Projektstudie zur Nachrüstung Klimakälte an der RLT-Zentalanlage der Frauenkirche Dresden
Öffentliche Bauten von herausragender kulturhistorischer Bedeutung in unveränderter Form und Außenwirkung zu erhalten und dennoch zeitgemäße gebäudetechnische Systeme zu integrieren - darin besteht eine besondere Herausforderung.
Der Tradition verpflichtet
In ca. 40 deutschen Städten gibt es eine Liebfrauenkirche oder Frauenkirche. So auch in Dresden. Die Namensgebung verweist auf Maria, Mutter Gottes. Sie entstammt der katholischen Kirchentradition und blieb nach der Reformation verkürzt als „Frauenkirche“ erhalten.
Die Dresdner „Frauenkirche“, einschließlich ihrer Vorgängerbauten, blickt auf eine mehr als 1.000 jährige Geschichte zurück. Im Jahre 1743 wurde die uns heute bekannte, nach Plänen des Ratszimmermeister George Bär ausgeführte Kirche fertiggestellt. Mit dem Aufsetzen der Laterne auf eine bis dahin nördlich der Alpen unbekannte Steinkuppel wurde der Traum des George Bär, die Frauenkirche sei „von Grund aus bis oben hinauf gleichsam nur ein einziger Stein“ verwirklicht. Diese Frauenkirche ist es auch, die durch ihre Zerstörung im Februar 1945 weltweit zu einem Fanal für die Sinnlosigkeit des Krieges und in der Nachkriegszeit zu einem Wahrzeichen und Mahnmal wurde.
Mit dem historischen Wiederaufbau ab dem Jahre 1992 und der Weihe im Oktober 2005 wurde mit weltweiter Unterstützung den Dresdnern und allen Besuchern ein Baudenkmal von kulturell und historisch überragender Bedeutung zurückgegeben.
Möglich wurde der Wiederaufbau u. a. durch die nationale und weltweite Unterstützung der Initiatoren und ihrem „Ruf aus Dresden“ vom Februar 1990.
Als Leitgedanken des Wiederaufbaus galten:
- Wiederaufbau unter weitgehender Verwendung der Originalbausubstanz und der Originalpläne
- Nutzung modernster Bautechnologien und Erkenntnisse der Bauphysik, Baustatik
- Sicherung einer lebendigen Nutzung im 21. Jahrhundert
Die Nutzung der Frauenkirche
Nun mag man sich vom Leben der Kirchgemeine der Frauenkirche im 18. Jahrhundert verschiedene Vorstellungen machen; eines jedoch ist sicher. Die öffentliche Nutzung des Kirchenbaus im 18. Jahrhundert war eine andere als sie heute im 21. Jahrhundert ist und sein wird.
Der Gesamtplaner der gebäudetechnischen Ausrüstungen, IPRO Dresden, realisierte deshalb in Zusammenarbeit mit anderen Fachplanern an dem historischen Objekt die notwendige Anlagentechnik der Neuzeit. Speziell die Systeme der Bautemperierung, Klimatisierung mussten zukunftssicher und dennoch baulich zurückhaltend ausgeführt werden.
Die Anlagentechnik, speziell Klimatechnik
Im Kirchenraum wurde neben einer Boden-Flächenheizung eine Teilklimaanlage für den notwendigen Luftaustausch als Nur-Luft-Zentralanlage für Luftheizung und Befeuchtung installiert. Die RLT-Geräte sind mit einer Leersektion für die spätere Nachrüstung eines Kühlregisters vorgesehen. Dies erwies sich als sinnvoll, da im Bereich des Neumarktes durch die Stadtwerke für die nahe Zukunft eine Nahkälteversorgung geplant war. Insofern wurden die Geräte bis zu diesem Zeitraum nur mit der Anlagenschaltung „direkte Nachtfreikühlung“ betrieben.
Besucherstrom und Klimaentwicklung
Damit hätten wohl kaum einer gerechnet. Am 10.06.06 meldet die Sächsische Zeitung Dresden: „Eine Million Besucher in acht Monaten - dieser Ansturm auf dieFrauenkirchehat selbst Baudirektor EberhardBurgerüberrascht. An manchen Tagen wollen bis zu 60 000 Menschen das Innere des wieder errichteten Gotteshauses in Dresden besichtigen. Mehr als 10 000 Besucher pro Tag können aber nicht hinein. "Das Interesse ist ungebrochen", sagtBurger.
