Energetische Dachsanierung

Bauphysikalische Vorteile von Holzfaser-Dämmstoffen

Holzfaser-Dämmstoffe bringen neben ökologischen Vorteilen wie dem Speichern großer Mengen CO₂ bzw. Kohlenstoff auch bau­physikalische Vorteile. Denn sie können viel Feuchte und viel Wärme aufnehmen, zwischenspeichern und wieder abgeben. Das Feuchtespeichervermögen macht bei energetischen Dachsanierungen von außen eine Dampfbremsbahn oft verzichtbar, was die Bauarbeiten vereinfacht, die Bauzeit verkürzt und bei den Bewohnern die Hemmschwelle fürs Sanieren senkt. Das Wärmespeichervermögen schützt das Dachgeschoss an heißen Sommertagen vor Überhitzung.

1 Feuchteschutz durch Feuchtespeicherung

Da im Winter die absolute Luftfeuchte im Gebäudeinneren sehr viel höher ist als außen und zudem wenig gelüftet wird, versucht die Feuchte durch die Gebäudehülle von innen nach außen zu diffundieren. Da es dabei im Bauteil immer kühler wird, steigt die relative Luftfeuchte stetig an. Hat sie 100 % erreicht, kondensiert die Feuchte, wird von gasförmigem Dampf zu flüssigem Wasser. Herrscht z. B. im Gebäudeinneren eine Temperatur von 20 °C und eine relative Luftfeuchte von 50 %, so beträgt die absolute Luftfeuchte 8,7 g/m³. Der Taupunkt von 8,7 g/m³ liegt bei 9,3 °C. Das bedeutet: Sobald die Außentemperatur unter 9,3 °C fällt, kondensiert die Feuchte bereits im Bereich der Wärmedämmung. Dies würde dort kurzfristig Schimmel entstehen lassen – und langfristig holzzerstörende Pilze. Das gilt es zu vermeiden.

Und das lässt sich vermeiden: Entweder mit einer raumseitig verlegten Dampfbremsbahn, sodass nur wenig Feuchte in den Dachaufbau eindringen kann, oder – unter bestimmten Rahmenbedingungen – auch mit einer Wärmedämmung, die sorptiv ist, die Feuchtemanagement betreibt, indem sie große Mengen Feuchte aufnimmt, zwischenspeichert und wieder abgibt.

1.1 Trockenhalten des Dachaufbaus

Die übliche Methode, um Feuchteschäden zu vermeiden: raumseitig eine Dampfbremsbahn verlegen – und darüber diffusionsoffene Schichten, sodass wenig Feuchte eindringen und die eingedrungene Feuchte rasch nach außen entweichen kann. Wird ein Dach jedoch von außen saniert und dabei die raumseitige Bekleidung nicht entfernt, ist das Verlegen einer Dampfbremsbahn kompliziert: Im Berg-und-Tal-Verfahren muss sie um die Sparren herumgeführt werden (Bild 2a). Dabei ist penibel darauf zu achten, dass keine Lufträume entstehen und keine herausstehenden Nägel die Bahn beschädigen. Das erfordert große Sorgfalt und viel Zeit.

Eine Dampfbremsbahn ist jedoch oft verzichtbar – wenn ein Dämmstoff eingesetzt wird, der sorptiv ist, d. h. große Feuchtemengen aufnehmen, zwischenspeichern und wieder abgeben kann. Naturdämmstoffe wie die Holzfaser können das. So bleibt die Konstruktion wesentlich länger trocken. Sobald die Außentemperatur steigt, verlagert sich der Taupunkt nach außen und die Holzfasern geben die gespeicherte Feuchte wieder ab. Sie verdunstet und entweicht nach außen.

Mineralische Faserdämmstoffe und erdölbasierte Hartschäume können praktisch keinerlei Feuchtigkeit innerhalb des Dämmstoffs puffern, sodass eine geringfügige Erhöhung der Wassermenge innerhalb der Konstruktion bereits zu freiem Wasser an den Oberflächen führt – und somit ein Schimmelwachstum ermöglicht, stellt der 2021 veröffentlichte Schlussbericht eines großen Forschungsprojekts unter Leitung des Fraunhofer-Instituts für Holzforschung (Wilhelm-Klauditz-Institut – WKI) fest [1]. Natürliche Dämmstoffe können hingegen durch Sorption verhältnismäßig große Mengen Feuchtigkeit zwischenpuffern, ohne dass sich die Materialfeuchte signifikant erhöht – die Konstruktion bleibt trocken.

