Gebaeude Energie Berater Ausgabe: 04-2014

Erweiterungsbau des Städel Museums in Frankfurt

Geothermie für Kunstkeller

Der unterirdische Erweiterungsbau des Städel Museums beherbergt auf insgesamt 3000 m2 neu geschaffener Ausstellungsfläche bedeutende Kunstwerke der Gegenwart. Der nahezu stützenlose Raum wird von einer freigeformten Deckenschale mit 195 kreisrunden Oberlichtern überspannt, die tagsüber für eine diffuse und blendfreie Beleuchtung der Exponate sorgen. Ein Erdpendelspeicher mit nachgeschalteter Wärmepumpe gewährleistet die regenerative Grundlastversorgung für den Wärme- und Kältebedarf des Museums. Niedrigtemperaturflächensysteme an Decke und Boden geben die Energie an den Raum ab.

  1. Teil: Geothermie für Kunstkeller
  2. Teil: Gebäude- und Energiekenndaten
  3. Teil: Projektdaten

Es ist die inzwischen fünfte und mithin größte Erweiterung des 1815 in Frankfurt am Main gegründeten Städel Museums, die ganz im Sinne des Testaments von Johann Friedrich Städel (1728–1816) ist. Dessen Nachlass regelte nicht nur die Veröffentlichung seiner eigenen Kunstsammlung, sondern auch deren gezielte Ergänzung und Fortführung. Doch anders als die bisher vorgenommenen Anbauten und Zubauten sah der im Februar 2008 als Sieger gekrönte Wettbewerbsentwurf von schneider+schumacher Architekten vor, die neue Ausstellungsfläche unter dem Garten des Museums „zu vergraben“.

Mit dieser Idee retteten die Architekten nicht nur den schönen Außenraum, sondern werten diesen durch die Gestaltung der begrünten Stahlbetondecke mit ihren insgesamt 195 kreisrunden Oberlichtern deutlich auf. Die Jury lobte den Entwurf als „ein leuchtendes Juwel am Tag, ein Lichtteppich in der Nacht“. Besonderen Gefallen fand die sanfte Aufwölbung über dem Zentrum der großen Ausstellungshalle, die in den Augen des Preisgerichts den schmalen Grat des „Respekt(s) vor der historischen Bausubstanz und einer gewissen Repräsentanz, Eigenständigkeit und Auffälligkeit des Neuen“ stilsicher zu beschreiten vermag. Die zwischen dem satten Grün des Rasens in strengem Raster drapierten Bullaugen versorgen den im Erdreich verborgenen Ausstellungsraum mit Tageslicht und breiten sich als einprägsames Muster über die Gartenfläche aus.

Auch international stieß die Städel-Erweiterung am Frankfurter Schaumainkai auf respektables Lob – Architectural Digest beispielsweise wertete den Bau als „spektakulär und geglückt“.

Kunst unter der Kuppel

In die hellen unterirdischen Gartenhallen gelangt man vom Haupteingang des historischen Museumsbaus her über eine großzügige, einläufige Terrazzotreppe, die sich nach unten hin aufweitet und das Foyer im historischen Gartenflügel mit den neuen Gartenhallen verbindet (Abb. 2 ). Obwohl man dabei Stufe um Stufe weiter hinabsteigt, hat man zu keinem Zeitpunkt das Gefühl, man begebe sich in ein wenig attraktives Kellergeschoss des Museums, auch wenn hier das Tageslicht ausschließlich von oben hereindringt. Ganz im Gegenteil – überraschend und angenehm hell, luftig und hochwertig präsentiert sich dieser 48 x 55 m große Ausstellungsraum, dessen freigeformte, den ganzen Raum überspannende Deckenschale sich von sechs Metern Raumhöhe am Rand auf bis zu 8,2 m im Zentrum aufwölbt (Abb. 5, 8 )

Die auf lediglich zwölf Stahlbetonstützen und den Außenwänden gelagerte Decke folgt in ihrer zur Mitte hin aufstrebenden Bewegung keiner optimierten Tragwerksform, sondern zielt durch die Verschneidung von Kreis und Quadrat auf eine beabsichtigte Raumwirkung ab. Die Lichtwirkung und Form der Decke stehen in engem Bezug zueinander.

Verankern und Stützen

Sowohl die mit Styropor-Schalkörpern modellierte Decke als auch das Betonieren der Außenwände in dem engen Innenhof forderten den Ingenieuren Kompetenz und Erfahrung ab. Eine überschnittene Bohrpfahlwand sicherte während der Bauarbeiten den nahen historischen Bestandsbau und die tiefe Baugrube. Da sich die Sohle des Erweiterungsbaus einige Meter unterhalb der alten Gründungsebene befindet, mussten die bestehenden Fundamente des Gartenflügels mittels Hochdruckinjektion unterfangen werden. Zudem waren 160 SOB-Pfähle (SOB = Schneckenortbeton) nötig, um den als Weiße Wanne ausgebildeten Stahlbetonbaukörper gegen Auftrieb zu sichern.

