Aufgaben des Feuchteschutzes Vermeidung von Tauwasser in Außenbauteilen Vermeidung von Tauwasser auf inneren Oberflächen von Außenwänden Schutz der Konstruktion von Niederschlägen Schutz erdberührender Bauteile vor eindringendem Wasser Einstellung eines hygienischen Raumklimas für den Nutzer
Feuchteschutz: Herkunft von Baufeuchte Niederschlag Spritzwasser seitlich eindring. Feuchte GOK Wasser aus Bauschäden Kondensation hygroskopische Wasseraufnahme aufsteigende Feuchte
Transportmechanismen von Wasser Flüssiges Wasser: mittels kapillarem Saugen in porösen, nur partiell wassergesättigten Baustoffen Als Strömung in gefüllten Poren und Kapillaren Gasförmig: Als Wasserdampf mittels Diffusion Gasförmig: als Wasserdampf in strömender Luft
Temperatur Temperatur ist eine physikalische Zustandsgröße Sie ist abhängig von der Bewegungsenergie der Teilchen eines Körpers. Je größer diese Bewegungsenergie ist je schneller sich also die einzelnen Teilchen bewegen desto höher ist die Temperatur eines Körpers. Absoluter Nullpunkt = niedrigst mögliche Temperatur: Der absolute Nullpunkt ist die Temperatur, bei der keine Teilchenbewegung mehr stattfindet.
Indexangaben Sehr häufig verwendet werden bei Größenangaben griechische Buchstaben
Angabe der Temperatur In der Bauphysik gebräuchlich sind nur zwei Einheiten: Temperatur T in Kelvin Einheit: [K] Temperatur θ in Grad Celsius Einheit: [ C] Angabe von Temperaturdifferenzen: T oder θ stets in Kelvin Inkonsequenterweise werden gerade in der Bauphysik beide Angaben auch bei Temperaturdifferenzen gemischt. In Deutschland ist auch gesetzlich die Temperaturangabe in C gestattet θ [ C] = T [K] 273,15
Angabe der Temperatur Absolute Temperatur: Einheit: [K] (Kelvin) 1 K: 1/273,16 Teil der Temperatur des Tripelpunktes von Wasser. Bei diesem Tripelpunkt liegen die feste, flüssige und gasförmige Phase nebeneinander vor. O K = Absoluter Nullpunkt (Es heißt nicht Grad Kelvin ) Celsius - Temperatur: Basiert auf der früheren Einteilung: 0 C = Schmelzpunkt des Wassers 100 C = Siedepunkt des Wassers Einheit: [ C] (Grad Celsius)
Absolute Luftfeuchtigkeit c = c: Absolute Feuchtigkeit [g/m³] p D = m Wasserdampf R w individuelle Gaskonstante R w * T V gesamt des Wassers = 461,52 [J/kg*K] T: absolute Temperatur [K] m Wasserdampf: Masse Wasserdampf [kg] V: Gesamtvolumen der Luft [m³] Die absolute Luftfeuchtigkeit gibt die Masse des in einem Luftvolumen enthaltenen Wasserdampfs an. Maximal aufnehmbare Wassermenge: Sättigungsfeuchte c s [g/cm³]
Relative Luftfeuchtigkeit ϕ = c c s [%] ϕ : relative Luftfeuchtigkeit [%] c: akt. Wasserdampfgehalt [g/m³] c s Sättigungsfeuchte [g/m³] Die relative Luftfeuchtigkeit gibt das Verhältnis der vorhandenen Menge Wasserdampf zur Sättigungsmenge an. Zu jeder Lufttemperatur t gehört ein maximaler Wasserdampfgehalt, der Sättigungsgehalt des Wasserdampfs. Beispiel: 20 C: 17,29 g/m³ 0 C: 484 4,84 g/m³ Der dabei vorliegende Dampfdruck ist der Sättigungsdampfdruck p max ϕ =Phi
