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 Grundlagen des Feuchteschutzes Physikalische Grundlagen des Feuchteschutzes 1.1 Allgemeines Behagliche, trockene Räume sind das Ziel im höher beheizten Wirtschaftsbau wie auch im Wohnungsbau. Feuchte Wände und Decken führen zu Schimmel- und sonstigem Pilzbefall, der nicht nur unschön ist, sondern auch die Ursache für Allergie-Erkrankungen sein kann. In Räumen mit feuchten Bauteilen ist ein behagliches Raumklima kaum erreichbar. Die Beheizung solcher Räume erfordert, wegen der infolge des Feuchtegehaltes verringerten Wärmedämmung der Wandbaustoffe, einen erhöhten Aufwand an Heizenergie. Aus diesen Gründen ist bei der Planung und der Erstellung der Bauten, aber auch beim Betrieb der Wohnungen dafür Sorge zu tragen, dass ein behagliches Klima erreicht wird.
Abb. 7.10.1 Unterschiedliche Feuchtbelastungen von Gebäuden 1.2 Feuchtebelastungen für ein Gebäude Grundwasser
1.3 Feuchtegehalt der Luft Die uns umgebende Luft, ob in einem Raum oder im Freien, ist ein Gemisch aus Stickstoff, Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserstoff, Edelgasen und Wasserdampf. Die Quellen für den Wasserdampf sind z.B. die Verdunstung aus Wasseroberflächen, die Feuchteabgabe von Pflanzen und die Atmung von Menschen und Tieren. Die Wasseraufnahmefähigkeit der Luft nimmt mit steigender Temperatur stark zu (Abb. 7.10.2). Zu jeder Lufttemperatur gehört ein maximaler Feuchtegehalt, der Sättigungsgehalt an Wasserdampf. Zum Beispiel kann Luft von 20 °C höchstens 17,29 g/m³, Luft von 0°C dagegen nur höchstens 4,84 g/m³ aufnehmen.
Abb. 7.10.2 Wasserdampf-Sättigungsgehalt der Luft in g/m³ in Abhängigkeit von der Lufttemperatur [1] Ist der Wasserdampf in der Luft in geringerer Konzentration vorhanden als bei der betreffenden Temperatur löslich wäre, so nennt man die Luft ungesättigt. Zur Kennzeichnung dieses Zustandes gibt man das Verhältnis der vorhandenen Wasserdampfkonzentration c zur maximal löslichen Konzentration c sat bei der betreffenden Temperatur an und bezeichnet es als relative Luftfeuchte φ :
Die relative Luftfeuchte φ ergibt sich als Zahl zwischen 0 und 1; in der Praxis wird φ in %, also als Wert zwischen 0 und 100 angegeben. Auf Abb. 7.10.3 ist der Wasserdampfgehalt der Luft in Abhängigkeit von der Temperatur Q und der relativen Luftfeuchte φ dargestellt (sog. Carrier-Diagramm). Die mit φ = 100% bezeichnete Kurve stellt die Sättigungsfeuchte dar.
Abb. 7.10.3 Wasserdampfgehalt von Luft als Funktion der Temperatur (Carrier-Diagramm) [2] Es ist in der Bauphysik üblich geworden, die in der Luft enthaltene Wasserdampfmenge nicht als Konzentration in g/m³ sondern als Wasserdampfteildruck oder Wasserdampfpartialdruck pin Pa anzugeben. Feuchte Luft ist nach der Theorie der Thermodynamik als ein Dampf-Gas-Gemisch von idealen Gasen, nämlich als ein Gemisch aus Wasserdampf und trockener Luft anzusehen. Nach dem Gesetz von Dalton ist der Gesamtdruck p ges eines Gemisches aus idealen Gasen gleich der Summe der Drücke der Einzelgase. Dieses Gesetz ist auch für feuchte Luft anwendbar.
