Monitoringsysteme richtig planen und nutzen

Seit nunmehr ca. 25 Jahren werden Monitoringsysteme für die Überwachung von Flachdächern entwickelt und eingesetzt. Als Monitoring werden dabei in Abgrenzung zu Verfahren der Flachdachdiagnose Systeme verstanden, bei denen sensorische Komponenten fest in das zu überwachende Flachdach integriert werden, mittels derer, oft in Verbindung mit weiteren zum System gehörenden Komponenten, wie z. B. Mess- und Auswerteeinheiten, automatisiert und in kurzen Zeitintervallen Messdaten erfasst und automatisiert in Hinblick auf eine frühzeitige Erkennung und räumliche Zuordnung von Fehlzuständen ausgewertet werden.

Bild 1: Begrünter Innenhof bei einem Verwaltungsgebäude in Baden-Württemberg mit smartex® mx Echtzeitmonitoringsystem (Bild: ProGeo)

Folgende Messprinzipien werden in der Praxis angewendet:

• vollflächige Überwachung der Dichtheit der Flachdachabdichtung mittels elektro-resistiver Messverfahren, z. B. smartex® mx und smartex® is
• Erkennung von Nässeanfall auf der Dampfsperre ent­weder in Form punktförmig detektierender Sensoren (Punktsensoren) oder linienhaft detektierender Sensoren (Bandsensoren), z. B. smartex® dm
• Überwachung des Wasserdampfgehaltes im Warmdach zur Erkennung hygrothermischer Fehlzustände, z. B. smartex® vt
• Kombinationen der vorgenannten Verfahren, insbesondere als Kombination von Punktsensoren für Nässe­erkennung und Beobachtung des Wasserdampfgehalts

Als Monitoringsysteme angeboten, aber im engeren Sinne nicht den Monitoringsystemen zuzuordnen sind weiterhin Systeme zur Unterstützung manuell ausgeführter Flachdachdiagnosen, wie z. B. unterhalb der Abdichtung angeordnete elektrisch leitfähige Kontaktlagen zur Verbesserung der Wirksamkeit von manuell ausgeführten Dichtheitsüberprüfungen mit dem Elektroimpuls- oder dem Hochspannungsprüfverfahren oder Punktsensoren zur Erkennung von Nässe im Dachschichtenpaket mit RFID-oder BLE-Funkschnittstelle zur Unterstützung manuell ausgeführter Inspektionen der Wärmedämmung von Flachdächern hinsichtlich des Vorhandenseins von Nässe.

Informationstechnische Funktion von Monitoringsystemen

Monitoringsysteme werden heute i. d. R. als Echtzeitmonitoringsysteme betrieben, d. h., Messung und Auswertung der Daten erfolgen in kurzen Zeitintervallen oder quasi kontinuierlich. Kritische Fehlzustände können so, je nach angewendetem Messverfahren, praktisch ohne oder mit im Hinblick auf die drohenden Einwirkungsschäden unkritischem Zeitverzug erkannt und an die zuständigen Stellen gemeldet werden, je nach verwendetem Verfahren mit mehr oder weniger präziser Angabe des Schadens­ortes.

Die Kommunikation zwischen Monitoringsystem und verantwortlicher Stelle kann dabei auf verschiedenen Wegen erfolgen, sei es durch direkte Signalisierung und/oder Visualisierung relevanter Informationen an der Erfassungseinheit des Systems, durch Anbindung des Systems an eine Störmeldezentrale oder ein übergeordnetes Gebäudeleitsystem über potenzialfreie Kontakte oder über eine digitale Schnittstelle oder durch Benachrichtigungen per E-Mail, SMS oder Pushnachrichten. Kombinationen der verschiedenen Interaktionsmöglichkeiten sind möglich.

