Die Kunst des Unsichtbaren

Professor Antonio Paolucci, der Direktor der Vatikan-Museen, stand vor einigen Jahren vor einem großen Problem: „Seit ihrer Fertigstellung vor mehr als 500 Jahren sind die Gemälde von Michelangelo in der Sixtinischen Kapelle zu einem der meistbewunderten Meisterwerke unserer Zeit geworden. Die beeindruckenden Fresken ziehen täglich etwa 20.000 Besucher an. Die von den Besuchern verursachte Wärme, der Staub, der Schweiß und das Kohlendioxid können das historische Kunstwerk in der Kapelle möglicherweise schädigen. 2010 untersuchten die Kuratoren des Museums den Zustand der Fresken und schlugen Alarm: Die Sixtinische Kapelle war in ihrer Existenz bedroht! In diesem Moment wandte ich mich an Carrier, um eine Lösung zu finden, die die Fresken vor weiterer Verschmutzung schützen und es dem Vatikan erlauben würde, die Kapelle auch zukünftig für die Öffentlichkeit zugänglich zu halten.“

Carrier nahm die Herausforderung an, den Schutz dieses einzigartigen künstlerischen Meisterwerks zu gewährleisten. Didier Da Costa, Präsident von HVAC Europe, UTC Building & Industrial Systems: „Die Zusammenarbeit mit dem Vatikan beim Entwurf eines Systems, das die Fresken der Sixtinischen Kapelle erhalten sollte, war ein nobles Unterfangen, aber auch eins, das viele Herausforderungen bereithielt. Entscheidend war, zu verstehen, wie die Anwesenheit tausender Besucher die Luftqualität, -temperatur und -feuchtigkeit beeinflusst. Hierzu nutzten wir moderne Simulationswerkzeuge und innovative Technologie, mit der wir Daten sammelten, Luftströme simulierten und die innere Atmosphäre der Kapelle nachbildeten. Das System musste zudem für die Öffentlichkeit unsichtbar sein, Luftleistung für bis zu 2000 Kapellenbesucher gleichzeitig bereitstellen und es durfte die Ruhe des Ortes nicht stören. Die zweijährige Entwicklungsphase des Systems war von Innovationen und Entdeckungen geprägt, und teilweise mussten wir eigene Lösungen erfinden. Sobald wir die Einflussfaktoren der Herausforderung verstanden hatten, konnten wir ein einzigartiges und innovatives System entwickeln, das jederzeit optimale atmosphärische Bedingungen in der Kapelle gewährleisten würde.“

Schaffen eines Vertrauensklimas

Es war sowohl Carrier als auch den Vatikan-Museen klar, dass es von grundlegender Wichtigkeit ist, zwischen den Projektteams Vertrauen zu schaffen, bevor die technischen Aspekte der Lösung angegangen werden konnten. „Natürlich war eine gewisse Zeit nötig, um ein Vertrauensklima zu schaffen, wie immer bei großen Projektteams“, so Antonio Monti, Key Account Manager von UTC Building & Industrial Systems Italien. „Die Herausforderung bestand darin, zwei Parteien mit sehr verschiedenen Hintergründen zusammenzubringen – eine technische Partei und eine der Kunst verpflichtete.“ Rev. Rafael Garcìa de la Serrana Villalobos, Direktor der technischen Dienste des Vatikanstaates, bestätigt: „Die Zeit, die beide Seiten investierten, um gegenseitiges Verständnis zu entwickeln, förderte das Vertrauen und führte schließlich zur Lösung.“

Ein Projekt dieses Ausmaßes und dieser historischen Wichtigkeit erforderte Beiträge von einer Vielzahl von Experten, die die Suche nach technischen Lösungen unterstützten. „Der erste Teil der Arbeit bestand darin, gemeinsam mit Carrier, aber auch in Zusammenarbeit mit Universitäten und den Spezialisten der Vatikan-Museen die verschiedenen Lösungen zu untersuchen, die den Schutz der Fresken gewährleisten konnten“, erklärt Rev. Rafael Garcìa de la Serrana Villalobos.

Zusammenarbeit globaler Teams

Um den Vatikan-Museen und damit dem Kunstwerk selbst die bestmögliche Lösung zu bieten, nutzte Carrier als Tochterunternehmen von UTC Building & Industrial Systems sein weltweites Ingenieurnetzwerk, in dem alle Ressourcen für das Design und die Systementwicklung zusammengefasst sind. Das AdvanTE3C-Team nahe Lyon in Frankreich war von Beginn bis Ende für das Projekt verantwortlich.

