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Abb. 04: Wärmeleitung in konventionellen Dämmstoffen: Festkörperleitung über die Porenwände (gelber Pfeil), Wärmeleitung über die Füllgase (blaue Pfeile) sowie die Wärmestrahlung zwischen en Porenwänden (rote Pfeile). Der Beitrag von Konvektion innerhalb der Poren (grüner Pfeil) ist zu vernachlässigen.

Abb. 05: Etwa 10 Liter umbauter Raum – einmal konventionell gedämmt (weiß), einmal mit gleichwertigen VIP (silbern).
© ZAE Bayern
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Wärmeleitung in Dämmstoffen

Ziel von Dämmstoffen ist es, den durch einen Temperaturunterschied hervorgerufenen Wärmetransport zu verringern. Die Wärmeleitfähigkeit ist hier die entscheidende Materialgröße zur Beurteilung: Je geringer sie ist, desto besser die Dämmwirkung.

Konvektion, ein Wärmetransport, der an den Transport von Materie gebunden ist, ist ein sehr effektiverMechanismus. Man nutzt ihn z. B. bei der Zirkulation von Wasser in einem Heizungssystem. Diesen zu unterdrücken, ist die allererste Aufgabe einer Wärmedämmung, die auch von den konventionellen Dämmstoffen durch die feinzellige Struktur bestens erfüllt wird.

Zweiter Wärmetransportmechanismus ist die Wärmeleitung, bei der einzelne Atome oder Moleküle Wärme zu den benachbarten Atomen oder Molekülen übertragen. Diesen Mechanismus findet man in Festkörpern, aber auch in ruhenden Flüssigkeiten und Gasen. Da die Wärmeleitfähigkeit von Gasen im Allgemeinen deutlich niedriger ,ist als die von Festkörpern, sind Dämmstoffe hochporös. Um den Beitrag der Wärmeleitung über das Festkörpergerippe möglichst gering zu halten, bieten sich insbesondere Kunststoffe an. Bei derart hochporösen Dämmstoffen dominiert dennoch die Wärmeleitung des Gases in den Hohlräumen den Gesamtwärmetransport (Anteil größer als 60%). Gasart und bei nanostrukturierten Materialien auch der Gasdruck in den Poren beeinflussen in entscheidendem Umfang nicht nur die Wärmeleitung des Gases, sondern damit auch den Gesamtwärmetransport.
Einen dritten, häufig unterschätzten Beitrag zum Wärmetransport leistet die Infrarot-Strahlung. Dieser Transportmechanismus ist nicht an Materie gebunden. Jeder Körper emittiert entsprechend der eigenen Temperatur Wärmestrahlung, andererseits absorbiert oder streut er aber auch auftreffende Strahlung. Der Infrarot-Strahlungstransport in einem porösen System wird von der Dichte (und Struktur) des Materials beeinflusst: je höher die Dichte, um so mehr wird er abgeschwächt – die Anforderungen sind also genau entgegengesetzt zu denen der Festkörperwärmeleitfähigkeit. Zusatzstoffe, sogenannte Infrarot-Trübungsmittel, helfen, bei gleicher Materialdichte den Infrarot-Strahlungstransport weiter zu unterdrücken.

Konventionelle Dämmstoffe erreichen Wärmeleitfähigkeiten von 0,030 W/(mK) bis 0,040 W/(mK). Um die Dämmeigenschaften zu verbessern, setzt man insbesondere an einer Verringerung der Gaswärmeleitung an. Eine Möglichkeit besteht darin, schwerere Gase mit einer geringeren Wärmeleitfähigkeit als der von Luft einzusetzen. Mit Schwergas gefüllte Polyurethanschäume erzielen Wärmeleitfähigkeiten von weniger als 0,022 W/(mK). Eindringende Luft lässt jedoch die Wärmeleitfähigkeit mit der Zeit ansteigen. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Struktur so fein zu machen, dass die Gasteilchen bei Atmosphärendruck weniger aneinander als vielmehr an eine Vielzahl von Wänden stoßen. Hierzu müssen die Poren kleiner als wenige Zehntel Mikrometer sein. Nanostrukturierte pyrogene Kieselsäure oder Aerogele weisen Labormesswerte von bis zu 0,015 W/(mK) auf.
Die Vakuumdämmung geht einen anderen Weg: Durch Absenken des Gasdrucks wird die Wärmeleitung über das Gas weitestgehend ausgeschaltet. Die Wärmeleitfähigkeit evakuierter, Atmosphärendruck tragender Dämmmaterialien liegt deshalb im Bereich von etwa 0,002 W/(mK) bis 0,008 W/(mK).

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