Das Wort zum Montag: Diffusion und Konvektion
Fachchinesisch? Nein, Bauphysik!

Bauphysik beschreibt den Austausch von Wärme und Feuchte in Bauteilen und Gebäuden. Da unsere Ansprüche an Feuchteschutz und Wohnhygiene, an nachhaltiges Bauen und behagliches Wohnen gestiegen sind, rückt der Wärmeschutz von Gebäuden immer mehr in den Vordergrund. In unserer Rubrik „Das Wort zum Montag“ nehmen wir bauphysikalische Überlegungen unter die Lupe und erklären wichtige Begriffe.

Heute: Was bedeutet „Diffusion und Konvektion“?

Diffusion bezeichnet einen physikalischen Prozess, bei dem sich Teilchen, wie z.B. verschiedene Gase, langsam verteilen und damit eine vollständige Durchmischung, ein Gasausgleich stattfindet.

Ein Beispiel aus dem Alltag: Wird ein Fußboden feucht aufgewischt, ist die sichtbare Feuchtigkeit nach wenigen Minuten verschwunden. Dieser Trocknungsprozess geschieht mit Hilfe von Diffusion. Die physikalische Erklärung dazu: Die höhere Konzentration an Wasserdampf über der feuchten Fläche verteilt sich und diffundiert gleichmäßig in den Raum. Eine Lüftung oder Luftbewegung ist dafür nicht notwendig, da der Prozess von alleine geschieht.

Wasser existiert also nicht nur in flüssiger Form, sondern auch als Wasserdampf, den wir nicht riechen und nicht sehen. Der Anteil von Wasserdampf in der Luft wird als Luftfeuchtigkeit bezeichnet. Das spielt beim Wohnen eine wichtige Rolle: So gibt eine Person allein durch das Ausatmen etwa 1 Liter am Tag an die Luft ab. Wasserdampf kennt keine Grenzen, er kann überall eindringen - auch in Baustoffe und Baukonstruktionen. Um eine Durchfeuchtung des Bauteils zu verhindern, werden konstruktive Maßnahmen - z. B. den Einbau einer Dampfsperre bzw. -bremse - getroffen. Bei Baustoffen spielt eine Rolle, ob sie Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen, Wasser aufsaugen und Feuchte weitergeben.

Konvektion bezeichnet eine Wärmeströmung und ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der Wärme durch strömende Flüssigkeiten (z. B. Wasser) oder strömende Gase (z. B. Luft) übertragen wird.

Wie viel Wärme durch Wärmeströmung übertragen wird, ist abhängig

  • von dem Stoff, der die Wärme transportiert,
  • von der durchströmten Fläche,
  • von der Temperaturdifferenz,
  • von der Strömungsgeschwindigkeit,
  • von der Zeit.

Ein Beispiel aus dem Alltag: In der Nähe eines Heizkörpers erwärmt sich die Raumluft, dehnt sich dadurch aus, strömt nach oben an der Decke entlang bis zur Wand und von dort nach unten, am Boden entlang zurück. Kühlere Luft strömt von unten nach und wird ebenfalls erwärmt. Über die Konvektion wird die Wärme vom Heizkörper in den ganzen Raum transportiert und an Decke, Wände und den Boden abgeben.

Durch Undichtigkeiten in der Baukonstruktion entsteht eine Luftströmung. Konvektive Wärmeverluste ergeben sich dann, wenn warme Innenraumluft die Wärmeenergie direkt durch Fugen nach außen transportiert.

Wer's ganz genau wissen möchte

Grundlegende Anforderung des gesunden Bauens ist die Vermeidung von Tauwasser. Diffusions- und Konvektionsvorgänge spielen deshalb in der Bauphysik eine zentrale Rolle.

Diffusionsvorgänge in der Baukonstruktion: Um den Feuchteschutz in Bauteilen zu gewährleisten, muss zum einen der Feuchtetransport durch Bauteile, zum anderen auch das Verhalten von Baustoffen gegenüber Wasser und Feuchte bei der Planung berücksichtigt werden. Um eine Durchfeuchtung des Bauteils zu verhindern, werden konstruktive Maßnahmen - z. B. den Einbau einer Dampfsperre bzw. -bremse - getroffen. Bei Baustoffen spielt eine Rolle, ob sie Feuchtigkeit aus der Luft aufnehmen, Wasser aufsaugen und weitergeben. Die Wasserdampfdurchlässigkeit eines Baustoffes wird durch den Wasserdampfdiffusionswiderstand µ beschrieben. Der µ-Wert ist eine dimensionslose Größe. Er gibt an, um wie viel der Wasserdampfdurchlasswiderstand eines Baustoffes größer ist als der einer gleich dicken Luftschicht (µLuft = 1). Und er ist im Wesentlichen von der Dichte des Baustoffes, der Art und Struktur der Poren, Zellen oder Luftzwischenräume abhängig. Je größer der µ-Wert, desto dampfdichter ist ein Baustoff.

