Problem: Wasserdampfdiffusion
Wir wollen den Vorgang der Wasserdampfdiffusion verstehen und die Erkenntnisse anwenden auf die Schichtenfolge und Materialauswahl in wärmegedämmten Konstruktionen
Mit der so genannten Wasserdampfdiffusion haben wir sowohl auf der Baustelle als auch in der Nutzungszeit eines Wohngebäudes häufiger zu tun, als uns bewusst wird. Der Vorgang spielt z.B. eine Rolle, wenn wir über Lüftung sprechen, der Taupunkt und seine Lage diskutiert wird oder die Auswahl und Lagebestimmung einer Dampfbremse ansteht.
Die Frage nach der Notwendigkeit einer Dampfbremse, die die Diffusion auf unschädliche Werte begrenzen soll, ihre Beschaffenheit und Lage, ist eine der am häufigsten gestellten Fragen in der Energieberatung. Sehen wir uns die Sache daher etwas genauer an.
Im Begriff wird der Vorgang bereits erkennbar. Wasserdampf, also gasförmiges Wasser, diffundiert, und zwar durch Bauteile bzw. Baustoffe, die Diffusion zulassen. Dazu gehören Außenwände, Decken, Dämmungen im Dachgeschoss, u.a.m.. Bleche und Glasscheiben lassen keine Diffusion zu, wohl aber die meisten Rahmenmaterialien von Fenstern und Türen.
Wir können die Wasserdampfdiffusion verstehen, wenn wir uns den Vorgang als eine "Wanderung" von Wasserdampfmolekülen von einem Ort großer Konzentration der Moleküle zu einem Ort mit geringerer Konzentration vorstellen. Da Wasserdampfmoleküle im Gegensatz zu den Molekülen sonstiger Luftbestandteile sehr klein sind, ist der Vorgang der Wasserdampfdiffusion nicht notwendig an einen Luftaustausch gebunden. Die kleinen Wasserdampfmoleküle können daher auch durch luftdichte Bauteile, wie Putz und Mauerwerk, Gipskarton, Holz, Kunststoffrahmen oder Schaumpolystyrol "wandern". Der Vorgang vollzieht sich so lange, bis der Konzentrationsunterschied ausgeglichen ist. Dieser ausgeglichene Zustand wird im Winter aber nicht erreicht, weil in Innenräumen immer wieder neuer Wasserdampf hinzukommt (Atmung, Wäsche trocknen, Essen kochen, Blumen gießen), die Zahl der Wasserdampfmoleküle in der kühlen Außenluft jedoch in der Regel recht gering bleibt. Infolgedessen hört die Diffusion im Winter niemals auf.
Im Winter vollzieht sich dieser für uns unsichtbaren Vorgang in der Regel von innen nach außen, da sich in der warmen Raumluft mehr Wasserdampfmoleküle befinden als in der kühlen Außenluft.
Die Geschwindigkeit, mit der sich der Ausgleich der Wasserdampfkonzentrationen vollzieht, ist materialabhängig. Sind die Strukturen des Materials "grobmaschig", wie z.B. bei Mineralwolle, kann sie der Wasserdampf leicht und rasch durchdringen (Der Diffusionswiderstand ist hier niedrig). Bei engmaschigem Material, z.B. bei Beton wird der Diffusionsvorgang gebremst, d.h. es gelangen nur wenige Moleküle sehr langsam auf die andere Seite der Konstruktion (Der Diffusionswiderstand ist dann hoch). Um zu verhindern, dass zu viele Wasserdampfmoleküle in eine Konstruktion (Außendämmung, Innendämmung, Dachdämmung) eindringen und dort unter bestimmten Bedingungen zu Wassertröpfchen kondensieren, kann in bzw. vor die Konstruktion eine zusätzliche Dampfbremse eingebaut werden. Sie wirkt wie eine mehr oder weniger enge Gitterstruktur die durch ihre Maschenweite dafür sorgt, dass Wasserdampfmoleküle nur in geringen Mengen hindurch kommen. Soll der Wasserdampftransport vollständig unterdrückt werden, spricht man von einer Dampfsperre. In diesem Fall ist die Maschenweite des Gitters so klein, dass kein Wasserdampfmolekül mehr hindurch passt.
Dampfbremsen bestehen aus unterschiedlichen Materialien, werden aber immer auf der warmen Seite der Konstruktion (also innen) angebracht. Die dampfbremsende Wirkung sollte jedoch niemals so hoch sein, dass eine Rücktrocknung zum Raum unmöglich wird.
Um die Wasserdampfdiffusion verstehen zu können, muss man sich auch vergegenwärtigen, dass die von der Luft bzw. von Bauteilen aufnehmbare Menge gasförmigen Wassers temperaturabhängig ist. Steigt die Temperatur, kann mehr Wasserdampf aufgenommen werden. Fällt die Temperatur, wird Wasserdampf bei bestimmten Bedingungen in Form von Tröpfchen ausgeschieden. Dieser Vorgang wird sichtbar, wenn der Spiegel beschlägt, sich Tröpfchen auf einer Glasscheibe bilden oder wenn eine kalte Außenwand von innen feucht wird.
Nicht erkennbar ist für uns eine Tröpfchenbildung innerhalb der Baustoffe bzw. Bauteile, z.B. einer Außenwand. Diese Tröpchenbildung ist an sich noch nicht schädlich, wenn Grenzwerte nicht überschritten werden. Sie ist in der Regel nur möglich bei winterlicher Beheizung. Denn nur dann, wenn sich die Temperatur innerhalb der Wand von innen nach außen stark verringert, kann die so genannte Sättigungsgrenze für den Wasserdampf erreicht werden. Das ist eine Situation, bei der die Anzahl der noch gasförmigen Moleküle so groß wird, dass sie sich, abhängig von deren Temperatur, zu Tröpfchen zusammenschließen und den Baustoff durchfeuchten.
