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Feuchte Luft

Luftfeuchtigkeit - alle haben ein Gefühl dafür, was das ist. Aber leider ist das sehr oft zumindest unvollständig. Wir erklären das hier. Hier gibt es das auch als Filmchen. 1)

Ein absolut dicht geschlossenes Gefäß
ist teilweise mit Flüssigkeit
gefüllt. Das ganze wird auf
einer konstanten Temperatur
gehalten.
Wegen der Wärmebewegung gibt
es immer ein paar 'vorlaute' Moleküle
welche die Oberfläche verlassen
und nun als Dampf im Gefäß sind.
Wir kennen diesen Prozess als „Verdunstung“.
Ein paar der Moleküle im Gasraum sind
dann wieder langsam genug, um
in den Flüssigkeitsraum zurück zu kehren.
Das ist die „Kondensation auf der
Molekülebene.“
Letztlich bildet sich ein Fließgleichgewicht aus:
Es treten ständig etwa gleichviele Moleküle
aus wie auch wieder zurückkehren.
Die Wasserdampfmenge, die dann im Gasraum
vorhanden ist, nennen wir die
Sättigungsdampfmenge.
Ihre Dichte ist die Wasserdampf-Sättigungsdichte
(zu dieser Temperatur) und
der Druck des Wasserdampfes
auf die Gefäßwand heißt
„Sättigungsdampfdruck“.

Feuchtigkeit ist einfach nur ein anderes Wort für Wasser, gern dann benutzt, wenn es als Wasser vermengt in anderen Stoffen vorliegt. Wir sprechen von Luftfeuchtigkeit (das ist der in der Luft enthaltene Wasserdampf) oder von Materialfeuchtigkeit (das ist Wasser, welches in mikroskopischen Hohlräumen („Poren“) im Material enthalten ist). Feuchtigkeit – spricht: Wasser – ist in unserer Umgebung nahezu überall. Meist in einem zuträglichen Mengenverhältnis: Weder zu feucht (dann kann z.B. Schimmel wachsen) noch zu trocken (das bekommt z. B. unseren Schleimhäuten nicht gut). Hier gleich vorneweg eine Angabe – die relative Feuchtigkeit in Luft in Innenräumen, in den denen wir Menschen uns aufhalten, sollte in einem Bereich von im Mittel 35 bis 60%2) liegen. (Was relative Feuchtigkeit eigentlich ist, wird in diesem Kapitel erklärt – viele Irrtümer beruhen auf einer falschen Vorstellung von der relativen Feuchtigkeit).  

Beginnen wir aber mit dem Wasser: Für den praktischen Gebrauch reicht es, die drei Zustände (Aggregat-Zustände) für Wasser zu kennen. Fest in Form wie Eis, flüssig (eben das flüssige Wasser aus der Leitung) und gasförmig (der Wasserdampf).

Wasser besteht aus Molekülen der Verbindung H2O.

Im Wasserdampf haben diese Moleküle so viel Raum, dass sie nur selten aufeinander (und auf andere Moleküle) treffen.

Im flüssigen Wasser sitzen die Moleküle eng aufeinander, sie werden durch elektrische Kräfte aneinander „gehalten“, sind aber immer noch leicht gegeneinander verschiebbar.

Im festen Eis hingegen sind die Moleküle in einem strengen Gitter untereinander verbunden.

Diese molekulare Verstellung hilft uns, die aus dem praktischen Umgang mit Wasser bekannten Vorgänge („Verdunsten“, „Schmelzen“) leichter zu verstehen. Dazu brauchen wir nur noch eine Modellvorstellung einzuführen: Das Verständnis von Wärme als mikroskopisch verteilter „chaotischer“ Energie, insbesondere in Form von Bewegungsenergie (in der Physik gern „kinetische Energie“ genannt) der Moleküle.