pges Gesamtdruck pL Teil- oder Partialdruck der Luft p Teil- oder Partialdruck des Wasserdampfes Dieser Partialdruck darf nicht mit einem Druck verwechselt werden, der mechanische Kräfte ausübt. Er ist vielmehr ein Teil des Gasgemisches Luft, das als Ganzes einen Druck auf Festkörper und Flüssigkeitsoberflächen ausübt. Einem höheren Wasserdampfpartialdruck entspricht dann eine größere Konzentration von Wasserdampf im betrachteten Luftvolumen. Dem Sättigungsgehalt an Wasserdampf in der Luft ist ein Sättigungsdampfdruck psat zugeordnet, der ebenfalls mit zunehmender Temperatur in gleichem Maße wie die maximal aufnehmbare Wasserdampfmenge ansteigt. Die Werte des Wasserdampfsättigungsdruckes in Abhängigkeit von der Lufttemperatur enthält DIN 4108-3, Tabelle A.2 [3]. Mit für die Baupraxis ausreichender Genauigkeit kann die relative Luftfeuchtigkeit bei einer bestimmten Lufttemperatur nicht nur als das Verhältnis von vorhandenem zu maximalem Wert der Wasserdampfkonzentration, sondern auch als das Verhältnis von vorhandenem zu maximalem Wert des Wasserdampfpartialdrucks ausgedrückt werden.
1.4 Taupunkttemperatur Kühlt man ungesättigte Luft bei konstantem Gesamtluftdruck ab, so bleibt der Wasserdampfteildruck unverändert. Bei einer bestimmten Temperatur wird der Wasserdampfteildruck gleich dem zugehörigen Sättigungsdruck und es beginnt Tauwasser auszufallen (wobei Verdampfungswärme frei wird). Diese Temperatur heißt der „ Taupunkt“ oder zweckmäßigerweise die "Taupunkttemperatur" Θe der Luft, bezogen auf die Ausgangstemperatur Q und die bei dieser Temperatur vorhandene relative Luftfeuchte φ . Die Kurzbezeichnung "Taupunkt" ist unzweckmäßig, weil Praktiker darunter oft irrtümlicherweise einen "Ort" in der Wärmedämmung verstehen, an dem Tauwasser ausfällt. Folgendes Zahlenbeispiel soll den Vorgang verdeutlichen: Luft mit einer Ausgangstemperatur von 20°C und 50% relativer Luftfeuchte enthält eine Wassermenge von 8,65 g/m³. Kühlt sich diese Luft bei Berührung mit einem kälteren Gegenstand, z.B. einer Wandfläche, ab, so geschieht solange nichts, bis der Taupunkt oder die Taupunkttemperatur erreicht wird. Diese beträgt in vorliegenden Fall 9,3°C, siehe DIN 4108-3, Tabelle A.4. Der Wasserdampfgehalt der Luft beträgt immer noch 8,65 g/m³, wobei diese Feuchtemenge nun der maximale Feuchtegehalt der Luft ist und die relative Luftfeuchte 100% beträgt. Bei weiterer Abkühlung beginnt nun Tauwasser auf der betreffenden Fläche, hier der Wandfläche, auszufallen.
Abb. 7.10.4 Wasserdampfdiffusions-Widerstandszahl µ.
Abb. 7.10.5 Die Wasserdampfdiffusion wird durch die Metalldeckschicht des Sandwichelementes unterbunden.
