Beurteilung des Schimmelpilzwachstums

Beurteilung des SchimmelpilzwachstumsBei ungünstigen Umgebungsbedingungen kann auf Bauteiloberflächen mikrobielles Wachstum entstehen. Die wichtigsten Einflußparameter sind Temperatur und relative Feuchte sowie ein entsprechender Nährboden und die tägliche Dauer der zusammenwirkend wachstumfördernden Bedingungen (Koinzidenzdauer). Während Bakterien zum Wachstum relative Luftfeuchten von mindestens 90% benötigen, können gewisse xerophile Schimmelpilzarten schon ab Feuchten von 65%, die meisten Arten ab 80% gedeihen. Die größte Temperaturbandbreite für das Gedeihen liegt ebenfalls beim Schimmelpilz vor, nämlich zwischen 0°C und 50°C. Daher wird generell im genannten Temperatur- und Feuchtebereich ein Gefährdungspotential gesehen.

Bild 1 zeigt die qualitative Bewertung der Wachstumsbedingungen für Schimmelpilze in Abhängigkeit von den genannten Einflußfaktoren. Diese funktionalen Zusammenhänge bilden die Basis für eine Prognosemethode zur Beurteilung von Schimmelpilzwachstum, die bereits mehrfach angewendet und experimentell validiert wurde [1]. Als Eingangsdaten fungieren die lokalen Temperatur- und Feuchteverhältnisse aus der instationären Simulation. Die erforderliche Verknüpfung der Einflußparameter erfolgt mit Hilfe der Fuzzy-Logik. Sie berücksichtigt die in der Natur vorhandene Unschärfe z.B. bei der Angabe eines für das Wachstum der Schimmelpilze günstigen Feuchtebereichs. Das Ergebnis der Prognose ist ein Maß für die Stärke des Schimmelpilzwachstums. An einer Erweiterung der vorgestellten instationären Methode hin zu einem Sicherheitskonzept bzgl. der Vermeidung von Schimmelpilzwachstum, wie es in [2] gefordert und für stationäre Verhältnisse abgeleitet wurde, wird noch gearbeitet.

Literatur

Sedlbauer, K.; Oswald, D.; König, N.: Schimmelgefahr bei offenen Luftkreisläufen. Vorstellung einer Prognosemethode auf der Basis von Fuzzy-Algorithmen. Gesundheits-Ingenieur, Heft 5 (1998), S. 240 – 247.
Cziesielski, E.: Schimmelpilz – ein komplexes Thema. Wo liegen die Fehler? wksb 44 (1999), H. 43, S. 25 – 28.

 

Seite erstellt: 20 Apr 2001; letzte Änderung: 16 Jul 2012

Nachträglich gedämmtes Steildach

Nachträglich gedämmtes SteildachDer Dachausbau im Altbaubereich gewinnt zunehmend an Bedeutung. Da die unbelüftete Ausführung einer nachträglichen Dämmaßnahme handwerklich einfacher und wärmetechnisch günstiger ist, sollte sie, wenn feuchtetechnisch machbar, einer belüfteten Variante vorgezogen werden. Da ältere Steildächer meist relativ dampfdichte Vordeckungen (z.B. Bitumenpappe auf Holzschalung) besitzen, ist eine Analyse der Tauwassersituation unerläßlich. Nach DIN 4108-3 erübrigt sich ein rechnerischer Nachweis, wenn die raumseitige Dampfsperre einen sehr hohen Sperrwert (sd > 100 m) aufweist. Aufgrund der großen Gefahr, daß bei solchen beidseitig dampfdichten Konstruktionen kleine Fehlstellen oder Leckagen schwere Feuchteschäden nach sich ziehen können, wird bereits in [1] zu recht davon abgeraten, dieser Normvorgabe zu folgen. Statt dessen wird dort der Einsatz von Dampfbremsen empfohlen, deren Sperrwert so hoch ist, daß sie zwar den winterlichen Tauwasserausfall bis auf ein unkritisches Maß begrenzen, gleichzeitig jedoch auch eine gewisse Austrocknung im Bauteil vorhandener Feuchte im Sommer zulassen.

Dies ist ein typisches Optimierungsproblem, das die Vorteile der rechnerischen Simulation besonders deutlich macht. Setzt man hier das herkömmliche Glaser-Verfahren ein, ergibt sich ein minimaler sd-Wert von ca. 2 m. Unbedenklich ist die Konstruktion jedoch nur, wenn die Randbedingungen für Dächer (Oberflächentemperatur 20 °C) angesetzt werden. Legt man die Randbedingungen für Wände zu Grunde, dann übersteigt in der Regel die Tauwassermenge die Verdunstungsmenge und die Konstruktion wird unzulässig. Ob ein steil nach Norden geneigtes Dach besser mit den Randbedingungen für sonnenbeschienene Flachdächer oder mit den Bedingungen für Wände zu beurteilen ist, bleibt der Einschätzung des Anwenders überlassen. Hier soll gezeigt werden, zu welchen Aussagen man mit Hilfe von WUFI-Berechnungen kommen kann.