Dieses Verständnis ist gegen Ende des 19. Jahrhunderts in der Physik aufgekommen und nennt sich auch die kinetische Theorie der Wärme3). Heute lernt dies jedes Kind irgendwann in der Schule – damals war diese Erklärung revolutionär. Sie ist sehr gutes Beispiel für die Einschätzung: „Es gibt nichts Praktischeres als eine gut bewährte Theorie.“

Je heftiger die Vibrationen der Moleküle, desto mehr thermische Energie steckt in ihnen: und die durchschnittliche kinetische Energie der Moleküle ist genau das Maß für die Temperatur – womit eine quantifizierbare bereits in der Mechanik bekannte Größe zur Erklärung von schon seit alten Zeiten bekannten Phänomenen der „Wärmelehre“ herangezogen werden kann. Auch die Vorgänge beim Verdampfen einer Flüssigkeit und sogar einige quantitative Aspekte dabei lassen sich auf Basis der kinetischen Theorie veranschaulichen.

Wir schauen uns den Verdampfungsprozess in einem ringsum geschlossenen Gefäß an (z. B. eine verkorkte Flasche) das zum Beispiel zu 40 % mit flüssigem Wasser gefüllt ist und auf einer konstanten Temperatur gehalten wird (z. B. durch eine thermostatisch geregelte Heizung). Im Rest des Gefäßes befindet sich z. B. Luft oder ein anderes Gas, auf die Dichte kommt es dabei nicht an. Das Gefäß wird illustriert durch die schon oben dargestellten Grafiken.

Die Wassermoleküle im flüssigen Wasser vibrieren entsprechend der herrschenden Temperatur – das ist eine chaotische Verteilung der Molekülvibration, einige Moleküle sind schneller, andere langsamer. Einzelne schnelle Moleküle können ab und zu schnell genug sein, um die Oberfläche zu verlassen – sie befinden sich dann als vereinzelte Wassermoleküle im Raum über der Flüssigkeit – sprich, hier gibt es jetzt Wasserdampf. Diesen Vorgang nennen wir „Verdunstung“. Nun kommt aber auch der umgekehrte Vorgang vor: Wassermoleküle aus dem Gasvolumen in der Nähe der Oberfläche treffen in einigen Fällen in diese und werden von der Flüssigkeit wieder aufgenommen. Dieser Vorgang heißt „Kondensation“ oder „Tauwasserbildung“.

Natürlich stellt sich dabei nach einer gewissen Zeit (ziemlich schnell!) ein Gleichgewicht ein. Dann befindet sich eine gewisse Menge des Wassers im gasförmigen Zustand – mehr kann es nicht mehr werden, weil dann verstärkt durch Kondensation kompensiert wird: Diese Gleichgewichts-Wasserdampf-Konzentration im Gasraum über einer Wasserfläche nennen wir die „Sättigungs-Wasserdampf-Konzentration“. Bei einer Temperatur von 20 °C sind das gerade 17,3 g/m³. Das ist eine sehr geringe Wassermenge – wenn zugleich klar ist, dass in einem m³ sonst etwa 1.000 kg = 1.000.000 g flüssiges Wasser aufgenommen werden können. Wasserdampf bei 20 Grad C nimmt also etwa das 58-Tausend-fache Volumen ein wie flüssiges Wasser der gleichen Temperatur - und das auch nur, wenn das Volumen zu 100 % mit Wasserdampf gesättigt ist. Wenn weniger Wasser insgesamt verfügbar ist, kann selbstverständlich immer auch eine geringere Wasserdampfmenge als bei Sättigung vorliegen.

