Schwachstellen

Der Wärmeschutz erdberührter Bauteile

Die besonderen Temperatur- und Wärmestrombedingungen bei Räumen mit erdberührten Böden und Wänden sind viel zu wenig bekannt. Unwirtschaftliche Wärmeschutzmaßnahmen und Fehldiagnosen bei Schimmel- und Feuchteschäden sind die Folgen. Der hundertste Beitrag der Schwachstellen-Artikelserie soll dazu beitragen, die bauphysikalischen Zusammenhänge transparenter zu machen, um solche Fehler zu vermeiden.
Much too little is known about the particular temperature and heat flow conditions in rooms with floors and walls in direct contact with earth. Mould and dampness can result, leading to expensive diagnosis and insulation measures. To help avoid such defects, the hundredth article in the Schwachstellen (weak spots) series sheds some light on the interrelationships in the construction physics.
Rainer Oswald

Wer den Hintergründen von Mängelstreitigkeiten und Schäden nachspürt, stößt auf erstaunlich komplexe Ursachen-Zusammenhänge. Die entscheidenden Einflussgrößen sind nämlich auf verschiedenen »Ursachenebenen« (siehe Schwachstellen db 1/1990) zu finden: bei den physikalischen und chemischen schadenauslösenden Vorgängen, in den bautechnischen Situationen, im Fehlverhalten der Planungs- und Ausführungsbeteiligten und bei den wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Rahmenbedingungen.

Im Verlauf der zurückliegenden 16 Jahre wurde angestrebt, bei der Darstellung der Einzelprobleme nicht nur eine Ursachenebene verkürzend herauszugreifen, sondern das Geflecht der Einwirkungen im Auge zu behalten. Es wurde also versucht, Ausschnitte der Wirklichkeit zu erfassen. Nur wer die Zusammenhänge erkennt, kann situationsbezogen richtige Entscheidungen treffen. Patentrezepte mögen griffiger sein und forsch vorgetragene Pauschalurteile mehr Aufsehen erregen. Beide helfen aber faktisch nicht. Die zurück- liegenden 99 Beiträge schließen daher häufig mit dem Appell, Probleme differenzierend anzugehen und mit abwägendem Sachverstand zu entscheiden.
Komplexe Zusammenhänge können nicht in wenigen Zeilen dargestellt werden. Die Konzentration des Lesers ist daher gefordert. An dieser Stelle möchte ich daher den vielen Kolleginnen und Kollegen in den Planungs-, Bauleitungs- und Sachverständigenbüros danken, die offenbar die Mühe gerne auf sich nehmen, meinen Überlegungen aufgeschlossen zu folgen und meine Schlussfolgerungen durch aufmunternde und konstruktiv-kritische Anmerkungen zu begleiten. Sie bestärken mich darin, den eingeschlagenen Weg fortzusetzen! Ständig wachsende Anforderungen, die Entwicklungen im Baurecht, in der Bauwirtschaft und der Normung, neue Bauweisen und Baustoffe und die wechselnden Baumoden lassen mit Sicherheit den »Schwachstellen« den Stoff nicht ausgehen.
Ein hier bisher noch nicht angesprochener Themenkreis betrifft Probleme, die mit den Temperaturverhältnissen und dem Wärmeschutz erdberührter Bauteile zusammenhängen. Ganz offensichtlich sind vielen Planern und Ausführenden die Temperatur- und Wärme-strombedingungen in diesem Gebäudebereich weitgehend unbekannt. Anders sind viele unwirtschaftliche Wärmeschutzmaßnahmen und falsche Schlussfolgerungen zu den Ursachen und den notwendigen Instandsetzungen bei Feuchte- und Schimmelschäden gar nicht erklärbar. Vor einigen Jahrzehnten war dieser weiße Fleck auf der Wissenslandkarte noch eher verzeihlich, wurden doch Räume im Untergeschoss kaum hochwertig genutzt und waren nichtunterkellerte Aufenthaltsräume eher selten. Das hat sich aber nun entscheidend geändert. Man muss also die Zusammenhänge kennen und verstehen. Wie folgendes Beispiel zeigt, muss man leider auch bei »Sachverständigen« mit groben Fehleinschätzungen rechnen.