Anhand der Feuchteentwicklung in einer nordorientierten, 50° geneigten und unbelüfteten Satteldachhälfte mit Zwischensparrendämmung und dampfdichter Vordeckung wurden in [2] die Auswirkungen unterschiedlicher Randbedingungen und Diffusionseigenschaften der Dampfbremse rechnerisch untersucht. Bild 1 zeigt drei sd-Wert-abhängige Verläufe des Gesamtwassergehaltes in diesem Dach bei normalen Nutzungsbedingungen und typischen Holzkirchner Klimaverhältnissen, ausgehend von der hygroskopischen Ausgleichsfeuchte bei 80% r.F. Hat die Dampfbremse einen Sperrwert von 0,5 m, nimmt das Dach im Winter etwa 1,5 kg/m² Feuchte aus der Raumluft auf und gibt diese im nächsten Sommer wieder vollständig ab, wobei am Ende des Beobachtungszeitraumes nach sechs Jahren der Gesamtwassergehalt etwa der Ausgangsfeuchte entspricht. Die hohe Feuchtezunahme im Winter übersteigt jedoch die Grenzwerte für den maximalen Tauwasserausfall in DIN 4108 und kann wegen der Gefahr von zusammenlaufendem Tauwasser nicht toleriert werden. Wird der Sperrwert der Dampfbremse um den Faktor zehn erhöht, bleibt die Feuchtezunahme deutlich unter dem kritischen Wert von 0,5 kg/m². Dafür findet jetzt jedoch eine langfristige Feuchteakkumulation statt, wie der langsame Anstieg des berechneten Verlaufs über die Jahre zeigt. Eine Lösung bietet in diesem Fall eine Dampfbremse mit variablem sd-Wert, die auf Grund ihrer feuchteadaptiven Eigenschaften im Winter dampfdichter ist als im Sommer. Hiermit wird trotz unbedenklicher Feuchtezunahme durch winterlichen Tauwasserausfall ein großes sommerliches Trocknungspotential erreicht, was sich durch die vergleichsweise geringste Endfeuchte im Dach manifestiert.

Die Entdeckung dieser speziellen Dampfbremse geht auf Spezifikationen durch umfangreiche WUFI-Berechnungen zurück und ist ein Beispiel für den erfolgreichen Einsatz der hygrothermischen Simulation zur Entwicklung und Optimierung von Bauprodukten [3].

 

Literatur

Schulze, H.: Hausdächer in Holzbauart. Werner-Verlag, Düsseldorf 1987.
Künzel, H.M.: Bedeutung von Klimabedingungen und Diffusionseigenschaften für die Feuchtesicherheit voll gedämmter Altbaudächer. Festschrift zum 60. Geburtstag von Prof. Gertis. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart 1998, S.371-389.
Künzel, H.M. und Kasper, F.-J.: Von der Idee einer feuchteadaptiven Dampfbremse bis zur Markteinführung. Bauphysik 20 (1998), H.6, S.257-260.

 

Seite erstellt: 20 Apr 2001; letzte Änderung: 16 Jul 2012

Baufeuchte im Porenbeton-Flachdach

Baufeuchte im FlachdachEin klassisches Beispiel für die Anwendung moderner Rechenverfahren ist das Austrocknen eines Flachdaches aus Porenbeton. Da reine Dampfdiffusionsbetrachtungen nicht ausreichen, um das Austrocknungsverhalten solcher Flachdächer zu erklären, wurde Anfang der 80er Jahre ein Berechnungsverfahren vorgestellt [1], das durch Berücksichtigung des Kapillartransports in der Lage war, experimentelle Untersuchungsergebnisse aus den 60er Jahren [2] quantitativ nachzuvollziehen. Da dieser Dachaufbau in letzter Zeit durch Feuchteprobleme während der Austrocknung in südlichem Klima erneut die Aufmerksamkeit von Fachleuten erfahren hat, wird er hier exemplarisch für das hygrothermische Verhalten von massiven Flachdächern aufgegriffen.

Ausgehend von einer Einbaufeuchte der Porenbeton-Fertigteile von 20 Vol.-% zu Beginn des Jahres sind die berechneten Trocknungsverläufe für drei unterschiedlich gedämmte Flachdachvarianten in Bild 1 dargestellt. Ein Vergleich der Berechnung mit den Meßergebnissen in [2] für das 15 cm dicke Dach zeigt die Qualität der rechnerischen Prognose. Die anfänglich rasche Austrocknung von 10 Vol-% (15 kg/m²) innerhalb von sechs Monaten ist auf die starke Erwärmung der bituminierten Dachoberfläche durch solare Einstrahlung zurückzuführen.

Da das Dach nur nach innen austrocknen kann, entsteht dabei eine erhebliche Feuchtelast für die Raumluft, die umgehend abgeführt werden muß. Während dies in unseren Breiten durch lange Fensteröffnungszeiten erreicht werden kann, sind die Klimaanlagen in feuchtwarmen Klimazonen häufig nicht entsprechend ausgelegt, so daß die Raumluftfeuchte während der Austrocknungsphase unzulässig hoch werden kann.

