Neue Wege in der Museumsklimatisierung

20.11.2017

Kunstwerke brauchen ein konstantes Klima - in historischen Gebäuden ohne zentrale Klimaanlage eine Herausforderung. Das Projekt Dezent entwickelt eine Lösung für dezentrales Klimamanagement.

Kulturgüter benötigen ein spezielles, konstantes Raumklima, auch dann, wenn sie in Ausstellungen gezeigt werden. Weil dies oftmals nicht gewährleistet ist, will Prof. Dr. Steven Lambeck vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik mit einem Team aus Studierenden und Doktoranden sowie zwei Projektpartnern aus der Wirtschaft neuartige Klimamodule entwickeln, die mit Hilfe eines drahtlosen Sensornetzwerks und einer intelligenten Regelung die Museumsklimatisierung auf eine neue Basis stellen.

Es ist ein Dilemma: Museen und Ausstellungen wollen Kunstwerke möglichst vielen Besucherinnen und Besuchern zugänglich machen. Doch gleichzeitig schadet starker  Besucherverkehr den ausgestellten Kulturgütern. Der Grund: Körperwärme und Atemluft der Museums- und Ausstellungsbesucher lassen Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit steigen. Schlimmer noch: Wenn bei Regenwetter eine Schulklasse mit nasser Kleidung und nassen Rucksäcken ins Museum kommt, steigt die Luftfeuchtigkeit sprunghaft und extrem an. Für die Besucher ist das unangenehm. Die Kunstwerke können sogar Schaden nehmen. Auch ein falsches Lüftungsverhalten bei ungünstigem Außenklima kann die Luftfeuchtigkeitswerte negativ beeinflussen.

Extreme und Schwankungen vermeiden

Im schlimmsten Fall können die Folgen verheerend sein: Steigen die Luftfeuchtigkeitswerte ins Extreme und schwankt die Luftfeuchtigkeit stark, so kann das zu irreparablen Schäden an wertvollen Gemälden, Skulpturen und Dokumenten führen. Denn die Klimaschwankungen halten die Kunstgegengestände im wahrsten Sinne des Wortes in Bewegung.  Materialien wie Holz und Papier können Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft binden. Die Folge: Sie gewinnen an Gewicht und quellen auf. Trockene Luft führt zum umgekehrten Effekt. Irgendwann reißt das Leinwandgemälde oder die Farbe blättert von der Skulptur ab. Ist es feucht und warm, kommt zu allem Übel noch die Mikrobiologie ins Spiel. Dann fühlen sich beispielsweise Silberfischchen besonders wohl. Und die ernähren sich unter anderem gerne von Leinen und Papier.

Hochwertige Ausstellungen auch in der Region

Besonders problematisch gestaltet sich die Situation in denkmalgeschützten Altbauten. „Museen, die in solchen Gebäuden untergebracht sind, haben dringenden Bedarf an neuen technischen Lösungen zur Klimatisierung“, erklärt Prof. Dr. Steven Lambeck. Die Regelung der Luftfeuchte, die für die präventive Konservierung von Kunstgegenständen besonders wichtig sei, stelle in solchen Gebäuden eine besondere Herausforderung dar. Hinzu komme, dass der Nachweis einer guten Kontrolle über das Raumklima eine Voraussetzung sei, damit Kunstgegenstände als Leihgaben zur Verfügung gestellt und auf diese Weise einem breiten Publikum zugänglich gemacht werden könnten.

„Unser Projekt soll durch eine verbesserte Klimatisierung von Museen und Ausstellungsräumen dazu beitragen, dass auch in kleineren, regionalen Ausstellungen hochwertige Kunst gezeigt werden kann“, führt Lambeck aus. Momentan sei dies nur eingeschränkt möglich, da die strengen Vorgaben für die Raumklimatisierung nicht immer eingehalten werden könnten.

Ein neues Regelungsprinzip für dezentrale Geräte

Weil der Einbau zentraler Klimaanlagen in denkmalgeschützten Gebäuden oft nicht möglich ist und zudem sehr teuer wäre, werden in den betroffenen Gebäuden derzeit dezentrale Klimageräte eingesetzt. Allerdings erlauben diese eine nur sehr ungenaue Kontrolle des Raumklimas, da prinzipbedingt die Regelung nur durch Ein- und Ausschalten der Geräte erfolgen kann. Insbesondere die Entfeuchtung lässt sich in den meisten Fällen nur sehr ungenau regulieren. „Aufgrund ihres Funktionsprinzips lassen sich diese Geräte hinsichtlich der Regelung kaum weiter verbessern“, erklärt Lambeck. Deshalb benötige man eine Lösung, die auf einem anderen  Regelungsprinzip basiere.

