Die Beheizung und Klimatisierung der Frauenkirche in Dresden

Allgemeines

Das technische Konzept und die Kälte- und Klimatechnik wurden bereits in den TAB-Ausgaben 10 + 11/2008 ausführlich beschrieben. Aufgrund der komplexen Baustruktur, der hohen Anforderungen an das Raumklima und des gewünschten Bedienkomforts, verbunden mit einer hohen Anlagenverfügbarkeit, erfordert für die Frauenkirche ein Gebäudemanagement-System, das individuell auf die technische Gebäudeausrüstung und auf die Gebäudestruktur abgestimmt ist.

Insgesamt sind zur Beheizung der Frauenkirche (Ohne Unterkirche und ohne Wendeltreppe ) vier Heizkreise vorhanden:

1. Kirche, Nebenräume und Treppenhäuser: Statische Heizflächen

2. Gestühlsbereich: Fußbodenheizung

3. Kirchenraum: Warmluftheizung

4. Kuppel: Wärmestationen

Die Regelung, Steuerung und Überwachung der Heizungsanlage erfolgt über eine DDC-Leittechnik mit zentraler Bedienung über eine PC-Anlage. Die Nebenräume und die Raumzonen mit statischen Heizflächen werden über Einzelraumregelung mit Bus-Technik zentral überwacht und gesteuert. Für die Kirche und für die obere Kuppel sind spezielle Aufheizprogramme mit Programmierung der Sollwerte und Heizzeiten vorgesehen. Die Raumtemperaturen der Kuppel und des Kirchenraumes sind unabhängig voneinander zu regeln und dürfen wegen des möglichen Kaltluftabfalls aus dem Kuppelraum nur eine maximal zulässige Temperaturdifferenz von ∆T ≤ 0,5 K aufweisen.

Die Fußbodenheizung wird mit einer flachen Heizkurve witterungsgeführt auf eine maximale Fußbodenoberflächentemperatur von 26 °C geregelt.

Die Warmluftheizung des Kirchenraumes ist als reine Raumtemperaturregelung ausgelegt.

Anforderungen an das Raumklima

Die wesentlichen Anforderungen an das Raumklima sind wie folgt:

Raumtemperaturen

Kirchenraum: 16 bis 18 °C

Konzertveranstaltungen: 20 °C

Außerhalb der Heizzeiten: 8 °C

Oberer Kuppelraum (wie Kirchenraum): 16 bis 18°C

Nebenräume und WC-Anlagen: 16 °C

Treppenhäuser: temperiert

Ständig genutzte Räume: 20 °C

Relative Feuchte

Wegen der Bespielbarkeit und Werterhaltung der Orgel sind die ­Werte der rel. Feuchte zu begrenzen:

unterer Grenzwert 45 %

oberer Grenzwert 75 %

Sollwert für absolute Feuchtesteuerung: 65 %

Temperaturänderung

Aufheiz- und Abheizgeschwindigkeit: maximal 1,0 K/h

Schallpegel

Bei Veranstaltungen: maximal 32 dB(A)

Luftqualität

CO₂-Konzentration: ≤ 800 ppm

Zugerscheinungen

Im Gestühlsbereich: ≤ 0,22 m/s

Anzumerken ist, dass eine Auslegung der Warmluftheizung nach DIN 1946 für die Beheizung der Frauenkirche nicht zugrundegelegt werden kann.

Funktionsbeschreibung

Zur Gewährleistung der umfangreichen Funktionen zur Regelung, Beheizung, Überwachung und Dokumentation wurde eine effiziente DDC-Anlage mit einem PC als Bedieneinheit ausgeführt. Das Übersichtschema ist in Bild 2 dargestellt. Zur Eingabe von Sollwerten, zur Überwachung der Istwerte und zur Doku­mentation der raumklimatischen Daten wurden die Grundrisse der einzelnen Geschosse graphisch als CAD-Pläne in der Software hinterlegt. Im Hauptmenu (Bild 3) sind die Istdaten und die Betriebsart in der Übersicht für den Kirchenraum, für den Kuppelring und für das Außen­klima dargestellt. Folgende Anlagen sind vorhanden:

a) Fernwärmeübergabestation

Diese Anlage dient der Versorgung sämtlicher Wärmeverbraucher mit Heizmedium. Die Fernwärmeübergabestation wird primärseitig mit Heißwasser betrieben. Der Wärmeaustausch findet im indirekten Verfahren über einen Wärmetauscher statt. Das Regelventil ist im Heißwasservorlauf auf der Primärseite angeordnet.