„Wir rekrutierten Teammitglieder von drei Kontinenten: Asien, Europa und Amerika. Jedes brachte andere, komplementäre Fähigkeiten für das Projekt mit“, erklärt Phi­lippe Delpech, Chief Operating Officer Intercontinental Operations bei UTC Building & Industrial Systems. „Jede Person trug einen Teil zu etwas Außergewöhnlichem bei, nicht nur für die Sixtinische Kapelle, sondern für die ganze Welt.“

Die Partnerschaft mit dem Vatikan geht über die Klimatisierungslösung für die Sixtinische Kapelle hinaus. „Durch die Breite der technologischen Fähigkeiten von UTC Building & Industrial Systems können wir für den Vatikan als beratende Ingenieure für Lösungen in den Bereichen Gebäudemanagement inklusive Branderkennung und -bekämpfung, Video, Sicherheit, Heizung und Klimatisierung dienen“, so Philippe Delpech.

Berechnung des Luftflusses

1993 entwarf Carrier das erste Klimasystem in der Sixtinischen Kapelle, das für maximal 700 Besucher gleichzeitig ausgelegt war. Während der Laufzeit arbeitete das System durchgängig wie vorgesehen, war jedoch nicht leistungsstark genug, um die wachsenden Besucherzahlen kompensieren zu können. Als es Zeit für eine neue Lösung war, befassten sich die Teams bei Carrier zunächst mit den Projektarchiven, um das Wissen zu nutzen, das sich über die letzten zwei Jahrzehnte angesammelt hatte. So konnte das internationale Ingenieurteam schnell die Simulations- und Modellierphase des Projekts erreichen.

Das AdvanTE3C-Team unter der Leitung von Michel Grabon, Director, Intelligent Building Technologies AdvanTE3C-Group, setzte innovative Computersimulationen ein, um den Luftstrom zu berechnen und das Klima in der Kapelle zu analysieren. Die wichtigsten Themen waren dabei die kritischen Parameter einer konsistenten relativen Feuchtigkeit, einer geringen Luftgeschwindigkeit, der Temperaturstabilität und der Konzen­tration von Kohlendioxid. Die Mitglieder des Ingenieurteams wussten, dass sie ungefähr dreimal mehr Luft als bisher in die Kapelle strömen lassen mussten, um die Konzen­tration von Kohlendioxid zu verringern und eine stabile Temperatur und Feuchtigkeit zu erreichen. Dies musste jedoch geschehen, ohne die Luftgeschwindigkeit rund um die Gemälde zu erhöhen.

Jackie Anderson, Senior Engineer in Air Management Systems Technology bei UTC Building & Industrial Systems am Standort Syracuse, New York, erklärt, warum: „Die Luftgeschwindigkeit innerhalb der Kapelle ist wichtig, weil wir es mit empfindlichen jahrhundertealten Gemälden zu tun haben. Hohe Geschwindigkeiten könnten die Gemälde durch Abrieb oder durch Ablagerungen von Partikeln, die in der Luft enthalten sind, schädigen. Aus diesem Grund war es zwingend notwendig, an den Wänden der Kapelle eine nahezu still stehende Luft zu garantieren.“

Die Temperaturherausforderung

Die Temperatur stellte sich als weitere Herausforderung heraus. „An heißen Sommertagen“, so Jackie Anderson weiter, „leiten die Wände der Kapelle die Wärme in das Innere. Verbindet sich diese mit der Wärme, die 2000 Besucher abgeben, ist es gar nicht so einfach, zu gewährleisten, dass die Temperatur im Inneren in einem angenehmen Bereich bleibt.“ Durch die Simulation des erhöhten Luftstroms konnte das Team die benötigten Temperaturen innerhalb der Kapelle erhalten und gleichzeitig die Kohlendioxid-Konzentration gering halten. Jedoch tritt bei einer Erhöhung der Luftströme automatisch auch eine Steigerung der Geschwindigkeiten auf. „Wir mussten eine kreative Lösung finden, um innerhalb des Raums geringe Geschwindigkeiten zu erhalten, während wir die Gesamtluftströme erhöhten“, meint Jackie Anderson. „Die Arbeit vor Ort war schwierig, deshalb haben wir Computermodelle verwendet, um die Lösung zu finden“, so Michel Grabon. „Als wir verstanden hatten, wie die Elemente Temperatur, Wetter und Besucheranzahl miteinander interagieren, konnten wir Simulationen ausführen, um die einzelnen Parameter anzupassen. So konnten wir genau sehen, wie die Kapelle auf veränderte Bedingungen reagieren würde.“