Wasserdampfdiffusion und Tauwasserbildung im Inneren von Bauteilen Unter Wasserdampfdiffusion ist der Feuchtetransport durch Bauteile aufgrund unterschiedlicher Wasserdampfteildrücke zu beiden Seiten der Bauteile zu verstehen. Unterschiedliche Wasserdampfteildrücke entstehen durch verschiedene klimatische Bedingungen. So erfolgt z.B. im Winter durch einen gegenüber dem Außenklima höheren Wasserdampfteildruck im beheizten Innenraum eine Wasserdampfdiffusion von innen nach außen. Die Wasserdampfdiffusions-Widerstandszahl μ ist dabei die den Stoff charakterisierende Größe. Sie gibt an, um welchen Faktor der Wasserdampf-Diffusionswiderstand des betrachteten Materials größer als der einer gleichdicken, ruhenden Luftschicht gleicher Temperatur ist; μ ist somit eine dimensionslose Verhältniszahl (siehe Abb. 7.10.4 auf Seite 7.10.4 und Tabelle in Abb. 7.10.7 auf Seite 7.10.6). Der tatsächliche Diffusionswiderstand, den ein Bauteil der Wasserdampfdiffusion entgegensetzt ergibt sich aus seiner Wasserdampfdiffusions-Widerstandszahl μ und seiner Dicke d. Der Diffusionswiderstand eines Bauteils wird angegeben als die wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke sd = μ . d. Im Falle von Paneelen mit metallischen Deckschichten ist keine Wasserdampf-Diffusion durch die Fläche der Paneele möglich (siehe Abb. 7.10.5 auf Seite 7.10.4). Für den Fall von Mauerwerk ist in Abb. 7.10.6 der Wasserdampfdiffusionsstrom durch das Bauteil als Pfeil dargestellt. Die Wasserdampfdiffusionsstromdichte g ist dabei von der Wasserdampfteildruckdifferenz und dem Widerstand abhängig, den das Bauteil der Diffusion entgegensetzt. Wird dabei im Querschnitt des Bauteils der Sättigungsdruck des Wasserdampfes erreicht, fällt Tauwasser aus. Die Berechnung von Tauwasserausfall und Verdunstungsmasse wird in Kap. 2.2 beschrieben.
Abb. 7.10.6 Wasserdampfdiffusion durch Mauerwerk Im Inneren von Bauteilen ist eine Tauwasserbildung unschädlich, wenn der Wärmeschutz und die Standsicherheit der Bauteile durch Erhöhung des Feuchtegehaltes der Bau- und Dämmstoffe nicht gefährdet werden. Diese Voraussetzung gilt nach DIN 4108-3 als gegeben, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind:
Die Berechnung des Tauwasserausfalles im Winter und der möglichen Verdunstungsmenge im Sommer erfolgt nach DIN 4108-3 mit den dort angegebenen klimatischen R Randbedingungen.
Abb. 7.10.7 Einige Beispiele von Wasserdampfdiffusions-Widerstandszahlen. Weitere Zahlenwerte sind DIN V 4108-4, Tabelle 1 [4] zu entnehmen.
Feuchteschutz nach DIN 4108- 3 2.1 Wärmeschutztechnische Berechnungen zur Vermeidung kritischer Feuchte auf Innenoberflächen Eine Tauwasserbildung auf raumseitigen Oberflächen von Außenbauteilen beheizter Räume kann vermieden werden, wenn durch eine ausreichende Wärmedämmung des Bauteils verhindert wird, dass die Temperatur der raumseitigen Oberfläche unter die Taupunkttemperatur der Raumluft sinkt. Bei Einhaltung der Mindestwerte des Wärmedurchlasswiderstandes der Bauteile nach DIN 4108-2, Tabelle 3 [5] wird bei Raumlufttemperaturen und relativen Luftfeuchten, wie sie sich in nichtklimatisierten Aufenthaltsräumen bei üblicher Nutzung und Lüftung einstellen, das Auftreten von Oberflächentauwasser vermieden, das zu Schimmelbildung führen kann.
