Nutzung oder Gebäudehülle?

Da sich ständig Pilzsporen in der Luft befinden, lässt sich das Schimmelpilzwachstum nur dadurch verhindern, dass es nicht zu Bedingungen kommt, die das Auskeimen der Sporen und anschließendes Schimmelwachstum begünstigen. Grundsätzlich benötigt Schimmel einen Nährboden (Substrat) und günstige Temperatur- und Feuchtebedingungen, wobei alle drei Bedingungen gleichzeitig für einen gewissen Zeitraum erfüllt sein müssen. Die für das Bauwesen relevanten Schimmelpilze gedeihen in einem Temperaturbereich von 0°C bis 50°C mit dem Optimum zwischen 20°C bis 35°C. Unterhalb von 70% relativer Luftfeuchte kann praktisch keine Schimmelpilzart wachsen, für die meisten Pilze entstehen oberhalb von 80% Luftfeuchte Keim- und Wachstumsbedingungen.

Es werden wenig nahrhafte Untergründe, wie Mineralputz, Beton oder Mauerwerk, und nahrhafte Untergründe wie Tapete, Silikon oder Gipskarton unterschieden. Da fast ausschließlich die Oberfläche eines Bauteils entscheidend ist, spielt deren Verschmutzung jedoch oft eine wichtigere Rolle. Selbst auf glatten Oberflächen kann es zu Schimmelwachstum kommen, wenn Verunreinigungen durch Staub, Fett oder Ähnliches einen ausreichenden Substratfilm bilden.

Auf der Grundlage dieser Abhängigkeiten sind geeignete Kriterien zur Bewertung der Schimmelgefahr definiert worden. Da das Substrat im Allgemeinen nur schwer zu beeinflussen ist und der für den Schimmel günstige Temperaturbereich den üblicher Innenraumtemperaturen einschließt, ist es das Feuchteangebot, das zumeist begrenzt wird. In den Normen DIN 4108 Teil 2 und DIN EN ISO 13788 findet man daher einen Grenzwert von 80 % für die relative Luftfeuchte an der Wandoberfläche (entspricht einem Temperaturfaktor¹⁾ von 0,7). Dieser Wert sollte im stationären Fall für das thermisch ungünstigste Bauteil (Wärmebrücke) nicht überschritten werden. Allerdings sind die Normen im Allgemeinen nur für den Neubau bzw. hinreichend umfangreiche Sanierungen verbindlich und damit für die Bewertung eines Schadensfalles nur bedingt aussagefähig.

In der Literatur findet man weitere Angaben, die ausgehend vom Substrat und den erforderlichen Wachstumsbedingungen die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Schimmel beurteilen. Eine Übersicht gibt Bild 1. Zumeist sind die genaueren Verfahren aufwendig und erfordern eine Reihe von Annahmen. Allerdings lohnt sich ein Blick in die entsprechenden Verfahren, um daraus gegebenenfalls vereinfachte Kriterien abzuleiten. Deren Basis sind sogenannte Isoplethendiagramme. Sie stellen die Wachstumsbedingungen (Isoplethe = Linie gleicher Wachstumsbedingung) gängiger Schimmelpilzarten in Abhängigkeit von der Temperatur, der relativen Luftfeuchte und dem Substrat dar.

Der Lebenszyklus von Schimmelpilzen besteht aus drei Phasen: Sporenauskeimung, Myzelwachstum und Ausbilden neuer Sporen. Sichtbar werden die Pilze nach ausreichendem Myzelwachstum. Zu einem offensichtlichen Schimmelbefall kommt es daher erst nach abgeschlossener Sporenauskeimung. Schaut man in ein Isoplethendiagramm für die Sporenauskeimung, lassen sich für verschiedene Temperatur-Luftfeuchte-Paare zeitliche Grenzwerte bestimmen, die innerhalb einer gewissen Zeit, beispielsweise einer Woche, nicht überschritten werden dürfen, um Schimmelbefall zu vermeiden. Konkret lassen sich damit die an der betreffenden Wandoberfläche auftretenden Temperatur- und Luftfeuchtebedingungen, wie sie entweder gemessen oder mithilfe von Simulationswerkzeugen berechnet wurden, hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit eines Schimmelbefalls auswerten.

