Inhaltsverzeichnis KURZEINFÜHRUNG IN DAS PROGRAMM ESTHER 2 Allgemeines 2 Berechnung des Tauwasserausfalls nach DIN 4108-3 4 Weiterführende Hinweise zu den Feuchteberechnungen mit ESTHER 11 Tipps und weitere Hilfen 14 Dynamische Feuchteberechnung mit Esther 15
Kurzeinführung in das Programm Esther Allgemeines Die Abkürzung ESTHER steht für "Expertensystem zu thermisch-hygrische Entwicklung und Recherche". ESTHER dient zur Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in eindimensionalen mehrschichtigen Bauteilen. ESTHER ist ein vereinfachtes WUFI-(Wärmeund Feuchteschutz instationär )Verfahren für den Baupraktiker, das in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer-Institut für Bauphysik Holzkirchen entwickelt wurde. ESTHER verfügt über eine Windows-Benutzeroberfläche, mit der Sie schnell und bequem ein Projekt erstellen, Parameter für numerische Experimente ändern und die Ergebnisse in grafischer Form sowie als 'Film' betrachten können. ESTHER liefert den diffusionstechnischen Nachweis nach DIN 4108-3 (Juli 2001), auch Glaser-Verfahren genannt, sowie eine monatliche Diffusionsberechnung nach dem europäischen Verfahren der DIN EN ISO 13788. Sie erhalten die berechneten Tauwasser- und Verdunstungsmengen, sowie die Dampfdruckverläufe in der Tau- bzw. Verdunstungsperiode im Blockklima bzw. im europäischen Verfahren monatsweise ausgegeben. Es ist zu beachten, daß für das europäische Verfahren in Deutschland bisher keine Anforderungen definiert sind. Entsprechende Rechenergebnisse zu Tauwasser- und Verdunstungsmengen für Konstruktionen ergeben daher noch keinen Hinweis auf die bauphysikalische Funktionstüchtigkeit. Wenn Sie in ESTHER die nötigen Daten zum WUFI-Verfahren anwählen, berechnet das Programm ebenfalls die zeitliche Entwicklung des Temperatur- bzw. Feuchtefeldes im Bauteil monatsweise oder im Stundenverfahren.
Sie erhalten diese Ergebnisse im WUFI -Verfahren in dreierlei Form: als Verläufe, die die zeitliche Änderung bestimmter Größen an vorgegebenen Punkten oder als Mittelwerte über die einzelnen Bauteilschichten beschreiben. Die folgenden Größen werden als Verläufe ausgegeben: die Wärmestromdichten durch die Innen- und die Außenoberfläche, die Temperaturen und relativen Feuchten an zwei Monitorpositionen an den beiden Oberflächen der mittlere Wassergehalt in jeder Bauteilschicht und der Gesamtwassergehalt im ganzen Bauteil. Als Profile, die die Verteilung bestimmter Größen über den Bauteilquerschnitt zu bestimmten, frei wählbaren Zeitpunkten beschreiben. Die folgenden Größen werden als Profile ausgegeben: die Temperatur über den Bauteilquerschnitt, die relative Feuchte über den Bauteilquerschnitt, der Wassergehalt über den Bauteilquerschnitt. ESTHER gibt automatisch die Anfangs- und Endzustände des Bauteils als Profile aus. Sie können zusätzliche Zeitpunkte angeben, für die Sie Profile wünschen. als Film-Datei, die alle berechneten Profile enthält. Verläufe, Profile und Film werden während der Rechnung in einem kompakten binären Format geschrieben. ESTHER bietet Ihnen Grafikfunktionen, mit denen Sie die Verläufe und Profile betrachten und ausdrucken können. Mit ESTHERs Film-Funktion können Sie den Film nach der Rechnung in aller Ruhe ablaufen lassen und betrachten.
Berechnung des Tauwasserausfalls nach DIN 4108-3 Zuerst wird ein neues Projekt angelegt und gespeichert. Dazu geht man unter dem Menü Projekt auf Neues Projekt und gibt die Projektdaten wie in der Beispieldatei ein. Mit Speichern unter wird ein Dateiname angelegt.
Anhand der Baumstruktur arbeitet man die einzelnen Eingabefelder ab. Unter Art/Orientierung wird das Gewerk, das Bauteil und die Anwendung ausgewählt.
Der Aufbau kann entweder als komplette Konstruktion direkt aus der Datenbank geladen werden oder über den Button Neue Schicht und den einzelnen Baustoffen aus der Baustoffdatenbank zusammengesetzt werden.
