ENERGIE - BAUPHYSIK - TGA

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1 ENERGIE - BAUPHYSIK - TGA Prof. Dipl.-Ing. Architektin Susanne Runkel

2 ENERGIE, BAUPHYSIK UND TGA PROGRAMM WS 2016/ Einführung, Entwicklung und Hintergrund Bauphysik Wärmetransport und U-Wert-Berechnung Teil U-Wert-Berechnung Teil 2, EnEV U-Wert-Berechnung Teil 3, inhomogen Oberflächentemperaturen und Schichttemperaturen Wärmebrücken, Verfahren WB-Zuschlag Schimmelpilzbefall, Feuchteschutz Glaserverfahren Dafür Donnerstag, : Prof. Dr. Nowak, 3. und 4. Stunde Dafür Donnerstag, : Prof. Dr. Nowak, 3. und 4. Stunde EnEV-Berechnung excel Optional noch Wiederholung, keine Übung , gleiche Zeit Ferien Ferien Vorbereitung Prüfung Prüfung

3 PROGRAMM VORLESUNG 8 Wärmebrücken und Feuchteschutz 1. Nachweisverfahren Tauwasser - Glaserverfahren 2. Berechnung Tauwassermenge Tauperiode 3. Berechnung Tauwasser Verdunstungsperiode

4 GRUNDLAGEN FEUCHTESCHUTZ Transportmechanismen Feuchte Kapillarität (flüssiger Transport) Konvektion (Luft als Träger) Diffusion (gasförmiger Transport)

5 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION UND KONVEKTION Schadensvermeidung: Innen luftdicht Außen winddicht Innen diffusionsbremsend Außen diffusionsoffen Luftdichtheitsebene / Dampfbremse

6 FEUCHTESCHUTZ LUFTDICHTHEITSKONZEPT Ziel Luftdichtheit: Vermeidung von Konvektion, Reduzierung Diffusion

7 FEUCHTESCHUTZ LUFTDICHTHEITSKONZEPT DIN

8 FEUCHTESCHUTZ LUFTDICHTHEIT Luftdichtheit und Winddichtheit Luftdichtheit Verhinderung des Eindringens von Raumluftin die Baukonstruktion. Winddichtheit Verhinderung des Eindringens von Außenluftin die Baukonstruktion Gründe für luftdichte Gebäudehülle: Vermeidung von Bauschäden aufgrund von Konvektion und dadurch bedingten Tauwasserausfall Vermeidung von Zuglufterscheinungen Vermeiden unnötiger Lüftungswärmeverluste Verbesserter Schallschutz u.u. höhere Luftqualität (beispielsweise durch luftdichte Abtrennung des Kellers)

9 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Wasserdampfdiffusion Wasserdampf diffundiert aufgrund des unterschiedlichen Wasserdampfteildrucks durch Bauteile in Richtung: niedrigerer Wasserdampfteildruck (niedrigere absolute Feuchte) Wasserdampfteildruck 1. Innen: 20 C, 50 % ;außen: -15 C, 50 % (17,3 g/m3 x 0,5 = 8,7 g/m3) 2. Innen: 20 C, 60 % ;außen: 30 C, 60 % 3. Innen: 20 C, 50 % ;außen: 20 C, 80 % (17,3 g/m3 x 0,5 = 8,7 g/m3 ; 17,3 g/m3 x 0,8 = 13,8 g/m3)

10 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Wasserdampf-Teildruck = Wasserdampfpartialdruck: z.b bei 20 C, 50 % rel. Luftfeuchte 2340 Pa x 0,5 = 1170 Pa (1168 Pa)

11 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Wasserdampf-Teildruck = wasserdampfpartialdruck: z.b bei 5 C, 80 % rel. Luftfeuchte: 401 Pa x 0,8 = ca. 321 Pa

12 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Wasserdampfteildruck 1. Innen: 20 C, 50 % 1170 Pa; außen: -15 C, 50 % 120 Pa 2. Innen: 20 C, 60 % 1404 Pa; außen: 30 C, 60 % 2546,4 Pa 3. Innen: 20 C, 50 % 1170 Pa;außen: 20 C, 80 % 1872 Pa 20 C: Sättigung: 2340 Pa ( x 0,5 = 1170 Pa) ( x 0,6 = 1404 Pa) ( x 0,8 = 1872 Pa) -15 C: Sättigung: ca. 240 Pa ( x 0,5 = 120 Pa) 30 C, Sättigung: 4244 Pa ( x 0,6 = 2546,4 Pa) Insgesamt: Diffusionsvorgänge überwiegend von innen nach außen Im Sommer zeitweise von außen nach innen

