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Prinzip und Wirkungsweise von Wärmedämmstoffen

Was sind Wärmedämmstoffe? Was macht einen Werkstoff zum Dämmstoff? Wie funktioniert Wärmedämmung mit Wärmedämmstoffen?

Wärmedämmstoffe sollen einerseits verhindern, dass die teuer erzeugte Wärme, mit der ein Gebäude im Winter beheizt wird, über dessen Bauteile an die Umgebung abgeleitet wird. Andererseits sollen Wärmedämmstoffe im Sommer so wenig Hitze von außen ins Haus lassen. Im Folgenden erklären wir, wie Wärmedämmstoffe funktionieren, um diese und weitere Dämmaufgaben zu erfüllen.

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Prinzip und Aufgaben von Wärmedämmstoffen

Dämmaufgaben, die Wärmedämmstoffe erfüllen müssen. (Grafik: energie-experten.org)
Dämmaufgaben, die Wärmedämmstoffe erfüllen müssen. (Grafik: energie-experten.org)

Zum Dämmen eines Gebäudes wird dieses mit speziellen Wärmedämmstoffen beschichtet. Das kann entweder von innen oder von außen geschehen. Die Dämmschicht sollte möglichst geschlossen realisiert werden, damit über unerwünschte Wärmebrücken nicht doch Wärme an die Umgebung verloren geht. Wärmedämmstoffe haben daher eine spezielle Struktur, die verhindert, dass der Wärmedämmstoff Wärme weder weiter gibt noch speichert. Dazu muss man wissen, wie Wärme, die eine Form von Energie ist, überhaupt fließt bzw. geleitet wird.

Wärmeleitung

Wärmeleitung beschreibt die Ausbreitung von Wärmeenergie in festen Körpern infolge der Bewegung von Molekülen. Sie ist also die relevante Energieübertragung im Wärmedämmstoff und wird im Fachjargon auch als Konduktion von Wärme beschrieben. Darin wird die Wärme in Form von Energiewellen von Feststoffteilchen zu Feststoffteilchen übertragen. Je dichter und kompakter der Wärmedämmstoff strukturiert ist, desto besser und schneller breitet sich die Wärme darin aus. Metalle, beispielsweise Stahl, die aus festen Kristallgittern bestehen, sind bekannt für ihre hohe Wärmeleitfähigkeit. Die um ein Vielfaches höher ist als die von amorphen, also ungeordnet strukturierten, Stoffen wie Glas oder Kunststoffe.

Wärmeströmung

Wärmeströmung, auch Konvektion genannt, ist insofern für das Thema Wärmedämmstoffe interessant, da sie beschreibt, dass beim Kontakt von flüssigen / gasförmigen Stoffen, zum Beispiel die Luft in einem Raum beziehungsweise die Außenluft, mit festen Oberflächen, die wärmer sind, Wärme übertragen wird. Und zwar in der Strömungsrichtung warm zu kalt (Temperaturgefälle). Diese erwärmten Teilchen der Luft oder der Flüssigkeit verteilen die Wärmeenergie mit Hilfe der Strömungsbewegung, so dass sie an andere Teilchen in der Luft oder der Flüssigkeit abgegeben werden. Oder auch an Grenzschichten anderer Festkörper. Wärmedämmstoffe müssen also auch verhindern, dass über Wärmeströmung Heizwärme im Winter nach außen oder im Sommer Hitze nach innen gelangen kann.

Wärmestrahlung

Eine dritte Hauptaufgabe, die Wärmedämmstoffe erfüllen müssen, ist das Dämmen von Wärmestrahlung. Diese beschreibt den Vorgang, dass erwärmte Körper beziehungsweise Teilchen langwellige (also im Infrarotbereich) elektromagnetische Strahlung absondern. Und, dass Festkörper mit bestimmter Struktur diese Strahlungswärme reflektieren und absorbieren. Neben der Wärmeleitung und -strömung müssen Wärmedämmstoffe so beschaffen sein, gleichzeitig auch Wärmestrahlung einzudämmen.