Bei den Oberflächenrandbedingungen und Anfangsbedingungen sind keine weiteren Daten für die Berechnung nach DIN 4108-3 notwendig.
Für eine Berechnung nach DIN 4108-3 klicken Sie bitte das entsprechende Feld an. Das Klima wird für dieses Beispiel auf die Werte der DIN 4108-3 festgelegt.
Um direkt einen Nachweis zu erhalten, gehen Sie bitte im Menü Ausgabe auf den Nachweis Feuchteschutz nach DIN 4108-3. Sie erhalten sofort den Nachweis den Sie sich ausdrucken können.
Weiterführende Hinweise zu den Feuchteberechnungen mit ESTHER Dateneingabe: Materialkenndaten: Diese Größen beschreiben das hygrothermische Verhalten der zu berechnenden Materialien: Rohdichte [kg/m³], Porosität [m³/m³], spezifische Wärmekapazität [kj/kgk], Wärmeleitfähigkeit trocken [W/mK], Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl trocken [-] Feuchtespeicherfunktion [kg/m³] als Tabelle oder approximiert durch Ausgleichsfeuchtegehalt w80 und freie Sättigung wf, Flüssigtransportkoeffizient Saugen [m²/s] als Tabelle oder generiert aus dem Wasseraufnahmekoeffizienten (w-wert), Flüssigtransportkoeffizient Weiterverteilen [m²/s] als Tabelle oder generiert aus dem Wasseraufnahmekoeffizienten (w-wert), ggf. Wärmeleitfähigkeit feuchteabhängig [W/mK] als Tabelle oder generiert aus dem Feuchtezuschlag, ggf. Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl feuchteabhängig [-] als Tabelle. Nähere Erläuterungen zur Verwendung dieser Materialkenndaten finden Sie in der Online- Hilfe unter Details / Materialkenndaten. Für die Diffusionsverfahren nach DIN 4108 und DIN EN ISO 13788 werden nur die Kennwerte Wärmeleitfähigkeit trocken [W/mK], Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl trocken [-] benötigt.
Klimadaten: ESTHER rechnet allgemein mit Monatsmittelwerten der Klimadateien nach DIN 4108-6. Hierbei ist die Monatsmitteltemperatur der Außenluft und die mittl. Monatl. rel. Luftfeuchte erforderlich. Alternativ kann auch ein Stundenverfahren aufgerufen werden z.b. Datensatz Holzkirchen Folgende Größen beschreiben beim Stundenverfahren die Randbedingungen, die auf die Innen- bzw. Außenoberfläche des Bauteils wirken: Regenlast auf die Oberfläche [Ltr/m²h], in Abhängigkeit von Neigung und Orientierung des Bauteils, kurzwellige (Sonnen-) Strahlungsflussdichte [W/m²], in Abhängigkeit von Neigung und Orientierung des Bauteils, Temperatur der Außenluft [ C], relative Feuchte der Außenluft [0..1], Temperatur der Raumluft [ C], relative Feuchte der Raumluft [0..1], mittlerer Luftdruck [hpa] während der Berechnungsperiode. Für jeden Zeitschritt liest ESTHER diese Daten aus einer vorzugebenden Klimadatei. Sie können eine solche Klimadatei mit ESTHERs Klimaeditor erstellen oder mit ESTHERs Klimagenerator aus gemessenen Wetterdaten ableiten (die gemessenen Wetterdaten müssen als ASCII-Datei im IBP-Format oder im TRY-Format vorliegen) oder selbst erzeugen. Nähere Erläuterungen zu den Klimadaten finden Sie in Online-Hilfe unter Details / Klimadaten. Randbedingungen: Diese Größen beschreiben den Zusammenhang zwischen den Klimadaten und den Bedingungen an den Bauteiloberflächen: Wärmeübergangswiderstand [m²k/w] für die innere bzw. äußere Oberfläche, diffusionsäquivalente Luftschichtdicke der Oberflächenbeschichtung (sd-wert) [m] für die innere bzw. äußere Oberfläche; berücksichtigt ggf. den Diffusionswiderstand dünner Oberflächenschichten wie Farbe, Tapeten etc., aber auch eigener Bauteilkomponenten wie Dampfbremsen etc., kurzwellige Strahlungsabsorptionszahl [-], langwellige Strahlungsemissionszahl [-] (muss oft vernachlässigt werden, da meist keine Daten über die Gegenstrahlung von Atmosphäre und Umgebung vorliegen),