Voraussetzung ist allerdings, dass die Bauteile, z.B. das Mauerwerk, genügend ausgetrocknet sind und der Wärmeübergang an den Oberflächen nicht durch vorgestellte Möbel oder dgl. verringert wird. Nach DIN 4108-3 wird der Mindestwert des notwendigen Wärmedurchlasswiderstandes R eines ebenen Bauteils ohne Wärmebrücken zur Vermeidung von Tauwasserbildung an der Innenoberfläche nach folgender Gleichung berechnet:
R erforderlicher Wärmedurchlasswiderstand Rsi , Rse Wärmeübergangswiderstände an der inneren und äußeren Wandoberfläche Θi , Θe Lufttemperatur innen und außen in °C Θs Taupunkttemperatur der Innenluft in °C
Dabei sind folgende Randbedingungen nach DIN 4108- 2, 6.2 zugrunde zu legen: Wärmeschutztechnische Berechnungen zur Vermeidung von Tauwasserbildung im Innern von Bauteilen 2.2.1 Randbedingungen für die Berechnung Das Berechnungsverfahren ist in DIN 4108-3, Anhang A beschrieben. Die derzeit gültigen Randbedingungen für die Berechnung enthält die folgende Tabelle in Abb. 7.10.8 auf Seite 7.10.8. Eine neue und verbesserte Ausgabe von DIN 4108-3, die voraussichtlich im Frühjahr 2004 erscheinen wird, gibt neue Randbedingungen vor. Sie wurden auf der Grundlage praktischer Erfahrungen erstellt und durch genauere Berechnungsmethoden abgesichert. Sie sind im Entwurf DIN 4108-3/A1:2003 [7] enthalten und sind in Abb. 7.10.9 wiedergegeben.
2.2.2 Diffusionstechnische Berechnungen von Metall-Sandwichpaneelen Bei der diffusionstechnischen Berechnung zur Ermittlung von Tauwasser- und Verdunstungsmassen von Metall-Sandwichpaneelen zeigen die herkömmlichen Berechnungsprogramme in der Regel einen Tauwasserausfall in der PUR-Dämmschicht, obwohl Metallbleche den Durchgang von Wasserdampf verhindern. Die Ursache dafür ist, dass für das Berechnungsverfahren ein endlicher Wert für μ der Metallschicht, in der Größenordnung von 100.000, angenommen wird. Dies kann dazu führen, dass die Berechnung eine verschwindend kleine Mengen an Tauwasser ergibt, die jedoch infolge der Ungenauigkeit des Berechnungsverfahrens außer Acht gelassen werden sollte (EN ISO 13788 [8]). Nach DIN EN 12524, Tab. 1 besitzen Metalle einen unendlichen Wert von μ. Auch dort ist für eine Aluminium-Folie mit einer Schichtdicke von 0,05 mm als wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke der Wert sd = 1.500 m angegeben, ein Wert der praktisch diffusionsdicht bedeutet.
Abb. 7.10.8 Randbedingungen nach DIN 4108-3: 2001-07, Tabelle B.1
Abb. 7.10.9 Klimabedingungen zur Beurteilung der Tauwasserbildung und Verdunstung im Innern von Bauteilen nach Entwurf DIN 4108-3/A1: 2003, Tabelle A.1
2.2.3 Berechnungsbeispiel Mauerwerk mit nachträglicher Innendämmung Als Beispiele für den Fall mit Tauwasserausfall im der Kondensationsperiode und vollständiger Verdunstung des Tauwassers in der Verdunstungsperiode und den Fall ohne Tauwasserausfall soll folgender Wandaufbau mit den beiden oben genannten (alten und neuen) Randbedingungen berechnet werden. Dabei handelt es sich um Ziegelmauerwerk, auf das eine PS-Hartschaum-Innendämmung angebracht wird, und das damit einen Wärmedurchgangskoeffizienten von U = 0,43 W / (m²K) erreicht. Dieser Wandaufbau erfüllt die in DIN 4108-3, 4.3.2.2 genannten Bedingungen für Bauteile, die keinen rechnerischen Nachweis benötigen.
Abb. 7.10.10 Wandaufbau Mauerwerk mit nachträglich angebrachter Innendämmung.
2.2.3.1 Berechnungsergebnis unter Verwendung der Randbedingungen nach Abb. 7.10.9 Als erstes soll nun die Berechnung mit den Klimarandbedingungen nach Entwurf DIN 4108-3 / A1: 2003 durchgeführt werden. Den Temperatur-, Sättigungsdampfdruck- und tatsächlichen Dampfdruckverlauf in den Schichten des Wandaufbaus zeigt das diffusionsdiagramm Abb. 7.10.11.
