Forschungsobjekt Kirchengebäude

Seit fast über 15 Jahren wird über die Thematik der „Bauteiltemperierung“ publiziert und kontrovers diskutiert. Zu dieser Thematik ist u. a. in [1], [2], [3], [4] Stellung genommen werden. Eine detaillierte und umfangreiche Analyse zur Bauteiltemperierung wurde von [4] erstellt, die u. a nachvollziehbar die realisierte Lösung als Oberflächentemperierung charakterisiert. Die in [3] vorgestellten Varianten (z. B. Bild 1) zeigen die Widersprüchlichkeit der Aussagen zu den Vorteilen der „Temperierung“ im Vergleich zu [4].

Die in den Beiträgen [5], [7] und [6] diskutierte Fragestellung, ob „Bauteiltemperierung als Feuchteschutz und zur Vermeidung von Schimmel?“ positiv beantwortet werden kann, sollte der Praxis, d.h. Erfahrungen unter Nutzungsbedingungen und der Auswertung von längerfristigen Messungen vorbehalten sein. Nach Kenntnis des Autors liegen leider nur wenige Langzeitmessungen vor, deren Ergebnisse veröffentlicht wurden und somit einen Beitrag zur Beantwortung beitragen könnten.

Die Problematik „Schimmel“ in Verbindung mit der Bauteiltemperierung zu bringen, erscheint als sehr gewagt postuliert. Schimmel kann dann auftreten, wenn

1. an der Bauteiloberfläche Wasser abgeschieden wird, d.h. wenn die Taupunkttemperatur des Raumluftzustandes (geprägt durch die Raumlufttemperatur und die dazugehörige relative Feuchte bzw. dem absoluten Feuchtegehalt der „feuchten“ Luft) kleiner als die Oberflächentemperatur ist. Dies zu vermeiden ist Aufgabe des baulichen Wärmeschutzes (DIN 4108). Eine Nichteinhaltung des Wärmeschutzes ist im Allgemeinen heute nur noch bei historischen Bauten anzutreffen. Bei thermisch gut speichernden Bauteilen (im Allgemeinen dicke Baukonstruktionen) kann es u.U. auch in der Übergangszeit und unter sommerlichen Bedingungen durch innere Feuchtequellen (z. B. Personen) zu Taupunktunterschreitungen an der Oberfläche kommen (Sommerkondensation) und

2. der Raum bzw. das Gebäude ungenügend gelüftet wird, d.h. wenn aus energetischen Gründen entweder die Fugen der Fenster dicht ausgebildet werden und eine Fensterlüftung oder mechanische Lüftung nicht vorgenommen werden kann. Insbesondere unter winterlichen Bedingungen ist die zugeführte Außenluft auf Grund ihres geringen absoluten Feuchtegehaltes in der Lage im Raum bzw. im Bauwerk vorhandene Feuchte zu verringern.

Die Bauteiltemperierung kann nur dazu beitragen, die Oberflächentemperatur zu erhöhen. Ob die zwei Rohre, wie von [2] und [3] (Bild 2) vorgeschlagen und von [6] dargelegt, auch wenn Heizmedientemperaturen bis zu 50 °C realisiert werden, die gesamte Oberfläche eines Bauteiles soweit erwärmen können, dass eine Taupunktunterschreitung vermieden werden kann, ist sehr fragwürdig. Denkbar und sinnvoll wäre nur eine punktuelle Erwärmung von Oberflächen von baukonstruktiven Wärmebrücken.

Oberflächentemperierung in einer kleinen Kirche

Bei der Hochwasserwasserkatastrophe im August 2002 wurde die Elbschifferkirche „Maria am Wasser“ in Dresden-Hosterwitz stark betroffen. Danach erfolgte sowohl eine sehr schnelle Trocknung des Gebäudes als auch die Erneuerung der Heizung.

Die schnelle Trocknung war u.a. auch dafür verantwortlich, dass eine grundlegende Restaurierung der Orgel notwendig wurde. Bei dem Sanierungsvorhaben ergab sich die Möglichkeit, eine Wandtemperierung als Feuchteschutz und zur Erhöhung der Behaglichkeit der Kirchenbesucher zu installieren. Die Gemeinde ermöglichte seit Oktober 2003 die Durchführung von umfangreichen Messungen (Wandfeuchte, Oberflächentemperaturen, Raumluftparameter), die bis zum Juli 2008 fortdauern werden. Weiterhin wurde durch die Gemeinde die tägliche Besucherzahl dokumentiert.