Daltonsches Gesetz p gesamt = k p gesamt : Gesamtdruck Gasgemisch p i k: Anzahl Komponenten im Gemisch V gesamt : Gesamtvolumen des Gemischs Σ i=1 Von Dalton schon 1805 formuliert: Die Summe aller Partialdrucke in einem Gasgemisch ist gleich dem Gesamtdruck des Gemisches Durch Umformung ergibt sich, dass auch die Summen aller Einzelvolumina innerhalb dieses Gemisches gleich dem Gesamtvolumen sind V gesamt = k Σ i=1 V i
Wassergehalt der Luft p gesamt = p L + p D [Pa] p gesamt : p L : p d Gesamtdruck Gasgemisch Partialdruck Luft Partialdruck Wasserdampf Luft ist ein Gasgemisch aus Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Edelgasen. Nach dem Gesetz von Dalton kann man demnach die in der Luft enthaltene Wasserdampfmenge als Wasserdampfteildruck bzw. Wasserdampfpartialdruck dieses Gasgemisches in der Einheit it Pascal [Pa] angeben. Die relative Luftfeuchtigkeit ist daher sowohl als das Verhältnis der Wasserdampfmenge zur Sättigungsdampfmenge als auch das Verhältnis des Wasserdampfpartialdrucks zum Sättigungsdampfdruck zu sehen: ϕ = c c sat = p p sat [%]
Wasserdampfsättigungskurve Sättigungsmenge von Wasserdampf in Luft
Wasserdampfsättigungskurve θ = Theta
Carrier -Diagramm 30 35 Relative Luftfeuchte ϕ [%] 10 20 30 40 50 60 80 Raumlu ufttempera atur [ C] 15 20 25 5 10 100 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Wasserdampfgehalt x[g w /kg L ]
Temperatur und Luftfeuchtigkeit 30 35 Relative Luftfeuchte ϕ [%] 10 20 30 40 50 60 80 Raumlu ufttempera atur [ C] 15 20 25 5 10 C s = 9,4 g/m³ bei ca. θ L =10 C Kondenswasserausfall: c = 17,3-9,4= 7,9 g/m³ C s = 17,3 g/m³ bei ca. θ L =20 C 100 Abkühlung auf θ L =10 C 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Wasserdampfgehalt x[g w /m³ L ]
Taupunkttemperatur Kühlt man ungesättigte g Luft bei gleichbleibendem Druck ab, bleibt der Wasserdampfpartialdruck gleich. Er nähert sich aber immer mehr dem Sättigungsdruck. Bei einer bestimmten Temperatur, die spezifisch ist für jeden Wasserdampfpartialdruck ist dieser gleich dem Sättigungsdruck: Die dann herrschende Temperatur: Taupunkttemperatur θ d [ C] Ab dieser Temperatur fällt flüssiges Wasser aus es kondensiert. Kondensation: Übergang von der gasförmigen in die flüssige Phase. Beispiel: ϕ = 50 % θ L = 20 C θ d = 9,3 [ C]
Wassergehalt der Luft +9,3 C
Taupunktunterschreitung: Kondenswasserausfall 35 Relative Luftfeuchte ϕ [%] 10 20 30 40 50 60 30 80 fttemperat tur [ C] Raumlu 25 20 15 10 Lufttemp. im Bad θ Li =20 C bei ϕ Li =70 % Fensteroberfläche: θ Si =13 C Taupunkt bei ca. θ S =14 C 100 5 0 0 2 4 6 8 Wasserdampfgehalt x [g w /m³ L ] 10 12 14 16 18 20
Lüftung in Räumen 35 Relative Luftfeuchte ϕ [%] 10 20 30 40 50 60 Raumlu fttemperat tur [ C] 30 Erwärmung auf 80 θ Li =22 C 25 ergibt ϕ Li =25 % 100 Wasserdampfauf- 20 nahme bis ϕ Li =60 % erhöht x auf 10 g/m³ 15 10 5 Außenluft : θ Le =1 C und ϕ=100 % 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Wasserdampfgehalt x [g w /m³ L ]
Lüftung im Winter Luftaustausch in einem Raum durch Lüften Außenluft : θ Le =1 C und ϕ=100 % Erwärmung auf θ Li = 22 C ergibt ϕ Li = 25 % Raumvolumen: 3*4*2,5 m = 30 m³ 30*6 g = 180 g Wasserdampf Wasserdampfaufnahme bis ϕ Li =60 % erhöht x auf 10 g/m³ Einmaliger Luftaustausch eines Raumes von 30 m³ bei diesen Verhältnissen bedeutet: Entfernung von 180 g Wasserdampf aus der Raumluft!
