Sonderdruck aus: 18 (1996), Heft 1, Seite 7-10Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Mühlenstraße 33-34,13187 Berlin

WÄRME ENERGIE SCHAll RAND FEUCHTE UCHT MIKRDKUMA

Kann bei voll gedämmten,nach außen diffusionsoffenen

Steildachkonstruktionen auf eineDampfsperre verzichtet werden?

Or.-lng. H. M. Künzel

Fraunhofer-lnstitut für Bauphysik(Leiter: o. Prof. Or.-lng. habil. Or. h.c. Or. E.h.mult. Karl Gertis)

Postfach 11 52, 0-83601 HolzkirchenMiesbacher Str.10, 0-83626 Valley

Hartwig M. Künzel Kann bei voll gedämmten, nachaußen diffusionsoffenenStei Idachkonstru ktionen auf ei neDampfsperre verzichtet werden?

1 ProblemstellungDie Entwicklung von dampfdurchlässigen Unterdächern hat dazugeführt, daß sich unbelüftete, zwischen den Sparren voIlge-

dämmte Schrägdachkonstruktionen in der Praxis immer mehrdurchsetzen. Je dampfdurchlässiger das meist als Unterspann-bahn ausgeführte Unterdach ist, desto geringer sind die Anfor-derungen an die Dampfdichtheit der raumseitigen Dampfsperre.Durch rechnerische Untersuchungen wird der Frage nachgegan-gen, ob bei extrem diffusionsoffenen Unterdächern auf eineDampfsperre ganz verzichtet werden kann, wie teilweise be-hauptet wird.

Ein Vergleich von Ergebnissen des Normberechnungsverfah-rens nach Glaser mit Ergebnissen moderner, experimentell veri-fizierter Berechnungsmethoden zeigt eine weitgehende Überein-stimmung der während der Heizperiode im Dach ausfallendenTauwassermengen, solange Strahlungsenergiegewinne unbe-rücksichtigt bleiben. Danach sind Schrägdachkonstruktionenohne raumseitige Dampfsperre theoretisch unkritisch, wenn dasUnterdach einen Diffusionswiderstand von höchstens Sd = 0,02 mbesitzt. Bezieht man jedoch eine eventuelle Verschmutzung oderAlterung des Unterdaches sowie mögliche Fehlstellen in derraumseitigen Bekleidung in die praktische Beurteilung ein, er-scheint eine dampfbremsende Schicht unterhalb der Dämmungmit einem sd-Wert von 1 bis 2 m weiterhin geboten.

Bei der Zwischensparrendämmung von geneigten Dächernsetzt sich die vollgedämmte diffusionsoffene Variante in derPraxis immer mehr durch. Nach einem Merkblatt des Dach-deckerhandwerks [1] gilt eine unbelüftete Dachkonstruk-tion als feuchtetechnisch unbedenklich, wenn das Unter-dach eine diffusionsäquivalente Luftschichtdicke (sd-Wert)von weniger als 0,3 m besitzt und gleichzeitig die raumseitigeDampfsperre einen Sd- Wert von mindestens 2 m aufweist.Werden diese Grenzwerte eingehalten, dann kann bei nichtklimatisierten Wohn- und Bürogebäuden auf einen rech-nerischen Nachweis gemäß [2] verzichtet werden. Gestütztauf Freilanduntersuchungen wird in [3] dargelegt, daß beiUnterspannbahnen mit Sd < 0,15 meine Dampfsperre mitSd = 1 m ausreicht. Nach dem Gelbdruck der neuen Holz-schutznorm [4] ist eine Dampfsperre dann nicht erforder-lich, wenn die Unterspannbahn extrem diffusionsoffen ist, d.h. einen Sd-Wert von höchstens 0,02 m hat. Diese Tendenz inRichtung einer immer größeren Wasserdampfdurchlässigkeitvon Unterdächem hat unter den Herstellern von Unter-spannbahnen zu einer Sd- Wert-Olympiade geführt, derenSinn aus bauphysikalischer Sicht zweifelhaft ist.