Regenwasserabsorptionszahl [-] berücksichtigt den Umstand, dass bei nicht waagerechten Flächen ein Teil des auftreffenden Regenwassers wegspritzt und nicht mehr für die Wasseraufnahme zur Verfügung steht. Wasserdampfübergangskoeffizienten werden automatisch aus den Wärmeübergangskoeffizienten berechnet. Nähere Erläuterungen zu diesen Koeffizienten finden Sie in der Online-Hilfe unter Details / Randbedingungen Anfangsbedingungen: Das Temperaturfeld muss mit über das Bauteil konstanten Temperaturwerten vorbelegt werden. Das Feuchtefeld muss mit einer über das Bauteil konstanten relativen Feuchte oder mittleren Feuchtegehalten für jede Bauteilschicht. Nähere Erläuterungen zu den Anfangsbedingungen finden Sie in der Online-Hilfe zu dem Fenster Anfangsbedingungen
Tipps und weitere Hilfen Die physikalischen und numerischen Grundlagen für ESTHER sind ausführlich beschrieben in: Künzel, H.M.: Verfahren zur ein- und zweidimensionalen Berechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in Bauteilen mit einfachen Kennwerten. Dissertation Universität Stuttgart 1994 (erhältlich vom IBP) Künzel, H.M.: Simultaneous Heat and Moisture Transport in Building Components. One- and two-dimensional calculation using simple parameters. IRB-Verlag 1995 (erhältlich vom IRB-Verlag Stuttgart). DIN 4108 und DIN EN 13788, Beuth-Verlag
Dynamische Feuchteberechnung mit Esther Anhand eines nach Westen orientierten Wohnhauses aus Kalksandstein mit Kerndämmung und Holzkirchener Klimadaten wird eine dynamische Feuchteberechnung durchgeführt. Folgender Aufbau hat die Wand: Kalksandstein: Mineralwolle: Kalksandstein: Putz: 11,5cm 6,0cm 17,5cm 1,5cm Tipp: Halten Sie sich bei der Projektbearbeitung an die Baumstruktur und arbeiten Sie die einzelnen Punkte von oben nach unten ab. Geben Sie unter Projekt die wichtigsten Informationen zum aktuellen Projekt ein. Diese stehen so immer zusammen mit den Projektdaten und den Rechenergebnissen zur Verfügung.
Das Eingabefeld Variante dient zur Eingabe eines Namens und zur Beschreibung der aktuellen Variante. Dies ist insbesondere bei mehreren Varianten innerhalb einer Projektdatei interessant.
Unter Bauteil geben Sie den Aufbau des Bauteils ein, d.h. Sie erstellen Schichten und ordnen diesen die gewünschten Materialien zu. Die Eingaben werden grafisch dargestellt, wodurch eine gute Kontrolle der Eingaben möglich wird. Die Filterfunktionen Gewerk und Bauteil der Datenbank erleichtern entsprechende Beispiel- Konstruktionen zu finden. Über eine weitere Auswahlbox wird die Anwendung des Bauteils festgelegt. Orientierung und Neigung können über im unteren Teil des Fensters eingegeben werden.
Der Aufbau besteht zunächst aus einer Schicht, der kein Baustoff zugeordnet ist. Links befinden sich die Außen- rechts die Innenoberfläche des Bauteils. Markieren Sie die leere Schicht, indemsie mit der linken Maustaste auf die Schicht klicken. Die Schicht wird leicht hervorgehoben dargestellt. Mit der Schaltfläche Baustoffdatenbank wird der gleichnamige Dialog geöffnet, mit Hilfe dessen Sie der Schicht ein Material zuweisen können. Mit der Schaltfläche Neue Schicht erstellen Sie weitere zusätzliche Schichten, die rechts, an der Innenseite des Bauteils eingefügt werden. Tipp: Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf eine Schicht, um im Kontextmenü einen Überblick der Materialparameter zu erhalten. Mit gedrückter linken Maustaste können Sie eine Schicht an eine andere Position innerhalb des Aufbaus ziehen.
