Bauphysik-Krimi

Die Inselgruppe der Seychellen liegt im tropisch warmen Monsungebiet mit Temperaturen zwischen 24 und 30°C bei einer relativen Luftfeuchte (RLF) von 79 – 82%. Die Tagestemperaturen schwanken ganzjährig um ca. 6K. In modernen Gebäuden sorgen Klimaanlagen für ein angenehmes Raumklima. Zum Einsatz kommen vorwiegend Standard-Split-Kälteanlagen, die kühle und entfeuchtete Luft erzeugen und diese in die Räume einblasen. Dadurch entsteht ein Temperaturgefälle von außen (feuchtwarm) nach innen (klimatisiert). Diese gegenüber unseren Breiten umgekehrten bauphysikalischen Gegebenheiten sind beim Sichtaufbau der Gebäudehülle zu beachten, damit es nicht zu unangenehmen Überraschungen kommt.

Ein Blick über den Tellerrand der Metallverarbeitung hinaus offenbart Mängel, die ein zwar völlig anderes Fachgebiet berühren. Dieses ist aber nicht minder wichtig für uns Klempner als Hüllflächenspezialisten. In Deutschland werden wir recht häufig gerufen, wenn Dächer beginnen auf der Innenseite zu tropfen. Mit unseren Kenntnissen und Fertigkeiten in Sachen Wärmedämmung und Bauphysik metallbekleideter Hüllflächen können wir dafür sorgen, dass die Gebäude mit einer klempnertechnisch hochwertigen Außenhülle auch innen behaglich und schadensfrei sind.

Klagen der Bewohner

Bei ersten Gesprächen mit allen Beteiligten beklagten sich einige Bewohner der Bungalows über Feuchtigkeit in den Räumen und tropfende Dächer. Das Phänomen trete immer nachts auf, wenn die Klimaanlage ausgeschaltet sei. Die Ursache der Feuchtigkeit kann man sich nicht erklären. Die Montagefirma verwies auf eine falsch eingestellte Klimaanlage. Bereits eine überschlägige Betrachtung der bauphysikalischen Gegebenheiten zeigt, dass bei der geschilderten Nutzung die Kondensation und tropfende Decken nicht verwunderlich, sondern zwangsläufig sind.

Tauwasser

Tauwasser entsteht, wenn warme und feuchte Luft auf kalte Flächen trifft. Das ist im Biergarten an mit kalten Getränken gefüllten Gläsern zu beobachten. In kühlen Kellern mit offenen Fenstern schlägt sich bei Sommerhitze an der Kaltwasserleitung Wasser ab und die Wände fühlen sich feucht an.

• In den klimatisierten Räumen werden die raumbegrenzenden Oberflächen und Gegenstände tagsüber gegenüber der Außentemperatur stark abgekühlt. Die Luft wird auf eine als angenehm empfundene Luftfeuchte von 50% entfeuchtet.
• Wird nachts die Klimaanlage ausgeschaltet und durch Fenster gelüftet, gelangt 28°C warme Luft mit einer relativen Luftfeuchte von 79 – 82% in den Raum. Dort kühlt sie ab.
• Die Taupunkttemperatur dieser Außenluft liegt bei über 26°C (s. Grafik).
• Die Konsequenz: An allen kühleren Oberflächen bildet sich so lange Tauwasser, bis sich im Raum ein Gleichgewicht eingestellt hat.
• Kühlt die Klimaanlage den Raum auf 23°C, können pro m³ Luftvolumen etwa 6,65g Tauwasser anfallen. In einem Raum mit 75m³ Rauminhalt ist es pro Luftwechsel etwa ein halber Liter.
• Wie lange der Tauwasseranfall andauert und wie viel Tauwasser ausfällt, ist von vielen Faktoren abhängig. Wesentlich sind die Lufttemperatur, die relative Luftfeuchte und die Wärmekapazität der Bauteile hinter den Oberflächen sowie die Fähigkeit der Oberflächen, Wärme aufzunehmen und abzugeben.

