Hygrothermische FEM-Simulation für Bauteile

Q: Was ist eine hygrothermische FEM-Simulation?

Eine Finite-Elemente-Simulation berechnet gleichzeitig den Wärme- und Feuchtetransport in Bauteilquerschnitten. Im Gegensatz zum vereinfachten Glaser-Verfahren berücksichtigt sie kapillaren Feuchtetransport, Sorption, jahreszeitliche Klimaschwankungen und reale Materialeigenschaften.

Q: Wann brauche ich eine FEM-Simulation statt Glaser?

Bei Innendämmung, Flachdächern in Holzbauweise, kapillaraktiven Dämmstoffen (Kalziumsilikat, Lehm), bei Denkmal-Sanierung, bei zweischaligem Mauerwerk mit Kerndämmung und bei allen Fällen, in denen das Glaser-Verfahren unzulässig konservative Ergebnisse liefert.

Q: Was ist der Unterschied zu Glaser?

Das Glaser-Verfahren nach DIN 4108-3 ist ein stationäres, vereinfachtes Verfahren mit zwei Klimazuständen (Winter/Sommer). Die FEM-Simulation berechnet transient mit monatlich variierenden Klimadaten, berücksichtigt Feuchtespeicherung und kapillaren Transport.

Q: Was bedeutet der Durchfeuchtungsgrad?

Der Durchfeuchtungsgrad gibt an, wie viel Prozent des Porenraums eines Materials mit Wasser gefüllt sind. Ab 80 % Durchfeuchtung steigt das Schimmelrisiko deutlich. Das FEM-Tool zeigt den Durchfeuchtungsgrad an jeder Stelle des Bauteilquerschnitts.

Q: Kann ich Innendämmung mit dem Tool prüfen?

Ja, das ist einer der Hauptanwendungsfälle. Innendämmung verlagert den Taupunkt in die bestehende Wand — das FEM-Tool zeigt, ob und wo kritische Feuchtekonzentrationen entstehen und ob kapillaraktive Dämmstoffe die Feuchtigkeit sicher abtransportieren.

Q: Welche Materialien hat das Tool hinterlegt?

Das Tool enthält eine umfangreiche Materialdatenbank mit λ-Wert, μ-Wert, Dichte und Sorptionseigenschaften für gängige Baustoffe: Mauerwerk, Beton, Putze, Dämmstoffe (mineralisch, organisch, synthetisch), Folien und Plattenwerkstoffe.

Q: Was sagt der DIN 4108-3 Status?

Das Tool bewertet die Ergebnisse nach DIN 4108-3: ‚bestanden' (Tauwasser ≤ Grenzwert und Verdunstung ≥ Tauwasser), ‚kritisch' (Grenzwerte knapp überschritten) oder ‚nicht bestanden'. Bei der FEM-Simulation gilt zusätzlich das Kriterium, dass kein dauerhafter Feuchteanstieg stattfindet.

Q: Wie lese ich das Temperatur-/Feuchteprofil?

Das Profil zeigt den Verlauf von Temperatur und relativer Feuchte über den Bauteilquerschnitt. Wo die relative Feuchte 100 % erreicht, fällt Tauwasser aus. Wo sie dauerhaft über 80 % liegt, besteht Schimmelrisiko. Die Temperaturlinie sollte stetig fallen (kein Plateau = keine Wärmebrücke).

Q: Kann ich die Klimadaten anpassen?

Ja, Sie können Innen- und Außentemperatur sowie relative Feuchte für jeden Monat anpassen. Standardwerte: innen 20 °C / 50 % rF, außen nach TRY-Daten des Standorts. Für Sonderanwendungen (z. B. Schwimmbad 30 °C / 70 %) können die Werte entsprechend geändert werden.

Q: Ist Glaser oder FEM genauer?

