Wärmedämmung


Wärmedämmung
Wärmedämmung bei einer Gebäudefassade
Wärmegedämmte Rohrleitungen in einem Heizungskeller
Steinwolle zur Wärmedämmung innerhalb einer Leichtbauwand in Kanada
Temperaturverlauf in einer außen gedämmten Kalksandsteinwand im WDV-System

Wärmedämmung soll den Durchgang von Wärmeenergie möglichst weit reduzieren. Die Wärmedämmung dient zur Reduzierung von Wärmeverluste an eine kalte Umgebung; bei Anlagen der Wärmetechnik steht die Vermeidung von Verlusten durch Wärmeabgabe bzw. -abstrahlung im Mittelpunkt und bei Kälteanlagen soll der Eintrag von Umgebungswärme vermindert werden. Die Wärmedämmung von Gebäuden wird durch die Bauweise vorgegeben und kann durch Einsatz von Dämmstoffen verstärkt werden. Passivhäuser mit optimaler Dämmung kommen ohne Heizung aus, weil die Abwärme der Nutzer zur Schaffung einer behaglichen Temperatur im Inneren ausreicht.

Der Schutz eines Gebäudes vor dem Eindringen von Wasser wird als Bauwerksabdichtung bezeichnet.

Beispiele für die Anwendung von Wärmedämmungen an Personen, Gegenständen oder Anlagen sind Bettdecke, Pelzmantel, Handschuh, Daunenoverall, Kühltasche, Rohrdämmung, Holzfaserdämmplatte. In der Raumfahrttechnik setzt man zum Beispiel Multilayer-Insulation-Folien ein (englisch insulation = Dämmung).

Inhaltsverzeichnis

Funktionsweise

In allen Fällen wird durch den möglichst kleinteiligen Einschluss (inklusive Windschutz) von Gas oder Vakuum durch festes Material dem Wärmefluss thermischer Energie ein möglichst hoher Widerstand entgegengesetzt.

Gebräuchliche Strukturgeometrien sind:

Gebräuchliche Formen sind:

Gebräuchliche Materialien sind:

Physikalische Maßgröße und Einheit

Zur Kennzeichnung der wesentlichen Eigenschaften von Wärmedämmstoffen dienen verschiedene Größen:

  • Die Wärmeleitfähigkeit (meistens als λ-Wert bezeichnet) ist eine spezifische Eigenschaft des jeweiligen Materials und hat die Einheit W/(mK). Die Leistung des Wärmeflusses durch einen Quader, bei dem zwei gegenüberliegende Flächen auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden, ergibt sich als λ multipliziert mit der Querschnittsfläche und der Temperaturdifferenz der Endflächen dividiert durch die Dicke.
  • Der Wärmedurchgangskoeffizient (wird als U-Wert bezeichnet – früher: „k-Wert“) charakterisiert nicht ein Material an sich, sondern ein Bauelement wie zum Beispiel eine Dämmplatte, die auch aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien bestehen könnte. Der U-Wert hat die Einheit W/(m²K). Die Leistung des Wärmeflusses ergibt sich als der U-Wert multipliziert mit der Temperaturdifferenz und der Querschnittsfläche.
  • Der Wärmedurchlasswiderstand (mit R bezeichnet) ist der Widerstand, den die Bauteilschicht (oder das Bauteil selbst) der Wärmeleitung entgegenstellt. Er wird berechnet, indem die Dicke der Bauteilschicht (Variable d) durch die Wärmeleitfähigkeit λ dividiert wird: R = d/λ. Die übliche Maßeinheit ist m²K/W. Der Wärmedurchlasswiderstand ist der Kehrwert des Wärmedurchgangskoeffizienten.

Bei der Planung und anschließenden Berechnung einer guten Wärmedämmung (einer Immobilie) kommt dem Wärmeübergangswiderstand eine wichtige Bedeutung zu. Dabei wird jenem Bereich, der zwischen Bauteil (Fassade / Wärmedämmstoff) und angrenzender Luft liegt, ein auf Erfahrungswerten basierender Übergangswiderstand zugeordnet. Er differenziert die isolierende Wirkung des Dämmstoffes zwischen Innen- und Aussendämmung aufgrund des unterschiedlichen Verhältnisses von Wärmeleitung und Wärmestrahlung.