Es hat also nichts mit einer falsch eingestellten Klimaanlage zu tun, sondern mit dem Problem falscher Klimatisierung. Es muss entweder rund um die Uhr dafür gesorgt werden, dass die Luft permanent entfeuchtet oder der Raum nicht kälter als 26°C wird. Die Klimaanlage darf nicht ausgestellt werden. Andernfalls darf bei ausgeschalteter Klimaanlage nicht gelüftet werden.

Dachaufbau

Wichtig ist eine tauwasserfreie Konstruktion. In unseren Breiten wird sie durch eine innen angebrachte Dampfbremse sichergestellt. Da es in den Tropen jedoch außen wärmer und feuchter ist als im konditionierten Innenraum, verläuft der Diffusionsstrom des Wasserdampfes von außen nach innen! Es muss also vermieden werden, dass Wasserdampf von außen in die Konstruktion eindringt. Dies erfolgt durch eine luftdichte Schicht mit hohem Dampfdiffusionswiderstand (Dampfbremse/Dampfsperre). Ein Metalldach ist zwar bauphysikalisch dampfdicht, jedoch nicht vollständig luftdicht. Durch Bewegungen infolge Windbelastung kann an den nicht luftdichten Fugen und Anschlüssen Außenluft unter die Metallhaut gelangen.

Die wasserspeichernde, filzähnliche Fließbahn ist ein potenzielles Wasserreservoir direkt unter der Metallhaut! Da es bei Temperaturänderungen unter der Metallhaut zu Kondensation kommen kann, hat sie dort nichts zu suchen. Hingegen wäre eine strukturierte Trennlage oberhalb einer funktionierenden Dampfsperre eine Drainageebene, in der dieses Wasser abfließen bzw. abtrocknen kann.

Die feuchtetechnische Betrachtung der Dachkonstruktion unter den gegebenen Klimabedingungen lässt zwischen der Dämmschicht und der Aluminiumfolie Tauwasseranfall erwarten. Es wäre ungefährlich, wenn es wieder verdunsten kann. Doch das kann mit diesem Dachaufbau nicht sichergestellt werden. Nach oben wird die Verdunstung durch die tragende Sperrholzschicht und das Metalldach behindert, nach unten durch die Aluminiumfolie. Eingedrungenes Wasser und Kondensat kann nicht verdampfen und durchfeuchtet die Dämmung, die dadurch nahezu wirkungslos wird.

Bauphysikalischer Teufelskreis

Bei der beschriebenen unsachgemäßen Ausführung kann nicht ausgeschlossen werden, dass einerseits Wasser und andererseits feuchtwarme Luft von außen in die Konstruktion eindringt. Es stellte sich Folgendes heraus:

• Die eingebaute Dampfsperre existierte praktisch nicht mehr und war zu 90% in kleine Stücke zerfallen. Sie war vor der Montage wochenlang der Sonne und Witterung ausgesetzt und völlig zersetzt. Eine dampfbremsende Wirkung war nicht mehr vorhanden.
• Ca. 15% der Wärmedämmung waren ebenfalls nicht mehr vorhanden. Teilweise war sie noch vorhanden, aber nur noch 20 – 40mm dick.
• Die auf die Wärmedämmung kaschierte Aluminiumfolie hatte zahlreiche Löcher bzw. Durchdringungen von elektrischenLeitungen, die nicht abgedichtet waren.