FEM ist physikalisch genauer, weil es transiente Effekte, Kapillartransport und Sorption berücksichtigt. Glaser überschätzt oft die Tauwassermenge, weil es Feuchtetransport in der Flüssigphase ignoriert. Für Standardkonstruktionen (Außendämmung, WDVS) reicht Glaser; für Innendämmung und Sonderfälle ist FEM nötig.

Author:Rolf Krause

Führen Sie eine hygrothermische FEM-Simulation Ihres Bauteilquerschnitts durch. Berechnung des Temperatur- und Feuchtefeldes nach DIN 4108-3 und DIN EN 15026. Vergleich mit dem vereinfachten Glaser-Verfahren. Besonders wichtig bei Innendämmung, kapillaraktiven Dämmstoffen und Denkmalsanierung. Monatlich variierende Klimadaten und Feuchtespeicherung.

Hygrothermische FEM-Simulation

nach EN 15026 · Künzel-Modell · WTA-Merkblätter 6-4/6-5

bauphysik-fachberatung.de

DIN 4108-3 · Glaser als Vergleich

Wandaufbau (außen → innen)	—
Randbedingungen Außen	—
Randbedingungen Innen	—
U-Wert / Gesamtdicke / sd-Wert	—

🧱 Schichtaufbau (außen → innen)

📋 Vorlage:

44.5

Dicke [cm]

0.285

U-Wert [W/m²K]

4.21

sd-Wert [m]

🌡️ Randbedingungen

❄️ Außen

Temperatur [°C] Rel. Feuchte [%]

Taupunkt: -8.0°C

🔥 Innen

Temperatur [°C] Rel. Feuchte [%]

Taupunkt: 9.3°C

Wandquerschnitt

Glaser-Vorschau (stationär)

✓ Kein Tauwasser

⚠️ Glaser ist stationär ohne Kapillartransport. Für kapillaraktive Dämmung → FEM-Simulation!

📊

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📋 Gesamtbewertung & Verfahrensvergleich

Verfahren	Was wird berechnet	Aussage	Verdict

ℹ️ Was bedeuten die Begriffe?

g_c (Tauwassermenge): Wassermenge in g/m², die sich in 60 Wintertagen in der Wand niederschlägt. Grenzwert nach DIN 4108-3: ≤ 500 g/m² (allgemein) bzw. ≤ 1000 g/m² (an Bauteilgrenzen zu Holzbauteilen).

g_ev (Verdunstungsmenge): Wassermenge in g/m², die im 90-tägigen Sommerzeitraum wieder austrocknet. Muss ≥ g_c sein, sonst akkumuliert Feuchte über die Jahre.

Verdunstungszeit: Wie lange das im Winter angefallene Tauwasser im Sommer zum Austrocknen braucht.

φ_max (max. rel. Feuchte): Höchste auftretende relative Luftfeuchte im Wandquerschnitt. > 95 % = Schimmelrisiko, > 100 % = Tauwasserausfall.

WTA-Kriterium (Merkblatt 6.2): Bei Innendämmung muss an jeder Schichtgrenze über das Jahr φ_max < 95 % bleiben.

Glaser (DIN 4108-3): Stationäres Diffusionsverfahren mit zwei festen Klimazuständen (Winter -10 °C / Sommer 12 °C). Vereinfachung — ignoriert Kapillartransport und reale Klimaschwankungen. Pflicht-Mindestnachweis für Standardkonstruktionen.

FEM-Simulation (DIN EN 15026): Transientes, gekoppeltes Wärme-/Feuchte-Modell. Berücksichtigt Sorption, Kapillartransport und stündliche Klimaschwankungen. Erforderlich u. a. bei Innendämmung, kapillaraktiven Dämmstoffen, Holzbauweise, Denkmalsanierung. Hier als Screening-Lauf umgesetzt — für Genehmigungen WUFI/Delphin empfohlen.