Die ersten Messergebnisse hinsichtlich der „Temperierung als Feuchteschutz“ wurden in [1], [9] und [13] und die Lösung der Beheizung der Kirche (Luftheizung) in [8], [10], [11], [12], [14] und [15] veröffentlicht. Ziel der Messungen war es, den Einfluss der Wandtemperierung auf die Mauerwerksfeuchte zu erfassen und zu bewerten. Es kamen zwei verschiedene Wandtemperierungssysteme zur Anwendung, d.h. das Kapillarrohrmattensystem Polymat (Bild 3a) und das Kunststoffrohrsystem Polyclip (Bild 3b) in den verschiedenen Aufenthaltszonen der Kirche.

Die ersten Betriebserfahrungen bei und die Art der der Beheizung dieser Kirche wurde in [8] ausführlich dokumentiert. Mit Unterstützung der Kirchgemeinde und einer kontinuierlichen Messwerterfassung und Auswertung konnte seit 2003 insbesondere das Feuchteverhalten unter Nutzungsbedingungen dokumentiert werden. Der wahrscheinliche Abschluss der Messungen ist für Sommer 2008 geplant.

Seit Beginn der Messungen wurden die Raumlufttemperaturen und Raumluftfeuchten an charakteristischen Messpunkten im Raum (so auch in der Nähe der Orgel) und die Außenklimabedingungen über Datenlogger halbstündlich erfasst und an insgesamt 180 Tagen die Feuchte- und Oberflächentemperaturmessungen in den definierten Messfeldern und den markierten Messpunkten vorgenommen.

Der Feuchtegehalt der Bausubstanz (ca. 1 m Wandstärke, im Allgemeinen Bruchsteinmauerwerk) wurde im oberflächennahen Bereich (Eindringtiefe 2 bis 3 cm) und im Tiefenbereich (Eindringtiefe 20 bis 30 cm) gemessen.

Da der Aufbau des Mauerwerks aus verschiedenen Materialien besteht, konnten im Tiefenbereich die Messdaten deshalb für diesen Bereich nur mit Hilfe eines Feuchteindex charakterisiert werden. Im Bereich der Bauteiloberfläche wurde sowohl der Feuchteindex als auch die Kalibrierkurve „Sandstein“ verwendet. Im Gegensatz zur dimensionslosen Größe Feuchteindex wird der Feuchtegehalt der Kalibrierkurve als massebezogener Feuchtegehalt in Prozent angegeben.

Bei der Auswertung der Mauerwerksfeuchten und der Oberflächentemperaturen wurde über die jeweiligen Messfelder der Mittelwert gebildet. Die Erfassung der Belastung durch Personen (tägliche Besucher, Veranstaltungen) in der Kirche wurde dankenswerter Weise durch die Gemeinde vorgenommen. Um einen Vergleich zu den temperierten Flächen zu ermöglichen, wurden Messungen an einer untemperierten Referenzwand vorgenommen (Messpunkt MF 5; (Bild 4)).

Es zeigt sich sehr deutlich, dass sich die Oberflächentemperaturen durch die Verwendung der zwei Systeme auf unterschiedlich hohem Temperaturniveau befinden (Bilder 7a und 7b). Das System Polymat (Bild 3a) (MF 1 und MF 2 im Bild 4) erreicht im Mittel etwa um 3 K höhere Temperaturen als das Polyclipsystem (Bild 3b) (MF 3 und MF 4 im Bild 4). Der Unterschied zu Messfeld MF 5 beträgt im Mittel etwa 7 K, wobei dieser Wert über den Winterzeitraum an einigen Messtagen bis auf 11 K angestiegen ist. Das tendenzielle Absinken der dargestellten Temperaturen in Winterhalbjahr kann mit dem kälter werdende Außenklima, dem damit verbundenen Abkühlen der Außen­wandkonstruktion und den sich einstellenden Raumlufttemperaturen, insbesondere bei Nichtnutzung der Kirche von ca. 8 bis 9 °C Raumlufttemperaturen interpretiert werden.