In der Innendämmung beträgt der Wärmeübergangswiderstand (Ri) erfahrungsgemäß Ri = 0,13 m²K/W.

In der Außendämmung wird der Wärmeübergangswiderstand (Ra) erfahrungsgemäß zu Ra = 0,04 m²K/W angesetzt.

Bei der Perimeterdämmung – der Dämmung erdberührter Bauteile – nimmt man wegen des dominierenden Effekts der Wärmeleitung als Wärmeübergangswiderstand Ra = 0 m²K/W an.

Für ein homogenes Bauteil ist der U-Wert gleich dem λ-Wert dividiert durch die Dicke. Ein niedriger U-Wert kann also selbst bei großem λ-Wert des Materials erreicht werden, wenn die Dicke genügend groß ist. Andererseits kann ein hoher U-Wert eines Bauteils trotz niedrigem λ und großer Dicke entstehen, wenn Konstruktionsfehler oder Beschädigungen zu Wärmebrücken führen, etwa durch Spalte oder durchfeuchtete Stellen.

Wie schnell sich eine Temperaturänderung in einem Material ausbreitet, hängt nicht nur von seiner Wärmeleitfähigkeit, sondern auch von seinem Wärmespeichervermögen ab. Maßgeblich hierfür ist die Temperaturleitfähigkeit, mit der Maßeinheit m²/s.

Wärmedämmung von Lebewesen

Die Bandbreite körpereigener Wärmedämmung reicht von der natürlich vorhandenen Behaarung bzw. Befiederung, über das Fettgewebe bis zur Speckschicht gleichwarmer Wirbeltiere (besonders bei polarer oder mariner Lebensweise). Darüber hinaus verwenden viele Tiere beim Nestbau isolierende Materialien. Menschen bedienen sich zusätzlich tierischer Felle oder pflanzlicher oder synthetischer Fasern zur Bekleidung, um sich auch unterwegs vor Wärmeverlusten zu schützen (siehe auch Nacktheit).

Erforschung der Wärmedämmung

Im Zuge der Entwicklung von Kältetechnikverfahren besonders durch Professor Carl von Linde, ab 1868 für mehrere Jahrzehnte an der Technischen Hochschule (heute: Technische Universität München) und der 1879 von ihm gegründeten Gesellschaft für Lindes Eismaschinen Aktiengesellschaft (heute: Linde AG) im Süden Münchens wurde auch die Entwicklung der Wärmedämmung vorangetrieben und 1918 das Forschungsheim für Wärmeschutz (heute: Forschungsinstitut für Wärmeschutz e. V. München, Abk. FIW) in München gegründet.[1]

Wärmedämmung von Anlagen

Der Schutz vor Wärmeverlusten bzw. Kälteverlusten durch 'Wärmegewinne' bei Kältemaschinen und ihren Rohrleitungen (Kälteanlagen), ist sowohl für die Energieeffizienz, als auch für die Anlagenfunktion an sich in vielen Fällen betriebsnotwendig. Durch die gestiegenen Kosten fossiler Energieträger kommt ein ökonomischer Anreiz hinzu.

Wärmedämmung von Gebäuden

Die Wärmedämmung von Gebäuden zur Einsparung von Heizenergie hat im Rahmen des Bewusstwerdens für nachhaltige Entwicklung und der Verteuerung von Energie in den 1990er Jahren des 20. Jahrhunderts einen hohen Stellenwert erhalten. Insbesondere auch deshalb, weil zeitgleich gesetzliche Vorschriften zur Wärmedämmung von Gebäuden beschlossen wurden. Die erste Fassung der Energieeinsparverordnung ist im Jahr 2002 in Kraft getreten und seitdem sind mehrere Novellierungen erfolgt. Derzeit gültig ist die EnEV 2009 und die nächste Novellierung ist für das Jahr 2012 vorgesehen.[2] Mit steigendem Bewusstsein für die Erschwernisse durch sommerliche Überhitzung des Gebäudeinneren werden die Vorteile einer starken Wärmedämmung für den Sommer deutlicher erkennbar.