Mit Blick auf die zunehmend bessere Verfügbarkeit von Internetzugängen auch für verteilte Datenerfassungsprozesse der Maschinen- und Anlagen- und Gebäudeüberwachung werden Echtzeitmonitoringsysteme heute überwiegend in Client-Server-Architektur realisiert. Dies erfolgt i. d. R. in Verbindung mit einem cloudbasierten Datenbankserver zur objektbezogenen Speicherung der Messdaten, einer serverseitiger Datenauswertung sowie Bereitstellung der erforderlichen Services und Schnittstellen für die Kommunikation mit den Administratoren und Nutzern der ­Systeme. Dabei kann die Internetanbindung der lokalen Messdatenerfassungssysteme per leitungsgebundenen Netzzugängen erfolgen oder auch über Mobil- oder Weitbereichsdatenfunk, je nachdem, welche Lösung im konkreten Fall am besten geeignet ist.

Bild 2: Logistik-Immobilie am Flughafen Wien mit smartex® vt Feuchtemonitoring in der Holzdachkonstruktion (Bild: ProGeo Monitoring Systeme und Services GmbH & Co. KG)

Client-Server-Lösungen verfügen dabei über den Vorteil, dass die Messdatenerfassung vor Ort mit relativ kleinen und kostengünstigen Erfassungseinheiten erfolgen kann, die nur über eine geringe Rechenleistung verfügen müssen und daher nur einen geringen Energiebedarf aufweisen. Dies ermöglicht es, solche Systeme energieautark mit Langzeitbatterien oder mit einer Solarinselversorgung zu betreiben, sodass die Systeme z. B. bei Verwendung im Rahmen einer Dachsanierung ohne Schaffung einer externen Stromversorgung und ohne Bereitstellung eines kabelgebundenen Internetzugangs auf der Dachfläche installiert werden können, wodurch Planungs- und Installationskosten solcher Systeme deutlich reduziert werden können, da die Schaffung gebäudeinterner Installationsvoraussetzungen entfällt.

Weiterer Vorteil des Client-Server-Konzepts ist ein deutlich einfacheres Betriebs-, Alarm- und Störungsmanagement, das ohne direkten Zugang zur Erfassungseinheit vor Ort über den serverseitigen Portalzugang erfolgt, zumindest so lange Hardwarestörungen am lokalen System nicht auftreten. In Verbindung mit laufender Ferndiagnose und bedarfsbezogener Instandhaltung führt dies zu niedrigen Betriebskosten bei hoher Verfügbarkeit und Betriebssicherheit im Vergleich zu rein lokal arbeitenden Systemen mit regelmäßiger Vor-Ort-Wartung.

Bild 3: Saniertes Flachdach mit smartex® dm Nässemonitoring – Datenübertragung per energieautarkem Inselsystem (Bildmitte) (Bild: ProGeo Monitoring Systeme und Services GmbH & Co. KG)

Weiterer Vorteil der Client-Server-Lösung ist, dass die Messdaten und die damit im Zusammenhang stehenden Meldungen der Monitoringsysteme zeitlich praktisch unbegrenzt erfasst werden können und damit auch für Langzeitauswertungen oder für spätere Beweisfragen zur Verfügung stehen, ohne dass durch die Speicherfähigkeit der lokalen Erfassungseinheiten Grenzen gesetzt werden.

Die Entkopplung von lokaler Erfassung und zentraler Auswertung und deren Verknüpfung über auf standardisierten Übertragungsprotokollen aufbauenden Internetverbindungen führt dabei dazu, dass die lokalen Erfassungseinheiten mit Blick auf die langen Nutzungshorizonte und dem Stand der technischen Entwicklung folgend bei Bedarf jederzeit, auch in Zukunft, erneuert und ausgetauscht werden können. Für die feldseitigen, unzugänglich verbauten Komponenten der Monitoringsysteme bedeutet das, dass sie wartungsfrei und ausreichend alterungsbeständig sein müssen, damit die Monitoringsysteme als Ganzes einen zur Lebensdauer des überwachten Daches passenden Nutzungshorizont sicher erreichen. Die Konsequenz ist, dass unzugänglich verbaute Komponenten von Monitoringsystemen als rein passive Sensorik ausgeführt werden sollte, um den Funktionserhalt langfristig ohne Ausfall zu gewährleisten, auch wenn dies gegenüber einer Verwendung von Feldbussystemen zu einem erhöhten Installa­tions- und Verkabelungsaufwand führt.

