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Wärmedämmmaterial

Wärmedämmmaterialien, oft kurz als Dämmmaterialien oder Dämmstoffe bezeichnet, sind in aller Regel feste Materialien, die für den Zweck der Wärmedämmung eingesetzt werden. Flüssigkeiten und vor allem Gase können zwar eine noch niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sind aber für die Wärmedämmung kaum geeignet, da in ihnen eine Konvektion (Umwälzung) auftreten kann, die zu einem zusätzlichen Wärmetransport führt. Gute Dämmmaterialien enthalten meist einen hohen Anteil eines Gases (z. B. Luft oder Kohlendioxid), welches aber durch dünne Membranen z. B. in Poren eingeschlossen wird, so dass die Konvektion weitestgehend unterbunden wird. Eine ähnliche Funktion erfüllen feine Fasern und andere Strukturen.

Manche schwere Gase wie z. B. Krypton oder Xenon dienen der verbesserten Wärmedämmung z. B. von Fenstern: Sie leiten im Hohlraum zwischen zwei Glasscheiben deutlich weniger Wärme ab als Luft.

Auch ein Vakuum (ein leerer Raum) kann eine gute Wärmedämmfunktion haben: Wärmeleitung kann dort nicht stattfinden bzw. nur in extrem reduziertem Umfang, weil ein Vakuum nie perfekt ist. Wärmestrahlung zwischen den Wänden ist aber immer noch möglich; diese wird in Vakuum-Dämmplatten oft durch eingebaute dünne reflektierende Folien unterdrückt.

Sogenannte Energiesparfarben gelten nicht als Dämmmaterialien, obwohl sie im Prinzip ebenfalls helfen können, Wärmeverluste zu verringern.

Anwendungen von Dämmmaterialien

Typische Anwendungen von Dämmmaterialien liegen bei der Wärmedämmung von Gebäuden, um den Heizwärmebedarf und u. U. auch den Kühlbedarf zu reduzieren, aber auch in vielen anderen technischen Bereichen: wiederum um Wärmeverluste zu verhindern, um ein unerwünschtes Eindringen von Wärme zu vermindern (etwa bei Kühlschränken) oder um Bauteile vor extremen Temperaturen zu schützen.

Oft haben Wärmedämmmaterialien auch zusätzliche Funktionen wie z. B. die Dämmung gegen Schall (auch Trittschall) und Vibrationen oder die elektrische Isolation.

Klassifizierungen für Dämmstoffe

Dämmstoffe können in verschiedene Kategorien eingeteilt werden, die im Folgenden kurz diskutiert werden.

Natürliche/synthetische Dämmstoffe

Natürliche Dämmstoffe sind solche, die der Natur entnommen und nur in begrenztem Umfang verarbeitet werden müssen. Beispiele hierfür sind Holzfasern, Cellulose, Hanf, Flachs, Kork, Schafwolle, Stroh, Tanninschäume aus Baumrinden sowie Asbest.

Synthetische Dämmstoffe sind solche, die künstlich hergestellt sind. Synthetische Schäume werden meist aus Erdöl hergestellt; Beispiele sind Schäume aus Polystyrol, Polyurethan und Phenolharz. Sie weisen einen besonders hohen Luftanteil auf (z. B. 98 %), deswegen auch eine bessere Dämmwirkung als die meisten natürlichen Dämmstoffe.

Natürliche Dämmstoffe weisen häufig, aber durchaus nicht immer einen niedrigeren Energieaufwand bei der Herstellung auf. Sie können diverse Vorteile in der Anwendung bieten, etwa die Fähigkeit zur Speicherung von Feuchtigkeit, können aber wesentliche Nachteile aufweisen, beispielsweise die Gefahr der Verrottung (die teilweise giftige Zusatzstoffe nötig macht) oder die Bildung sehr giftiger Gase im Brandfall. Letzteres gilt z. B. für Holzfaserplatten in wesentlich stärkerem Ausmaß als für Polystyrol-Dämmungen.