Da Freilanduntersuchungen immer nur für mehr oder we-niger repräsentative Einzelfälle Aussagen zulassen, wurde in[5] ein Zusammenhang zwischen den Diffusionswiderstän-den von Dampfsperre und Unterdach auf der Grundlage desNormberechnungsverfahrens in [2] hergestellt, um eine all-gemeingültige Abschätzung des Tauwasserrisikos einerDachkonstruktion zu erhalten. Es stellt sich jedoch dieFrage, ob diese Rechenergebnisse eine genügend sichere Be-wertung der wahren Verhältnisse zulassen. Durch den Ver-gleich mit Ergebnissen eines modernen Rechenverfahrens,das die Berücksichtigung realer Klimaverhältnisse erlaubt,sollen in dieser Arbeit Aussagen, die auf dem Normberech-nungsverfahren beruhen, überprüft und die Konsequenzenfür die Praxis erörtert werden.

Thermal insulation of pitched roof constructions with va-pour permeable top; can it be done without vapour bar-rier? The development of vapour permeable underroofs has tedto a proliferation of non-ventilated fully insulated pitched roof con-structions. The more permeable the underroof, mostly a foil, thelesser the requirements concerning the vapour tightness of theinferior vapour barrier. The question, whether a vapour barrier isdispensable if extremely vapour permeable underroofs are used,has been examined by a calculative study.

A camparisan between the results of the standard diffusioncalculation procedure according to Glaser and a modern, experi-mentally verified heat and moisture transport model shows arather good agreement of the calculated amounts of condensa-tion in the roof during the heating period, as lang as solar radia-tion is disregarded. From this it may be concluded that pitchedroof constructions without inferior vapour barrier bear no mois-ture problems in theory if the underroof has a vapour diffusionsresistance below 0,02 m of equivalent air layer thickness. How-ever, if possible soiling or ageing of the underroof as weIl asleaks in the inferior convering of the insulation are included in thepractical evaluation a vapour retarding layer underneath the insu-lation with a vapour diffusion thickness of 1 to 2 m still seamsnecessary.

2 Durchführung der Untersuchung

Als Beispiel für die rechnerische Vergleichsuntersuchungdient der in Bild 1 dargestellte typische Aufbau für eine voll-

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Dr.-Ing. Hartwig M. Künzel, Fraunhofer-Institut für Bauphysik (Lei-tung: Prof. Dr.-Ing. habil. Dr. sc. techno h. C. Dr.-Ing. E. h. mult. KarlA. Gertis), Postfach 1152, 83601 Holzkirchen.Diplom Chemische Verfahrenstechnik Universität Erlangen. Seit1987 wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Abteilung Feuchtetechnikund seit Dezember 1994 Leiter der Abteilung Hygrothermik amFraunhofer-Institut für Bauphysik, Holzkirchen, 1994 Promotion.

Bild 1. Aufbau einer typischen Steildachkonstruktion mit Zwi.schensparrendämmung. Von oben nach unten ist folgende Schich-tenfolge anzutreffen:Dachdeckung auf Lattung und evtl. KonterlattungUnterspannbahnMineralfaserdämmung (160 mm)DampfsperreGipskartonplatten

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H. M. Künzel Kann bei Steildachkonstruktionen auf eine Dampfsperre verzichtet werden?

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gedämmte Steildachkonstruktion. Unter der Eindeckung aufDachlattung und evtl. Konterlattung befindet sich eine Un-terspannbahn, deren Sd- Wert für die Berechnung zwischen0,02 mund 0,3 m variiert wird. Die Unterspannbahn liegtohne Luftschicht direkt auf der 16 cm dicken Mineralfaser-dämmung bzw. auf den Sparren auf. Den raumseitigen Ab-schluß bilden eine Dampfsperre, deren sd-Wert zwischen 0und 2 m variiert, und Gipskartonplatten, die einen sd-Wertvon 0,1 m besitzen. Es wird ausschließlich der eindimensio-nale Wärme- und Wasserdampftransport im Regelquer-schnitt betrachtet, wobei nur Standardstoffkennwerte be-nutzt werden. Als Alternative zum Normberechnungsver-fahren [2] wird ein am Fraunhofer-Institut für Bauphysikentwickeltes und bereits mehrfach experimentell verifizier-tes Verfahren zur Berechnung des gekoppelten Wärme- undFeuchtetransports in Bauteilen mit der Bezeichnung" WUFI" [6] eingesetzt.

