Bauphysik-Kalender 2022. Nabil A. Fouad
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Bild 12 zeigt drei Beispiele für Luftkonvektionen, die in Holzbaukonstruktionen auftreten können. Die wichtigste und in der Regel gewollte Konvektion betrifft die Hinterlüftung der äußeren Schalung. Sie soll der Austrocknung von Feuchte dienen, die entweder aus dem Raum oder durch Niederschlag in die Belüftungsebene eingedrungen ist. Allerdings kann bei hochgedämmten Bauteilen durch die Hinterlüftung nicht nur eine Trocknung, sondern auch eine zusätzliche Befeuchtung durch nächtliche Unterkühlung stattfinden. Welcher Effekt zu welcher Jahreszeit überwiegt, hängt von vielen Faktoren ab und kann nicht ohne genauere Analyse vorhergesagt werden. Deshalb ist es mehr als wünschenswert die Auswirkung einer Hinterlüftung mit einem entsprechenden Modell zu erfassen. WTA 6-2 [39] schlägt hierfür im Abschnitt 5.1 ein einfaches Modell vor, dass von einem konstanten Luftwechsel und von einer idealen Durchmischung der Außenluft mit der Luft im Spalt ausgeht. Dieses Modell liefert im Vergleich zu Messungen am Objekt recht zuverlässige Ergebnisse [11, 47].
Die Luftkonvektion von außen durch die Wärmedämmung bis hin zur inneren Beplankung, das sogenannte Wind-washing, führt im Winter in der Regel nicht zu einer Befeuchtung der Konstruktion, sondern wegen der geringen absoluten Feuchte der Außenluft eher zu einer Austrocknung. Wird der Effekt jedoch so stark, dass die raumseitige Oberfläche dadurch bis zum Taupunkt der Raumluft abkühlt, dann können durchaus Probleme entstehen. Bei nach dem Stand der Technik ausgeführten Konstruktionen sollte das allerdings nicht vorkommen. Allerdings hat dieser Effekt eventuell energetische Konsequenzen (Hinweise darauf z. B. in [48]), die unerwünscht sind und einer Abhilfe z. B. durch eine Winddichtheitsebene bedürfen. Feuchtetechnische Nachteile sind in unserer Klimazone, außer bei gekühlten Gebäuden, in der Regel jedoch nicht zu befürchten. Daher finden sich zu diesem Phänomen bisher keine Modellansätze in unseren Feuchteschutzrichtlinien.
Der umgekehrte Fall, wenn feuchte Luft aus dem Raum durch kleine Undichtheiten in die Konstruktion eindringt und an einer anderen Stelle wieder austritt, ist feuchtetechnisch jedoch von großer Bedeutung. Bild 13 zeigt am Beispiel eines unbelüfteten Flachdachs, dass die realen Verhältnisse in Bezug auf Undichtheiten und mögliche Luftströmungswege sehr komplex sind. Sie physikalisch korrekt, d. h. in ihrer dreidimensionalen Struktur zu erfassen, würde einen extremen Aufwand bedeuten. Außerdem müssten die Strömungswege zuvor messtechnisch genau identifiziert werden. Es liegt auf der Hand, dass dies praktisch nicht durchführbar ist. Deshalb müssen hier einige Modellannahmen getroffen werden. Die wesentlichste Vereinfachung ist die Überführung eines komplexen dreidimensionalen Luftströmungsphänomens in ein eindimensionales Kondensationsmodel. Dabei wird ähnlich wie bei der Dampfdiffusion davon ausgegangen, dass die Tauwasserbildung gleichmäßig über die gesamte Kaltseite des Bauteils stattfindet. Diese Annahme hat sich aufgrund der Ergebnisse in [19] als durchaus realistisch erwiesen.
Bild 12. Luftströmungsphänomene in Leichtbaukonstruktionen
Bild 13. Verschiedene Strömungswege am Beispiel eines Flachdachs. Bei direkter Durchströmung des Bauteils, z. B. im Randanschlussbereich, könnte es sein, dass durch die Luftströmung der Strömungsweg erwärmt und es daher nicht oder nur zu einem geringen Tauwasserausfall kommt (Wärmeleckage). Bei einem längeren Strömungsweg durch das Bauteil wird sich die Luft jedoch auf der Kaltseite ausreichend abkühlen, sodass größere Mengen Tauwasser anfallen können (Feuchteleckage).
