das Humboldt Labor (Humboldt-Universität zu Berlin). Mit der letzten Teileröffnung des Ostflügels im Spätsommer 2022 wurde das Humboldt Forum für die breite Öffentlichkeit voll zugänglich gemacht und gilt seitdem als attraktiver, stark frequentierter Anziehungspunkt im Museums-Ensemble auf der Spreeinsel.
Hohe Besucherzahlen freuen den Betreiber, bedeuten aber auch eine gleichermaßen große Verantwortung gegenüber Kunst, Gast und Umwelt. Ein Spagat, den die Stiftung Humboldt Forum im Berliner Schloss mittels intelligenter Gebäudeautomation erfolgreich umsetzt.
IAQ-Optimierung
Der besondere Reiz und die zugleich betriebsseitige Komplexität des Humboldt Forums liegen in seinem Facettenreichtum: Wertvolle Kunstobjekte aus verschiedenen Epochen und Kulturen mit ganz unterschiedlichen Merkmalen und Eigenschaften präsentieren sich hier in enger räumlicher Nachbarschaft.
Dem Werterhalt sämtlicher Exponate gilt dabei eine übergeordnete Aufmerksamkeit. Dieser ist in erster Linie gekoppelt an die Qualität der Innenraumluft (Indoor Air Quality – IAQ). Insbesondere in geschlossenen Räumen liegen durch den Eintrag von Schadstoffen, Staub und Gasen oft deutlich höhere Luftverschmutzungswerte als in Außenbereichen vor. Sie führen zu Verfärbungen bis hin zu Korrosions- und Verfallprozessen bei Metallen, Gestein oder organisch basierten Werkstoffen.
Einer besonderen Gefährdung sind Kunstwerke jeglicher Art – vor allem aber hygroskopisch reagierende Objekte wie Papier oder Textilien – durch unkontrollierte Temperatur- und Feuchtigkeitseinwirkungen ausgesetzt: Sie führen zu beschleunigten chemischen Reaktionen und fördern den Zerfall von empfindlichen Exponaten. In der Konsequenz bedeutet das: Stimmt die Raumluftqualität nicht, sind selbst in musealen Schutzräumen früher oder später mitunter beträchtliche Verluste zu verzeichnen – materiell wie kulturell.
Marcus Müller-Witte für Kieback&Peter
In diesem Kontext zeigt sich, wie relevant eine professionelle Regulierung der relevanten Raumluftparameter für das dauerhafte bzw. langfristige Konservieren ausgestellter Kunstgegenstände ist. Die analytischen und steuerungsseitigen Anforderungen gehen dabei weit über die Leitungsfähigkeit einer standardisierten Klimatisierungslösung hinaus.
Erforderlich ist eine Adaption der Raumluft, die objekt- bzw. materialorientiert absolut präzise (nach Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Gassättigung), räumlich begrenzt (Bereichsklimatisierung) und lückenlos stabil (Schwankungsausschluss) realisiert werden kann. Denn die Wandgemälde der Kizil-Höhle (6. – 7. Jahrhundert) aus Xinjiang, China, etwa benötigen andere Raumwerte als die Township Wall von António Ole (2001 / 2018) oder die mexikanische Federmadonna aus dem späten 18. Jahrhundert.
Hinzu kommen grundlegende (auch rechtsverbindliche) Vorgaben und Zielsetzungen für den öffentlichen Gebäudebetrieb, beispielsweise im Bereich Brandschutzprävention – aber auch wirtschaftlich und ökologisch wirksame Maßnahmen wie die Optimierung der Energieeffizienz und die Minimierung von Emissionen.
Um ein derart komplexes Konglomerat an Kenn- und Zielgrößen beherrschbar zu machen, führen Gebäudeautomationsentwickler wie Kieback&Peter ihre ganze Fach- und Erfahrungskompetenz sowie intelligente Gebäudetechnik bei einer HLK-Projektierung zusammen.
