Bauphysik-Kalender 2022. Nabil A. Fouad

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Bild 1. Hygrothermische Beanspruchungen der Gebäudehülle am Beispiel einer Außenwand in Anlehnung an [2]

2.1.1 Raumseitige Temperatur- und Feuchtebeanspruchungen

      An der Innenoberfläche findet ein Wärme- und Feuchteaustausch mit dem Raum statt. Der Wärmeübergang vom Bauteil in den Raum und umgekehrt (Sommerfall/Winterfall) erfolgt sowohl durch Raumluftkonvektion als auch durch den langwelligen Strahlungsaustausch mit allen Raumumschließungsflächen, auch Zwischenwänden, Decken und Fußböden. Der langwellige Strahlungsaustausch ist in der Regel größer als der Wärmeaustausch durch die Raumluftkonvektion; sein Anteil wird dennoch meist in Form eines gemeinsamen konstanten Übergangskoeffizienten dem Konvektionsansatz zugeschlagen. Dies führt bei einer Strahlungsheizung bzw. -kühlung im Raum zu einer Unterschätzung des Wärmeübergangs; bei gegenüberliegenden Außenbauteilen (z. B. bei einem Gebäude ohne Zwischenwände) jedoch zu einer Überschätzung. Der Feuchteaustausch zwischen der Bauteiloberfläche und dem Raum erfolgt analog zum konvektiven Wärmeübergang (ohne Strahlungsanteil!). Er hängt vom ebenfalls meist konstant angenommenen Feuchteübergangskoeffizienten und von der Dampfdruckdifferenz zwischen der Raumluft und der Oberfläche ab.

      Während im Raum häufig eine heizungsbedingte Temperaturschichtung vorhanden ist, kann beim Dampfdruck in der Regel von einer relativ homogenen Verteilung im Raum ausgegangen werden. Für die Analyse des Wärme- und Feuchteaustausches auf der Bauteilinnenseite sind demnach die Raumlufttemperatur und der Dampfdruck die wesentlichen Parameter. Statt des Dampfdrucks wird allerdings meist die relative Luftfeuchte verwendet, da sie leichter messtechnisch zu bestimmen ist und der Dampfdruck aus ihr und der Raumlufttemperatur errechnet werden kann. Bei Gebäuden mit stark schwankenden Raumlufttemperaturen sollte der Dampfdruck jedoch nicht aus einer zeitlich gemittelten Temperatur berechnet werden, da hier die Gefahr besteht, den wahren Dampfdruck, wegen des exponentiellen Anstiegs des Sättigungsdampfdrucks mit der Temperatur, zu unterschätzen.

2.1.2 Außenseitige Temperatur- und Feuchtebeanspruchungen

Der Wärme- und Feuchteaustausch zwischen Außenluft und Bauteiloberfläche erfolgt ganz ähnlich wie an der raumseitigen Oberfläche. Allerdings variiert der konvektive Wärmeübergangskoeffizient stark mit der Luftströmung am Gebäude, die sowohl wind- als auch auftriebsinduziert sein kann. Trotzdem wird auch hier häufig ein konstanter Wärmeübergangskoeffizient verwendet, der im besten Fall an die mittlere Windgeschwindigkeit am betrachteten Standort angepasst ist. Auf die Ergebnisse von hygrothermischen Simulationsrechnungen bezüglich des langfristigen Bauteilverhaltens hat die Verwendung von angepassten Konstanten im Vergleich zur Verwendung von windabhängigen Übergangskoeffizienten in der Regel keinen spürbaren Einfluss, da die Wärme- und Feuchteübergangswiderstände an den Oberflächen deutlich kleiner sind als die entsprechenden Durchlasswiderstände im Bauteil. Das ändert sich allerdings, wenn auch der langwellige Strahlungsaustausch in Form eines Wärmeübergangskoeffizienten zum konvektiven Übergang addiert wird, so, wie das raumseitig üblich ist. Im Gegensatz zur raumseitigen Oberfläche können die konvektiven und strahlungsbedingten Wärmeströme an der Außenoberfläche entgegengesetzt sein, sodass eine Addition hier völlig falsch wäre. Dies ist vor allem bei gut gedämmten Wänden und noch stärker bei Dächern insbesondere nachts der Fall und führt in der Praxis zu einer Unterkühlung der Außenoberfläche, die nicht mithilfe eines Summenkoeffizienten abgebildet werden kann. Hier sollten deshalb konvektiver und strahlungsbedingter Wärmeaustausch strikt getrennt betrachtet und berechnet werden, zumindest dann, wenn die Oberflächenunterkühlung zu einer relevanten Befeuchtung mit der Folge von Algenwachstum bei Wänden [3] oder Tauwasser und erhöhter Sparrenfeuchte in der Belüftungsebene von Dächern führen kann [4].

2.1.3 Solare Einstrahlung

      Unabhängig vom Wärme- und Feuchtaustausch zwischen Oberfläche und Außenluft bzw. im Fall des langwelligen Strahlungsaustausches auch mit der Umgebung, stellt die kurzwellige Einstrahlung durch die Sonne eine ganz wesentliche Wärmequelle dar. Im Gegensatz zu den vorgenannten Austauschvorgängen handelt es sich hier um eine stark gerichtete Wärmebeanspruchung. Deshalb ist deren Berücksichtigung deutlich komplexer und setzt nicht nur entsprechende Informationen zu Orientierung und Neigung für das betreffende Bauteil, sondern auch exakte Einstrahlungsdaten und gegebenenfalls Verschattungsmodelle voraus. Ganz wesentlich für die strahlungsbedingte Wärmequelle ist der kurzwellige Strahlungsabsorptionsgrad der Außenoberfläche. Unter kurzwelliger Einstrahlung versteht man den ultravioletten, den sichtbaren und den sogenannten nahinfraroten Anteil des Sonnenspektrums. Während der UV-Anteil bei uns energetisch gesehen nur etwa 6% ausmacht, ist der sichtbare Bereich mit 52 % am größten. Ebenfalls nicht zu vernachlässigen ist mit ca. 42 % der infrarote (nicht sichtbare) Spektralbereich. Bei den Oberflächen unterscheidet man zwischen stark reflektierenden, meist hellen (Absorptionsgrad a_s ≤ 0,3) und stark absorbierenden, dunklen (a_s ≥ 0,6) Oberflächen sowie dem dazwischenliegenden Bereich der durchschnittlich reflektierenden Oberflächen (0,3 < a_s < 0,6), der für die Oberflächen der meisten Außenwände charakteristisch ist. Dacheindeckungen und Abdichtungen sind häufig stark strahlungsabsorbierend.

      Bei uns eher noch eine Ausnahme bilden reflektierende Dachbahnen oder spezielle Beschichtungen, die zumindest im Neuzustand einen Strahlungsabsorptionsgrad um 0,3 aufweisen. Diese sogenannten „Cool Roofs“ wurden zur Kühlenergieeinsparung in warmen Ländern entwickelt. Vor ihrem Einsatz unter deutschen Klimaverhältnissen sollte allerdings überprüft werden, ob die resultierende niedrigere Oberflächentemperatur nicht auch feuchtetechnische Probleme nach sich ziehen kann [5]. Eine weitere Neuentwicklung betrifft die „Cool Colors“ für Fassaden. Sie sind im sichtbaren Bereich oft farbig, im Nahinfrarotbereich (NIR) aber stark reflektierend. Dadurch wird ein größerer Teil der solaren Einstrahlung reflektiert als die optisch sichtbare Farbe vermuten lässt. Diese NIR-reflektierenden Anstriche dienen dazu, die solare Aufheizung der Fassade zu reduzieren, nicht nur um den sommerlichen Wärmeschutz zu verbessern, sondern auch, um dem urbanen Hitzeinseleffekt entgegenzuwirken. Sie dürfen jedoch nicht mit den im thermischen Bereich infrarotreflektierenden Beschichtungen verwechselt werden, die dazu dienen, die langwellige Emission von Fassaden zu reduzieren. Diese Anstriche sorgen für eine Verminderung der nächtlichen Unterkühlung und damit zu einer geringeren Tauwasserbildung auf gut gedämmten Fassaden und sollen so die Algenbildung verhindern; im Gegensatz zu den NIR-reflektierenden Anstrichen erhöhen sie dadurch die mittlere Fassadentemperatur [6].

      Ein ähnlicher Effekt der Temperaturerhöhung tritt bei unbeschichteten Blecheindeckungen oder Bekleidungen auf. Da der langwellige Emissionsgrad von Metallen meist deutlich unter dem Emissionsgrad nichtmetallischer Materialien liegt, ist bei blanken Metalloberflächen die Wärmeabgabe durch langwellige Abstrahlung stark vermindert. Im Vergleich zu einer nicht metallischen Oberfläche СКАЧАТЬ