Aufgabenstellung und Berechnungsziel
Das Modul WAKO berechnet den Wärmedurchgang durch eine mehrschichtige ebene Wand mit bis zu drei Schichten und prüft, ob sich auf der warmen Wandoberfläche Schwitzwasser bildet. Aus den Schichtdaten, den Wärmeübergangskoeffizienten auf beiden Seiten und den Temperaturen ergeben sich die Wärmedurchgangszahl, die Wärmestromdichte und die Wandoberflächentemperaturen.
Typische Anwendungen sind Kühlraum- und Kühlhauswände, isolierte Behälterwände und Gehäuse in der Verfahrenstechnik: Überall dort, wo eine kalte Wand an feuchte Umgebungsluft grenzt, muss die Oberflächentemperatur über der Taupunkttemperatur der Umgebungsluft liegen, sonst kondensiert Wasser aus. Das Modul vergleicht dazu die berechnete Wandtemperatur mit dem aus Luftdruck und relativer Feuchte bestimmten Taupunkt und weist die Feuchte- und Enthalpiedifferenz zwischen Umgebung und Wand aus.
Ein Wärmebrückenfaktor erlaubt es, den erhöhten Wärmestrom über Profile, Befestigungen und Paneelstöße pauschal zu berücksichtigen — in der Praxis entscheidet oft gerade die Wärmebrücke darüber, ob lokal Kondensat auftritt, obwohl die ungestörte Wand rechnerisch trocken bleibt.
So läuft die Berechnung ab
- Wandaufbau definieren: Die Anzahl der Schichten (bis zu drei) wird gewählt; für jede Schicht werden Dicke und Wärmeleitfähigkeit vorgegeben, etwa Deckblech, Dämmkern und Deckblech eines Sandwichpaneels.
- Randbedingungen beider Seiten festlegen: Für beide Wandseiten werden Temperatur, Luftdruck, relative Feuchte und Wärmeübergangskoeffizient eingegeben; der Wärmebrückenfaktor erfasst zusätzliche Verlustpfade über die Konstruktion.
- Wärmedurchgangszahl und Wärmestromdichte berechnen: Aus der Reihenschaltung der Übergangswiderstände 1/α und der Leitwiderstände s/λ der Schichten folgt die Wärmedurchgangszahl k; mit der Temperaturdifferenz ergibt sich die Wärmestromdichte q.
- Wandtemperaturen bestimmen: Über die Übergangswiderstände wird die Temperatur der beiden Wandoberflächen berechnet — maßgebend für die Tauwasserprüfung ist die Oberfläche auf der warmen, feuchten Seite.
- Schwitzwasserprüfung: Aus Lufttemperatur, Luftdruck und relativer Feuchte wird die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft ermittelt. Liegt die Wandtemperatur darunter, meldet das Modul Schwitzwasserbildung; die Feuchtedifferenz und die Enthalpiedifferenz zwischen Umgebung und Wand quantifizieren das Kondensationspotenzial.
Eingabegrößen
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Wärmeübergangskoeffizient | αi | – |
| Wärmeübergangskoeffizient | αa | – |
| Anzahl der Schichten | z | – |
| Schicht 1 | s1 λ1 | – |
| Schicht 2 | s2 λ2 | – |
| Schicht 3 | s3 λ3 | – |
| Schicht 1 | λ1 | – |
| Schicht 2 | λ2 | – |
| Schicht 3 | λ3 | – |
| Temperatur | ϑ1 | – |
| Temperatur | ϑ2 | – |
| Wärmedurchgangszahl | k = | – |
| Wärmestrom | Q | – |
| Innendurchmesser | di | – |
| Durchmesser 1 | d1 | – |
| Durchmesser 2 | d2 | – |
| Außendurchmesser | da | – |
| Wandtemperatur | ϑwi | – |
| Wandtemperatur | ϑwa | – |
| Rohrlänge | l | – |
| Wärmebrücken Faktor | kbi kba | – |
| Wärmebrücken Faktor | kbi kba | – |
| Feuchtediff. Umgeb.-Wand | Δxi Δxa | – |
| Feuchtediff. Umgeb.-Wand | Δxi Δxa | – |
Berechnungsergebnisse
| Größe | Symbol | Einheit |
|---|---|---|
| Wärmestrom | Q | – |
| Fläche außen | Aa | – |
| Fläche innen | Ai | – |
| Fläche Schicht 1 | Am1 | – |
| Fläche Schicht 2 | Am2 | – |
| Fläche Schicht 3 | Am3 | – |
| Wärmedurchgangszahl bezogen auf Innenfläche | ki | – |
| Wärmedurchgangszahl bezogen auf Außenfläche | ka | – |
| Wandtemperatur | ϑwi | – |
| Wandtemperatur | ϑwa | – |
Gelöstes Beispiel
Eine Kühlhauswand aus Sandwichpaneelen trennt einen Tiefkühlraum (−20 °C) von einer Halle mit 25 °C und 60 % relativer Feuchte. Gesucht sind Wärmedurchgangszahl, Wärmestromdichte und die Wandtemperatur auf der warmen Seite sowie die Prüfung auf Schwitzwasserbildung (ohne Wärmebrückenzuschlag).