Die Schwierigkeit des Isoplethenmodells liegt darin, dass nur die hygrische Aufladung bei erhöhten Luftfeuchten berücksichtigt wird, nicht jedoch der Einfluss etwaiger Trockenperioden. Insofern weist bei Betrachtung eines ausreichend langen Zeitraumes das Isoplethenmodell immer ein Schimmelrisiko aus, selbst wenn es in der Realität zu keiner Sporenauskeimung kommen kann, weil die erhöhten Luftfeuchten nur kurzzeitig und in längeren Abständen voneinander auftreten. Als vereinfachtes Kriterium für die Auswertung des Schimmelrisikos soll daher im Folgenden auf die Anwendung des Isoplethenmodells verzichtet und statt dessen die Häufigkeit erhöhter Luftfeuchten auf der Wandoberfläche für verschiedene Zeitdauern herangezogen werden.

Fallbeispiel

Als Beispiel wurde ein in den 1970er-Jahren erbautes Gebäude in Mecklenburg gewählt (Bild 2). Hier kam es in mehreren Räumen zu Schimmelwachstum, insbesondere im Bad und im Schlafzimmer einer von drei Personen bewohnten Wohnung. Den Mietern wurde vorgeworfen, nicht ausreichend zu lüften. Trotz daraufhin bewussteren Heiz- und Lüftungsverhaltens kam es in den Wand­ecken und im Bereich des Deckenanschlusses immer wieder zu Schimmelproblemen. Daher sollte geklärt werden, ob tatsächlich das Nutzerverhalten oder die Gebäudekonstruktion für die vorhandenen Probleme verantwortlich zu machen ist.

Die Außenwand besteht aus einer 36er-Ziegelwand mit jeweils 3 cm Innen- und Außenputz (U-Wert der ungestörten Wand: ∼1,5 W/(m² K)). Ein Blick auf die räumliche Anordnung zeigt, dass sich das Bad in der Nordwestecke des Gebäudes befindet und damit eine Gebäudeecke als klassische Wärmebrücke einschließt.

Um der Schimmel- bzw. Feuchteursache nachzugehen, wurden stationäre und instationäre hygrothermische Berechnungen durchgeführt, die im Folgenden erläutert und analysiert werden. Als Berechnungsprogramm wurde DELPHIN verwendet, das am Institut für Bauklimatik an der Technischen Universität Dresden entwickelt wurde.

Stationäre Berechnung

Im ersten Schritt wird die Konstruktion unter konstanten Randbedingungen auf ihr hygrothermisches Verhalten untersucht. Als Kriterium für die Schimmelanfälligkeit werden die Bedingungen gemäß DIN 4108-2 bzw. DIN EN ISO 13788 gewählt, nach denen bei einem Innenklima von 20°C und 50% Luftfeuchte, und einem Außenklima von –5°C und 80% Luftfeuchte, der Wert von 80% relativer Luftfeuchte auf der inneren Wandoberfläche nach 90 Tagen nicht überschritten werden sollte. Bild 3 zeigt das stationäre Temperatur- und Luftfeuchteprofil für die Gebäudeecke nach 90 Tagen. Ein Vergleich der Berechnungsergebnisse für den ungestörten Wandquerschnitt mit jenen der Gebäudeecke ist für weitere Randbedingungen in Bild 4 angegeben. Es wird deutlich, dass die Temperatur in der inneren Ecke deutlich niedriger und dementsprechend die relative Luftfeuchte dort deutlich höher ist, als beim ungestörten Wandquerschnitt.

Es ist ersichtlich, dass schon unter den relativ milden Klimabedingungen von 20 °C/50 % innen und –5 °C/80 % außen Schimmelwachstum in der Gebäudeecke nicht mehr sicher auszuschließen ist. Die Ergebnisse der übrigen Berechnungen zeigen, dass insbesondere die Ecke sehr intolerant gegenüber erhöhten relativen Luftfeuchten im Raum ist. Ein Blick auf die zeitliche Entwicklung der relativen Luftfeuchte in der Gebäudeecke unter stationären Verhältnissen zeigt, dass die entsprechenden klimatischen Verhältnisse keineswegs über einen sehr langen Zeitraum vorliegen müssen, um zu Wachstumsbedingungen für Schimmel zu führen, siehe Bild 5. Bei den Normbedingungen wird nach knapp vier Tagen die 80%-Marke überschritten, für die erhöhte Innenraumluftfeuchte dauert es nicht einmal einen Tag.

