Feuchtigkeit

Feuchtigkeit entsteht, wenn der dampfförmige Anteil der Luft durch Abkühlung kondensiert.

 

Als relative Luftfeuchtigkeit wird der prozentuale Anteil des dampfförmigen Wassers in der Luft bezogen auf die maximal mögliche Menge an Wasserdampf bezeichnet. Dabei ist die maximale Menge dadurch definiert, dass bei jeder weiteren Zugabe von Wasserdampf Wasser ausfällt, sich also Tröpfchen bilden.

Man spricht bei maximaler Wasserdampfmenge von gesättigter Luft.

 

Wichtig ist hierbei, dass die Fähigkeit der Luft, Wasser aufzunehmen, von der Temperatur abhängt. Warme Luft kann mehr Wasser aufnehmen als kalte Luft.

 

Betrachtet man einen Raum, ruht die Luft nicht, sondern bewegt sich. Wenn gesättigte oder beinahe gesättigte Luft auf eine kalte Oberfläche trifft und sich abkühlt, fällt Wasser aus. Ein Beispiel ist der Badezimmerspiegel nach dem Duschen oder ein schlecht isoliertes Fenster.

 

Der gleiche Vorgang kann innerhalb von Bauteilen passieren, da feuchte Luft durch Diffusion auch durch Bauteile tritt.

 

Immer wenn das Risiko besteht, dass Wasserdampf innerhalb oder an Oberflächen von Bauteilen kondensiert und Wasser ausfällt, muss der Feuchteschutz umgesetzt werden, um Mängel zu vermeiden.

Kondensiertes Wasser an kalter Fensteroberfläche, bereitgestellt aud www.wikipedia.de

HX - Diagramm und Dampfdruckkurve

 

Eine sehr praktische Möglichkeit, die Vorgänge in feuchter Luft zu veranschaulichen ist das HX - Diagramm, das bei Misch-, Heiz- und Kühlvorgängen Aussagen über mögliche Kondensation oder Verdampfung des Wassers liefert.

Darin ist das sogenannte Nebelgebiet die Zone, in der Wasser bei Abkühlung ausfällt und an kalten Oberflächen kondensiert.

Abbildung: HX - Diagramm mit verschiedenen Zustandsänderungen, bereitgestellt in www.wikipedia.de, bearbeitet durch Ingenieurbüro Mevenkamp

Die beiden grundlegenden physikalischen Zusammenhänge des Diagramms sind die beiden folgenden:

 

1. Der Partialdruck als von dem Stoffmengenanteil abhängige Druck in einem Gasgemisch

2. Die Dampfdruckkurve von Wasser als der maximale Partialdruck des Wasserdampfes, bis zu dem Wasser dampfförmig ist.

 

Auch wenn diese Zusammenhänge sehr theoretisch klingen (oft sind sie das), macht das Verständnis fast alle Zusammenhänge zum Thema feuchte Luft viel leichter verständlich. Im folgenden Bild sind die Zusammenhänge dargestellt:

Abbildung: Feuchte Luft, Partialdruck, Dampfdruckkurve, Beispiele

Borbachtungen:

 

- die Temperatur hat exponentiellen Einfluss auf maximalen Dampfdruck/Partialdruck

- der Menge an Wasser hat nur linearen Einfluss auf den Partialdruck

- Ausfall von Wasser erfolgt durch Abkühlung oder weitere Zugabe von Wasser, wenn bereits die maximale Wasserbeladung erreicht ist

Ausgleichsprozess feuchter Luft

 

Wenn feuchte Luftmengen unterschiedlicher Zustände aufeinander treffen, findet ein Ausgleichsprozess statt, so dass nach einer gewissen Zeit das Gemisch wieder homogen ist (vergleiche Teebeutel in kochendem Wasser).

 

Die folgende Abbildung zeigt an einem Beispiel, wie Wärmestrom und Feuchtestrom dabei zusammenhängen. Physikalisch sind Ausnahmen möglich, die jedoch praktisch nur sehr selten bedeutsam sind.