Im Gegensatz zum Normrechenverfahren, für das die in[2] festgelegten Blockrandbedingungen und Oberflächen-übergangsbedingungen verwendet werden, werden bei dervergleichenden Simulationsrechnung gemessene Stunden-mittelwerte von Außenlufttemperatur, Luftfeuchte und kurz-weIliger Strahlung eines für das bayerische Alpenvorlandrepräsentativen Jahres eingesetzt. Das Raumklima variiertsinusförmig zwischen 24 °c bzw. 70 %r. F. im Hochsommer(15. Juli) und 20 °C bzw. 50 % r. F. im Winter. Die Ober-flächenübergangsbedingungen entsprechen mit Ausnahmedes äußeren Wärmeübergangskoeffizienten (a = 19 W/(m2. K» den in [6] vorgeschlagenen Werten. Die kurzweIligeStrahlungsabsorptionszahl der Ziegeleindeckung beträgt0,6, wenn die Strahlungsgewinne einer 280 geneigten, nachSüden orientierten Dachfläche berücksichtigt werden sol-len, bzw. Null, wenn der Extremfall eines völlig verschatte-ten oder mit einer geschlossenen Schneedecke bedecktenDaches betrachtet wird.

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Bild 2. Berechnete Jahresverläufe der Tauwasserrnenge in einemDach ohne Dampfsperre bei einem Sd- Wert der Unterspannbahn von0,1 und 0,05 m mit Angabe der zugrunde gelegten Außenlufttempe-ratur (oben). In der Darstellung wurden Dekadenmittelwertezut bes-seren Anschauung verwendet. Die Berechnung wurde mit Stunden-mittelwerten ohne Berücksichtigung der kurzweiligen Strahlungdurchgeführt

Bild 3. Abhängigkeit der maximalen Tauwassermenge in einem voll-gedämmten Steildach ohne Dampfsperre vom sd-Wert des Unterda-ches. Die durchgezogene Linie beruht auf Ergebnissen des Normver-fahrens in [2]. Die Vollkreise und Hohlkreise bezeichnen Ergebnisseder WUFI-Berechnungen mit und ohne kurzweiligen Strahlungsein-fluß

3 Ergebnisse

Am Beispiel eines verschatteten Steildaches ohne Dampf-sperre ist der ]ahresverlauf des Tauwassergehaltes im Dachfür zwei unterschiedlich dampfdurchlässige Unterspannbah-nen in Bild 2 unten dargestellt. Im gleichen Bild darüber istder Verlauf der Außenlufttemperatur in Form von gemesse-nen Dekadenmittelwerten zu sehen. Ein Vergleich zwischenTemperatur und Tauwassergehalt zeigt, daß Außenlufttem-peraturen, die im Mittel unter dem Gefrierpunkt liegen, beieinem sd-Wert der Unterspannbahn von 0,1 m immer Tau-wasserbildung zur Folge haben, während bei einem sd-Wertder Unterspannbahn von 0,05 rn-je nach den Feuchtever-hältnissen -über -5 °C bereits Trocknungsphasen einsetzenkönnen. Diese zwischenzeitliche Trocknung führt zu einerdeutlich geringeren maximalen Tauwassermenge in der dif-fusionsoffenen Dachkonstruktion während der Heizperi-ode. Der maximal auftretende Tauwassergehalt wird im fol-genden mit den Ergebnissen der Tauwassermenge aus denNormberechnungen verglichen.

In Bild 3 ist die mit Hilfe des Normberechnungsverfah-rens [2] bestimmte, in der Tauperiode anfallende Tauwasser-menge in der Dachkonstruktion (Bild 1) ohne Dampfsperrein Abhängigkeit vom Sd- Wert der Unterspannbahn als durch-gezogene Linie dargestellt. Die Ergebnisse der WUFI-Be-rechnungen sind im gleichen Bild als Kreise dargestellt, wo-bei die Vollkreise die maximal auftretende Tauwassermengein der Heizperiode ohne Strahlung und die Hohlkreise dieVerhältnisse unter Berücksichtigung von Strahlungsgewin-nen einer nach Süden orientierten, nicht schneebedecktenDachfläche bezeichnen. Der Vergleich der Ergebnisse beider

Berechnungsmethoden ohne Strahlungseinflüsse -beimNormberechnungsverfahren werden eventuelle Strahlungs-gewinne des Daches in der Tauperiode aus Sicher-heitsgründen nicht berücksichtigt -zeigt eine recht guteÜbereinstimmung, wenn man von der Tauwassermenge beiSd = 0,05 m absieht, die in den WUFI-Ergebnissen durch zwi-schenzeitliche Trocknung (Bild 2) deutlich reduziert ist.Diese Übereinstimmung ist bei Leichtkonstruktionen, wieder hier betrachteten, für die das Normberechnungsverfah-ren, das auf Glaser [7] zurückgeht, ursprünglich entwickelt