Gegebene Werte
| Schicht 1: Stahlblech | 1 mm, λ = 50 W/(m·K) |
| Schicht 2: PUR-Dämmkern | 100 mm, λ = 0,025 W/(m·K) |
| Schicht 3: Stahlblech | 1 mm, λ = 50 W/(m·K) |
| Wärmeübergangskoeffizient warme Seite αa | 8 W/(m²·K) |
| Wärmeübergangskoeffizient kalte Seite αi | 8 W/(m²·K) |
| Lufttemperatur warm / kalt | 25 °C / −20 °C |
| Relative Feuchte warme Seite | 60 % |
Lösungsweg
Wärmedurchgangszahl
1/k = 1/αa + s₁/λ₁ + s₂/λ₂ + s₃/λ₃ + 1/αi
1/k = 1/8 + 0,001/50 + 0,100/0,025 + 0,001/50 + 1/8 = 0,125 + 0,00002 + 4,000 + 0,00002 + 0,125 = 4,250 m²·K/W
k = 0,235 W/(m²·K) — die Stahlbleche sind thermisch vernachlässigbar, der Dämmkern dominiert.
Wärmestromdichte
q = k · (ϑwarm − ϑkalt) = 0,235 · (25 − (−20)) = 0,235 · 45 = 10,6 W/m²
Wandtemperatur auf der warmen Seite
ϑW = ϑwarm − q/αa = 25 − 10,6/8 = 23,7 °C
Taupunkt und Schwitzwasserprüfung
Bei 25 °C beträgt der Sättigungsdampfdruck etwa 31,6 mbar; bei 60 % relativer Feuchte ist der Wasserdampfpartialdruck 0,60 · 31,6 = 19,0 mbar. Daraus folgt (Magnus-Formel) eine Taupunkttemperatur von ϑTau ≈ 16,7 °C.
Da ϑW = 23,7 °C > 16,7 °C: keine Schwitzwasserbildung an der ungestörten Wand.
Ergebnis
| Wärmedurchgangszahl k | 0,235 W/(m²·K) |
| Wärmestromdichte q | 10,6 W/m² |
| Wandtemperatur warme Seite | 23,7 °C |
| Taupunkttemperatur (25 °C, 60 %) | 16,7 °C |
| Schwitzwasserbildung | nein |
Alle Werte sind beispielhaft. Maßgeblich sind das jeweils gültige Regelwerk und die projektspezifischen Randbedingungen.
Häufige Fragen
Auf welcher Seite der Wand bildet sich Schwitzwasser?
Kondensat entsteht auf der Oberfläche, deren Temperatur unter der Taupunkttemperatur der angrenzenden Luft liegt — bei Kühlräumen also außen auf der warmen, feuchten Umgebungsseite. Das Modul prüft beide Seiten mit den jeweiligen Luftzuständen, deshalb werden Temperatur, Feuchte und Luftdruck für beide Seiten getrennt eingegeben.
Welche Rolle spielt der Wärmeübergangskoeffizient bei der Tauwasserprüfung?
Ein kleiner äußerer Wärmeübergangskoeffizient (ruhende Luft, abgedeckte Ecken) senkt die Oberflächentemperatur der Außenwand kaum — er hebt sie an, weil der Wärmestrom sinkt, gleichzeitig steigt aber der Temperaturabfall im Übergangswiderstand. Entscheidend ist das Verhältnis von Übergangswiderstand zu Gesamtwiderstand: In strömungsarmen Ecken und hinter Verkleidungen ist α klein und die Wandtemperatur nähert sich der Kerntemperatur — dort tritt Kondensat zuerst auf. Für Nachweise wird deshalb konservativ mit kleinen α-Werten gerechnet.
Wozu dient der Wärmebrückenfaktor?
Sandwichpaneele, Unterkonstruktionen und Befestigungen leiten Wärme deutlich besser als der Dämmkern. Der Wärmebrückenfaktor erhöht den flächenbezogenen Wärmestrom pauschal, ohne jede Brücke einzeln zu modellieren. Für die lokale Tauwasserbeurteilung an einer konkreten Wärmebrücke (z. B. Stahlprofil) reicht der Pauschalfaktor allerdings nicht — dort ist eine detaillierte zwei- oder dreidimensionale Betrachtung nötig.
Gilt die Berechnung auch für instationäre Zustände?
Nein, die Rechnung ist stationär. Kurzzeitige Zustände wie Abtauphasen, Türöffnungen oder schwüle Wetterlagen können vorübergehend Kondensat verursachen, obwohl die stationäre Rechnung trocken ausweist. Für die Auslegung sollten daher die ungünstigsten anzusetzenden Dauerzustände (höchste Außenfeuchte, tiefste Raumtemperatur) geprüft werden.