Bei höherer Temperatur ist die Wärmebewegung
der Moleküle heftiger. Daher ist die Tendenz zur
Gasphase dann höher: das bedeutet,
die Sättigungsdampfdichte ist umso höher,
je höher die Temperatur ist.
Ein paar Werte für die Sättigungsdampfdichte für Wasserdampf sind in dieser Tabelle angegeben. Heiße Luft kann viel mehr Wasserdampf enthalten als kältere. Die Sättigungsdampfdichte ist die maximale Dichte an Wasserdampf, die in einem gegebenen Volumen bei dieser Temperatur vorliegen kann4). Wird die Sättigungsdampfdichte überschritten, fängt Wasserdampf an, an den Kondensationskeimen zu kondensieren - es bilden sich kleine Tröpfchen aus flüssigem Wasser (Nebel oder Wolke genannt). Der Volksmund nennt das gern „Wasserdampf“ - dabei ist genau dieser sichtbare Schwaden gar kein Wasserdampf mehr, sondern eben Nebel. Das tatsächlich dampfförmige Wasser (Einzelmoleküle) ist ein vollkommen durchsichtiges farbloses Gas.
Weniger Wasserdampf als die Sättigungsmenge kann dagegen durchaus in einem Gasvolumen vorkommen - dazu müsste ich z.B. nur ein gegebenes Luftvolumen mit trockener Luft (d.h. solcher ohne Wassermoleküle) verdünnen.
Die Dampf(druck)kurve - der Verlauf der Sättigungsdampfdichte über der Temperatur. Hier lassen sich auch Zwischenwerte entnehmen - eingezeichnet ist der zu 20°C gehörende Wert von 17,3 g/m³. Es hilft für das Verständnis, wenn das im Verhältnis zu der in einem Kubikmeter möglichen Flüssigwassermenge gesehen wird. Bei 20°C sind das etwa 1000 kg, also das etwa 58tausendfache. Dampfförmiges Wasser hat eine sehr viel geringere Dichte als flüssiges Wasser. Und: Je kälter es ist, umso weniger Dampfmoleküle passen in das Volumen, ohne dass sich Tauwasser bildet.
Hier kommt jetzt die Definition von
relativer Feuchte:
Das ist gerade der prozentuale Anteil
der absoluten Feuchtigkeit
(Wasserdampfdichte)
relativ zur Sättigungswasserdampfdichte
(bei der herrschenden Temperatur).
Kurz: die aktuelle Wasserdampfdichte
im Verhältnis zur maximalen Wasserdampfdichte
bei der vorliegenden Temperatur.
Und hier ist jetzt sofort verständlich
warum die relative Feuchtigkeit
ansteigt, wenn sich ein Gasvolumen abkühlt.
U.U. bis auf 100%… darüber geht nicht,
das „zuviel an Wasser“ muss dann kondensieren.
Das passiert entweder an einer
kalten Oberfläche (Tauwasser)
oder an Staubteilchen in der Luft (Nebel).
Die Temperatur, bei
der das für eine Luftmenge
mit gegebener absoluter Feuchte
passiert, nennt sich die
Taupunkttemperatur. Oft sprechen
viele auch einfach vom „Taupunkt“.
Und das ist kein Ort,
sondern eine Temperatur.5)

Unser „Bauphysik Feuchte Kurs“ geht hier weiter mit einer leicht verständlichen Erklärung zum Feuchtetransport in Außenbauteilen. Ausgestattet mit diesem Grundverständnis wird die praktische Anwendung erheblich erleichtert; es stellt sich heraus, dass es gute und wohlerprobte Verfahren gibt, um auch mit einer richtig ausgeführten Innendämmung die Bausubstanz zu entlasten und zugleich den Komfort zu erhöhen und Energie zu sparen Lösungen für den Feuchteschutz.

Dieser hier beschriebene Zusammenhäng macht viele Vorgänge leicht verständlich: Warum einige der von uns in der Natur, im Gebäude und in technischen Anlagen beobachteten Prozesse so ablaufen, wie wir das beobachten6). Das zu verstehen, hilft, Probleme mit Tauwasser zu vermeiden - und die wahre Bedeutung des „Taupunkts“ (jenseits des Mythos) zu begreifen. Wir werden hier in loser Folge ein paar Beispiele illustrativ erklären.

Beispiele zu Vorgängen mit feuchter Luft

Hinweis für Experten und solche, die es werden wollen: Auf der Seite Übungen zur feuchten Luft haben wir Aufgaben zusammengestellt, an denen die hier nur „erzählten“ Vorgänge selbst nachgerechnet werden können.