Das Untergeschoss einer großen Wohnanlage war aufgrund der Lage am Rand einer Bergkuppe talseitig als Wohngeschoss nutzbar. Der Käufer einer Eckwohnung (Bild 1) der gut zwanzig Jahre alten Immobilie bemängelte nach seinem Einzug Eindunklungen und andere Anzeichen von Feuchte im Parkettboden des Wohnzimmers. Betroffen war nur der Übergang zum Fußboden der rückwärtigen Kochnische, der aus Fliesen und einem PVC-Belag bestand (Bilder 2 und 3). Nachdem mit Hilfe eines Klempners Installationsmängel im Küchenbereich ausgeschlossen werden konnten, finanzierte die Eigentümergemeinschaft eine Neuabdichtung und verbesserte Wärmedämmung der überwiegend erdberührten seitlichen Wohnungsaußenwand. Vermutete man doch die Ursache trotz der Trockenheit der hangseitig anschließenden Kellerräume in Abdichtungsmängeln am Fundamentabsatz.
Als sich danach die Feuchte nicht änderte – Trocknungsmaßnahmen wurden nicht veranlasst –, beauftragte man einen Fußbodensachverständigen mit der Klärung des Falls. Dieser ermittelte den Fußbodenaufbau eines üblichen schwimmenden Zementestrichs, der auf einer Bitumenpapierabdeckung über einer etwa 20 mm dicken Trittschalldämmung aus Mineralfasern verlegt worden war (Bilder 4 – 6). Die gemäß den Ausführungsplänen auf einer Kiespackung betonierte Bodenplatte war oberseitig mit einer 0,8 mm dicken PVC- weich-Bahn auf Filztrennlage abgedichtet. Da die zum Zeitpunkt der Gebäudeerrichtung auch zur Flachdachabdichtung verwendbare Bahn an den Öffnungsstellen mit sorgfältig verschweißten Überlappungen, am Rand mit Verbundblech fixiert und an den Wänden aufgekantet vorgefunden wurde und zudem unter der Abdichtung ein geringerer Feuchtegehalt als in der Mineralfaserplatte messbar war, kam man zum Ergebnis, dass Abdichtungs-mängel auszuschließen sind. Die Feuchtequelle sei Tauwasser im viel zu schlecht wärmegedämmten Fußboden. Der zum Zeitpunkt der Abnahme geforderte Mindestwärmeschutz nach DIN 4108 werde aufgrund einer nur 20 mm dicken Dämmung lediglich zu 63 % erfüllt. Konsequenterweise endete das Gutachten mit dem Instandsetzungsvorschlag, in der gesamten Wohnung den Fußboden zur Verbesserung des Wärmeschutzes mit größerer Aufbauhöhe auszutauschen.
Die Eigentümergemeinschaft verweigerte diese erneute, hohe Investition mit dem Argument, dass die Wohnung von den Voreigentümern mehr als zwanzig Jahre lang ohne Schaden genutzt worden sei, alle übrigen, gleich ausgeführten Untergeschosswohnungen seien zudem nach wie vor voll gebrauchstauglich. Es müsse ein Benutzungsfehler des jetzigen Besitzers vorliegen, der vermutlich nicht richtig heize und lüfte.
Die Auseinandersetzung wurde daraufhin vor Gericht fortgesetzt. Ein weiterer Sachverständiger kam in diesem Verfahren zum Ergebnis, dass der zu geringe Wärmeschutz des Fußbodens zwar zu Recht bemängelt würde, aber nicht die Tauwasserbildung innerhalb des Fußbodens erklären könne. Für diese sei eine bauphysikalisch falsche Schichtenfolge ursächlich: Das auf der Oberseite der Dämmung liegende Bitumenpapier sei mit einem Dampfsperrwert von nur 1,6 m viel zu diffusionsoffen. Es falle bei Annahme einer Außentemperatur von – 10 °C nach dem Glaser-Verfahren in jeder Winterperiode rund 0,2 kg Tauwasser auf der PVC-Abdichtung an, das im Sommer nur unvollständig austrockne. Nutzungsfehler seien auszuschließen. Im sonst richtigen, vorliegendem Instandsetzungsvorschlag sei zusätzlich eine besser dampfsperrende Dämmschichtabdeckung vorzusehen.