Präzise steuerbar, geräuscharm, umweltfreundlich

Die Fuldaer Wissenschaftler wollen nun Klimamodule entwickeln, die erstmals eine genaue Kontrolle und präzise Regulierung der Luftfeuchtigkeit erlauben. Statt der bisher üblichen, meist lauten Kompressortechnik werden moderne Halbleiter-Wärmepumpen ohne bewegliche Teile zum Einsatz kommen, die sowohl geräusch- als auch wartungsarm sind und deren Leistung sich im Gegensatz zum Kompressor kontinuierlich und sehr exakt anpassen lässt. Für die Klimatisierung von Ausstellungsvitrinen wird dieses Kühl- und Regelungsprinzip bereits genutzt, sein Einsatz bei der Klimatisierung großer Räume ist hingegen neu. Damit sich das System der Raumgröße anpassen kann, soll es modular aufgebaut sein.

Auch unter Umweltgesichtspunkten bietet die neue Technik Vorteile: Bei der Entsorgung fallen keinerlei brennbare, giftige oder klimaschädliche Flüssigkeiten an. Luftbefeuchtung und Entfeuchtung sollen zudem künftig in einem Gerät vereint werden. Bislang müssen zwei getrennte Geräte eingesetzt werden. „Oft laufen beide gleichzeitig“, sagt Lambeck. „Das ist auch unter dem Gesichtspunkt des Energieverbrauchs ineffizient.“

Herzstück: die intelligente, lernende Regelung

Herzstück der neuen Lösung ist die intelligente Regelung, die die Klimamodule steuern soll und adaptiv arbeiten wird. Das heißt, sie lernt, wie sich die Aktionen des Systems auf die Luftfeuchtigkeit im Raum auswirken. So kann sich das Regelungsverhalten nach und nach den lokalen Eigenheiten anpassen. Dazu bezieht das System bisher unberücksichtigte Parameter des Ausstellungsraums ein: Gebäudeverhalten, Besucherzahl, lokales Klima sowie Art und Anzahl der Ausstellungsstücke. Auch Wettervorhersagen werden berücksichtigt: „Wenn ein Museumsmitarbeiter im Vorbeigehen in der Ausstellung mal schnell ein Fenster öffnet, um frische Luft hineinzulassen, dann ist das bei feuchtem Außenklima kontraproduktiv“, weiß Lambeck aus zahlreichen Messreihen, die die Wissenschaftler unter anderem in Schloss Fasanerie durchgeführt und bereits ausgewertet haben. „Wenn wir die Wettervorhersagen berücksichtigen, könnte das System in Kombination mit einer Lüftungsstrategie auch Empfehlungen geben, wann ein günstigster Zeitpunkt zum Lüften ist. Außerdem können die Informationen auch dazu genutzt werden, den Sollwert für die relative Luftfeuchte in Abhängigkeit von Wettervorhersage und Gebäudeeigenschaften gleitend zu gestalten, was sich vorteilhaft auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems auswirkt.“ Ähnlich gelagerte Arbeiten zur Lüftungsempfehlung aus Vorgängerprojekten führten bereits zum Abschluss eines Promotionsverfahrens.

Funksensoren liefern Klimadaten

Um für die Regelung eine möglichst breite Datenbasis zur Verfügung zu stellen, wollen die Fuldaer Regelungstechniker über ein Netzwerk aus neu entwickelten Funksensoren laufend Raumklimadaten in das System einspeisen. Während des Betriebs werden die Messwerte der drahtlosen Sensoren mit dem Sollwert verglichen. Ein Regelungsalgorithmus soll dann bestimmen, ob und mit welcher Leistung die Raumluft entfeuchtet werden muss. Dies alles soll das System ohne menschliches Eingreifen bewerkstelligen.