Konvektion in der Baukonstruktion: Durch Undichtigkeiten in der Gebäudehülle entsteht durch den Temperaturunterschied eine Luftströmung. Undichtigkeiten sind in der Regel Ritzen oder Einschnitten in der Luftdichtheitsschicht (Dampfsperre bzw. -bremse) oder schlecht abgedichtete Fugen zwischen Bauteilen, beispielsweise Schornsteinen oder Dachflächenfenster. Konvektive Wärmeverluste entstehen, wenn warme Innenraumluft die Wärmeenergie direkt durch die Fuge nach außen transportiert. Umgekehrt gilt, dass kalte Außenluft ins Innere dringt und aufgewärmt werden muss.

Wenn der Heizkörper unterhalb des Fensters angebracht wird, erfolgt die Konvektion (Wärmeströmung) nach oben und ein Frösteln am Sitzplatz vor dem Fenster wird verhindert. Damit sich die Luft am Fenster nicht abkühlt und kondensiert, sollte es mit guter Wärmeschutzverglasung ausgestattet sein.

Über die Konvektion können auch wesentlich höhere Feuchtemengen in die Konstruktion transportiert werden als durch Diffusion. Dringt durch Undichtigkeiten warme Innenraumluft in das Außenbauteil ein, kühlt sie ab. Dabei kondensiert ein Teil der in der Luft enthaltenen Feuchtigkeit. Es bildet sich Tauwasser, das in vielen Fällen nicht mehr austrocknen kann. Das Bauteil wird feucht und es entstehen Bauschäden.

Oben: Dampfsperren oder –bremsen verhindern, dass durch Diffusionsvorgänge Feuchtigkeit aus den Innenräumen in die Dachkonstruktion eindringen. PU-Dämmstoffe sind im Gegensatz zu Faserdämmstoffen geschlossenzellig, luftdicht und nehmen keine Feuchtigkeit auf.
Unten: Winddichtung in Form von Unterdächer, Unterdeckungen oder Unterspannungen schützt vor Schlagregen, Flugschnee und Staub. Bei PU-Aufsparrendämmsystemen ist die überlappende, wasserableitende Unterdeckbahn integriert.

Einfache Regeln rund um Diffusion und Konvektion:

  • Außenbauteile, wie Dächer und Wände müssen luftdicht ausgeführt werden, damit die Raumluft nicht durch Fugen nach außen oder in das Bauteil eindringen kann.
  • Die Luftdichtheitsschicht befindet sich in der Regel raumseitig, d. h. auf der warmen Seite der Konstruktion. Sie kann die Funktion einer Dampfsperre oder -bremse übernehmen und damit den Transport von Feuchtigkeit durch Diffusionsvorgänge verhindern.
  • Eine lückenlose, wärmebrückenfreie Dämmung verringert Wärmeverluste über Schwachstellen einer Baukonstruktion (Wärmebrücken) und verhindert, dass Wände, Decken oder Wandecken auskühlen und sich Tauwasser niederschlägt. Auch Fenster mit guter Wärmeschutzverglasung verhindern konvektive Wärmeverluste.
  • Bei vielen Dämmstoffen sind ein unterer und ein oberer µ-Wert aufgeführt.

    Beispiele:
    Faserdämmstoffe haben einen µ-Richtwert von 1. Da sie keine geschlossenzellige Struktur haben, entspricht ihr Wasserdampfdiffusionswiderstand dem der Luft.

    PU-Hartschaum hat auf Grund seiner Geschlossenzelligkeit einen µ-Richtwert von 40 bis 200. Mit Alu-Kaschierung sind PU-Dämmstoffe dampfdiffusionsdicht.
  • Für die diffusionstechnische Berechnung von Bauteilen ist jeweils der für den Anwendungsfall ungünstigere µ-Wert einzusetzen. Bei der Beurteilung der feuchtetechnischen Sicherheit von Konstruktionen spielt der Wasserdampfdiffusionswiderstand (sd-Wert) eine wichtige Rolle.

Informationen im Internet:

RP-Energie-Lexikon - www.energie-lexikon.info

Baunetz Wissen Bauphysik - Luftfeuchte und Wasserdampfdiffusion

raum-analyse.de: Wasserdampf und Feuchteschutz

baustoffwissen.de - Luft- und Dampfsperren

Das Wort zum Montag: Luft und Winddichtheit

Das Wort zum Montag: Wärmebrücken