13 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Diffusion Die Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl µist eine Vergleichszahl und bedeutet, um wieviel der Widerstand eines Baustoffs größer ist als der Widerstand einer gleich dicken Luftschicht (µ Luft = 1) Der Wasserdampf-Diffusionswiderstand ist zudem abhängig von der Dicke des Baustoffes. Daher multipliziert man die Schichtdicke d mit dem zugehörigen µ Wert: µ x d = s D -Wert). Der s D Wert gibt an, wie dick eine dem Bauteil vergleichbare Luftschicht sein müsste, um den gleichen Wasserdampfwiderstand aufzuweisen. Der s D -Wertwird daher auch als diffusionsäquivalente Luftschichtdicke bezeichnet. diffusionsoffen diffusionshemmend diffusionsdicht s D 0,5 m 0,5 m< s D < 1500m s D 1500 m

14 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSIONSWIDERSTAND DIN Beispiel: Kalkzementmörtel, 2 cm dick µ= 15 d = 0,02 m sd = 0,3 m

15 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSIONSWIDERSTAND DIN Beispiel: Beton, 25 cm dick µ= 70 d = 0,25 m sd = 17,5 m

16 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSIONSWIDERSTAND DIN Beispiel: Bitumenbahn 6 mm dick µ= d = 0,006 m sd = 120 m

17 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSIONSWIDERSTAND DIN Beispiel: Dämmstoffe 18 cm dick µ= 1 (Mineralwolle) d = 0,18 m sd = 0,18 m µ= 80 (XPS) d = 0,18 m sd = 14,4 m

18 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSIONSWIDERSTAND Metalle sind praktisch dampfdicht Quelle: C. Kempkes, Kassel

19 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION UND TAUWASSER Ziel: Ermittlung Tauwasserausfall innerhalb einer Konstruktion infolge von Diffusionsvorgängen Bauteilaufbau Material Schichtdicken Wärmeleitfähigkeit Wasserdampfdiffusionswiderstand Normiertes Verfahren DIN Anwendungsbereiche Randbedingungen Verfahren

20 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Bestimmung des Bauteilaufbaus

21 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Feuchteschutz: Rsi = 0,25 m2k/w Diffusionswiderstand aus DIN ? 2. Schritt: Tabelle, Ermittlung der Baustoffkenndaten

22 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN A.2.3 Hinweise zu Stoffeigenschaften Die in DIN , DIN EN ISO und in allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassungen aufgeführte Angabe von zwei µ-werten deckt Streubreiten bzw. praktisch auftretende unterschiedliche Feuchtezustände ab. Im Rechenverfahren ist der für die jeweilige Schichtposition in der Tauperiode ungünstigere µ-wertanzuwenden, welcher dann auch für die Verdunstungsperiode beizubehalten ist.

23 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Feuchteschutz: Rsi = 0,25 m2k/w Diffusionswiderstand aus DIN ,95/5,01 = 0,190 (0,95+2,0)/5,01 = 0,589 (0,95+2,0+0,16)/5,01 = 0,621 (0,95+2,0+0,16+1,9)/5,01 = 1,00 2. Schritt: Tabelle, Ermittlung der Baustoffkenndaten

24 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Ermittlung der Oberflächenund Schichttemperaturen 2340 Pa x 0,5 = Pa 401 Pa x 0,8 = 320,8 Pa Gemäß Wärmestromdichte q = U x θ q = θ/ R T

25 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Ermittlung der zu den Oberflächenund Schichttemperaturen zugehörigen Werte des Sättigungsdampfdruckes

26 FEUCHTESCHUTZ DIFFUSION Θ si = 18,6 C Θ 1,2 = 17,8 C Θ 2,3 = 17,8 C

27 Θ 3,4 = -4,0 C Θ se = -4,8 C

28 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Schritt: Ermittlung der zu den Oberflächenund Schichttemperaturen zugehörigen Werte des Sättigungsdampfdruckes