Über den Button Baustoffdatenbank kann man der aktuellen Konstruktionsschicht Baustoffdaten aus der Datenbank zuweisen. Wählen sie zunächst aus dem Drop-Down-Menü den gewünschten Katalog aus. Der Katalog Wufi-Baustoffe beinhaltet die Baustoffe, die alle notwendigen Baustoffkennwerte für eine dynamische Berechung enthält. Durch Aktivieren optionale Kennwerte zeigen am unteren Fensterand können Sie sich alle Kennwerte zu dem ausgewählten Material anzeigen lassen. Diesen Baustoffen übertragen Sie dann mit der Schaltfläche Verwenden in den aktuellen Aufbau. Der aus der Baustoffdatenbank übernommene Name und die Dicke können im Aufbau geändert werden.
Geben Sie jetzt die Oberflächenrandbedingungen für Wärme, Wasserdampf und Flüssigtransport für die Außen- und Innenoberfläche, sowie die Strahlungsabsorptions bzw. desorptionseigenschaften an. Diese Werte beschreiben die Intensität des Einflusses der Umgebungsbedingungen auf das Bauteil. Hinweis zu den einzelnen Werten finden sie in der Online-Hilfe (Klick auf das Fragezeichen in der Symbolleiste).
Im letzten Dialog der Bauteileingabe müssen Sie die Anfangsbedingungen von Temperaturund Feuchteverteilung angeben. Für die meisten Fälle ist die vorgeschlagene und hier verwendete Option Über das Bauteil gemittelt für Anfangsfeuchte und Außentemperatur sinnvoll. Die durchschnittliche Außenluftfeuchte beträgt in Deutschland 80% r. F.. Die Anfangstemperatur sollte entsprechend Bauteil und Jahreszeit angenommen werden, allerdings ist dieser Einfluß nicht sehr groß, da sich die Temperatur innerhalb weniger Stunden entsprechnend den Umgebungsbedingungen anpasst. Weitere Hilfestellung finden Sie in der Online-Hilfe. Im unteren Teil des Dialogs werden die einzelnen Schichten mit Dicke und zugehörigem Angangsfeuchte angezeigt. Hier können Sie die Werte für den Wassergehalt direkt in die Tabelle eingeben.
Unter Rechenumfang/Rechendauer geben sie die gewünschten Rechenumfang und die Anfangs- und Endzeit des Berechnungszeitraums ein. Weitere Hinweise finden Sie in der Online-Hilfe.
Geben Sie nun die inneren und äußeren Umgebungsbedingungen des Bauteils ein. Sie können aus der Datenbank die gewünschten Klimadaten auswählen.
Beim Innenklima stehen drei Feuchtelasten zur Auswahl, die durch Klicken direkt in der Grafik ausgewählt werden kann.
Vor der Berechnung sollten Sie noch einmal die Eingabedaten überprüfen. Im Menü Ausgabe können Sie sich alle Eingabedaten in einer druckfertigen Ausgabe anzeigen lassen. Dabei werden zusätzlich zu den Zahlenwerten der Aufbau und z.t. die Materialeigenschaften grafisch dargestellt, um ein Auffinden von fehlerhaften Angaben zu erleichtern. Wenn alle Eingaben korrekt sind, sollten Sie diese im Menü Projekt speichern. Sie können nun die Berechnung über den Menüpunkt Rechnen starten. Unter Ausgabe finden Sie verschiedene Ausgabemöglichkeiten, darunter auch die Darstellung des zeitlichen Verlaufs der thermischen und hygrischen Prozesse (Ergebnisdarstellung). Wichtige Hinweise: Zur Ergebnisbewertung nach dem dynamischen Verfahren ist nach folgenden Kriterien vorzugehen. Zum einen darf der Gesamtwassergehalt über eine bestimmte Zeitperiode nicht ansteigen, d.h. er kann periodisch schwingen, konstant sein oder aufgrund von Rücktrocknungsprozessen zurückgehen.( Ein kurzzeitiger Anstieg zu Beginn einer Periode kann durch die unzureichende Anfangsbedingung des praktischen Feuchtegehalts eines Baustoffs bedingt sein) Zum anderen ist bei einer Ergebnisbewertung auf den maximal langfristig sich einstellende praktische Feuchtegehalt jedes Baustoffs in der Konstruktion zu achten (z.b. Holz deutlich unter 20 Masseprozent). Überblick der Wassergehalte der einzelnen Baustoffe.
Darstellung des Gesamtwassergehalts der Konstruktion (Nach einer Anfangsperiode mit unzureichenden Anfangsfeuchten zeigt der weitere Verlauf eine periodische und auf gleichem Niveau bleibenden Feuchtegehalts einer Konstruktion)