Ist damit der Nachweis erbracht, dass die vorliegenden Schimmelprobleme konstruktionsbedingt sind? Da es sich nicht um ein neu gebautes oder weitgehend saniertes Gebäude handelt und da unter Normbedingungen „nur“ 83,2% Luftfeuchte in der Gebäudeecke erreicht werden (entspricht einem Temperaturfaktor von 0,67), könnte durchaus argumentiert werden, dass diese Bedingungen, insbesondere die Innenraumluftfeuchte, in der Realität nicht oder nur kurzzeitig überschritten werden dürfen.

Das bedeutet, der Nutzer muss die anfallende Feuchte über sein Heiz- und Lüftungsverhalten in ausreichendem Maße abführen. Damit verändert sich die Fragestellung dahingehend, wie viel Lüftung einem Nutzer zuzumuten ist bzw. welche Bedingungen sich bei einem intensiven, aber noch zumutbaren Lüftungsverhalten unter normaler Nutzung eines Drei-Personen-Haushaltes einstellen.

Instationäre Berechnung

Im zweiten Schritt werden instationäre hygrothermische Berechnungen mit realistischen Klimarandbedingungen durchgeführt. Hinsichtlich des Außenklimas werden drei Varianten untersucht: ein süddeutsches (München), ein mitteldeutsches (Essen) und ein norddeutsches Klima (Bremerhaven). München ist im Winter kalt, aber relativ trocken, Essen ist durchschnittlich kalt und auch durchschnittlich feucht, während Bremerhaven ein mildes, aber sehr feuchtes Klima repräsentiert. Das Innenraumklima wird entsprechend der Badnutzung eines Drei-Personen-Haushaltes vorberechnet, wobei die Spezifika des konkreten Falles berücksichtigt werden (Anschlüsse für Waschmaschine und Trockner im Bad). Folgende Annahmen werden getroffen:

• täglich duscht mindestens eine Person
• alle drei Personen nutzen das Bad morgens und abends zum Waschen
• pro Woche wird mindestens dreimal Wäsche gewaschen und mithilfe eines Wäschetrockners getrocknet

Dafür werden typische Feuchteproduktionsraten entsprechend CEN/TR 14788 sowie IEA Annex 41 angesetzt, wobei diese im Rahmen einer möglichen Spannweite ebenfalls in drei Stufen variiert werden: sehr hohe Feuchteabgabe, mittlere bzw. normale Feuchteabgabe und sehr geringe Feuchteabgabe an den Raum. Die Raumlufttemperatur schwankt abhängig von der Badnutzung zwischen 19 °C in der Nacht und 23 °C, wenn ein Bad genommen bzw. geduscht wird. Gelüftet wird permanent mit einem Grundluftwechsel. Nach dem Duschen und dem Wäschewaschen sowie Trocknen wird jeweils für mindestens 15 Minuten stoßgelüftet. Unabhängig davon wird im Winter jeden Tag morgens und abends für 15 Minuten stoßgelüftet. Im Sommer wird häufiger und intensiver gelüftet.

Klare Angaben zu einem zumutbaren Lüftungsverhalten finden sich leider in keiner Norm. Einzige Quelle sind hier Gerichtsurteile, die ein mehr als zweimaliges Stoßlüften pro Tag als nicht mehr zumutbar einschätzen. Die in den Berechnungen angesetzten Werte für die Lüftung liegen damit leicht über dem allgemein als zumutbar anerkannten Lüftungsmaß. Die Berechnungen wurden hinsichtlich des Lüftungsverhaltens „auf der sicheren Seite“ durchgeführt.

Die Vorberechnung des Innenklimas erfolgte mithilfe eines Raumsimulationsmodells, das die Wärme- und Feuchtespeicherwirkung der Wände, die Feuchteabgabe an die Raumluft und den Luftwechsel in Verbindung mit dem Außenklima in einer Raumbilanz berücksichtigt. Dies erlaubt die Berücksichtigung des tatsächlichen Trocknungs- bzw. Lüftungspotenzials, das nicht nur vom Lüftungsmaß, sondern auch von der Außentemperatur- und Luftfeuchte abhängt. Ergebnis dieser Vorberechnung ist die nutzerspezifische Innenraumluftfeuchte, die zusammen mit der angesetzten Innenraumtemperatur für die weiteren Berechnungen als Innenklimarandbedingung dient. Es ergeben sich gemäß der gewählten Varianten drei verschiedene Feuchtebelastungen für drei verschiedene Außenklimate, also insgesamt neun Kombinationen aus Außen- und Innenklima.

