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Archivbauten
Plusenergie-Depots sollen Kulturgüter nachhaltig bewahren
Sammlungen deutscher Museen, Bibliotheken und Archive lagern oft in Depots und Magazinen. Wie sich eine langfristige, sichere Bewahrung mit energieeffizienten und kostengünstigen Depot- und Archivbauten umsetzen lässt, hat das Projekt "EnOB: Plusenergiedepot" untersucht. Ein Handbuch fasst nun die wichtigsten Ergebnisse und Schlüsse für künftige Bauvorhaben zusammen.
„Wenn Kommunen Depots bauen, dann oft zum ersten Mal. Wir wollten denen etwas an die Hand geben, um fehlende Erfahrungen auszugleichen“, erklärt Ralf Kilian, Experte für Kulturerbe-Forschung am Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP. Auch die Hochschule Erfurt, die Brandenburgische Technische Universität Cottbus-Senftenberg sowie die Moduldepot GmbH waren am Projekt „Plusenergiedepot“ beteiligt.
Die Anzahl der Depot- und Archivbau-Projekte hat in den vergangenen zehn Jahren in Europa stark zugenommen. In Zeiten ambitionierter Klimaziele und sinkender Kulturbudgets sind erweiterungsfähige, schnell zu errichtende, ökonomische sowie konservatorisch geeignete Lagerflächen für Sammlungen erforderlich. „Skandinavische Länder bauen bereits energiesparende, gut funktionierende Depots“, erklärt Kilian. „In Deutschland können wir energetisch und konservatorisch noch günstiger bauen.“
Konstantes Raumklima schont Kulturgüter
Im Fokus steht meist ein konstantes Raumklima bei reduzierter anlagentechnischer Ausrichtung. Das bedeutet, dass nahezu alle Neubauprojekte versuchen, das geeignete Raumklima über den Klimakorridor und das Nutzerverhalten anzupassen sowie den passenden Baukörper zu berücksichtigen. Die Anlagentechnik wird dabei auf ein notwendiges Minimum reduziert, um den Energie- und Folgekosten gerecht zu werden. Wer einen solchen Gebäudetypus "Depotgebäude" baut, kalkuliert mit einer Lebensdauer über 50 Jahre oder länger.
Auch wenn viele Projekte bereits Baukörper mit Passivhausstandard umsetzen, verzichteten andere aus wirtschaftlichen Gründen darauf. Die Projektpartner wollten einen Bautypus für ein Depot oder Archiv entwickeln, der folgende Punkte verbindet: geringe anlagentechnische Investitionen und Folgekosten bei idealer Energieeffizienz, beste konservatorische Bedingungen, Nachhaltigkeits- sowie Qualitätsmanagement.
Der bisherige Wissensstand zum Thema Raumklima und Energieeffizienz im Kontext der Lagerung von Kulturgütern beschränkte sich vor Projektbeginn fast ausschließlich auf den Bereich Archivbauten. Hier gebe es Publikationen zum Kölner, Schleswiger und Kassler Modell, "die jeweils mit unterschiedlichen Belüftungsstrategien arbeiten", erklärt Kilians Kollegin Kristina Holl, die bei Fraunhofer IBP im Bereich Präventive Konservierung tätig ist.
Beim Kölner Modell, benannt nach dem Kölner Stadtarchiv der 70er-Jahre, übernehmen die Baumaterialien einen großen Teil der Klimatisierung, sodass auf aufwendige technische Lösungen verzichtet werden kann. Das Schleswiger Modell basiert auf dem Kölner Modell, setzt jedoch auf eine passive natürliche Klimatisierung mit geringer Durchlüftung. Das Kasseler Modell hat eine Temperierung – eine Wand- statt eine Luftheizung. Der 1997 in Betrieb genommene Magazinneubau in Kassel wird über eine Wandheizung klimatisiert – Temperierbänder erwärmen die Luft an der Wandoberfläche. Ein Prinzip, das so ähnlich schon im alten Rom genutzt wurde. Auch die Adaption von Bestandsgebäuden wird vielfach praktiziert: So nutzt das Stadtarchiv Leipzig den Umbau einer alten Messehalle für eine Haus-in-Haus-Lösung.
Dank einer guten und professionellen Baupraxis werden darüber hinaus Archivgebäude neu errichtet. Der Neubau des Historischen Archivs in Köln soll hier beispielsweise 2022 neue Maßstäbe setzen.
Die Forscherinnen und Forscher im Projekt "EnOB: Plusenergiedepot" haben unter Vorgaben der Präventiven Konservierung eine Musterlösung für Depots und Archive mit Plusenergiestandard entwickelt. Das Fachgebiet der Präventiven Konservierung setzt einen besonderen Schwerpunkt darauf, Schäden bereits im Vorfeld zu vermeiden oder zumindest das Schadensrisiko zu verringern.
