Nachweis des hygienischen Wärmeschutzes bei zweidimensionalen Wärmebrücken unter Verwendung instationärer Außenlufttemperaturen

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1 Aus dem Institut für Umweltingenieurwesen der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät Thesen der Dissertation Nachweis des hygienischen Wärmeschutzes bei zweidimensionalen Wärmebrücken unter Verwendung instationärer Außenlufttemperaturen zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften (Dr.-Ing.) an der Agrar- und Umweltwissenschaftlichen Fakultät der Universität Rostock vorgelegt von Dipl.-Ing. Thomas Ackermann Hockenheim

2 1 Zielstellung der Arbeit Aus Gründen der Vereinfachung, aber auch weil kein geeignetes Modell zur Darstellung der Auskeimung von Schimmelpilzsporen und deren Wachstum unter zeitlich veränderlichen Temperaturrandbedingungen gegeben war, erfolgte in der Vergangenheit die Berechnung der Innenoberflächentemperatur si und der Nachweis des hygienischen Wärmeschutzes unter Verwendung stationärer, d. h. zeitlich konstanter Randbedingungen der Außen- und Innenlufttemperatur e und i sowie einer konstanten relativen Raumluftfeuchte i. Seit der Entwicklung des Isoplethenmodells und des biohygrothermischen Modells durch Sedlbauer besteht die Möglichkeit, das Risiko einer Auskeimung von Schimmelpilzen und deren Wachstum unter Verwendung instationärer Bedingungen für i, e und i zu untersuchen. Bei diesen Untersuchungen können derzeit jedoch nur Daten der Außen- und Innentemperatur sowie der relativen Feuchte eines spezifischen Zeitraums verwendet werden. Berechnungsgänge zu zeitlich veränderlichen Temperaturen und Feuchten, mit deren Hilfe im Stadium der Planung eine Gewährleistung des hygienischen Wärmeschutzes erreicht werden kann, liegen bislang nicht vor. In der vorliegenden Dissertation wird für Bauteile und Baukonstruktionen im Bereich von Wärmebrücken ein Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe der Nachweis des hygienischen Wärmeschutzes unter der Berücksichtigung instationärer Temperatur- und Feuchterandbedingungen geführt werden kann. Da diese Nachweismethode sehr zeitaufwendig ist und eine Vielzahl von Eingabedaten erfordert, wurden in zwei weiteren Schritten Vereinfachungen zur Auswahl der Randbedingungen entwickelt. 2 Hauptaussagen der Arbeit Grundlagen des Wärmetransports Während in die Berechnung von Oberflächentemperaturen bei stationären Randbedingungen nur die Dicke d und die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Bauteilschichten einfließen, gehen in die Ermittlung des Temperaturfeldes in einem Bauteil - beim Ansatz instationärer Verhältnisse - auch die Periodendauer der Schwingung, die Temperaturleitfähigkeit a und damit die Wärmeleitfähigkeit, die Rohdichte und die spezifische Wärmekapazität c sp der verwendeten Baustoffe ein. Zur Bestimmung der Innenoberflächentemperatur si sind bei instationären Verhältnissen statistisch abgesicherte Werte der Außenlufttemperatur e erforderlich. 2

3 Grundlagen zur Vorhersage der Schimmelpilzbildung auf Innenoberflächen unter instationären Randbedingungen Mithilfe des biohygrothermischen Modells und des Isoplethenmodells, kann man ermitteln, wann es auf Bauteiloberflächen zu einer Auskeimung von Schimmelpilzsporen kommt. Temperatur- und Feuchterandbedingungen Nicht nur die Amplituden der Außenlufttemperatur, sondern auch deren Frequenz sind bei der Berechnung der Temperaturverteilung auf Bauteiloberflächen und im Bauteilinneren von Wichtigkeit. Neben den Außenlufttemperaturen e beeinflussen auch die Schwankungen der Raumlufttemperaturen i die raumseitige Oberflächentemperatur si. Zur Bestimmung des Grenzwassergehaltes sind neben Angaben der raumseitigen Oberflächentemperatur si auch Kenntnisse der relativen Feuchte i im Raum erforderlich. Simulationsrechnungen zur Überprüfung der messtechnischen Untersuchungen Die tatsächlichen Gegebenheiten bei realen Verhältnissen lassen sich mithilfe von Simulationsrechnungen hinreichend genau abbilden. Reaktionen von Baukonstruktionen beim Ansatz instationärer Temperaturrandbedingungen Bei einer Periodendauer von einem Tag liegt die Durchdringungszeit t D für Bauteile bei einem Wert unter 24 h. Die Heizungsunterbrechung während der Nachtzeit führt bei thermisch-dynamischen Konstruktionen und bei solchen mit geringen (Dämm-)Dicken zu einem erhöhten Risiko der Schimmelpilzbildung auf Bauteilinnenoberflächentemperaturen. Die Erkenntnisse über die Durchdringungszeit t D bei ungestörten Wänden können auch auf Wärmebrücken übertragen werden. Bei instationären Berechnungen ist darüber hinaus die Einschwingzeit der Konstruktion zu berücksichtigen. Verfahren zur Ermittlung des Hygieneindex Der für eine Auskeimung von Schimmelpilzen kritische Zeitraum während der Nutzungsdauer eines Bauteils oder Bauwerks lässt sich mithilfe einer statistischen Auswertung von Daten der Außenlufttemperatur e definieren. 3