Ist mindestens ein Regelventil der hydraulisch nachgeschalteten Heiz­kreise geöffnet, wird der Wärmetauscher freigegeben.

b) Fußbodenheizung

Diese Anlage dient der Beheizung der Fußbodenbereiche im Erdgeschoss und auf den Emporen.

Die Freigabe der Anlage erfolgt über elektrische Zonenabsperrventile. Ist mindestens ein Zonenabsperrventil geöffnet, wird die Fußbodenheizung freigegeben, sind alle Zonenabsperrventile geschlossen, wird die Fußbodenheizung gesperrt. Die Zonenabsperrventile können zentral an der GLT ein- und ausgeschaltet werden. Für die Ansteuerung der Zonenabsperrventile existieren darüber hinaus Zeitschaltprogramme. Die Einträge in den Zeitschaltprogrammen sind vom Bedien­personal frei änderbar und so den Gegebenheiten vor Ort optimal anzupassen.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Anlage ab bestimmten Außentemperaturen generell zu sperren.

Der Betrieb der Anlage erfolgt mit Hilfe einer witterungsgeführten Vorlauftemperaturregelung mit einer flachen Heizkurve auf eine Oberflächentemperatur von etwa 26 °C bei einer Außentemperatur von – 10 °C.

c) Statische Heizung

Die 99 Heizkörper können in drei Heizgruppen aufgeteilt werden:

1. Kirchenraum (u.a. Fenster),

2. Treppenhäuser,

3. Mantelräume.

Die Heizgruppe 1 „Kirchenraum“ besitzt kein eigenes Zeitschaltprogramm, sondern übernimmt die Zeitsteuerung von der Warmluft­hei­zungs­anlage des Hauptkirchenraumes. Die Heizgruppe 2 „Treppenhäuser“ besitzt ein eigenes Zeitschaltprogramm. Die innenliegenden Räume Heizgruppe 3 „Mantelräume“ können als Einzelraumregelung mit Zeitschaltprogrammen und Sollwerten individuell über die Grundrisse
bzw. über die Raumnummer programmiert und angesteuert werden.

Über Raumtemperaturfühler und elektrische Heizkörper-Stellantriebe ist die Ansteuerung für jeden einzelnen Raum gewährleistet. Die Einzelraumregelung wird mit TEC-Reglern realisiert, die dezentral im Gebäude montiert und über FLN-Bus an die GLT angeschlossen sind.

d) Warmluftheizung der Hauptkirche

Die Anlage läuft zur Be- und Entlüftung, zur Beheizung und zur Klimatisierung der Hauptkirche in verschiedenen Betriebszuständen, die manuell oder über Zeitschaltprogramm vorgegeben werden können. Die Anlagenanforderung über die Automatik wirkt parallel auf beide RLT-Anlagen (2 x 20 000 m³/h).

Beide RLT-Anlagen sind mit Frequenzumrichtern zur stufenlosen Dreh­zahl­regelung, mit einem Wärmerückgewinnungssystem (Kreuzstrom­wärme­tauscher) zur Einsparung von Energie und Elektro-Dampf­luft­befeuchter zur Gewährleistung der rel. Feuchte ausgestattet. Bestimmungs­gemäß wird in der Regel ein reiner Umluftbetrieb gefahren (Bild 4).