Oberflächenfeuchte

Aus den Bildern 5 und 6 kann der zeitliche Verlauf der gemittelten Feuchteindexwerte der Oberflächen von ausgewählten drei Messfeldern entnommen werden.

Bei allen Messfeldern ist ein ähnlicher Verlauf der Feuchtewerte über einen bisher ausgewerteten Messzeitraum von 36 Monaten zu erkennen. Die Unterschiede zwischen den mit Wandtemperierungssystemen versehenden Messfeldern sind gering, jedoch der Unterschied zum Messfeld 5, ohne Wandtemperierung, deutlich.

Zu Beginn der Messungen wiesen alle Felder ihre niedrigsten Werte auf. Die Oberflächenfeuchte nahm im Anschluss sukzessive zu und erreichte Ende November 2004 ihren vorläufigen Höhepunkt. Über den Winterzeitraum nahmen die Feuchtewerte ab, erreichten jedoch nicht mehr den Ausgangszustand vom April 2004. Nach der Winterperiode, ab März 2005, stiegen die Messwerte bis zum Abschluss der Messungen im August 2005. Die Oberflächenfeuchte lag dabei in den Monaten April bis August 2005 auf höheren Werten als im selben Zeitraum des Vorjahres.

Daraus könnte geschlussfolgert werden, dass sich das Gebäude in einem eingeschwungenen Zustand befindet und sich die Schwankungen der Oberflächenfeuchte mit hoher Wahrscheinlichkeit nur innenklimatisch bewerten lassen.

Anfang Mai 2006 wurde die Bauteiltemperierung abgeschaltet. Deutlich zu erkennen ist aus den Bildern 5 und 6, dass sich die Oberflächenfeuchtewerte von temperierten und nichttemperierten Oberflächen in relativ kurzer Zeit annähern. Bis Mitte November wurde die Bauteiltemperierung nicht betrieben.

Nach der Inbetriebnahme der Bauteiltemperierung zeigt sich wieder der Unterschied zwischen der temperierten und der untemperierten Oberflächen (MF 2 und MF3 in Bezug auf MP 5).

Während bis Mitte 2006 davon ausgehen konnte, dass sich auch bei der Oberflächenfeuchte ein eingeschwungener Zustand eingestellt hat, so zeigt sich bei in der Folgezeit ein weiterer Anstieg der Feuchte in der Oberfläche, charakterisiert durch den Feuchteindex.

Die Ursachen dafür liegen mit hoher Wahrscheinlichkeit in der gestiegenen Feuchtebelastung durch die Besucher der Kirche und einer nicht ausreichenden bzw. kaum vorhandenen natürlichen Lüftung.

Kurz vor der Abschaltung der Oberflächentemperierung im Mai 2006 wurden noch thermographische Aufnahmen vorgenommen. Die Bilder 7a und 7b zeigt charakteristisch die Wirkung der beiden Systeme Polymat und Polyclip.

Mauerwerksfeuchte in tieferen Schichen

Bilder 8, 9 und 10 zeigen den gemessenen Feuchtigkeitsverlauf als Feuchteindex des Mauerwerks, bis zu einer Tiefe von etwa 30 cm. Der Feuchtegehalt der Messfelder 3, 4 und 5 stieg stetig bis zum Ende des Messzeitraumes. Ab April 2005 bis August 2005 ist bei diesen drei Messfeldern eine Annäherung auf ein gleich bleibendes Niveau zu erkennen. Dies kann den Schluss zulassen, dass sich ein quasista­tionärer Zustand eingestellt hat. Dieses Einschwingen auf einen höheren Wert als im Ausgangszustand im Jahr 2003/2004 kann u. a. darin begründet liegen, dass die Trocknung des Gebäudes im Jahr 2003 sehr intensiv gewesen sein muss. Ein anderes Verhalten zeigen die Messfelder 1 und 2, die, bis auf ein paar Ausreißer, während des gemessenen Zeitraumes auf einem Niveau verbleiben. Der Feuchtegehalt der Messfelder 3, 4 und 5 stieg sukzessive bis zum Ende des Messzeitraumes. Ab April 2005 bis August 2005 ist bei diesen drei Messfeldern eine Annäherung auf ein gleich bleibendes Niveau zu erkennen. Diese Tendenz hat sich auch im gesamten Jahr 2006 fortgesetzt.