Digitalisierte HLK-Systeme für ein präzises Raumluftmanagement
Bei dem 1927 gegründeten Familienbetrieb Kieback&Peter arbeiten rund 1500 Mitarbeiter an 50 internationalen Standorten daran, die Funktionen Heizung, Klima, Lüftung und Brandschutz durch optimierte Vernetzung und Steuerung zu maximal effizienten Gesamtsystemen zu kombinieren. Auf der Grundlage digitalisierter, datenbasierter HLK-Systeme gelingt es, eine Vielzahl für die Raumluftqualität relevanter (gebäudeinterner und -externer) Parameter zu überwachen und die Leistung der TGA-Systeme bedarfsgerecht zu modulieren.
Marcus Müller-Witte für Kieback&Peter
In einem Zeitraum von fünf Jahren planten, installierten und optimierten die Experten von Kieback&Peter ihre kombinierte HLK-Brandschutz-Lösung für das Berliner Humboldt Forum. Heute verfügt jeder Ausstellungsbereich im Gebäude über eine eigene Raumlufttechnische Anlage – in Summe wurden 41 RLT-Vollklimaanlagen verbaut. Eine hochleistungsfähige Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik (MSR) realisiert alle (multivalent basierten) Heiz- und Kühlprozesse sowie die Be- und Entfeuchtung der Zuluft / Raumluft. Als Teil eines gesetzlich vorgeschriebenen Brandschutzkonzepts für Sonderbauten wurde zudem ein Entrauchungssystem mit SIL2-zertifizierten ASI-Controllern integriert (siehe Info-Kasten).
Wie aufwendig die Planung und Einbindung eines reibungsfrei laufenden Gebäudeautomationssystems ist, zeigt bereits der komplexe Aufbau des Netzwerks aus Sensoren, Aktoren, Controllern und Sofware: Rund 70 Automationsstationen DDC4000 und 285 Schaltschrankfelder an insgesamt 46 Automationsschwerpunkten (ASP) wurden im Gebäude installiert. Hinzu kamen etwa 15 000 physikalische und 15 000 kommunikative Datenpunkte sowie neun Etagenverteiler und etwa 1900 Lokale Vorrangbedienebenen (LVB).
Die in den ASP installierten DDC4000 sammeln die Informationen aller integrierten Feldgeräte (Aktoren und Sensoren wie Temperaturfühler, Lüftungsklappen usw.) und koordinieren deren Funktionen gemäß vordefinierter Regel-, Steuerungs- und Optimierungsstrategien. Die Kommunikation erfolgt über BACnet. Die via DDC erfassten Daten werden im Gebäudemanagementsystem – einem von Kieback&Peter konzipierten Hochleistungs-BMS (building management system) – in Realzeit zusammengeführt, analysiert, visualisiert und bedienbar gemacht.
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Auf Grundlage der erhobenen Daten initiiert die speziell entwickelte Software (GLT-SW5000N) im Störfall die erforderlichen Alarmmeldungen. Über das Netzwerk kann das Facility-Management auf mobilen Endgeräten überall im Gebäude unmittelbar auf das multiuser- und multitaskfähige MSR-System zugreifen und Anpassungsmaßnahmen bei Bedarf auch manuell vornehmen. Neben der Systemüberwachung zur Sicherung der IAQ wird die Software auch zur Identifizierung von Optimierungspotenzialen herangezogen, mit dem Ziel, den Verbrauch von Primärenergie weiter zu reduzieren und Betriebskosten zu senken.
Die verschiedenen Ausstellungsbereiche, die das Humboldt Forum unter seinem Dach vereint, werden differenziert mit einer jeweils eigenen RLT-Anlage und nachgeschalteten Konvektoren temperiert. Temperatur- und Feuchtefühler erfassen die vorliegenden Ist-Werte innerhalb der Räume, die dann an die DDC übertragen werden. Sie regulieren über die Registersteuerung etwaige Abweichungen – entweder durch Erwärmung, Abkühlung oder Entfeuchtung der Zuluft. Externe Befeuchter sorgen bei zu hoher Trockenheit für eine Erhöhung des Wassergehalts in der Raumluft. Übersteigt die CO2-Konzentration einen kritischen Wert, wird der Außenluftanteil entsprechend angepasst.