Wichtig: Wenn Glaser und FEM widersprüchliche Aussagen liefern, gilt für die im Tool ausgewiesene maßgebliche Methode (siehe Empfehlung oben) das Ergebnis. Bei rechtsverbindlichen Nachweisen ist eine kommerzielle Software (WUFI/Delphin) heranzuziehen.

✅

WTA-Kriterien ERFÜLLT

Max. Feuchte: 85.2% bei 36.5 cm

Schichtgrenzen-Analyse (FEM)

Profil-Vergleich: FEM vs. Glaser

Lila gestrichelt = Glaser · Cyan = FEM (mit Kapillartransport)

Direktvergleich: Glaser ↔ FEM

Gleiche Wand, gleiche Randbedingungen — bewertet mit beiden Verfahren. Die Zellen sind farblich nach Status eingefärbt.

Kriterium	Glaser (stationär · DIN 4108-3)	FEM (instationär · EN 15026)
Tauwasser im Querschnitt? Ist die Sättigung irgendwo erreicht?	—	—
Maximale rel. Feuchte φ_max Glaser: stationär · FEM: über den Simulationszeitraum	—	—
Tauwassermenge g_c 60-Tage-Tauperiode (Glaser-Definition)	—	n. v. ⓘ
Verdunstungsmenge g_ev 90-Tage-Verdunstungsperiode	—	n. v. ⓘ
Verdunstungszeit Wie lange das Wintertauwasser im Sommer zum Austrocknen braucht	—	n. v. ⓘ
WTA 6.2: φ < 95 % an allen Grenzen Dauerhaft kein Schimmelrisiko an Schichtgrenzen	n. v. ⓘ	—
Gesamtbewertung Normgerechtes Verfahrens-Ergebnis	—	—

Wie lesen? n. v. = nicht verfügbar (Verfahren produziert diese Größe nicht). Für Standardwände (Außendämmung, ohne kapillaraktive Dämmstoffe) ist Glaser maßgeblich. Bei Innendämmung, Holzbauweise oder kapillaraktiven Materialien ist die FEM-Aussage realitätsnäher. Die endgültige Empfehlung steht oben im Block „Gesamtbewertung & Verfahrensvergleich".

Zeitverlauf der maximalen Feuchte

📖 Übersicht: Hygrothermische Simulation

Diese Anwendung berechnet den Wärme- und Feuchtetransport durch mehrschichtige Bauteile. Sie vergleicht zwei Berechnungsverfahren:

✅ FEM nach EN 15026

Instationäre (zeitabhängige) Simulation mit gekoppeltem Wärme- und Feuchtetransport. Berücksichtigt Kapillartransport in porösen Materialien und ist daher für kapillaraktive Innendämmungen geeignet.

⚠️ Glaser nach DIN 4108-3

Stationäres (zeitunabhängiges) Verfahren, das nur Wasserdampfdiffusion betrachtet. Kein Kapillartransport! Ursprünglich für Kühlhauswände entwickelt. Für kapillaraktive Dämmstoffe oft zu konservativ.

🧱 Materialparameter

λ — Wärmeleitfähigkeit [W/(m·K)]

Gibt an, wie gut ein Material Wärme leitet. Je kleiner der Wert, desto besser die Dämmwirkung.

Mineralwolle, EPS	0,035	Sehr gute Dämmung
Holzfaser	0,042	Gute Dämmung
Calciumsilikat	0,065	Dämmend
Vollziegel	0,68	Mäßig
Beton	2,1	Wärmebrücke

μ — Wasserdampf-Diffusionswiderstandszahl [-]

Je höher der Wert, desto dampfdichter das Material.

Mineralwolle	μ = 1	Sehr dampfoffen
Holzfaser, CaSi	μ = 5–6	Dampfoffen
Ziegel, Lehmputz	μ = 8–10	Diffusionsoffen
Kalk-Zement-Putz	μ = 20	Mäßig dicht
EPS	μ = 50	Dampfbremsend
Beton	μ = 80	Dampfdicht

A_w — Wasseraufnahmekoeffizient [kg/(m²·√s)]

Kapillare Saugfähigkeit — entscheidend für das Trocknungspotential.