Folgende Betriebszustände sind zu unterscheiden:

Nutzung (z. B. 18 °C)

Klimatisierung (24 bis 26 °C)

Nichtnutzung (z. B. 8 °C )

Aufheizen (1 K/h)

Abkühlen (1 K/h)

Zur Gewährleistung der raumklimatischen Anforderungen sind drei Regelungen vorhanden:

Temperaturregelung,

Feuchteregelung,

Luftqualitätsregelung.

Die Temperaturregelung ist als Raum-Zuluft-Kaskadenregelung ausgeführt. Der Führungsregler verschiebt den Sollwert für die Zulufttemperatur proportional zur Soll-Ist-Wert-Abweichung der Raumtemperatur. Weiterhin erfolgt im Anlagenzustand „Nutzungsbetrieb“ eine Steuerung der Ventilatordrehzahl in Abhängigkeit von der Soll-Ist-Abweichung der Raumtemperatur.

Die Feuchtesteuerung ist als Raum-Zuluft-Kaskadenregelung ausgeführt. Für die Raumfeuchte gibt es mehrere Sollwerte. Für die natürliche Be- und Entfeuchtung über das Außenklima werden die absoluten Feuchtewerte innen und außen verglichen und bei einer höheren abs. Feuchte außen und einer rel. Feuchte innen von ≤ 50 % über die Außenluft befeuchtet. Erst bei einer rel. Feuchte ≤ 45 % wird die elektrische Dampfluftbefeuchtung aktiviert. Die Entfeuchtung über das Außenklima wird bei einer rel. Feuchte 70 % aktiviert.

Die Luftqualitätsregelung ist als Festwertregelung der Abluftqualität ausgeführt. Bei einem CO₂-Gehalt von ≥ 800 ppm werden die Außenluftklappen stetig geöffnet und der Volumenstrom-Sollwert für die Ventilatoren proportional zur Soll-Ist-Abweichung bis auf 100 % bei einem CO₂-Wert = 1500 ppm angehoben.

e) Betstuben

Die innenliegenden Betstuben auf der 1. Empore werden über die Luftqualität mittels einer mechanischen Querlüftung automatisch be- und entlüftet. Es ist ein Zeitschaltprogramm vorhanden. Luftqualität und Drehzahl können programmiert werden.

Alle Fühlerdaten werden dokumentiert und können einzeln oder in Gruppen nach einem vorgegebenen Zeitrahmen ausgedruckt werden.

Raumklimatische Messungen

Zur Überprüfung der vertraglich zugesicherten Eigenschaften wurden mit geeichten und kalibrierten Messgeräten ausführliche raumklimatische Messungen durchgeführt. Vorab wurden die Fühlerwerte auf die korrekten Anzeigewerte hin überprüft und ggf. nachjustiert.

a) Fußbodenheizung

Aufgrund des dicken Dielenfußbodenbelages ist eine höhere Vorlauftemperatur als üblich einzustellen.

Messtechnisch wurde eine Vorlauftemperatur von 50 °C ermittelt, um eine Fußbodenoberflächentemperatur von 25 bis 26 °C zu erreichen.

b) Oberer Kuppelraum

Die bei der maximalen Stufe gemessene Luftleistung der acht Wär­me­stationen wurde mit einem im Windkanal geeichten Flügelrad­anemometer mit durchschnittlich 88 m/min = 1,5 m/s, entsprechend 2685 m³/h, gemessen. Sollwert: 2500 m³/h.

c) Kirchenraum

Die Sollwerte der Leistungsdaten wurden wie folgt gemessen:

Luftleistung

1. Kugeldüsen: 19 700 m³/h

2. Chorgitter: 11 920 m³/h

3. Eingangsgitter: 10 580 m³/h

Gesamte Luftleistung: 42 200 m³/h

Damit wurde der Garantiewert erfüllt (Sollwert: 40 000 m³/h). 

d) Heizleistung

Bei einer Zulufttemperatur von 40 °C und einer Innentemperatur von 18 °C ergibt sich eine Heizleistung von rd. 300 kW im Umluftbetrieb.

e) Schallpegel

Der Schallpegel wurde in Kirchenmitte nachts gemessen, wobei keine Handwerker einen störenden Hintergrundpegel verursachten.

