Blog zum gesunden Bauen und Wohnen

„Unter vergleichbaren Bedingungen benötigen gegenwärtig ältere Bauten, die um die Jahrhundertwende erstellt wurden, zwei bis dreimal weniger Raumwärmeenergie als solche, die in den letzen Jahren nach U-Wert-mäßigen Gesichtspunkten erstellt wurden. Obwohl hinsichtlich der Baukonstruktion diverse Unterschiede bestehen (Wärmebrücken, Kühlrippen, usw.) lassen sich die erhöhten Energieverbrauchswerte mit herkömmlichen Berechnungen nicht erklären. Sowohl die U-Wert-Theorie, als auch die Theorie über instationäres Wärmeverhalten von Gebäuden sind nicht in der Lage, die bis zu 300% betragenden Energie-Verbrauchserhöhungen nur annähernd zu rechtfertigen.“

1953 wurden von der Eidgenössischen-Material-Prüfanstalt (EMPA) 5 Jahre lang an Versuchshäuschen instationäre k-Werte ermittelt. Es erfolgten äußerst korrekte Temperatur- und Energiemessung sowie die Erfassung der Feuchtigkeitsveränderungen.

Dabei wurde festgestellt, dass im Mauerwerk die Feuchtigkeit im Sommer zu- und im Winter abnimmt. Mit der Austrocknung verschlechterte sich der Wärmedämmwert um 30%. ([1) 1982) Weder die instationäre Berechnung als auch die gesetzlich vorgeschriebene U- Wert – Theorie sind experimentell ausreichend nachgewiesen.
Die unterschiedlichen Feuchtegehalte im Mauerwerk mit ihren jeweiligen Energieströmen, die Wärmespeicherfähigkeit sowie die »Temperaturleitzahl werden in den Berechnungen nicht berücksichtigt. In einer Versuchsdurchführung 1954/55 wurde festgestellt, dass im Winter das Außenmauerwerk abtrocknet und im Sommer die Feuchtigkeit zunimmt. (1)

Es wird davon ausgegangen, dass eine Feuchtigkeitserhöhung in der Mauerwerkskonstruktion die Wärmeleitzahl etwa um 5 bis 6% (max. 10%) verschlechtern können. Je nach Volumengröße, wo sich im Wandaufbau Wasser oder Luft-Wasserdampf-Gemische befinden, könnten diese Werte weit größer sein. Siehe hierzu die Stoffwerte in der Tabelle 1.

In der Regel sind die Wärme- und Feuchtetransportprozesse in Gebäuden stark gekoppelt. Dies zeigt sich besonders deutlich beim Feuchteeinfluß auf die Wärmedämmung von Bauteilen. In einer Grafik wird der Anstieg der Wärmeleitfähigkeit von drei verschiedenen Baustoffen in Abhängigkeit vom Wassergehalt aufgezeigt. (Bild 1) (2)

Während die Wärmeleitung mineralischer Wandbildner, wie bei dem hier dargestellten Porenbeton, linear mit dem Wassergehalt ansteigt, ist der Anstieg bei Polystyrol – Hartschaum leicht progressiv. Überraschend ist der starke Anstieg der Wärmeleitfähigkeit von Mineralwolle schon bei sehr kleinem Wassergehalt.(2)
Auch bei Eichler/Arndt wird der Einfluss der Feuchtigkeit auf die Wärmedämmung beschrieben, wobei hier Einflüsse in Küstennähe, Wetterseiten und Schlagregen u.a. genannt werden. Konkrete Zahlen, wie sich dies auswirkt, werden nicht genannt.(3)

In einer Wandkonstruktion kommen die Aggregatzustände, Dampf, Wasser und Eis (Winter) vor. Die Phasenverschiebung wird durch die Temperatur, Materialstruktur (Poren, Kapillare, Salze) und Druck bestimmt. Im Mauerwerk liegen keine gleich bleibenden Zustände vor. Sie verändern sich ständig qualitativ und quantitativ. Es liegen Energieströme vor, wo der Wandbaustoff zusätzlich durch die Wärmeleitfähigkeit der Luft, Luft-Wasserdampf-Gemisch, Wasser und im Winter durch Eis beeinflusst wird.

