Hygrothermische Simulation

So rechnet eine hygrothermische Simulation

Was eine hygrothermische Simulation berechnet

Erhöhte Feuchte in Bauteilen kann nach dem WTA-Merkblatt 6-2 hygienische Mängel, Schäden und Heizenergieverluste verursachen, und die Simulation soll das instationäre Temperatur- und Feuchteverhalten mehrschichtiger Bauteile realitätsnah erfassen.^[1] Anders als die stationären Normberechnungen nach Glaser berücksichtigt sie die Wärme- und Feuchtespeicherung der Baustoffe, die Wärme, die beim Verdunsten und Kondensieren umgesetzt wird, und das gleichzeitige Auftreten von Dampfdiffusion und Flüssigtransport.^[1]

Als klimatische Randbedingungen gehen neben Temperatur und relativer Luftfeuchte auch Strahlung und Niederschlag ein, und die Materialkennwerte stammen meist aus den Datenbanken der Programme, aus Laborversuchen oder aus Näherungen auf Grundlage von Standardkennwerten.^[1] Die erste Ausgabe des Merkblatts aus dem Jahr 2002 hat nach seiner Kurzfassung den Grundstein dafür gelegt, die Rechenmethoden international zu normen.^[1] Erarbeitet wurde sie von 1997 bis 2001, die Überarbeitung lief von 2012 bis 2013 und erschien als endgültige Fassung im Dezember 2014.^[1]

Diese Norm ist DIN EN 15026: Sie legt die Bestandteile eines numerischen Modells für die instationäre Wärme- und Feuchteübertragung in Bauwerken fest und ein Verfahren, mit dem sich prüfen lässt, ob ein Rechenmodell ihr entspricht.^[3] Die Ausgabe 2023-12 ersetzt die Fassung 2007-07 und ist unter anderem um einen neuen Abschnitt 6 und neue Anhänge erweitert.^[3] Überarbeitet wurden außerdem Einleitung, Anwendungsbereich und die Abschnitte 4, 5 und 7, und der neue Anhang E ist normativ, also verbindlicher Teil der Norm.^[3] Zuständig ist in Deutschland der Arbeitsausschuss Feuchte im DIN-Normenausschuss Bauwesen, der auch die europäische und internationale Arbeit begleitet.^[3]

Wann eine hygrothermische Simulation nötig wird

Für nicht klimatisierte Wohngebäude und ähnlich genutzte Gebäude gibt DIN 4108-3 konkrete Planungshinweise, für alle anderen Fälle empfiehlt Hartwig Künzel vom Fraunhofer IBP eine Feuchteschutzbemessung durch Simulation, die auch Feuchtequellen aus Konvektion einbezieht.^[4] DIN EN 15026 rechnet dafür dynamisch mit stündlich wechselnden Randbedingungen.^[4]

Das WTA-Merkblatt 6-2 verweist für typische Anwendungen auf eigene Merkblätter, etwa zur rechnerischen Prognose des Schimmelpilzrisikos, zu Innendämmungen und zur feuchtetechnischen Bewertung von Holzbauteilen.^[1] Seine Gliederung zeigt, was eine belastbare Rechnung braucht: Bilanz- und Transportgleichungen, Materialparameter, Außen- und Raumklima, Übergangsbedingungen an den Oberflächen, Anfangszustände sowie Hilfsmodelle für Hinterlüftung, Tauwasser aus durchströmender Luft und eindringenden Schlagregen.^[1]

Klima, Standort und Rechendauer

Wie viel Wasser sich in einem Bauteil ansammelt, geht nach dem Forschungsbericht T 3288 real auf drei Vorgänge zurück, auf Diffusion, Sorption und Kapillarität, und ohne Regen bestimmen die Dampfströme an den Oberflächen zusammen mit den Stoffeigenschaften das Geschehen.^[2] Treibend ist der Unterschied der Dampfdrücke: Je größer das Gefälle zwischen innen und außen, desto stärker der Dampfstrom in das Bauteil hinein oder hindurch.^[2] Selbst ein einmaliger Eintrag lässt sich so als Anfangsfeuchte durchrechnen, etwa Regen, der eindrang, solange das Dach nach dem Sturm undicht blieb.

Wie stark das Ergebnis vom Klima abhängt, zeigen die Vergleichsrechnungen von Ackermann und Kießl für das Deutsche Institut für Bautechnik: Kein deutscher Standort vereint starke Auffeuchtung im Winter und schwache Austrocknung im Sommer, deshalb wurden zwei Referenzorte gewählt.^[2] Hof steht für kalt und trocken, Karlsruhe für warm und feucht, und gerechnet wurde mit dem Programm WUFI und stündlichen Mittelwerten realer Klimadaten.^[2] Untersucht wurden so acht Typkonstruktionen, deren Temperatur- und Feuchteverteilung die vereinfachte Diffusionsrechnung auf ihre Plausibilität prüfen sollte.^[2] Auch die Frage, wie lange ein feuchter Fleck an der Wand nach einem Schaden zum Austrocknen braucht, lässt sich so abschätzen.