29 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN x-achse 0,95/5,01 = 0,190 (0,95+2,0)/5,01 = 0,589 (0,95+2,0+0,16)/5,01) = 0,621 (0,95+2,0+0,16+1,9)/5,01) = 1,00 y-achse

30 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Spanplatte Mineralwolle Dampfbremse Spanplatte außen 5. Schritt: Koordinatensystem: Eintragen der Werte s d /s d, T

31 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Spanplatte Mineralwolle Dampfbremse Spanplatte außen 6. Schritt: Koordinatensystem: Eintragen der Werte des Sättigungs dampfdrucks

32 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN Spanplatte Mineralwolle Dampfbremse Spanplatte außen 1168 Pa 438 Pa 321 Pa 7. Schritt: Koordinatensystem: Eintragen der Werte des Partialdruckes innen und außen, Ermittlung Tauwasserausfall Normative Randbedingungen Innen: 20, 50 % = 1168 Pa Außen: -5 C, 80 % = 321 Pa

33 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN

34 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN C, 50 % = 2340 x 0,5 = 1168 Pa

35 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN ,0 C, 80 % = 401 x 0,8 = 321 Pa

36 BERECHNUNG DER TAUWASSERMENGE Berechnung Tauperiode: p i = Pa (20 C, 50 %) Wasserdampfdruck innen p e = 321 Pa (-5 C, 80 %) Wasserdampfdruck außen p c = p sat3/4 = 438 Pa Sättigungsdampfdruck in der Tauwasserebene, d.h. an der Schichtgrenze 3 / 4 t c = x 10 3 s Dauer der Tauperiode ( 90 Tage) s dt 5,01 m s d -Wert gesamt s dc = 3,11 m s d -Wert von innen bis Tauwasserebene s dt -s dc = 1,90 m s d -Wert von der Tauwasserebene bis außen M c = 2 x x ((p i -p c /s dc )-(p c -p e /s dt -s dc )) x t c M c = 0,269 kg/m2 innerhalb der Tauwasserperiode (90 Tage) Individuell zu ermitteln Normativ vorgegeben

37 BERECHNUNG DER TAUWASSERMENGE Anforderungen Tauwasserbildung im Inneren von Bauteilen, die zu Materialschädigungen oder zu Beeinträchtigungen der Funktionssicherheit führt, ist zu vermeiden. Sie gilt als unschädlich, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: die Baustoffe, die mit dem Tauwasser in Berührung kommen, dürfen nicht geschädigt werden (z. B. durch Korrosion, Pilzbefall) Ist zu berechnen das während der Tauperiode im Innern des Bauteils anfallende Wasser muss während der Verdunstungsperiode wieder an die Umgebung abgegeben werden können, d. h. M c M ev Im Bauteilquerschnitt darf eine maximale flächenbezogene Tauwassermasse M c von insgesamt 1,0 kg/m2(allgemein) bzw. 0,5 kg/m2(an Berührungsflächen von Schichten, von denen mindestens eine nicht kapillar wasseraufnahmefähig ist) nicht überschritten werden. bei Holz ist eine Erhöhung des massebezogenen Feuchtegehaltes u um mehr als 5 %,bei Holzwerkstoffen um mehr als 3 % unzulässig. Diese Grenzen gelten nicht für Holzwolle- Leichtbauplatten und Mehrschicht-Leichtbauplatten nach DIN EN Tauwasser an Spanplatte, daher max. 3 % Erhöhung M c vorh. < 0,5 kg/m2 Anforderung erfüllt

38 BERECHNUNG DER TAUWASSERMENGE Anforderungen Feuchtezunahme Spanplatte Unter der Annahme, dass sich Mc vollständig auf die Spanplatte verteilt, ergibt sich folgende Zunahme des massebezogenen Feuchtegehalts in M.-% für die Spanplatte mit der Rohdichte ρm = 700 kg/m3: M c = 0,269 kg/m2 ρm = 700 kg/m3 d 4 = 0,019 m 2,0 % < 3 % Anforderung erfüllt

39 BERECHNUNG DER VERDUNSTUNGSMENGE Verdunstungsperiode gem. Norm : Partialdrücke innen und außen: Sättigungsdampfdruck Tauwasserebene: 1200 Pa 1700 Pa