Mehrmonatige Feldtests in Museen

„Ziel unseres Projektes ist es, Kulturgüter bestmöglich zu schonen und gleichzeitig einem deutlich breiteren Publikum zugänglich zu machen - durch den Einsatz der intelligenten Regelung sogar zuverlässiger und bei niedrigerem Personaleinsatz“, betont Lambeck. Aus diesem Grund schließt das Projekt auch die Entwicklung eines kundennahen Bedien- und Wartungskonzepts ein. Nach der Laborphase an der Hochschule Fulda sind mehrmonatige Feldtests im Städel Museum in Frankfurt am Main sowie bei in Schloss Fasanerie (Eichenzell) der Kulturstiftung des Hauses Hessen vorgesehen.

Viele Jahre Erfahrung aus Forschungsprojekten

Seit 2006 schon werden an der Hochschule Fulda Forschungs- und Entwicklungsprojekte zum Klimamanagement in der präventiven Konservierung durchgeführt. Im Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik befasst sich das Fachgebiet Regelungstechnik mit der anwendungsnahen Entwicklung von Komponenten der Regelungs- und Automatisierungstechnik. Der Fachbereich verfügt über einen Messstand zur Simulation verschiedener Abweichungen des Raumklimas. Hier kann das neue System im Labormaßstab getestet werden. Die Ergebnisse des Projekts sollen Ende 2018 vorliegen.

Projektpartner:
Michael Kirner, Lorsch

Die Firma verfügt über viele Jahre Erfahrung in der Beratung von Museen und Ausstellungen hinsichtlich der Klimatisierungstechnik.
HKE GmbH, Petersberg
Das Unternehmen fertigt seit fast 20 Jahren Steuergeräte und kundenspezifische Elektronik im Bereich der Gebäude- und Anlagentechnik.

Assoziierte Partner:
Städel Museum, Frankfurt am Main
Die Konservatoren des Museums und andere Anwender von Klimatechnik stehen dem Projekt beratend zur Seite. Sobald ein validierter Prototyp für einen Test unter Realbedingungen bereitsteht, kann dieser praxisnah in den Räumlichkeiten des Museums erfolgen. Die Museumsmitarbeiterinnen und -mitarbeiter testen den Prototyp parallel aus Anwendersicht.
Kulturstiftung des Hauses Hessen, Kronberg im Taunus
Die Kulturstiftung des Hauses Hessen  ist eine Familienstiftung, die sich den Erhalt der Kulturwerte des hessischen Fürstenhauses auf die Fahnen geschrieben hat. Dazu gehört unter anderem eine umfangreiche Kunstsammlung, die größtenteils im stiftungseigenen Museum Schloss Fasanerie in Eichenzell bei Fulda ausgestellt ist. In früheren Forschungs- und Entwicklungsprojekten zum Klimamanagement in der präventiven Konservierung hat die Hochschule Fulda bereits mit diesem Partner zusammengearbeitet.

Land Hessen fördert das Projekt
Mit rund 499.000 Euro aus dem Forschungsförderprogramm LOEWE fördert das Land Hessen das Projekt der Hochschule Fulda zur präventiven Vermeidung von Klimaschäden an Kulturgütern. Der Hessische Minister für Wissenschaft und Kunst, Boris Rhein, hat vergangene Woche dem Projektleiter Prof. Dr. Steven Lambeck, Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik, den Förderbescheid überreicht. Die Gesamtkosten des Forschungsprojekts belaufen sich auf rund 700.000 Euro.
Die Abkürzung „LOEWE“ steht für „Landes-Offensive zur Entwicklung wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz“. Mit diesem bundesweit einmaligen Forschungsförderprogramm unterstützt das Land Hessen auch KMU-Verbundprojekte. In diesen Projekten arbeiten kleine und mittlere Unternehmen (KMU) aus Hessen mit Wissenschaftseinrichtungen an innovativen Produkten und Dienstleistungen. „Wer im Wettbewerb bestehen will, muss neueste wissenschaftliche Erkenntnisse der praxisnahen Forschung schnell in marktreife Verfahren überführen“, sagte Wissenschaftsminister Boris Rhein bei der Übergabe des Förderbescheids.
Prof. Dr. Steven Lambeck sieht das Projekt als beispielhaft für die Verbindung von Idee und Anwendung an. „Mit der Entwicklung der intelligenten Regelung bewegen wir uns im Bereich der Grundlagenforschung. Unsere Erkenntnisse setzen wir dann direkt in ein Gerät um, das von den Nutzern gefragt ist. Durch die gezielte Einbindung von Studierenden und Doktoranden trägt dieses Projekt außerdem zur Ausbildung unseres wissenschaftlichen Nachwuchses bei.“

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