Baustoffe wie Stahl, Beton und Glas, aber auch Natursteine sind relativ gute Wärmeleiter, so dass die daraus errichteten Außenwände von Gebäuden bei kalter Witterung sehr schnell die Wärme von der Innenseite an die Außenseite abgeben. Beim Einsatz dieser Baustoffe werden die Außenwände, auch nachträglich, mit so genannten Dämmstoffen versehen, um so den Heizenergiebedarf zu reduzieren. Gleichzeitig wird der sommerliche Hitzeschutz verbessert, da die Wärme nur langsam in das Gebäude eindringt und die Behaglichkeit reduziert. Beim Einsatz von Klimaanlagen führt dies zur Einsparung von Betriebsenergie.

Arten der Wärmedämmung

Man unterscheidet Außen-, Innen- und Kerndämmung. In weiten Teilen Deutschlands ist der einschalige Wandaufbau aus tragenden und wärmedämmenden Baustoffen wie zum Beispiel Ziegel oder Bims- und Porenbeton gängig. In Verbindung mit Kalksandstein oder schlecht dämmenden anderen Bausteinen wird eine zweischalige Wand mit vorgesetzter Dämmschicht zu einer geschickten Kombination von Statik, Schallschutz, Wärmespeicherung und Wärmedämmung. In Norddeutschland ist der dreischalige Wandaufbau mit Kerndämmung häufig, bei modernen Fassadensystemen wird oft eine Glas-Luft-Glas-Fassade gebaut. Bei der wärmetechnischen Sanierung des Bestandes wird die zweischalige Konstruktion oft als Wärmedämmverbundsystem bezeichnet.

Sonderfälle

In manchen Fällen ist eine Außendämmung nicht möglich oder nicht gewünscht. So kann man bei Lehmaußenwänden in Fachwerkhäusern und Gebäuden, deren Außenfassade erhalten bleiben soll, auch nachträglich eine Innendämmung aufbringen. Innendämmungen sind problematischer, da der Taupunkt nach innen wandert und dadurch die Gefahr von Feuchtigkeitsbildung und damit von Gebäudeschäden besteht. Wenn die Konstruktion mit diffusionsoffenen kapillaraktiven Dämmstoffen ausgeführt wird, lassen sich diese Probleme heute im Regelfall beherrschen.
Innendämmungen mit Dampfsperren sind ebenfalls möglich, müssen jedoch sehr sorgfältig ausgeführt werden, da bei Beschädigung der Dampfsperre sich bildende Feuchtigkeit kaum mehr aus der Konstruktionsebene entweichen kann. Eine recht elegante Alternative ist das Ankleben mineralischer Schaumplatten, die ziemlich den gleichen Wasserdampfwiderstand haben wie Mauerwerk. In jedem Fall muss eine Innendämmung durchgehend luftdicht gegenüber der Raumluft abgeschlossen werden, um Hinterlüftung und dadurch zwangsläufig entstehende Kondensation durch Konvektion zu vermeiden.

Probleme beim nachträglichen Einbau von Wärmedämmungen

Eine Wärmedämmung muss physikalische Gegebenheiten berücksichtigen. Nicht fachgerecht ausgeführte Konstruktionen können für erhebliche Probleme sorgen, meistens sind dies Feuchtigkeitsprobleme durch Kondensation (siehe auch Taupunkt).

Einige Beispiele hierzu:

