Hygrothermisches Verhalten winddichter Dachkonstruktionen

Aus den durchgeführten Messungen und der Simulation des thermischen Verhaltens mehrerer untersuchter österreichischer Einfamilienhäuser hat sich ergeben, dass die Ursache für zu geringe empfundene Temperaturen hauptsächlich eine windinduzierte Durchströmung der Dachkonstruktion (Wärmedämmung und Vorsatzschale) im Bereich der Dachschräge ist. Aufgrund des fehlenden winddichten Abschlusses der Wärmedämmung gegen den hinterlüfteten Spitzboden, der Lufteintrittsmöglichkeiten im Traufenbereich, der geringen Dichte und Länge der Wärmedämmung führen die durch Wind erzeugten Druckunterschiede zwischen Traufenbereich und Spitzboden zu einer Luftströmung, die die wärmedämmende Wirkung der Steinwolle teilweise bis vollständig aufhebt. In der Messperiode wurden bei einer mittleren Windgeschwindigkeit von 6 m/s durch diesen erhöhten Wärmeverlust und die geringen Oberflächentemperaturen die empfundenen Temperaturen im Zimmer um ca. 2.5 K vermindert. Für Bauteile gibt es Methoden, deren hygrothermische Eigenschaften ohne Windeinfluss zu berechnen, für Gesamtkonstruktionssysteme (Dachsystem, Spitzboden) jedoch nicht. Erste experimentelle Ergebnisse aus Großbritanien zeigen, dass nicht hinterlüftete Spitzböden ein entsprechendes Energieeinsparungspotenzial aufweisen und unter englischen Klimabedingungen dauerhaft sind. Es gibt keine gesicherten Daten über die Fehlertoleranz (bzgl. Dauerhaftigkeit) von Systemen oder Bauteilen, hinsichtlich der hygrisch thermischen Versagenswahrscheinlichkeit bei Fehlstellen. Ziele 1. Entwicklung von dauerhaften, wirtschaftlich und ökologisch optimierten, Energie effizienten Leichtkonstruktionen (Reduktion der CO2-Emissionen um ca. 180 kg/Jahr [HOR01]). 2. Entwicklung eines Normentwurfes für Luft- und Winddichtheit, sowie Standardwerte für die Bauordnungen 3. Berechnung eines zusätzlichen Faktors für die Heizlastberechnung bezogen auf den Grundwert der Windgeschwindigkeit v10. 4. Berechnung der Fehlertoleranz von Standardleichtkonstruktionen bei Durchströmung der Konstruktion in Bezug auf erhöhte Wärmeverluste und Feuchteeintrag verursacht durch eine Durchströmung von poröser Wärmedämmung. 5. Errechnung der notwendigen Luft- und Winddichtheit von Leichtkonstruktionen in Verbindung mit tolerierbaren Wärmeverlusten und Feuchteeinträgen aufgrund einer Durchströmung von Wärmedämmebenen mit einem niedrigen Strömungswiderstand als Grundlage für einen Normwert. 6. Errechnung von notwendigen Strömungswiderständen der Wärmedämmung bei Vollsparrendämmung in Bezug auf nicht vermeidbare Luftleckagen und zulässiger Wärmeverluste. Ausblick 1. Entwicklung von Wärmedämmmaterialien mit ausreichendem Strömungswiderstand in Kooperation mit der Baustoffindustrie. 2. Publikation von Ausführungsempfehlungen der Industrie für Luft- und Winddichte Schichten in Leichtkonstruktionen 3. Entwicklung einer Auslegungsmethodik für die Dauerhaftigkeit von gedämmten Konstruktionen

In den letzten Jahrzehnten hat sich das Wärmedämmniveau der Gebäudehülle von rund 5 cm bis zu 40 - 50 cm erhöht. Diese Entwicklung begründet sich vor allem in der notwendigen Reduzierung des Energiebedarfs für Heizung und Kühlung. In der Praxis zeigten sich bei bezogenen Häusern in windbeanspruchter Lage schwerwiegende feuchtetechnische Probleme an den Innenoberflächen und innerhalb der Konstruktionen. Daraus begründet begann eine intensive Forschung über die Auswirkungen von induzierter Luftströmung quer und längs der Gebäudehülle mit feuchter Innenluft. Dies führte wiederum zu PerformanceKriterien für die innere luftdichte Schichte. Seit 2007 sind in Österreich in allen Bauvorschriften klare Werte zur umfassenden Luftdichtheit der Hüllkonstruktionen von beheizten oder gekühlten (konditionierten) Räumen gefordert. Diese