Zum anderen: Wie auch andernorts in Deutschland sind die Jahresdurchschnitts-temperaturen in der Stadt Dresden seit der Jahrtausendwende erkennbar angestiegen.
Speziell die sommerlichen Maximaltemperaturen im Stadtzentrum, am Standort Frauenkirche, erreichten in den letzten Jahren leicht Werte bis 38°C.
Die notwendige Konsequenz aus Besucherstrom und Klimaentwicklung
In der Folge kam es in den Hauptnutzungszeiten der Kirche, zu Zeiten des größten Besucherverkehrs, zu Temperaturen im Kirchenschiff, die dem Bauwerk und den Besuchern nicht mehr zumutbar waren. Diese ließen sich auch mit „Nachtfreikühlung“ nicht mehr kompensieren.
So wundert es denn nicht, dass die Sächsische Zeitung am 06.01.2007 schreibt:
„DieFrauenkircheDresdenerhält im Sommer 2007 eineKlimaanlage. Damit will die StiftungFrauenkircheDresdenmögliche Schäden am Gebäude verhindern, die durch eine unerwartet hohe Luftfeuchtigkeit aufgrund der vielen Besucher entstehen könnte. …“
Die Systementscheidung
Die klimatische Entwicklung und der anhaltende Besucherzustrom hatten also alle Planungsperspektiven über den Haufen geworfen. Klima musste sofort nachgerüstet werden. Bezüglich der Systementscheidung waren zwei Varianten in der Diskussion:
Zum einen die Versorgung mit der zu diesem Zeitpunkt nur teilausgerüsteten Nahkälteanlage der Stadtwerke, zum anderen die Eigenversorgung mit einer im oder am Gebäude neu aufzubauenden Kälteanlage. In Bewertung mehrerer Kriterien durch das beauftragte Ingenieurbüro, IB Schmidt & Partner, entschied sich die Stiftung Frauenkirche für die Variante Eigenversorgung. Dies wohl auch wegen der sofortigen Umsetzbarkeit.
Die technische Lösung
Allerdings; eine wesentliche Herausforderung dieser Entscheidung war: Wohin mit der nun notwendigen Kältemaschine und der Abwärme aus dem Kühlprozess?
Wer die Frauenkirche besucht hat und die Gegebenheiten kennt weiß, dass im Außenbereich dahingehend keinerlei Aufstellchancen bestehen.
Genau aus diesem Grunde sind beim Wiederaufbau der Kirche die RLT-Geräte für den notwendigen Luftwechsel in einem neu errichteten unterirdischen „Nebenbauwerk“ unter dem angrenzenden Neumarkt installiert worden.
Bild: Grundriss Nebenbauwerk
Für die Außenluft/Fortluftanbindung der RLT-Geräte sind hierzu gestalterisch anspruchsvolle Ansaug- u. Ausleitbauwerken an der Kirche ausgeführt worden.
Bild: Ansaug-Ausleitbauwerke
Unter diesen Bedingungen war die einzige Möglichkeit, die Kälteversorgung der vorhandenen RLT-Geräte über die s. g. „Interne Kälte“.
„Interne Kälte“
Die Schaltung: „Interne Kälte“ bedeutet die Versorgung von RLT-Zentralgeräten mit Klimafunktion mittels einer in oder an diesen selbst installierten Kälteanlagen. In jedem Fall aber – und dafür gilt die Formulierung primär – sitzen die notwendigen Wärmetauscher im Luftstrom des versorgten RLT-Gerätes.
Die Ausführung der „internen Kälte“ selbst ist nicht unproblematisch und bedarf einer gewissenhaften Planung. Der Verdampfer im Zuluftstrom des RLT-Gerätes als „Wärmequelle“ generiert den Wärmestrom welcher an der „Wärmesenke“, dem Verflüssiger an den Fortluftstrom des RLT-Gerätes abgegeben wird. Zudem wird über das Kältemittel die Wärmemenge abgeführt, welche der üblicherweise elektromotorisch angetriebene und sauggasgekühlte Verdichter über seine Antriebsleistung aufnimmt.