Organische/anorganische Dämmstoffe

"Organisch" sollte nicht mit "natürlich" verwechselt werden. In der Chemie gelten viele Kohlenstoffverbindungen als organische Verbindungen, und von diesen kommen viele (aber längst nicht alle) in der Natur vor. Polystyrol und Polyurethan sind Beispiele für künstliche organische Verbindungen. Andererseits sind längst nicht alle in Lebewesen vorkommenden Materialien organisch; beispielsweise gilt Calciumcarbonat in Knochen als anorganisch.

Zu den anorganischen (= nicht organischen) Verbindungen für Dämmstoffe gehören vor allem mineralische Materialien, beispielsweise Mineralwolle (Steinwolle, Glaswolle), Calciumsilikat, Blähton, Asbest (heute als Dämmmaterial verboten), Glasgranulat, Schaumglas und Porenbeton. Meist sind diese vom Material her mehr oder weniger ungiftig. In manchen Fällen, wo mineralische Materialien in Form von sehr kleinen und somit lungengängigen Fasern vorkommen (z. B. bei Asbest und früher häufig auch bei Glaswolle), kann beim Einatmen eine Schädigung der Lunge erfolgen, bis hin zur Entstehung von Lungenkrebs nach vielen Jahren. Dämmstoffe wie Mineralwolle sollten deswegen nur von Anbietern bezogen werden, die ein Gütezeichen wie beispielsweise den Blauen Engel vorweisen können. Bei der Handhabung alter Glaswolle (vor ca. 2000) sollte man größte Vorsicht walten lassen.

Recycling-Dämmstoffe

Diverse Dämmstoffe können aus gebrauchten Materialien hergestellt werden:

• Celluloseflocken zum Einblasen in Hohlräume oder zum Aufsprühen auf Oberflächen können aus Altpapier mit geringem Energieaufwand hergestellt werden. Das Papier wird zerkleinert und mit brandhemmenden und schimmelhemmenden Substanzen (oft mit Borsalzen) versehen.
• Glasschaumgranulate können aus Altglas hergestellt werden, allerdings mit erheblichem Energieaufwand. Sie dienen beispielsweise der Dämmung von Häusern (besonders von Passivhäusern) unter der Bodenplatte.
• Ausgediente EPS-Platten können in zerkleinerter Form nochmals als Einblasdämmung (Polystyrol-Recyclinggranulat) verwendet werden.

Der wichtigste und offenkundige Vorteil von Recycling-Dämmstoffen ist, dass Rohstoffe eingespart werden. Dies bedeutet oft, aber nicht immer, auch eine Einsparung eines Teils des Energieaufwands bei der Herstellung.

Form des Materials

Dämmstoffe sind in verschiedenen Formen verfügbar:

• Lose Materialien wie Celluloseflocken oder Schafwolle sind für das Ausfüllen von Hohlräumen geeignet.
• Granulate können geschüttet werden und relativ fest sein. Beispielsweise kann eine Schicht aus Glasgranulat eine Dämmung unter einem Gebäudefundament bilden; sie kann trotz der körnigen Struktur große Lasten tragen.
• Schäume können z. B. aus Sprühdosen in Hohlräume eingebracht werden, beispielsweise bei der Montage von Fenstern. Beispielsweise wird Polyurethan oft in dieser Form am Bau als Montageschaum, Isolierschaum, Füllschaum oder Dichtschaum verarbeitet. Man beachte, dass solche Schäume nicht unbedingt langzeitigbeständig sind, die Dämmwirkung also mit der Zeit nachlassen kann.
• Dämmplatten können z. B. zur Dämmung von Hausfassaden verwendet werden. Manche Materialien wie Steinwolle sind lose erhältlich, können aber auch zu Dämmplatten verarbeitet sein.
• Industriell vorgefertigte Verbundelemente, die z. B. Steinwolle oder Celluloseflocken in einer Verschalung enthalten, erlauben das einfache und schnelle Anbringen von Wärmedämmungen an Fassaden, die auch vielfältiger als mit normalen Dämmplatten optisch gestaltet werden können.
• Textile und andere Dämmmatten können auch in loser Form zum Bedecken z. B. horizontaler Oberflächen verwendet werden.
• Es gibt Wärmedämmputze, die feucht aufgetragen werden, an einer Wand aber schnell aushärten. Sie erlauben im Bereich der Sanierung eine deutliche Verbesserung, aber nicht annähernd so gute Werte wie mit Dämmplatten.
• Es gibt lichtdurchlässige Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit, die eine transparente Wärmedämmung ermöglichen. Damit können außer einer Reduktion der Wärmeleitungsverluste auch zusätzliche solare Gewinne erzielt werden.

