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A.4.5 Wasserdampf-Diffusionsstromdichte

Die Wasserdampf-Diffusionsstromdichte g durch ein Bauteil im stationären Zustand, in kg/ (m2 × h), im Folgenden nur noch Diffusionsstromdichte g genannt, wird nach Gleichung (A.11) berechnet.

g = (pi - pe) / Z (A.11)

Dabei ist

pider Wasserdampfteildruck raumseitig, in Pa;
peder Wasserdampfteildruck außenseitig, in Pa;
Zder Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand des Bauteils, in m2 × h × Pa/kg.

ANMERKUNG Gleichung (A.11) setzt einen Diffusionsstrom ohne Tauwasserausfall voraus.

A.4.6 Dampfdruckverteilung und Tauwasserausfall im Bauteilinneren

Tauwasser kann im Inneren von Bauteilen nur dann ausfallen, wenn ein Temperaturgefälle über den Bauteilquerschnitt vorhanden ist und der Wasserdampfteildruck im Bauteilinneren den Sättigungszustand (Wasserdampfsättigungsdruck) erreicht. Um festzustellen, ob und an welcher Stelle im Querschnitt Tauwasser ausfällt, ist die Verteilung des Wasserdampfteildrucks mit der Verteilung des Wasserdampfsättigungsdrucks über den gesamten Querschnitt zu vergleichen. Dabei hängen die vorhandene Dampfdruckverteilung von den beiden umgebungsseitigen Wasserdampfteildrücken sowie von den Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderständen der Bauteilschichten und die Sättigungsdampfdruckverteilung von der Temperaturverteilung über den Querschnitt ab.

Für das grafische Verfahren nach [4] in den Literaturhinweisen zur Bestimmung des Tauwasserausfalls wird zunächst die Temperaturverteitung im Bauteilquerschnitt ermittelt (siehe A.3.6). In einem so genannten Diffusionsdiagramm (siehe Bild A.2) sind dann auf der Abszisse die wasserdampfdiffusionsäquivalenten Luftschichtdicken Sd der einzelnen Baustoffschichten nacheinander, von innen nach außen aufzutragen. Die Ordinate gibt den Wasserdampfdruck an.

In das Diagramm werden über dem Querschnitt des Bauteils im Maßstab der sd-Werte der aus der Temperaturverteilung resultierende Wasserdampfsättigungsdruck ps (höchstmöglicher Wasserdampfdruck) und der vorhandene Wasserdampfteildruck eingetragen. Dabei ergibt sich im Diffusionsdiagramm die

Verteilung des Wasserdampfsättigungsdruckes als temperaturabhängiger Kurvenzug (siehe Temperaturabhängigkeit von ps in A.4.2) und die Verteilung des vorhandenen Wasserdampfteildruckes als Verbindungsgerade der Drücke pi und pe an beiden Bauteiloberflächen. Berühren sich die Gerade und die Kurve des Wasserdampfsättigungsdruckes nicht, so fällt kein Tauwasser aus (vergleiche Bild A.3, Fall a). Würde die Gerade den Kurvenzug des Wasserdampfsättigungsdruckes schneiden, sind statt der Geraden von den Drücken pi und pe aus die Tangenten an die Kurve des Sättigungsdruckes zu zeichnen, da der Wasserdampfteildruck nicht größer als der Sättigungsdruck sein kann (vergleiche Bilder A.4 bis A.6, Fälle b bis d). Die Berührungsstellen der Tangenten mit dem Kurvenzug des Wasserdampfsättigungsdruckes bestimmen bzw. begrenzen den Ort bzw. den Bereich des Tauwasserausfalls im Bauteil.

Die prinzipielle Vorgehensweise zur Feststellung, ob im Bauteilquerschnitt Tauwasser ausfällt, ist in Bild A.2 schematisch dargestellt.

