Tauwasserausfall trotz Wärmebrückennachweis

Der Hallenraum wird ganzjährig auf eine Temperatur von θ = 20 °C und eine relative Luftfeuchte von = 45 bis 55 % klima­tisiert. Trotz Wärmebrückennachweis tropft bereits im ersten Winter Tauwasser von den Oberlichtern. Solche Wärmebrückenberechnungen mit den Randbedingungen gemäß Beiblatt 2 zu DIN 4108 setzen die Fenster vereinfacht als „Brett“ an, sodass zwar die opaken Außenbauteile, nicht aber die Fenster tauwasserfrei bleiben. Erst aufwendigere Berechnungen mit detailliert elementierten Fenstern zeigen die Ursache des Tauwasserausfalls.

Randbedingungen für die Berechnungen

Für die wichtigsten Details lagen bereits Ergebnisse von Wärmebrückenberechnungen aus der Planungsphase vor; leider waren die Randbedingungen dieser Berechnungen nicht vollständig dokumentiert. Die aufgeführten Ergebnisse lassen jedoch vermuten, dass eine genauere Berechnung zu anderen, beziehungsweise ungünstigeren Ergebnissen führen wird.

Deshalb wurde die Konstruktion der Oberlichter (Bild 4) in das für die vorliegende Problematik besonders geeignete Wärmebrückenprogramm THERM 5.2 [1, 2] eingegeben. Und zwar mit Randbedingungen, die so weit wie möglich DIN 4108-2 mit Beiblatt 2 [3], DIN EN ISO 10211 [4] und DIN EN ISO 10077 [5] folgen. Die in DIN EN ISO 10211 [4] geforderte Rechengenauigkeit (Abbruchschranke) von 2 % konnte nicht bei allen Berechnungen eingehalten werden (s.u.). Die bei iterativen Berechnungsverfahren geforderte relative Differenz zwischen zugeführtem und abgegebenem Wärmestrom < 0,1 % wurde allerdings bei allen Berechnungen erreicht.

Die angesetzten Temperaturen und Wärmeübergangswiderstände entsprechen so weit wie möglich den Normwerten (siehe Tabelle S. 18). Für die lüftungstechnisch bedingten Wärme­brücken im Bereich von Rauch- und Wärmeabzugsanlagen (RWA-Anlagen) in den Oberlichtern, die durch Lochblech mit dem Innenraum verbunden sind (vgl. Bild 4), muss jedoch der raumseitige Wärmeübergangswiderstand abgeschätzt werden. In der Fachliteratur werden folgende Werte genannt [7, 8, 9]:

• in Raumecken (s. auch [10, 11, 12]): Rsi = 0,20 m² x K/W
• bei Gardinen vor einer Wand: Rsi = 0,25 m² x K/W
• bei freistehenden Schränken vor der Wand: Rsi = 0,50 m² x K/W
• bei Einbauschränken: Rsi = 1,00 m² x K/W

Da sich der Hohlraum für die RWA-Anlage ungünstiger als Gardinen vor einer Wand, aber günstiger als ein vollflächig abschließender Einbauschrank verhalten, wird hierfür Rsi = 0,50 m² x K/W angenommen. Die Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit λ werden i.d.R. aus DIN V 4108-4 [3] bzw. DIN EN 12524 [13] entnommen.

Ausnahmen:

• Die Fensterdichtungen aus EPDM werden mit &lambda; = 0,25 W/(m x K) aus DIN EN ISO 10077-2 [5] berechnet.
• Die vorhandene Wärmeschutzverglasung wird gemä&szlig; DIN EN ISO 10077 [5] in der Art vereinfacht, dass für die Edelgasfüllung eine so geringe Wärmeleitfähigkeit &lambda; angenommen wird, dass die Verglasung den in den Planunterlagen angegebenen Wärmedurchgangskoeffizienten Ug = 1,1 W/(m² x K) erreicht.
• Für den Randverbund der Verglasung wurden Abstandhalter aus Aluminium mit Butyl- und Polysulfiddichtstoff angenommen (Abweichungen s.u.).

Zur Bewertung des Risikos von Tauwasserbildung an Fensterrahmen heißt es im informativen Anhang D von DIN EN ISO 13788 [6]

• dass Tauwasserbildung auf der Innenseite von Fensterrahmen unerwünscht ist, wenn das Wasser in angrenzende Wandbekleidungen laufen kann,
• dass Tauwasser Korrosion in Metallrahmen oder Fäule in Holzrahmen hervorrufen kann, wenn es z.B. durch die Fugen zwischen Rahmen und Verglasung eindringt.

Aufgrund der undurchlässigen Oberflächenbehandlung kommt an Fensterrahmen ein Pilzbefall jedoch selten vor, deshalb beträgt die höchste zulässige relative Luftfeuchte an der Rahmenoberfläche s = 100 %.

Die genannte höchste relative Luftfeuchte s = 100 % entspricht dem Ausfall von Oberflächentauwasser. Mit einem solchen Tauwasserausfall ist zu rechnen, wenn die Taupunkttemperatur nach DIN 4108-3 [3], Tabelle A.4, unterschritten wird. Unter den ganzjährig konstanten Randbedingungen der Klimatisierung auf

• Raumtemperatur &theta;i = 20°C und
• Raumluftfeuchte i = 45 bis 55 % r.F. (höherer Wert angesetzt, auf sicherer Seite)

ist dies der Fall bei einer Unterschreitung der Taupunkttemperatur von θs = 10,7°C.

Untersuchungen von Erhorn u.a. [14, 15] haben allerdings gezeigt, dass bei fünf- bis sechswöchiger gleichmäßiger Klimatisierung bei Raumtemperatur und relativer Luftfeuchte = 80 % – abhängig vom Material der Bauteiloberfläche – Schimmelpilzbildung beobachtet wurde. Deshalb fordert DIN 4108-2 [3] als Maßnahme zur Vermeidung von Schimmelpilz­bildung u.a., dass für von DIN 4108 Beiblatt 2 abweichende Konstruktionen der Temperaturfaktor an der ­ungünstigsten Stelle die Mindestanforderung fRsi ≥ 0,70 erfüllen muss, d.h. bei den o.g. Randbedingungen ist eine raumseitige Oberflächentemperatur von θsi ≥ 12,6°C einzuhalten – Fenster sind allerdings davon ausgenommen. Der Grund liegt darin, dass Fenster, die regelmäßig gereinigt werden, Schimmelpilzen kein ausreichendes Nährstoffangebot bieten. Zur ­sicheren Vermeidung von Schimmelbildung sollte aber bei den nur schwer zugänglichen und daher vermutlich selten gereinigten Oberlichtern des vorliegenden Gebäudes als Mindesttemperatur analog θsi,min = 14°C angestrebt werden.

Rechnerische Überprüfung

Beispielhaft sind die Berechnungsergebnisse für den Randanschluss der Oberlichtverglasung in Bild 5 und für den Anschluss der Oberlichtverglasung am Fensterkreuz in Bild 6 dargestellt (vgl. Bild 2).

Mit Tauwasserausfall ist zu rechnen bei einer Unterschreitung der Taupunkttemperatur θs = 10,7°C. Diese Taupunkttemperatur wird sowohl an der ungünstigsten Stelle des Randanschlusses der Oberlichtverglasung (vgl. Bild 5) als auch an der ungünstigsten Stelle des Anschlusses der Oberlichtverglasung am Fensterkreuz (vgl. Bild 6) unterschritten – im ersteren Fall um Δθ = 10,7 – 9,7 = 1,0 K und im zweiten Fall um Δθ = 10,7 – 10,1 = 0,6 K.

Diese Unterschreitungen sind rechnerisch nicht sehr hoch – unberücksichtigt musste dabei jedoch bleiben, dass die Klimatisierung in 1,50 m Höhe eingeregelt wird und in Höhe der Oberlichter mit höherer relativer Luftfeuchte gerechnet werden muss. Bei den hier vorliegenden Oberlichtern, die nicht ­regelmäßig gereinigt werden können, sollte im Übrigen zur ­sicheren Vermeidung von Schimmelbildung als Mindesttemperatur θsi,min = 14°C angestrebt werden (vgl. oben).

Beurteilung der Tauwasserschäden

Wärmebrückenberechnungen mit den Randbedingungen gemäß Beiblatt 2 zu DIN 4108 [3] setzen Fenster (Rahmen einschließlich Verglasung) vereinfacht als „Brett“ an, sodass zwar die opaken Bauteile der thermischen Hülle, nicht aber die Fenster tauwasserfrei bleiben. Aufwendigere Berechnungen mit detailliert elementierten Fenstern mit Hilfe des EDV-Programms THERM 5.2 zeigen die Ursache des Tauwasserausfalls auf – insbesondere der Aluminium-Randverbund der Verglasung wirkt sich hier ungünstig aus.

Möglichkeiten der Schadensbehebung

Zur künftigen Verhinderung der Bildung von Oberflächentauwasser werden die folgenden Möglichkeiten näher untersucht:

• Ersatz der vorhandenen Zwei-Scheiben-Wärmeschutzverglasung mit Aluminium-Randverbund (&lambda; = 160 W/(mK)) durch eine entsprechende Verglasung mit verbessertem Randverbund (d.h. Abstandhalter aus Edelstahl mit &lambda; = 17 W/(mK) bzw. aus Kunststoff) <i>oder</i>
• Einbau einer elektrischen Rahmenheizung in tauwassergefährdeten Bereichen der Oberlichter. Es sollen möglichst nahe an den Bereichen mit Tauwasserausfall elektrische Widerstandsdrähte oder -folien auf die Metallkonstruktion aufgeklebt werden (Bild 7), sodass bei entsprechender Beheizung mit keinem Tauwasserausfall mehr zu rechnen ist.

Die Bemessungswerte der Wärmeleitfähigkeit werden wiederum DIN V 4108-4 [3] bzw. DIN EN 12524 [13] entnommen. In Anlehnung an [16] wurde allerdings berücksichtigt, dass bei den üblichen Kunststoff-Abstandhaltern des Fabrikats „Thermix“ [17] eine 0,1 mm dicke Aluminium-Folie eingebettet ist – es wurde deshalb mit λ = 0,40 W/(mK) gerechnet.

Rechnerische Überprüfung

Für die Berechnungen werden grundsätzlich die gleichen Randbedingungen wie oben angesetzt. Die elektrische Rahmenheizung kann jedoch im Programm THERM 5.2 [1] nicht direkt eingegeben werden. Behelfsweise wird deshalb angenommen, dass das T-Profil aus Stahl direkt unter den Profilen der Oberlichter von der raumseitigen Oberfläche aus beheizt wird (vgl. Bild 7). Dazu wird dort als Randbedingung angesetzt

• eine variable Raumlufttemperatur = Temperatur der Rahmenheizung von &theta;RH = 40 bis 100°C mit
• einem Wärmeübergangswiderstand von Rsi = 0,01 m²K/W, was ein vollflächiges Aufkleben der Rahmenheizung mit einem gut wärmeleitenden &shy; Klebstoff simulieren soll.

Die in DIN EN ISO 10211 [4] geforderte Rechengenauigkeit (Abbruchschranke) von 2 % konnte nur bei einer Temperatur der Rahmenheizung von 40°C eingehalten werden. Bei höheren Temperaturen der Rahmenheizung musste sie auf bis zu 4 % heraufgesetzt werden.

Beispielhaft seien einige Berechnungsergebnisse für den Randanschluss der Oberlichtverglasung mit den dort genannten Randbedingungen dargestellt:

• Mit Ersatz der Aluminium-Abstandhalter durch solche aus Edelstahl bzw. Kunststoff in den Bildern 8 und 9 sowie
• mit unveränderten Aluminium-Abstandhaltern, jedoch mit elektrischer Rahmenheizung in den Bildern 10 bis 12

Mit Tauwasserausfall ist zu rechnen, wenn die Taupunkttemperatur unterschritten wird, d.h. bei einer Unterschreitung von θs = 10,7°C. Der Ersatz der Aluminium-Abstandhalter führt im Vergleich zu Bild 5 zu einer deutlichen Erhöhung der minimalen raumseitigen Oberflächentemperaturen θsi,min – und zwar

• bei Verwendung von Edelstahl-Abstandhaltern (vgl. Bild 8) von &theta;si,min,0 = 9,7°C auf &theta;si,min,1 = 11,5°C bzw.
• bei Verwendung von Kunststoff-Abstandhaltern (vgl. Bild 9) von &theta;si,min,0 = 9,7°C auf &theta;si,min,1 = 14,0°C.

Bereits bei Verwendung von Edelstahl-Abstandhaltern wird also die Taupunkttemperatur θs = 10,7°C überschritten. Bei Verwendung der teureren Kunststoff-Abstandhalter wird sogar die empfohlene Mindesttemperatur θsi,min = 14°C überschritten.

Bei alternativer Verwendung einer elektrischen Rahmenheizung (vgl. Bilder 10 bis 12) zeigt sich, dass die Taupunkttemperatur schon mit einer Rahmenheizung von θRH ≥ 40°C überschritten wird. Wird auch hier der oben gegebene Hinweis beachtet, d.h. eine Mindesttemperatur von θsi,min = 14°C angestrebt, so muss die Rahmenheizung unter Normbedingungen mit θRH ≥ 60°C betrieben werden – höhere Temperaturen sind rechnerisch nicht erforderlich. Da die vorliegenden Berechnungen von bestimmten, nicht sicheren Randbedingungen ausgehen (Außentemperatur θse = –5°C nach DIN 4108-2 [3], keine Berücksichtigung punktförmiger Wärmebrücken im Bereich der Befestigung der Rahmenprofile), wird empfohlen, die Rahmenheizung leicht regelbar und mit nicht zu knapp bemessener Leistung auszulegen. Sie sollte im Betrieb langsam auf die notwendige Mindestleistung gebracht werden – auch um Glasbruch infolge zu großer Temperaturdifferenzen in den Scheiben zu vermeiden (s. dazu [18]).

Gewählte Lösung

Da während des in den Winter hinein laufenden Ausstellungsbetriebs zum einen erneute Tauwasserbildung sicher ausgeschlossen werden musste und zum anderen aufwendige, witterungsabhängige Baumaßnahmen nicht möglich waren, wurde eine elektrische Rahmenheizung eingebaut (vgl. Bild 7).

Resümee

Die Ursache für die Tauwasserbildung liegt in einer – bei der vorliegenden ganzjährigen Klimatisierung – unzureichenden Erfassung der möglichen Wärmebrücken in der Planungsphase. Basierend auf genaueren Berechnungen der Wärmebrücken werden Vorschläge zur Behebung der Tauwasserbildung gemacht, die die örtlichen Gegebenheiten an den Oberlichtern berücksichtigen; d.h. mit möglichst geringem Aufwand nachträglich durchgeführt werden können.|

Literatur

[1] EDV-Programm THERM Version 5.2 (mit allen aktuellen Updates). Berkeley/CA: Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) 2005.[2] Kehl, D., Borsch-Laaks, R.: THERM 5.0 Handbuch. 3. Aufl. Leipzig 2002.[3]DIN 4108-2 : 2003-07: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden; Mindestanforderungen an den Wärmeschutz. DIN 4108-3: 2001-07 (mit Berichtigungen 2002-04): Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden; Klimabedingter Feuchteschutz; Anforderungen, Berechnungsverfahren und Hinweise für Planung und Ausführung. DIN V 4108-4: 2004-07: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden: Wärme- und feuchteschutztechnische Bemessungswerte. Beiblatt 2 zu DIN 4108 : 2004-01: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden; Wärmebrücken; Planungs- und Ausführungsbeispiele.[4] DIN EN ISO 10211-1 : 1995-11: Wärmebrücken im Hochbau; Wärmeströme und Oberflächentemperaturen; Allgemeine Berechnungsverfahren. DIN EN ISO 10211-2 : 2001-06: Wärmebrücken im Hochbau; Berechnung der Wärmeströme und Oberflächentemperaturen; Linienförmige Wärmebrücken.[5] DIN EN ISO 10077-1 : 2000-11: Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen; Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten; Vereinfachtes Verfahren. DIN EN ISO 10077-2 : 2003-12: Wärmetechnisches Verhalten von Fenstern, Türen und Abschlüssen; Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten; Numerisches Verfahren für Rahmen.[6] DIN EN ISO 13788 : 2001-11: Wärme- und feuchtetechnisches Verhalten von Baustoffen und Bauprodukten; raumseitige Oberflächentemperatur zur Vermeidung kritischer Oberflächenfeuchte und Tauwasserbildung im Bauteilinnern; Berechnungsverfahren.[7] Erhorn, H.; Szerman, M.; Rath, J.: Wärme- und Feuchteübertragungskoeffizienten in Außenwandecken. Das Bauzentrum (1992), H. 3, S. 145 – 146.[8] Hohmann, R.: Materialtechnische Tabellen. In: Cziesielski, E. (Hrsg.): Bauphysik Kalender 5 (2005), S. 155 – 245. Berlin: Ernst & Sohn 2005.[9] Cziesielski, E.; Belaschk, H.: Rechnerische Methoden zur Erfassung von Wärmebrücken im Hinblick auf einen möglichen Schimmelpilzbefall. Bauphysik 26 (2004), H. 6, S. 347 – 352.[10] Mainka, G.-W.; Paschen, H.: Wärmebrückenkatalog. Stuttgart: Teubner 1986.[11] Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Mauerwerksbau. 2. Aufl. Wiesbaden: Bauverlag 1993.[12] Hauser, G.; Stiegel, H.: Wärmebrücken-Atlas für den Holzbau. Wiesbaden: Bauverlag 1992.[13] DIN EN 12524 : 2000-07: Baustoffe und -produkte; Wärme- und feuchteschutztechnische Eigenschaften; Tabellierte Bemessungswerte.[14] Erhorn, H.: Bauphysikalische Einflußfaktoren auf das Schimmelpilzwachstum in Wohnungen. In: Schild, E.; Oswald, R. (Hrsg.):Wärmeschutz, Wärmebrücken, Schimmelpilz – Aachener Bausachverständigentage 1992. Wiesbaden: Bauverlag 1992, S. 73–83.[15] Gertis, K.; Erhorn, H.; Reiß, J.: Klimawirkungen und Schimmelpilzbildung bei sanierten Gebäuden. In: Bauphysik der Außenwände. Tagungsband zum Internationalen Bauphysikkongreß Berlin 1997. Stuttgart: Fraunhofer IRB Verlag 1997, S. 241 – 253.[16] Kaufmann, B.: Wärmebrückenberechnung zur Zertifzierung von Fensterrahmen als Passivhaus geeignete Komponente. Prüfbericht im Auftrag des Ing. Büros A. Naumann und H. Stahr, Leipzig. Darmstadt: Passivhaus Institut. April 2002. URL: http:// http://www.ds-leipzig.de/solarain/artikel/pb_kf.pdf (25.02.2006) [Adobe Reader 7.0].[17] Planungsunterlagen der Thermix GmbH, Ravensburg 2000.[18] Wagner, E.: Glasschäden. 2. Auflage Schorndorf: Karl Hofmann, 2005.

Die Erstveröffentlichung dieses Beitrages erschien in „Europäischer Sanierungskalender 2007“, Beuth Verlag – https://www.dinmedia.de/de – erhältlich zum Preis von 98,00 EUR.

Prof. Dr.-Ing. Helmut Marquardt ist Professor für Baukonstruktion, Bauphysik, Holzbau und Baustofflehre an der privaten Hochschule 21 in Buxtehude und Mitglied in DGfH und IABSE. E-Mail: marquardt@hs21.de

Dipl.-Ing. (FH) Alexander Gercke arbeitet als Ingenieur im Bereich Forschung und Entwicklung für die Baustoffindustrie, Schwerpunkt Bauphysik. Seit 2005 vom BAFA anerkannter Energieberater. E-Mail: a.gercke@vektory.de