Zentrale Frage im Projekt war, ob ein Archiv oder Museumsdepot ein hervorragendes Klima für den Erhalt von Kunst und Kulturgut haben und gleichzeitig hoch energieeffizient sein kann. Dabei standen Überlegungen der Prävention, das konservatorische Konzept, geringer Technikeinsatz, hohe Energieeffizienz und die Nachhaltigkeit im Mittelpunkt. Und natürlich die Kosten: Während der Bau eines Archivs nur 15 Prozent der gesamten Lebenskosten ausmacht, liegen die Folgekosten vor Abriss bei 80 Prozent. Die Hälfte davon für die Bewirtschaftung, also Energie-, Betriebs und Wartungskosten. Wer diese Kosten um 37,5 Prozent senken kann, hat damit quasi die gesamten Errichtungskosten wieder eingespart.
Die Schadensrisiken für ein Archiv oder Depot müssen niedrig bleiben. Hier gilt es, chemische Prozesse wie Reaktionen oder Verfall zu bedenken, aber auch biologische Risiken wie etwa eine mikrobiologische Kontamination. Nicht zuletzt sind Archivalien physikalischen Kräften ausgesetzt: Feuchtigkeit und Temperaturwechsel gelten als Hauptprobleme. Experten sprechen hier von hygroskopischer und thermischer Dilatation. Aber auch ein (zu) geringer Luftwechsel kann die Haltbarkeit von kontaminiertem Kulturgut verringern, etwa wenn es Schadimmissionen aus einer früheren chemischen Behandlung gibt, wie sie zum Beispiel gegen Schädlingsbefall vorgenommen wurden.
Projektinformationen als Handbuch erschienen
Die Forschenden haben mit Literaturrecherchen den aktuellen Wissensstand zum Thema Archiv- und Depotbauten zusammengetragen. Dieser bildet ein Kapitel im „Handbuch Depots und Archive“, das während der Projektzeit entstanden ist. (Mehr Informationen zum Handbuch finden sich auf der Seite des Fraunhofer-Informationszentrum Raum und Bau IRB.)
„Das Handbuch richtet sich an alle“, erklärt Holl. „Zunächst kleinere Gemeinden, die die Notwendigkeit eines Depotbaus sehen. Restauratoren, Architekten und Gebäudeplaner bekommen ebenfalls Hinweise, worauf sie achten müssen. Schließlich müssen auch die Nutzer schauen, dass notwendige Handlungen auch umgesetzt werden.“
Darin finden sich auch Beispiele jüngerer Depot- und Archivbauten und im Projekt erhobene Daten. Denn die Forscherinnen und Forscher haben in unterschiedlichen Häusern ein Klima-Monitoring zur Bewertung von aktiven und passiven Klimatisierungsstrategien vorgenommen. Kriterien waren etwa Feuchte an Oberflächen und Luft, Energieverbrauch oder die Temperatur. Während die meisten Depots und Archive Temperaturen zwischen 17 und 21 Grad halten, zeigten sich bei einem Depot im Sommer 30 Grad. Ein Extremfall, aber schon Wohlfühltemperaturen der Mitarbeitenden sind den eingelagerten Kulturgütern nicht zuträglich – die Trennung von Arbeits- und Lagerplätzen ist also ein wichtiges Element von Depot- und Archivbauten. „Heiße Temperaturen sind aus Lagersicht schlecht, chemische Reaktionen laufen dann schneller ab, gerade bei organischen Materialien“, erklärt Forscherin Holl. „Deshalb wollten wir geringere Temperaturen simulieren. Der Bearbeiter vor Ort soll zwar nicht frieren, aber eigentlich planen wir von der Kunst her.“
Anforderungskatalog und Simulationen
Ein Anforderungskatalog, den die Forscherinnen und Forscher entwickelten, enthält sowohl präventiv konservatorische als auch wirtschaftliche Parameter. Etwa Luftwechsel, Lagertechnik oder Raumklima. Bauphysikalische, wirtschaftliche und energetische Gesichtspunkten von Depots (Einfluss von Kapazität, Volumen, Feuchtquellen, Inventar, Archivgut etc.) flossen ebenfalls ein.
Eine Zusammenfassung unterschiedlicher Konzepte aus jüngsten Bauprojekten für Depot- und Archivgebäude hinsichtlich Energieverbrauch, Baukosten, Nachhaltigkeit, konservatorischer Wirksamkeit und Betriebssicherheit ist Teil des Handbuchs. Hier werden unterschiedliche Modelle aus Flächenheizungen im Boden (KHM Wien), Flächenheizung in der Wand (Hüllflächentemperierung Historisches Archiv Köln) und alternativen Heiz- und Lüftungssystemen (Freiburg) vorgestellt. Diese Systeme stehen exemplarisch für den aktuellen Standard der Bauausführung solcher Gebäude.