40 FEUCHTESCHUTZ BEISPIEL DIN

41 BERECHNUNG DER VERDUNSTUNGSMENGE Berechnung Verdunstungsperiode: p i = Pa (Normwert) Wasserdampfdruck innen p e = Pa (Normwert) Wasserdampfdruck außen p c = p sat3/4 = 1700 Pa Sättigungsdampfdruck in der Tauwasserebene in der Verdunstungsperiode, d.h. an der Schichtgrenze 3 / 4 t ev = x 10 3 s Dauer der Tauperiode ( 90 Tage) s dt 5,01 m sd-wert gesamt s dc = 3,11 m sd-wert von innen bis Tauwasserebene s dt -s dc = 1,90 m sd-wert von der Tauwasserebene bis außen M ev = 2 x x ((p c- p i /s dc )+(p c -p e /s dt -s dc )) x t ev M ev = 0,659 kg/m2 Verdunstungsmenge innerhalb der Tauwasserperiode (90 Tage)

42 BERECHNUNG DER TAUWASSERMENGE Anforderungen Tauwasserbildung im Inneren von Bauteilen, die zu Materialschädigungen oder zu Beeinträchtigungen der Funktionssicherheit führt, ist zu vermeiden. Sie gilt als unschädlich, wenn die folgenden Bedingungen erfüllt sind: 0,269kg/m2 < 0,659 kg/m2 die Baustoffe, die mit dem Tauwasser in Berührung kommen, dürfen nicht Anforderung geschädigt erfüllt werden (z. B. durch Korrosion, Pilzbefall) das während der Tauperiode im Innern des Bauteils anfallende Wasser muss während der Verdunstungsperiode wieder an die Umgebung abgegeben werden können, d. h. M c M ev Im Bauteilquerschnitt darf eine maximale flächenbezogene Tauwassermasse M c von insgesamt 1,0 kg/m2(allgemein) bzw. 0,5 kg/m2(an Berührungsflächen von Schichten, von denen mindestens eine nicht kapillar wasseraufnahmefähig ist) nicht überschritten werden. bei Holz ist eine Erhöhung des massebezogenen Feuchtegehaltes u um mehr als 5 %,bei Holzwerkstoffen um mehr als 3 % unzulässig. Diese Grenzen gelten nicht für Holzwolle- Leichtbauplatten und Mehrschicht-Leichtbauplatten nach DIN EN

43 MÖGLICHE TAUWASSERSITUATIONEN A.2.5.1

44 TAUWASSERBERECHNUNG NACH GLASER Prinzip Tauwasser tritt dann auf, wenn der Teildruck (Wasserdampf) unter Abkühlung den Sättigungsdruck erreicht. In Deutschland ist das Glaser-Verfahren in der DIN als Feuchtenachweis genormt. Einschränkungen des Verfahrens Feuchtespeicherung im Material bleibt unberücksichtigt, kapillare Wassertransportvorgänge bleiben unberücksichtigt Wasserdampf, welcher durch Luftströmung in Fugen (z.b. aufgrund von schadhaften Luftdichtungsebenen in Dach-und Wandkonstruktionen) in die Konstruktion eindringen und dort als zusätzliches Tauwasser kondensieren kann (Konvektion), wird nicht berücksichtigt. Die Abhängigkeit des Rechenwertes der Wärmeleitfähigkeit λvon der momentanen Bauteilfeuchte, die sich durch den Wasserdampfdiffusionsstrom im Bauteil erhöht, wird nicht berücksichtigt. Konstruktionen mit feuchteadaptive Dampfbremsen können nicht realistisch dargestellt werden

45 TAUWASSERBERECHNUNG NACH GLASER Konstruktionen, die keinen Tauwassernachweise bedürfen:

46 DIFFUSIONSFÄHIGKEIT VON BAUSTOFFEN Dampfbremse Dampfsperre

47 DIFFUSIONSFÄHIGKEIT VON BAUSTOFFEN Strategien: Innen dichter als außen Außen so diffusionsoffen wie möglich, innen so diffusionsbremsend wie nötig Feuchteadaptive Dampfbremsen, Variable Dampfbremsen, Klimamembran usw. haben sich in der Praxis bewährt Bei Dachkonstruktionen (Leichtbau) gilt folgende Regel: