Forschung im Fokus

Eine Software-Familie erobert die Baubranche

Bauschäden und ihre Folgen beschäftigen die Baubranche zunehmend: die Zahl der Schäden am Bau ist von 2002 bis 2013 um mehr als 400 Prozent gestiegen und auch die Gesamtschadensumme wächst kontinuierlich. Dies belegt ein Gemeinschaftsprojekt des Bauherren-Schutzbund e.V., der Berufshaftpflicht AIA AG und des Instituts für Bauforschung e.V., das unter anderem die Entwicklung der Bauschäden in diesem Zeitraum analysiert hat. Nicht selten enden kleine, mittlere und große Bauprojekte aufgrund substanzieller Gebäudeschäden auf den Schreibtischen von Gutachtern, Berufshaftpflicht-Anbietern, Anwälten und schlimmstenfalls vor Gericht. Wer hat Schuld? Liegen Planungsfehler vor oder wurde bei der Bauausführung gepfuscht? Wurden vielleicht sogar ungeeignete Baumaterialien verwendet oder bestimmte Umweltfaktoren nicht ausreichend berücksichtigt? Die Anforderungen an die Gebäude sind jedenfalls in den letzten Jahren enorm gestiegen: Sie sollen kosten- und energieeffizient sein sowie nutzerorientiert steuerbar; und natürlich ist ein gesundes Wohlfühlklima in den Räumen heute eine Grundvoraussetzung. Häufig lautete die Beschwerde jedoch: Im Sommer zu heiß und im Winter ist die Innenraumluft häufig zu trocken. »Die Forderung nach gesunden, dauerhaften und Energie sparenden Gebäuden stellen Architekten, Planer und Ausführende vor große Herausforderungen«, erläutert Prof. Dr. Klaus Peter Sedlbauer, Leiter des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik IBP, und bringt einen wichtigen Punkt ins Spiel: »Ohne die Berücksichtigung vielschichtiger hygrothermischer Zusammenhänge ist eine solide Planung nicht zu bewältigen.« Dies haben Wissenschaftler des Fraunhofer IBP bereits Mitte der Neunziger Jahre erkannt und begonnen, die Simulationssoftware WUFI® zu entwickeln. Inzwischen feiert die erfolgreiche Software ihr 20-jähriges Jubiläum.

WUFI, das steht für Wärme Und Feuchte Instationär. Das Programm bildet die Grundprinzipien und Wechselwirkungen beim Wärme- und Feuchtetransport von Bauteilen unter natürlichen Klimabedingungen transparent ab und vermittelt aufschlussreiche Einsichten in die Vorgänge, die sich im Bauteil selbst abspielen. Wie notwendig diese Informationen für eine solide Planung sind, lag für Dr. Hartwig Künzel, Leiter der Abteilung Hygrothermik am Fraunhofer IBP und seinen Kollegen Prof. Dr. Martin Krus schon 1995 auf der Hand. Mit unterschiedlicher Schwerpunktsetzung befassten sich die beiden Bauphysiker mit dem Wärme- und Feuchtetransport in Bauteilen, die in enger Korrelation zueinander stehen. Dr. Künzel entwickelte das Rechenmodell und Prof. Krus die Messmethodik zur Bestimmung der notwendigen Materialkennwerte. Ein erhöhter Feuchtegehalt lässt Wärmeverluste steigen und umgekehrt beeinflussen die Temperaturverhältnisse den Feuchtetransport im Bauteil. Diese gegenseitige Abhängigkeit zu untersuchen und daraus Standards zu definieren, legte den Grundstein für die Entwicklung von WUFI ®. Dabei bot das weltweit einmalige Freilandversuchsgelände am Standort Holzkirchen ideale Voraussetzungen, die Berechnungen mit Freiland- und Labordaten wissenschaftlich zu untermauern. Durch den ständigen Vergleich zwischen gemessenen und berechneten Daten entstand ein zuverlässiges Verfahren, das die Gebrauchstauglichkeit eines Gebäudes, eines Bauproduktes oder einer Bauweise bestätigt.
Lange war das sogenannte Glaser-Verfahren das Standardwerkzeug für die feuchtetechnische Bemessung von Bauteilen. Es erlaubt jedoch ausschließlich eine stationäre, das heißt stark vereinfachte Beurteilung der winterlichen Tauwassergefahr. Einflüsse wie Baufeuchte, Schlagregen, aufsteigende Feuchte aus dem Erdreich, hygroskopische Feuchte oder Sommerkondensation finden dabei keine Berücksichtigung. Die hygrothermische Simulation mit WUFI ® ermöglicht dagegen eine realitätsnahe Ermittlung der instationären Wärme- und Feuchteverhältnisse in Abhängigkeit vom gemessenen Außenklima und der realen Nutzung, die alle zuvor genannten Effekte mit einschließt. Dadurch erlaubt die Software eine feuchtetechnische Beurteilung von Bauteilen bei beliebigen Klimarandbedingungen und Nutzungen nicht nur im Jahresverlauf, sondern auch langfristig über die Standzeit des Gebäudes. Möglich sind Aussagen zu Schadensmechanismen wie Frost, Schimmel, Holzfäule, Entfestigung von Materialien, Tauwasserbildung an den Oberflächen und innerhalb des Bauteils, Korrosion an Metallteilen usw. Weiterhin lassen sich WUFI® Bauteile und Systeme für verschiedene Anwendungsbereiche und Klimastandorte optimieren oder Fragen zur Austrocknungsdauer neuer oder durch Wasserschäden durchfeuchteter Bauteile beantworten. Da der verwendete Rechenkern sich an der numerischen Strömungsmechanik (CFD) orientiert und von Anfang an sehr schnell rechnete, war und ist er den Konkurrenzprodukten in vielerlei Hinsicht überlegen. Seit 2007 ist die Software des Fraunhofer IBP nun in der DIN EN 15026 genormt und darüber hinaus ein akzeptiertes Verfahren zur feuchtetechnischen Bemessung nach DIN 4108.