Hier wurde nochmals wissenschaftlich bestätigt, was schon lange bekannt ist. So darf im Glaser-Verfahren die flächenbezogene Tauwassermenge bei kapillar nicht wasseraufnahmefähigen Baustoffen wie z. B. der Mineralfaser 0,5 kg/m² nicht überschreiten, während bei kapillar wasseraufnahmefähigen Baustoffen wie der Holzfaser bis zu 1,0 kg/m² zulässig sind.

Das sorptive Feuchtemanagement der Holzfaser ermöglicht zusammen mit anderen Komponenten ein Dämmsystem, mit dem sich auf das Verlegen einer Dampfbremsbahn verzichten lässt – wenn sichergestellt ist, dass das Dämmsystem innen genügend diffusionshemmend und außen genügend diffusionsoffen ist. Genügend heißt: Die Holzfaser darf nicht überfordert werden. Das lässt sich im Vorfeld berechnen. Und die meisten Innenbekleidungen erweisen sich tatsächlich als ausreichend diffusionshemmend.

1.2 Luft- und Winddichtheit

Die Dampfbremsbahn sorgt normalerweise aber auch für eine ausreichende Luftdichtheit. Durch den Verzicht auf sie muss die Luftdichtheit anders hergestellt werden: mit einer eigenen Luftdichtungsbahn (Bild 2b). Die kann allerdings weiter außen sitzen, sinnvollerweise direkt über der Sparrenebene, weil sie sich dort einfach und schnell verlegen sowie an den Ortgang anschließen lässt.

Wichtig und rechnerisch nachzuweisen ist dabei, dass die Luftdichtungsbahn eine wasserdampfdiffusionsäquivalente Luftschichtdicke (s_D-Wert) aufweist, die vielfach niedriger ist als die der ­raumseitigen Bekleidung. Der s_D-Wert beschreibt, wie viel Wasserdampf eine Bauteilschicht durchlässt – genauer gesagt: wie dick eine entsprechende Luftschicht sein würde, die genau so viel Wasserdampf durchlässt. Er wird deshalb in der Einheit Meter (m) angegeben. Je kleiner er ist, desto mehr Wasserdampf kann durch die Bauteilschicht diffundieren. Als diffusionsoffen werden s_D-Werte unter 0,5 m bezeichnet. Die Luftdichtungsbahn sollte einen aufweisen, der deutlich darunter liegt.

Ganz außen – über der Unterdeckung – braucht es keine weitere Bahn, denn Holzfaser-Unterdeckplatten sind ausreichend winddicht. Winddicht heißt: Es treten keine größeren Luftbewegungen innerhalb der Dämmschicht auf, die deren Dämmfähigkeit spürbar reduzieren würden.

2 Hitzeschutz durch Wärmespeicherung

Neben großen Mengen Feuchte können Holzfaser-Dämmstoffe auch große Mengen Wärme aufnehmen, zwischenspeichern und wieder abgeben – mehr als andere Dämmstoffe mit vergleichbarem U-Wert. Das ist für den sommerlichen Hitzeschutz vorteilhaft. Und der wird immer wichtiger, denn unsere Sommer werden immer heißer. Die Zahl der jährlichen Hitzetage mit 30 °C und mehr steigt in Deutschland stetig an: Laut Angaben des Deutschen Wetterdienstes waren es durchschnittlich 4,4 in den 1980er-Jahren und 11,1 in den 2010er-Jahren. 17 waren es im Jahr 2022 (Bild 3). Besonders unangenehm kann es unter dem Dach werden, denn auf dieses strahlt die Sonne am intensivsten.

2.1 Wärmefluss im Sommer und im Winter

Weitverbreitet ist die Meinung, dass ein Dämmstoff im Winter und Sommer gleich gut dämmt – nur jeweils in umgekehrter Richtung. Das stimmt nicht. Denn im Winter fließt die Wärme anders als im Sommer. Im Winter herrscht ein kontinuierliches Temperaturgefälle von innen nach außen und die Wärme fließt nur in eine Richtung. Im Sommer jedoch wechselt das Temperaturgefälle: Tagsüber ist es außen heißer und innen kühler, nachts ist es umgekehrt. Im Sommer fließt die Wärme nicht nur von außen nach innen, sondern nachts auch wieder nach außen zurück. Und deshalb ist im Sommer neben der Wärmeleitfähigkeit (λ-Wert) auch die Wärmespeicherfähigkeit eines Dämmstoffs von Bedeutung.