Simulationen von Hitze und Feuchtigkeit
Um den Einfluss von Baumaterialien und Klimatisierungsstrategien auf das Raumklima nachzuweisen, haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von Fraunhofer IBP und der HS Erfurt verschiedene Depots und Archive rechnerisch simuliert. „Man kann Geometrie und Materialien eingeben, auch verschiedene Lagen von Voralpen bis Nordsee“, erklärt Kilian. „Diese Klimadaten beeinflussen das Gebäude genauso wie die Nutzerprofile, zu denen etwa Heizung und Entfeuchtung gehören.“
Wie wirken feuchte-puffernde Wandmaterialien? Welche Raumklimastabilität kann man annehmen? Für erfolgreiche Simulationen an Bestands- oder Neubauten sind in erster Linie die Kenntnis aller hygrothermischen Kenngrößen sowie die Nutzungsbedingungen und Regelstrategien der Gebäudetechnik erforderlich. „Die Qualität solcher Simulationen ist mittlerweile sehr gut“, sagt Kilian. „So können wir bereits abschätzen, wie viel Energie wir selbst erzeugen müssen, um bei Nullenergie zu sein.“
„Wir haben aber nicht nur Neubauten, sondern auch Bestandsgebäude simuliert“, erklärt Holl. „Die Kolleginnen und Kollegen der Hochschule Erfurt haben beispielsweise das zentrale Museumsdepot in Weimar simuliert, mit Blick auf Energieoptimierungen.“ Und mittlerweile habe das Weimarer Depot auch die daraus gewonnenen Erkenntnisse in Form von Empfehlungen erhalten.
Ziel der Simulationen war, keine Einzellösung darzustellen, sondern ein typisches Modell mit übertragbaren Komponenten und Lösungen für die Gebäudegattung Depot- und Archivbauten. Dazu müssen auch Daten zu Gestehungskosten, Materialverbrauch und Betriebskosten hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit analysiert werden.
Insbesondere die Aspekte Gestehungskosten und graue Energie für die Errichtung; Betriebs-, Wartungs-, und Energiekosten, Funktionssicherheit und Schadstoffe flossen auch in eine Nachhaltigkeitsbetrachtung ein. Diese Lebenszyklusbetrachtungen sind/wurden ganzheitlich auf die Gattung Depot- und Archivbauten vorgenommen. Basierend darauf ist für alle Bauphasen - von der Planung, Ausführung bis zur Nutzung - ein Qualitätsmanagement-Leitfaden entwickelt worden.
Aus dem End- und Primärenergiebedarf verschiedener Simulationen konnten die Forscherinnen und Forscher errechnen, welche Dimensionen eine Photovoltaik-Anlage haben müsste, um einen Plusenergiestandard für das Depot zu erreichen.
Das Modellkonzept ist am Beispiel des in der Planung befindlichen Depots in Wasserburg virtuell durchgespielt worden, das 2023 fertiggestellt werden soll.
Kosten langfristig betrachten
Ein großes Hemmnis bei der Umsetzung eines Plusenergiekonzepts mit öffentlichen Bauträgern sind die im Vorfeld schwer kalkulierbaren Mehrkosten. Wenn Architekten und Fachplaner eine Sicherheit im Mehraufwand der Planung erbeten und damit die angesetzten Baukosten nach oben korrigieren, schreckt das Bauträger oftmals ab. Die Umsetzung scheitert also in erster Linie an psychologischen als an technischen Fragen. Die Konsequenz ist, dass bisher viele Depot- und Archivprojekte konservativ ausgeführt werden.
„Wenn man bei den Gebäudekosten sparen will und die Betriebskosten ausklammert, auch weil es vielleicht verschiedene Töpfe sind, bezahlt man am Ende mehr“, warnt Holl. „Der Bauherr sieht bei Photovoltaik vielleicht noch die Mehrkosten – der Nutzer hingegen freut sich über die regelmäßige Ersparnis.“ Auch Ralf Kilian sieht diese Vorteile: „So ein Bau, der am Ende Energie abwirft, amortisiert sich ja nicht nur ideell, sondern senkt die laufenden Kosten langfristig.“
Nachhaltiges Planungskonzept
Mit einem Planungskonzept für den Neubau eines Plusenergiedepots wollen die Forscherinnen und Forscher hier gegensteuern: die Architekturplanung wird mit getrennten Depotbereich und Funktionsflächen, einer geschützten Anlieferung, zwei Konstruktionsvarianten (puffernde und nicht puffernde Bauweise) sowie mit sehr guter Wärmedämmung und Luftdichtigkeit durchgespielt.