Mithilfe von Fichtenstämmen wurden die Zwischenbauzustände gesichert, da die in vier Abschnitten betonierte Deckenkonstruktion erst mit dem Betonieren der zuletzt geschalten Aufwölbung ihre statische Wirkung entfalten konnte. Neben der Bewehrung finden sich in der 35 bis 60 cm dicken Deckenschale sämtliche Installationen für die Oberlichter und Rauchmelder sowie alle Leitungen zum Heizen und Kühlen. Für das Finish musste die Decke unterseitig abschließend nur noch gespachtelt, geschliffen und gestrichen werden.

Rasendecke mit Durchblick

Die in die freigeformte Decke eingeschnittenen, kreisrunden Oberlichter variieren zwar in ihrem Durchmesser zwischen 1,5 und 2,5 m, sind aber konsequent in einem Achsraster von 3,7 x 3,7 m angelegt. Von der Vogelperspektive aus betrachtet, erzeugen die sich zum Zentrum der Aufwölbung vergrößernden Bullaugen eine optische Täuschung (Abb. 3 ), die den sanft ansteigenden zentralen Hügel höher erscheinen lässt, als er in Wirklichkeit ist – der Grasteppich mit den Oberlichtern scheint sich dem zeniten Betrachter geradezu entgegenzuwölben (Abb. 6 ).

Die Isoliergläser der Oberlichter (Abb. 10 ) bestehen aus sphärisch gekrümmten, kalt verformten Scheiben mit ausgeprägter Brillanz und Reflexionseffizienz. Oberseitig verhindert bei den bis zu 5 kN/m2 belastbaren VSG-Scheiben eine rutschhemmende Haptik die Sturzgefahr, sollte jemand die Gläser betreten wollen. Eine integrierte Streufolie gewährleistet, dass die Ausstellungshalle gleichmäßig mit Tageslicht ausgeleuchtet wird. Bei strahlendem Sonnenschein lassen sich die Oberlichter von teilweise bis komplett verdunkeln.

Sowohl bei Beschattung, Dämmerung als auch bei Nacht taucht ein in die Oberlichter integrierter LED-Kranz aus je 22 warmweißen (2700 K) und kaltweißen (5000 K) Leuchtdioden den Ausstellungsraum in angenehmes Kunstlicht. Jedes einzelne Oberlicht ist in puncto Verschattung, Tages- und Kunstlicht sowie Farbtemperatur individuell steuerbar – egal wie viel Tageslicht gerade einfällt.

Stabiles Klima für die Kunst

Um die Ausstellungshalle mit ihren freistehenden, beliebig veränderbaren Kunstinstallationswänden flexibel nutzen zu können, mussten sämtliche technischen Einbauten in die Decke, die Außenwände und den Fußboden integriert werden. Für die Ausstellungsräume war eine Klimastabilität gefordert, die Temperaturschwankungen weitgehend vermeidet und den Grad der Luftfeuchte stabil und in einem für den Erhalt der Kunstwerke unbedenklichen Bereich hält. Da es hierfür keinen allgemein gültigen Klimawert gibt, gilt es, einen Kompromiss zu finden, der nach allgemeinen Empfehlungen bei 45 bis 55 % relative Luftfeuchte bei einer Raumtemperatur zwischen 18 und 22 °C liegt.

Der Energieaufwand für die Klimatisierung der Räume sollte möglichst gering sein und so weit möglich regenerative Quellen nutzen. Diesen Anforderungen kam entgegen, dass alle Außenwände der Ausstellungsräume ans Erdreich grenzten, was den Energieverlust der Hülle im Wesentlichen auf die Decke als fünfte Fassadenfläche beschränkte.

Erdpendelspeicher und Wärmepumpe

Bereits in der Wettbewerbsphase war der Entwurf darauf ausgelegt, die Grundlast an Wärme- und Kältebedarf mit einer geothermischen Anlage abzudecken. Dieses energetische Konzept wurde bis zur Ausführung so beibehalten. Dazu wurden insgesamt 36 Erdwärmesonden bis zu 87 Meter tief in den Baugrund gebohrt.

Über einen sogenannten „Erdpendelspeicher“ (Abb. 7 ) werden die im Erdreich vorhandenen Temperaturen über das Jahr als Grundlastversorgung genutzt, um im Sommer mittels einer nachgeschalteten Wärmepumpe (Abb. 9 ) Kaltwasser für die Gebäudekühlung zu erzeugen (16/19 °C) und während der Heizperiode die im Sondenumfeld gespeicherte Wärme zur Beheizung des Museums zu nutzen (35/39 °C). Eine integrierte mechanische Kältemaschine deckt den Anteil an Be- und Entfeuchtung sowie die Vor- und Nachkühlung der Außenluft ab.

Das Erdpendel wirkt sich dahingehend aus, als dass die überschüssige Raumwärme im Sommer über eine thermisch aktivierte Raumdecke ins Erdreich geleitet und dort eingespeichert wird, bis mit Beginn der Heizperiode diese Wärme wieder zur Beheizung herangezogen und über die Fußbodenheizung dem Ausstellungsraum zugeführt wird. Diese Form der „passiven Kühlung“ mittels Erdwärmepumpe spart viel Energie, da der gesamte Heizkreislauf der Wärmepumpe dabei ausgeschaltet bleibt – lediglich die Zirkulationspumpen der Sondenanlage benötigen etwas Antriebsenergie. Der jährliche Primärenergieverbrauch liegt bei 219,1 kWh/(m2K).