Bild A.2 - Schematische Darstellung der Verteilungen für Temperatur, Wasserdampfsättigungsdruck und Wasserdampfteildruck über den diffusionsäquivalenten Luftschichtdicken der Einzelschichten eines mehrschichtigen Bauteils zur Feststellung eines etwaigen Tauwasserausfalls im Querschnitt

Im dargestellten Beispiel bleibt der Querschnitttauwasserfrei, da keine Berührung zwischen der Kurve des Wasserdampfsättigungsdruckes und der Geraden der aktuellen Wasserdampfteildruckverteilung auftritt.

A.5 Wärmeschutztechnische Berechnungen zur Vermeidung kritischer Feuchte auf Innenoberflächen

A.5.1 Allgemeines

Zur Vermeidung von Tauwasserbildung auf Bauteilinnenoberflächen darf die Temperatur der raumseitigen Oberfläche, welche vom Wärmedurchlasswiderstand des Bauteils abhängt, die Taupunkttemperatur der Raumluft nicht unterschreiten. Die Taupunkttemperatur es ist in Tabelle A.4 angegeben.

Tabelle A.4 - Taupunkttemperatur der Luft in Abhängigkeit von Temperatur und relativer Luftfeuchte

Lufttemperatur θ
°C
Taupunkttemperatur θ s a
°C
bei einer relativen Luftfeuchte φ , in %
3035404550556065707580859095
3010,512,914,916,818,420,021,422,723,925,126,227,228,229,1
299,712,014,015,917,519,020,421,723,024,125,226,227,228,1
288,811,113,115,016,618,119,520,822,023,224,225,226,227,1
278,010,212;214,115,717,218,619,921,122,223,324,325,226,1
267,19,411,413,214,816,317,618,920,121,222,323,324,225,1
256,28,510,512,213,915,316,718,019,120,321,322,323,224,1
245,47,69,611,312,914,415,817,018,219,320,321,322,323,1
234,56,78,710,412,013,514,816,117,218,319,420,321,322,2
223,65,97,89,511,112,513,915,116,317,418,419,420,321,2
212,85,06,98,610,211,612,914,215,316,417,418,419,320,2
201,94,16,07,79,310,712,013,214,415,416,417,418,319,2
191,03,25,16,88,39,811,112,313,414,515,516,417,318,2
180,22,34,25,97,48,810,111,312,513,514,515,416,317,2
17-0,61,43,35,06,57,99,210,411,512,513,514,515,316,2
16-1,40,52,44,15,67,08,29,410,511,612,613,514,415,2
15-2,2.-0,31,53,24,76,17,38,59,610,611,612,513,414,2
14-2,9-1,00,62,33,75,16,47,58,6-9,610,611,512,413,2
13-3,7-1,9-0,11,32,84,25,56,67,78,79,610,511,412,2
12-4,5-2,6-1,00,41,93,24,55,76,77,78,79,610,411,2
11-5,2- 3,4-1,8- 0,41,02,33,54,75,86,77,78,69,410,2
10-6,0-4,2-2,6-1,20,11,42,63,74,85,86,77,68,49,2
a) Näherungsweise darf geradlinig interpoliert werden.

Für die Berechnungen nach A.5.2 und A.5.3 gelten zudem die Angaben nach A.1.

A.5.2 Berechnung für Bauteile ohne Wärmebrücken

Der erforderliche Wärmedurchlasswiderstand R eines ebenen Bauteils ohne Wärmebrücken zur Vermeidung von Tauwasserbildung an der Innenoberfläche wird nach Gleichung (A.12) ermittelt.

Rsi × θi - θe
R =
- (Rsi + Rse)         (A.12)
θi - θs

Dabei ist

Rsi, Rse, θi, θeGrößen nach den Gleichungen (A.2) und (A.3);
θsdie Taupunkttemperatur der Innenluft, in °C.

Der entsprechende Wärmedurchgangskoeffizient U, in W/ (m2 × K), wird nach Gleichung (A.13) berechnet.

θi - θs
U =
             (A.13)
Rsii - θe)

Erklärung der Symbole - siehe Gleichung (A.12).