Wegen dieser Mängel und der unsachgemäßen Anwendung der Klimaanlage bildet sich an vielen Tagen innerhalb der Konstruktion mehr Tauwasser als wieder verdunsten kann. Da Mineralwolle so gut wie kein Wasser kapillar speichern kann, säuft sie regelrecht ab und sinkt in sich zusammen. Möglicherweise ist damit die verminderte Dicke der Mineralwolldämmung zu erklären. Das tagsüber in der Konstruktion angesammelte Tauwasser wird durch die Klimaanlage genauso abgekühlt wie alle anderen Bauteile und Einrichtungsgegenstände. Wegen der relativ hohen Wärmekapazität des Wassers bildet es ein fast perfektes kühles Speichervolumen, an dem viel warme und feuchte Luft entlangstreichen muss, bis es sich wieder auf etwa 26°C erwärmt. So lange lädt die vorbeistreichende Luft weiteres Tauwasser an der Decke ab. Ist deren innere Schicht wasserabweisend lackiert oder aber mit Tauwasser gesättigt, beginnt es zu tropfen.

Zusammenspiel mehrerer Ursachen

Die Tauwasserbildung und das unangenehm feuchte Raumklima in den Gebäuden haben mehrere, sich im Zweifelsfall gegenseitig verstärkende Ursachen:

• Die mangelhaft ausgeführte und feuchtetechnisch intolerante Dachkonstruktion. Der vorgesehene unbelüftete Dachaufbau hätte mit äußerster Sorgfalt ausgeführt werden müssen. Vor allem hätte die äußere Dampfsperre funktionieren müssen.
• Die Auswahl eigentlich für die Tropen weniger geeigneter Baustoffe mit geringer Feuchtetoleranz. Nach Lit. 3 sollten feuchtespeichernde, sorptive Materialien eingesetzt werden.
• Die Betriebsweise der Klimaanlage, die nicht zuletzt wegen der Mängel der Dachkonstruktion weit mehr Energie verbraucht, als es bei optimierten Rahmenbedingungen der Fall wäre.
• Das Klimatisierungskonzept, das auf Tagkühlung bei hohen Lasten ausgerichtet ist. Während dieser Zeit befinden sich die Bewohner normalerweise nicht in den Innenräumen, sondern sind außen aktiv. Wozu also tagsüber Kühlung, wenn die Bewohner sie nachts zum schlafen brauchen?

Die Tauwasserbildung wäre zu vermeiden gewesen – durch eine sorgfältige Planung, die klimatische, energetische und feuchtetechnische Aspekte unter Berücksichtigung moderner Baustoffe ebenso einbezieht wie die Erfahrungen jahrhundertealter Baukultur. Zudem hätte durch eine bauphysikalische und feuchtetechnische Simulation die Klimaanlage energetisch optimiert und den örtlichen Gegebenheiten angepasst werden können. Ein Betrieb der Klimaanlage in der weniger belasteten Nacht, wenn sie wirklich gebraucht wird, könnte sehr viel Strom einsparen und bauphysikalische Probleme mindern.

Zusammenfassung

• Der vorliegende Fall zeigt sehr gut, dass für ein Stehfalzdach in windstarken Gebieten sorgfältige Planung und statische Berechnung der Befestigungselemente zwingend erforderlich sind.
• In erster Linie sind die Planer in die Pflicht zu nehmen. Sie haben es versäumt, eine Statik für die Dachkonstruktion unter Berücksichtigung des Inselklimas der Seychellen vorzugeben.
• Die deutschen Fachregeln unterliegen wissenschaftlichen Untersuchungen und sind damit weltweit eine Orientierung.
• Die ausführenden Montagefirmen müssen grundsätzlich Fachfirmen sein, die ein hohes Maß an Know-how in Sachen Stehfalztechnik mitbringen.
• Die unbelüftete, aber kostengünstig herstellbare Dachkonstruktion mit modernen Baustoffen muss mit großer Sorgfalt ausgeführt werden. Insbesondere muss die Funktion der oben liegenden Dampfsperre sichergestellt sein.
• In Zeiten massiver Klimaprobleme kann man ein Gebäude in tropischen Gefilden nicht einfach durch eine Klimaanlage behaglich machen. Selbst wenn das technisch zu bewältigen ist, kostet es enorm viel Strom und Geld.
• Mit nur ein wenig Respekt gegenüber traditionellen Bauweisen könnte der Energiebedarf der Häuser deutlich gesenkt und deren Behaglichkeit erhöht werden.
• Unter Berücksichtigung aller wind­dynamischen und bauphysikalischen Aspekte sind Metalldächer bestens für die Tropen geeignet:
• Die Oberflächen reflektieren Sonnenlicht, was letztendlich die Kühllast in den Räumen darunter reduziert.

