Nachhaltig gebautes, großes Museum in Köln nutzt erneuerbare Energien

Peter Zumthor gilt als experimentierfreudiger Architekt. Mit Hilfe einer integrativen TGA-Planung gelang es ihm, einen Aufsehen erregenden Museumsneubau komplett erneuerbar zu temperieren. Auch die eingesetzten Materialien tragen zu dem konservatorischen Raumklima bei.

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Statt Vollklimatisierung setzen der Architekt und der Fachplaner für Klima, Gerhard Kahlert, bei diesem Projekt auf sorptionsfähige Baumaterialien und eine thermische Aktivierung schwerer Bauteile durch Erdwärme. „Erst die Abkehr von diesem aus ökologischer Sicht überlebten Konzept [der Vollklimatisierung] und eine Rückbesinnung auf passive Bewahrungsmechanismen wird das Risiko für die uns anvertrauten Kulturgüter mindern“, so Kahlert [1]. Schon jetzt zeigt sich, dass durch die Feuchte- und Wärmepufferung die die sonst üblichen „Regelzacken“ im Raumklima ausbleiben. Weder Temperatur noch relative Luftfeuchtigkeit schwanken nennenswert, wie kontinuierliche elektronische Messungen des Raumklimas zeigen. Da es auch zwei Jahre nach Fertigstellung noch Baubereiche gibt, die mit Feuchte aus der Bauzeit belastet sind, wurden zudem lokale Werte einmal pro Woche per Hand aufgenommen. Sie zeigten, dass das dicke Mauerwerk eine lange Einregulierungszeit zur Folge hat, in der das Trocknen der Baufeuchte zusätzlich Energie benötigt. Es wird erwartet, dass zirka fünf Jahre nach der Baufertigstellung dieser Prozess abgeschlossen ist. Dann sind auch Oberflächentemperatur und Luftfeuchte überall gleichermaßen beschaffen.

Mineralische Materialien

Klinker mit Sondermaß: Der ockergraue Sandstein der Reste und Ruinen von St. Kolumba war Vorbild für den eigens entwickelten Klinker, der die Fassade des neuen Kunsthauses bildet. Klinker wurde gewählt, weil es das Material des Wiederaufbaus ist. Er ist mit überbreiten Lagerfugen aufgemauert, die nicht der aktuellen deutschen Norm entsprechen. Die 54 Zentimeter langen und nur 4 Zentimeter hohen Steine (Rohdichte 1600 Kilogramm pro Kubikmeter) wurden handwerklich hergestellt und zeigen so minimale Ungleichmäßigkeiten. Sie bilden großen Fassadenflächen und Turmansätze, die durch gotische Fragmente und wenige Fenster gegliedert sind. Die Klinker begleiten den Weg in das Foyer. Auf sie waren die Oberflächen der Innenräume abzustimmen.

Hartes Ziegelmauerwerk: Der Kern der Außenwände und die Innenwände bestehen aus Ziegelmauerwerk. Insgesamt sind die massiv mineralischen Wände 60 Zentimeter dick. Die Außenwände weisen eine Wärmeleitfähigkeit von 0,324 W/m²K auf.

Mineralischer Leichtputz als Unterputz: Optimal wäre ein Unterputz aus Lehm gewesen. Verwendet wurde ein leicht hydrophobierter, mineralischer Leichtputz auf der Basis von Weißkalkhydrat und Zement. Er wurde über Pariser Leisten aufgezogen, denn für eine perfekte Oberfläche ist ein exakt ausgeführter Unterputz notwendig.

Feiner Lehm-Deckputz: In Zusammenarbeit mit einem Lehmexperten wurde für den Deckputz eine spezielle Lehmmischung entwickelt. Der Farbton ist eine Mischung aus etwa zehn Prozent schwarzem Schiefermehl und 90 Prozent porzellanweißem Kaolin. Die Bindung des Feinputzes wird durch Zellulose unterstützt, da das Kaolin eine geringere Bindekraft als andere Tonminerale hat. Nach dem Auftragen, Abziehen, Glätten und Abwischen hat die glatte, mit ein paar schiefergrauen Einsprengseln versehene Oberfläche ihren authentischen Charakter entwickelt. Es wurden 6500 Quadratmeter Wandfläche mit etwa 26 Tonnen Feinputz verputzt.