Der projektierte U-Wert des Daches wird erst erreicht, wenn der Wassergehalt des Daches unter den Bezugsfeuchtegehalt von Porenbeton (ca. 1,5 Vol-%) sinkt. Bei dem 15 cm dicken Dach ist das in weniger als zwei Jahren der Fall. Ein Porenbetondach mit 20 cm Stärke braucht dafür bereits 3,5 Jahre, also etwa doppelt so lange. Wird dieses Dach zusätzlich mit 6 cm Poystyrol gedämmt, verlängert sich die Austrocknungszeit auf annähernd fünf Jahre. Dieses Beispiel zeigt, welchen großen Einfluß die Besonnung auf das Feuchteverhalten von Flachdächern hat. Die Zusatzdämmung führt zwar insgesamt zu einem höheren Temperaturniveau des Porenbetons, gleichzeitig werden aber die sommerlichen Oberflächentemperaturspitzen stark gedämpft. Da der Sättigungsdampfdruck exponentiell mit der Temperatur ansteigt, führt diese Dämpfung zu einer Verringerung der Trocknungsgeschwindigkeit nach der anfänglichen durch die Kapillarleitung unterstützten Feuchteabnahme des Porenbetons.

 

Literatur

Kießl, K.: Kapillarer und dampfförmiger Feuchtetransport in mehrschichtigen Bauteilen; rechnerische Erfassung und bauphysikalische Anwendung. Diss. Universität-Gesamthochschule Essen 1983.

Künzel, H.: Untersuchungen über die Feuchtigkeitsverhältnisse in Flachdachkonstruktionen. Berichte aus der Bauforschung H. 48, Verlag Ernst & Sohn, Berlin 1966,

 

Seite erstellt: 20 Apr 2001; letzte Änderung: 17 Jul 2012

Schlagregenfeuchte in Sichtmauerwerk mit Innendämmung

300x246_Anwendung_Schlagregenfeuchte-in-Sichtmauerwerk-mit-InnendämmungAus hygrothermischer Sicht ist die Außendämmung i.a. einer Innendämmung vorzuziehen. Häufig sprechen jedoch ökonomische Gründe oder Aspekte des Denkmalschutzes gegen eine Außendämmung, so daß die Innendämmung die einzige Möglichkeit bleibt, um den Energieverbrauch eines Gebäudes zu senken und die Behaglichkeit zu erhöhen. Das Problem der Tauwassergefahr und dessen Lösung (z.B. durch Dampfsperren) ist hinlänglich bekannt.

Daß die Innendämmung jedoch auch Auswirkungen auf die niederschlagsbedingte Feuchtesituation der Fassade hat und eventuell das Frostschadensrisiko erhöht, wird meist übersehen. Am Beispiel eines bewitterten Sichtmauerwerks aus Vollziegel wurde dieser Effekt in [1] rechnerisch simuliert und durch begleitende Freilanduntersuchungen verifiziert. Bild 1 zeigt die Feuchteverhältnisse in einem 40 cm starken Mauerwerk mit und ohne anschließender Innendämmung im eingeschwungenen Zustand (d.h. die Simulation wird mit demselben Jahresklimadatensatz solange fortgeführt, bis sich die instationären Feuchteprofile von einem Jahr zum anderen nicht mehr ändern). Der blau unterlegte Bereich zeigt die Bandbreite der innerhalb eines Jahres auftretenden Wassergehalte im Querschnitt der schlagregenbeanspruchten Wände. Die durchgezogene Linie beschreibt die über das Jahr gemittelte Feuchteverteilung von der Außenoberfläche des Mauerwerks bis zu seiner Innenoberfläche, wo der Innenputz bzw. die Innendämmung aus Polystyrol-Hartschaum beginnt.

Trotz periodischer Wassersättigung der Fassade bei intensivem Schlagregen entspricht die mittlere Feuchte an der Außenoberfläche, wegen der günstigen Trocknungsbedingungen bei Sonnenschein, etwa dem Bezugsfeuchtegehalt des Mauerwerks. Durch die starke Feuchteabhängigkeit des Kapillartransports steigt der zeitlich gemittelte Wassergehalt unter der Oberfläche jedoch rapide an. Bei der Wand ohne Innendämmung wird nach einigen Zentimetern ein Maximum durchschritten, bevor der Wassergehalt relativ gleichmäßig bis zum hygroskopisch trockenen Zustand auf der Raumseite abnimmt. Ab etwa 20 cm Tiefe bleibt der Wassergehalt das ganze Jahr über konstant, d.h. die instationäre Klimawirkung beschränkt sich auf die äußere Hälfte des Mauerwerks.

Die Innendämmung verändert die Feuchteverhältnisse im Mauerwerk nachhaltig. Der Wassergehalt unter der Außenoberfläche steigt hier noch stärker an, ohne daß anschließend ein spürbarer Rückgang der Materialfeuchte nach innen zu verzeichnen wäre. Das hat zwei Gründe: Bei gleicher Schlagregenbelastung behindert der Diffusionswiderstand der Polystyrol-Dämmplatten die Austrocknung nach innen und zusätzlich wird das mittlere Temperaturniveau des Mauerwerks durch die Dämmung gesenkt, so daß auch die Trocknung nach außen vermindert wird. Im Vergleich zur ungedämmten Variante steigt der Gesamtwassergehalt im Mauerwerk durch die Innendämmung deutlich an. Bei Frost birgt dieser Feuchteanstieg ein entsprechendes Schadensrisiko, dem nur durch einen verbesserten Regenschutz beispielsweise in Form einer Fassadenhydrophobierung begegnet werden kann [1].

