Feuchtschutztechnische und energetische Bewertung der Gebäudesanierung mit raumseitiger Wärmedämmung aus Calciumsilikat

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1 Project Z / II Feuchtschutztechnische und energetische Bewertung der Gebäudesanierung mit raumseitiger Wärmedämmung aus Calciumsilikat Kurzbericht Nach der dringend notwendigen thermischen Sanierung einer großen Anzahl von Wohnbauten und öffentlichen Gebäuden mit Außenwärmedämmsystemen hat sich in den letzten Jahren die Aufmerksamkeit vermehrt auf die Verbesserung des Wärmeschutzes denkmalgeschützter Gebäude gerichtet. Die Fassaden solcher Bauten sollen aufgrund ihres hohen historischen, öffentlichen und gestalterischen Wertes in der Regel nach außen sichtbar bleiben. Eine klassische Außendämmung ist deshalb unmöglich. Um eine thermische Aufbesserung zur Verringerung des Energieverbrauchs und zur Erhöhung des Nutzungskomforts dennoch vornehmen zu können, kann eine Innendämmung angewendet werden. Eine Dämmung auf der Raumseite beinhaltet jedoch die Gefahr der Kondensation eindringenden Wasserdampfes innerhalb der Konstruktion. Jede Innendämmung sollte deshalb in Bezug auf dieses vorhandene Feuchterisiko beurteilt werden. Dampfbremsen können das Eindringen von Feuchte in die Konstruktion theoretisch verhindern. Sie müssen aber sehr sorgfältig ausgeführt werden, um auch an kritischen Punkten wie Stößen, Ecken und Durchdringungen dauerhafte Dichtigkeit zu erreichen. Die Erfahrung zeigt, dass hier bei handwerklich nicht exakter Arbeit eine Schadensgefahr besteht. Besonders bei Fachwerkbauten kommt noch ein weiterer Gedanke hinzu, der zu einer kritischen Betrachtung von Dampfbremsen beiträgt: Dringt von außen Feuchte in die Wand ein (Schlagregen durch Fachwerkfugen) oder wird bei der Rekonstruktion Einbaufeuchte eingebracht, so verringert eine Dampfbremse das Trocknungspotenzial nach innen. Zusätzlich kann sich das heutige Innenraumklima unter Umständen stark von dem der Errichtungszeit unterscheiden. Ein zeitgemäßer Wohnkomfort bedingt meist höhere Innenluftfeuchten und damit eine stärkere Belastung der Konstruktion durch Feuchtigkeit. Eine konstruktiv und feuchtetechnisch günstige Alternative ist die Innenwärmedämmung ohne Dampfbremse, aber mit einem kapillaraktiven Dämmstoff. Eventuell entstehendes Kondensat wird von dem stark saugenden Dämmstoff von der Kondensatebene zum Raum hin abgeleitet und kann so nicht die Altkonstruktion schädigen. Die Flüssigwassermasse in der Konstruktion kann auf ein ungefährliches Maß begrenzt werden. Da die Fähigkeit, auftretendes Kondensat abzuleiten, vom guten Kontakt der Dämmplatten mit der Unterkonstruktion abhängt, ist auch hier eine handwerklich sorgfältige Ausführung wichtig. Abb. 1: Ansicht des untersuchten Fachwerkhauses in Niedersachsen Die Bearbeiter untersuchen im Rahmen des vorgelegten Projektberichts die Anwendung

