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Johanna Kraemer: Bauphysikalische Raumluftparameter in Magazinräumen – Entwicklung eines Messverfahrens am Beispiel des Landesarchivs Nordrhein-Westfalen Zurück
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Zusammenfassung: Die Masterthesis ist in Kooperation mit der Fakultät Bauwesen der HAWK Hildesheim, der Studienrichtung Schriftgut, Buch und Graphik und dem Landesarchiv Nordrhein-Westfalen, Abteilung Ostwestfalen-Lippe in Detmold entstanden.
Das interdisziplinäre Ziel der Masterthesis war die Entwicklung eines exemplarischen Messverfahren bauphysikalischer Raumluftparameter in Magazinräumen, um auf diese Weise Herangehensweisen der präventiven Konservierung mit bauphysi-kalischen Methoden zu verknüpfen.
Im theoretischen Teil der Arbeit werden der Einfluss des Außenklimas und relevante Wärme- und Feuchtetransportmechanismen innerhalb des Gebäudes sowie mikrobiologische Bedingungen für Schimmelpilzwachstum erläutert. Einen Schwerpunkt bilden unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten des Mollier-h,x-Diagramms. Es folgt eine Darstellung der allgemeinen Funktionsweise von Klimaanlagen und relevanten Messgeräten. Ein Überblick zu den wichtigsten klimainduzierten chemischen und physikalischen Degradationsprozessen am Material Papier auf der Basis aktueller Forschungsergebnisse soll die Frage klären, ob aus restauratorischer Sicht auch größere klimatische Toleranzen als in der DIN ISO 11799 empfohlen für das Archivgut akzeptabel wären. Im Anschluss werden bauphysikalische, mikrobiologische und konservatorische Randbedingungen festgelegt, welche Eingang in ein Auswertungsschema für Klimamesswerte finden. Klimatechnische Randbedingungen können aufgrund der Komplexität nicht in das Schema einbezogen werden.
Der praktische Teil der Arbeit besteht aus der Situationsanalyse eines Altbaumagazingebäudes der 1960er Jahre. Hier bestehen trotz einer nachträglich eingebauten Vollklimaanlage Klimaprobleme bis hin zum mikrobiellen Befall von Archivgut, obwohl die Klimatisierung auf Grundlage der in der DIN ISO 11799 empfohlenen Klimagrenzwerte erfolgt. Die Probleme lassen sich einerseits auf eine unzureichend gedämmte Gebäudesubstanz und andererseits auf eine möglicherweise zu kleine Auslegung der Klimaanlage zurückführen.
Anhand von Messwerten aus durchgängig durchgeführten Klimamessungen mit Datenloggern erfolgt eine Übertragung des Auswertungsschemas in die Praxis. In einem exemplarischen Messverfahren werden Messpunkte definiert, mit welchen sich ein Raumklima für die Praxis ausreichend genau beschreiben lässt. Darüber hinaus erfolgen weitere messwertbasierte Luftzustandsvergleiche, welche unter anderem Schlüsse auf die Wirkungsweise der Klimaanlage vor Ort zulassen.

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Schlagworte: Präventive Konservierung, Bauphysik, Mollier-h,x-Diagramm, Schimmel, Klimaanlage, Magazin, Randbedingungen, mikrobiologischer Befall, Archivgut, Wärmedämmung, Datenlogger, Messverfahren, DIN ISO 11799
Inhalt: 1 Einleitung 9

2 Darstellung relevanter bauphysikalischer und mikrobiologischer Grundlagen 13

2.1 Die Klimaelemente des Außenklimas 13

2.1.1 Sonnenstrahlung und Sonnenscheindauer 14
2.1.2 Lufttemperatur 15
2.1.3 Luftfeuchtigkeit 15
2.1.3.1 Wasserdampfpartialdruck und Sättigungsdampfdruck 15
2.1.3.2 Absolute und relative Luftfeuchtigkeit, Taupunkttemperatur 18
2.1.4 Bewölkung, Niederschlag und Sichtweite 21
2.1.5 Luftdruck 21
2.1.6 Wind 22