#Wasserdampfdiffusion ist materialabhängig
Wie wir bereits wissen, kann Wasserdampf verschiedene Materialien (z.B. Porenbeton/ Hochlochziegel oder Kalksandstein) unterschiedlich gut durchdringen. Werden Baustoffe kombiniert, z. B. mit einer zusätzlichen Dämmschicht versehen, wird die resultierende Diffusion mehr oder weniger gebremst. Ausdruck dieser Abhängigkeit ist die materialspezifische, aber dimensionslose Dampfdiffusions-Widerstandszahl (my). Ist die Widerstandszahl des Baustoffes groß, werden nur wenige Dampfmoleküle hindurch gelassen und umgekehrt. In der Baupraxis hat zusätzlich die Schichtdicke der Baustoffe eine Bedeutung. Die Dampfdiffusions-Widerstandszahl und die Schichtdicke bilden, durch Multiplikation verbunden, den Dampfdiffusionswiderstand. Er wird in Meter angegeben. Je kleiner der Diffusionswiderstand ist, umso rascher erfolgt der Konzentrationsausgleich des Wasserdampfes.
Hat eine Unterspannbahn im Dach einen sehr geringen Diffusionswiderstand von z.B. 0,05 m, sprechen wir von einer dampfdiffusionsoffenen Bahn. Sie wird immer nur auf der kalten Seite der Konstruktion, also z.B. außen oberhalb einer Dämmschicht bzw. unterhalb der Dachziegel als regendichtes Unterdach eingesetzt.
Ist der raumseitige Dampfdiffusionswiderstand z.B. einer Wärmedämmung im Dach dann auch nur höchstens 5m (also 100 mal so groß), sprechen wir von einer diffusionsoffenen Konstruktion. Diffusionsoffene Konstruktionen weisen eine hohe Fehlertoleranz auf, was von großem Vorteil ist.
Allerdings ist die Dampfdiffusions-Widerstandszahl µ (my) auch abhängig vom Feuchtegehalt des Baustoffes. Sie wird in Übersichten, so auch auf dieser Seite im Abschnitt Bau- und Dämmstoffe, für trockene Bedingungen (rel. Luftfeuchte < 50%) angegeben. Dies ist in vielen Anwendungsfällen aber nicht praxisgerecht. Im Winter liegt die relative Luftfeuchtigkeit in Wohnräumen ohne Lüftungsanlage, aber bei Zentralheizung und dichten Fenstern, meist über dem Wert von 50%. Bei höheren Feuchtigkeitswerten steigt auch der Diffusionswiderstand.
Wenn im Winter durch Diffusion Wasserdampf nach außen "auswandert", wird es auf der Innenseite trockener. Eine spannende Frage ist nun, welche Menge an Wasserdampfmolekülen verschwindet und ob dieser Trocknungsvorgang ausreicht, um die Luftfeuchtigkeit im Innenraum wirklich nennenswert zu reduzieren. Das ist nach neueren Erkenntnissen aber nicht der Fall. Noch vor wenigen Jahren glaubte man, das der Diffusionsvorgang die Raumluftfeuchte auf ein vertretbares Maß reduzieren kann. Heute ist unumstritten, das der Luftaustausch eine weitaus wichtigere, quantitativ bedeutendere Rolle spielt. Bitte lesen sie dazu "Was ist mit der Wandatmung?"
In der Bauphysik hat sich inzwischen die Erkenntnis durchgesetzt, dass der mit Luftaustausch (Stichwort: Luftdichtheit) verbundene Transport von Wasserdampfmolekülen meist viel größer ist, als der Transport durch Wasserdampfdiffusion. Mit anderen Worten: Die Bedeutung der Wasserdampfdiffusion für den Feuchtehaushalt im Wohnraum wurde in der Vergangenheit überschätzt.
#Zu beachtende Regeln
Wasserdampfdiffusion verstehen heißt, einige Grundregeln abzuleiten und zu beachten. Bei mehrschichtigem Aufbau von Bauteilen (z.B. bei einer angebrachten Außenwanddämmung) sollte der Dampfdiffusionswiderstand der Schichten von innen nach außen (d.h. von der warmen zur kalten Seite) hin abnehmen. Dadurch wird eine zu große Tauwasseranreicherung im Bauteil von vornherein vermieden. Bei unklarem Verhalten ist eine Berechnung der Tauwasserausscheidung und Trocknung nach zugelassenen Berechnungsmethoden sinnvoll.
Um die Diffusion zu bremsen oder zu unterdrücken (z.B. zur Verhinderung der Durchfeuchtung von Dämmschichten bei einer Innendämmung), kann eine Dampfbremse eingesetzt werden. Sie wird immer auf der warmen Seite der Konstruktion angebracht. Deren dampfbremsende Wirkung sollte jedoch niemals so hoch sein, dass eine Rücktrocknung zum Raum unmöglich wird.
Fehler, die bei der Planung von Dampfbremsen gegen übermäßige Dampfdiffusion gemacht werden, wirken sich meist geringer aus, als Mängel, die bei Ausführung der Luftdichtheit der Dampfbremsebene zugelassen werden. Mehr dazu finden sie im Dampfbremse, Diffusion und Luftdichtheit