Hygrothermische Simulation

Die hygrothermische Simulation berechnet den gekoppelten Wärme- und Feuchtetransport in Bauteilen instationär über die Zeit, auf Basis realer Klimarandbedingungen und der materialspezifischen Speicher- und Transportfunktionen. Genormt ist sie in DIN EN 15026. Erforderlich wird sie überall dort, wo das stationäre Glaser-Verfahren an seine Grenzen stößt: bei Innendämmung, Schlagregenbelastung, Holzbauteilen oder der Bewertung von Schimmel- und Tauwasserrisiken. Für die ein- und zweidimensionale Bauteilsimulation gibt es DELPHIN von Bauklimatik Dresden, entwickelt an der TU Dresden und nach DIN EN 15026 validiert.

Was die hygrothermische Simulation berechnet

Bauteile sind im realen Betrieb gleichzeitig Wärme- und Feuchteströmen ausgesetzt. Temperaturgefälle treiben Wärmeleitung, Dampfdruckgefälle treiben Diffusion, und Kapillarkräfte transportieren Flüssigwasser. Diese Prozesse sind eng gekoppelt: Feuchte verändert die Wärmeleitfähigkeit, Temperatur verändert die Sorptionsfeuchte, und Phasenwechsel (Verdunstung, Kondensation) setzen latente Wärme frei oder binden sie.

Die Simulation löst die gekoppelten Bilanzgleichungen für Energie und Feuchte numerisch über ein Ortsgitter und über die Zeit. Für jeden Punkt im Bauteil ergibt sich daraus der zeitliche Verlauf von Temperatur und Wärmestrom, von relativer Luftfeuchte und Wassergehalt sowie von Tauwasser- und Verdunstungsmengen. Aus diesen Größen lassen sich Schimmel-, Frost- und Korrosionsrisiken ableiten.

Eine reine Wärmebrückenberechnung betrachtet nur das Temperaturfeld. Die hygrothermische Simulation bildet dagegen den vollständigen Feuchtehaushalt ab, einschließlich Speicherung, Trocknung und der jahreszeitlichen Umkehr der Transportrichtung.

Grenzen des Glaser-Verfahrens

Das Glaser-Verfahren nach DIN 4108-3 ist das klassische, stationäre Nachweisverfahren für den klimabedingten Feuchteschutz. Es bilanziert Tauwasserausfall und Verdunstung in einer Winter- und einer Sommerperiode unter stark vereinfachten Annahmen: Die Betrachtung ist rein stationär, mit konstanten Randbedingungen je Periode. Berücksichtigt wird ausschließlich die Dampfdiffusion, nicht der Flüssigwassertransport. Feuchtespeicherung in den Materialien kommt nicht vor, und statt realer Wetterdaten gehen pauschale Blockklimate ein.

Für einfache, diffusionsoffene Konstruktionen liefert das brauchbare Ergebnisse. Bei feuchtetechnisch anspruchsvollen Aufbauten schätzt es das Risiko jedoch erheblich falsch ein. DIN 4108-3 verweist bei solchen Konstruktionen deshalb selbst auf die instationäre Simulation nach DIN EN 15026.

Typische Anwendungsfälle

Innendämmung

Die nachträgliche Innendämmung ist der klassische Fall, in dem das Glaser-Verfahren versagt. Weil die Dämmung die Tragschale auskühlt, verschiebt sich der Taupunkt in die Konstruktion hinein. Nur die instationäre Simulation kann beurteilen, ob die anfallende Feuchte in der Sommerperiode wieder austrocknet und ob kapillaraktive Systeme die Feuchte sicher rückführen.

Holzbauteile und Holzfeuchte

Bei Holz- und Holzwerkstoffkonstruktionen entscheidet der zeitliche Feuchteverlauf über Dauerhaftigkeit und Tragfähigkeit. Die Simulation bewertet die Holzfeuchte gegen kritische Grenzwerte und prüft das Trocknungsverhalten eingebauter Baufeuchte.