Außerdem wurde untersucht, inwieweit sich der Klimawandel auf das Planungskonzept auswirkt und künftig berücksichtigt werden kann. Dazu sind Simulationen mit den Klimawerten des Testreferenzjahres 2035 durchgeführt worden. Diese zeigten, dass die höheren Durchschnittstemperaturen des Außenklimas im Jahresmittel die Kühllast erhöhen. Es empfiehlt sich daher, Depoträume mit besonders hohen Klimaanforderungen konzeptionell in unterirdischen Geschossen oder möglichst ohne Außenraumbezug im Gebäudeinneren vorzusehen. Zudem ist eine zusätzliche Dämmung der Innenwände zu höher temperierten Depotbereichen einzuplanen, um ungewollte Wärmeeinträge von innen und außen gering zu halten.
Beim Planungskonzept für ein Plusenergiedepot wurden verschiedene Parameter wie Konstruktion, Raumklimavorgaben und Technikvarianten auf ihren Energiebedarf untersucht. Wenn die maximale Raumsolltemperatur keinen strengen Anforderungen unterliegt, kann auf eine mechanische Kühlung verzichtet werden. Wird auf nicht mehr als 16 °C (bei feuchtepuffernder Bauweise nicht mehr als 18 °C) geheizt, kann auch auf eine Befeuchtung verzichtet werden.
Je tiefer die Raumsolltemperatur im Winter ist, umso mehr muss zwar im Sommer entfeuchtet werden, es sinkt aber auch der Bedarf an Heizenergie und die Bedingungen für den Erhalt chemisch instabiler Objekte verbessern sich gleichsam.
Um den Plusenergiestandard zu erreichen, muss zusätzlich Strom aus Solar- oder Windenergie erzeugt werden. An vielen Standorten ist nur eine Stromerzeugung über Photovoltaik-Module möglich. Wählt man die energieeffizienteste Raumklima- und Technikkombination, ist - abhängig von der Gebäudegröße - eine installierte Leistung von elf Kilowatt Peak der PV-Anlage notwendig. Damit ist ein rechnerischer Eigenstromverbrauch von 85 Prozent zu erreichen.
Der hohe Eigenstromverbrauch hängt auch von den gewählten Raumklimavorgaben ab. Durch die relativ niedrige Solltemperatur im Winter sinkt der Heizenergiebedarf im Winter und es entsteht ein zweites Maximum im Sommer für die Entfeuchtung. Hier stimmen jedoch der Bedarf und die Erzeugung an Energie viel besser überein als im Winter. Um die erzeugte Energie im Winter komplett zu verbrauchen, und die Entfeuchtung im Sommer komplett mit selbst erzeugtem Strom betreiben zu können, sind zusätzlich Stromspeicher notwendig.
Mit Hilfe der Gebäudesimulation zeigte sich, dass durch passive Klimatisierung mit hochgedämmter und hoch luftdichter Gebäudehülle ein für die dauerhafte Präventive Konservierung notwendiges, sehr stabiles Klima bei extrem niedrigem Energiebedarf erreichbar ist. Die wenige noch zum Betrieb notwendige Energie kann beispielsweise über Photovoltaik am Gebäude produziert und so in der Jahresbilanz der „Plusenergiestandard“ erreicht werden.
Transfer in die Praxis
Die Ergebnisse des Forschungsvorhabens finden sich nun im „Handbuch Depots und Archive“. Es soll vom Planungsbeginn bis zum Einzug beziehungsweise Umzug der Sammlung ins neue Depot eine Hilfestellung geben. Die im Projekt erarbeiteten Ergebnisse aus dem durchgeführten Monitoring, Simulation, Nachhaltigkeitsbetrachtungen etc. sind ausführlich beschrieben.
„Planungsfehler sind eine wichtige Ursache für Folgeschäden“, warnt Kilian. „Hier ist besonders wichtig, Experten mit einzubinden. Denn Fehler, die hier gemacht werden, lassen sich kaum im Nachhinein ausmerzen.“ Da leiste der bereits erwähnte Qualitätsmanagement-Leitfaden der Kolleginnen und Kollegen aus Erfurt, Hilfestellung.
Gleichzeitig wollen sie die Debatte über das Klima in den Depots anstoßen: „Egal, ob saniert oder neu gebaut wird – die klimatischen Bedingungen sind oft verbesserbar“, sagt Holl. Gleichzeitig schauen die Autorinnen und Autoren auch auf das Klima außerhalb der Archive: „Nutzbauten können einen wichtigen Beitrag leisten, die Energiewende voranzubringen und den Klimawandel zu verlangsamen“, erklärt Kilian. Deshalb bleibe es auch nicht beim Handbuch, Teilergebnisse wurden und werden in einschlägigen Medien veröffentlicht. Eine weitergehende Veröffentlichung der Ergebnisse des Vorhabens in verschiedenen Print und Online-Medien sowie auf Konferenzen ist ebenfalls geplant. (pj)