Hauptregelgröße des Prozesses ist die Verdampferleistung. Die hierbei freiwerdende Wärmemenge zuzüglich Antriebsleistung Verdichter kann vom Verflüssiger jedoch nur vollumfänglich abgeführt werden, wenn die Fortluftmenge und/oder deren Temperatur dies ermöglichen. Als Begrenzungsfunktion wirkt hier der sich einstellende Kondensationsdruck im Verflüssiger. Dieser darf den zulässigen Betriebsdruck der Kälteanlage nicht überschreiten. Weiterhin muss das Kältemittel sicher verflüssigen, also den Verflüssiger mit einer gewissen Untertemperatur verlassen.
Für den Anlagenaufbau selbst bieten sich 2 Hauptschaltungen an, welche sich an der Begrenzungsfunktion Verflüssigungsdruck/Temperatur orientieren.
RLT-Gerät mit Sekundärluftmenge
In dieser Schaltung können einzelne oder mehrere, auch ungeregelte Verdichter betrieben werden. Sobald mit Leistungssteigerung der Verflüssigungsdruck den Begrenzungsdruck erreicht wird die technologisch bedingte Fortluftmenge, jedoch nur diejenige über den Verflüssiger, mittels s. g. Sekundärluft erhöht. In der Folge steigt die Leistung des Verflüssigers, der Verflüssigungsdruck sinkt wieder. Ein großer Vorteil der Nutzung der Sekundärluftmenge liegt in der Möglichkeit, große Wärmemengen abführen zu können. Dies allerdings wird erkauft mit einem beträchtlichen apparativen Aufwand.
RLT-Gerät ohne Sekundärluftmenge
Diese Schaltung arbeitet mit einzelnen oder mehreren, vorzugsweise stetig leistungsgeregelten Verdichtern. Die Fortluftmenge ist technologisch bedingt konstant und wird nicht umgeschalten. Stattdessen wird mit dem leistungsgeregelten Verdichter ein zulässiger maximaler Verflüssigungsdruckbereich angefahren und über den Proportionalregler der Kältemaschine konstant gehalten. Diese Schaltung kann wegen unveränderter Fortluftmenge zumeist nicht die gleiche Wärmemenge abführen wie die vorgenannte. Dafür liegen deren Vorteile klar im erheblich geringeren apparativen Aufwand. Speziell in der Nachrüstung und erst recht, wenn industriefertige Kältemaschinen mit komfortabler Eigenregelung zum Einsatz kommen.
Beiden Schaltungen ist gemein, dass die Mischluftschaltung im Kühlbetrieb wegen der entstehenden Fortluftdefizite nicht oder nur begrenzt nutzbar ist.
Die anlagentechnische Situation an der Frauenkirche
Die an der Frauenkirche vorhandenen, nunmehr mit Kühlfunktion nachzurüstenden RLT-Anlagen, bestehen aus 2 Zentralgeräten mit jeweils 20.000 m3/h Gesamtluftmenge.
Diese werden in Anhängigkeit der Luftqualität im Kirchenraum und des Nutzungsbetriebes in Sequenz betrieben.
In diesen Geräten mussten nun zwei Wärmetauscher nachgerüstet werden. Für den Luftkühler war in eine Leersektion vorhanden. Schwieriger gestaltete sich die Verflüssigerseite. Hier gab es wegen der beabsichtigen Nahkälteversorgung keine Leersektion für einen Verflüssiger. Dankenswerterweise war jedoch eine Änderung der Geräteausstattung dahingehend möglich, dass die geräteinternen Schalldämpfer in den Fortluftkanal verlegt werden konnten. Damit war Platz frei für den Einbau des Verflüssigers.
Bild: RLT-Gerät Nachrüstung
Die Kältemaschinen selbst, eine je RLT-Gerät, sind in Stapelanordnung neben den RLT-Geräten aufgebaut worden.
Schallschutz
Eines der wichtigsten und zugleich kritischsten Themen war der Schallschutz. Die Frauenkirche Dresden wird neben ihrer Nutzung durch die Gemeinde wegen ihrer guten Akustik auch für Konzerte und Konzertaufzeichnungen genutzt.
Insofern verwundert es nicht, dass einer geräuscharmen Technik besondere Aufmerksamkeit galt.
Die Kältemaschinen durften also im Zusammenspiel mit den RLT-Geräten den Schalldruckpegel am Aufstellort, dem unterirdischen „Nebenbauwerk“ nicht erhöhen.
Erreicht wurde dies durch eine Schallschutz-Kapsel, welche die Gesamtmaschine, ausgenommen den Schaltschrank, komplett akustisch abschirmt.
