Dicker ist rentabler

Während die Dämmung von Heizungs- und Warmwasserleitungen vorrangig der Energieeinsparung dient, müssen Kühlwasserleitungen von Klimaanlagen auch vor der Entstehung von Tauwasser geschützt werden. Bei Kälteanlagen, also Anwendungen, bei denen die Mediumtemperatur niedriger als die Umgebungstemperatur ist, kann Wasserdampf auf der kalten Oberfläche kondensieren.

Das Entstehen von Tauwasser auf gebäudetechnischen Anlagen kann erhebliche Kosten nach sich ziehen. Neben dem Beheben des Schadens können Folgekosten durch durchfeuchtete Decken, beschädigte Waren oder Störungen von Produktionsprozessen entstehen (Bild 1). Die Verhinderung des Entstehens von Tauwasser muss daher primäres Ziel jeder kältetechnischen Dämmung sein. Im Vergleich zur Heizung und Warmwasserbereitung verlangt die Erzeugung tiefer Temperaturen in kältetechnischen Anlagen einen bedeutend höheren Energie- und Kostenaufwand. Daher machen sich die etwas höheren Investitionskosten für ein höheres Dämmniveau in diesem Anwendungsbereich sehr schnell bezahlt.

Tauwasserverhinderung – Die Hauptaufgabe einer Kältedämmung
Die Luft enthält Wasser im gasförmigen Zustand. Kühlt man sie ab, wird sie bei einer bestimmten Temperatur, der Taupunkttemperatur, zu 100 % mit Wasserdampf gesättigt sein. Bei einer weiteren Abkühlung fällt ein Teil des Wasserdampfs in Tropfenform aus.
Um das Entstehen von Tauwasser auf der Oberfläche kältetechnischer Anlagenteile zu verhindern, müssen Dämmungen so dimensioniert werden, dass die Taupunkttemperatur auf der Dämmstoffoberfläche niemals unterschritten wird. Bei dem Beispiel in Bild 2 muss die Dämmschichtdicke mindestens 11 mm betragen, damit es nicht zur Tauwasserbildung kommt (Umgebungstemperatur 22 °C, Mediumtemperatur 6 °C, relative Luftfeuchte 80 %, Rohraußendurchmesser 33,7 mm). In der Praxis wird man nur selten ein Produkt mit der exakt errechneten Dämmschichtdicke finden. Man wählt daher im Allgemeinen die nächst größere Dämmschichtdicke.
Zur Berechnung der Dämmschichtdicke müssen neben der Mediumtemperatur auch die Umgebungsbedingungen bekannt sein oder abgeschätzt werden: Temperatur und relative Luftfeuchte. Außerdem müssen die Wärmeleitfähigkeit der eingesetzten Isolierung, der Wärmeübergangskoeffizient der Oberfläche der Dämmung und das zu dämmende Objekt (Rohr, Kanal etc.) ermittelt werden. Entscheidend ist die Kenntnis darüber, wie sich die einzelnen Einflussgrößen auf die Auslegung der Dämmung auswirken.

Einflussfaktor Umgebungsbedingung
Um die Mindest-Dämmschichtdicken von Kältedämmungen ermitteln zu können, muss man Annahmen über die Umgebungsbedingungen treffen. Die Tabelle 1 gibt typische Maximal-Werte an.
Ein häufig gemachter Fehler ist die Unterschätzung des Einflusses der relativen Luftfeuchte: Ein 10%iger Anstieg der Luftfeuchte kann in bestimmten Bereichen eine Verdoppelung der Dämmschichtdicke erfordern.

Einflussfaktor Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffes
Die Wärmeleitfähigkeit gibt an, wie gut oder schlecht eine Isolierung die Wärme leitet. Ein die Wärmeleitfähigkeit beeinflussender Parameter ist die Temperatur des Mediums. Bei elastomeren Dämmstoffen wie „AF/Armaflex“ erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit mit zunehmender Temperatur. Seriöse Dämmstoffanbieter geben daher die Wärmeleitfähigkeit ihrer Produkte nur in Kombination mit der Mitteltemperatur an.