 

Literatur

[1] Künzel, H.M. und Kießl, K.: Feuchte- und Wärmeschutz von Sichtmauerwerk mit und ohne Fassadenhydrophobierung. Mauerwerksbau aktuell 98 (1998) S. D48-D57.

 

Seite erstellt: 20 Apr 2001; letzte Änderung: 16 Jul 2012

Umkehrdiffusion in zweischaliger Außenwand

Umkehrdiffusion-in-zweischaliger-AußenwandBei zweischaligen Wänden übernimmt die Vorsatzschale den Witterungsschutz. Selbst ohne Luftschicht zwischen Außenschale und Kerndämmung bleibt der kapillare Feuchteeintrag bei Niederschlag auf die Vorsatzschale beschränkt, wenn hydrophobe Dämmstoffe verwendet werden und die Gesamtkonstruktion winddicht ist [1]. Die hinter der Verblendung liegenden Bauteilschichten werden daher bei richtiger Ausführung vor Niederschlagswasser dauerhaft geschützt.

Im Sommer kann jedoch eine Befeuchtung dieser Schichten durch die sog. Umkehrdiffusion (auch Sommerkondensation genannt) stattfinden. Bei solarer Erwärmung der Vorsatzschale diffundiert die dort gespeicherte Regenfeuchte durch die Kerndämmung hindurch bis zur kühleren Tragschale und fällt dort als Tauwasser aus. Handelt es sich bei der Tragschale um Mauerwerk, wird dieses Tauwasser kapillar aufgenommen und in kühleren Perioden wieder abgegeben. Enthält die Tragschale jedoch feuchteempfindliche Materialien, wie z.B. Holzwerkstoffe, dann kann die sommerliche Umkehrdiffusion zu Problemen führen.

Am Beispiel des Wandaufbaus in Bild 1 wird das Phänomen der sommerlichen Umkehrdiffusion rechnerisch simuliert. Als Tragschale dient eine einfache Holzständerkonstruktion. Die Vorsatzschale besteht aus einer Klinkerverblendung mit einem vergleichsweise geringen Wasseraufnahmekoeffizient (w-Wert) von 1,0 kg/m²h½. Der 12 cm dicke Spalt zwischen der Verblendung und der OSB-Platte (oriented strand board) der Tragschale ist voll mit hydrophobierter Mineralwolledämmung ausgefüllt. Betrachtet wird die Feuchtesituation der OSB-Platte im fünften Jahr der Bewitterung für den Regelquerschnitt einer nach Westen orientierten Wand. Für die Berechnungen wird das Raumklima in Bild 2 sowie kalte und warme Holzkirchner Außenklimaverhältnisse (HRY) zu Grunde gelegt.

Bild 3 zeigt die Bandbreite der Feuchte, die sich je nach Außenklima in der OSB-Platte einstellt. Während die OSB-Platte im Gegensatz zu den üblichen Erfahrungen im Winter austrocknet, nimmt sie etwa ab Mai kontinuierlich Feuchte auf, bis im Herbst ein Maximum erreicht wird und wieder eine Austrocknung stattfindet. Das sommerliche Auffeuchten rührt, wie bereits beschrieben, von der Umkehrung der Dampfdiffusion her. In einem kalten Jahr bleibt es für den hier gewählten Wandaufbau unkritisch. In einem warmen Jahr steigt der Wassergehalt in der OSB-Platte jedoch über 20 M.-% an. Da gleichzeitig ein relativ hohes Temperaturniveau herrscht, kann eine langfristige Beeinträchtigung der Gebrauchstauglichkeit der Platte durch Mikroorganismen nicht ausgeschlossen werden.

Dieses Beispiel zeigt auf eindrucksvolle Weise, daß unter bestimmten Voraussetzungen eine warme Witterung größere Gefahren in sich bergen kann als ein kälteres Klima.

Literatur

[1] Künzel, H.: Zweischalige Außenwände mit Kerndämmung und Klinkerverblendung. wksb 37 (1996), S. 15-19.

 

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Baufeuchte in Außenwand mit Wärmedämmverbundsystem

Baufeuchte in Außenwand mit WDVSWärmedämm-Verbundsysteme (WDVS) bilden nicht nur einen effektiven Wärmeschutz, sondern auch einen guten Witterungsschutz für Außenwände. Außer im Neubau werden sie deshalb auch erfolgreich bei der Altbausanierung eingesetzt. Im letzten Fall wirken sie gleichzeitig als dauerhafter Korrosionsschutz für die Bewehrung von Großtafelbauten [1]. In allen Fällen ist eine rasche Austrocknung der darunter liegenden Konstruktion erwünscht, um die Korrosion oder auch feuchtebedingte Transmissionswärmeverluste zu stoppen. Am Beispiel einer 24 cm starken Kalksandsteinwand mit 80 mm Außendämmung aus Mineralwolle (MW) bzw. Polystyrol-Hartschaum (EPS) wird die Austrocknung der Baufeuchte rechnerisch und experimentell untersucht sowie auf Ergebnisse und Schlußfolgerungen weiterer Berechnungen verwiesen.