Modellierung der Sixtinischen Kapelle

Während Teams in Shanghai eine Software entwickelten, mit der die Anzahl der Besucher in der Kapelle über Videokameras geschätzt wurde, setzten amerikanische Teams eine spezielle Modellierungssoftware ein, die den Raum in der Kapelle in 24 Millionen Zellen aufteilte. Millionen von Berechnungen später konnte das Team simulieren, wie der Luftstrom sich durch die Kapelle bewegt.

Während der Modellierungsphase analysierte das Team in Frankreich mögliche extreme Bedingungen innerhalb und außerhalb der Kapelle, um das dynamische Verhalten des Systems zu ermitteln. Aritz Calvo, Ingenieur, Intelligent Building Technologies AdvanTE3C-Group, erklärt: „Abhängig von der Jahreszeit können wir 35 °C draußen und niemanden innerhalb der Kapelle haben, oder -2 °C draußen und die Kapelle voller Personen. Die dynamische Simulation lässt uns die Logik extrahieren, die das System steuert, was bedeutet, dass die Parameter Temperatur, Feuchtigkeit und Luftqualität das gesamte Jahr über kontrolliert werden.“

Mit einem gedruckten 3D-Modell eines Fensters der Sixtinischen Kapelle im Maßstab 1:4 konnte das Ingenieurteam prüfen, ob die Diffusoren unterhalb der schmalen Fenster der Kapelle platziert werden können. Das innovative Design der Diffusoren war entscheidend dafür, die richtige Menge Luft einzubringen.

Umfassende Vortests und Kontrollen

Die Teams von Carrier führten umfassende Tests der HLK-Anlagen und Steuerungen in ihrem Labor in der Nähe von Lyon in Frankreich durch, bevor diese an den Vatikan geliefert wurden, um eine schnelle Inbetriebnahme des Systems vor Ort zu gewährleisten. „Alles war im Voraus berechnet, um sicherzustellen, dass wir vor Ort keine Anpassungen machen mussten“, so Michel Grabon. Das Ergebnis war eine zügige Abbau- und Installationsphase, die nur drei Monate dauerte. Das Team setzte außerdem eine temporäre HLK-Lösung von Carrier Rental Systems ein, um während des Sommers das Klima in der Kapelle angenehm zu halten und sie damit weiterhin für die Öffentlichkeit zugänglich zu lassen.

Die technische Lösung

Die von Carrier entworfene Lösung besteht aus zwei identischen Untersystemen, die jederzeit eine perfekte Redundanz garantieren. Sie ist doppelt so effizient wie das vorige System, bietet die dreifache Kühlkapazität und kann bei bis zu 2000 Besuchern gleichzeitig in der Sixtinischen Kapelle optimale Bedingungen aufrechterhalten.

Steuerung der Temperatur- und Feuchtigkeitswerte

Um korrekte Temperatur- und Feuchtigkeitswerte sicherzustellen, heizen, kühlen, befeuchten oder entfeuchten die Klimatisierungseinheiten die Luft, filtern sie dann und bringen sie in die Kapelle ein. Ein Wärmetauscher leitet übrige Wärme in die Außenluft ab, und ein speziell entworfener Maschinenraum, der auf einer nebenan liegenden Dachterrasse aufgebaut wurde, enthält ein wassergekühltes „AquaForce“-Kühlaggregat von Carrier, sowie die zugehörigen Komponenten.

Eine energie- und raumsparende Lösung

Die HLK-Lösung umfasst zudem eine Energiesparanwendung, die von Carrier patentiert wurde und hier zum ersten Mal eingesetzt wird. Sie fängt das Wasser auf, das im Entfeuchtungsprozess anfällt und verwendet es in einem anderen Prozess zum Kühlen. Durch diese Innovation konnte die Größe bestimmter anderer Komponenten verringert werden, wodurch es möglich wurde, die Anlage auf die kleinen Flächen des nebenan liegenden Dachs zu bauen.