Die Eigentümergemeinschaft beharrte darauf, dass dieses Gutachten weder auf ihre Argumente eingehe noch diese entkräfte. Im eskalierenden Streit zog der Wohnungseigentümer aus und klagte nun auch noch die Leerstandskosten ein. Ein erneutes Gutachten wurde notwendig, mit dem ich beauftragt wurde. Beide Sachverständige lagen mit ihren Vorstellungen quer zu allen gesicherten bauphysikalischen Erkenntnissen über die Temperatur- und Wärme-strombedingungen im Erdreich.
Der Baugrund bildet eine massereiche, wärmedämmende und speichernde Bauteilumgebung. Die Bemessungswärmeleitfähigkeit in »naturfeuchtem« Zustand beträgt nach DIN EN 12 524 bei sandigen Böden zum Beispiel 2,0 W/mK, bei lehmigen Böden 1,5 W/mK. Das ist zwar im Vergleich zu gängigen Wärmedämmmaterialien (0,04 W/mK) ein wesentlich ungünstigerer Wert, aufgrund der großen Mächtigkeit der Schichten kann man aber doch von guten Dämmeigenschaften sprechen. Wärme aus dem Erdinneren spielt im Gründungsbereich üblicher Hochbauten noch keine Rolle. In Nähe der Erdoberfläche folgt die Temperatur im Boden der Außentemperatur. In 10 m Tiefe herrscht ganzjährig etwa die Jahresmitteltemperatur des jeweiligen Standorts. DIN EN ISO 13 788 empfiehlt bei Berechnungen des Oberflächentauwassers mit dieser Mitteltemperatur zu rechnen, die in DIN 4108 für 15 Regionen mit Werten zwischen + 6,5 und + 10,8 °C tabellarisch aufgelistet ist. Für Wärmebrückenuntersuchungen wird als vereinfachte Rechenannahme von +10 °C ausgegangen. Am Rande sei daran erinnert, dass Gründungen unter 1 m Tiefe als »frostfrei« gelten – die 0 °- Isotherme unterschreitet diese Tiefe also auch im strengsten Winter nicht. Das Diagramm (Bild 7) zeigt die über das Jahr wechselnden Temperaturverläufe bei unterschiedlichem Abstand von der Erdoberfläche. Von praktischer Bedeutung ist dabei nicht nur, dass die Temperaturkurve mit zunehmender Tiefe immer flacher (ihre Amplitude also immer weiter »gedämpft«) wird, bis schließlich in 10 m Tiefe die ganzjährig gleichbleibende Jahresmitteltemperatur erreicht wird, sondern auch, dass sich die Minimal- und Maximalwerte zeitlich verschieben: In 2,5 m Tiefe beträgt diese »Phasenverschiebung« etwa 2,5 Monate.
Beheizte Räume stehen über das Erdreich im Wesentlichen mit der Außenluft im Wärmeaustausch (auf die Besonderheiten bei fließendem Grundwasser soll hier nicht eingegangen werden, sie waren für den näher dargestellten Fall auch nicht zu berücksichtigen). Das bedeutet aber, dass mit zunehmender Entfernung von der außenluftberührten Erdoberfläche die Wärmeverluste erdberührter Bauteile immer geringer werden, da immer dickere, wärmedämmende Bodenschichten durchdrungen werden müssen. Bild 8 zeigt die typische Wärmestromverteilung über die Innenoberflächen eines unterkellerten Gebäudes und einer auf der Erdoberfläche liegenden Bodenplatte. Jedem sollte die große, unmittelbare praktische Bedeutung des dargestellten Sachverhalts einleuchten: Nur dort, wo große Wärmeströme zu erwarten sind, können dicke Dämmschichten effektiv sein. Es ist also wenig sinnvoll, erdberührte Bodenplatten stärker zu dämmen als die anschließenden erdberührten Außenwände und es ist höchst ineffektiv, bei der Mittelzone großflächiger Bodenplatten einen hohen Dämmaufwand zu betreiben.