Bild: Schallschutz-Kapsel
Das Herz der Kälteanlage - der stufenlose DAIKIN- Monoschraubenverdichter
Schraubenverdichter in mittleren und größeren Leistungsbreichen werden in der Industrie, in der Kälte- und Klimatechnik wegen ihrer hohen Performance, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit bereits seit längerem erfolgreich eingesetzt.
Bild: Daikin Single Screw
Die Idee des Schraubenverdichters beruht auf der seit der Neuzeit bekannten archimedischen Schraube. Gleichwohl scheiterten seither alle Konstruktionsversuche eines Kältemittelverdichters an der komplizierten Schraubengeometrie.
Bild: Twin und Single Screw, links
Erst im Jahre 1930 gelang es dem schwedischen Ingenieur Alfred Lysholm, den ersten funktionsfähigen Doppel-Schraubenverdichter herzustellen. Im Jahre 1960 entwickelte der Franzose Bernard Zimmern einen völlig neuen Schraubenverdichter, der nach dem „Mono-Schraubenprinzip“ arbeitete und wesentliche Vorteile gegenüber dem damals bekannten Schraubenverdichter hatte.
Wenige Firmen, darunter Daikin IndustriesLTD., erwarben in den 60er und 70er Jahren die Lizenzrechte an diesem einzigartigen Verdichter und haben diesen seither stetig weiterentwickelt und verbessert. Daikin zählt heute zu den führenden Herstellern von Swing-, Scroll- und Mono- Schraubenverdichtern und setzt diese seit Jahrzehnten erfolgreich in seinen Kälte- und Klimasystemen ein.
Der Mono-Schraubenverdichter besteht aus nur fünf beweglichen Teilen und zeichnet sich durch eine sehr hohe Zuverlässigkeit aus. Der Verdichter verfügt über einen Hauptrotor, der ohne Getriebe direkt mit dem E-Motor gekoppelt ist. Die Verdichtung erfolgt über zwei tangential gegenüberliegend liegende Stern-Nebenrotoren, deren Sternprofil das Negativabbild des Hauptrotors darstellt. Die Dichtflächen der Sternrotore sind aus einem extrem robusten, mit Kohlenstoff imprägnierten verschleißarmen Verbundwerkstoff gefertigt. Die damit entstehende Abdichtung zwischen Metall am Hauptrotor und Verbundmaterial an den Nebenrotoren ist selbst schmierend und verringert die Notwendigkeit von Öl als Druckabdichtung. Der Mono-Schraubenverdichter versteht sich insofern als ölarmer Verdichter mit geringem Ölwurf in den Kältekreis.
Bild: Daikin Single Screw 2
Eine Besonderheit die den Mono-Schraubenverdichter als Rotationsverdichter auszeichnet ist, dass durch die Sternrotore eine kontinuierliche Doppelverdichtung erreicht wird. Da der Verdichtungsprozess auf beiden Seiten des Hauptrotors synchron abläuft führt dies neben einer geringeren Verdichterbaugröße zu einer kompletten Aufhebung der durch den Verdichtungsdruck und die rotierenden Massen erzeugten radialen Momente. Eine Ausgleichsbohrung im Hauptrotor eliminiert die axialen Schubkräfte des Saugdruckes, die sonst auf die Lagerstellen wirken würden.
Im Ergebnis arbeitet der Mono- Schraubenverdichter im Vergleich zu anderen Schraubenverdichtern in einem völligen Kräftegleichgewicht, was zu höherer Effizienz, längeren Standzeiten der Lagerstellen, geringeren Vibrationen und durch die geringeren Umdrehungszahlen der Nebenrotoren auch zu niedrigen Betriebsschallpegeln führt.
Der Geräuschpegel des Mono- Schraubenverdichters ist aufgrund des doppelwandigen Verdichtergehäuses und des teilintegrierten Ölabscheiders besonders niedrig. Der Druckstutzen des Verdichters ist konstruktiv als Schalldämpfer ausgeführt. Mit der Doppelverddichtung auf beiden Seiten des Hauptrotors ergeben sich Schallwellen, deren Amplitute um eine Halbwelle versetzt ist, so dass sich diese akustisch aufheben.