Tabelle 1: ausgewählte Stoffwerte

Es lässt sich erkennen, dass sich bei feuchtem Sand und so auch bei Mauerwerk die spezifische Wärmekapazität erhöht. Je mehr Wärme ein Stoff speichern kann, umso träger reagiert er bei der Aufheizung und Abkühlung. Der feuchte Sand hat so annähernd die gleiche Wärmekapazität wie von Holz. Allerdings verändert sich auch die Wärmeleitfähigkeit, welche bei feuchtem Sand und so bei Mauerwerk zunimmt. Ein weiterer Wert, die Temperaturleitzahl oder Temperaturleitfähigkeit a (m² / s) sollte hier Beachtung finden. Sie ist das Maß für die Fortpflanzungsgeschwindigkeit einer Temperaturänderung in einem Körper. Eine Temperaturänderung pflanzt sich umso rascher fort, je größer das Wärmeleitvermögen ist und je kleiner die spezifische Wärmekapazität und die Dichte sind. Nasser Sand zeigt hier deutlich günstigere Werte.
Wie bereits oben genannt, liegen in einem Wandquerschnitt unterschiedliche Feuchten vor, wie Kernfeuchte, Kondenswasser, Spritzwasser u.a., die sich auch in ihrer Ausdehnung ändern oder zeitweise nicht vorhanden sind. (6) Damit ändert sich auch die physikalischen Zustände im Baustoff. Es gibt somit innerhalb des Wandquerschnitts Abschnitte, wo eine höhere Wärmespeicherung und Wärmeleitfähigkeit vorliegt, bei anderen liegen die Werte niedriger. Wandert im Winter der Frostpunkt in das Innere des Mauerwerkes, so verringert sich die Wärmespeicherung und die Wärmeleitfähigkeit erhöht sich. Dies wirkt sich nachteilig auf die Wärmedämmung der Außenwand aus.

Ein Energiestrom erfolgt immer von der höheren Temperatur zur niedrigeren. Erhöht sich die Lufttemperatur an der äußeren Oberfläche der Außenwand, so liegen zwei Energieströme vor, einer von innen und einer von außen. Damit kommen die bekannten Amplituden (Temperaturkurven) zustande, die sich irgendwo im Wandquerschnitt überlagern und aufheben. Bei einer Temperaturänderung, ändert sich auch in bestimmten Umfang der Druck in den Poren, Hohlräumen und Kapillaren. Je nach Taupunkt, taut Flüssigkeit aus oder geht in ein Luft-Wasserdampf-Gemisch über. Wird jetzt noch die Verdampfungswärme des Wassers (0C, 2500 kJ / kg) oder die Schmelzwärme des Eises (333,4 kJ/kg) berücksichtigt, so kommt es lokal zusätzlich zur Wärmeaufnahme bzw. Wärmeabgabe, je nachdem welcher Aggregatzustand sich einstellt. Ändert sich die Temperatur im Wandquerschnitt wieder, so ändern sich unter Umständen auch die Aggregatzustände. Winterliche Direkteinstrahlung und auch die indirekte Einstrahlung (nur eben wesentlich geringer) bewirken eine Absorbierung der Wärmeenergie, die über viele Stunden gespeichert wird und langsam wieder nach außen entweicht. Dies wurde auch in der Versuchsdurchführung 2001 in Leipzig nachgewiesen, wo hier eine Kurve für einen Tagesabschnitt dargestellt wird.

Erläuterung: Punkt 1 = 7.00 Uhr bis 23.00 Uhr, von 9.10 bis 15.30 Uhr Sonnenschein; Reihe 1 = Raumtemperatur; Reihe 2 = Temperatur an der Innenseite der Außenwand; Reihe 3 = Temp. in der Wand (10 cm von außen); Reihe 4 = Temperatur an der Außenoberfläche der Wand; Reihe 5 = Lufttemperatur außen (geschützt)

„…Es konnte festgestellt werden, dass auch an Tagen, wenn keine Sonne scheint, eine geringe Temperaturerhöhung an der äußeren Wandoberfläche erfolgt. Dabei ist diese Temperatur höher als die im Wandinneren. In dieser Zeit lag zusätzlich ein Wärmestrom von außen nach innen vor. Es kam bei 12 Tagen durchschnittlich zu einer Temperaturerhöhung von 5 K. Zeitverzögert erfolgte eine Abkühlung, die sich über einen Zeitabschnitt von 10 bis 18 Std. erstreckte, bis das ursprüngliche Niveau erreicht war. ..„(5)