Vielfältiger Beton: Für die fugenlosen Decken und Böden wurde ein selbstverdichtender Mörtelbeton auf Basis von Weißzement verwendet mit Hanfseilen als Abstandshalter. Die Oberfläche der Böden wurde angeschliffen, mit Eisenoxyd schwarz pigmentiert und gewachst. Basaltgrau heben sich der Kassenbereich, die Toilettenräume und der Küchenbereich vom restlichen Gebäude ab. Eine Mauer aus bräunlich gefärbtem Stampfbeton begrenzt den Außenhof auf der Rückseite des Museums und vervollständigt seine mineralische Präsenz.

Integrierte Gebäudeplanung

Die Ausstellungsräume sind offen angeordnet, ohne Türen zwischen ihnen. Solare Gewinne spielen wegen des geringen Fensterflächenanteils und des wirksamen Sonnenschutzes eine untergeordnete Rolle. Für die Kunstgegenstände ist ein gleichmäßiges Klima besonders wichtig (Temperatur: 20 Grad Celsius +/- 2 Grad, relative Luftfeuchte: 55 Prozent +/- 5 Prozent im Jahresverlauf, maximal 5 Prozent Differenz in 48 Stunden). Neben den Ausstellungsbereichen beinhaltet das Diözesanmuseum auch Depots und Verwaltungsräume. Für die Depoträume genügen geringere klimatische Anforderungen. Die Lage unterhalb des Erdniveaus und die geringe Nutzung reduzieren den Aufwand für Klimatisierung.

Um in allen Bereichen die Räume möglichst nachhaltig zu klimatisieren, wurden vom Zeitpunkt des Wettbewerbs an Daten und Planungen von Architekten, TGA, Beleuchtung, Bauphysik und Bauteilbeschreibung vernetzt und eine thermische Simulation durchgeführt. Die TGA-Planer nennen das eine integrierte Planung. Die Mehrkosten für eine solche ausführliche Planung liegen bei zirka 5 bis 10 Prozent der Planungskosten.

Wärmepufferung und Temperierung

Die massiven Bauteile puffern auch größere Wärmemenge kurzfristig über Strahlung und Konvektion. Über Sole-Wasser-Wärmepumpen temperiert eine Erdsondenanlage die Bauteile. Im Winter liefert sie Heizenergie, im Sommer Kühlenergie. In bis zu 80 Prozent der Betriebszeit kann frei gekühlt werden, das heißt ohne Wärmepumpe, nur über Wärmetauscher. Da Heiz- und Kühllast ungefähr gleich sind, ist das System ganzjährig hoch ausgelastet. Im Foyer wird der Boden, in den Ausstellungsbereichen die Decken sowie Sockel- und Deckenbereiche der Wände temperiert, damit keine Bilder belastet werden. Zur Be- und Entlüftung genügt wegen der klimatischen Grundlastdeckung durch die Bauteilkonditionierung ein maximal 2,5-facher Luftwechsel. Die Vorteile dieser geringen Luftbewegung sind eine Reduktion von Zug, Geräuschen, Staubaufwirbelung sowie des Raumbedarfs für Lüftungskanäle. In den Ausstellungsräumen wird die Zuluft über die Decke geführt, die Abluft durch die Fuge, die Wände und Böden trennt.