Bild 4: Funktionsprinzip smartex® mx Abdichtungsmonitoring (Bild: ProGeo Monitoring Systeme und Services GmbH & Co. KG)

Nutzen von Monitoringsystem bei der Überwachung von Flachdächern

Schäden durch nicht oder zu spät erkannte Einwirkung von Nässe und Feuchte auf die Baukonstruktion zählen bis heute zu den wesentlichen Ursachen für Schäden an Gebäuden. Betroffen sind vor allem Bauteile, die der Witterung ausgesetzt sind und durch Abdichtungen gegen Schäden als Folge von Nässe- und Feuchteeinwirkungen geschützt werden, also Flachdächer, Balkone, Parkdecks, Hofkellerdecken. Anders als andere Bauteile, bei denen es im Laufe der Nutzung ebenfalls zu Schäden oder einem Funktionsverlust oder relevanten Funktionseinschränkungen kommen kann, sind Abdichtungen als Teil des bau­lichen Feuchteschutzes oft nur schwer zugänglich, nicht einsehbar und daher mit konventionellen Methoden wie Begehungen nur sehr begrenzt oder gar nicht inspizierbar. Hinzu kommt, dass Abdichtungen gegenüber mechanischen Beanspruchungen, z. B. im Zusammenhang mit Witterungsereignissen wie Sturm und Hagel oder mit Nutzungen auf den Abdichtungsflächen vergleichsweise beschädigungsempfindlich sind und so zu unvorhersagbarem Versagen neigen. Darüber hinaus ist die werkstoffliche Lebensdauer der Abdichtungen meist deutlich geringer als die geplante Lebensdauer des Gebäudes, das durch das Abdichtungssystem gegen Feuchteschäden geschützt werden soll. Abdichtungen sind damit Austauschbauteile, die aufgrund ungeplanter Einwirkungen im Laufe der Lebensdauer jederzeit und nach Ablauf der werkstofflichen Lebensdauer auf jeden Fall einen Funktionsverlust erleiden, ohne dass vor­hersehbar ist, wann genau dieses Ereignis eintritt.

Bild 5: Funktionsprinzip smartex® dm Nässe- und Feuchtemonitoring (Bild: ProGeo Monitoring Systeme und Services GmbH & Co. KG)

Handelt es sich bei einem solchen Abdichtungsschaden zunächst meist um einen Bagatellschaden, so ist der durch die Feuchteinwirkung auf das nunmehr ungeschützte Bauwerk entstehende Folgeschaden meist deutlich gravierender, ob nun in Form von Substanzverlusten der durch Nässe geschädigten Bausubstanz, erhöhte Energieverbräuche durch Verluste der Wärmedämmwirkung von Wärmedämmungen, Schimmelbildung, Nutzungsausfälle wegen weitgreifender Sanierungen oder gefahrenträchtiges Bauteilversagen. Grundsätzlich gilt dabei, dass feuchteinduzierte Schäden umso größer sind, je länger der primäre Abdichtungsschaden nicht erkannt wird und die Feuchtigkeit unerkannt auf das Gebäude einwirken kann.

Abdichtungsschäden sind also nicht deshalb so gefährlich und teuer, weil Abdichtungen undicht werden, sondern weil es bis heute viel zu lange dauert, Abdichtungsschäden zu erkennen und zu lokalisieren. So entstehen teure und dabei bei rechtzeitigem Erkennen vermeidbare Folgeschäden einzig als Folge von Unkenntnis, sprich wegen fehlender Information über den Zustand der Abdichtung.