Regelstrategie der Anlage
Nachdem bei einer stufigen Regelung eines Kälteerzeugers eine oder mehrere Leistungsstufen angefahren werden, führt dies logischerweise zu einer permanenten Über- oder Unterdeckung des jeweiligen Kältebedarfs, damit am Regler zu bleibender Regelabweichung. Die Anlage arbeitet mit hoher Schalthäufigkeit, sie taktet. Dies wiederum führt, wie bereits erwähnt, zu Schwankungen des Saugdruckes und des Hochdrucks, was hier wesentlich kritischer ist. Nachdem der zulässige Hochdruck bei der Schaltung der internen Kälte als Begrenzungsfunktion wirkt, erhöht dieser Sicherheitseingriff nochmals die Schalthäufigkeit. Dies mit allen negativen Konsequenzen für Regelgenauigkeit und Maschinenstandzeit.
Bild: Leistungsregelung stufig
Anders die stufenlosen Regelung. Hier steuern zwei Axialschlitzschieber den variablen Kältemittelstrom des Verdichters. Dessen Leistung wird so stufenlos zwischen 30 und 100 % ausgeregelt. Der maschineninterne DDC-Mikroprozessor überwacht sämtliche relevanten Parameter und optimiert den Arbeitsprozess des Klimasystems um einen wirtschaftlichen Betrieb der Klimaanlage sicherzustellen. Der gewünschte Sollwert wird eingehalten. Gleichzeitig ergibt sich eine Minimierung der Schaltzyklen des Verdichters verbunden mit der Optimierung des Voll- und Teillastwirkungsgrades (EER und ESEER) Elektrische Stromspitzen und mechanischer Verschleiß werden auf ein Minimum reduziert. In der Folge steigt der Regelkomfort, die jährlichen Betriebskosten werden erheblich reduziert.
Bild: Leistungsregelung stufenlos
Die Vorteile einer stufenlosen Leistungsregelung für die Anwendung in der Frauenkirche liegen hier klar auf der Hand! Auch dies war ein Entscheidungsgrund für diese Technologie.
Die DDC-Regelanlage der Frauenkirche verwaltet die beiden Kältemaschinen in Sequenz der notwendigen Außenluftmenge gemäß CO2-Überwachung und der einzuhaltenden Raumtemperatur. Jede Maschine ist mittels MSR-Stellsignal im genannten Leistungsbereich stufenlos regelbar. Für die installierte Gesamtkälteleistung von Qo=280 kW ergibt sich damit die kleinste stufenlos ansteuerbare Leistung mit 15% der Gesamtleistung.
Bild: Regelstrategie Kühlsequenz
Montage, Inbetriebnahme, Abnahme
Die Montage der Anlagentechnik erfolgte sozusagen bei laufendem Betrieb mit all den Erschwernissen, die ein solches exponiertes Gebäude bedingt.
Bild: Kran-Montage 
Bild: Gebäude-Einbringung
Die Gesamtanlage wurde nach Probelauf im Frühsommer 2007 in Betrieb genommen und nach Probelauf an den Nutzer übergeben. Im Zusammenspiel mit der effektiven Luftführung im Kirchenraum selbst ist es nunmehr möglich, sowohl den Entfeuchtungsfall mit anschließender Nachheizung als auch den reinen Kühlfall mit möglichst geringer Entfeuchtung MSR-seitig gezielt anzufahren.
Das Planungskonzept des Bauherrn und des Fachplaners, in welches sich die hier geschilderte Anlagentechnik einordnet, ist damit erfolgreich ungesetzt worden. Die installierte Technik erfüllt die Erwartungen der Betreiber. Hoch sind vor allem auch die Erwartungen der Besucher. Diese können nun voll erfüllt werden.
Wer also in nächster Zeit die Stadt Dresden besuchen will, sollte es nicht versäumen, der neu erstandenen Dresdner Frauenkirche einen Besuch abzustatten. Und dies in bestem Klima.
Abdruck honorarfrei. Belegexemplar erbeten.
Quellenverzeichnis
- http://www.frauenkirche-dresden.de/daten-fakten-bauwerk.html
- Ausschnitt Planunterlagen, IB Schidt & Partner
- Daikin – Planungsunterlagen
Autoren
Thomas Liers Peter Grolla
Dipl.-Ing. Senior Consultant / Engineer
Consulting Sales Applied Business
DAIKIN AirconditioningGermanyGmbH DAIKIN AirconditioningGermanyGmbH