Die ermittelten Messwerte zeigen einen tendenziell anderen ­Verlauf als bei den Feuchtewerten der Oberfläche. War bei der Oberflächenfeuchte noch der Einfluss des jahreszeitlichen Klimas zu erkennen, verliert sich dieser im Mauerwerksinneren. Die Aussage, dass durch die Verwendung einer Wandtemperierung der Feuchtegehalt auf einem geringeren Niveau gehalten werden kann, ist im Tiefenbereich nicht mehr erkennbar bzw. messtechnisch markant nachweisbar. Das untemperierte Messfeld 5 weist über den gesamten Zeitraum niedrigere Werte auf als die temperierten Messfelder 1 bis 4. Ein weiterer Unterschied besteht in der Größenordnung der gemessenen Werte. Im Bereich der Oberfläche wurden Feuchteindexwerte zwischen 2400 und 3000 gemessen. Die Werte im Tiefenbereich erreichten lediglich Werte zwischen 1000 und 1270.

Es ist erkennbar, dass die Unterschiede zwischen den temperierten Messfeldern als auch der eingesetzten Wandtemperiersysteme Polymat (MF1, MF2) und Polyclip (MF3, MF4) gering sind. Für diese Unterschiede kann es unterschiedliche mögliche Begründungen geben, die jedoch für die Feuchteproblematik kaum signifikant angesehen werden sollten [13].

Auf Grund dieser Tatsache wurde ab September 2005 nur noch der Feuchteindex an den Messpunkten 2, 3 und 5 aufgenommen.

Die Bilder 9 und 10 zeigen, dass auch nach abgeschalteter Oberflächentemperierung ab Anfang Mai bis Mitte November und danach kein erkennenswerter Einfluss auf die Feuchte im Mauerwerk, charakterisiert durch den Feuchteindex, im Gegensatz zur Oberfläche zu verzeichnen ist.

Die Vermutung, dass durch die Trocknungsmaßnahmen mit Hilfe eines Warmluftgebläses, nach dem Hochwasser 2002, die Außenwände der Kirche auf ein Niveau unterhalb der Gleichgewichtsfeuchte gebracht wurden, liegt nahe. Die gemessenen Feuchtewerte (s.a. [12]) aus dem Jahr 2003 bestätigen die Vermutung, da sie wesentlich unterhalb des Niveaus des anschließenden Messzeitraumes im Jahr 2004 liegen. Es könnte deshalb geschlussfolgert werden, dass die Wände der Kirche seit der Trockungsmaßnahme die Gleichgewichtsfeuchte anstreben, zumindest in den durch die Messungen erfassbaren Bereichen. Im Bereich der Oberfläche ist dies bereits geschehen. Die Oberflächenfeuchte im gemessenen Zeitraum 2004 entspricht tendenziell den Werten des Folgejahres. Der schnellere Ausgleichsvorgang ist auf die geringere gemessene Schichtdicke zurückzuführen. Im Tiefenbereich erreichte die Materialfeuchte erst zum Ende der Messungen ein gleich bleibendes Niveau. Im Allgemeinen geht man bei Außenbauteilen davon aus, dass sich nach einer Zeit von etwa zwei Jahren die Gleichgewichtsfeuchte einstellt. Auch diese allgemeine Behauptung würde die erzielten Ergebnisse bestätigen.

Einfluss der Nutzung auf die Raumluft- und Oberflächenfeuchte

Die Nutzungsfrequenz der Kirche unterlag erheblichen Schwankungen (Besuch des Gottesdienstes, insbesondere an kirchlichen Feiertagen, und durch Veranstaltungen und Hochzeiten). Während die durchschnittliche Nutzung der Kirche in dem Beobachtungszeitraum auch in der Schwankungsbreite relativ konstant blieb, sind bei den monatlichen Besucherzahlen erhebliche Schwankungen und Spitzen zu beobachten (Bild 11).