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H. M. Künzel Kann bei Steildachkonstruktionen auf eine Dampfsperre verzichtet werden?

extrem diffusionsoffenen Unterdach (Sd < 0,1 m) bzw. vonmindestens 1,0 m bei einem diffusionsoffenen Unterdach(Sd < 0,3 m) aufweisen.

wurde, zu erwarten, wenn die verwendeten Randbedingun-gen eine vergleichbare Wirkung auf die Dampfdiffusion imBauteil haben. Legt man den Grenzwert für die zulässigeTauwassermenge für kapillar nicht leitende Schichten in [2]von 0,5 kg/m2 (in Bild 3 als gestrichelte Linie eingezeichnet)zugrunde, zeigt sich in Übereinstimmung beider Rechenver-fahren, daß der sd-Wert der Unterspannbahn einen Wert von0,02 m nicht überschreiten darf. Anders sieht es aus, wennman die kurzweIlige Strahlung berücksichtigt. Für ein süd-orientiertes, nicht schneebedecktes Dach entstehen erst beieinem Sd- Wert von knapp 0,1 m kritische Feuchtzustände.Diese günstigen Voraussetzungen für besonnte Dachflächenkönnen jedoch nicht für eine allgemeine Bewertung heran-gezogen werden. Deshalb wird hier nur das völlig verschat-tete Dach, das den ungünstigsten in der Praxis möglichenFall darstellt, weiterverfolgt.

Das so ermittelte Maximum für den sd-Wert eines Unter-daches bei einem Dachaufbau ohne Dampfsperre von 0,02 m(2 cm!) deckt sich mit den Vorgaben in [4]. Dabei wurde je-doch davon ausgegangen, daß zwischen der Unterspann-bahn und der Eindeckung Außenluftverhältnisse herrschen,d. h. die Eindeckung ist so gut hinterlüftet, daß sie keinenDampfdiffusionswiderstand darstellt. Dies ist aber bei einemvereisten oder schneebedeckten Dach zumindest zweifel-haft. Da außerdem die Oberflächenübergangswiderständefür den Wasserdampf in einer ähnlichen Größenordnung wieder geforderte sd-Wert liegen, wurde für die weiteren Unter-suchungen davon ausgegangen, daß der äußere sd-Wert derDachkonstruktion bei Verwendung einer diffusionsoffenenUnterspannbahn bei 0,1 m liegt. Dann muß aber, wie Bild 3zeigt, eine dichtere Innenbekleidung, als dies Gipskarton-platten darstellen, verwendet werden. In Bild 4 ist die Ab-hängigkeit der Tauwassermenge nach der Tauperiode vomSct- Wert der Innenbekleidung für Dachkonstruktionen mitäußeren Dampfdiffusionswiderständen zwischen Sd = 0,1und Sd = 0,3 m (schraffierter Bereich) dargestellt. Die mar-kierten Ergebnisse der WUFI-Berechnungen stimmen wie-derum gut mit den als durchgezogene Linien eingezeichne-ten Ergebnissen des Normverfahrens überein. Um denGrenzwert von 0,5 kg/m2 Tauwasser während der Heizperi-ode nicht zu überschreiten, müssen demnach die Innenbe-kleidungen einen sd-Wert von mindestens 0,6 m bei einem~

4 Diskussion der Ergebnisse und Schlußfolgerung

Die gute Übereinstimmung der Ergebnisse des Normbere ch-nungsverfahrens mit den Ergebnissen der experimentell ve-rifizierten Simulationsrechnung zeigt, daß das Normverfah-ren eine realistische Bewertung des Tauwasserrisikos vonleichten Dachkonstruktionen ermöglicht. Dies gilt allerdingsnicht für die Berechnung der Austrocknung während derVerdunstungsperiode, wie in [8] nachgewiesen wurde. DieVerdunstung stellt bei den hier betrachteten diffusionsoffe-nen Konstruktionen jedoch kein Problem dar und wurdedeswegen auch nicht eingehender untersucht. Der Grenz-wert für die zulässige Tauwassermenge von 0,5 kg/m2 beinicht kapillarleitenden Schichten hat sich bislang bewährtund kann als ausreichend sicher in bezug auf das Feuchte-schadensrisiko angesehen werden.