Unter dem Gesichtspunkt der höheren Wärmespeicherfähigkeit eines feuchten Wandbaustoffs und der geringeren Temperaturleitfähigkeit könnte so zusätzliche Wärme z.B. in einer Außenwand gespeichert werden, wobei auch eine verzögerte Wärmeabgabe erfolgt. Jeder Feuchtigkeit ist bei einer bestimmten Temperatur eine Enthalpiezugeordnet. Weiterhin spielen hier auch die Teildrücke eine Rolle. (Vergleiche hierzu das Mollier (h,s)-Diagramm.) Bei einer vollständigen trockenen Wand, z.B. Stahlplatte, kann die Feuchtigkeit unter normalen klimatischen Bedingungen vernachlässigt werden, wenn die Temperatur der Wandfläche und die der Oberfläche keiner Schwankungen ausgesetzt wäre und so nur geringe Menge an Kondensat an der Oberfläche austaut. Wärmetauscher funktionieren auf dieser Basis. Die Feuchtigkeit wird allerdings vom Werkstoff nicht aufgenommen. Bei mehrschichtigen Wandkonstruktionen ist die Variationsmöglichkeit noch größer.

Neben der Phasenverschiebung sollten auch die einzelnen Feuchtezustände in praktischen Versuchsreihen ermittelt werden, da es bei bestimmten Feuchtigkeitsanteilen kritische und auch optimale Bereiche geben wird, die auch für die Entwicklung von Baustoffsystemen und -konstruktionen von Interesse sein dürfte.

Die gegenwärtigen gesetzlichen U-Wert-Berechnungen stellen einen Idealzustand (Labor) unter Ausschluss klimatischer Bedingungen dar. Für grobe Einschätzungen, wofür diese Berechnungsmethode auch entwickelt wurde und im Bereich höher u-Wert sicherlich ausreichend.

Literatur
(1) Energieverbrauchsanalysen von Hochbauten (Bossert/Nagel Januar 1980) aus Deutsche Bauzeitung 9/1982 S. 58-62
(2) IBP – Software – WUFI – Grundlagen (2001) Fraunhofer Institut
(3) Eichler/Arndt; Bautechnischer Wärme- und Feuchteschutz, 1989
(4) Günter Meyer, Erich Schiffner; Technische Thermodynamik, Fachbuchverlag Leipzig, 1983
(5) Eingespeicherte Solarenergie bei einer Außenwand – praktische Versuchsdurchführung 2001 Wäremspeicher
(6) Trocknung von feuchten Bauwerksteilen 2002 Feuchtigkeit

Ein Bauwerk unterliegt dem Einfluss der Witterung. Vor allem spielt die Feuchtigkeit die wichtigste Rolle. Die chemischen Prozesse, welche bei einem Gebäude ablaufen, benötigen Feuchtigkeit. Das sind einmal die gewollten Prozesse, wie die Abbindeprozesse des Kalkmörtels, des Betons oder beim Gips.

Anders sieht es aus, wenn die Baustoffe einer ständigen Feuchtigkeit ausgesetzt sind. Dann erfolgt ein langsamer Zerstörungsprozess. Ausgenommen beim Beton, hier ist der Karbonatisierungsprozess durch genügend Feuchtigkeit oder bei Trockenheit geringer als bei einer Luftfeuchtigkeit zwischen 50 und 70 %. Das ist eine Feuchtigkeit, welche bei einer Tauwasserbildung vorliegt.

Brücken aus Beton sollten daher eine Mindestdicke haben, damit eingespeicherte Wärme vom Tag bis zum nächsten Morgen reicht. An den frühen Morgenstunden bildet sich sonst Tauwasser auf der Oberfläche. Ebenso ist die Konstruktion so auszuführen, dass alle Bauteile ausreichend mit Luft (zum Trocknen) umspült werden. Bei der Mauerwerkskonstruktion ist ein günstiges Verhältnis anzustreben, sodass die Wasseraufnahme kleiner ist als die Wasserabgabe.

Ist dies konstruktiv nicht erfüllbar, so ist eine diffusionsoffene Beschichtung auf die Oberfläche aufzutragen, welche eine von außen gerichtete Durchfeuchtung verhindert. Diese Beschichtung ermöglicht aber auch ein Abtrocknen des Baustoffs. Die Feuchtigkeit kann von innen nach außen entweichen.