Einflussfaktor Wärmeübergangskoeffizient
Der Wärmeübergangskoeffizient hängt von der Art des strömenden Mediums, von der Strömungsgeschwindigkeit, der Beschaffenheit der Wandungsoberfläche (rau oder glatt, glänzend oder dunkel) und weiteren Größen ab. Meist setzt sich der Wärmeübergangskoeffizient aus einem Wärme­übergang durch Konvektion und einem Wärmeübergang durch Strahlung zusammen.

Konvektion
Je schneller die umgebende Luft strömt, desto mehr Wärme wird abtransportiert. In der Praxis und bereits bei der Planung von Anlagen muss auf jeden Fall vermieden werden, dass Rohre und Kanäle zu dicht nebeneinander liegen oder in einem zu geringen Abstand von Wänden und sons­tigen Einbauten verlaufen. Neben der verarbeitungsbedingten Schwierigkeit, hier überhaupt eine fachgerechte Dämmung aufbringen zu können, besteht die Gefahr von Stauzonen (Bild 3). In diesen Bereichen wird die für eine genügend hohe Oberflächentemperatur notwendige Luftzirkulation (Konvektion) unterbunden und es kann sich Tauwasser niederschlagen. Daher wird grundsätzlich ein Abstand von 100 mm zwischen den fertig gedämmten Rohrleitungen bzw. als Abstand zur Wand oder Decke gefordert. Bei Behältern, Apparaturen etc. sollte sogar ein Abstand von mindestens 1000 mm eingehalten werden.

Wärmestrahlung
Die Wärmestrahlung ist eine Art der Wärmeübertragung, bei der Wärme durch elektromagnetische Wellen übertragen wird. Die Energieübertragung durch Strahlung ist nicht an ein Übertragungsmedium, also einen Wärmeträger wie Luft oder fester Stoff, gebunden. Im Unterschied zu Wärmeleitung und Konvektion (Wärmeströmung) kann sich Wärmestrahlung auch im Vakuum ausbreiten.
Dunkle Körper emittieren mehr Strahlungsenergie als helle Körper, umgekehrt absorbieren dunkle Körper auch mehr Wärmeenergie als helle. Das Maß für das Emissionsvermögen eines Stoffes wird im Emissionskoeffizienten  ausgedrückt, das Maß für das Absorptionsvermögen im Absorptionskoeffizienten a. Das größte Absorptions- bzw. Emissionsvermögen besitzt ein absolut schwarzer Körper.
Der Strahlungsanteil aS des Wärme­übergangskoeffizienten wird in erheblichen Maße von der Oberflächenbeschaffenheit des Dämmstoffes bestimmt. So absorbiert ein Dämmstoff auf Basis synthetischen Kautschuks deutlich mehr Wärmeenergie als z. B. eine Aluminiumfolie. Das wirkt sich äußerst positiv auf die erforderliche Dämmschichtdicke zur Tauwasserverhinderung aus, will heißen: Je höher das Absorptionsvermögen ist, desto geringer wird die Dämmschichtdicke.