Wichtige Eigenschaften von Wärmedämmmaterialien

Die zentrale Eigenschaft für die Funktion eines Dämmmaterials ist die spezifische Wärmeleitfähigkeit <$\lambda$>, die möglichst niedrig sein sollte. Sie wird angegeben in der Einheit W / (m K) (Watt pro Meter und Kelvin). Viele moderne Dämmstoffe erreichen Werte unterhalb von 0,05 W / (m K). Zum Vergleich liegt Beton bei ca. 2 W / (m K), also weitaus höher. Unbewegte Luft, der Kernbestandteil poröser Dämmstoffe, liegt sehr tief bei ca. 0,026 W / (m K).

Der Wärmedurchgangskoeffizient (U-Wert) ist anwendbar auf Bauteile, nicht auf Materialien. Er hängt außer von der spezifischen Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien insbesondere auch von der Dicke ab: Ein schlechter <$\lambda$>-Wert kann durch eine erhöhte Dicke kompensiert werden.

Für den praktischen Einsatz können auch viele andere Eigenschaften ebenfalls sehr wichtig sein, die im Folgenden diskutiert werden. Für die praktische Auswahl eines Dämmstoffs sollte die Gesamtheit dieser Eigenschaften berücksichtigt werden. Dies kann relativ komplexe Überlegungen erfordern, da diverse Aspekte z. B. auch mit bautechnischen Details verbunden sind.

Beständigkeit

Wärmedämmmaterialien müssen in einem gewissen Temperaturbereich beständig sein. Insbesondere nach oben ist die Temperatur begrenzt, wenn hohe Temperaturen zum Schmelzen, zur chemischen Zersetzung (evtl. mit Ausgasung) oder auch zur Entzündung führen könnten. Nur wenige Dämmstoffe wie z. B. Asbest sind aber sogar feuerfest. Deswegen wurde Asbest früher v. a. für Hochtemperaturanwendungen vielfach eingesetzt, z. B. auch in Elektrospeicheröfen.

Je nach Anwendung kann eine ausreichende mechanische Festigkeit wichtig sein, um eine Zerstörung z. B. durch Druck oder Zug (evtl. auch verursacht durch thermische Ausdehnung bei Temperaturänderungen) zu vermeiden. Vakuumdämmplatten können z. B. durch Einschlagen von Nägeln zerstört werden: Wenn der Hohlraum mit Luft aufgefüllt wird, geht ein wesentlicher Teil der Dämmwirkung verloren. Manche Dämmmaterialien müssen sogar erhebliche Lasten tragen, beispielsweise Dämmriegel zur Unterbrechung von Wärmebrücken in Gebäuden.

Manche Dämmmaterialien werden beim Einsatz mit Feuchtigkeit belastet. Die Feuchtebeständigkeit hängt nicht nur vom grundlegenden Material ab, sondern auch von seiner Verarbeitung. Beispielsweise sind normale Polystyroldämmplatten (EPS-Platten) nur eingeschränkt feuchtebeständig; sie vertragen z. B. eine zeitweilige Belastung durch Kondenswasser gut, nicht aber eine ständige Belastung z. B. mit Wasser aus dem Erdreich. Dagegen ist extrudierter Polystyrolhartschaum (XPS) sehr feuchtebeständig; er kann auch für Perimeterdämmungen verwendet werden.

Die Durchfeuchtung von Dämmmaterialien führt oft zu einem wesentlichen Verlust der Dämmwirkung. Eine dauerhafte Durchfeuchtung sollte also schon deswegen vermieden werden.