Multivalenz-Konzept für lückenlose Ausfallsicherheit
Aufgrund der sehr unterschiedlichen thermischen Anforderungen in den einzelnen Ausstellungsbereichen liegt bei der energetischen Bewirtschaftung der Fokus zunächst auf der Versorgungsstabilität: Sowohl die Kälte- als auch die Wärmebereitstellung müssen permanent ausfallfrei gewährleistet werden. Multivalente Systeme dienen der Spitzlastabsicherung und erfüllen gleichzeitig eine Redundanzfunktion im Störungsfall. Auf der Kälteseite versorgen im Humboldt Forum zwei Kompressionskältemaschinen die Konvektoren mit Hochtemperaturkälte (etwa 15 °C) zur Nachtemperierung der Räume (Ausstellungsfläche, Büroräume, Treppenhallen).
Ist die Außenlufttemperatur niedrig genug, übernehmen Rückkühler auf dem Dach die freie Kühlung im Hoch- und auch im Niedertemperaturbereich. Ergänzt wird der regenerative Anteil der Kälteversorgung durch den Einsatz von zwei Wärmepumpen: Sie ermöglichen neben der geothermischen Wärmenutzung auch die Wärmeeinlagerung und erzeugen Niedertemperaturkälte für die Klimaanlagen. Ist der regenerativ basierte Kältebezug nicht ausreichend, werden zwei weitere Kältemaschinen in Betrieb genommen. Sie haben unter anderem die Funktion, Eis in einem Eisspeicher zu erzeugen, das bei Hitzepeaks im Sommer zur Kühlung aufgetaut werden kann. Auf diese Weise lässt sich die Leistungsaufnahme von Wärmepumpen und konventionellen Kälteerzeugern deutlich verringern.
Der thermische Bedarf an Raumwärme und Trinkwarmwasser wird überwiegend durch Fernwärme gesichert und durch die beiden Wärmepumpen ergänzt. Die Wärmepumpen versorgen Heizkreise mit einer Vorlauftemperatur von rund 45 °C. So kann deren Abwärme im Winter effizient zur Einspeisung in die Fußbodenheizung des Atriums genutzt werden. Die in den Vollklimaanlagen verbauten Heizregister arbeiten vor allem im Sommer nach dem Entfeuchtungsprozess.
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Automatisierte Entrauchungsprozesse
Neben dem MSR-System zur differenzierten Bereichsklimatisierung verfügt das Humboldt Forum auch über ein eigenes Entrauchungssystem, dessen Entrauchungsklappen mit SIL2 (Safety Integrity Level 2) zertifizierten ASI-Controllern verbunden sind. Die SIL-Kennzeichnung bestimmt das Sicherheits-Integritätslevel (auch: Sicherheitsanforderungsstufe). Sechs der 46 Automationsschwerpunkte sind speziell für die Entrauchung installiert worden. Darüber hinaus verfügt das Entrauchungssystem über eigene, vom Lüftungssystem unabhängige Kanäle, in denen mehrere Entrauchungsklappen eingebaut wurden. Deren Steuerungsmechanismen sowie die der Entlüftungsgeräte entsprechen den Vorgaben der Brandfallmatrix.
Um die Kommunikation zwischen den ASI-Reglern, die sich über das Modbus-Protokoll verständigen, und den DDC sowie dem BMS zu ermöglichen, haben die Kieback&Peter-Experten ein spezielles „Übersetzungs“-Programm im Gateway geschrieben. Sollte es zu einem Brand im Humboldt Forum kommen, schickt die Brandmeldezentrale die Informationen an die ASI-Controller. Diese lösen die entsprechenden Entrauchungsszenarien aus und steuern die Entrauchungsventilatoren sowie Entrauchungsklappen an. Außerdem werden über die DDC die Brandschutzklappen geschlossen und die Klima- und Lüftungsgeräte abgeschaltet. Insgesamt wurden im Lüftungssystem etwa 2300 Brandschutzklappen verbaut.
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