Die Zunahme von Nutzungen auf den Abdichtungsflächen, sei es für Begrünungen, Regenwasserrückhalt, Foto­voltaik oder Systeme der Gebäudetechnik, verschärft dieses Problem, denn eine visuelle Inspizierbarkeit der Abdichtungen wird durch diese Nutzungen zunehmend erschwert oder gar unmöglich gemacht. Hinzu kommt, dass mit der Zunahme von Wetterextremen witterungsbedingte Beschädigungen von Abdichtungen immer häufiger auftreten können und allein schon deshalb immer häufigere Kontrollen erforderlich machen würden, die in der Praxis aber nicht durchgeführt werden oder einfach nicht durchführbar sind, wie oben erläutert.

Weitere Dramatik erhält das Problem aufgrund der Tatsache, dass auch großvolumige Gebäude zunehmend in feuchtesensiblen Bauweisen ausgeführt werden, sei es als Holzgebäude oder unter Verwendung von feuchteempfindlichen Baustoffen aus nachwachsenden Rohstoffen. Erhöhte Anforderungen an den baulichen Wärmeschutz führen dabei dazu, dass Wärmedämmungen immer dicker werden, sodass allein schon hier immer größere Substanzverluste drohen, wenn Abdichtungen längerfristig undicht sind, weil rechtzeitige Informationen fehlen.

Bild 6: Funktionsprinzip smartex® vt hygrothermisches Echtzeitmonitoring (Bild: ProGeo Monitoring Systeme und Services GmbH & Co. KG)

Diese Zusammenhänge sind bereits seit langem bekannt. So wurde bereits im ersten Bauschadensbericht der Bundesregierung von 1995 darauf hingewiesen, dass vermeidbare Bauwerksschäden als Folge von Feuchteeinwirkung vor allem deshalb entstehen, weil Fehlzustände bei Abdichtungen mangels geeigneter Diagnosetechniken zu spät erkannt und deshalb Schadensbeseitigungsmaßnahmen zu spät ergriffen werden – dies verbunden mit dem dringenden Appell, solche Systeme zu entwickeln und ihre Anwendung in der Baupraxis dadurch zu fördern, dass die öffentliche Förderung von Bauvorhaben solche präventiven Systeme als Teil proaktiver Instandhaltungsstrategien zur Bedingung macht.

Mit Blick auf die immer stärker in den Fokus tretende Diskussion über den Ressourcenverbrauch des Bauens und über die in Gebäuden gebundene graue Energie erhält Monitoring als Instrument zur Absicherung einer lebensdaueroptimierten Baustoffnutzung weitere Relevanz, denn es schafft die Grundlage für eine informationsgetriebene, langfristig ressourcenminimierte Instandhaltung bei gleichzeitiger Reduzierung von Schadenrisiken und vermeidbaren Substanz- und grauen Energieverlusten.

Monitoring ist so ein wesentlicher Treiber für das Erreichen von Nachhaltigkeitszielen und einen zukunftsgewandten, verantwortungsbewussten Umgang mit unseren Ressourcen und den daraus geschaffenen Werten. Um diesem Anspruch gerecht zu werden, müssen moderne Monitoringsystem:

• Fehlzustände des baulichen Feuchteschutzes so schnell melden, dass bei weiterhin zügigem Handeln Folgeschäden durch Einwirkung von Feuchtigkeit und Nässe soweit wie möglich verhindert werden.
• dort, wo eine Lokalisierung von Schäden konventionell oder mit bedarfsweiser ausgeführter Diagnostik nicht möglich ist, möglichst präzise Informationen über den Schadensort liefern, sodass Substanzverluste durch Rückbau von Bauteilen zum Auffinden von Schäden soweit wie möglich vermieden werden.
• so konzipiert sein, dass eine dauerhafte, lebensdauerbegleitende Funktion sichergestellt ist.
• automatisierbar sein, sodass ein dauerhafter und kostengünstiger Betrieb sichergestellt ist.

Um diese Ziele zu erreichen, sollte bereits im Entwurfs­stadium eines Gebäudes auch die Frage des Monitorings planerisch betrachtet werden. Mit einem Team von langjährig erfahrenen Ingenieuren steht ProGeo als führender Systemanbieter von Monitoringsystemen Architekten und Fachplanern bei der Entwicklung in allen Phasen der Planung zu Seite.