Calciumsilikat	1,5	Sehr kapillaraktiv
Mineralschaum	0,5	Kapillaraktiv
Holzfaser	0,3	Kapillaraktiv
Vollziegel	0,15	Leicht kapillaraktiv
EPS, Mineralwolle	0	Nicht kapillaraktiv

ρ — Rohdichte [kg/m³] und c_p — Spez. Wärmekapazität [J/(kg·K)]

Bestimmen die Wärmespeicherfähigkeit. Schwere Materialien (hohe Rohdichte) können mehr Wärme speichern.

w_sat und w₈₀ — Feuchtegehalte [kg/m³]

w_sat: Max. Wassergehalt bei Sättigung. w₈₀: Wassergehalt bei 80% r.F.

📐 Berechnete Kennwerte

U-Wert [W/(m²·K)]

Je kleiner, desto besser die Dämmung.

U = 1 / R_total = 1 / (R_si + Σ(d/λ) + R_se)

Passivhaus	U ≤ 0,15
GEG Neubau	U ≤ 0,28
Altbau unsaniert	U = 1,5–2,5

s_d-Wert [m]

s_d = μ × d

s_d < 0,5 m	Diffusionsoffen
0,5 m ≤ s_d ≤ 1500 m	Diffusionshemmend
s_d > 1500 m	Diffusionsdicht

Taupunkttemperatur [°C]

T_dp = 243,04 × ln(p_v/610,94) / (17,625 − ln(p_v/610,94))

Beispiel: Bei 20°C / 50% r.F. → Taupunkt ≈ 9,3°C.

❄️ Glaser-Verfahren (DIN 4108-3)

Tauperiode und Verdunstungsperiode

Tauperiode	60 Tage	Winterbedingungen
Verdunstungsperiode	90 Tage	Sommerbedingungen (12°C / 70% r.F.)

g_c — Tauwassermenge

g_c = (g_in − g_out) × t_Tau

Grenzwert: g_c ≤ 1,0 kg/m²

g_ev — Verdunstungsmenge

g_ev = (g_ev,out + g_ev,in) × t_Verdunstung

Anforderung: g_ev ≥ g_c

⚡ FEM-Simulation (EN 15026)

Grundgleichungen

Wärmebilanz: ρc_p ∂T/∂t = ∂/∂x(λ ∂T/∂x) + h_v ∂g_v/∂x

Feuchtebilanz: ∂w/∂t = ∂/∂x(D_φ ∂φ/∂x) + ∂/∂x(δ_p ∂p_v/∂x)

Kapillartransport D_φ

D_φ(φ) = D_w(w) × ∂w/∂φ

Sorptionsisotherme w(φ)

w(φ) = w_sat × φ^b

✅ WTA-Merkblatt 6-4 / 6-5: Innendämmung

Relative Feuchte an Schichtgrenzen

φ_max < 95%	Keine Gefahr
φ_max ≥ 95%	Kritisch!

Empfehlungen

Kapillaraktive Systeme (CaSi)	Bevorzugt bei Altbau
Dampfdichte Systeme (EPS + DB)	Nur bei exakter Ausführung
Mineralwolle ohne DB	Kritisch!

📚 Normen und Quellen

DIN 4108-3: Klimabedingter Feuchteschutz
EN 15026: Bewertung der Feuchteübertragung (numerische Simulation)
WTA 6-4: Innendämmung — Planungsleitfaden
WTA 6-5: Innendämmung — Nachweis von Innendämmsystemen
DIN EN ISO 13788: Vermeidung kritischer Oberflächenfeuchte
Künzel, H.M. (1995): Simultaneous Heat and Moisture Transport (Fraunhofer IBP)

Häufige Fragen

Was ist eine hygrothermische FEM-Simulation?