A.5.3 Berechnung für Bauteile mit Wärmebrücken

Für Bauteile mit Wärmebrücken ist zur Vermeidung von Tauwasserbildung an den Innenoberflächen die niedrigste Temperatur der raumseitigen Oberfläche an der Wärmebrücke maßgebend. Wärmebrücken, die dadurch entstehen, dass Bereiche mit unterschiedlichen Wärmedurchlasswiderständen in einem Bauteil angeordnet werden, sind nach DIN EN ISO 10211-1 zu berechnen. Linienförmige Wärmebrücken können nach DIN EN ISO 10211-2 berechnet werden.

A.6 Diffusionstechnische Berechnungen zur Ermittlung von Tauwasser- und Verdunstungsmassen im Bautenquerschnitt

A.6.1 Allgemeines

Die Berechnung von Tauwasser- und Verdunstungsmassen im Inneren von Bauteilen zur Bewertung des Tauwasserschutzes mittels rechnerischen Nachweises nach 4.2 erfolgt nach dem in A.4.6 erläuterten Verfahren. Im Regelfall ist dazu bei nicht klimatisierten Räumen nach A.6.2 und A.6.3 vorzugehen unter Berücksichtigung der Angaben nach A.2. Für Sonderfälle bezüglich der Klimabedingungen wird auf A.6.4 verwiesen.

A.6.2 Berechnung der Tauwassermasse

A.6.2.1 Allgemeines

Durch ein Bauteil mit einem Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand Z, an dessen einer Seite Luft mit einem Wasserdampfteildruck pi und an dessen anderer Seite Luft mit einem Wasserdampfteildruck pe angrenzt, fließt ein Wasserdampf-Diffusionsstrom aufgrund unterschiedlicher Teildrücke zu beiden Seiten. Wenn der Wasserdampfteildruck p im Innern eines Bauteils den Wasserdampfsättigungsdruck ps erreicht, erfolgt Tauwasserausfall. Die Verteilung des Dampfdruckes ergibt sich dann aus den Tangenten von den Dampfdrücken an den Oberflächen an die Kurve des Wasserdampfsättigungsdruckes.

Die Größe der Tauwassermasse ergibt sich als Differenz zwischen den je Zeit- und Flächeneinheit ein bzw. ausdiffundierenden Wasserdampfmassen (Differenz der Diffusionsstromdichte). Die Neigung der Tangenten ist ein Maß für die jeweilige Diffusionsstromdichte g (nach Gleichung (A.11)).

Die in der Tauperiode in einem Außenbauteil ausfallende Tauwassermasse ergibt sich für die jeweiligen Fälle b bis d aus den zu den Bildern A.4 bis A.6 aufgeführten Gleichungen (A.14) bis (A.24).

In den Gleichungen (A.14) bis (A.24) ist

pider Wasserdampfteildruck raumseitig, in Pa;
peder Wasserdampfteildruck außenseitig, in Pa;
pswder Wasserdampfsättigungsdruck an der Stelle des Tauwasserausfalls, in Pa, bei Fall b (siehe A.6.2.3): in der Tauwasserebene,
bei Fall c (siehe A.6.2.4): in der 1. und 2. Tauwasserebene, psw1, psw2,

bei Fall d (siehe A.6.2.5): am Anfang und am Ende des Tauwasserbereiches, psw1, psw2,;

Zder Wasserdampf-Diffusionsdurchlasswiderstand der Baustoffschichten (nach der Gleichung (A.8) bzw. der Gleichung (A.10) proportional zu sd); in m2 × h × Pa/kg,

bei Fall b (A.6.2.3):

zwischen der raumseitigen Bauteiloberfläche und der Tauwasserebene, Zi,

zwischen :der Tauwasserebene und der außenseitigen Bauteiloberfläche, Ze,

bei Fall c (A.6.2.4):

zwischen der raumseitigen Bautenoberfläche und der 1. Tauwasserebene, Zi,

zwischen der 1. und 2. Tauwasserebene, ZZ,

zwischen der 2. Tauwasserebene und der außenseitigen Bauteiloberfläche, Ze,

bei Fall d (A.6.2.5):

zwischen der raumseitigen Bauteiloberfläche und dem Anfang des Tauwasserbereiches, Zi,

zwischen Anfang und Ende des Tauwasserbereiches ZZ,

zwischen dem Ende des Tauwasserbereiches und der außenseitigen Bauteiloberfläche, Zi;

tTdie Dauer der Tauperiode, in h.