Details zu Wandaufbau, Materialeigenschaften und Durchführung der Freilanduntersuchungen und WUFI-Simulationen sind in [2] enthalten (siehe auch das Beispiel in der WUFI-Tour). Die berechneten und gemessenen Wassergehaltsverteilungen in den Wänden zu verschiedenen Zeitpunkten nach Aufbau des Versuchshauses sind in Bild 1 dargestellt (Beprobung durch Bohrkernentnahme). Sowohl für die Wand mit EPS-Dämmung als auch für die mit MW-Dämmung wird eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Berechnung erzielt.

Die Form der Feuchteprofile zeigt, daß die Austrocknung bei der Wand mit EPS-Dämmung in erster Linie zum Raum hin erfolgt, während die Mineralwolle auch eine deutliche Trocknung des Mauerwerks nach außen zuläßt. Insgesamt dauert die Austrocknung der Wand bis zum hygroskopischen Ausgleichszustand mit Mineralwolledämmung eineinhalb Jahre und mit EPS-Dämmung etwa doppelt so lange. Während der Trocknungsphase sind die Wärmeverluste des Gebäudes durch erhöhte Transmission, aber auch durch die erforderliche zusätzliche Lüftung zum Abführen der Baufeuchte, nicht zu vernachlässigen. Im Fall des wenig dämmenden Kalksandsteinmauerwerks beträgt die feuchtebedingte Erhöhung des U-Wertes im ersten Jahr etwa 5%. Bei Mauerwerk aus porosierten Hochlochziegeln unter dem WDVS schlägt dieser Effekt nach Berechnungen in [3] mit ca. 25% zu Buche.

Da der projektierte Wärmeschutz erst am Ende der Austrocknung erreicht wird, sind schnell trocknende Wandaufbauten energetisch günstig. Am besten sind beidseitig diffusionsoffene Konstruktionen die gleichmäßig nach außen und innen trocknen können. Im Fall einer diffusionshemmenden Umschließung des Mauerwerks, z.B. außen durch eine EPS-Dämmung und innen durch einen Fliesenbelag, kann es über fünf Jahre dauern bis die Baufeuchte vollständig ausgetrocknet ist.
Literatur
[1] Cziesielski, E.: Energiegerechte Sanierung von Korrosionsschäden bei Stahlbetongebäuden. Bauphysik 13 (1991), H.5, S.138-143.
[2] Künzel, H.M.: Austrocknung von Wandkonstruktionen mit Wärmedämm-Verbundsystemen. Bauphysik 20 (1998), H.1, S.18-23.
[3] Holm, A. und Künzel, H.M.: Trocknung von Mauerwerk mit Wärmedämmverbundsystemen und Einfluß auf den Wärmedurchgang. Tagungsband 10. Bauklimatisches Symposium, Dresden 1999, S.549-558

 

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Perimeterdämmung im Grundwasserbereich

Perimeterdämmung im Grundwasserbereich

Die Perimeterdämmung ist aus feuchtetechnischer Sicht unter mitteleuropäischen Klimabedingungen i.a. unproblematisch. Eine Ausnahme bildet die Situation bei drückendem Wasser. In diesem Fall sind ausschließlich geschlossenzellige Dämmstoffe, wie Schaumglas oder extrudierter Polystyrol-Hartschaum (XPS) zulässig.

Da XPS im Gegensatz zu Schaumglas eine gewisse Dampfdurchlässigkeit besitzt, muß dort beim Anbringen der Dämmung dafür Sorge getragen werden, daß langfristig kein Wasser hinter die Dämmplatten gelangen kann. Dies kann nur durch eine dauerhafte, vollflächige Verklebung zwischen Kellerwand und Dämmplatten erreicht werden. Leider zeigt die Praxis, daß diese Vorgabe in Einzelfällen nicht ausreichend berücksichtigt wird und Feuchte in Bereiche mit fehlender oder mangelhafter Verklebung eindringt. Von der warmen Seite der Dämmschicht aus wird dann Feuchte durch Dampfdiffusion in kühlere Bereiche des Dämmmaterials transportiert. Die Folge ist ein Auffeuchten der Dämmplatten rund um diese Fehlstellen mit entsprechenden Folgen für die Wärmedämmung des Kellers.

In [1] wurde das Feuchteverhalten der XPS-Perimeterdämmung eines beheizten Kellers für den Fall der Hinterfeuchtung durch Grundwasser rechnerisch simuliert. Unter den in Bild 1 gezeigten Erdreichtemperaturverhältnissen führt die Diffusion des warmseitig eingedrungenen Grundwassers zu einer annähernd kontinuierlichen Feuchtezunahme der Dämmplatten (Bild 2).