Abb. 7.10.11 Diffusionsdiagramm für den Wandaufbau: Mauerwerk mit nachträglich angebrachter Innendämmung. Berechnung mit den Klimarandbedingungen nach Abb. 7.10.9. Für die Aufstellung des Diffusionsdiagramms ist zunächst die wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke sd = μ . d jeder einzelnen Bauteilschicht zu ermitteln. Die Wasserdampfsättigungsdrücke werden dann in Abhängigkeit von der Summe der sd - Werte der einzelnen Schichten in das Diagramm eingetragen. Die Wasserdampfsättigungsdrücke sind aus DIN 4108-3, Tabelle A.2 zu entnehmen. Den Temperaturverlauf zeigt die obere Linie, zu der die Temperaturskala auf der rechten Seite gehört. Die Skala für den Dampfdruck ist links aufgetragen. Die mittlere Linie stellt den Verlauf des Sättigungsdampfdruckes dar, der von den an den Schichtgrenzen vorhandenen Temperaturen abhängt. In das Diagramm sind dann die Wasserdampfteildrücke für das Innenraumklima pi = 1.170 Pa und das Außenklima pe = 321 Pa bei sd = 0 und sd = Σsdi an den Bauteiloberflächen eingetragen. Der Verlauf des Wasserdampfteildruckes im Wandaufbau ergibt sich im Diffusionsdiagramm als Verbindungsgerade der Wasserdampfteildrücke pi und pe an den Bauteiloberflächen. Schneidet die Verbindungsgerade die Sättigungslinie nicht, so findet im Bauteil kein Tauwasserausfall statt. Im vorliegenden Fall schneidet die Verbindungsgerade die Sättigungslinie nicht. Es findet kein Tauwasserausfall während der Kondensationsperiode statt.
7.10.12 Diffusionsdiagramm für den Wandaufbau: Mauerwerk mit nachträglich angebrachter Innendämmung. Berechnung mit den Klimarandbedingungen nach Abb. 7.10.8.
2.2.3.2 Berechnungsergebnis unter Verwendung der Randbedingungen nach Abb. 7.10.8 Die Aufstellung des Diffusionsdiagramms, Abb. 7.10.12, erfolgt wie unter 2.2.3 beschrieben, mit dem Unterschied, dass hier die Klimarandbedingungen nach Abb. 7.10.8 berücksichtigt werden müssen.
7.10.13 Dampfdruckverlauf der Verdunstungsperiode für den Wandaufbau: Mauerwerk mit nachträglich angebrachter Innendämmung. Berechnung mit den Klimarandbedingungen nach Abb. 7.10.8. Der wesentliche Unterschied während der Kondensationsperiode besteht in der Außenlufttemperatur, die hier –10°C beträgt. Dadurch sinken die Temperaturen und die Sättigungsdampfdrücke im Wandaufbau. Der Wasserdampfteildruck für das Außenklima beträgt nun pe = 208 Pa. Im vorliegenden Fall gelingt es nicht die Wasserdampfteildrücke pi und pe an den Bauteiloberflächen durch eine Gerade zu verbinden. Die Verbindungslinie berührt die Sättigungslinie an den beiden durch Pfeile gekennzeichnete Stellen. Dieses ist der Bereich, in dem sich Tauwasser bildet. Die Berechnung der Tauwassermenge erfolgt mit der in Abb. 7.10.7 angegebenen Dauer der Tauperiode von 1.440 Stunden. Die Tauwassermasse beträgt 0,299 kg/m². In diesem Fall ist auch die mögliche Verdunstungsmenge zu ermitteln, um festzustellen, ob das ausgefallene Tauwasser in der Verdunstungsperiode wieder austrocknen kann. Abb. 7.10.13 zeigt den Dampfdruckverlauf in der Verdunstungsperiode. Die Berechnung der möglichen Verdunstungsmenge erfolgt mit der in Abb. 7.10.8 angegebenen Dauer der Verdunstungsperiode von 2.160 Stunden. Die mögliche Verdunstungsmenge beträgt 0,961 kg/m². Damit ist die Unbedenklichkeit des beschriebenen Wandaufbaus nachgewiesen. Autor
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