Auch andere Aspekte der Witterung können bei außen eingesetzten Materialien bedeutsam sein. Beispielsweise kann Frost vorher durchfeuchtete Materialien aufsprengen. Dies ist allerdings eher für ungedämmte Mauern als für typische Dämmmaterialien eine Gefahr.

Insbesondere synthetische Dämmmaterialien sind häufig unverrottbar, während natürliche Dämmstoffe vor allem bei Befeuchtung mit der Zeit durch Mikroben zersetzt werden können. Problematisch sind vor allem Schimmelpilze, die bei der Verrottung auch giftige Stoffe abgeben können.

Manche Materialien wie z. B. Calciumsilikat sind stark alkalisch und deswegen schimmelhemmend. Sie sind deswegen für Innendämmungen geeignet, die bauphysikalisch wesentlich heikler sind als Außendämmungen.

Durchlässigkeit für Feuchtigkeit

Manche Dämmstoffe wie z. B. Mineralwolle weisen eine hohe Durchlässigkeit für Wasserdampf (d. h. für Luftfeuchtigkeit) auf, während andere wie z. B. Polystyrol dampfbremsend wirken. Manche Dämmplatten sind mit einer dampfdichten Folie versehen, die als Dampfsperre fungiert. Gut durchlässige Stoffe werden als diffusionsoffen bezeichnet, andere als diffusionsdicht oder diffusionshemmend. (Für quantitative Angaben dient der Wasserdampfdiffusionswiderstand.) Zusätzlich gibt es in manchen mineralischen Stoffen Kapillareffekte, die zur Abführung von bereits kondensiertem Wasser hilfreich sein können.

Je nach Einsatz kann eine hohe oder eine geringe Durchlässigkeit für Feuchtigkeit vorteilhaft oder auch problematisch sein:

• Eine Dampfsperre auf der Innenseite z. B. einer Dachdämmung verhindert, dass feuchte Luft aus einem Wohnraum in die Dämmung gerät und dort, wo es kühler wird, zu Durchfeuchtung durch Kondensation führt. Dagegen ist eine gute Feuchtedurchlässigkeit nach außen sinnvoll, um z. B. durch Undichtigkeiten der Dampfsperre eingedrungenes Wasser abgeben zu können.
• Außendämmungen sind bzgl. Feuchtigkeit in den allermeisten Fällen unproblematisch. Dies gilt sowohl für diffusionsoffene als auch für diffusionshemmende Systeme. Weitere Details hierzu enthält der Artikel über Wärmedämmung.
• Auch bei Innendämmungen gibt es sowohl diffusionsdichte als auch diffusionsoffenen Lösungen, die funktionieren; allerdings ist hier eine einwandfreie Auslegung und Durchführung besonders wichtig, um Probleme zu vermeiden.

Dichte

Eine niedrige Dichte (Masse pro Volumen) ist oft nützlich, um die Gesamtmasse des Systems zu minimieren. Vor allem bei Fahrzeugen sollten Dämmungen möglichst leicht sein, aber auch bei stationären Dämmungen ergibt eine geringe Masse Vorteile beim Transport und führt tendenziell zu einer geringeren grauen Energie. Zudem haben Dämmstoffe mit geringer Dichte häufig eine bessere Dämmwirkung, d. h. eine niedrige Wärmeleitfähigkeit. Andererseits weisen sie typischerweise auch eine reduzierte mechanische Festigkeit auf.

Manche Dämmstoffe, z. B. synthetische Schäume wie EPS, sind mit deutlich unterschiedlichen Dichten erhältlich, die je nach Anwendung ausgewählt werden können.

Graue Energie

Die erhöhte Energieeffizienz durch eine Dämmung kann zum Teil durch den Energieaufwand für Herstellung und Installation (→ graue Energie) zunichte gemacht werden. Beispielsweise bei Wärmedämmungen für Gebäude kann die graue Energie zu einer energetischen Amortisationszeit von mehreren Jahren führen – allerdings stark vom jeweiligen Material abhängig. Die graue Energie ist oft der wichtigste Aspekt der Ökobilanz (siehe unten).