Im Gegensatz zu stichprobenartigen Messungen erlaubt die Berechnung hier eine Extrapolation der Feuchteverhältnisse über einen längeren Zeitraum. Die langfristige Feuchteakkumulation ist bei einer nur 50 mm dicken Perimeterdämmung deutlich stärker ausgeprägt als bei einer Dämmschichtdicke von 80 mm. Aufgrund des flacheren Temperaturgradienten in der dickeren Dämmschicht entsteht ein kleineres warmseitiges Dampfdruckgefälle, was wiederum zu einer geringeren Feuchteaufnahme durch Dampfdiffusion führt. In beiden Fällen wird der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) der gedämmten Kellerwand im Bereich der Fehlstelle im Laufe von 30 Jahren deutlich erhöht (ca. 70 % bei 80 mm und 140 % bei 50 mm). Eine derartige Verschlechterung der Dämmwirkung ist nicht hinnehmbar. Deshalb kommt der sorgfältigen Verlegung von XPS-Perimeterdämmplatten bei drückendem Wasser eine besondere Bedeutung zu.

Literatur

Künzel, H.M.: Feuchteaufnahme von Perimeterdämmplatten aus extrudiertem Polystyrol-Hartschaum im Grundwasserbereich bei nicht vollflächiger Verklebung. IBP-Bericht FtB-38/1995.

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Benchmark-Tests nach ISO 10211

WUFI® 2D berechnet die zeitliche Entwicklung der Temperatur- und Feuchtefelder in einem zweidimensionalen Querschnitt eines Bauteils. Eine solche zweidimensionale Berechnung berücksichtigt automatisch so genannte geometrische und strukturelle Wärmebrückeneffekte. Damit werden jene Einflüsse bezeichnet, welche von der Bauteilgestalt (z.B. einer Ecke) oder von Unterschieden in den thermischen Eigenschaften innerhalb des Bauteils (z.B. Bewehrungen) auf das Temperaturfeld ausgeübt werden. Wegen ihrer Auswirkungen auf das Temperaturfeld und die zugehörigen Wärmeströme können Wärmebrücken weitreichende Konsequenzen für Wärmeverluste, das Schimmelpilzrisiko in feuchten Ecken usw. haben.

WUFI® dient der Berechnung des Wärme- und Feuchtehaushalts von Bauteilen und will nicht mit speziellen Wärmebrückenprogrammen konkurrieren, welche meist flexiblere Eingabemöglichkeiten zur Bauteilmodellierung bieten und die einschlägigen Kennzahlen für die untersuchten Wärmebrücken liefern. Es kann jedoch den Einfluss der Wärmebrücken auf Energieverluste und vor allem auf die Feuchteverhältnisse an und in Bauteilen (Schimmelrisiko, Kondenswasserschäden usw.) untersuchen, was rein thermische Programme nicht können.

Die internationale Norm ISO 10211 enthält eine Reihe von zwei- und dreidimensionalen Testfällen zur Validierung von Wärmebrückenprogrammen. WUFI® 2D sollte natürlich in der Lage sein, die zweidimensionalen Testfälle korrekt zu berechnen.

Testfall 1

WUFI-2D_Benchmarktest1

Fall 1 betrachtet eine Hälfte einer symmetrischen quadratischen Säule mit vorgegebenen konstanten Oberflächentemperaturen. Die stationäre Temperaturverteilung über den Querschnitt kann auch analytisch berechnet werden. 28 auf einem äquidistanten Gitter liegende Temperaturen werden von der Norm als Referenzlösung vorgegeben; die zu validierende Software muss diese Temperaturen mit einer maximalen Abweichung von 0.1° C reproduzieren.

WUFI-2D_Benchmarktest2


Die vorgegebenen Randbedingungen (20° C entlang des oberen Randes, 0° C am linken und unteren Rand, und adiabatisch am rechten Rand) erzeugen eine Temperaturverteilung mit ausgeprägter Variation nahe der linken oberen Ecke und geringer Variation im unteren Teil des Bauteilquerschnitts.
Üblicherweise würde man daher ein der Problemstellung angepasstes effizientes Rechengitter erstellen, welches eine feine Gitterunterteilung in der linken oberen Ecke und nach unten hin zunehmend gröbere Gitterelemente verwendet. Da im vorliegenden Fall jedoch die Temperaturen an präzise vorgegebenen Koordinaten auszuwerten sind und WUFI® die Temperaturen an den Mittelpunkten der Gitterelemente berechnet, muss ein Gitter verwendet werden, welches sicherstellt, dass ein (möglichst kleines) Gitterelement auf jeder der verlangten Positionen zentriert zu liegen kommt.
Zu diesem Zweck wurde das (eigentlich monolithische) Bauteil in 28 separate Blöcke zerlegt, welche die Räume zwischen den Referenzpunkten ausfüllen und in relativ grobe Gitterelemente unterteilt sind. Zwischen diesen Blöcken liegen 4 mm breite Lücken, die so durch ein sehr feines Gitter unterteilt sind, dass (an jeder Lückenkreuzung) jeweils ein kleines Gitterelement genau auf einem Referenzpunkt zentriert ist.

Da im vorliegenden Fall eines monolithischen Bauteils mit vorgegebenen Oberflächentemperaturen die stationäre Lösung für das Temperaturfeld nicht von den thermischen Materialeigenschaften abhängt, können beliebige Materialdaten verwendet werden. Es wurden die Materialdaten von Beton gewählt.