Geeignete Dämmstoffe schützen vor Tauwasser
Für die Dämmung kaltgehender Trinkwasserleitungen sollten aufgrund der Gefahr von Tauwasserbildung ausschließlich geschlossenzellige Dämmstoffe mit hohem Wasserdampfdiffusionswiderstand eingesetzt werden. Wie Schadensfälle in der Praxis zeigen, bieten offenzellige Dämmstoffe auf kaltgehenden Leitungen keine ausreichende Sicherheit gegen Durchfeuchtung infolge von Diffusion. Sie stellen daher keinen wirksamen Schutz gegen Tauwasserbildung dar. Bei diesen Systemen wird der Wasserdampfdiffusionswiderstand auf eine Dampfbremse konzentriert. Selbst bei handwerklich sorgfältigster Ausführung sind Undichtigkeiten und Wassereintritt in die Dämmung oft nicht zu vermeiden. Dadurch besteht die Gefahr, dass der in der Luft enthaltene Wasserdampf in die Dämmschicht eindringt, hier kondensiert und den Dämmstoff innerhalb kürzester Zeit durchfeuchtet. Mit dem Anstieg von Feuchte im Material erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit, die Dämmwirkung verschlechtert sich und höhere Energieverluste sind die Folge. Darüber hinaus kann es zu Korrosion und kostenintensiven Folgeschäden kommen.
Elastomere Dämmstoffe besitzen dagegen eine geschlossenzellige Materialstruktur und einen hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand. Es werden Produkte mit bis µ ≥ 10 000 angeboten. Die „integrierte“ Dampfbremse baut den Wasserdampfdiffusionswiderstand kontinuierlich – Zelle für Zelle – über die gesamte Materialdicke auf. So werden Diffusionsvorgänge auf ein Minimum reduziert und eine unzulässige Durchfeuchtung des Materials ist dauerhaft auszuschließen. Das Prinzip der „Abschottungsverklebung“, also das regelmäßige Verkleben des Dämmstoffs mit dem Untergrund, sorgt im Falle von mechanischen Beschädigungen dafür, dass sich die Feuchtigkeit nicht in der gesam­ten Dämmung ausbreitet (Bild 4).

Das schwächste Glied in der Kette stärken
Rohraufhängungen stellen eine mögliche Schwachstelle bei Kältedämmarbeiten dar. Wird die Rohrleitung nicht thermisch von der Rohraufhängung entkoppelt, entstehen Wärmebrücken und es kann zur Bildung von Tauwasser kommen. Auf das Dämmsystem abgestimmte Kälterohrträger entkoppeln Rohrleitung und Befestigung thermisch voneinander und bilden so zusammen mit der anschließenden Dämmung ein langfristig sicheres Dämmsystem (Bild 5).

Rechnerische Ermittlung der Dämmschichtdicken
Bei der Berechnung der notwendigen Dämmschichtdicke zur Verhinderung von Tauwasser ist entscheidend, ob eine ebene Fläche oder ein zylindrisches Objekt (Rohr) gedämmt werden soll. Bei zylindrischen Objekten gehen neben den Umgebungsbedingungen auch das logarithmische Durchmesserverhältnis des gedämmten Rohrs zum ungedämmten Rohr in die Berechnung ein. Das hat zur Folge, dass bei Rohren dünnere Dämmschichtdicken ausreichen als z. B. bei Kanälen, um die gleiche Oberflächentemperatur zu erhalten. Um das komplizierte Verfahren zur Ermittlung der notwendigen Dämmschichtdicke zu umgehen, erfolgt die Berechnung zweckmäßigerweise mithilfe eines Softwareprogramms, z. B. mit dem Programm „ArmWin“ von Armacell. Neben der Mindest-Dämmschichtdicke zur Tauwasserverhinderung können alle gängigen technischen Kalkulationen für Kälte-/Klimaanwendungen und den Sanitär- und Heizungsbereich durchgeführt werden. Diese Arbeitshilfe steht jetzt auch als App zur Verfügung und erlaubt so den Einsatz vor Ort auf der Baustelle. Die „ArmWin“-App wurde für iOS-, BlackBerry- und Android-Betriebssysteme entwickelt und steht in den jeweiligen App-Stores zum Download zur Verfügung.