Im nächsten Schritt werden die hygrothermischen Verhältnisse für das Eckdetail unter den realen Außen- und den vorberechneten Innenklima­bedingungen untersucht. Es werden die hygrothermischen Bedingungen in der Gebäudeecke für zwei Jahre simuliert. Zur Auswertung werden die Verläufe von Temperatur und relativer Luftfeuchte in der Gebäudeecke für das zweite Berechnungsjahr herangezogen, um etwaige Einflüsse der ­Anfangsbedingungen auszuschließen.

Es wird zunächst aufgetragen, wie häufig ein Wert von 80 % relativer Luftfeuchte an der Innen­oberfläche der Gebäudeecke überschritten wird. In Bild 6 sind die jeweiligen Häufigkeiten (entspricht Stunden) für das Winterhalbjahr einschließlich Übergangszeit (Oktober bis April) bei unterschiedlichem Außenklima dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die süddeutschen Klimabedingungen für den untersuchten Fall die kritischsten sind, während das mitteldeutsche Klima am wenigsten kritisch ist. Obwohl das mitteldeutsche Klima im Winter deutlich niedrigere Temperaturen erreicht, als das norddeutsche Klima, stellt letzteres eine höhere Belastung dar. Die Ursache dafür liegt in der bei mildem Klima deutlich höheren Luftfeuchte, die das Trocknungspotenzial beim Lüften reduziert. Die Vorberechnung des Innenklimas berücksichtigt diesen Effekt.

Anhand von Bild 6 wird deutlich, dass bei hoher Feuchtebelastung unter allen deutschen Klima­bedingungen in der Gebäudeecke hervorragende Schimmelwachstumsbedingungen entstehen. Selbst bei mitteldeutschem Klima kommt es ca. 800 mal vor, dass die Luftfeuchte in der Raumecke für mindestens sechs zusammenhängende Stunden den Wert von 80 % übersteigt. Bei mittlerer und geringer Feuchtebelastung werden niedrigere Überschreitungsraten gezählt. Allerdings kommt es auch bei mittlerer Feuchtebelastung unter den hier günstigsten Klimabedingungen noch zu ca. 350maligem Erreichen von 80 % Luftfeuchte für je sechs Stunden.

Um das Schimmelrisiko besser abschätzen zu können, werden die Berechnungsergebnisse in gleicher Weise mit einem Kriterium von 90 % bzw. 93 % Luftfeuchte ausgewertet. Für die weitere Diskussion wird sich auf die Berechnungsergebnisse mit norddeutschem Klima beschränkt, da sie für das untersuchte Gebäude maßgeblich sind und in etwa in der Mitte liegen. Für vergleichbare Fälle ist daher insbesondere in kälteren Klimaregionen von einer erhöhten Schimmelgefahr auszugehen.

Bild 7 zeigt die Ergebnisse unter norddeutschem Klima. Es ist wiederum aufgetragen, wie häufig an der Innenoberfläche der Gebäudeecke das jeweilige Kriterium, also 90 % bzw. 93 % relative Luftfeuchte für eine Zeitdauer von jeweils 1 h, 3 h und 6 h überschritten wird. Es ist ersichtlich, dass bei hoher Feuchtebelastung extrem hohe Überschreitungsraten erreicht werden, die auf jeden Fall ein Schimmelwachstum bedingen. Aber auch bei einer mittleren Feuchtebelastung, wie sie als normal anzusetzen ist, kommt es noch zu hohen Häufigkeitswerten, die sicher ein Schimmelwachstum bedingen. Erst bei der gewählten geringen Feuchtebelastung ist aufgrund der niedrigen Häufigkeitswerte für 3 h und 6 h nur noch von einer geringen Schimmelgefahr auszugehen.

Eine anhand der berechneten Temperatur- und Luftfeuchteverläufe ebenfalls durchgeführte Auswertung mithilfe des Isoplethenmodells, wobei zwischen günstigen, kurzfristigen und ungünstigen, aber längerfristigen Wachstumsbedingungen unterschieden wurde, bestätigt diese Schlussfolgerungen.

