3.2.3 Wärme- und Feuchteübergang
Der Wärme- und Feuchteübergang an den inneren und äußeren Bauteiloberflächen wurde schon in Abschnitt 2.1.1 kurz betrachtet. In der DIN EN 15026 werden für die Außenoberfläche windabhängige konvektive Übergangskoeffizienten definiert. Für den Wärmeübergang wird zum konvektiven oft noch vereinfacht ein strahlungsbedingter Übergangskoeffizient addiert. Letzteres ist, wie bereits angesprochen, nur in Ausnahmefällen sinnvoll, da in der Nacht der konvektive und der strahlungsbedingte Wärmestrom an der Außenoberfläche häufig in gegensätzliche Richtung zeigen. Auch die Windabhängigkeit täuscht eine vermeintlich höhere Genauigkeit vor, da die Windgeschwindigkeit in der Nähe der Oberfläche als Grundlage für die beschriebene Berechnungsformel dient. Da dieser Wert so gut wie nie vorhanden ist, wird er meist durch die Windgeschwindigkeit im meteorologischen Datensatz ersetzt. Dieser wurde jedoch in einer Höhe von 10 m im freien Feld gemessen. Er weicht also deutlich von Verhältnissen an der Bauteiloberfläche ab. Da die Wärmeübergangswiderstände beim heutigen Dämmstandard im Vergleich zum Wärmedurchlasswiderstand der Gebäudehülle keine große Rolle spielen, reicht es in der Regel aus, für den Wärme- und den Feuchteübergang konstante Übergangskoeffizienten bzw. Übergangswiderstände zu verwenden. Eine genauere Betrachtung kann aber zur Beurteilung der kurzfristigen Wärme- und Feuchteverhältnisse an den Bauteiloberflächen oder bei besonders exponierten oder windgeschützten Standorten erforderlich werden.
Dasselbe gilt auch für die konvektiven Dampfübergangswiderstände, die in der Regel deutlich kleiner sind als der Dampfdiffusionswiderstand des gesamten Bauteils. Anhang D der DIN 4108-3 gibt dafür die in Tabelle 2 gelisteten Werte an. Beim Feuchteübergang wird häufig mit einem zusätzlichen sd-Wert gearbeitet, der zum konvektiven Feuchteübergangswiderstand addiert wird. Dieser sd-Wert soll beispielsweise den Widerstand eines dünnen Farbanstrichs auf der Oberfläche repräsentieren, der wärmetechnisch keine Rolle spielt. Dabei ist jedoch Vorsicht geboten, denn dieser zusätzliche Diffusionswiderstand reduziert ausschließlich den Dampftransport und nicht die flüssige Wasseraufnahme bei Regen oder Betauung. Deshalb müsste in diesem Fall auch die Wasseraufnahme der Außenoberfläche so angepasst werden, dass sie der Funktion des Farbanstrichs – der meist auch wasserabweisend eingestellt ist – entspricht. Diese Vorgehensweise funktioniert allerdings nur im Fall der Beregnung. Soll eine Betauung von außen berücksichtigt werden – z. B. um das Risiko von mikrobiellem Wachstum ermitteln zu können – muss der äußere Farbanstrich als eigene Materialschicht eingegeben werden. Die Vereinfachung mittels zusätzlichem sd-Wert führt hier zu falschen Ergebnissen.
Tabelle 2. Übergangskoeffizienten für Wärme und Wasserdampf gemäß DIN 4108-2, Anhang D
| Position | Wärmeübergang (nur Konvektion) hc [W/(m2 K)] | Wärmeübergang (Konvektion und langwellige Strahlung) h [W/(m2 K)] | Wasserdampfübergang b [kg/(m2 s Pa)] |
| außen | 12 | 17 | 75 × 10−9 |
| innen | - | 8 | 25 × 10−9 |
Die raumseitigen Oberflächenübergangskoeffizienten bzw. -widerstände werden in der DIN EN 15026 (Tabelle 2) richtungsabhängig angegeben. Für den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten beim Wärmestrom in horizontaler Richtung wird ein mittlerer Wert von 2,5 W/(m2 K) vorgegeben. Für den Wärmestrom nach oben verdoppelt sich dieser Koeffizient und nach unten beträgt er nicht einmal ein Drittel des horizontalen Wertes. Solche im Labor gemessenen Koeffizienten haben allerdings mit der Realität am Bau wenig zu tun. Erstens reduziert sich der vermeintlich große Unterschied, wenn man den Strahlungsaustausch dazu berücksichtigt und zweitens tritt in beheizten Räumen häufig eine gewisse Temperaturschichtung auf, die eine größere Auswirkung auf die lokale Oberflächentemperatur hat als die Unterschiede in den richtungsabhängigen Übergangskoeffizienten. In Ecken und Kanten gelten außerdem wieder andere Randbedingungen, die gegebenenfalls bei einer mehrdimensionalen Analyse zu berücksichtigen sind. Aus diesen Gründen und auch aus rechentechnischen Erwägungen (es müsste für jeden Zeitschritt abgefragt werden in welcher Richtung die aktuellen Wärme- und Feuchteströme weisen – was bei beiden auch unterschiedlich sein kann – um den „richtigen“ Wert ansetzen zu können) wurden im Anhang D der DIN 4108-3 auch für die raumseitigen Übergangskoeffizienten einheitlich konstante Werte festgelegt (Tabelle 2).