Ein wichtiger Bestandteil des energetischen Konzeptes ist zudem die hocheffiziente Wärmerückgewinnung der Lüftungsanlage. Die vorerwärmte beziehungsweise vorgekühlte Luft verteilt sich über Quellluftauslässe in dem Ausstellungsraum, wobei der Außenluftanteil auf das notwendige hygienische Maß reduziert wird. Abgesaugt wird die verbrauchte Luft über eine umlaufende Deckenvoute. Insgesamt ermöglicht die kompakte, weitgehend ins Erdreich verlagerte Baumasse in Kombination mit der Wärme- und Kälteerzeugung über den Erdpendelspeicher ein optimales Raumklima bei zugleich minimalem Energieaufwand. Von Vorteil ist in diesem Zusammenhang auch die große interne Speichermasse.

Perfekte Steuerung für Alt und Neu

Im Zuge der Erweiterung wurde auch die Leittechnik des gesamten Museums überarbeitet. Seit der Eröffnung der unterirdischen Gartenhallen ist die Steuerung zentral und auch über das Internet bedien- und beobachtbar. Es ist gelungen, die bestehende Infrastruktur an die neue Gebäudeleittechnik anzubinden, wodurch man für den Erweiterungsbau ohne Rücksichten auf veraltete Technik ein völlig neues, homogenes und flexibles System planen konnte.

Die Steuerung von Heizung, Lüftung und Sanitär ermöglichen heute zwölf programmierbare Steuerungen, und die GLT-Anlage verarbeitet die Daten von mehr als 1500 Datenpunkten, die über einen Bus direkt an die Steuerungen angeschlossen sind. Dazu gehören beispielsweise die elektrischen Heizbänder an den 195 Oberlichtern der Gartenhalle, die verhindern sollen, dass sich Schwitzwasser bildet. Auch die Sensoren in den Wandheizungen der älteren Ausstellungsräume stehen mit der GLT in Kontakt, um den Taupunkt entsprechend des vorherrschenden Klimas nach außen zu verschieben. Die Anlage kann zudem auf die in den verschiedensten Bauteilen verteilten Feuchtesensoren sowie auf die Temperaturfühler von Depot und Ausstellungsräumen zugreifen und historische Trends speichern. Die Steuerungen kommunizieren dabei in einem eigenen Glasfasernetzwerk.

Passendes Passepartout

Exakt 1619 Tage nachdem die Bagger angerollt waren, um die Baugrube für die Erweiterung des Städel Museums auszuheben, waren die letzten Arbeiten an dem 52-Mio.-Projekt abgeschlossen. Insgesamt 34 Mio. davon flossen in die Erweiterung, mit der die bestehenden 4000 m2 Ausstellungsfläche um weitere 3000 m2 ausgedehnt werden konnte.

An den strahlend weißen Wänden in den tageslichthellen Ausstellungsräumen hängen seit der Eröffnung am 22. Februar 2012 bedeutende Kunstwerke der Gegenwart, gerahmt in ein außergewöhnliches architektonisches Passepartout, das den Blick des Kunstliebhabers für die Exponate schärft, ohne selbst aus dem Blick zu geraten. Es gibt nicht viele Museumsbauten die diesen Spagat vollbringen und dazu auch noch ein zeitgemäßes, zukunftsgerichtetes energetisches Konzept vorweisen können.

Klaus Siegele

  • 1  Lageplan, M 1:2000

  • 2  Grundriss der unterirdisch angelegten Ausstellungshalle, M 1:1000

  • 3  In dem Modell ist die optische Täuschung der unterschiedlich großen, kreisrunden Oberlichter gut erkennbar: Die sanfte Erhebung wirkt aus der Vogelperspektive höher als sie in Wirklichkeit ist.

  • 4  Schnitt durch den Erweiterungsbau, M 1:1000

  • 5  3D-Schnitt durch die Erweiterung und den historischen Hauptbau

  • 6  In dem Städel-Garten präsentiert sich der Erweiterungsbau als „ein leuchtendes Juwel am Tag, ein Lichtteppich in der Nacht“.

  • 7  Insgesamt 36 Erdwärmesonden liefern die regenerative Energie für das Heizen im Winter und das Kühlen im Sommer. Das Dach wirkt als fünfte Fassade.

  • 8  Die freigeformte Stahlbetondecke mit den eingeschnittenen, kreisrunden Oberlichtern überspannt den 48 x 55 m großen Ausstellungsraum fast stützenfrei.

  • 9  Auch ein skulpturales Kunstwerk der Gegenwart: Der Technikraum mit Wärmepumpe und Leitungsrohren

  • 10  Detailschnitt durch ein Oberlicht, M 1:25

Foto: Frank Hellwig, schneider+schumacher

Foto: schneider+schumacher

Foto: Norbert Miguletz

Foto: Norbert Miguletz

Foto: Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e. V.

Literatur

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