Wärmedämmung und Wärmedämmstoffe
Wann immer Objekte mit unterschiedlichen Temperaturen in physischem Kontakt sind oder sich im Bereich von Strahlungseinflüssen befinden, findet ein Wärmeaustausch statt. Wärmedämmung ist die Verringerung dieses Wärmeaustauschs. Sie wird durch die Schaffung von Wärmebarrieren zwischen diesen Objekten im Falle der Wärmeleitung oder durch Reflexion im Falle der Wärmestrahlung erreicht.
Um ein Objekt von seiner Umgebung zu isolieren, muss der Wärmeaustausch sowohl durch Wärmeleitung als auch durch Strahlung und Konvektion vermieden werden.
Die Wärmeübertragung durch Leitung ist proportional zur Temperaturdifferenz, der thermischen Kontaktfläche und dem Kehrwert der Materialdicke. Er wird in Watt pro Meter und pro Kelvin (W-m-1-K-1) gemessen.
Die Isolierfähigkeit von Wärmedämmstoffen hängt von deren Wärmeleitfähigkeit und Dicke ab. Die Isolierung wird dadurch erreicht, dass das Objekt von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit in großer Dicke umgeben wird.
Wärmedämmung hält kaltes Material kalt und heißes Material warm. Bei Gebäuden erhöht sie die Energieeffizienz und ermöglicht es, im Winter warm oder im Sommer kühl zu bleiben, was zu einer geringeren CO2-Bilanz führt.
Dämmstoffe werden verwendet:
- im Baugewerbe: Gebäude und Rohre, Warmwasserspeicher usw.
- für Verpackungen (hauptsächlich für isolierte Transportbehälter als Teil der Kühlkette)
- für Kleidung und als natürliche Tierisolierung bei Vögeln (Federn) und Säugetieren (Fell)
- für isolierende Campingprodukte wie Schlafmatten und Schaumstoffmatratzen
Wärmeleitfähigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit kann von fast Null (für Gase) bis zu einigen hundert W/(m*K) für die am besten leitenden Materialien wie Metalle reichen. Gase haben die geringste Wärmeleitfähigkeit (Luft: 0,026 W/(m*K)), gefolgt von Flüssigkeiten (0,1 -0,2 W/(m*K) für die meisten organischen Flüssigkeiten) und Feststoffen. Organische Feststoffe wie Polymere, Bitumen, Gummi haben eine geringere Wärmeleitfähigkeit (typischerweise 0,1 bis 0,3 W/(m*K)) als anorganische Feststoffe wie Steine (Marmor, Granit usw.) und Beton (typischerweise 2 – 3 W/(m*K)).
Das Einschließen von Gasen (Luft) in Festkörpern eignet sich vor allem dann gut als Dämmmaterial, wenn die Konvektion durch die Bildung kleiner Zellen eingeschränkt wird, was am besten bei organischen Festkörpern mit schlechter Wärmeleitfähigkeit gelingt. Dieses Prinzip wird für die meisten Dämmstoffe wie Schaumstoffe (Urethanschaum, Styropor (expandiertes Polystyrol (EPS), Kork), Bauisolierungen (Stein- und Glaswolle, Glasfaser und Asbest) und für Stoffe (wie Wolle, Daunenfedern, Vlies) verwendet.
Aerogele sind eine besondere Art von Dämmstoffen. Sie werden aus einem Gel gewonnen, bei dem die flüssige Phase durch ein Gas ersetzt wird, ohne die Struktur zu verändern. Aerogele haben eine extrem niedrige Dichte bei gleichzeitig geringer Wärmeleitfähigkeit und oft hoher Transparenz.
Wärmedurchgangskoeffizient, R- und U-Wert :
Der Wärmedurchgangskoeffizient oder R-Wert wird verwendet, um die Isolierfähigkeit eines Materials zu charakterisieren. Er misst den Widerstand des (leitenden) Wärmestroms durch ein zweidimensionales Objekt wie eine Wand, ein Fenster oder eine Isolierplatte. Der R-Wert wird unter stationären Bedingungen gemessen und beschreibt den Wärmestrom zwischen der heißen und der kalten Oberfläche bei einer bestimmten Temperaturdifferenz. Seine Einheit ist K⋅m2/W. Je höher der R-Wert ist, desto besser sind die Dämmeigenschaften.
Der Gesamtwärmedurchgangskoeffizient oder U-Wert ist der Kehrwert von R und seine SI-Einheiten sind W/(m2*K).
Wärmedämmung nach Anwendungsbereichen
Je nach Anwendung werden verschiedene Arten von Dämmstoffen verwendet.
Bauwesen und Konstruktion
Früher wurden Dämmstoffe für Gebäude aus Asbest hergestellt. Diese werden heute durch EPS (expandiertes Polystyrol), Urethanschaum, Steinwolle und vakuumisolierte Paneele (VIP) ersetzt. Häufig werden auch organische Materialien wie Holz, Baumwolle und Stroh verwendet. Fenster werden durch zwei Glasscheiben mit einer isolierenden Luftschicht dazwischen isoliert (Isolierverglasung).
Für die Isolierung von Warmwasserspeichern und -leitungen werden hauptsächlich Polyurethanschaumstoffe verwendet.
Verpackung
Für Verpackungen und vor allem für isolierte Versandbehälter (Teil der Kühlkette) werden in der Regel mehrschichtige Materialien verwendet. Sie bestehen aus Schaumstoffen, Thermodecken (Liner) und reflektierenden Schichten. Häufig werden auch Luftpolsterfolien verwendet. Ein weiteres Konzept ist die Vakuumflasche (“Thermoskanne”).
Kleidung und Isolierung natürlicher Tiere
Kleidung besteht, wie die natürliche Tierisolierung von Säugetieren (Fell) und Vögeln (Federn), aus organischen Materialien mit Lufteinschlüssen (Baumwolle, Wolle, Daunenfedern usw.)
Prüfverfahren und -geräte
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen, wie z. B. die Wärmestromtechnik (HFM – Heat Flow Meters), die Guarded Hotplate (GHP) und Hitzdrahtmethoden wie die Transient Hot Bridge (THB).