Fazit

Metallbedachungen sind sehr regensicher und schützen Gebäude wirksam vor tropischen Regengüssen. Sie sind leicht, was förderlich für die Statik ist. Ihre Langlebigkeit schont langfristig Ressourcen. Selbst wenn Projekte auf einer Trauminsel ausgeführt werden, auf der es keine landesüblichen Baubestimmungen für Stehfalzdächer gibt, müssen international gültige Normen eingehalten werden. Auch Träume können die Gesetze der Physik nicht außer Kraft setzen – weder die pneumatisch-mechanischen noch die bauphysikalischen.

Praxistipp

Spenglermeister Heinz Lummel (Karlstadt), der mit Tropenklimaten bestens vertraut ist, sagt: „In den Tropen bleibt meine Klimaanlage tagsüber ausgeschaltet. Die Fenster und Türen sind geöffnet, um für ausreichenden Luftzug zu sorgen. Ein einfacher Deckenventilator erzeugt Luftbewegung im Raum (s. passive Klimatisierung). Die Klimaanlage arbeitet nur nachts, damit man angenehm schlafen kann.“

Dachaufbau

Dieser Dachaufbau wurde an einigen Häusern ausgeführt. Schichtaufbau von außen nach innen:

• 0,7-mm-Aluminiumin Doppelstehfalztechnik
• 3,0 mm Fließbahn (Filz, wasserspeichernd!)
• PE-Folie (großflächig zerstört)
• 18 mm Sperrholz
• 50 mm Glaswolle
• Aluminiumfolie teilweise durchlöchert
• 6,0 mm Sperrholz
• Sparren

Heinz Lummel favorisiert seit Langem einen nach innen diffusionsoffenen Dachaufbau mit außen liegender Dampfsperre, der kostengünstig herzustellen ist. Dabei ist es unerheblich, ob die Tragkonstruktion aus Stahl oder Holz besteht.

Passive Raumklimatisierung

Raumklimatisierung durch Klimaanlagen kostet Geld und Energie. In warmen Ländern fallen mehr Kosten für Klimatisierung an als bei uns für die Gebäudeheizung. Raumklimatisierung in solchen Extremklimaten erfordert ein hohes Maß an Sachkenntnis, Erfahrung und Planungssicherheit. Am besten ist, man simuliert das bauphysikalische Verhalten der Gebäude und seiner Bauteile rechnerisch, um die Klimaanlage richtig auszulegen und optimal einzustellen. Eigentlich erstaunlich, dass dies bei der Planung der Luxusgebäude nicht geschehen ist.

Bereits bei einer kurzen Literaturrecherche im Internet stößt man auf passive Klimatisierungsmethoden der traditionellen Bauweise, an denen sich der Planer orientieren kann (Lit. 2, 3). Schließlich leben schon seit Jahrtausenden Menschen in Gebäuden, die ohne Klimatisierung funktionieren. Mit heutigen Technologien können sie verbessert und behaglicher werden. In früheren Zeiten wurde in den Tropen nicht umsonst mit Materialien gebaut, die in der Lage sind, viel Wasser zu speichern, was feuchteausgleichend wirkt (Lehm, Holz und andere pflanzliche Baustoffe). Zudem gibt es traditionelle konstruktive Konzepte, die das Raumklima trotz harter äußerer Bedingungen erträglich machen. Das beginnt mit der Orientierung der Gebäude zur Sonne – ein sehr wichtiges Kriterium –, bevor man in die Konstruktion der Bauteile einsteigt. „Die Außenwände sind geschlossen mit wenigen Öffnungen für Türen und Rauchabzüge, sowie Querlüftungen.“ (Lit. 2, S. 163 ff)