Höhere Energieeinsparungen durch optimale Dämmungen
Die Dämmung von kaltgehenden Leitungen dient heute vorrangig der Tauwasserverhinderung. Daher ist es gängige Praxis, die Dicke der Dämmschichten ausschließlich unter dem Gesichtspunkt der Tauwasserverhinderung zu ermitteln. In der Regel werden Dämmschichtdicken von maximal 13 mm eingesetzt, die das Entstehen von Tauwasser verhindern. Sie sind jedoch nicht optimal für eine Reduzierung der Energieverluste ausgelegt. Wie die Ergebnisse einer Untersuchung des Unternehmens Armacell zeigen, sind durch größere Dämmschichtdicken wesentliche Energie- und CO2-Einsparungen möglich. Ziel der Studie war die Ermittlung einer optimalen, d. h. auch wirtschaftlich rentablen Dämmschichtdicke für unterschiedliche Anlagetypen. Dazu wurden die Einsparungen ermittelt, die durch höhere Dämmniveaus – also über eine sogenannte Tauwasserdämmung hinausgehende Dämmdicken – erreicht werden und anschließend den Inves­titionskosten gegenübergestellt. Untersuchungsgegenstand waren unterschiedlich komplexe Gebäudeklimaanlagen mit unterschiedlichem Kühlbedarf.
Unabhängig von der Komplexität der Anlage und dem Kühlbedarf konnte für Raumklimaanlagen eine optimale Dämmschichtdicke von 15,5 bis 25,0 mm (Produkt „AF/Armaflex AF-4“) für Kühlwasserleitungen ermittelt werden. Die hö­heren Investitionskosten für die dickere Dämmschicht amortisieren sich im Laufe der Betriebszeit und erlauben nach wenigen Jahren erhebliche finanzielle Einsparungen.
Beachtlich sind die Ergebnisse auch unter dem Umweltaspekt: Allein durch eine optimale Dämmung der Rohrleitungen können die CO2-Emissionen der untersuchten Anlagen jährlich um mehrere Tonnen gesenkt werden. Rechnet man die Ergebnisse auf die Umweltleistung des Dämmstoffs zurück, erlauben sie verallgemeinernde Aussagen.

Zusammenfassung
Die Verhinderung von Tauwasser auf der Oberfläche stellt eine Minimalanforderung dar, die von jeder Kältedämmung dauerhaft und auch unter kritischen Bedingungen zu erfüllen ist. Voraussetzung hierfür ist die richtige Dimensionierung der Dämmschichtdicke, die neben der Material- und Verarbeitungsqualität maßgeblich ist. Planer und Verarbeiter, die aus Kostengründen Qualitätseinbußen bei der Kältedämmung in Kauf nehmen und z. B. nicht geeignete Materialien einsetzen oder zu dünne Dämmschichtdicken ausschreiben bzw. installieren, gehen ein oft nicht kalkulierbares Risiko ein.
Mindest-Dämmschichtdicken, die das Entstehen von Tauwasser verhindern, sind i. d. R. nicht optimal für eine Reduzierung der Energieverluste ausgelegt. Beim Einsatz größerer Dämmschichtdicken sind wesentlich höhere Energie- und CO2-Einsparungen möglich. Höhere Dämmniveaus – also über eine sogenannte Tauwasserdämmung hinausgehende Dämmstärken – verlangen etwas höhere Investitionskos­ten. Diese amortisieren sich im Laufe der Betriebszeit jedoch und erlauben nach wenigen Jahren erhebliche finanzielle Einsparungen.
Heute entfallen in Deutschland laut ASERCOM1) 14 % des Gesamtenergieverbrauchs auf die Kälte- und Klimatechnik. Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz in diesem Anwendungsbereich besitzen also ein erhebliches Umweltpotenzial, das nicht vernachlässigt werden darf. Nicht nur aus ökologischen, auch aus ökonomischen Gründen sollte die Dämmung von Kälteleitungen zukünftig nicht nur der Tauwasserverhinderung, sondern auch der Energieeinsparung dienen.

Autorin: Dipl.-Ing. Michaela Störkmann, Armacell Technical Manager EMEA (Europe, Middle East and Africa). Sie ist Fachplanerin für gebäudetechnischen Brandschutz (EIPOS) und arbeitet in diversen Richtlinienausschüssen mit, z. B. VDI 2055, VDI 4610.

Bilder: Armacell

www.armacell.de