Bis vor wenigen Jahren wurden diese, seit mindestens 25 Jahren bekannten, bauphysikalischen Sachverhalte in den Regelwerken kaum berücksichtigt. Dies ist erst seit der Jahrtausendwende anders geworden. So fordert DIN 4108 im Teil 2 seit 2001 nur noch für die 5 m breite Randzone von Bodenplatten die Einhaltung des Mindestwärmeschutzes von R = 0,9 m²K/W. Die EnEV (2001) legt für Fußböden gegen Erdreich und alle Flächen des beheizten Kellers gegen Erdreich im vereinfachten Verfahren einem Temperaturkorrekturfaktor von 0,6 fest. Darin spiegelt sich die geringere Wirksamkeit dieser Dämmmaßnahmen wider. Ganz ausgeprägt werden diese Auswirkungen deutlich, wenn man den Jahresheizwärmebedarf nach dem Periodenbilanzverfahren (DIN V 4108–6:2000–11) ermittelt. Bei großflächigen kompakten Bodenplatten (z. B. 50 m x 50 m) mit 2 m breiter Randzonendämmung beträgt zum Beispiel der Reduktionsfaktor 0,2. Eine gleiche Dämmschicht wäre, in einer Außenwand angeordnet, fünffach wirkungsvoller als in der Mitte dieser Bodenplatte! Besonders bei ständiger Beheizung, also stationären Bedingungen, bleibt die aus dem Gebäude abfließende Wärme lange im umgebenden Erdreich gespeichert, der erdberührte Baukörper ist praktisch in eine »Wärmeblase« gehüllt.
Tauwasserprobleme in der im dargestellten Fall vermuteten Form sind daher bei erdberührten Bauteilen auszuschließen. Eine Temperaturfeldberechnung (Bild 9) für den ungünstigsten, am geringsten erdangeschütteten Bereich der Kochnischenaußenwand zeigt, dass trotz des schlechten Wärmeschutzes die Temperaturen im Schadensbereich weit von einer ernsthaften Tauwasserproblematik entfernt liegen. Wenn die vermuteten Vorgänge ursächlich wären, müssten sie am ausgeprägtesten dort Schäden hervorrufen, wo der Abstand der Bodenplatte von der Außenluft gering ist und die oberen Fußbodenschichten besonders diffusionsoffen sind. Diese Randbedingungen treffen aber nicht auf die tief im Baugrund liegende, mit PVC-Belag und Fliesen dampfsperrend abgedeckte Bodenfläche der Kochnische sondern für die diffusionsoffeneren Parkettflächen zu, die in Nähe des Terrassenfensters und am talseitigen Ende der Außenwand einen verstärkten Wärmestrom erwarten lassen. Dort entnommene Proben waren aber trocken.
Als Ursache der Probleme kam nur ein einmaliger Wasserschaden im Küchenbereich in Betracht, der, gegebenenfalls vom Wohnungskäufer unbemerkt, etwa während der Renovierungen durch einen umgestürzten Eimer oder ein überlaufendes Spülbecken hervorgerufen wurde. Zwischen PVC- weich-Abdichtung und Fliesen- und PVC-Belag weitgehend dampfdicht eingeschlossen, hält sich die Feuchte jahrelang im Schichtenpaket des Küchenbodens und macht sich nur am Parkettübergang offen bemerkbar.
Im vor einigen Jahren begutachteten, dargestellten Fall habe ich es angesichts der geringen Flächengröße der Kochnische und des nur gering erhöht feuchten, kleinen Bereichs des Parkettbodens für angemessen gehalten, nur den völligen Austausch des Kochnischenbodens zu empfehlen. Die zwischenzeitlichen Entwicklungen zur Schimmelproblematik – über die hier schon mehrfach kritisch berichtet wurde – würden heute wohl die Entscheidung über Art und Umfang der Maßnahmen außerhalb der Küchenbereichs von den Ergebnissen einer Schimmeluntersuchung abhängig machen.
Die Unterschreitung des Mindestwärmeschutzes lässt generell beim gesamten Objekt eine Verbesserung der Wärmeschutzsituation sinnvoll erscheinen. Beim Austausch größerer Fußbodenflächen wäre sie sogar nach EnEV zu fordern. Eine hygienisch unzumutbare Wohnsituation liegt aber aus den dargestellten Gründen nicht vor – großflächige Wärmeschutzmaßnahmen sind daher nicht zwingend notwendig.