2.2 Der bauphysikalische Einfluss von Wärme 22

2.2.1 Thermische Dehnung von Feststoffen und Flüssigkeiten 22
2.2.2 Eindimensionaler stationärer Wärmetransport 24
2.2.2.1 Wärmeleitung 24
2.2.2.2 Konvektion 25
2.2.2.3 Wärmestrahlung 26
2.2.2.4 Wärmeübergangskoeffizienten 27
2.2.2.5 Wärmedurchgang und Wärmedurchgangskoeffizient
(U-Wert) 27
2.2.3 Überblick zur Problematik instationärer Wärmetransportvorgänge 28
2.2.4 Wärmebrücken 29

2.3 Der bauphysikalische Einfluss von Feuchtigkeit
30

2.3.1 Mechanismen des Feuchtetransports und der Feuchtespeicherung in Baustoffen 30
2.3.2 Wärmekapazität und Enthalpie der feuchten Luft 33
2.3.3 Konstruktionsweise des Mollier-h,x-Diagramms für feuchte Luft 35
2.3.4 Anwendungsbeispiel des Mollier-h,x-Diagramms im Bereich der präventiven Konservierung 39

2.4 Der Einfluss von Feuchtigkeit und Wärme auf
mikrobiologische Aktivität 42

2.4.1 Wachstumsbedingungen für Schimmelpilze 42
2.4.2 Möglichkeiten der Kondensationsbewertung an Bauteiloberflächen 48
2.4.3 Konvektiver Staubtransport 52

2.5 Luftströmungen im Gebäude 53

2.5.1 Luftwechselarten und Luftwechselzahl 53
2.5.2 Luftströmungen aufgrund von Druckdifferenzen durch Undichtigkeiten der Gebäudehülle 54
2.5.3 Unterschiedliche Arten mechanischer Lüftung 55

3 Klimatechnische Grundlagen 56

3.1 Heizlast und Kühllast eines Gebäudes 56

3.2 Kurzer Überblick zur allgemeinen Funktionsweise vollautomatischer Klimaanlagen 57

3.3 Der Einsatz verschiedener Feuchte- und Temperaturmessgeräte 63
3.3.1 Thermohygrometer (Datenlogger) 64
3.3.2 Infrarotthermometer 66
3.3.3 Materialfeuchtemessgerät 67

4 Die Norm DIN ISO 11799: Entstehungsprozess, Inhalte und beeinflussende Faktoren 68

4.1 Arbeitsweise der Internationalen Organisation für Normung (ISO)und Entstehungsprozess der Norm 68

4.2 Inhalte der Norm 70

4.3 Beeinflussende Faktoren 73

5 Stand der Forschung zu den Auswirkungen von relativer Luftfeuchtigkeit und Temperatur auf das Material Papier 75

5.1 Grundlagen 75
5.1.1 Chemische Struktur der Cellulose und Aufbau der Cellulosefaser 75
5.1.2 Feuchtebezogene physikalische Merkmale der Cellulosefaser und des Materials Papier 77
5.1.2.1 Wasseraufnahme- und Abgabemechanismen der Cellulosefaser 77
5.1.2.2 Der Wasseranteil von Papier und sein Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften des Materials 78

5.2 Die wichtigsten klimainduzierten Degradationsprozesse an Papier 80
5.2.1 Begriffsklärung zur Materialdegradation 80
5.2.2 Chemische Degradationsprozesse 81
5.2.3 Physikalische Degradationsprozesse 83
5.3 Jüngere Forschungsergebnisse zu Randbedingungen klimatischer Faktoren in Bezug auf das Material Papier 85

5.4 Die zunehmende Akzeptanz größerer Schwankungsbreiten der Klimaparameter 88
5.4.1 Kritische Überprüfung der in der DIN ISO 11799 empfohlenen Klimagrenzwerte 88
5.4.2 Reaktionen auf Forschungsergebnisse in Form neuer Standardisierung 90

6 Entwicklung eines tabellarischen Auswertungsschemas auf der Grundlage festgelegter Randbedingungen 91

6.1 Abgrenzung und Vereinfachung der Randbedingungen 91

6.2 Zuweisung von Risikostufen und Risikofaktoren 93

6.3 Erläuterung und tabellarische Umsetzung der Randbedingungen und Risikoeinstufungen samt Entwicklung eines tabellarischen Auswertungsschemas 94