Eine Familie mit vielen Facetten

Über die Jahre hat sich die WUFI®-Familie kontinuierlich erweitert und umfasst inzwischen alle Aspekte der hygrothermischen Bauteil- und Gebäudesimulation: Ob Schadensfreiheit im Regelquerschnitt sowie an kritischen Stellen wie den Anschlussbereichen einzelner Baukonstruktionen gewährleistet ist, beurteilen die Programmversionen WUFI® Pro und WUFI® 2D. WUFI® Plus und WUFI® Passive decken hingegen die Gebäudesimulation ab und legen einen stärkeren Fokus auf Hygiene und Komfort im Innenraum. Die Fraunhofer-Wissenschaftler freuen sich über den Erfolg der Software: »Verkauften wir im ersten Jahr das Programm WUFI® Pro noch an überschaubare fünf Kunden, so haben wir allein seit 2012 mehr als 3000 Lizenzen auf den Markt gebracht.« Inzwischen sind die verschiedenen Produkte der WUFI®-Familie in über 40 Ländern bei Planern, Architekten, Bauproduktherstellern, Baufirmen und Sachverständigen, aber auch an zahlreichen Bildungseinrichtungen und Universitäten im Einsatz.

Zum 20jährigen Jubiläum von WUFI ® Pro erscheint Ende November die Version 6.0. Das von Anfang an kontinuierlich weiterentwickelte Basisprogramm der WUFI ®-Familie wird damit noch stabiler, vielseitiger und benutzerfreundlicher. Bei der Weiterentwicklung standen in den letzten Jahren unter anderem die Verbesserung der Feuchtesicherheit der Bauteile durch die Berücksichtigung typischer Konvektions- und Niederschlagsleckagen und eine einfachere Ergebnisbeurteilung mit Hilfe von sog. Postprozessoren im Vordergrund. Diese erlauben zum Beispiel eine detaillierte Prognose des Schimmelpilzwachstumsrisikos (WUFI ® Bio und WUFI ® VTT), die Überprüfung der hygienischen Anforderungen auf Basis des instationären U-Werts oder die Vorhersage der Korrosionsgeschwindigkeit von Metallteilen, die in mineralischen Materialien eingebettet sind (WUFI ® Korr). Weitere Zusatzprogramme, unter anderem zur Prognose von Holzfäuleprozessen, Korrosion von Holzverbindungen sowie zur Bewertung von Innendämmungen und Holzbauteilen entsprechend den neuen WTA-Merkblättern sind derzeit in Bearbeitung.
»Der instationären Gebäudesimulation gehört die Zukunft, denn sie wird die Grundlage für die Entwicklung hygienisch einwandfreier und komfortabler Null- und Plusenergiehäuser bilden«, ist sich Florian Antretter, Leiter der Gruppe Hygrothermische Gebäudeanalyse aus der Abteilung Hygrothermik sicher. Die hygrothermische Gebäudesimulation zeigt realitätsnah die Wechselwirkungen von Gebäudehülle und Gebäudetechnik, Nutzungsart und Nutzerverhalten. Dadurch lassen sich beispielsweise verschiedene Lüftungsstrategien durchspielen, die Komfortbedingungen im Raum beurteilen oder auch verschiedene passive Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs (Dämmung, Fenster, Speichermassen, etc.) vergleichen. Dabei ist nicht nur das energetische, sondern auch das feuchtetechnische Verhalten von Bauteilen und Gebäuden bei verschiedenen Klimaverhältnissen zu beachten. Die darauf ausgelegten Programme WUFI ® Plus und WUFI ® Passive erschienen im Mai diesen Jahres mit der Upgrade-Version 3.0. WUFI ® Plus ist das umfassendste Werkzeug der WUFI ®-Familie und ermöglicht Raumklimasimulationen inklusive der hygrothermischen Verhältnisse im Bauteil. Im Jahr 2004 wurde die Software im Rahmen eines Forschungsprojektes des Bundeswirtschaftsministeriums weiterentwickelt und validiert. Da die instationären Feuchteverhältnisse in Räumen besser abgebildet werden als bei herkömmlichen Gebäudesimulationsmodellen, können Fragestellungen zu Komfort, Energiebedarf und Raumklima besonders realitätsnah beantwortet werden.
Passivhäuser weisen einen sehr niedrigen Energiebedarf auf. Bei hoher Schwankung des Außenklimas oder wenn Kühlung und Entfeuchtung der Raumluft eine große Rolle spielen, sind dynamische Modelle nötig, um das hygrothermische Verhalten eines Gebäudes adäquat abzubilden. Thermische und hygrische Speichermassen lassen sich genauer bemessen, um den Energiebedarf weiter zu optimieren und Komforteinschränkungen, zum Beispiel durch Überhitzung, auszuschließen. Weiterhin erfordert die Übertragung von hoch gedämmten Bauteilen in andere Klimazonen eine dynamisch-hygrothermische Beurteilung, um die Schadensfreiheit sicherzustellen. Deshalb haben das Fraunhofer IBP und das Passive House Institute US (PHIUS) im Jahr 2012 gemeinsam das Programm WUFI ® Passive entwickelt, das einen Standard-Passivhausnachweis und im Anschluss für das nachgewiesene Gebäude auch noch eine hygrothermische Gebäudesimulation ermöglicht.
Doch nicht nur bei Fragestellungen in den Bereichen Neubau und Sanierung von Wohn- und Nichtwohngebäuden kommen die WUFI ®-Programme zum Einsatz, sondern auch bei Schadensbegutachtung und -analyse, im Sanierungsbereich und bei außergewöhnlichen Gebäuden fernab der Standardnutzung können Planer, Energieberater, Bauprodukthersteller oder andere Bauausführende auf die Programme des Fraunhofer IBP zurückgreifen. Darunter fallen beispielsweise historische Gebäude, Kühlhallen oder Schwimmbäder.
Heute ist die WUFI ®-Familie aus dem Planungs- und Baualltag vieler Büros und Hersteller nicht mehr wegzudenken. Das zeigt nicht zuletzt auch die hohe Auslastung der Seminare und Schulungen , die das Fraunhofer IBP und seine Partner in mittlerweile 20 Ländern anbieten. Zudem können sich Interessierte kostenfreie WUFI®-Versionen herunterladen, die für die nicht kommerzielle Nutzung, bzw. mit Einschränkungen über den Webshop bezogen und genutzt werden können.
schw/taf