Tauwasserbildung an kalter Oberfläche
Beispiel 1: Die kalte Flasche aus dem Kühlschrank in die warme Küchenluft gebracht (20°, 50% rel.Feu.; diese hat nämlich ein absolute Feuchte von 8,65 g/m³). Nach kurzer Zeit sieht man Wassertröpfchen an der Oberfläche der Flasche: Die Luft in deren Nähe kann bei 5°C nämlich nur 6,8 g/m³ an Wasserdampf 'halten'; der Rest des Wassers muss irgendwo hin - er kondensiert, daher die Tropfen.
Das Beispiel erklärt auch gleich viele ähnliche Vorgänge: Tauwasser auf dem Rasen am frühen Morgen, gern im Herbst: Da wurde es am Boden durch Wärmeabstrahlung in den Himmel schon recht kalt und der Rasen ist kälter als die Taupunkttemperatur der Luft 7). Das gleiche beobachte ich evtl. an der Windschutzscheibe; wobei, wenn es dann sogar unter Null °C geht, friert das Wasser da sogar fest (Reifbildung).

Wolkenbildung (Quelle: NASA)
Beispiel 2: Steigt eine weitgehend wasserdampfgesättigte Luftmenge auf (z.B. an einem Gebirge), dann kühlt sich die Luft ab. Ab einer gewissen Höhe unter die Taupunkttemperatur: Da beginnen dann die Wolken.

Tauwasser an Kaltwasserleitung
Beispiel 3: Ein für die Gebäudetechnik wichtiges Beispiel ist Kondensat an Kaltwasserleitungen; wenn diese ungedämmt z.B. durch einen Keller verlaufen, so sind im Sommer oft ziemlich auffällig Wassertropfen auf der Leitung zu beobachten. Viele Laien denken dann, die Leitung sei undicht: dabei handelt es sich hierbei um Kondensat, das Wasser kommt aus der Luft! Stand der Technik ist heute, aus diesem Grund auch Kaltwasserleitungen mit einer gewissen minimalen Wärmedämmung zur versehen; die muss natürlich dampfdicht sein, weil sonst der Wasserdampf trotzdem an die ursprüngliche Rohroberfläche gelangt und das Wasser dann von dort aus auch noch die Dämmung durchfeuchtet (Kalte Leitungen diffusionsdicht dämmen! Und zwar durchgehend.).
Wie lüfte ich im Keller?
Da wir Menschen
absolute Feuchtigkeit
nicht abschätzen können
empfiehlt sich hier
ein Messgerät,
das absolute Feuchte (oder die Taupunkttemperatur) anzeigt.
Beispiel 4: Der „feuchte Keller“. Ganz weit verbreitet ist die Idee, an heißen Sommertagen „endlich einmal“ den ohnehin schon feuchten Keller „zu lüften“. Verwundert stellen die Eigentümer dann fest, dass jetzt gerade das Wasser (in Strömen!) die Wände herunter läuft. Vor dem Hintergrund der Sättigungs-Dampfdichtekurve ist das leicht zu verstehen: Die an schwülwarmen Tagen heiße (und feuchte!) Außenluft (beispielsweise 30°C bei 60% rel.Feu, somit 18,2 g/m³ absolute Feuchte) kühlt sich an den oft noch 18°C kalten Oberflächen im Keller ab. Da beträgt die Sättigungsfeuchte aber nur noch 15,3 g/m³ - kein Wunder, dass das Kondensat an der Wand herunterläuft. Merkpunkt: Kellertrocknung geht nur in Verbindung mit einer Regelung der Be-/Entlüftung nach absoluter Feuchte, einer sog. „Taupunktregelung“.[Schnieders 2009]

Muss nicht sein! Daher vermeiden wir Wärmebrücken…
Beispiel 5: Verschimmelte Wände. Das kommt insbesondere in Altbauten gar nicht selten vor - oft, im ersten Winter nach dem Einbau von neuen Fenstern mit perfekten Lippendichtungen. Weil die Nutzer die verringerte Undichtheit meist nicht durch vermehrtes Stoßlüften ausgleichen (das müsste eigentlich etwa alle vier Stunden passieren), steigt die Luftfeuchtigkeit in den Innenräumen an. An kalten Stellen von Außenwänden (Wärmebrücken - gern in Fensterlaibungen aber auch Außenkanten, insbesondere, wenn da noch ein Möbelstück davor steht) wird nun die Taupunkttemperatur unterschritten oder zumindest ein kritisches Feuchteniveau in der Tapete erreicht. Merke: Dichte Fenster nur zusammen mit einer Sicherstellung eines ausreichenden Luftwechsels8) - und das bedeutet zumindest eine den Feuchteschutz gewährleistenden Hygienelüftung. Und natürlich: Die Wärmebrücken entschärfen!