Eine Finite-Elemente-Simulation berechnet gleichzeitig den Wärme- und Feuchtetransport in Bauteilquerschnitten. Im Gegensatz zum vereinfachten Glaser-Verfahren berücksichtigt sie kapillaren Feuchtetransport, Sorption, jahreszeitliche Klimaschwankungen und reale Materialeigenschaften.

Wann brauche ich eine FEM-Simulation statt Glaser?

Bei Innendämmung, Flachdächern in Holzbauweise, kapillaraktiven Dämmstoffen (Kalziumsilikat, Lehm), bei Denkmal-Sanierung, bei zweischaligem Mauerwerk mit Kerndämmung und bei allen Fällen, in denen das Glaser-Verfahren unzulässig konservative Ergebnisse liefert.

Was ist der Unterschied zu Glaser?

Das Glaser-Verfahren nach DIN 4108-3 ist ein stationäres, vereinfachtes Verfahren mit zwei Klimazuständen (Winter/Sommer). Die FEM-Simulation berechnet transient mit monatlich variierenden Klimadaten, berücksichtigt Feuchtespeicherung und kapillaren Transport.

Was bedeutet der Durchfeuchtungsgrad?

Der Durchfeuchtungsgrad gibt an, wie viel Prozent des Porenraums eines Materials mit Wasser gefüllt sind. Ab 80 % Durchfeuchtung steigt das Schimmelrisiko deutlich. Das FEM-Tool zeigt den Durchfeuchtungsgrad an jeder Stelle des Bauteilquerschnitts.

Kann ich Innendämmung mit dem Tool prüfen?

Ja, das ist einer der Hauptanwendungsfälle. Innendämmung verlagert den Taupunkt in die bestehende Wand — das FEM-Tool zeigt, ob und wo kritische Feuchtekonzentrationen entstehen und ob kapillaraktive Dämmstoffe die Feuchtigkeit sicher abtransportieren.

Welche Materialien hat das Tool hinterlegt?

Das Tool enthält eine umfangreiche Materialdatenbank mit λ-Wert, μ-Wert, Dichte und Sorptionseigenschaften für gängige Baustoffe: Mauerwerk, Beton, Putze, Dämmstoffe (mineralisch, organisch, synthetisch), Folien und Plattenwerkstoffe.

Was sagt der DIN 4108-3 Status?

Das Tool bewertet die Ergebnisse nach DIN 4108-3: ‚bestanden' (Tauwasser ≤ Grenzwert und Verdunstung ≥ Tauwasser), ‚kritisch' (Grenzwerte knapp überschritten) oder ‚nicht bestanden'. Bei der FEM-Simulation gilt zusätzlich das Kriterium, dass kein dauerhafter Feuchteanstieg stattfindet.

Wie lese ich das Temperatur-/Feuchteprofil?

Das Profil zeigt den Verlauf von Temperatur und relativer Feuchte über den Bauteilquerschnitt. Wo die relative Feuchte 100 % erreicht, fällt Tauwasser aus. Wo sie dauerhaft über 80 % liegt, besteht Schimmelrisiko. Die Temperaturlinie sollte stetig fallen (kein Plateau = keine Wärmebrücke).

Kann ich die Klimadaten anpassen?

Ja, Sie können Innen- und Außentemperatur sowie relative Feuchte für jeden Monat anpassen. Standardwerte: innen 20 °C / 50 % rF, außen nach TRY-Daten des Standorts. Für Sonderanwendungen (z. B. Schwimmbad 30 °C / 70 %) können die Werte entsprechend geändert werden.

Ist Glaser oder FEM genauer?

FEM ist physikalisch genauer, weil es transiente Effekte, Kapillartransport und Sorption berücksichtigt. Glaser überschätzt oft die Tauwassermenge, weil es Feuchtetransport in der Flüssigphase ignoriert. Für Standardkonstruktionen (Außendämmung, WDVS) reicht Glaser; für Innendämmung und Sonderfälle ist FEM nötig.

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