Lüftung im Winter Luftaustausch für eine Wohnung von ca. 150 m² Bei einer Raumhöhe von 2,50 m: 150*2,5 = 375 m³ umbauter Raum Lüftung wie vor: 6 g * 375 = 2.250 g Wasserdampf Einmaliger Luftaustausch dieser Wohnung bedeutet: Entfernung von 2,25 l Wasser aus der Raumluft. Wird in der Wohnung bei gleichen Verhältnissen 3mal pro Tag gelüftet: 2,25*3 = 6,75 l Wasser werden entfernt
Herkunft des Wasserdampfs im Haushalt Aktivität Feuchtigkeitsmenge [l] Kochen 0,3 Duschen 0,7 Waschen/trocknen 0,5 Schwitzen/Atmen 1,0 Pflanzen 0,5 Wassereintrag pro Person/d 30Lit 3,0 Liter 4-Personenhaushalt/d 12,0 Liter
Feuchtigkeitsgehalt g von Baustoffen Massebezogener Feuchtegehalt: u = m feucht -m trocken * 100 in [%] m trocken Volumenbezog. Feuchtegehalt: Umrechnung zwischen beiden Feuchtegehaltsangaben: ρ wasser u = * ψ [%] ρbaustoff ψ = V feucht -V trocken * 100 in [%] V trocken u: Massebezogener Feuchtegehalt h ρ wasser Dichte Wasser [g/cm³] ρ Baustoff Dichte Baustoff [g/cm³] Ψ Vol.bezogener Feuchtegehalt ψ = Psi ρ = rho
Feuchtigkeitsgehalt g von Baustoffen Absoluter Feuchtegehalt h von Baustoffen Feuchtegehalt w: [g/m³] Gleichgewichtsfeuchte (syn.: Ausgleichsfeuchte): Sich in einem Stoff einstellender Feuchtegehalt, der stoffspezifisch und stets t abhängig von der umgebenden relativen Luftfeuchtigkeit it ist
Feuchtigkeitsgehalt g von Baustoffen
Feuchtigkeitsgehalt g von Baustoffen Sorptionsbereich: Bis zu einer relativen Luftfeuchtigkeit von meist ϕ 90 % wird die Feuchtigkeit als Dampf in den Baustoff transportiert und sorptiv sorptiv an den Wänden der Poren gebunden Kapillarbereich Sorption: Übersättigungsbereich Anreicherung eines Stoffes in einer Phase oder auf einer Oberfläche Dampfförmig eingebrachtes Wasser wird auch kapillar transportiert, da Poren teilweise gefüllt sind Vollständige Füllung aller Poren des Baustoffs mit Wasser.
Feuchtigkeitsgehalt g von Baustoffen Sorptionsisotherme Sie beschreibt den Zusammenhang zwischen der Ausgleichsfeuchte (w) (Gleichgewichtsfeuchte) und der relativen Luftfeuchtigkeit it (ϕ) )bei gleichbleibender Temperatur. In den unteren und oberen Bereichen der rel. Luftfeuchte ist die Feuchtigkeitsaufnahme meist am größten.
Feuchtetransport: Diffusion Diffusion beschreibt den physikalischen Prozess der Durchmischung von zwei Stoffen Grundlage: ungerichtete thermische Eigenbewegung von Teilchen Bei ungleichmäßiger Verteilung bewegen sich statistisch mehr Teilchen in den Bereich mit niedrigerer Konzentration als umgekehrt.