• Die Querlüftungen dienen der Raumkühlung durch Verdunstungskälte. Immerhin entzieht die Verdunstung von einem Liter Wasser ohne Verbrauch von Hilfsenergie dem Raum 0,627kWh Wärmeenergie. (Umgekehrt wird genau diese Wärmemenge bei der Tauwasserbildung wieder frei (siehe Abb. Querlüftung im Gebäude).
• Gute Lüftung unterstützt den menschlichen Klimahaushalt, indem sie die Wärmeabfuhr durch Schwitzen verbessert.
• Um den eigentlichen massiven Baukörper waren als Sonnenschutzschild Laubengänge mit leichten, luftdurchlässigen Materialien auf der Außenseite angeordnet, die einerseits das Gebäude verschatteten und andererseits Strömungskanäle für die Belüftung sind (siehe Abb. Zweischalige Bauweise „Haus im Haus“)
• Die weit überstehenden Dächer wurden zweischalig ausgeführt und mit einer Querlüftung des großzügigen Hohlraumes sowie Dämmung zu den darunter liegenden Wohnräumen ausgestattet (Lit. 2 S. 167).
• Die meist pflanzlichen Dämmmaterialien (Gras, Schilf) wirken sorptiv. Das heißt, sie können Wasser kapillar aufnehmen, speichern und weiterleiten nach außen, wo es verdunsten kann, was für Kühlung sorgt.
• Helle Oberflächen an den Außenbauteilen reflektieren Sonnenlicht. Insbesondere im Dachbereich wird so jede Menge Wärmeenergie vom Baukörper abgehalten.

Diese Prinzipien legen eigentlich diffusionsoffene Dach­aufbauten mit sorptiven (wasserspeichernden) Materialien nahe, die in der Lage sind, Wasser kapillar an die Oberflächen zu transportieren, wo es verdunsten kann. Entsprechende Verdunstung sorgt für eine gewisse Kühlung. Wichtig: Die Metalldächer sind nicht die Ursache für den Tauwasseranfall, wie in unseren Breiten, wenn die innere Luftdichtung nicht fachgemäß ausgeführt wurde. Im Gegenteil: Ein Metalldach mit heller oder selektiver Oberfläche, das Sonnenlicht reflektiert, ist eine sehr wirksame sommerliche Wärmeschutzmaßnahme! Zudem erfüllt es eine Dampfbremsfunktion gegen den Feuchteübergang von außen nach innen.

Danke

Vielen Dank an Spenglermeister Heinz Lummel, der zu diesem Artikel viel seiner Erfahrung mit ausgeführten Metalldächern und -fassaden in den Tropen beisteuerte.

Literaturhinweise

1. Zentralverband Sanitär Heizung Klima, Rathausallee 6, 53757 St. Augustin: „Richtlinien für die Ausführung von Klempnerarbeiten an Dach und Fassade“ (Klempnerfachregeln), Ausgabe Juni 2009

2. Lauber, Prof. Dr. Wolfgang: „Klimagerechte Architektur in den afrikanischen Tropen“, Dissertation 2003

3. Böhler, Kerstin: „Passive Kühlung durch Lüftung – traditionelle Bauten in Entwicklungsländern“

4. Weitere Literatur: Lauber, Prof. Dr. Wolfgang: „Tropical architecture“

Markus Patschke

ist Klempnermeister, Energieberater, Fachwirt für Gebäude­management und ­gelisteter Effi­zienzhausexperte.

Dieser Beitrag entstand auf Grundlage eines Fachvortrages von Andreas Schmelzer, Novelis Deutschland GmbH, Göttingen, und mit ­aktiver Unterstützung von Spenglermeister Heinz Lummel, Karlstadt.