Nullpegel: 28 dB(A)

100 %-Luftleistung: 35 bis 6 dB(A)

50 %-Luftleistung: 29 dB(A)

2/3-Leistung: 32 dB(A)

Die 100 %-Leistung wird in der Regel nur zum Aufheizen in der nicht besetzten Kirche benötigt. Der Schallpegel bei 2/3- bis 50 %-Leistung ist subjektiv kaum wahrnehmbar.

f) Aufheizgeschwindigkeit

Zur Bespielbarkeit und Werterhaltung der Orgel darf der Temperaturanstieg 0,5 bis 1,0 K/h nicht übersteigen. Nach Meinung einiger Fachleute ist wegen der schweren Bauart und der Trägheit des Gebäudes eine Aufheizrampe 0,5 K/h nicht realisierbar. Die Innentemperatur wurde am 22. September 2005 ab 18.00 Uhr mit freier Kühlung über das Außenklima von 22 auf 18 °C abgekühlt und ab 7.00 Uhr mit 100 %-Leistung (100 %-Luftleistung, 42 °C Zulufttemperatur) aufgeheizt (Bild 4).

Innerhalb von 1,5 h stieg die Innentemperatur von 18 auf 21,5 °C, d.h. der Temperaturanstieg beträgt etwa 2,3 K/h. Damit konnte die Leistungsfähigkeit der Warmluftheizung nachgewiesen werden. Die rel. Feuchte blieb während der Messung konstant bei 48 % +/- 2 %-Punkte. Die raumklimatischen Verhältnisse sind im Bild 5 dargestellt.

g) Temperaturgradient

Der Temperaturgradient, d.h. die senkrechte mit der Höhe ansteigende Temperatur, ist in Kirchen in der Regel sehr groß. Mit dem von uns geplanten und ausgeführten Heizungskonzept konnten wir einen Temperaturgradienten von nahezu +/- 0 Kelvin erreichen. Bei einer Innentemperatur von 17,8 °C im Winter 2007 im Erdgeschoss des Kirchenraumes (+/- 0 m) wurde die Raumtemperatur in 37 m am Kuppelring mit 18,4 °C gemessen. Dieser niedrige Temperaturgradient kann als sehr gut sowohl für die Behaglichkeit der Gottesdienstbesucher als auch für die Werterhaltung der Orgel bewertet werden.

Im Sommer 2006, also noch ein Jahr vor dem Einbau der Klimaanlage, liegen die Innentemperaturen bei 29 °C im Erdgeschoss und etwa 30 °C in der oberen Kuppel. Dies bei einer Außentemperatur von 33 °C (Bild 6).

h) Luftqualität

Am 30. November 2005 wurden in der voll besetzten Kirche folgende CO₂-Werte gemessen:

Außen/Neumarkt: 570 ppm

Innen/Erdgeschoss: 860 ppm (Beginn der Veranstaltung)

Innen/Erdgeschoss: 970 ppm (Ende der Veranstaltung)

Maximaler Grenzwert: 1500 ppm

D.h., die in Abhängigkeit von dem CO₂-Wert zunehmende Außenluftrate gewährleistet eine zufriedenstellende Luftqualität.

Langzeitmessungen

Die Raumklimadaten wurden über einen repräsentativen Monat jeweils für die Innen- und Außentemperatur sowie für die rel. Feuchte/innen ausgedruckt.

Im Sommermonat „August 2006“ stellt sich der Temperaturverlauf im Kirchenraum wie folgt dar, wobei die Klimaanlage noch nicht eingebaut war (Bild 7):

Bei Außentemperaturen von 30 bis 31 °C ergeben sich Innentemperaturen tagsüber von 29 °C

Bei freier Nachtkühlung mit Außentemperaturen von 20°C…21°C sinken die Innentemperaturen auf 25 bis 26 °C.

Die rel. Feuchte/innen schwankt im Bereich zwischen 45 bis 55 %.