7 Situationsanalyse zur Klimaproblematik am Archivstandort Detmold 98

7.1 Beschreibung der bauphysikalischen Randbedingungen des Altbaumagazingebäudes 98

7.2 Kurze Darstellung der Funktionsweise der vollautomatischen Klimaanlage des Magazingebäudes 102

7.3 Zusammensetzung des Archivgutes und bestehende Probleme 103

7.4 Durchführung einer momentanen Kondensationsbewertung am Beispiel von Messungen in Magazin 9 104

8 Messpunktfestlegung, Datenauswertung und Messverfahrensentwicklung für das Altbaumagazingebäude 105

8.1 Vorgehensweise bei der Messpunktfestlegung und Messdatenauswahl 106

8.2 Deutung grundlegender Luftzustandsvergleiche 108
8.2.1 Beschreibung des Außenklimas der betrachteten Monate im Messzeitraum 108
8.2.2 Vergleich der Außenluft mit dem Zu- und Abluftzustand 110
8.2.3 Horizontaler Vergleich der Luftzustände in der Abluft und in Raummitte 111
8.2.4 Vertikaler Luftzustandsvergleich in der Raummitte von Magazin 5 113
8.2.5 Horizontaler Vergleich des Luftzustands am Sensor der Klimaanlage mit anlageneigenen Messdaten 114
8.2.6 Horizontaler Vergleich des Luftzustands am Sensor der Klimaanlage mit den Luftzuständen in der Abluft und in Raummitte 115
8.2.7 Horizontaler Vergleich zwischen Luftzuständen an der Zuluftöffnung, im Gang, am Archivgut neben der Zuluftöffnung und in Raummitte 117

8.3 Anwendung des tabellarischen Auswertungsschemas zur Ermittlung kritischer Bereiche 119
8.3.1 Horizontale Luftzustandsvergleiche in Magazin 5 120
8.3.1.1 Luftzustandsvergleiche in oberer Raumhöhe 120
8.3.1.2 Luftzustandsvergleiche in mittlerer Raumhöhe 121
8.3.1.3 Luftzustandsvergleiche in unterer Raumhöhe 122
8.3.2 Magazinübergreifender vertikaler Vergleich des Raumklimas in der Raummitte der Magazine 123
8.3.3 Magazinübergreifender vertikaler Vergleich des Raumklimas in der Außenwand-Raumecke S 124
8.3.4 Horizontaler Vergleich des Klimas in Archivkartons mit dem Zustand der Raumluft 125
8.3.5 Empfehlungen zu dauerhaft zu installierenden Messpunkten auf der Grundlage der Auswertungsergebnisse 126

8.4 Auswertung der Taupunkttemperaturprofile 126
8.4.1 Taupunkttemperaturprofile zu Messpunkten in Magazin 5, untere Raumhöhe 127
8.4.2 Taupunkttemperaturprofile zu den magazinübergreifenden Luftzustandsvergleichen in der südlichen Außenwandecke, obere Raumhöhe 128
8.4.3 Möglichkeiten einer Verwendung der Taupunkttemperatur zur Kontrolle kritischer Bereiche 128

8.5 Kritische Diskussion des entwickelten Messverfahrens unter Einbeziehung der Auswertungsergebnisse aus grundlegenden Luftzustandsvergleichen 129

8.6 Empfehlungen für dauerhafte Klimamessungen im Altbaumagazin-gebäude Ost 130

9 Empfehlungen zur Verbesserung der Randbedingungen des Magazinaltbaus 131

10 Schlussbetrachtung 132

11 Quellenverzeichnis 133

12 Abbildungsverzeichnis 143

13 Formelverzeichnis 144

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weitere Angaben:
  • Hochschule:  HAWK Hildesheim/ Holzminden/ Göttingen
  • Art der Arbeit:  Masterarbeit
  • Erstprüfer:  Prof. Dr.-Ing. Hans-Peter Leimer
  • Zweitprüfer:  Prof. Dipl.-Rest., Dipl.-Ing. Ulrike Hähner
  • Abgabedatum:  2012
  • Sprache:  Deutsch
  • Seitenzahl:  145
  • Abbildungen:  39
 
Kontakt:
 
Johanna Kraemer
johannakraemer@[Diesen Teil loeschen]gmx.net

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