2 einer kapillaraktiven Innendämmung in einem niedersächsischen Fachwerkhaus (Abb. 1). Die Fachwerkwand im ersten Obergeschoss mit einer Ziegelausfachung wurde von innen komplett mit Calciumsilikat gedämmt. An drei Messstellen (Bad Ost, Bad Nord und Schlafzimmer Süd) wurde bauphysikalische Messtechnik zur Messung von Temperaturen, Luftfeuchten, Wärmestromdichte und Holzfeuchtegehalten installiert. Mit den installierten Sensoren werden die wärme- und feuchtetechnischen Zustandsgrößen an und innerhalb der Konstruktion kontinuierlich erfasst. Die bauklimatischen Randbedingungen der Innen- und Außenluft werden benutzt, um mit Hilfe von Simulationsberechnungen (Software DELPHIN 4 des Instituts für Bauklimatik der TU Dresden) die Messungen zu validieren und weitergehende Aussagen, z.b. zur auftretenden Kondensatmenge und deren Austrocknungsverhalten zu treffen. Besondere Aufmerksamkeit ist wegen der Gefahr einer Zerstörung oder Schädigung auf den zeitlichen Verlauf der Holzfeuchtegehalte zu legen. Die in der derzeitigen Normung erfassten Materialkennwerte müssen für die Berechnung gekoppelter Wärme- und Feuchtevorgänge erweitert und verfeinert werden. Dafür wird ein zusammenhängendes physikalisches Modell vorgelegt, in dem Speicher- und Transportkoeffizienten als einfache nichtlineare Funktionen dargestellt sind. Die dazu nötigen Materialparameter werden im hauseigenen Labor, aber auch bereits in anderen europäischen Einrichtungen (z.b. KU Leuven) angewendet. Für das Dämmmaterial Calciumsilikat ist die Darstellung der Messreihen für die Materialkennwerte sowie die funktionale Darstellung der Materialparameter angegeben. Das untersuchte Fachwerkhaus ist repräsentativ für eine Vielzahl historischer Konstruktionen mit heute unzureichender Wärmedämmung. Die Forschungsergebnisse praktische Erfahrungen, Materialkennwertbestimmung, Simulation ermöglichen daher auch die Bewertung anderer mit kapillaraktiver Innendämmung versehenen Außenwände in Bezug auf deren langfristiges thermisches und hygrisches Verhalten. Anhand der Messdaten, die über einen Zeitraum von über zwei Jahren vorliegen, sowie den Validierungen und Ergänzungen durch Simulationsberechnungen kann die Funktionsweise der vorliegenden Konstruktion positiv bewertet werden. Die Feuchtegehalte der Fachwerkhölzer auf der Raumseite liegen an allen drei Messstrecken durchweg im unkritischen Bereich unterhalb der Fasersättigung. Dies wird durch die Messungen der Luftfeuchte innerhalb der Konstruktion untermauert. Offensichtlich erfüllt die kapillaraktive Calciumsilikat- Innendämmung ihren Zweck. Ihr Potenzial wird aufgrund des im Vergleich zu Bemessungsannahmen relativ milden Außenklimas und des gemäßigten Innenklimas nicht voll ausgenutzt; die verbleibenden Reserven sind aber sinnvoll. Abb. 2 zeigt beispielhaft das zweidimensionale Wassergehaltsfeld der Konstruktion am Balken im Bad Ost am , dem Tag, an dem die berechnete relative Luftfeuchte in der potenziellen Kondensationsebene am Balken maximal wird. Die zweidimensionale Darstellung zeigt deutlich die Effekte der unterschiedlichen Dämmwirkungen von Ausfachung und Balken. Der Querschnitt mit Ausfachung stellt die wärmetechnisch weitaus ungünstigere der beiden Konstruktionen dar. Der Balken ist deshalb an der Grenze zum Gefach besonders gefährdet, die thermische und hygrische Beeinflussung durch das Gefach führt zu höheren Stofffeuchten als in Balkenmitte. Wie Abb. 2 zeigt, bleibt die Holzfeuchte aber auch an der hygrisch gefährdetsten Stelle, an der Ecke zum Gefach, unter 7,3 Vol% bzw. 13,3 M%; die Bildung von Schimmelpilz kann somit sicher ausgeschlossen werden.

3 0.18 Zementputz innen [m] außen Balken 7,3 Lehmputz Ausfachung Calciumsilikat Vol% 8+ 7 to 8 6 to 7 5 to 6 4 to 5 3 to 4 2 to 3 1 to 2 0 to Balken [m] Gefach 1,5 Kleber Abb. 2: Berechnetes 2D-Wassergehaltsfeld am Balken Bad Ost am In Tab. 1 sind die wichtigsten Simulationsergebnisse für die Wand Bad Ost zusammengestellt. Angegeben werden zunächst die Ergebnisse der numerischen Simulation unter den real gemessenen klimatischen Randbedingungen. Da diese jedoch eine relativ niedrige Belastung darstellen, sind im weiteren Simulationen mit einem erhöhten konstanten Innenklima von 60 bzw. 70 % relativer Luftfeuchte durchgeführt worden, um die positiven Effekte der hohen Kapillarwasserleitfähigkeit des Calciumsilikats darstellen zu können. Außerdem sind in der Tabelle die Ergebnisse der Berechnungen mit dem einfachen analytischen Programm COND 2002 des Instituts für Bauklimatik der TU Dresden angegeben. Die wissenschaftlichen Grundlagen des Programms COND 2002 sind 2000 im Bericht Erarbeitung eines normungsfähigen Verfahrens und einer Planungsrichtlinie zur hygrischen Bemessung von Außenbauteilen an das Bundesbauministerium mitgeteilt worden. Zum einen werden als Klimarandbedingungen die gegenwärtig im DIN-Ausschuss diskutierten Werte, zum anderen die innerhalb der 90 kältesten Tage gemittelten Temperaturen sowie der dazugehörigen Luftfeuchten gewählt. Unter realem Klima tritt keine Kondensation auf, auch die Holzfeuchte bleiben im hygrisch unkritischen Bereich von 6,5 Vol% (11,8 M%) in Balkenmitte bzw. 7,3 Vol% (13,4 M%) an der Ecke zum Gefach (Abb. 2). Der stationär ermittelte U-Wert beträgt 1,17 W/m²K. Es besteht eine sehr gute Übereinstimmung zum effektiv aus Wärmestrom und Oberflächentemperaturdifferenz ermittelten U-Wert von 1,13 W/m²K. Der Effektivwert schließt die Einwirkung der Sonnenstrahlung, Speichereffekte und Feuchtetransportprozesse mit ein. Gegenüber dem effektiven U-Wert vor der Sanierung (ca. 2,3 W/m²K) ergibt sich eine Verringerung des Wärmedurchgangs auf 50%.