3.2.4 Hilfsmodelle zur vereinfachten Berücksichtigung spezieller hygrothermischer Effekte
Wir sind von unseren Fahrzeugen gewöhnt, dass bei geschlossenen Fenstern und Türen auch beim stärksten Unwetter kein Wasser in die Fahrgastzelle gelangt – zumindest dann, wenn sie relativ neu sind. Das gleiche gilt für ungewollte Luftströmungen durch die Fahrzeughülle. Gebäude sind jedoch keine Fahrzeuge. Die Gebäudehülle ist weniger maßhaltig, die Qualitätsüberwachung ist weniger ausgefeilt, die Materialien und ihre Verarbeitung sind kostengünstiger. Trotzdem erwarten wir von unseren Gebäuden eine deutlich höhere Lebensdauer, eine größere Zuverlässigkeit und mehr Komfort bei gleichzeitig weniger Pflege und größeren Wartungsintervallen. In den meisten Punkten werden diese Erwartungen dennoch erfüllt, allerdings müssen wir lernen, gewisse Abstriche bei der absoluten Wasser- und Luftdichtheit der Gebäudehülle zu machen. Dieselbe Dichtheit wie bei Fahrzeugen ist hier schlicht und einfach unmöglich, wie schon in den Abschnitten 2.1.4 und 2.1.6 diskutiert. Das liegt jedoch nicht am ungeeigneten Material oder unmotivierten Bauhandwerkern. Im Gegenteil, hier können wir große Fortschritte verzeichnen. Es liegt in der Natur der Sache, dass Klebeverbindungen am Bau nie vollständig luftdicht sein können und Fensteranschlüsse selten völlig wasserdicht. Selbst wenn es gelingen würde, zu Beginn eine perfekte Dichtheit herzustellen, dann bedeutet dies leider nicht, dass dieser Idealzustand von langer Dauer sein muss. Das zeigen die Erfahrungen aus 70 Jahren bauphysikalischen Freilandversuchen.
Beurteilungsmodelle, die davon ausgehen, dass die Gebäudehülle perfekt luft- und wasserdicht ausgeführt ist, sind daher realitätsfern. Dass sie in der Vergangenheit trotzdem oft zuverlässige Ergebnisse geliefert haben, hat vor allem zwei Gründe: Erstens weisen viele Bauteile ein ausreichendes Trocknungspotenzial auf, sodass durch kleinere Fehlstellen noch keine Schäden entstehen. Zweitens bewirken manche Leckagen nicht nur eine zusätzliche Befeuchtung, sondern ermöglichen auch eine verbesserte Trocknung. Raumluftinfiltration, die im Winter zu Tauwasserbildung führt, kann bei höheren Temperaturen im Sommer auch die Rücktrocknung beschleunigen. Dennoch erscheint es etwas fahrlässig, davon auszugehen, dass schon alles gut gehen wird. Das zeigen die zahlreichen Feuchteschäden, die von Sachverständigen gerne dokumentiert und veröffentlicht werden. Dabei scheinen einige Konstruktionen, wie z. B. unbelüftete Flachdächer in Holzbauweise besonders betroffen zu sein [45] oder Holzbauwände mit Wärmedämm-Verbundsystemen [46]. Schäden an diesen Konstruktionen haben dazu geführt, nicht nur praktische Lösungen für diese Konstruktionen zu erarbeiten, sondern auch die feuchtetechnischen Beurteilungsmethoden zu verbessern. D. h. es wurde versucht, neue Ansätze in die vorhandenen Feuchteschutzbemessungsmodelle zu integrieren, die eine Berücksichtigung der feuchtetechnischen Auswirkungen von unvermeidbaren Fehlstellen zulassen.