Steuerung des Luftstroms in der Kapelle

Außenluft und recycelte Luft werden zunächst zusammengeführt und thermisch behandelt und gefiltert, bevor sie wieder zurück in die Kapelle geleitet werden. Der Luftstrom ist so gesteuert, dass die Luftqualität und minimale Luftgeschwindigkeiten entlang der Decke und den Wänden der Kapelle erhalten bleiben, aber auch die Besucher von angenehmem Klima profitieren.

Steuern des Luftstroms

Die unter den südlichen Fenstern der Kapelle montierten trompetenförmigen Diffusoren gehören zu den wichtigsten Teilen der gesamten Anlage. Die rautenförmige, gelochte Platte optimiert den Luftstrom und steuert die Luftgeschwindigkeit, um „Luftstillstand“ rund um die Fresken zu gewährleisten.

Anschluss der Systemkomponenten

Beginnend mit den Sensoren innerhalb der Kapelle, dem gesamten Klimatisierungssystem, Pumpen, Filtern und wassergekühlten Kühlanlagen ist die gesamte Anlage über ein elektronisches Netzwerk verbunden, das eine Kommunikation aller Elemente untereinander ermöglicht. Diese Steuerung ermöglicht es, stetig optimale Bedingungen sicherzustellen, die für den Erhalt der Fresken notwendig sind.

Überwachung des Klimas in der Sixtinischen Kapelle

27 Lufttemperatur-Sensoren

20 Feuchtigkeits-Sensoren

19 Oberflächentemperatur-Sensoren

2 Sensoren zur Messung der Kohlendioxid-Konzentration

Leistungshighlights

Effizienz – doppelt so effizient wie das vorherige System

Kapazität – verdreifachte Kapazität

„Unsichtbarkeit“ – die Anlage inklusive aller Sensoren, Verkabelungen, Klimatisierungseinheiten, Pumpen, Kühlanlagen und Diffusoren ist für das Publikum fast unsichtbar

Luftqualität – die Klimatisierungseinheiten sind mit sechs Filterstufen ausgestattet

Lärmsteuerung – das System ist so ausgelegt, dass die Stille in der Kirche bei normalen Betriebsbedingungen nicht beeinträchtigt wird

Innovation – eine neue Anwendung zum Energiesparen wird erstmalig eingesetzt

Unsichtbarer Luftstrom

Wenn Besucher die Kapelle betreten, steigt eine Säule warmer, feuchter Luft auf, verteilt sich an der Decke und kühlt wieder ab, während die Luft an der Wand der Kapelle abwärts strömt. Unter bestimmten Bedingungen hinterlässt diese Luft Feuchtigkeit und andere schädliche Ablagerungen auf der Decke und an den Wänden, die zu weiteren Schäden führen. Sensoren innerhalb der Kapelle erfassen Klimafaktoren wie Temperatur und Feuchtigkeit. Sie geben dann dem System der Klimatisierungsanlagen Informationen weiter, wie viel Außenluft und recycelte Luft in die Kapelle eingebracht werden muss, um das gewünschte Klima darin zu erhalten.

Aufgrund der wachsenden Anzahl von Besuchern war es wichtig, schätzen zu können, wie viele Besucher sich innerhalb der Museen befinden. Eine genaue Besucherzählung ist entscheidend, da die in die Kapelle eingebrachte Menge Luft zu einem Zeitpunkt direkt von der Anzahl der anwesenden Besucher zu diesem Zeitpunkt abhängt. „Wir können nun dank Kameras mit innovativer, speziell für dieses System entworfener Software, in Echtzeit, die Anzahl der Personen in der Kapelle erkennen“, erklärt Aritz Calvo. „Das intelligente System passt dann die in die Kapelle eingebrachte Luftmenge an, schätzt im Voraus die Kohlendioxidkonzentration, bevor diese ansteigt, und steuert auf dieser Basis die einströmende Menge Außenluft.“

Die Mischung aus Außenluft und recycelter Luft wird durch das Luftkanalsystem in die Kapelle eingebracht, das dieselben Öffnungen wie das vorige System nutzt. Dies war aufgrund des Status der Kapelle als geschütztes Denkmal erforderlich. Der Unterschied liegt darin, dass die neue Lösung dreimal mehr Luft mit einer höheren Geschwindigkeit einbringt, wobei jedoch nur vier der sechs bestehenden Zuluftöffnungen verwendet werden. Die übrigen beiden Öffnungen werden als „Abluftleitungen“ genutzt, in denen Luft aus der Kapelle abgeführt und im Gesamten oder in Teilen mit Außenluft vermischt wird.