Der λ-Wert ist eine Stoffeigenschaft und drückt aus, wie viel Wärme bei einem konstanten Temperaturgefälle in eine Richtung fließt. Er wird in der Einheit Watt pro Meter und Kelvin (W/m _* K) angegeben. Je niedriger sein λ-Wert, desto besser dämmt ein ­Material. Gemessen wird der λ-Wert eines Dämmstoffs bei einem konstanten Temperaturgefälle in eine Richtung. Das ist im Winter der Fall – im Sommer aber eben nicht. Im Sommer wechselt das Temperaturgefälle ständig die Richtung.

Im Sommer kühlt die Holzfaser nachts aus und kann dann tagsüber wieder große Wärmemengen aufnehmen und zwischenspeichern. Dies bremst den Wärmefluss tagsüber stark ab – so stark, dass es bei den heute üblichen Dämmstärken draußen Nacht wird und abkühlt, bevor er das Gebäudeinnere erreicht hat. Die Wärme fließt größtenteils nach außen zurück, strahlt in den Nachthimmel ab und der Dämmstoff kühlt aus. Innen kommt nur ein geringer Teil der in die Gebäudehülle eingedrungenen Hitze an. Und das erst in der zweiten Nachthälfte, wenn geöffnete Fenster für angenehme Kühlung sorgen können.

2.2 Gebäudeenergiegesetz und DIN 4108

Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) und die DIN 4108 bilden die Rolle der Wärmedämmung für den Schutz vor sommerlicher Überhitzung noch nicht richtig ab. Die beiden Regelwerke betrachten vornehmlich die Sonneneinstrahlung durch die Fenster und fordern außenliegende Verschattungsmöglichkeiten. Fehlen diese, heizt sich die Raumluft schnell auf. Wie schnell, hängt auch von den raumumfassenden Bauteilen ab. Die DIN 4108 unterscheidet hier zwischen leichter, mittlerer und schwerer Bauart. Je schwerer die Bauteile sind, desto mehr Wärme können sie der Raumluft entziehen und zwischenspeichern – so lange, bis sie genauso warm sind wie die Raumluft.

Schwere Speichermassen puffern Temperaturschwankungen ab – und ermöglichen im Frühjahr und Herbst eine passive Nutzung der Sonnenenergie, was viel Heizenergie spart. Doch unter dem Dach gibt es meist keine schweren Bauarten. Der Ausbau erfolgt i. d. R. mit leichten Trockenbausystemen. Und auch die Dachkon­struktion selbst gehört zu den leichten Bauarten.

Wenn es aber innen keine schweren Speichermassen gibt, die Temperaturschwankungen abpuffern, ist es umso wichtiger, dass durch die Gebäudehülle so wenig Hitze wie möglich nach innen dringt – v. a. in Dachgeschossen, wo das Verhältnis Außenhülle/Raumvolumen besonders ungünstig ist. Damit sich die Hitze von außen nur langsam nach innen vorarbeiten bzw. ausdehnen kann, braucht es Dämmstoffe, die neben einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit auch eine hohe Wärmespeicherfähigkeit aufweisen. Holzfaser-Dämmstoffe tun das.

2.3 Rohdichte und spezifische Wärmekapazität

Im Unterschied zu den in der DIN 4108 genannten raumumfassenden Bauteilen sorgen Holzfaser-Dämmstoffe dafür, dass die im Sommer von außen in die Gebäudehülle eindringende Hitze nur zu einem geringen Teil innen ankommt. Die hohe Wärmespeicherfähigkeit der Holzfaser-Dämmstoffe führt – bildlich gesprochen – dazu, dass die Hitze kühlere Bereiche bereits in der Holzfaser selbst vorfindet und zunächst einmal vornehmlich damit beschäftigt ist, diese zu erwärmen, bevor sie sich in der Nachbarschaft neue kühle Bereiche sucht.

Die Holzfaser bremst die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Hitze stark ab. Das ist für die Raumtemperatur entscheidend, denn mit Hitze ist hier nicht eine Lufttemperatur von 30 °C bis 35 °C gemeint, sondern die Temperatur, die unter sonnenbestrahlten Dachdeckungen entsteht. Und die kann bis zu 80 °C betragen.