Die vorgeschriebenen Oberflächentemperaturen werden dem Bauteil aufgeprägt, indem die Umgebungsluft auf die gewünschten Temperaturen und die Wärmeübergangskoeffizienten der Oberflächen auf sehr große Werte gesetzt werden. Auf der adiabatischen rechtsseitigen Oberfläche (der Symmetriefläche, die es erlaubt, die Rechnung auf eine Hälfte der ursprünglich quadratischen Säule zu beschränken) wurde der Wärmeübergangskoeffizient auf Null gesetzt, um jeglichen Wärmeaustausch zu unterbinden.

WUFI® 2D besitzt keinen speziellen Rechenmodus zur Ermittlung stationärer Lösungen, aber eine stationäre Lösung kann mit beliebiger Präzision angenähert werden durch eine instationäre Rechnung mit konstanten Randbedingungen, welche für eine hinreichende Anzahl von Rechenschritten ausgeführt wird. Im vorliegenden Fall wurden 10 Schritte zu je 48 Stunden für ausreichend befunden. Der Feuchtetransport wurde für diese rein thermische Rechnung abgeschaltet.

Ein graphischer Postprozessor für die Rechenergebnisse erlaubt es, die Endtemperatur jedes Gitterelements auszulesen. Der Vergleich mit den Referenztemperaturen zeigt, dass WUFIs Temperaturen um 0.05° C oder weniger abweichen und damit problemlos innerhalb der erlaubten Abweichungsbreite von 0.1° C liegen.

Sie können eine Projektdatei (65 KB) für die Benchmark-Rechnung herunterladen. Benutzen Sie die „Import…„-Funktion von WUFI® 2D, um diese komprimierte Archivdatei einzulesen.

 

Testfall 2

WUFI-2D_Benchmarktest3 WUFI-2D_Benchmarktest4

Fall 2 untersucht den Wärmestrom durch ein Bauteil, welches Materialien mit stark unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten enthält.

Abmessungen (mm):
AB= 500 CD = 15 EM = 40 IM = 1.5
AC = 6 CF = 5 GJ = 1.5 FG-KJ = 1.5

 

Wärmeleitfähigkeiten (W/mK):
1 (Beton): 1.15 2 (Holz): 0.12 3 (Dämmung): 0.029 4 (Aluminium): 230

 

Randbedingungen:
AB: 0° C mit Rse = 0.06 m²K/W HI: 20° C mit Rsi = 0.11 m²K/W


Das vorgegebene Bauteil kann, wie für WUFI® 2D notwendig, aus Rechtecken zusammengesetzt werden, was mit WUFIs grafischem Bauteileditor leicht zu bewerkstelligen ist. Das von WUFI® automatisch erzeugte Rechengitter mit der Feinheitseinstellung „grob“ ist für den vorliegenden Fall ausreichend.

Die Wärmeleitfähigkeiten der vier beteiligten Materialien werden von der Norm vorgeschrieben und wurden entsprechend in WUFI® eingegeben. Da WUFI® stets einen vollständigen Satz von thermischen Materialeigenschaften benötigt (also auch Wärmekapazität usw.), wurden die fehlenden Daten von ähnlichen Materialien in WUFIs Materialdatenbank übernommen. Das stationäre Rechenergebnis hängt nur von den vorgeschriebenen Wärmeleitfähigkeiten ab, nicht von den ergänzten Eigenschaften.

Die Umgebungstemperaturen sowie die Wärmeübergangskoeffizienten für die Ober- bzw. Unterseite wurden wie von der Norm gefordert in WUFI® eingegeben. Damit die linke und die rechte Seite sich adiabat verhalten, wurde ihr jeweiliger Wärmeübergangskoeffizient auf Null gesetzt.

Auch in diesem Fall muss die gewünschte stationäre Lösung durch eine instationäre Rechnung mit konstanten Randbedingungen angenähert werden. 30 Rechenschritte von jeweils einer Stunde erwiesen sich als ausreichend.

WUFI-2D_Benchmarktest5

Die sich an den Referenzpunkten einstellenden Temperaturen können wiederum mit dem graphischen Postprozessor ausgelesen werden. Allerdings verlangt die Norm die Temperaturen an Materialgrenzen, während WUFI® die Temperaturen für die Mittelpunkte der Rechengitterelemente berechnet und Materialgrenzen stets mit den Grenzen zwischen Gitterelementen zusammenfallen müssen. Es ist daher – im Gegensatz zu Fall 1 – hier nicht möglich, Gitterelemente auf die Referenzpunkte zu zentrieren (solche Gitterlemente würden zwei oder mehr verschiedene Materialien enthalten, was nicht erlaubt ist).

In der Nähe der vier Ecken (Referenzpunkte A, B, H und I) ist die Temperaturvariation so gering, dass der Mittelpunkt des jeweils äußersten Gitterelements anstelle der tatsächlichen geometrischen Ecke als hinreichend repräsentativ angesehen werden kann.