Dank des einzigartigen Designs des Diffusors und seiner rautenförmigen, gelochten Platte wird die einströmende Luft effizient verlangsamt, um den gewünschten Luftstillstand um die Fresken zu erreichen. Gleichzeitig fällt ein weiterer Luftstrom in die Mitte des Raumes und versorgt die Besucher auf Bodenebene mit einem angenehmen Hauch klimatisierter Luft.

Statische Herausforderungen

Als es Zeit wurde, die verschiedenen Elemente des Systems zu installieren, wurde Carrier mit einigen einzigartigen Herausforderungen konfrontiert: die Geometrie des Raums, das Gewicht und die Größe der Ausrüstung und die historische Bedeutung des Gebäudes. „Durch die Arbeit mit dem Vatikan wussten wir, dass wir nichts in den Wänden platzieren durften und auch nicht den Dachraum nutzen konnten“, erinnert sich Bill Chadwick, Senior Systems Engineer , Intelligent Building Technologies AdvanTE3C-Group. „Das machte uns klar, wie wichtig der Denkmalschutzaspekt bei diesem Projekt war.“

Michel Grabon stimmt zu: „Bei der Installation konnten wir nur die bestehenden Öffnungen nutzen. Wir durften nicht einen einzigen Stein umformen oder versetzen, der sich seit dem Beginn an seinem Platz befand. Durch diese Art Einschränkungen waren wir genötigt, erfinderisch zu werden.“

Das Aufstellen von nahezu 50 Tonnen Material auf den Dächern neben der Sixtinischen Kapelle war ein weiterer bedeutender Faktor. „Bevor wir die Anlagen montierten, mussten wir sicher sein, dass die Terrassen das Gewicht tragen“, so Rev. Rafael Garcìa de la Serrana Villalobos. „Als wir ermittelten, wie das Gebäude konstruiert ist, stellten wir fest, dass die Dachstruktur verstärkt werden musste, um das Gewicht der Klimatisierungseinheiten, der Trockenkühlanlagen und des Maschinenraums tragen zu können.“

Sobald klar war, dass die Struktur das Gewicht tragen kann und das temporäre HLK-System in Betrieb war, wurden die bestehenden Pumpen, Kompressoren und Luftkanäle entfernt. Dann wurde das neue System unter Verwendung der Kanalöffnungen aus den 1990er Jahren montiert. Als die Arbeit abgeschlossen war, wurde das temporäre System ausgebaut und das neue System im Oktober 2014 in Betrieb genommen.

Eine Lösung für die Zukunft

Vier Jahre und vier Millionen Arbeitsstunden waren für Carrier notwendig, um an sein Ziel zu gelangen: das Kunstwerk in der Sixtinischen Kapelle zu erhalten und gleichzeitig Besuchern einen komfortablen Aufenthalt zu ermöglichen. Um dies zu erreichen, musste Carrier einen zuverlässigen Betrieb der Anlage heute und während vieler zukünftiger Dekaden gewährleisten. „Professor Paolucci sagte mir, dass ich eher in Jahrhunderten denken sollte und es als Projekt für die Menschheit betrachten sollte. Das Wichtige an diesem Projekt ist, dass wir es in 40 Jahren aktualisieren können, um mit den steigenden Anforderungen des Vatikans Schritt halten zu können“, so Michel Grabon.

Die Beziehung zwischen Carrier und dem Projekt und damit dem Vatikan endet nicht mit der Installation des neuen Klimatisierungssystems. Durch den abgeschlossenen Wartungsvertrag wird die Zusammenarbeit noch viele weitere Jahre fortgeführt: „Unser Vertrag läuft zunächst fünf Jahre, dann kann er verlängert werden. Die Idee dahinter war, dass wir Änderungen der Besucherzahl und anderer Parameter sofort bemerken und so schnell wie möglich darauf reagieren können, falls nötig“, erklärt Antonio Monti.