Die Wärmespeicherfähigkeit ergibt sich aus der Rohdichte des jeweiligen Produkts und der spezifischen Wärmekapazität des Rohstoffs. Bei Holzfasern beträgt die spezifische Wärmekapazität 2100 J/(kg _* K), bei Mineralfaser-Dämmstoffen laut Online-Datenbank Baunetz Wissen 1000 J/(kg _* K), bei Polystyrol 1450 J/(kg _* K). Zudem ist die Rohdichte von Holzfaser-Dämmstoffen im Durchschnitt höher, je nach Produkt aber sehr unterschiedlich.

Ein bestimmter sommerlicher Hitzeschutz kann prinzipiell mit jedem Dämmstoff erzielt werden. Doch Dämmschicht und Dachaufbau müssten dann entsprechend dicker ausgeführt werden. Holzfaser-Dämmstoffe sind deshalb für einen wirksamen sommerlichen Hitzeschutz die wirtschaftlichste Lösung. Und sie stehen im Winter mit λ_D-Werten von bis zu 0,036 W/(m _* K) anderen Dämmstoffen nicht nach.

2.4 Phasenverschiebung und Amplitudendämpfung

Der Temperaturverlauf hat innen und außen die Form einer Welle, einer Sinuskurve. Die Länge der Welle heißt Phase und beträgt rd. 24 h. Weil die Wärme eine bestimmte Zeit braucht, um sich von außen nach innen vorzuarbeiten, verschiebt sich der Temperaturverlauf. Die höchsten Temperaturen sind innen deutlich später messbar als außen (Bild 4). Diese sog. Phasenverschiebung sollte mindestens 10 h betragen, besser 12 h. Denn wenn die Wärme im Gebäudeinneren ankommt, sollte es draußen bereits angenehm kühl sein, sodass sich die Raumtemperatur durch Lüften ganz einfach auf ein angenehmes Niveau senken lässt.

Die Temperatur, die bei einer Dämmung mit Holzfasern innen ankommt, ist relativ moderat. Mit üblichen Dämmstärken lässt sich eine sog. Amplitudendämpfung um den Faktor 10–15 erreichen. Dieser Faktor drückt aus, um wievielmal die Temperaturdifferenz außen größer ist als innen – während eines Zeitraums von 24 h. Anders ausgedrückt: wie stark sich die Sinuskurvenhöhen des äußeren und des inneren Temperaturverlaufs unterscheiden. Die Amplitudendämpfung hängt eng mit der Phasenverschiebung zusammen: Je langsamer der Wärmefluss von außen nach innen vorankommt, desto mehr Wärme fließt nachts nach außen zurück und desto weniger Wärme kommt innen an.

Beispiel: Wenn die Außentemperatur um 15 Uhr am höchsten ist und die Phasenverschiebung 6 h beträgt, dann ist die Temperatur an der Oberfläche der raumseitigen Dachbekleidung um 21 Uhr am höchsten. Sie wäre 25–30 °C hoch – und da die Außentemperatur zu dieser Zeit nur geringfügig niedriger wäre, würde Lüften keine Abkühlung bringen. Wenn die Phasenverschiebung jedoch 12 h beträgt, ist die Temperatur an der Oberfläche der raumseitigen Dachbekleidung erst um 3 Uhr nachts am höchsten und sie würde durch die Amplitudendämpfung nur 20–25 °C betragen. Bis zu dieser Zeit ist in einer sternenklaren Nacht die Außentemperatur auf 15–20 °C gesunken. Ein geöffnetes Fenster sorgt im Inneren für angenehme Temperaturen.

3 Projektbeispiel: Energetische Dachsanierung in München

Bei einem typischen 1960er-Jahre-Reihenhaus in München (Bild 1) war das Dachgeschoss im Winter kalt und im Sommer oft heiß, weshalb es nur als Abstellraum genutzt wurde. Wegen der offenen Treppe war an kalten Tagen bis ins Erdgeschoss unangenehme Zugluft zu spüren. Als dann die Bewohnerfamilie mehr Fläche benötigte, beschloss sie, das Dach energetisch sanieren zu lassen und hatte drei Wünsche: während der Bauarbeiten möglichst ungestört wohnen bleiben, ein Dämmniveau, das gefördert wird, und einen ökologischen Dämmstoff. Diese drei Wünsche passten gut zusammen.