  • Eine einfache und effektive Maßnahme ist der Austausch von Fenstern. Bei schlecht gedämmten Gebäuden mit schlechtem Wärmedurchgangskoeffizienten (U-Wert) kann dies dazu führen, dass die kältesten Stellen (unter zirka 12 °C, ab zirka 60 % relativer Luftfeuchte), an denen sich gegebenenfalls Feuchtigkeit niederschlägt, nicht mehr die Fenster sind (wo leicht abgewischt werden kann), sondern andere Stellen (meistens Raumecken), die außerdem schlecht durchlüftet sind. Da die modernen Fenster einen guten U-Wert haben, verschiebt sich der Taupunkt an den Rand des Fensters (meistens unzureichende Anschlussdämmung zwischen Fensterrahmen und Wand) – Schimmelbildung kann die Folge sein. Daher ist eine gleichzeitige Dämmung der Außenwände mit in Betracht zu ziehen. Durch eine Dämmung ändert sich der Feuchtigkeitseintrag in die Raumluft nicht. Aber die Feuchtigkeit „findet“ keine kalten Stellen mehr. Auch durch manuelles Lüften oder eine kontrollierte Wohnraumlüftung kann die relative Raumluftfeuchte auf Werten von kleiner 65 % gehalten werden. Damit existiert in der Regel auch kein Taupunkt in oder an den Wänden, da der Wasserdampfdruck über der Wanddicke in der Regel schneller als der Sättigungsdampfdruck (infolge Temperaturabnahme) absinkt.
  • Wird eine Innendämmung mit Mineralwolle angebracht, so sinkt die Oberflächentemperatur der vorhandenen Wand. Ist keine Dampfsperre angebracht, bzw. ist der Dämmstoff wasserdampfdurchlässig, bleibt der Wasserdampfdruck der gleiche wie vorher. Deswegen steigt die relative Feuchte zwischen Dämmstoff und Wandinnenseite. Dadurch kann Wasser in die Konstruktion eindringen und zu einer Feuchtebelastung führen. Daher muss bei solch einer Innendämmung ein sorgfältig zur Raumluft abgedichteter Aufbau mit dampfsperrender Folie verwendet werden. Es gilt immer das Prinzip, dass die Konstruktion bzw. der Wandaufbau in der Lage sein muss, mehr Dampf durch- bzw. abzuleiten als in die Konstruktion eingeleitet wird. Wird die Montage mangelhaft ausgeführt oder die Folie später beschädigt, sind ebenfalls Feuchteschäden die Folge. Um Folgeschäden zu umgehen werden Innendämmungen deshalb häufig mit diffusionsoffenen, saugfähigen Materialien ausgeführt, die das Tauwasser ableiten können.
  • Die Einbeziehung (Mitrechnen und Reduzieren) von Wärmebrücken (Ecken, auskragende Platten) ist bei Wärmedämmmaßnahmen wichtig, da sie die Wirkung der Wärmedämmung herabsetzen.

Wärmedämmung – ein kontroverses Thema

Wärmedämmmaßnahmen wurden oft für Bauschäden verantwortlich gemacht, die sich meistens als Feuchtigkeitsschäden zeigen. Tatsächlich sind Entwurfs- und Baufehler oder falsches Verhalten der Bewohner dafür verantwortlich. Als Planungshinweis bezüglich der Feuchtigkeit dienen die Normen DIN 4108–3 bzw. EN ISO 13788, die eine Berechnung nach dem Glaserverfahren benutzen. Hier wird anhand physikalischer Parameter wie Dampfdruck, Temperaturen und Wärmeleitfähigkeit der Konstruktion bestimmt, ob während der kritischen Winterperiode in der Konstruktion Kondensat auftreten kann und wie viel. Aufgabe des Planers ist es, die Konstruktion feuchtigkeitssicher zu wählen. Ob die nach der Norm allgemein als unkritisch geltende Kondensatmenge von 0,5 bis 1 kg/m² im speziellen Fall auch unkritisch ist, unterliegt dem Fachwissen des Planers – ggf. hat er eine andere Konstruktion zu wählen. In der Regel kann eine geringe Kondensatmenge von der Konstruktion aufgenommen und während der Wärmeperiode wieder abgegeben werden. Wenn der Planer aber nicht berücksichtigt, ob der Konstruktionsaufbau zur Wasseraufnahme überhaupt in der Lage ist, bzw. kapillaraktive Baustoffe das entstehende Kondensat fast sofort ableiten, ist die Berechnung weit von der Realität entfernt. Deshalb gilt das Verfahren als überholt und es gibt ausführlichere Rechenprogramme (Links), die bessere Ergebnisse liefern. In einem neuen Norm-Entwurf soll dieses berücksichtigt werden.