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Ursachen der Wärmeleitfähigkeit von Wärmedämmstoffen

Wärmedämmstoffe sind Feststoffe, die überwiegend deshalb dämmen, weil sie Luft einschließen. Ruhende Luft, wohlbemerkt. Denn ruhende Luft hat eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit. Poröse Stoffe, die besonders viel Luft einschließen, verringern somit die Wärmeleitung. Dabei gilt, je poröser der Wärmedämmstoff ist, desto mehr Luft wird in ihm eingeschlossen und desto geringer wird seine Wärmeleitzahl. Die Porosität eines Wärmedämmstoffs lässt sich künstlich erhöhen, indem man

  • die Porenbildung unter Zugabe von sogenannten Treibmitteln erhöht,
  • poröse Zuschläge beimischt,
  • oder für Löcher sorgt (zum Beispiel in Mauersteinen).

Dazu muss man wissen, dass Luft dank ihrer eigenen geringen Dichte (1,29 Kilogramm pro Kubikmeter; Temperatur: Null Grad Celsius; Druck: normal) entsprechend ihres eigenen Volumenanteils auch die Rohdichte des Wärmedämmstoffes verringert. Es sinkt mit der Luft im Wärmedämmstoff also nicht nur dessen Wärmeleitfähigkeit, sondern auch dessen Rohdichte (Materialrohdichte). Im Umkehrschluss lässt sich von dieser Tatsache die folgende Faustregel für Wärmedämmstoffe ableiten:

Stoffe mit geringer Rohdichte haben eine kleine Wärmeleitfähigkeit, Stoffe mit hoher Rohdichte eine große.

Wobei für die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit von der Rohdichte die Ausnahme gilt, dass sehr leichte Wärmedämmstoffe, also extrem poröse mit hohem Luftanteil, die Wärmeübertragung via Konvektion und Strahlung zunehmend zulassen, so dass deren Wärmeleitfähigkeit wieder steigt. Außerdem gut zu wissen: Wärmedämmstoffe, die locker gepackt und nicht luftdicht umhüllt sind, haben eine schlechtere Wärmedämmung, als ein lückenlos gepackter, luftdicht umhüllter Wärmedämmstoff.

Da aber nicht nur die Luft, die er einschließt, ausschlaggebend für die Wärmeleitfähigkeit eines Wärmedämmstoffs ist, sondern auch sein sogenanntes Gerüstmaterial, gibt es Werkstoffe derselben Rohdichte, deren Wärmeleitfähigkeit sich dennoch voneinander unterscheidet.

Für die Eignung des Wärmedämmstoffs in einem Dämmprojekt sind neben der Wärmeleitfähigkeit aber auch andere Eigenschaften gefragt, unter anderem:

  • Verarbeitung (Elastizität, Gewicht)
  • Brandverhalten
  • Lebensdauer und Haltbarkeit
  • Rohstoff, Klimabilanz des Rohstoffs und Verfügbarkeit
  • Klimabilanz der Produktion (Energieaufwand)
  • Umweltverträglichkeit (Schadstoffabgabe, Entsorgung).

Einfluss von Temperatur und Feuchtigkeit auf Wärmedämmstoffe

Hinzu kommt, dass die Wärmeleitfähigkeit keine Konstante ist. Im Gegenteil: Sie hängt sowohl von der Temperatur eines Wärmedämmstoffes ab, als auch von seinem Wassergehalt. Die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit eines Wärmedämmstoffs von der Temperatur lässt sich vereinfacht wie folgt beschreiben: Bei amorphen Stoffen nimmt sie mit dem Temperaturanstieg zu, bei Kristallen ab.

Die Wärmeleitfähigkeit eines Wärmedämmstoffs hängt aber auch erheblich von seinem eigenen Gehalt an Wasser ab. Es gilt: Je höher der Wassergehalt im Stoff steigt, desto höher wird auch seine Wärmeleitfähigkeit. Der Grund dafür liegt zum einen in der verglichen mit der Luft (siehe oben) höheren Wärmeleitfähigkeit des Wassers, das sich in den Poren und Kapillaren des Wärmedämmstoffs befindet. Zum anderen begründet sich die Abhängigkeit in dem Energietransport, der die in den Poren stattfindende Wasserdampfdiffusion begleitet.

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"Prinzip von Wärmedämmstoffen" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.