Luft, die bei -5°C 90%
rel. Feu. hat, enthält
nur sehr wenig
Wasserdampf (2,9 g/m³)
Auf 20°C erwärmt sind
das nur noch 17% der
Sättigungsdampfdichte; hole
ich solche Luft in den Raum,
dann hat sie nur 17% rel.Feuchte.
Beispiel 6: Lüften im Winter. Im Innenraum befinden sich Personen; die atmen u.a. auch Wasserdampf aus. Zudem gibt es feuchte Handtücher, Blumen, es wird gekocht, … Aus allen diesen Gründen wird der Innenluft ständig Feuchtigkeit zugeführt. Sie enthält daher je m³ immer mehr Wassermoleküle als die Außenluft, sprich: die absolute Feuchtigkeit von Innenluft ist immer höher als die der Außenluft9). Führe ich also mehr Frischluft von außen zu10), dann wird es im Innenraum trockener. Hier herrschen sehr weit verbreitete völlig falsche Vorstellungen: Weil die relative Feuchte der Außenlauft im Winter oft „hoch“ ist (90% sind häufig!), denken sehr viele Nutzer, dass sie „feuchte Luft“ ins Haus bringen. Die Außenluft hat aber eine nur niedrige Temperatur und daher ist die Sättigungsdampfmenge nur gering (bei 3°C z.B. 5,9 g/m³). Wird diese kalte Außenluft nach innen gebracht, dann erwärmt sie sich; bei 20°C beträgt die Sättigungsdampfdichte dann bereits 17.3 g/m³, so dass die relative Feuchte der gerade hereingeholten erwärmten Luft nun bei nur noch 90% x 5,9 g/m³ / (17.3 g/m³) = 31% liegt - ziemlich trocken! Das ist übrigens der entscheidende Grund, warum Innenräume im Kernwinter oft „trocken“ sind; manchmal zu trocken, unter etwa 35% erzeugt auf Dauer für unsere Atemwege Stress.

So geht 'Lüften' zuverlässig: für 3 Personen sollten zwischen 80 und 120 m³ Luft jede Stunde ausgetauscht werden. Dann wird auch die Feuchtigkeit in ausreichender Weise abgeführt. Und es wird zugleich auch nicht zu trocken - in gemäßigtem Winterklima. Bei Standorten mit häufig strengem Frost (unter -5°C für mehrere Tage) ist eine zusätzlich Befeuchtung der Raumluft ratsam oder ein feuchterückgewinnender Wärmeübertrager.
Beispiel 7: Entfeuchtung durch die Außenwand? Etwa 100 g Wasserdampf gibt eine Person im Durchschnitt in jeder Stunde ab; dazu kommt noch einmal im Durchschnitt etwa eine gleiche Menge durch Aktivitäten wie Kochen, Waschen und Blumengießen. Das sind dann insgesamt etwa 5 kg (!) Wasserdampf am Tag. Dieses Wasser muss letztlich das Gebäude verlassen (sonst würde es dort immer feuchter). Ganz grob gibt es je Person in Deutschland etwa 50 m² Außenwandfläche; ist die traditionell gebaut11), dann gehen je Quadratmeter am Tag da maximal etwa 5 g Wasserdampf durch Diffusion hindurch. Das sind insgesamt 250 g am Tag, also gerade mal 5% der gesamten freigesetzten Menge. Wie sehr wir uns da auch immer anstrengen mit einem diffusionsoffenen Aufbau - der Entfeuchtungsbeitrag der Außenwände ist für die Bilanz der Feuchtigkeit im Gebäude unbedeutend. Der weit überwiegende Teil der in die Luft eingebrachten Feuchtigkeit muss durch Lüften abgeführt werden - und weil wir sowieso ausreichend Lüften müssen, ist das auch keine schwierige Aufgabe12). Die 5 g Wassertransport durch 1 m² Wand am Tag, die können allerdings zu einem Problem werden - und zwar für die Wand selbst, auf Dauer, wenn die Wasserdampfabgabe auf der Außenseite nicht ausreichend gut funktioniert. In den äußeren Lagen sollte eine Wand daher diffusionsoffen sein13).