Wasser gasförmig: Dampf Transport von Wasserdampf: Mit strömender Luft In Feststoffen durch Diffusion: µ = Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl s d = diffusionsäquivalente Luftschichtdicke
Wasserdampfdiffusionswiderstandszahl µ ist dimensionslos. Sie gibt an, um wieviel höher der Wasserdampfdiffusionswiderstand eines Stoffes ist im Vergleich zu einer gleich dicken, ruhenden Luftschicht. Luft: µ = 1 Mineralischer Putz: µ = 5 Glas µ = 10.000 Beton µ = 50-100 Sandstein µ = 7-50 Mineralwolle µ = 1 EPS (Polystyrol) µ = 50 PE-Folien > 0,1 mm µ = 100.000 Alufolie: praktisch dampfdicht
Diffusionsäquivalente Luftschichtdicke S d = µ * s [m] s= Schichtdicke [m] Gibt an, wie dick eine ruhende Luftschicht wäre, wenn sie den gleichen Diffusionswiderstand besäße Beispiel: Außenputz s = 0,02 m Schichtdicke S d = 5*0,02 = 0,1 m µ = 5 Beispiel: Leimfarbe s = 0,0004 m Schichtdicke S d = 200*0,0004= 0004= 0,0808 m µ = 200
Diffusionsäquivalente Luftschichtdicke Die Wasserdampfdiffusionsfähigkeit sagt nichts aus über das Verhalten eines Baustoffs gegenüber flüssigem Wasser. Beispiel: Zementsockelputz s = 0,02 m S d =20*002=02m 20*0,02 = 0,2 µ = 20 Beispiel: Zementsockelputz s=002m 0,02 Wasseraufnahmekoeffizient: w = 2,00 [kg/m²h -0,5 ] Zum Vergleich: poröser Sandstein: w = ca. 10,0 [kg/m²h -0,5 ] Wasserdampfmoleküle haben eine Radius r = 0,15 nm Wassermoleküle haben einen Radius r = 0,28 nm Bezüglich des Diffundierens von Wasserdampf gelten völlig andere Gesetzmäßigkeiten als bei Kapillartransport von Wasser.
Mechanismen der Wasseraufnahme in porösen Baustoffen Kapillares Saugen Prüfung: Max. Wasseraufnahme DIN EN 13755 Wasseraufnahmekoeffizient DIN EN 1925 Kapillarkondensation Prüfung: Bestimmung der Ausgleichsfeuchte, nicht genormt "Hygroskopische" Wasseraufnahme Prüfung: wie 2. Kondenswasserbildung Prüfung: Messung von rel. Luftfeuchte, Luft- und Baustofftemperatur
Kapillargesetze a e in vereinfachter e e Darstellung H = 2 σ. cos Θ ρ. r. g Θ Θ <90 o Θ Θ <90 o H = Steighöhe σ = Oberflächenspannung Θ = Randwinkel der Benetzung ρ = Dichte r = Kapillarradius g = Erdanziehung BENETZBAR NICHT BENETZBAR Bei Betrachtung von Wasser in einer Pore: 2 σ = Konstant! H = K. cos Θ ρ. r. g Der Randwinkel der Benetzung bestimmt die kapillare Steighöhe H = f (Θ)
Transportmechanismen von Wasser Berechnung der kapillaren Steighöhe von Wasser in einer Glaskapillare mit dem Durchmesser von 0,1 mm Glas ist vollständig benetzbar, also gilt: Randwinkel Θ= 0 cos Θ = 1 H = 2 σ. cos Θ ρ. r. g H = 2 * 0,073 * 1 1000 * 0,0001 * 9,81 = 0,15 m H = Steighöhe m σ W = (bei 20 C) 0,0073 N/m Θ = Randwinkel der Benetzung ρ = Dichte: 1000 kg/m³ r = Kapillarradius: 0,1 mm g = Erdanziehung (9,81 m/s²)
Kapillarwirkung verschiedener Flüssigkeiten Verhalten von Wasser in einer Glaskapillaren: Kapillaraszension Verhalten von Quecksilber in einer Glaskapillaren: Kapillardepression