Gab es im Jahr 2004 gerade mal einen Monat mit mehr als 1000 Besuchern, so stieg die Anzahl im Jahr 2007 auf fünf Monate, wobei die letzten Tage im Dezember 2007 (Weihnachten) noch nicht in die Darstellung eingeflossen sind. Der Höchstwert wurde im Juni 2007 mit 2656 Besuchern erreicht. Ein Grund dafür waren in diesem Monat 15 Vermählungen, d.h. es fanden drei bis vier Hochzeiten an einem Tag statt. Dies bedeutet, dass ein hoher Feuchteeintrag durch die Personen (man kann im Mittel von 50 bis 70 g/h ausgehen) vorhanden war.

Die Außenluftbedingungen wurden ebenfalls gemessen und zeigen im Betrachtungszeitraum keine Auffälligkeiten (Bild 12), so dass sie kaum einen nennenswerten Einfluss auf die folgenden Messergebnisse infolge von natürlicher Lüftung (Öffnen der Türen, Undichtheiten im Gebäude und an der Fensterkonstruktion) haben konnten.

In der Kirche ist jedoch ein permanenter Anstieg der relativen Feuchte zu erkennen, die sowohl im Bereich des Altars als auch der Orgel die oberen Grenzwerte überschritten bzw. nahe an der oberen Grenze lagen (Bilder 13 und 14).

Die beiden Darstellungen (Bild 13 und 14) korrespondieren mit den Bildern 5 und 6. Durch die hohe Feuchtebelastung durch die Besucher steigt die Oberflächenfeuchte. Da diese aber nicht mehr ausreichend die Belastung kompensieren kann, ist folgerichtig ein Ansteigen der der relativen Feuchte gegeben.

Kritisch sind die hohen relativen Feuchten im Winter. Diese müssen auf jeden Fall vermieden werden. Setzt sich diese Tendenz fort, so wird es an unterschiedlichen Bauteilen, wahrscheinlich im Orgelbereich an schlecht belüfteten oder angeströmten Gegenständen oder vorhandenen Wärmebrücken zu Kondensation und Schimmelbildung kommen.

Einzige Lösungsoption scheint ein gezieltes Lüften mit Außenluft nach der Feuchtebelastung zu sein, wenn die absolute Feuchte der Außenluft kleiner ist als der obere Grenzwert der absoluten Feuchte. Dieses Lüften, ob durch natürliche Lüftung (gezieltes Öffnen von Türen und Öffnungen im Deckenbereich zum Dachgeschoss) oder zeitlich determiniertes mechanisches Lüften, ist energetisch ungünstig.

Allein eine Bewertung des Lüftens nur hinsichtlich des energetischen Aspektes ist hier nicht zweckmäßig, denn die Beseitigung von Feuchteschäden sowohl am Interieur als auch an der Orgel erscheint ökonomisch wesentlich aufwendiger.

Eine Einschränkung der Nutzung ist zwar eine Möglichkeit, aber im gegebenen Fall schon zu spät, denn mit hoher Wahrscheinlichkeit wird sich die in den Bildern 13 und 14 dargestellte Tendenz fortsetzen, zumal die oberflächennahen Schichten kaum mehr in der Lage sein werden, Feuchtigkeit zu speichern.

Dagegen zeigten die Temperaturverläufe der Raumluft im Bereich der Empore (nahezu identisch mit Orgel) und des Altars über dem Messzeitraum keine signifikanten Änderungen. Sie weisen auch daraufhin, dass die winterlichen vorgegebenen Raumlufttemperaturen gewährleistet werden konnten (Bilder 15 und 16).

Fazit

Aus den seit 2003 durchgeführten Messungen, zeigt sich, dass sich nach der Überflutung in 2002, der Trocknung und baulichen Sanierung in 2003 eine Feuchtegleichgewichtszustand zumindest an der Oberfläche eingestellt hat, aber auch im Inneren des Mauerwerks deutlich erkennbar ist.

Ein Einfluss der Oberflächentemperierung auf die Bauwerksfeuchte ist kaum signifikant erkennbar oder nachweisbar, obwohl in [3] andere Erkenntnisse publiziert werden.

Ab 05/2006 bis 11/2006 wurde die Bauteiltemperierung nicht betrieben. Die Oberflächenfeuchte von temperierten und untemperierten Flächen weisen nach kurzer Zeit nahezu gleiche Werte aus. Dagegen zeigt der sich eingestellte Gleichgewichtzustand im Mauerwerksinnern keine Veränderungen.