A.6.2.2 Fall A - Wasserdampfdiffusion (Tauperiode) ohne Tauwasserausfall im Bautenquerschnitt

Der vorhandene Wasserdampfteildruck im Bauteil ist an jeder Stelle niedriger als der Wasserdampfsättigungsdruck (siehe Bild A.3).

A.6.2.3 Fall b - Wasserdampfdiffusion (Tauperiode) mit Tauwasserausfall in einer Ebene des Bautenquerschnitts

Der Tauwasserausfall erfolgt zwischen zwei Schichten, z.B. zwischen den Schichten 2 und 3 in Bild A.4.

Die Diffusionsstromdichte gi, in kg/ m2 × h), von der Innenoberfläche in das Bauteil bis zur Tauwasserebene wird nach Gleichung (A.14) berechnet.

pi - psw
gi =
         (A.14)
Zi

Die Diffusionsstromdichte ge, in kg/ (m2 × h), von der Tauwasserebene zur Außenoberfläche wird nach Gleichung (A.15) berechnet.

psw - pe
ge =
            (A.15)
Ze

Die flächenbezogene Tauwassermasse mw,T, in kg/m2, die während der Tauperiode in einer Ebene ausfällt, wird nach Gleichung (A.16) berechnet.

mW,T = tT - (gi -ge)              (A.16)

Bild A.3- Diffusionsdiagramm für Fall A (kein Tauwasserausfall)

Bild A.4 - Diffusionsdiagramm für Fall b (Tauwasserausfall in einer Ebene)

A.6.2.4 Fall c -Wasserdampfdiffusion (Tauperiode) mit Tauwasserausfall in zwei Ebenen des Bauteilquerschnitts

Der Tauwasserausfall erfolgt zweimal zwischen zwei Schichten, z.B. zwischen den Schichten 1 und 2 sowie zwischen den Schichten 3 und 4 in Bild A.5.

Die Diffusionsstromdichte gi, in kg/ m2 × h, von der Innenoberfläche in das Bauteil bis zur 1. Tauwasserebene wird nach Gleichung berechnet.

gi = pi - psw1 / Zi             (A.17)

Die Diffusionsstromdichte gz, in kg/ (m2 × h), zwischen der 1. und 2. Tauwasserebene wird nach Gleichung (A.18) berechnet.

gz = psw1 - psw2 / Zz               (A.18)

Die Diffusionsstromdichte ge, in kg/ (m2 × h), von der 2. Tauwasserebene zur Außenoberfläche wird nach Gleichung (A.19) berechnet.

ge = psw2 - pe / Ze             (A.19)

Die flächenbezogenen Tauwassermassen mW,T1 und mW,T2, in kg/m2, die während der Tauperiode in beiden Ebenen ausfallen, werden nach den Gleichungen (A.20) und (A.21) berechnet.

mW,T1 = tT × (gi - gz)        (A.20)

mW,T2 = tT × (gz - ge)       (A.21)

A.6.2.5 Fall d - Wasserdampfdiffusion (Tauperiode) mit Tauwasserausfall in einem Bereich des Bauteilquerschnitts

Der Tauwasserausfall erfolgt durchgehend in einem Bereich zwischen den beiden Berührungsstellen der p-Tangenten an die ps-Kurve von beiden Oberflächen aus, da sich in diesem Bereich der p-Verlauf vollständig an die ps-Kurve anlegt, z.B. im Bereich der Schicht 2 in Bild A.6.

Die Diffusionsstromdichte gi, in kg/ m2 × h , von der Innenoberfläche in das Bauteil bis zum Anfang des Tauwasserbereiches wird nach Gleichung (A.22) berechnet.