Es ist schon interessant, wieviel alltägliche Vorgänge auf einmal leicht und gut verständlich werden, wenn der Begriff „relative Feuchte“ einmal richtig verstanden wurde. Jede:r Energieberater:in muss das natürlich wissen und erklären können. Hier hilft es, ein paar Beispiele anhand der Sättigungsfeuchte-Tabelle (hier zum Download) einmal selbst nachzurechnen.

Literatur

[Schnieders 2009] Schnieders, J.: Einfluss von Kellerdeckendämmung auf die Feuchtebelastung von Kellerräumen; Passivhaus Institut; Darm- stadt 2009. Download des kostenlosen pdf unter Kellerräume trocken halten auf www.passiv.de.

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1)
Die zugehörige Erklärung in der deutschen Wikipedia ist leider nicht sehr anschaulich und sie ändert sich im Schwerpunkt des Textes auch des Öfteren; dennoch, korrekt ist das dort schon: Sättigungsdampfdruck.
2)
Es kommt dabei nur auf einen Mittelwert über etwa 1 bis 2 h an - kürzere Schwankungen gleicht unser Organismus durchaus aus. Wenn also kurzzeitig (z.B. beim Lüften) die rel.Feuchte auch mal selbst unter 10% fällt, ist das kein Grund zur Sorge. Ein kurzer Aufenthalt z.B. im Badezimmer bei höherer Luftfeuchtigkeit gleicht das schnell wieder aus.
3)
J.C. Maxwell hat hier entscheidende Beiträge erbracht. Sein kleines Büchlein "The Theory of Heat" liest sich auch heute noch gut!
4)
solange es Kondensationskeime gibt, was fast immer der Fall ist
5)
Hier gibt es leider durch weit verbreitetes Halbwissen viel „Mythos“. Der Sachverhalt ist aber in Wirklichkeit sehr einfach zu verstehen.
6)
… und uns vielleicht darüber schon gewundert haben
7)
das ist die Herkunft des Namens „Tauwasser“
8)
Die Frischluft von außen verdünnt nämlich immer die Wasserdampfkonzentration(genannt: absolute Feuchte) der Innenluft
9)
Ausnahme: es wird ein technischer Entfeuchter betrieben
10)
egal wie, ob durch öffnen der Fenster oder eine höhere Stufe der Lüftungsanlage
11)
Was heißt das schon? Wir nehmen hier eine 24 bis 36 cm Ziegelwand an
12)
Sie muss allerdings gelöst werden, weil Nutzer oft eben zu wenig lüften; das ist einer der Gründe, warum wir für Neubau und Modernisierung Lüftungsanlagen empfehlen.
13)
außen kein diffusionsdichter Anstrich! Oder, wenn da eine diffusionsdichte Verkleidung notwendig (Grasdach) oder gewünscht (Alublech) ist, dann muss diese äußere Verkleidung mit Außenluft hinterlüftet werden. - - - Die Alternative: Doch, es gibt eine, das ist eine absolut dampfdichte Ausführung auch auf der Innenseite. Das ist z.B. bei jedem Mehrscheibenfenster so: Weil die Innenscheibe absolut dampfdicht ist (und auch so mit Abstandshalter an äußeren Scheiben angeschlossen), kann da, außer bei Zerstörung, keine Feuchtigkeit von innen eindringen - weder als Dampf noch flüssig. Dass das dauerhaft nahezu perfekt funktioniert beweist jede seit 1978 eingebaute Verglasung: Es ist extrem selten, dass die einmal „blindfallen“ - denn das würden die tun, sollte das mal undicht werden. Das lässt sich mit der Dampfdrucktabelle übrigens auch ganz leicht nachrechnen.
grundlagen/bauphysikalische_grundlagen/feuchte_luft.txt · Zuletzt geändert: 2022/08/23 20:33 von wfeist