Hygrothermal Analysis of Building Components Inclosing Air Cavities: Comparison between Different Modeling Approaches and Experimental Results
Bearbeiterin: Michele Bianchi Janetti
Betreuer: Wolfgang Feist
In den letzten Jahren wurde die Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden eine prioritäre Zielsetzung für die europäische Energiepolitik.
Diese Zielsetzung spielt eine wichtige Rolle in den sogenannten "20-20-20-Zielen" (20 % Reduktion der Emission von Treibhausgasen, Steigerung der Produktion erneuerbarer Energien bis 20 % und einer Verbesserung der Gesamtenergieeffizienz um 20 %).
Eine große Herausforderung liegt nicht nur im Neubau, sondern auch in der Sanierung von bestehenden Objekten, die in Zukunft einen höheren Energieeffizienz-Standard erreichen müssen. Bezogen auf die Gebäudehülle ist vor allem richtige Planung und der Einsatz geeigneter Materialien entscheidend, um eine hohe Qualität und bauschadensfreie Konstruktionen gewährleisten zu können.
Während Standardlösungen (z.B. außengedämmte Wände) bauphysikalisch als weitgehend unproblematisch betrachtet werden können, stellt insbesondere die Planung und Ausführung von Innendämmsystemen noch eine Herausforderung dar. Diese Problemstellung ist die Hauptmotivation dieser Arbeit.
Bei innenseitiger Wärmedämmung können nur dann kritische Feuchtigkeitszustände ausgeschlossen werden, wenn eine sorgfältige Planung vorab durchgeführt worden ist.
Langfristig kann Dampfdiffusion aus dem Inneren des Gebäudes zu hoher Feuchtigkeit hinter der Dämmung führen, was unter Umständen einer Schädigung organischer Stoffe (z.B. Holzbalken) mit sich zieht. Die Voraussetzung für eine korrekte Planung eines Dämmsystems ist ein fundiertes Wissen der Wärme- und Feuchtetransportmechanismen in den eingesetzten Materialien und Systemen (Schichtaufbauten und Anschlussdetails).
Zu diesem Thema wurden bereits zahlreiche numerische und experimentelle Studien publiziert; Ziel dieser Arbeit ist es, den Stand der Wissenschaft und Forschung auf diesem Gebiet sowohl auf Material- wie auch auf Komponentenebene zu erweitern. Auf Materialebene wird eine neue semi-empirische Funktion für die mathematische Beschreibung der Flüssigwasserleitfähigkeit vorgeschlagen. Im Gegensatz zu bereits bestehenden Modellen beschreibt diese Funktion sowohl die Oberflächendiffusion wie auch den Kapillartransport, welche beide zum Flüssigkeitstransport im Bauteil beitragen.
Der zweite Teil dieser Arbeit besteht aus der Entwicklung eines einfachen experimentellen Verfahrens zur Bestimmung der Flüssigwasserleitfähigkeit unterschiedlicher Dämmmaterialien, die vor allem im Baubereich verwendet werden (z.B. Kalziumsilikat-Platte).
Zwei alternative Verfahren werden vorgeschlagen: Das erste basiert auf Desorptionsversuchen, das zweite Verfahren verwendet Messungen des Wärmeflusses, die mittels einer Heizplattenapparatur durchgeführt werden können. Insbesondere das zweite Verfahren unterscheidet sich wesentlich von den in der Literatur zur Verfügung stehenden Ansätzen und bietet im Vergleich zu diesen Vorteile, weil nur eine minimale Messausrüstung erforderlich ist (Heizplattenapparatur und Waage).
Darüber hinaus kann die Temperaturabhängigkeit der Flüssigwasserleitfähigkeit mit diesen Verfahren simultan bestimmt werden. Die experimentellen Ergebnisse werden verwendet, um ein numerisches Modell für die Simulation der gekoppelten Wärme- und Feuchtetransport in porösen Baustoffen zu validieren.
Eine weiterer Teil der Arbeit bestand darin, auf Bauteilebene sowohl Modelle für die Konvektion in Luftspalten, als auch Kriterien für die Auswirkung von Undichtheiten auf das Feuchterisiko in der Baukonstruktion zu entwickeln.
Des Weiteren werden Modelle basierend auf Computational Fluid Dynamics (CFD) sowie vereinfachte Ansätze, die insbesondere für Langzeitsimulationen geeignet sind, entwickelt. Die Plausibilität dieser Ergebnisse wird durch numerische Beispielrechnungen und durch Vergleiche mit gemessenen Daten aus der Literatur analysiert.
Der letzte Teil dieser Arbeit betrachtet bauphysikalische Probleme, die in der Praxis vorkommen können, wie Schimmelwachstum hinter der Dämmung und das Auftreten von Bauschäden aufgrund eines zu hohen Wassergehaltes. Auswirkungen der Luftleckagen hinsichtlich der Feuchtigkeitsverteilung werden untersucht. Verschiedene Systeme zur Abdichtung von Spalten an Balkenköpfe werden ebenfalls durch numerische Simulation analysiert.
Darüber hinaus wird das Verhalten von unterschiedlichen Gebäudebauteilen durch 2D- und 3D-Modellen simuliert, um allgemeine Kriterien zu definieren, die eine bauschadensfreie Planung gewährleisten.
Diese Arbeit zielt darauf ab, eine kurze aber vollständige Übersicht über das hygrothermische
Verhalten von Baustoffen und Gebäudebauteilen zu geben. Innovative und detaillierte Charakterisierungsmethoden der physikalischen Vorgänge, aber auch Lösungsvorschläge für praktische bauphysikalische Probleme werden in dieser Arbeit vorgeschlagen.