Schimmelprobleme in Räumen mit erdberührten Bauteilen sind viel häufiger die Folge der bereits angesprochenen Phasenverschiebung der Bodentemperaturen. Insbesondere bei selten oder nicht beheizten Kellerräumen mit gut wärmegedämmten Kellerdecken folgt die Oberflächentemperatur der Erdreichtemperatur. Diese erreicht aber – wie das Diagramm zeigt – in 2,5 m Tiefe ihren Jahresminimalwert nicht im Winter, sondern im Frühjahr. Gelangt dann, etwa beim »Frühjahrslüften«, Außenluft mit hoher absoluter Feuchte in diese Räume, ist Schimmelbildung auf allen dafür anfälligen Oberflächen, seien es Teppiche oder Lederkoffer, aber auch auf tapezierten Außenwänden vorprogrammiert.
In den ersten Jahren der Standzeit kommt bei Stahlbeton- und Mauerwerkswänden – aus bindemittelgebundenen Steinen oder aus während der Bauzeit stark durchnässten Ziegeln – noch die Baufeuchte als Feuchtequelle hinzu, die bei außenseitig abge- dichteten Bauteilen und bei weitgehend luftdichten Fensterfugen nur über die Raumluft durch systematisches Lüften abgeführt werden kann. Viele Streitigkeiten über vermeintliche Abdichtungsmängel gehen nach genauer Analyse auf das Konto dieser Ursachenzusammenhänge. Hier helfen häufig nur eine Mindestbeheizung und eine sorgfältige Belüftung zum richtigen Zeitpunkt.
Damit ist das Thema der richtigen Nutzung von Gebäuden angesprochen, über das in der Schwachstellenreihe auch schon mehrfach – hinsichtlich der dringend notwendigen Gebrauchsanweisungen für Häuser leider bisher ohne entscheidenden Erfolg – berichtet wurde. Es bleibt zu hoffen, dass immer wieder erneute eindringliche Hinweise schließlich doch Änderungen bewirken. Auf dieser Hoffnung baut sich jedenfalls diese Artikelserie auf. R. O.
Literaturhinweise: – Der anfangs erwähnte, erste Schwachstellenartikel dieser Serie im Januarheft 1990 trug den Titel »Allgemeine Bauschadensursachen – Beispiel Sichtbetonschäden«. Die damals dargelegten Zusammenhänge haben nichts an Aktualität verloren. – Das Thema des Wärmeschutzes erdberührter Bauteile wurde mit Bedacht für diesen Jubiläumsartikel ausgewählt: War dieser Problemkreis doch auch das Thema meiner Dissertation, deren Abschluss sich zum Zeitpunkt des Erscheinens dieses Artikels zum 25. Mal jährt. Sie ist unter dem Titel »Bauphysikalische und baukonstruktive Untersuchungen zur Dimensionierung und Ausführung des Wärmeschutzes erdberührter Wand- und Bodenflächen von Wohngebäuden« (RWTH Aachen) über die Fernleihen der Hochschulbibliotheken zu beziehen. Viele Details sind durch eine große Zahl von weiteren Untersuchungen nicht mehr ganz aktuell. Die auch in diesem Beitrag dargestellten Grundzusammenhänge treffen aber nach wie vor zu. Aus der Dissertation sind die Abbildungen 7 und 8 entnommen. – DIN 4108 Teil 2: 2001-03 , Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden – Mindestanforderungen an den Wärmeschutz – DIN V 4108 Teil 6: 2000-11, Berechnung des Jahresheizwärme- und Jahresheizenergiebedarfs – DIN EN 12524: 2000-07 , Wärme- und feuchteschutztechnische Eigenschaften – tabellierte Berechnungsmethode – DIN EN ISO 13370: 1998-12, Wärmeübertragung über das Erdreich – Berechnungsverfahren – EnEV 2001, Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden vom 16.11.2001 – DIN EN ISO 13788: 2001-11, Bauteile – Berechnung der Oberflächentemperatur zur Vermeidung kritischer Oberflächenfeuchte und Berechnung der Tauwasserbildung im Bauteilinneren