 

pi - psw1
gi =
           (A.22)
Zi

Bild A.5 - Diffusionsdiagramm für Fall c (Tauwasserausfall in zwei Ebenen)

Bild A.6 - Diffusionsdiagramm für Fall d (Tauwasserausfall in einem Bereich)

Die Diffusionsstromdichte ge, in kg/ m2 × h), vom Ende des Tauwasserbereiches zur Außenoberfläche wird nach Gleichung (A.23) berechne.

 

psw2 - pe
ge =
(A.23)
Ze

Die flächenbezogene Tauwassermasse mW,T, in kg/m2, die während der Tauperiode im Bereich ausfällt, wird nach Gleichung (A.24) berechnet.

mW,T = tT × (gi - ge)                 (A.24)

A.6.3 Berechnung der Verdunstungsmasse

A.6.3.1 Allgemeines

Nach einem vorhergehenden Tauwasserausfall im Bauteil wird in der Tauwasserebene bzw. zwischen zwei Tauwasserebenen bzw. in einem Tauwasserbereich Sättigungsdruck angenommen.

Die Ermittlung der durch Dampfdiffusion an die Innen- und Außenluft aus den Tauwasserebenen bzw. aus dem Tauwasserbereich abführbaren verdunstenden Wassermasse erfolgt analog zu A.6.1 und A.6.3 an Hand von Diffusionsdiagrammen (vergleiche Bilder A.7 bis A.10).

Tauwasserausfall während der Verdunstungsperiode wird hier rechnerisch nicht berücksichtigt.

ANMERKUNG Einem in der Verdunstungsperiode möglicherweise auftretenden Tauwasserausfall wird mit der Herausgabe von DIN EN ISO 13788 Rechnung getragen.

Die in A.6.3.2 bis A.6.3.5 dargestellten Fälle A bis d entsprechen den Fällen A bis d in A.6.2.2 bis A.6.2.5.

Zur Definition der in den Gleichungen (A.25) bis (A.36) verwendeten Symbole siehe A.6.2.1. Zusätzlich bedeutet:

tvdie Dauer der Verdunstungsperiode, in h.

A.6.3.2 Fall A - Kein Tauwasserausfall, keine Verdunstung

Während der Tauperiode hat kein Tauwasserausfall stattgefunden. Eine Untersuchung der Verdunstung erübrigt sich. Vergleiche hierzu Bild A.3 und Bild A.7.

A.6.3.3 Fall b - Wasserdampfdiffusion (Verdunstungsperiode) nach Tauwasserausfall in einer Ebene des Bautenquerschnitts

Die Verdunstung erfolgt aus der Ebene des Tauwasserausfalls. Vergleiche hierzu Bild A.4 und Bild A.8.

Bild A.7 - Diffusionsdiagramm für Fall a (keine Verdunstung)

Bild A.8 - Diffusionsdiagramm für Fall b (Verdunstung aus einer Ebene)

Die Diffusionsstromdichte gi, in kg/ (m2 × h), von der Tauwasserebene zur Innenoberfläche wird nach Gleichung (A.25) berechnet.

 

psw - pi
gi =
             (A.25)
Zi

Die Diffusionsstromdichte ge, in kg/ (m2 × h), von der Tauwasserebene zur Außenoberfläche wird nach Gleichung (A.26) berechnet.

ge = psw - pe / Ze            (A.26)

Die flächenbezogene Verdunstungsmasse mW,V, in kg/m2, die während der Verdunstungsperiode aus dem Bauteil abgeführt werden kann, wird nach Gleichung (A.27) berechnet.

mW,V = tV × (gi - ge)           (A.27)

A.6.3.4 Fall c - Wasserdampfdiffusion (Verdunstungsperiode) nach Tauwasserausfall in zwei Ebenen des Bauteilquerschnitts

Zwischen beiden Tauwasserebenen wird zu Beginn der Verdunstungsperiode der Wasserdampfsättigungsdruck entsprechend den zugrunde gelegten Temperaturbedingungen für die Verdunstungsperiode angenommen. Die Verdunstung erfolgt zunächst von beiden Tauwasserebenen zur jeweils näher liegenden Oberfläche. Diffusionsströme zwischen beiden Tauwasserebenen treten dabei entweder wegen isothermer Bedingungen nicht auf oder werden im Fall eines Temperaturgefälles und erneuter Tauwasserbildung während der Verdunstungsperiode nicht berücksichtigt. Ist die Tauwassermasse in einer Ebene vor Ende der Verdunstungsperiode abgeführt, so erfolgt für die restliche Zeit eine Verdunstung aus der anderen Ebene zu beiden Oberflächen hin (Fall b). Vergleiche hierzu Bild A.5 und Bild A.9.