Abbildung: Wärmestrom und Feuchtestrom eines beispielhaften Ausgleichsprozesses feuchter Luft

Prinzip in der Bauphysik

In fast allen Fällen stellt sich ein Feuchtestrom entlang eines Wärmestroms ein.

 

Feuchtigkeit in Baustoffen

 

Hier gemeint ist das Eindringen und der Ausfall von Wasserdampf in Baustoffen. Konstruktive Maßnahmen zu dessen Vermeidung sind Teil des Feuchteschutzes.

Wenn Bauteile hingegen flüssigem Wasser ausgesetzt sind, sind andere Mechanismen zu beachten, die nicht Teil des Feuchteschutzes, sondern der Bauwerksabdichtung sind.

 

Feuchte Luft dringt in Baustoffe durch zwei Mechanismen ein:

 

- Diffusion durch Porosität

- Diffusion auf atomarer Ebene

 

Abbildung: Porosität von Baustoffen, Quelle [1]

Bei offen porösen Baustoffen ist der Durchgang von feuchter Luft stark erhöht im vergleicht zu nicht offen porösen oder gar nicht porösen Baustoffen. Schließlich lassen vollständig dampfdichte Baustoffe auch auf atomarer Ebene keine Moleküle feuchter Luft mehr hindurch. Vollständig dampfdicht sind beispielweise viele Metalle

Die Vorgänge sind durch den sogenannten Wasserdampfdiffusionswiderstand zusammengefasst. Er wird durch Labormessungen eingegrenzt und gibt die Diffusionsdichtigkeit im Vergleich zu einer 1 m dicken Luftschicht an. Dieser Wert ist ein Materialwert.

Bei einer Bauteilschicht kommt es natürlich zusätzlich auf deren Dicke an. Der Gesamtwiderstand gegen Diffusion ergibt sich dann aus der Dicke der Bauteilschicht multiplitziert mit dem Diffusionswiderstand des Materials und gibt die Dicke einer Luftschicht an, die ebenso viel Wasserdampf hindurchlassen würde. Das ist der sogenannte SD - Wert.

 

Wichtig ist, dass das Ergebnis des Schichtenaufbaus eines Bauteils geplante Feuchtigkeitsströme durch das Bauteil sind.

Daneben gibt es ungeplante Feuchtigkeit in Bauteilen, die als Konvektion und Flankendiffusion bezeichnet werden. Die verschiedenen Arten von Feuchtigkeitsströmen werden im Abschnitt Feuchteschutz genauer erläutert.

Beispiele von feuchter Luft in der Bauphysik

 

Abbildung: Typischer Zustand feuchter Luft in der Tauphase im Winter

Tauphase im Winter

 

Feuchteempfindliche Bauteile, wie hier das Dach, werden für diesen Fall ausgelegt.

Ziel ist dabei, dass möglichst wenig Feuchtigkeit in das Bauteil eintritt. Hier ist dieses Ziel durch den Einsatz einer Dampfbremse berücksichtigt.

In der Planung und Umsetzung sind die Anschlüsse der Dampfsperre (mögliche Konvektion) sowie Mauerwerksanschlüsse (Flankendiffusion) aufwendig (siehe Feuchteschutz).

Abbildung: Typischer Zustand feuchter Luft in der Austrocknungsphase im Sommer

Umkehrdiffusion im Sommer

 

Durch die solare Einstrahlung auf die Dachabdecknung heizt sich die darunter liegende Luftschicht u.U. stark auf.

Durch die Temperaturdifferenz zeigt der Wärmestrom und damit auch der Feuchtestrom nach innen.

Problematisch ist, dass die innen liegende Dampfsperre Feuchtigkeit während der Trocknungsphase im Bauteil hält. Daher sind Dachkonstruktionen mit Dampfsperre in einigen Klimaregionen gefährdet. Das Prinzip des Feuchteschutzes, dass Feuchtigkeit auch wieder entweichen können muss, bedarf in diesem Fall einer genaueren Analyse.

 

[1] "Werkstoffe IAllgemeine Grundlagen - Stoffkennwerte"; Univ.-Prof. Dr.-Ing.; Universität der Bundeswehr München; Herbsttrimester 2001

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© Christoph Mevenkamp