3.1 Bestandssituation

Die Dachdecker entfernten zunächst an einigen Stellen die Dachsteine, um Klarheit über den vorhandenen Dachaufbau zu gewinnen. Zum Vorschein kamen 16 cm hohe Sparren in gutem Zustand – und am Gefachboden ein bunter Materialmix: zuoberst teilweise zerfledderte Dachpappen, darunter ursprünglich wohl 4 cm hoch gewesene Mineralfaser-Dämmmatten, unterhalb der Sparren gut erhaltene Schilfrohrmatten, die raumseitig verputzt waren. Im Spitzbodenbereich: Mineralfaser-Dämmmatten in den Gefachen zwischen den horizontalen Zangen, ebenfalls über raumseitig verputzten Schilfrohrmatten. Im Kniestockbereich: keine Dämmung, dafür Heraklithplatten unterhalb der Sparren. Aus heutiger Sicht ist das alles schwer nachvollziehbar, wurde in den 1960er-Jahren aber mangels besseren Wissens wohl oft so realisiert. Und funktionierte irgendwie – zumindest traten keine Bauschäden auf.

Über das Vorgefundene informierte der Dachdecker die Techniker des Dämmstoffherstellers. Die konnten ihm schnell mitteilen, dass die Putzschicht auf der Schilfrohrmatte für das vorgesehene Dämmsystem ausreichend diffusionshemmend ist, um auf die Verlegung einer Dampfbremsbahn verzichten zu können. Für ihre Beurteilung greifen sie auf einen umfangreichen Fundus bereits nachgewiesener Dachaufbauten zurück oder führen bei Bedarf neue Berechnungen durch.

3.2 Wärmedämmung und Luftdichtheit

Nach dem Abdecken und Entfernen der Lattung füllten die Dachdecker die Gefache sparrenhoch mit der flexiblen Holzfaser-Dämmmatte STEICOflex 036, die mit ihrem λ_D-Wert von 0,036 W/(m _* K) den U-Wert schon stark verbessert (Bild 5). Die Gefache wurden komplett gefüllt, d. h. auch in den vorher ungedämmten Bereichen Kniestock und Spitzboden. Die gedämmten Gefache bedeckten sie mit der hochdiffusionsoffenen Luftdichtungsbahn STEICOmulti UDB, die einen s_d-Wert von 0,02 m aufweist und während der Bauarbeiten das Dach zudem vor Regen sichert (Bild 6).

Auf die Luftdichtungsbahn kam eine weitere Dämmschicht: die 16 cm dicke, robuste und diffusionsoffene Holzfaser-Unterdeckplatte STEICOspecial dry (Bild 7). Diese ist durchgängig hydrophobiert und dient auch als zweite wasserführende Schicht. Zusammen erzeugen die 16 cm dicke Gefachdämmung und die 16 cm dicke Unterdeckplatte den U-Wert von 0,14 W/(m²K), den die Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) für die Einzelmaßnahme Dach verlangt.

Die Dicke der Unterdeckplatte hängt zum einen vom angestrebten U-Wert ab, zum anderen von den Positionen der Taupunkte, die sich im Verlauf des Jahres ergeben. Die Unterdeckplatte muss dafür sorgen, dass die Temperaturen im Bereich zwischen den Sparren das ganze Jahr über so hoch sind, dass dort keine schadensträchtigen Feuchtemengen kondensieren, das Feuchte­management der Holzfaser funktioniert und das Holz der Sparren trocken bleibt.

Wichtig ist, dass die Systemkomponenten aufeinander abgestimmt sind und dass die Funktionstüchtigkeit des Dachaufbaus rechnerisch nachgewiesen wird. Dann bringt diese Methode viele Vorteile.

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Bautafel

Projekt: energetische Dachsanierung

Objekt: Reihenmittelhaus, München

Baujahr: späte 1960er-Jahre

Ausführender Betrieb: Dachdeckerei/Spenglerei Siml, Neubiberg

Eingesetzte Produkte:
Gefachdämmung: STEICOflex 036 (flexible Holzfaser-Dämmmatte, 16 cm)
Luftdichtungsbahn: STEICOmulti UDB
Unterdeckung: STEICOspecial dry (robuste Holzfaser-Dämmplatte, 16 cm)
U-Wert vorher: > 1,0 W/(m²K)
U-Wert nachher: 0,14 W/(m²K)

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Literatur

1. Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe [Hrsg.]; Fraunhofer-­Institut für Holzforschung et al. (2021) Verbundvorhaben: Mehr als nur Dämmung – Zusatznutzen von Dämmstoffen aus nachwachsenden Rohstoffen (NawaRo-Dämmstoffe). Schlussbericht. www.fnr-server.de/ftp/pdf/berichte/22005616.pdf

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Autor

Dipl.-Ing. Günther Hartmann
g.hartmann@steico.com

STEICO SE, Feldkirchen

www.steico.com