Auslegung der Erdsondenanlage

Ein Thermal-Response-Test ist ab 30 Kilowatt Anlagenleistung nach DIN 4640 vorgeschrieben. Er erbrachte 55 Watt pro Meter Sonde. Im Planungskonzept waren 36 Sonden mit einer Bohrtiefe von 100 Meter vorgesehen. Aufgrund der geologischen Situation wurde die Bohrtiefe begrenzt. 32 Sonden durften 70 Meter tief gebohrt werden. Sie entnehmen eine Leistung von etwa 123 Kilowatt. Die benötigte Gesamtleistung beträgt nach einer genauen Spitzenlastberechnung maximal 165 Kilowatt. Die fehlenden 42 Kilowatt werden im Bedarfsfall über das Grundwasser gedeckt: Aus einem Schluckbrunnen wird Grundwasser über einen Gegenstromwärmetauscher in die Wärmepumpe geführt (Wirkungsgrade Wärmetauscher und -pumpe jeweils 80 Prozent, Temperaturdifferenz 6 Kelvin). Durch den Wärmetaucher wird das Grundwasser nicht mit dem Kühlmedium für das Gebäude vermischt.

Nachhaltigkeitsbeurteilungen

Die Lebensdauer der monolithischen mineralischen Fassade ist hervorragend. Nach dem Leitfaden Nachhaltiges Bauen des BMVBS hat bewitterter Klinker eine mittlere Lebenserwartung von 90 Jahren. Dass übertrifft die Lebensdauer von WDVS mit Anstrichen um ein mehrfaches. Die Schadstoffhaltigkeit aller mineralischen Baumaterialien ist sehr gering (nur der Unterputz ist gering hydrophobiert). Der für die Gesundheit wichtige oberflächennahe Bereich wurde schadstofffrei mit Lehm ausgeführt. Die Materialien lassen sich hervorragend recyceln.

Wichtiges Monitoring

Es hat sich gezeigt, dass der reale Verbrauch höher ist als der berechnete. Das liegt zum einen an der noch andauernden Einregulierungszeit. Zum anderen ist durch die nutzungsbedingten Schwankungen des Raumklimas eine differenziertere Steuerung der Lüftungsanlage notwendig. Auch die übrige TGA musste noch optimiert werden. Beispielsweise wurde statt wie geplant über die Sonden viel Wärme über das Grundwasser entnommen. Ein Monitoring, das 2009 begann, zeigte solche Schwachstellen auf. Dabei wurde den Bauherren auch die Verwendung von Ökostrom vorgeschlagen. 2011 wird weiter optimiert: die Energiedaten wurden neu bewertet und es wurde geprüft, ob eine neue, bedarfsorientierte Steuerung eingebaut werden kann.

Chaotische Luftverteilung

Bisher werden die Räume mit relativ konstanter Luftmenge beschickt und über die Temperatur gesteuert. Ein neues System ermittelt den Bedarf der Luftmenge der nötig ist, um die Regelparameter zu erreichen. Sie steuert die Luftqualität - also CO2 und Feuchte – über eine so genannte chaotische Luftverteilung. Durch permanenten Luftüberdruck von wenigen Millibar kann die Luft sehr präzise im Raum verteilt werden. Sie kommt im Jahresschnitt mit bis zu 80 Prozent weniger Luftvolumina aus. Die erstmals in einem deutschen Museum installierte Steuerung soll ab Herbst im Probebetrieb laufen. Nach einer Betriebszeit und Messungen über den Winter werden erste Ergebnisse nach dem Frühjahr 2012 erwartet – ein Thema für Energie Kompakt Nummer 4 mit dem Schwerpunkt Lüftung. Schon jetzt zeichnet sich ab, dass das neue Diözesanmuseum ein Musterbeispiel nachhaltigen Bauens ist. Es kombiniert mineralische Baumaterialien, Erkenntnisse nachhaltiger Bauphysik und mit erneuerbaren Energien gespeiste Gebäudetechnik auf hohem ästhetischem Niveau.

Autor: Achim Pilz, Stuttgart

Literatur
[1] Gerhard Kahlert: Museumsklima – konservatorische Klimagestaltung. in Paul von Naredi-Rainer (Hrsg.): Entwurfsatlas Museumsbau. Berlin: Birkhäuser Verlag, 2004

 

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