Eine Gruppe, oft „Ziegelphysiker“ genannt, stellt aus eigener Erkenntnis der Physik die Wärmedämmung generell in Frage. Die Bauphysik lasse angeblich erhebliche solare Gewinne bei massiven Baustoffen (wie zum Beispiel Ziegeln) unberücksichtigt. Die Ziegelphysiker erfanden deshalb einen neuen „effektiven“ Wärmedurchgangskoeffizient Ueff. Der wissenschaftliche Nachweis für die Richtigkeit dieser Behauptung ist sowohl experimentell als auch theoretisch nicht erbracht. Für den solaren Gewinn – gemittelt über einen ausreichend langen Zeitraum (2 Tage bis 2 Wochen, je nach Speicherkapazität) – ist allein der U-Wert und die Oberflächengestaltung verantwortlich. Bei einer hellen Oberfläche wird zum Beispiel viel Sonnenlicht reflektiert (im Sommer erwünscht – im Winter unerwünscht). Die Masse des Bauteils ist nur für die Zeitdauer der Wärmeausbreitung verantwortlich. Nachfolgend die Erklärung, warum jedoch kein Unterschied im Energiegewinn entsteht:

Zunächst nehmen Konstruktionen aus homogenem Material (ganz gleich ob aus leichten wie zum Beispiel Dämmstoff oder schweren wie zum Beispiel Ziegel) bei gleicher Oberflächenfarbe fast die gleiche Solarenergie auf. Eine leichte Konstruktion heizt sich dabei an der Oberfläche und in der Tiefe schneller und stärker auf, gibt aber wegen der hohen Oberflächentemperatur auch schon während der Einstrahlung mehr Wärme ab. Dabei ist ein Großteil der Wärmeenergie in der Tiefe (innen), so dass nach dem Ende der Einstrahlung relativ wenig nach außen abgegeben wird. Eine massereiche Konstruktion nimmt an der Oberfläche genau so viel Wärme(energie) auf – hat dabei aber eine geringere Temperatur und dementsprechend eine geringere Abstrahlung. Allerdings bleibt die aufgenommene Wärme näher unter der Oberfläche konzentriert, da mehr gespeichert wird. Nach Ende der Einstrahlung wird relativ viel gespeicherte Wärme nach außen abgegeben, da der Weg von der warmen Zone nach innen viel länger ist. Die rechnerische Untersuchung zeigt dabei, dass nach ausreichend langer Zeit der solare Energiegewinn bei gleichen U-Werten der gleiche ist. Auch die experimentelle Überprüfung (zum Beispiel die EMPA-Untersuchung Nr. 136788 mit Beteiligung eines Ziegelphysikers) bestätigte die theoretischen Ergebnisse.

Aus wirtschaftlichen Gründen ist eine stärker werdende Wärmedämmung nicht immer zielführend. Zwar nehmen die Heizenergiekosten ab, jedoch werden auf der anderen Seite überproportional zusätzliche Kosten erzeugt die gegengerechnet werden müssen, wie beispielsweise: entgangene Mieteinnahmen durch weniger umbauten Raum oder Material- und Montagekosten.

Feuchtetransport: Hygroskopische Speicherfähigkeit und Kapillarität

Die Fähigkeit, Wasser kurzzeitig aufzunehmen und so bei Situationen wie Schlagregen oder Kondensatbildung eine kritische Durchfeuchtung zu vermeiden, wird als hygroskopische Speicherfähigkeit bezeichnet (siehe auch w-Wert, Wasseraufnahmekoeffizient). Kapillaraktive Baustoffe (siehe zum Beispiel kapillaraktive Kleidung) sorgen dann für den Abtransport von Feuchtigkeit innerhalb der Konstruktion. Baustoffe, die beide Eigenschaften vereinen, sind unter anderem Ziegel, Gips, Holzfaserwerkstoffe, Lehm oder Calciumsilikat-Platten. Porenbeton besitzt zwar eine hohe Speicherfähigkeit, ihm fehlt aber die Eigenschaft, das Wasser wieder schnell abzugeben. Wichtig hierbei ist bei den Konstruktionen, dass sie den Wassertransport nicht durch ungeeignete Wandbeschichtungen (Farben, Tapeten, Dampfsperren) behindern.