Fehlende Abdichtung der Balkonplatte in Vinnitza (Ukraine)

Bei Kühltürmen an einem Standort in den neuen Bundesländern sah die Betonoberfläche nicht schön aus. Man hatte von außen eine diffusionsdichte Farbschichtung aufgetragen. Die Feuchtigkeit kommt aber bei diesem Bauwerk von innen. Auf der Innenseite der Farbbeschichtung (Sperrschicht) kam es zum Feuchtestau. Auf die genauen Wechselwirkungen und chemischen Prozesse soll hier nicht weiter eingegangen werden, mehr unter dem Artikel Kalziumkarbonat. Auf jedem Fall fing das Bewehrungseisen an zu rosten und sprengt die Betonoberfläche ab. Durch die falsche Farbbeschichtung kam es zu einem erheblichen Bauschaden.

In dem nachfolgenden Bild bei einer frei stehenden Mauer aus Ziegelsteinen kann man von einer aufsteigenden Feuchtigkeit aus gehen. Das ist aber nicht richtig. Der Boden besteht aus Sand und auf der Insel Djerba (Tunesien) regnet es nur relativ wenig im Winter.

Diese Seite ist die Nordseite und durch das Gebüsch ist die angrenzende Luftfeuchtigkeit höher und es bildet sich sicherlich auch Tauwasser. Hier wirkt aber auch noch die salzhaltige Luft des wenige Hundert Meter entfernten Mittelmeers. Bei anderen Mauern ist der Einfluss des Spritzwassers gut erkennbar. Das salzige Spritzwasser kommt hier noch hinzu. Es ist auch möglich, dass der Lehm der Ziegelsteine selbst einen hohen Salzgehalt hat, welcher im Zusammenspiel mit den anderen Faktoren zu dieser Zerstörung der Ziegelsteine beiträgt.

Schäden durch Feuchtigkeit an einer frei stehenden Wand auf Djerba (Tunesien).

In Deutschland sind die durch Schlagregen beanspruchten Mauerwerke bzw. Fassaden einer hohen Belastung durch Feuchtigkeit ausgesetzt. Meistens befindet sich das feuchte Mauerwerk im Gründungsbereich bzw. bis in Höhe des Erdgeschosses. Feuchtes Mauerwerk führt zur höheren Wärmeleitfähigkeit, begünstigt die Salzausblühungen usw. Eine wasserabweisende Farbe schützt solche gefährdete Mauerwerke bzw. Fassadenoberflächen. Diese Beschichtungen zeichnen sich durch ihre besonderen Eigenschaften aus. Niederschlagswasser dringt nicht in das Mauerwerk ein. Aber diese Farben sind diffusionsoffen und lassen die Feuchtigkeit von innen nach außen.

Noch kritischer als die Fassade ist das Dach eines Gebäudes. Das Dach hat die Aufgaben Niederschlagswasser vom Bauwerk fernzuhalten. Ein Dach muss daher vollständig dicht sein. Zum Beispiel im Watco Online-Shop gibt es ein breites Sortiment an verschiedenen Produkten um Risse bei Betonflächen oder beim Flachdach zu verschließen.

Es kann aber auch eine Sanierung der alten Dachhaut mit einer Abdichtung bzw. Überzug erfolgen. Das ist aus meiner Sicht kein vollständiger Ersatz für eine Neueindeckung. Es macht aber Sinn, wenn nur einzelne Flächen schadhaft sind und eine Neueindeckung sonst nicht erforderlich ist. Genauso sinnvoll ist das, wenn das Gebäude nur noch eine bestimmte Zeit benutzt wird und anschließend eine umfangreiche Sanierung bzw. ein Umbau für eine andere Nutzung vorgesehen ist. Diese Beschichtungen sind auf jedem Fall preiswerter als eine Neueindeckung und lassen sich auch viel schneller herstellen. Ebenso lässt sich eine unansehnliche Dachhaut farblich aufwerten.