Durch die intensive Nutzung der Kirche ist im Bereich der Oberflächen eine zunehmende Feuchteaufnahme (auch mit Oberflächentemperierung) zu beobachten.

Die intensive Nutzung führt zu einem bedrohlichen Ansteigen der relativen Feuchte und einem Überschreiten der oberen Grenzwerte, die für den Erhalt des Interieurs als auch der Orgel nicht überschritten werden sollten.

Einzig zu empfehlender Lösungsansatz ist eine kontrollierte Lüftung mit Außenluft unter der Bedingung, dass die absolute Feuchte der Außenluft kleiner als die der Raumluft ist.

Die beschriebene Oberflächentemperierung hat zur Erhöhung der Behaglichkeit der Kirchenbenutzer beigetragen.

Eine Beurteilung und Wertung von technischen Lösungen, wie z. B. der Oberflächentemperierung, sollte und kann nur unter Beachtung der Nutzungsparameter sowie langfristiger Messungen und Untersuchungen, die natürlich zeit- und kostenaufwendig sind und die Bereitschaft und Verständnis des Anlagenbetreibers bzw. Anlagennutzers voraussetzen, erfolgen.

Die Untersuchungen sollten fortgesetzt werden (bis 09/2008 gesichert).

[1] Trogisch, A. Bauteiltemperierung als Feuchteschutz,

TGA-Fachplaner (2004), H. 5, S. 55-57

[2] Großeschmidt, H.: Das temperierte Haus: Sanierte Architektur und „Großvitrine“ in : Aspekte der Mueseumsarbeit in Bayern, Erfahrungen-Entwicklungen-Tendenzen, Museumsbausteine; Band 5: München, 1996

[3] Nesvadba, Käferhans: Hypokaustenheizung mit Trocknungs- effekt, 2002, Hrsg.: Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit, Österreich

[4] Löther, Th.: Untersuchungen zur Beheizung historischer Gebäude Diplomarbeit (unv.), 2005, HTWK Leipzig

[5] Angermann, T.: Schimmelt nicht mehr – Alternative Trockenle- gung der ehemaligen Kaiserresidenz „Alter Hof“ in München, SHT, 2005, H. 11, S. 82 bis 84

[6] Fingerling, A.: Gut temperiert – Sanierung und Erweiterung eines Fachwerkgebäudes, TAB, 2006, H. 7-8, S. 40 bis 42

[7] Eisenschink, A.: Leserbrief zu [1] in SHT, 2006, H. 2, S. 6

[8] Wiedmer, St, Trogisch, A.; Scheffler, S: Betriebserfahrungen bei der Beheizung einer Kirche, TAB (2006), H. 5, S. 44-49

[9] Trogisch, A. Scheffler, S., Peusch, A.: Wandtemperierung als Feuchteschutz ?: TGA-Fachplaner, (2005), H. 4 , S. 50-54

[10] Peusch, A.: Untersuchungen zur Beheizung von Kirchenräumen mit Bauteiltemperierung als Feuchteschutz – Messungen, Diplomarbeit (unv.), 2005, HTW Dresden

[11] Wiedmer, St... Untersuchungen zur Beheizung von Kirchenräu- men mit Bauteiltemperierung als Feuchteschutz – Messung und Auswertung , Diplomarbeit (unv.), 2005, HTW Dresden

[12] Haase, St. Untersuchungen zur Beheizung von Kirchenräumen mit Bauteiltemperierung als Feuchteschutz – Möglichkeiten und Grenzen, Diplomarbeit (unv.), 2004, HTW Dresden

[13] Wiedmer, St., Trogisch, A. Bauteiltemperierung als Feuchte- schutz? (Fortsetzung der Messauswertung in der Kirche „Maria am Wasser“), TGA-Fachplaner, (2006), H. 4, S. 50-54

[14] Bauteiltemperierung als Feuchteschutz und zur Vermeidung von Schimmel?, SHT; 2006, H.

[15] Bauteiltemperierung als Feuchteschutz in einer Kirche, 12. Bau klimatisches Symposium, TU. Dresden, Institut für Bauklimatik , 2007, Tagungsband