Wie in [49] dargelegt, wird die Tauwassermenge für jeden Rechenschritt aus dem eindringenden Dampfkonvektionsstrom und der Dampfkonzentrationsdifferenz zwischen der Raumluft und der Sättigungsdampfkonzentration unter den Taupunktbedingungen auf der Innenoberfläche der Kaltseite des Bauteils, also z. B. an der äußeren Beplankung, bestimmt. Der Dampfkonvektionsstrom wiederum errechnet sich aus der Luftdurchlässigkeit des Bauteils und der Luftdruckdifferenz zwischen dem Raum und der Außenluft. Solche Luftdruckdifferenzen treten entweder im Winter durch die Beheizung von Gebäuden auf oder durch Windanströmung. Letztere wirkt meist nur kurzzeitig ein und ist stark von der Geometrie und Exposition des Gebäudes abhängig. Es gibt meist auch keine großen Unterschiede zwischen Sommer und Winter. Das ist bei der auftriebsbedingten Strömung anders. Hier wirkt im Winter eine näherungsweise gleichbleibende Druckdifferenz, die im Sommer aufgrund der Temperaturangleichung zwischen innen und außen zum Erliegen kommt. Neben der relativ einfach zu bestimmenden Druckdifferenz durch thermischen Auftrieb im Winter können auch noch z. B. durch eine Lüftungsanlage mechanisch induzierte Druckdifferenzen auftreten. Diese sollten ebenfalls berücksichtigt werden.
Wenn man aus den genannten Gründen den Windeinfluss vernachlässigt, bleibt als einzige Unbekannte die Luftdurchlässigkeit des Bauteils übrig. Dabei sind die in Bild 13 dargestellten Feuchteleckagen maßgeblich. Bei professionell abgedichteten Konstruktionen sind in der Regel alle verbleibenden Undichtheiten dieser Kategorie zuzuordnen, d. h. die Luftdurchlässigkeit des Bauteils könnte mit einer entsprechenden bauteilbezogenen Differenzdruckanlage direkt gemessen werden. Bei Wohngebäuden liegt sie etwa bei 5% bis 10% der gesamten Luftdurchlässigkeit der Gebäudehülle. Das Dampfkonvektionsmodell im Abschnitt 5.2 des WTA-Merkblatts 6-2 [39] schlägt hier einen Wert vor, der bei Flachdächern von Einfamilienhäusern eine konvektive Tauwasserbildung zur Folge hat, die der Trocknungsreserve für Dächer von 250 g/m2 in der DIN 68800-2 entspricht. Alternativ kann die Luftdurchlässigkeit des Bauteils auch auf Basis der Summe einzelner kleiner Undichtheiten, wie in [50] beschrieben, ermittelt werden.
Im Gegensatz zur Luftkonvektion durch thermischen Auftrieb sind die Luftdruckdifferenzen durch Wind bei uns das ganze Jahr über im Monatsmittel ähnlich groß, d. h. es gibt hier keinen ausgeprägten saisonalen Effekt. Das bedeutet, dass die Differenzdrücke durch Wind sowohl zu einer Befeuchtung im Winter als auch zur Trocknung im Sommer beitragen können. Es gibt Hinweise darauf, dass die windinduzierte Austrocknung im Sommer und zum Teil auch in den Übergangszeiten den auftriebsbedingten winterlichen Feuchteeintrag kompensieren können. Deshalb ist das derzeitige Infiltrationsmodell (ohne Windeinfluss) als konservativ zu betrachten. Zur Weiterentwicklung des Infiltrationsmodells sind allerdings weitere Forschungsanstrengungen notwendig.
3.2.4.2 Berücksichtigung von Regenwasserpenetration
Weit verbreitete und zum Teil erhebliche Feuchteschäden in den 90er Jahren an Holzwänden mit Wärmedämm-Verbundsystemen in Nordamerika haben die Fachwelt wachgerüttelt und nach den Ursachen suchen lassen. Dabei wurde relativ schnell klar, dass die Gründe nur in sehr geringem Umfang mit der Dampfkonvektion zu tun hatten. Vielmehr waren die Schäden auf Regewasserpenetration im Bereich der Fensteranschlüsse (meist am Fensterbrett) zurückzuführen [51]. Deshalb wurden auch die hygrothermischen Modelle zur Feuchteschutzbeurteilung von Außenwandkonstruktionen entsprechend angepasst. In der ASHRAE Norm 160 [52] zur Feuchteschutzbeurteilung durch hygrothermische Simulationsmodelle wird daher folgendes empfohlen: Wie in Bild 14 dargestellt, soll bei Außenwandkonstruktionen ein kleiner Teil des Schlagregens auf die Oberfläche der nächsten Bauteilschicht hinter der äußeren Bekleidung aufgebracht werden. Das ist in der Regel die äußere Witterungsschutzbahn, im Fall eines WDVS ohne Dränage wäre das jedoch die Oberfläche der Unterkonstruktion, d. h. die äußere Beplankung. Falls keine Versuchsergebnisse zur Schlagregendichtheit der äußeren Bekleidung vorliegen, soll die aufgebrachte Wassermenge einem Prozent des an der Fassade ankommenden Schlagregens entsprechen. Neue Lösungen, wie eine spezielle Abdichtungstechnik im Fensteranschlussbereich, bringen eine deutliche Verbesserung aber ein geringer Eintrag von Schlagregenfeuchte kann dennoch nie zu 100 Prozent ausgeschlossen werden. Allerdings liegt der Feuchteeintrag