4 Tab. 1: Zusammenstellung der Ergebnisse für das Bad Ost Außenklima (θ e /φ e ) Innenklima (θ i/ φ i ) Max. Kondensatmenge [kg/m² Gefach] Programm DELPHIN 4 Programm COND 2002 gemessen gemessen gemessen DIN (-5 C/ 80%) Mittelwert der Messung (1 C/ 88%) gemessen 20 C/ 60 % 20 C/ 70 % DIN (20 C/ 50%) 20 C/ 70 % 0 0,164 0,289 0,450 0,731 U - Wert [W/m²K] 1,13 (effektiv) - - 1,17 (stationär) - Max. Holzfeuchte [Vol%] (Balkenmitte) Dauer der Kondensationsperiode (Gefach) [d] 6,51 9,18 9, * 90* * laut Definition Die mit dem analytischen Programm COND ermittelte Kondensatmenge nach 90 Tagen anliegendem DIN-Klima liegt mit 0,450 kg/m² unter der kritischen Grenze von 1 kg/m² für unempfindliche, und sogar noch unter 0,5 kg/m² für empfindliche Konstruktionen. Hierbei ist aber zu beachten, dass COND die Kapillarwasserleitfähigkeit der Baustoffe berücksichtigt. Bei einem Nachweis nach DIN 4108 (Glaser) ergibt sich eine Kondensatmenge von 4,9 kg/m², was unzulässig wäre. Jedoch zeigen sowohl die Messungen als auch die Berechnungen mit dem instationären Programm DELPHIN 4, dass die Konstruktion keine hygrischen Probleme verursacht und infolgedessen der Nachweis nach Glaser als wirklichkeitsfremd einzustufen ist. Die Konstruktion ist ein weiteres gutes Beispiel dafür, dass bei saugfähigen Baustoffen wie Calciumsilikat die Kapillarwasserleitfähigkeit nicht vernachlässigt werden darf. In der Abb. 3 sind die Ergebnisse der COND 2002-Berechnung für den Belastungsfall in Spalte 4 der Tabelle 1 (Klima nach DIN ) ausführlich dargestellt. COND 2002 Standard DIN : M c = 4.98 kg/m² M c = 0.45 kg/m² Abb. 3: Berechnungsergebnisse des Programms COND 2002

5 Die Beispielrechnungen mit erhöhten Innenluftfeuchten zeigen, dass der Wandaufbau auch bei stärkerer Feuchtelast funktionsfähig und hygrisch unkritisch bleibt. Selbst bei der stark erhöhten innenklimatischen Belastung von 70% rel. Luftfeuchte (bei 20 C Lufttemperatur) entsteht im Gefach nach der COND-Rechnung nicht mehr als 0,731 kg/m², nach der DELPHIN-Rechnung nicht mehr als 0,289 kg/m² Kondensat. An der für den Holzbalken kritischsten Stelle kalte Seite der Dämmung und Ecke an der Ausfachung stellt sich dann mit max. 9,63 Vol% (was bei einer Holzdichte von 550 kg/m³ 17,5 M% entspricht) eine noch akzeptable Holzfeuchte ein. Die energetischen Auswirkungen der Innendämmung sind zufriedenstellend. Der U-Wert der Konstruktion konnte halbiert werden, ohne dass der Einbau einer Dampfbremse erforderlich wird. Dadurch bleibt das gerade für Fachwerkwände wichtige Austrocknungspotenzial nach innen erhalten. Der Vergleich der Messungen mit den Ergebnissen der numerischen Simulation zeigt gute Übereinstimmung. Die Resultate lassen sich sinngemäß auch auf andere Konstruktionen übertragen, wobei im Einzelfall jeweils die spezifischen Bedingungen berücksichtigt werden müssen. Dabei sollte auf die Art des Wandaufbaus, auf das vor Ort einwirkende Klima und besonders im Denkmalbereich die verwendeten Materialien eingegangen werden. Es wird angestrebt, die Datenerfassung im vorliegenden Gebäude fortzuführen. Vor allem beim geplanten Austausch der Fenster erscheinen die Auswirkungen des veränderten Innenklimas auf die Konstruktion interessant.