Daraus ergeben sich für die Praxis folgende Schlußfolge-rungen: Ein Dachaufbau ohne Dampfsperre setzt voraus,daß die außen an die Dämmschicht anschließenden Schich-ten einen Sd- Wert von höchstens 2 cm haben. Dies kann je-doch nicht gewährleistet werden. Selbst eine extrem diffusi-onsoffene Unterspannbahn kann ihre mit den bisherigenMeßverfahren nur ungenau bestimmbare Dampfdurchlässig-keit durch Alterung oder Verschmutzung im Laufe der Zeitverändern. Außerdem kann nicht mit Sicherheit davon aus-gegangen werden, daß die Eindeckung keinen Dampfdiffusi-onswiderstand aufweist. Wenn beispielsweise Eis oderSchnee die Luftkonvektion durch die Fugen zwischen deneinzelnen Dachplatten behindern, wird der Austausch derLuftschicht zwischen Eindeckung und Unterdach mit derAußenluft eingeschränkt, so daß die Eindeckung bis zu ei-nem gewissen Grad wie ein Diffusionswiderstand wirkenkann. Deshalb wird im Gegensatz zum Entwurf der Holz-schutznorm [4] vorgeschlagen, für extrem dampfdurchläs-sige Unterdächer, deren sd-Wert kleiner als 0,1 m ist, für dieBewertung generell 0,1 m anzunehmen und darunter keineweitere Differenzierung vorzunehmen. Das bedeutet gleich-zeitig, daß bei einer Dachkonstruktion ohne Dampfsperreund dampfdurchlässiger Innenbekleidung, wie z. B. Gips-karton, Feuchteprobleme nicht auszuschließen sind. Ausdiesem Grund ist im Einklang mit dem Merkblatt des Dach-deckerhandwerks [1] raumseitig eine dampfbremsendeSchicht zu fordern, die einen sd-Wert von etwa 2 m habensollte. Im Fall von extrem diffusionsoffenen Unterdächern(Sd < 0,1 m) erscheint sogar eine Dampfbremse von Sd = 1 mausreichend. Dampfbremsende Schichten, die z. B. alsFolien oder Papierbahnen auch in den Anschlußbereichendauerhaft abgedichtet werden können, sind bei fachgerech-ter Ausführung ein guter Schutz gegen das konvektive Ein-dringen von Raumluftfeuchte ins Dach. Dieser Punkt er-scheint für die Praxis besonders wichtig, da durch Luftströ-mungen, wie z. B. in [9] experimentell nachgewiesen, we-sentlich größere Feuchtemengen als durch Dampfdiffusionins Dach gelangen können.

Literatur[1] Zentralverband des Deutschen Dachdeckerhandwerks: Merk-

blatt für Wärnledämmung zwischen den Sparren. DDH 112(1991), H. 24, S. 17-20.

[2] DIN 4108, Teil 3: Wärnleschutz im Hochbau; klimabedingterFeuchteschutz. August 1981.

[3] Künze~ H. und Großkinsky, Th.: Neue Erkenntnisse; Vorteilediffusionsoffener, unbelüfteter Satteldachkonstruktionen. DDH113 (1992), H. 14, S. 32-38.

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H. M. Künzel Kann bei Steildachkonstruktionen auf eine Dampfsperre verzichtet werden?

[4] DIN 68800, Teil 2: Holzschutz; vorbeugende bauliche Maßnah-men. Entwurf Dezember 1994.

[5] Schulze, H.: Geneigte Dächer ohne chemischen Holzschutz auchohne Dampfsperre? bauen mit holz (1992), H. 8, S. 646-659.

[6] Künzel, H. M.: Verfahren zur ein- und zweidimensionalen Be-rechnung des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports in Bau-teilen mit einfachen Kennwerten. Diss. Universität Stuttgart 1994.

[7] Glaser, H.: Vereinfachte Berechnung der Dampfdiffusion durchgeschichtete Wände bei Ausscheidung von Wasser und Eis. Käl-tetechnik 10 (1958), H. 11, S. 358-364 und H. 12, S. :>86-390.

[8] Künzel, H. M.: Vorsicht bei nachträglicher Steildachdämmung.IBP-Mitteilung 22 (1995), Nr. 269.

[9] Hens, H.: Luft-Winddichtigkeit von geneigten Dächern. Wie siesich wirklich verhalten. Bauphysik 14 (1992), H. 6, S. 161-174.

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