Auszug

Biologische Schäden an Bauteilen treten nur dann auf, wenn genügend Feuchtigkeit, eine geeignete Nahrung und ein optimaler Temperaturbereich vorliegen. Oft sind sehr schmale Grenzen zwischen Schadenfreiheit und Schädigung zu beobachten. Eine höhere Feuchtigkeit bei niedriger Temperatur muss nicht zwangsweise zu einer Schädigung führen. Dagegen kann bei gleicher oder sogar niedrigerer relativer Feuchte aber bei Zimmertemperatur eine biologische Schädigung auftreten. Dieser Zusammenhang wird in einem verallgemeinerten

Neben dem oft kritisierten eindimensionalen Glaser-Verfahren, welches Kapillartransporte, Sorptionseigenschaften und Einflüsse realer baulicher und klimatischer Randbedingungen nicht berücksichtigt, gibt es zahlreiche Modellansätze, die mehrdimensionale und instationäre Transportvorgänge in kapillar porösen Baustoffen berechnen. Die thermodynamisch miteinander gekoppelten Wärme- und Feuchtetransportvorgänge finden gleichzeitig statt und beeinflussen sich gegenseitig. Enthalpieströme der Feuchtefelder sowie die Phasenänderung des Wassers beeinflussen die Wärmespeicherfähigkeit sowie die Wärmeleitfähigkeit und somit den Wärmetransport. In der Literatur werden verschieden numerische Berechnungsverfahren beschrieben. [1] [7]
So werden bei der Berechnung des Wärmetransportes bei KÜNZEL die „…Wärmeleitung und Enthalpieströme durch Feuchtebewegung mit Phasenveränderung sowie die kurzwellige Sonnenstrahlung berücksichtigt.“ [8]

Im Forschungsbericht zur hygrothermischen Untersuchung an Balkenköpfen … kommt man zu folgender Schlussfolgerung „Grundsätzlich bleibt festzustellen, dass bei der numerischen Simulation gekoppelter Temperatur- und Feuchtefelder in Baustoffen und Bauelementen derzeit die realitätsnahe Kopplung strömungstechnischer Vorgänge mit den Temperaturvorgängen in Materialien außerordentlich große Schwierigkeiten bereitet. Eine praktikable Schnittstelle vorhandener Software für beide Bereiche (z. B. „DELPHIN“, „WUFI“-„Fluent“) existiert nicht.

Quelle:
[1]Kießl, Kurt; Kapillare und dampfförmiger Feuchtetransport in mehrschichtigen Bauteilen. Rechnerische Erfassung und bauphysikalische Anwendung, Dissertation, Universität Gesamthochschule Essen 1983

[2] Häupl, Peter; Stopp, Horst; Feuchtetransport in Baustoffen und Bauwerksteilen Dissertation, Technische Universität Dresden 1987

[3] Philip, J.R.; De Vries, D.A.; Moisture movements in porous materials under temperature gradients, Transaction American Geophysical Union, Heft 2 (1957) S. 222-232

[4] Pedersen, C.R.; Combined heat and moisture transfer in building construction, Dissertation Technische Universität Dänemark, Lyngby 1998

[5] Radu, A. Vornicu, T.; Zweidimensionale Berechnung der Wärmeleit- und Wasserdampfdiffusionsvorgänge in Außenbauteilen, Bauphysik, Heft 1 (1988), S. 17-23

[6] Bednar, T.; Beurteilung des feuchte- und wärmetechnischen Verhaltens von Bauteilen und Gebäuden –Weiterentwicklung der Meß- und Rechenverfahren, Dissertation 2000, Technische Universität Wien

[7] Anderseeon, A.; Computer programs for tow-dimensional heat, moisture air flow. Division of Building Technology, Lund, Instiute of Technology Report TVBH-3005, Schweden 1981

[8] Künzel, Hartwig M.; Verfahren zur ein- und zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransport in Bauteilen mit einfachen Kennwerten, Diss 1994 , Universität Stuttgart, Fakultät Bauingenieur- und Vermessungswesen, S. 8, 64

[9] Gnoth, Steffen; Hansel, Frank; Jurk, Kasten; Toepel, Torsten; Strangfeld, Peter; Hygrothermische Untersuchung der Balkenköpfe von Einschubdecken bei innengedämmten Außenwänden unter Einbeziehung der Heizungstechnik, Heizungstechnisch gestützte kapillaraktive Innendämmung bei Holzbalkendecken , 2003, Fraunhofer IRB Verlag, S. 104