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Konvektiver Feuchtetransport durch Leckagen in Holzleichtbaukonstruktionen mit permeablen Dämmstoffen

Convective moisture transfer through leakages in lightweight timber frame constructions with permeable insulation materials

  • Holzleichtbaukonstruktionen weisen eine besondere Anfälligkeit für Perforationen der raumseitigen Schichten auf. Diese können bei Verwendung permeabler Dämmstoffe und einem regelkonformen, luftdurchlässigen Aufbau der nach außen anschließenden Schichten zu Leckageströmen führen. Die vorliegende Arbeit behandelt den konvektiven Feuchteeintrag durch Einzelleckagen im Gefach von Holzleichbaukonstruktionen infolge derartiger Leckageströme. Das Potential der Durchströmung von Leckagen wird durch die anliegende Druckdifferenz zwischen Innenraum und Umgebung bestimmt. Im ersten Teil der Arbeit werden daher die über 5 Heizperioden, an verschiedenen Gebäuden, in unterschiedlichen Regionen Deutschlands durchgeführten Differenzdruckuntersuchungen analysiert und bewertet. Es wird gezeigt, dass die Häufigkeiten der anliegenden Druckdifferenzen schiefsymmetrisch verteilt ist. Sowohl der Auftrieb als auch die Windanströmung beeinflussen die Druckdifferenz an der Gebäudehülle. Die Richtung der Windanströmung auf die Gebäudehülle, die regionale Lage, der Umbauungsgrad, die Luftdichtigkeit des Gesamtgebäudes und die Leckageverteilung in diesem sind zudem einflussnehmend. Im zweiten Teil wird das mittels eines patentierten Messsystems und -verfahrens untersuchte Durchströmungsverhalten von Einzelleckagen in Holzleichtbaukonstruktionen dargestellt. Die Analysen zeigen, dass der Volumenstrom und Ausflussfaktor durch raumseitige Schichten u. a. von der Form, Randbeschaffenheit und Größe der Leckage beeinflusst werden. Weiterhin wird nachgewiesen, dass die Eigenschaften der Perforation(en) in den von der Dämmung nach außen angeordneten Schichten eine untergeordnete Rolle spielen. Außerdem wird verdeutlicht, dass sich der Luftstrom nach der raumseitigen Leckage konisch im mineralischen Faserdämmstoff öffnet. Dieses Ausbreitungsverhalten, kann mittels dem kleinsten durchströmbaren Dämmstoffvolumen berechnet werden. Eine entscheidende Einflussgröße dafür ist die Permeabilität des Dämmstoffs unter realistischen Druckdifferenzen. Das entwickelte praxisnahe, analytische Berechnungsmodell zum konvektiven Feuchteeintrag stellt den abschließenden Teil der Arbeit dar. Der Volumenstrom durch eine Leckage im Gefach einer Holzleichtbaukonstruktion kann anhand dieses Modells mit einer durchschnittlichen Genauigkeit von ±12 % berechnet werden. Mittels eines quasi-stationären Berechnungsverfahrens wird anschließend die hygrische Hüllflächeninfiltration durch eine Einzelleckage, für eine Heizperiode, unter realistisch an einer Gebäudehüllfläche anliegenden Druckdifferenzen berechnet. Die Plausibilität der Ergebnisse wird an einem untersuchten Schadensfall nachgewiesen. Mit den Berechnungsergebnissen ist eine Bewertung des Schadenspotentials durch konvektiven Feuchteeintrag möglich.
  • Lightweight timber frame constructions are sensitive to perforations of the inward-facing layers. These may lead to leakage flows in case of structures with air permeable insulation and regular air permeable exterior layers. This work investigates the buildup of convective moisture in the bay section of lightweight timber frame constructions through single leakages. The potential for the air flow through leakages is a result of the acting pressure difference between the interior and the exterior of a building. Hence, pressure differences at the enveloping surface of several buildings in different regions of Germany over 5 heating periods are analyzed and evaluated in the first part of this work. It is shown that the frequency of pressure differences is distributed skew-symmetrically. The pressure difference at the building envelope is influenced by buoyancy and acting wind. The pressure differences depend also on the orientation of the wind relative to the building envelope, the building’s regional setting and its site (with respect to neighboring buildings, trees, open spaces etc.). Furthermore, the airtightness of the building and the leakage distribution in the building envelope influence the pressure difference. In the second part of this work, the principles of air flow through single leakages in lightweight timber frame constructions are presented and analyzed using a patented measurement setup and method. The results show that the volumetric flow and the discharge coefficient of leakages in inward-facing layers are amongst others affected by the shape, size and edge properties of the leakage. The results of leakage flow measurements through lightweight timber frame constructions show that the properties of leakages in the outer layer are insignificant for the calculation of the leakage flow. It is shown that the air flow behind the leakage opens up conically in the mineral fiber insulation material. The spread of the air flow in the insulation material can be calculated using the smallest volume of insulation material through which an air flow is possible. The permeability of the insulation material at realistic pressure differences is the determining factor for this calculation. Finally, a practical analytical calculation model is presented. Using this model, the volumetric flow through a single leak in the bay section of lightweight timber frame constructions with permeable mineral insulation material may be calculated with an average accuracy of ±12 %. The envelope surface infiltration through a single leak is calculated for a heating period, using a quasi-steady state calculation method which includes realistic pressure differences on a building envelope. The plausibility of the results is proven by examining a case of damage. With the results of the calculation an evaluation of the potential damage due to convective moisture entry is possible.

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Metadaten
Author:Jens Schmidt
URN (permanent link):urn:nbn:de:hbz:386-kluedo-39677
ISBN:978-3-943995-80-0
Serie (Series number):Schriftenreihe des Fachbegiets Bauphysik / Energetische Gebäudeoptimierung (01)
Place of publication:Kaiserslautern
Advisor:Oliver Kornadt
Document Type:Doctoral Thesis
Language of publication:German
Publication Date:2015/01/16
Year of Publication:2015
Publishing Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Granting Institute:Technische Universität Kaiserslautern
Acceptance Date of the Thesis:2014/11/27
Date of the Publication (Server):2015/01/16
Tag:Ausflussfaktor; Bauphysik; Druckdifferenz; Feuchtetransport; Holzleichtbaukonstruktion; Konvektion; Leckage; Permeabilität
MCMT; building physics; convection; discharge coefficient; leakage; lightweight timber frame construction; moisture transfer; moisture transport; permeability; pressure difference
Number of page:228
Faculties / Organisational entities:Fachbereich Bauingenieurwesen
DDC-Cassification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 624 Ingenieurbau und Umwelttechnik
Licence (German):Standard gemäß KLUEDO-Leitlinien vom 28.10.2014