Bei Außentemperaturen von 35 bis 36 °C stieg die Innentemperatur auf unerträgliche Werte von bis zu 32 °C an. Nach dem Einbau der Klimaanlage im Frühjahr 2007, die bereits als Option zur Nachrüstung vom Ingenieurbüro geplant war, konnte die Leistungsfähigkeit der Klima­anlage nachgewiesen werden (Bild 8). Bei einer Außentemperatur von 35 bis 36 °C am 16. Juli 2007 wurde die Innentemperatur nahezu konstant auf den Sollwert von 22 °C geregelt.

Im Sommermonat „Juli 2008“ stellt sich der Temperaturverlauf im Kirchenraum nach dem Einbau der Klimaanlage wie folgt dar (Bild 9):

Bei Außentemperaturen von bis zu 32 °C wird die Innentemperatur nahezu konstant auf den Sollwert von 23 °C (tagsüber) geregelt.

Über die freie Nachtkühlung sinkt die Innentemperatur nachts auf etwa 21 °C.

Die rel. Feuchte schwankt im Bereich zwischen 45 und 65 %.

Vom Ingenieurbüro wurde im Rahmen der Funktionsbeschreibung vorgesehen, den Sollwert der Innentemperatur gleitend in Abhängigkeit von der Außentemperatur auf einen Sollwert von 22 bis 26 °C (bei 35 °C Außentemperatur) zu regeln. Dies istdurch Änderung der Software noch zu verbessern.

Im Wintermonat „Januar 2008“ stellt sich der Temperaturverlauf im Kirchenraum wie folgt dar (Bild 10):

Der Sollwert der Innentemperatur wird mit 18 °C +/- 0,8 K sehr genau geregelt.

Die rel. Feuchte wird mit 45 % +/- 3 %-Punkte ebenfalls sehr genau geregelt.

Fazit

Seit der feierlichen Einweihung im Jahr 2005 wird die Frauenkirche täglich von 8000 bis 12 000 Personen besucht. Die Nutzungsarten sind vielfältig: Offene Kirche, Gottesdienste mittags und abends sowie Konzertveranstaltungen.

Die geplante und ausgeführte Warmluftheizungsanlage mit statischen Heizflächen als Zusatzheizung und den dezentralen Wärme­stationen für die Beheizung der oberen Kuppel 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, es gibt also keinen nennenswerten Temperaturanstieg nach oben.

Die Klimaanlage mit einer Luftleistung von 40 000 m³/h und einer Kälteleistung von 290 kW erfüllt alle Funktionen zur Beheizung, Filte­rung, Befeuchtung, Kühlung und Entfeuchtung der Raumluft. Der Außenluftbetrieb wird automatisch zur freien Nachtkühlung und zur Verbesserung der Luftqualität bei hohen Besucherzahlen genutzt. In Verbindung mit der DDC-Anlage und einem PC als Bedieneinheit gewährleistet die Heizungs-/Lüftungsanlage sowohl im Sommer als auch im Winter ein behagliches und zufriedenstellendes Raumklima.

[1] Prof. Dr. Karl Petzold/TU Dresden, Raumklimatische Analyse der Frauenkirche in Dresden, Gesundheitsingenieur: 1997/Heft 5

[2] Prof. Dr. Karl Petzold/TU Dresden, Raumklima im Kirchen- Hauptraum der Frauenkirche in Dresden, 8. März 1995

[3] Kirchenheizungen, Seite 1065 – 1070, Taschenbuch für Heizung Klimatechnik: Ausgabe 07/08, Recknagel-Sprenger-Schramek

[4] VDI-Nr. 896. Forschungsbericht des Fraunhofer-Institutes,
Richtiges Heizen in historischen Gebäuden

[5] HLH/Springer-Verlag/September 2006, Kirchen – Richtig heizen und lüften, Dipl.-Ing. (TU) Hans Breiden

[6] Website: www.IB-Breiden.de, Literatur: Kirchen – Richtig heizen und lüften

[7] DIN 1946/Teil 1 + 2 Raumlufttechnik