Bild A.9 - Diffusionsdiagramm für Fall c (Verdunstung aus zwei Ebenen)

Die Diffusionsstromdichte gi, in kg/( m2 × h), von der 1. Tauwasserebene zur Innenoberfläche wird nach Gleichung (A.28) berechnet.

psw - pi
gi =
    (A.28)
Zi

Die Diffusionsstromdichte ge, in kg/ (m2 × h), von der 2. Tauwasserebene zur Außenoberfläche wird nach Gleichung (A.29) berechnet.

 

psw - pe
gi =
    (A.29)
Ze

Ist zu einem Zeitpunkt tV1 < tV bzw. tV2 < tV die Tauwassermasse in der ersten bzw. zweiten Tauwasserebene verdunstet, so ergibt sich die flächenbezogene Verdunstungsmasse mW,V, in kg/m2, die während der Verdunstungsperiode tV insgesamt aus dem Bauteil abgeführt werden kann, nach Gleichung (A.32) bzw. Gleichung (A.33).

Die Verdunstungszeiten tV1 bzw. tV2, in h, werden dafür zunächst nach Gleichung (A.30) bzw. Gleichung (A.31) berechnet.

tV1 = mW,T1 / gi        (A.30)

tV2 = mW,T2 / ge       (A.31)

Für tV1 < tV2 ist Gleichung (A.32), für tV1 > tV2 ist Gleichung (A.33) anzuwenden.

 

psw - pi
mW,V = tV1 (gi + ge) + (tV - tV1) ×
     (A.32)
Zi + Zz + ge

 

ge + psw - pe
mW,V = tV2 (gi + ge) + (tV - tV2) ×
        (A.33)
Ze + Zz

A.6.3.5 Fall d - Wasserdampfdiffusion (Verdunstungsperiode) nach Tauwasserausfall in einem Bereich des Bauteilquerschnitts

Die insgesamt in dem Bereich ausgefallene Tauwassermasse wird im Diffusionsdiagramm für die Verdunstung der Mitte des Bereiches zugeordnet. Die Verdunstung erfolgt damit aus der Mitte des Tauwasserbereiches. Vergleiche hierzu Bild A.6 und Bild A.10.

Die Diffusionsstromdichte gi, in kg/ (m2 × h), von der Mitte des Tauwasserbereiches zur Innenoberfläche wird nach Gleichung (A.34) berechnet.

 

psw - pi
gi =
            (A.34)
Zi + 0,5 × Zz  

Die Diffusionsstromdichte ge, in kg/ m2 × h), von der Mitte des Tauwasserbereiches zur Außenoberfläche wird nach Gleichung (A.35) berechnet.

 

psw - pe
ge =
         (A.35)
0,5 × Zz + Ze  

  Die flächenbezogene Verdunstungsmasse mW,V, in kg/m2, die während der Verdunstungsperiode aus dem Bauteil abgeführt werden kann, wird nach Gleichung (A.36) berechnet.

mW,V = tV × (gi + ge)           (A.36)

A.6.4 Berechnungsverfahren bei Sonderfällen

Sind nach vorliegender Norm die Auswirkungen des tatsächlich gegebenen Raumklimas und des Außenklimas am Standort des Gebäudes auf den Tauwasserausfall und bei der Ermittlung der flächenbezogenen Tauwassermasse mit zu erfassen, so ist ein modifiziertes, auf diese Klimabedingungen abgestimmtes Berechnungsverfahren anzuwenden (siehe Literaturhinweise [5], [8], [9], [10], [11]).

Bild A.10 - Diffusionsdiagramm für Fall d (Verdunstung aus einem Bereich)


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