Schlagregen und Fassaden

Saugende Außenwände und Sichtmauerwerk nehmen bei Schlagregen erhebliche Wassermengen auf. Die hygrothermische Simulation bildet die Schlagregenbelastung als Randbedingung ab und bewertet Durchfeuchtung, Frostgefährdung und Austrocknung.

Schimmel- und Tauwasserrisiko

Aus den simulierten Temperatur- und Feuchteverläufen an Oberflächen und Grenzschichten lässt sich das Schimmelrisiko bewerten, etwa über Isoplethenmodelle, die Sporenauskeimung in Abhängigkeit von Feuchte, Temperatur und Dauer beschreiben.

Software und normative Grundlagen

Die hygrothermische Bauteilsimulation ist in DIN EN 15026 geregelt; das WTA-Merkblatt 6-2 beschreibt die praktische Durchführung und Validierung. Werkzeuge für diese Berechnungen müssen den gekoppelten Wärme- und Feuchtetransport instationär abbilden, für Anschlüsse und Wärmebrücken auch zweidimensional.

Dafür steht DELPHIN von Bauklimatik Dresden zur Verfügung. Das Programm wird am Institut für Bauklimatik der TU Dresden entwickelt, rechnet den gekoppelten Wärme-, Feuchte-, Luft- und Salztransport in porösen Baustoffen ein- und zweidimensional und ist nach DIN EN 15026 validiert. Für VICUS-Anwender fügt es sich in einen durchgängigen Workflow: VICUS Climate exportiert Klimadaten im C6B-Format, das DELPHIN direkt als Randbedingung einliest.

Abgrenzung zur thermischen Gebäudesimulation

Hygrothermische und thermische Simulation beantworten unterschiedliche Fragen und arbeiten auf unterschiedlichen Maßstäben. Die thermische Gebäudesimulation, etwa in VICUS Buildings, bewertet das energetische Verhalten ganzer Gebäude über das Jahr: Heiz- und Kühlbedarf, Raumtemperaturen, sommerlicher Wärmeschutz und Komfort. Sie rechnet thermisch, nicht feuchtetechnisch. Die hygrothermische Simulation betrachtet dagegen den Feuchtehaushalt einzelner Bauteile im Detail und gehört in den Anwendungsbereich von DELPHIN.

Beide Verfahren ergänzen sich: Die Gebäudesimulation liefert Energiebedarf und Komfort, die hygrothermische Simulation den klimabedingten Feuchteschutz. VICUS Buildings und DELPHIN teilen denselben wissenschaftlichen Hintergrund aus der TU Dresden.

Wann sich die Simulation lohnt

Sobald der Feuchtehaushalt eines Bauteils realitätsnah beurteilt werden muss, führt an der hygrothermischen Simulation kaum ein Weg vorbei: bei Innendämmung, im Holzbau, unter Schlagregen oder bei der Bewertung von Schimmel- und Tauwasserrisiken. Wo das stationäre Glaser-Verfahren an seine Grenzen stößt, bildet die instationäre Berechnung nach DIN EN 15026 Flüssigwassertransport, Speicherung und reale Klimadaten physikalisch korrekt ab. DELPHIN von Bauklimatik Dresden ist dafür an der TU Dresden entwickelt und validiert; über das C6B-Klimaformat aus VICUS Climate fügt es sich in den Planungsworkflow ein.

Weiterführende Artikel: Dynamische Gebäudesimulation erläutert die zeitaufgelöste thermische Berechnung ganzer Gebäude, Sommerlicher Wärmeschutz nach DIN 4108-2 zeigt den Nachweis über Übertemperaturgradstunden, und Stationäre vs. dynamische Berechnung ordnet stationäre und instationäre Verfahren ein.

Quellen und Normen

• DIN EN 15026 — Wärme- und feuchtetechnisches Verhalten von Bauteilen und Bauelementen — Bewertung der Feuchteübertragung durch numerische Simulation
• DIN 4108-3 — Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden — Klimabedingter Feuchteschutz
• WTA-Merkblatt 6-2 — Simulation wärme- und feuchtetechnischer Prozesse
• DIN EN 15026 / DELPHIN — Validierungsbeispiele, Institut für Bauklimatik, TU Dresden / Bauklimatik Dresden