Zusammenfassung

Gerade der Altbaubestand ist anfällig für Schimmelprobleme in deren Folge sich häufig die Frage stellt, wer sie zu verantworten hat. Im ersten Abschnitt sind daher zunächst die Voraussetzungen für das Schimmelwachstum beleuchtet und bestehende Kriterien zur Abschätzung des Schimmelrisikos diskutiert worden.

Im zweiten Abschnitt ist anhand eines Fallbeispiels die Argumentationsgrauzone unzureichenden Heiz- und Lüftungsverhaltens illustriert worden. Der Nachweis nach Norm zeigt eine geringfügige Überschreitung der kritischen Luftfeuchte von 80 % in der Gebäudeecke, die einem Temperaturfaktor von 0,67 entspricht. Aufgrund der vereinfachten, stationären Verhältnisse lässt sich daraus jedoch nicht ableiten, ob mit einem zumutbaren Lüftungsverhalten das Schimmelwachstum unterbunden werden kann, oder nicht. Eine hygrothermische Bauteilberechnung unter realistischem Innen- und Außenklima zeigt schließlich, dass es selbst bei günstigstem Lüftungsverhalten des Nutzers und einem als normal anzusetzenden, mittleren Feuchteeintrag in die Raumluft sicher zu Schimmelproblemen kommt.

Das Fallbeispiel stellt gegebenenfalls einen kritischen Fall dar, weil zum geringen thermischen Widerstand der Außenwände noch die ungünstige Lage des Bades in der Nord-West-Ecke des Gebäudes kommt. Dennoch wird deutlich, dass nicht der Feuchteeintrag in Verbindung mit dem Lüftungsverhalten, sondern insbesondere die konstruktiven Besonderheiten die Ursache der Schimmelprobleme bilden. Verallgemeinernd sei daher hervorgehoben, dass bei vergleichbaren Gebäuden die Schimmelursache stets nicht nur im Nutzerverhalten, sondern auch in den Konstruktionsdetails der Gebäudehülle zu suchen ist.

Fazit

Für Bestandsgebäude mit U-Werten der ungestörten Wand in der Größenordnung von 1,5 W/(m² K) kann es durchaus zu konstruktionsbedingten Schimmelproblemen kommen. Zur Vermeidung derartiger Probleme und der einhergehenden Rechtsstreitigkeiten werden einige konstruktive Maßnahmen vorgeschlagen. Diese können im Einzelnen umfassen: Thermische Aufwertung der Gebäudehülle: Außendämmung des Gebäudes sowie Innendämmung, gegebenenfalls nur lokal (Entschärfung von Wärmebrücken), Einbau einfacher luftfeuchte-gesteuerter Lüftungstechnik in betroffenen Feuchträumen, Reduzierung der Feuchtelast durch andere Maßnahmen, beispielsweise durch Bereitstellen eines abschließbaren Trockenraumes oder Einbau eines nach außen entlüftenden Wäschetrockners.

In jedem Falle sollten Feuchte- und Schimmelprobleme ernst genommen werden und deren Ursache untersucht werden. Dies hilft nicht nur dabei, die gesundheitlichen Auswirkungen des Schimmelbefalls wirksam zu beseitigen, sondern auch die Gebäudekonstruktion dauerhaft zu ­erhalten und gegebenenfalls gleichzeitig Energie einzusparen.

¹⁾ Der dimensionslose Temperaturfaktor gibt das Verhältnis zwischen innerer Oberflächen- und Außentemperatur zum Gesamttemperaturunterschied zwischen innen und außen an: f_RSI = (T_si – T_e)/(T_i – T_e). Er ist in DIN EN ISO 10211 definiert und eine gängige Größe zur Beurteilung von Wärmebrücken.

Dr.-Ing., hat von 1997 bis 2003 an der Technischen Universität Dresden Bauingenieurwesen studiert. Seit Mai 2008 ist er mit einem Hans-Chistian-Ørsted Stipendium der Technischen Universität Dänemarks als PostdocWissenschaftler in Dänemark tätig. Parallel dazu ist er als freier Mitarbeiter im Ingenieurbüro Dr. Scheffler & Partner GmbH in Dresden im Rahmen bauphysikalischer Gutachten tätig.