In den Fällen, in denen die Temperatur auf der Grenze zwischen zwei Materialien zu bestimmen ist (Referenzpunkte C, E und F), muss die Temperatur für diese Stelle aus den Temperaturen an den Mittelpunkten der beiden Gitterelemente berechnet werden, welche an die betreffende Stelle angrenzen. Die Temperatur ϑm für eine Stelle m zwischen den Stellen 1 und 2 kann berechnet werden als ϑm = ((λ1/s1) ϑ1 + (λ2/s2) ϑ2) / ((λ1/s1)+(λ2/s2)), wobei ϑi die Temperatur an Stelle i ist, λi die Wärmeleitfähigkeit zwischen den Stellen i und m, und si der Abstand zwischen den Stellen i und m. Da die beidseits an die Materialgrenze stoßenden Gitterelemente dieselbe Größe haben, heben sich die si weg und die Formel vereinfacht sich auf ϑm = (λ1 ϑ1 + λ2 ϑ2) / (λ12).

In den Fällen, in denen drei Materialien aneinanderstoßen (Referenzpunkte D und G), wurde die Temperatur mittels folgender Verallgemeinerung obiger Formel aus den Temperaturen der vier angrenzenden Gitterelemente berechnet: ϑm = (λ1 ϑ1 + λ2 ϑ2 + λ3 ϑ3 + λ4 ϑ4) / (λ1 + λ2 + λ3 + λ4).

Der Vergleich mit den Referenztemperaturen zeigt, dass WUFIs berechnete Temperaturen um 0.1° C oder weniger abweichen und damit innerhalb der erlaubten Abweichungsbreite von 0.1° C liegen. Der Wärmestrom durch das Bauteil beträgt 9.5 W/m und liegt damit ebenfalls innerhalb des geforderten Bereichs (9.5 ± 0.1) W/m.

Sie können eine WUFI 2D Projektdatei (30 KB) für die Benchmark-Rechnung herunterladen. Benutzen Sie die „Import…„-Funktion von WUFI® 2D, um diese komprimierte Archivdatei einzulesen.

 

Last Update: 14. Februar 2024 at 18:36

Benchmark-Test nach EN 15026

Die europäische Norm EN 15026 nennt Mindestkriterien für Simulationssoftware zur Berechnung des eindimensionalen instationären Wärme- und Feuchtetransports in mehrschichtigen Bauteilen unter instationären Randbedingungen.

Die Norm listet Modellgleichungen und zugehörige Materialeigenschaften auf, welche zur Berechnung von Wärme- und Feuchtetransport benutzt werden sollen. Diese Modellgleichungen berücksichtigen folgende Speicher- und Transportmechanismen:

  • Wärmespeicherung durch die trockenen Baumaterialien sowie das darin enthaltene Wasser,
  • Wärmetransport durch feuchteabhängige Wärmeleitung,
  • Latentwärmetransport durch Dampfdiffusion,
  • Feuchtespeicherung durch Dampfsorption und Kapillarkräfte,
  • Feuchtetransport durch Dampfdiffusion,
  • Feuchtetransport durch Flüssigtransport (Oberflächendiffusion und Kapillarströmung),

und folgende Randbedingungen:

  • Innen- und Außentemperatur,
  • Innen- und Außenfeuchte,
  • Sonnen- und langwellige Strahlung,
  • Niederschlag (Normal- und Schlagregen),
  • Windgeschwindigkeit und -richtung.

Ferner geht die Norm von einigen vereinfachenden Voraussetzungen aus; so bleiben etwa Quell- und Schwindvorgänge, chemische Reaktionen sowie Alterungsprozesse unberücksichtigt, die Feuchtespeicherfunktion wird als temperaturunabhängig behandelt, usw.

WUFI® erfüllt alle Vorgaben der Norm EN 15026.

Testbeispiel

Die Norm enthält ein Testbeispiel zur Validierung der Simulationssoftware. Es soll sicherstellen, dass die zu prüfende Software gewisse Mindestanforderungen erfüllt und innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen korrekte Ergebnisse liefert. Dazu wird die Feuchte- und Wärmeaufnahme eines halbunendlichen Probenstückes betrachtet, das sich anfangs im Gleichgewicht mit den Umgebungsbedingungen ϑ = 20° C, φ = 50 % befindet und dann einem Klimasprung auf ϑ = 30° C, φ = 95 % ausgesetzt wird.

Die plötzliche Erhöhung von Temperatur und Ausgleichswassergehalt an der Oberfläche verursacht Wärme- und Feuchteströme in das Probeninnere. Die sich einstellenden Temperatur- und Wassergehaltsprofile sind jeweils nach 7, 30 und 365 Tagen zu berechnen und mit den Referenzlösungen der Norm zu vergleichen. Die Ergebnisse des zu prüfenden Programms dürfen nicht um mehr als 2,5 % von der Referenzlösung abweichen.

WUFI-Pro_Benchmarktest1 WUFI-Pro_Benchmarktest2

WUFIs Rechenergebnisse für das Testbeispiel sind mit den Referenzlösungen praktisch identisch (siehe Diagramme), es erfüllt daher die Anforderungen der EN 15026.

 

Sie können eine Projektdatei (WUFI® Pro 4 (25kB), WUFI® Pro 5 (11kB) oder WUFI® Pro 6 (11kB)) für die Benchmarkrechnung herunterladen. Ein begleitendes PDF-Dokument (515 KB) bescheinigt, daß WUFI® den Benchmark-Test erfüllt und erläutert die Umsetzung der Normvorgaben in Eingabedaten für WUFI®.

 

Last Update: 14. Februar 2024 at 18:36