Wärmedämmstoffe im Vergleich

Dämmstoff Rohdichte in kg/m³ Wärmeleitfähigkeit λR* in W/(mK) Schadstoffabgabe bei der Nutzung Schadstoffabgabe entlang der Produktlebenslinie Primärenergieinhalt Baustoffklasse**
Aerogelmatte10 150 0,013 nein nein gering A1/A2 B oder E
Blähglasschüttung 270-1100 0,040-0,060 nein nein hoch A1
Blähglimmerschüttung (Vermiculit) 70–150 0,07 nein nein mittel A
Blähperlitschüttung 90 0,05 nein nein mittel A
Blähtonschüttung 300 0,16 nein nein mittel A
Calciumsilikat-Platte 300 0,065 nein nein ? A1
Celluloseeinblasdämmung (Recycling) 35–70 0,040 nein nein1 sehr gering B
Glasschaumgranulat 130-170 0,07-0,09 nein ? ? A1
Holzfaserdämmplatte 130–270 0,037–0,05 nein nein1 gering ? B
Holzwolle-Leichtbauplatte 360 0,09 nein nein gering B
Kokosfasermatte bzw. -platte 75–125 0,045 nein nein gering B
Korkplatte 120–200 0,045 nein3 nein3 gering B
Mineralschaumdämmplatte 350 0,045 nein nein mittel A1
Mineralwolleplatte (Glas, Steinwolle) 80 0,04 bis 0,032 möglich2 ja12 mittel A
Polystyrolplatte 15-30 0,03 ja4 ja4 hoch B
Polyurethanplatte 30 0,025 möglich5 ja5 hoch B
Porenbeton 200-700 0,08-0,21 nein nein ? A1
Resolharzplatte9 >35 0,025-0,022 ? ? ? C
Schafwollefilz 20–120 0,04 nein7 nein7 gering B
Schaumglasplatte 130 0,05 nein6 nein mittel A
Schilfrohrplatte k.A. 0,06 nein nein gering B
Strohplatte 500 0,11 nein nein gering B
Strohballen8 100 0,045 nein nein gering B2
Vakuumdämmplatte 180–210 0,008–0,003 nein nein gering ? B2
Zellstoffdämmung 35–60 0,04 nein nein gering B2
1 Ggf. Atemschutz bei der Verarbeitung zum Schutz gegen Faserfreisetzung erforderlich.
2 Fasern kritischer Geometrie und niedriger Biolöslichkeit können im Tierversuch krebserzeugend sein. Eine Freisetzung der Fasern ist möglich. Seit 1. Juni 2000 darf in der Bundesrepublik Deutschland Mineralwolle nur noch verkauft oder weitergegeben werden, wenn sie frei von Krebsverdacht ist.
3 Bei schlechten Qualitäten bzw. bei Verwendung von Chemikalien Emissionen möglich.
4 Bei Gebrauch Abgabe von Styrol möglich. Bei der Herstellung und im Brandfall Freisetzung giftiger Chemikalien.
5 Bei Gebrauch Abgabe von Reaktionsprodukten der Isocyanate nicht auszuschließen. Bei der Herstellung und im Brandfall Freisetzung giftiger Chemikalien.
6 Bei Verletzung der Poren Freisetzung von Schwefelwasserstoff.
7 Pestizidrückstände möglich. Verwendung von Mottenschutzmitteln möglich.
8 Wärmedämmleitwert-Überprüfung: Zertifikat der MA39/Wien vom April 2000
9 Produktblatt Kooltherm K3 http://www.meha.de/Kooltherm_k3.pdf
* Index R = nach Norm ermittelter Rechenwert
** Baustoffklassen: A = nicht brennbar; B = brennbar

Einzelnachweise

  1. Hans-Liudger Dienel: Ingenieure zwischen Hochschule und Industrie, veröffentlicht von Vandenhoeck & Ruprecht, 1995, Original von University of Michigan, Digitalisiert am 5. Juni 2008, ISBN 3525360479, S. 398
  2. Wärmedämmung Energieeinsparverordnung

Weblinks

 Commons: Thermal insulation – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

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