Anforderungen an die Luftdichtheit schränken den Einfluss der Durchströmung von innen auf den Energiebedarf entsprechend ein. Die lokale Luftdichtheit stellt außerdem sicher, dass warme, feuchte Luft nicht konvektiv in die Konstruktion eindringen kann und an der kalten Außenseite kondensiert. Dies kann zu Schimmelpilzbildung, einer Erhöhung der Wärmeleitung aufgrund von Durchfeuchtung der Baustoffe und im schlimmsten Fall zum Beginn von holzzerstörenden Prozessen (Verrottung, Fäulnis) führen. Ein bis dahin noch unbeachtetes und ungelöstes Problem war der Einfluss des Windes und der daraus resultierenden Durchströmung der Hüllkonstruktion bei nicht ausreichender Dichtheit von außen. Grundsätzlich ist die luftdichte Schichte innen so gut als handwerklich möglich auszuführen und in dieser Weise auch für den Wärmeverlust und den Feuchthaushalt der Konstruktion eine notwendige positive Maßnahme. Eine Verbesserung der Winddichtheit von außen reduziert ungewollte Wärmeverluste, verursacht aber auf der anderen Seite jedoch auch ein höheres Risiko für Kondensationsschäden im Bauteilinneren, weil es dadurch zu einer Verringerung der Durchlüftung von Leichtkonstruktionen kommt. Die Arbeit in diesem Forschungsprojekt konzentrierte sich auf die Festlegung der notwendigen Winddichtigkeit von Leichtkonstruktionen und der Performance Kriterien für winddichte fehlertolerante Leichtdachkonstruktionen. Auf Basis der Messungen und Erfahrungen einer Fallstudie von über 50 Ein- und Mehrfamilienhäusern mit Fehlstellen in der Luft- und Winddichten Ebene wurde ein Test-Haus errichtet. Dabei wurden verschiedene Dachkonstruktionen unter realen Windlasten getestet. Mit den experimentellen Ergebnissen aus der Fallstudie und dem Feldversuch wurde ein Simulations-Tool validiert. Zur Validierung der Software für verschiedene Strömungspfade wurde im Labor ein Testdachelement errichtet und mit entsprechendem Messequipment versehen. Strömungsverhalten und Wärmeströme durch das Dachsegment wurden mit verschiedenen Längs- und Querdurchströmungen gemessen. Mit dem Simulationstool HAM3D-VIE konnten die gemessenen Wärmeströme für alle untersuchten Strömungswege reproduziert werden. Mit dem validierten Modell wurde der Einfluss von verschiedenen Winddichtheiten auf den Feuchtehaushalt (Kondensation im Bauteilinneren) und den Wärmeverlust (erhöhter Wärmestrom, Abkühlung der Oberflächen im Innenraum) untersucht. Aus den Ergebnissen wurde die technisch erforderliche Winddichtigkeit formuliert. Der Winddichtheitskoeffizient der Konstruktion muss unter 10- 6 m 3 /m2 Pa0,5 liegen. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen deutlich, dass die Winddichtheit (Außenseite) einen direkten Einfluss auf die Fehlertoleranz der Dachkonstruktion hat. Eine fehlertolerante Konstruktion ermöglicht Schadensfreiheit bei kleinen Leckagen in der luftdichten Schichte (z.B. Dampfbremse). Eine solche Konstruktion ist in der Lage nach außen oder mit Hilfe der Sonnenstrahlung auf die Innenseite zu trocknen. Das Projekt endet mit der Entwicklung des adaptierten Euro Glaser Verfahrens um den am Planungsprozess beteiligten ein einfaches Design-Tool für die Risikobewertung von leichten Dachkonstruktionen zur Verfügung zu stellen. Das Verfahren wird 2010 bei der 7. Internationalen Konferenz "IAQVEC" (International Conference on Indoor Air Quality, Ventilation and Energy Conservation in Buildings) veröffentlicht. Während des Projekts wurden gemeinsam mit Unternehmen drei verschiedene Lösungen für die winddichte Ausbildung von Leichtdachkonstruktionen entwickelt. Wir danken den Unternehmen ELK, Bramac, Bauder, Austrotherm, Saint Gobain - Isover und Fontana Beteiligungs AG für ihre Unterstützung mit Baumaterialien, die Konfiguration des Test-Haus und das Interesse an den Forschungsergebnissen.