Ein einziger Standort reicht für solche Untersuchungen nach dem Bericht nicht aus, und weil Bauteile thermisch und hygrisch träge sind, braucht die Rechnung Zeit, bis sich Temperatur- und Feuchteverteilung von ihrem Anfangszustand gelöst haben.^[2] Messwerte vom Gebäude helfen, den Anfangszustand realistisch zu wählen, und nach einem Schaden fließen auch die Sofortmaßnahmen in die Rechnung ein.

Konvektion und Luftdichtheit in der Simulation

Feuchte, die mit durchströmender Raumluft in ein Bauteil gelangt, lässt sich in der Simulation über das Infiltrationsmodell des Fraunhofer IBP abbilden.^[4] Der Luftstrom durch ein Bauteil wird dabei vereinfacht als gleichmäßige Strömung angesetzt, proportional zur Druckdifferenz zwischen innen und außen, und der Durchlässigkeitskoeffizient muss aus Dichtheitsmessungen an Bauteilen stammen.^[4] Vor einer Schimmelsanierung an einer innen gedämmten Wand zeigt eine solche Rechnung, ob die neue Konstruktion dauerhaft trocken bleibt.

Im Beispiel eines Flachdachs in Holzbauweise rechnete das Institut mit Holzkirchner Klima, normaler Feuchtelast im Raum von 40 bis 60 Prozent relativer Luftfeuchte, 5 m Gebäudehöhe und der ungeprüften Luftdichtheitsklasse C.^[4] Die Höhe gehört zu den Eingaben, weil der thermische Auftrieb im Winter einen Überdruck im Gebäude erzeugt, der mit der Höhe des zusammenhängenden Luftraums zunimmt.^[4] Verglichen wurden Dampfbremsen mit sd-Werten von 2 und 100 m sowie verschiedene Gebäudehöhen und Standorte, bewertet wurde die langfristige Feuchte in der OSB-Schalung, und eine feuchtevariable Dampfbremse verbesserte die Austrocknung.^[4] Die eingetragene Feuchte ergibt sich in diesem Modell aus dem Luftstrom mal dem Unterschied zwischen dem Dampfgehalt der Raumluft und dem Sättigungsdampfgehalt an der Stelle im Bauteil, wo die Luft abkühlt.^[4]

Abgesichert sind solche Modelle durch Freilandversuche: Das Institut hat Flachdächer in Holzbauweise über Jahre gemessen, ein Dach nach drei Jahren geöffnet und Wasser unter den Dämmplatten gefunden, und die Feuchte unter der Abdichtung eines feuchten Flachdachs mit der Rechnung verglichen.^[4]

Simulation und Messung im Vergleich

Wie Messung und Rechnung zusammenpassen, hat die TU Darmstadt an fünf Versuchsgebäuden in Loitz untersucht: Für alle Wandaufbauten wurden Wärmestromdichte, instationäre U-Werte, Feuchtebelastung und -verteilung sowie Bauteiltemperaturen über fünf Jahre simuliert.^[5] Gebäudesimulationen zeigten zusätzlich, wie die Feuchte im Mauerwerk den Heizwärmebedarf beeinflusst, und die Ergebnisse für den Versuchsstandort bestätigten die Messungen tendenziell.^[5]

Gerechnet wurde außerdem für Holzkirchen in Schlagregengruppe 3 als Gegenstück zu Loitz in Gruppe 1, und die Simulation diente dort dazu, aus den validierten Messungen Empfehlungen für feuchtereduzierende Maßnahmen abzuleiten.^[5]

Damit solche Rechnungen nachvollziehbar bleiben, beschreibt das WTA-Merkblatt 6-2 auch, wie numerische Fehler kontrolliert und begrenzt werden, wie die Rechensoftware geprüft wird und was eine Dokumentation enthalten muss: Fragestellung, verwendetes Rechenwerkzeug und eine Zusammenfassung der Ergebnisse.^[1] Eigene Kapitel behandeln die Grenzen, die sich aus den Materialmodellen ergeben, zulässige Vereinfachungen beim Aufbau des Rechenmodells und die Bewertung der Ergebnisse.^[1]

Wie wir Simulationen bei der Sanierung einsetzen lassen

Soll nach einem Wasserschaden ein Bauteil anders aufgebaut werden als vorher, etwa mit einer Innendämmung, einer anderen Dampfbremse oder einer dichteren Außenschicht auf einem Holzbauteil, empfehlen wir, den neuen Aufbau von einem Bauphysiker rechnen zu lassen. Die Ergebnisse setzen wir beim Wiederaufbau um, mit den Materialien, die der Rechnung zugrunde liegen.

Bei wiederkehrender Feuchte in Dächern oder Wänden ohne erkennbares Leck kann eine Simulation helfen, Diffusion, Konvektion und Schlagregen als Ursache voneinander zu trennen. Wir liefern dafür Messwerte zu Feuchte und Aufbau aus der Bauteilöffnung, mit Schichtdicken, Materialien, Ausrichtung der Fassade und Nutzung der Räume, denn ohne diese Angaben bleibt jede Rechnung ungenau. Bis das Ergebnis vorliegt, sichern wir das geöffnete Bauteil so, dass keine weitere Feuchte hineinkommt.