4 Bemessungsverfahren zur Vermeidung von Schimmelpilzbildung auf Bauteilinnenoberflächen mithilfe des Hygieneindex Der Hygieneindex kann neben einem genauen Verfahren auch durch vereinfachte Methoden bestimmt werden. Analyse der f Rsi,instat-2D -Werte Das Risiko einer Auskeimung von Schimmelpilzen auf Bauteilinnenoberflächen ist von einer Reihe von Faktoren abhängig, z. B. vom Standort oder von raumseitigen Bedingungen, wie etwa dem Wärmeübergangswiderstand R si, der Raumluftfeuchte i, einer Heizungsunterbrechung bzw. dem Oberflächenmaterial. 3 Wissenschaftliche Wertung der Ergebnisse Die Untersuchungen zeigen, dass es entgegen den Festlegungen in DIN nicht sinnvoll ist, Anforderungen an den Mindestwärmeschutz von Bauteilen im Bereich zweidimensionaler Wärmebrücken in Abhängigkeit der flächenbezogenen Gesamtmasse zu definieren. Außerdem wird deutlich, dass die pauschale Anforderung des Temperaturfaktors aus DIN mit f Rsi = 0,70 den Erfordernissen beim hygienischen Wärmeschutz nicht gerecht wird. Während in Regionen mit gemäßigten Außenlufttemperaturen die Werte für f Rsi,instat-2D unter dem Grenzwert der stationären Berechnungen liegen können, ohne dass es zur Schimmelpilzbildung auf Bauteilinnenoberflächen kommt, übersteigen bei Regionen mit mittlerer und hoher Temperaturbelastung die notwendigen Werte des Temperaturfaktors bei instationären Berechnungen die Grenzbedingung f Rsi = 0,70 deutlich. Eine weitere Unzulänglichkeit im Berechnungsgang nach DIN liegt in der Vorgabe eines pauschalen und zeitlich konstanten Wertes der relativen Luftfeuchte. Nicht nur, dass die relative Feuchte im Jahresgang schwankt, es sind auch - ähnlich wie bei den Außenlufttemperaturen - regionale Unterschiede im Hinblick auf die Amplituden zu erwarten. Da die relative Feuchte im Raum i das Risiko einer Auskeimung von Schimmelpilzsporen auf Innenoberflächen wesentlich bestimmt, ist zur Festlegung von Grenzwerten des Temperaturfaktors f Rsi,instat-2D auch eine Bandbreite an Feuchtebelastungen notwendig. Die Berechnungen zum Hygieneindex machen deutlich, dass die weit verbreitete Meinung, wonach die kritische Zeit, in der mit einer Auskeimung von Schimmelpilzsporen auf Innenoberflächen gerechnet werden muss, in einer Phase mit niedrigen Außenlufttemperaturen liegt, nicht richtig ist. Als kritisch angesehen werden muss die Winterperiode nur bei thermisch trägen Bauteilen mit mindestens mittleren (Dämm-)Schichtdicken auf der Außenseite, wohingegen für alle anderen Bauteile die Phase hoher relativer Außen- und Innenfeuchten in Verbindung mit einem kurzzeitigen Abfall der Außenlufttemperatur - also der Herbst den Bereich mit dem höchsten Risiko darstellt. 4

5 Außerdem zeige sich, dass die Aussage von Keller, wonach die Temperaturverteilung auf einer Bauteilinnenoberfläche dadurch simuliert werden kann, dass man eine harmonische Schwingung mit der Periodendauer eines Jahres und harmonische Schwingungen mit = 24 h überlagert, zur Betrachtung des Schimmelpilzrisikos nicht herangezogen werden kann. Würde man nur diese beiden Schwingungen überlagern, dann entstünde der im vorigen Absatz beschriebene Effekt der Temperaturabsenkung bei hoher relativer Feuchte im Herbst nicht, und es käme bei thermisch-dynamischen Bauteilen und Bauteilen aus Schichten mit geringen (Dämm-) Dicken zu einer falschen Einschätzung. Wie eine Analyse der Temperaurfaktoren f Rsi,instat-2D ergab, hängen die Anforderungen an den hygienischen Wärmeschutz wesentlich von der Feuchtelast in Innenräumen ab. Da zu diesem Thema derzeit nur Untersuchungen von Künzel am Standort Rosenheim zur Verfügung stehen, ist eine Übertragung der Feuchtelast in Innenräumen auf die gesamte Bundesrepublik Deutschland wissenschaftlich nicht abgesichert, für das Hygieneindex-Verfahren jedoch nicht anders machbar. Die Ergebnisse der Arbeit führten daher zu einem Forschungsvorhaben, bei dem an 60 Standorten in der Bundesrepublik Thermohygrographen platziert und über einen Zeitraum von mindestens 12 Monaten hinweg Daten der Raumluftfeuchte und Temperaturen gesammelt werden. Nach einer Auswertung dieser Untersuchung kann das Hygieneindex- Verfahren optimiert werden. 4 Allgemeine Bedeutung der Ergebnisse Im Rahmen der anstehenden Überarbeitung der Norm DIN wird angestrebt, das Verfahren des Hygieneindex und die Erkenntnisse, die aus dessen Entwicklung gewonnen wurden, in die Nachweisführung zum Mindestwärmeschutz im Bereich von Wärmebrücken einfließen zu lassen. Außerdem soll die Methode des Hygieneindex in einem weiteren Schritt - unter Verwendung von Klimadaten anderer Länder - validiert werden. Falls die Untersuchungen zeigen, dass das Verfahren auch mit anderen als den bundesdeutschen Randbedingungen für Temperatur und Feuchte eine sichere Planung zur Vermeidung der Schimmelpilzbildung auf Bauinnenoberflächen ermöglicht, ist geplant, die Vorgehensweise in einer internationalen Norm auf CEN oder ISO-Ebene zu platzieren. 5