Man beachte, dass sinnvolle Vergleiche die graue Energie pro Quadratmeter gedämmter Fläche bei gegebener Dämmwirkung betreffen müssen. Völlig sinnlos sind häufig gesehene Vergleiche der grauen Energie pro Kilogramm Dämmmaterial. Dies zeigt ein Beispiel: Polystyrol-Platten (EPS) enthalten rund 105 MJ pro Kilogramm, erscheinen also weitaus schlechter als Steinwolle mit nur 16 MJ/kg. Jedoch hat der Polystyrol-Schaum nur eine geringe Dichte von z. B. 15 kg/m³, während Steinwolle für Dämmzwecke weitaus dichter ist (z. B. 150 kg/m³). Man sieht also, dass die graue Energie pro Kubikmeter bei Polystyrolplatten eher geringer ist als bei Steinwolle. Da zusätzlich die Wärmeleitfähigkeit teils noch niedriger ist, braucht man auch ein etwas geringeres Volumen. Hinzu kommt, dass Polystyrol bei der Müllverbrennung noch gewisse Energiemengen zurückgibt, anders als Steinwolle. Insgesamt liegt eine Polystyrol-Dämmung also bezüglich grauer Energie besser als eine aus Steinwolle, obwohl es nach der ersten Angabe oben fast zehnmal schlechter zu sein schien.

Anhand eines Beispiels soll aufgezeigt werden, wie der Einfluss der grauen Energie von Dämmstoffen abgeschätzt und sinnvoll bewertet werden kann. Wir betrachten hier für einen Quadratmeter von expandiertem Polystyrol (EPS), welches mit einer Dicke von 20 cm zur Wärmedämmung einer Fassade eingesetzt wird. Die Ziegelwand ohne die Wärmedämmung mag einen U-Wert von ca. 1 W / m² K aufweisen. Kombiniert mit 2750 Heizgradtagen (ein Mittelwert für Standorte in Deutschland) errechnet sich hiermit pro Heizperiode ein Wärmeverlust von 1 W / m² K · 2750 K d · 24 h/d · 3600 s/h = 238 MJ/m² (also 238 MJ = 66 kWh pro Quadratmeter Fassadenfläche). (Energie = Leistung mal Zeit, wobei letztere in Sekunden umgerechnet werden muss, um Joule = Wattsekunden zu erhalten.) Mit der zusätzlichen EPS-Schicht sinkt der U-Wert auf 0,167 W / m² K und der Wärmeverlust auf 40 MJ/m². Also reduziert die zusätzliche EPS-Schicht den Wärmeverlust pro Heizperiode um knapp 200 MJ. Andererseits bringt sie pro Quadratmeter eine graue Energie von ca. 100 MJ/kg · 15 kg/m³ · 0,2 m = 300 MJ/m² mit sich. Also liegt die energetische Amortisationszeit bei gut eineinhalb Jahren, was nur ein kleiner Bruchteil der Lebensdauer der Dämmung ist. Mit einer geringeren Dicke der Dämmschicht wäre die energetische Amortisationszeit noch kürzer, der gesamte Energieverbrauch über die gesamte Lebensdauer jedoch höher. Auf jeden Fall wird klar, dass es unsinnig wäre, wegen der grauen Energie des Wärmedämmmaterials auf dieses zu verzichten und entsprechend mehr Heizwärme zu verbrauchen.

Zusätzlich muss darauf hingewiesen werden, dass Dämmstoffe den Einsatz grauer Energie an anderen Stellen reduzieren können. Beispielsweise kann bei einem Wärmedämmverbundsystem eine relativ dünne Ziegelmauer mit einer Dämmschicht versehen werden. Die graue Energie der dünneren Mauer ist maßgeblich geringer als die einer dickeren, die bei einer Dämmung allein mit Ziegeln nötig wäre. Daraus folgt, dass man für eine genauere Bewertung der energetischen Amortisation von Wärmedämmung beim Neubau das Gesamtsystem betrachten muss; wenn der Einsatz des Dämmmaterials eine reduzierte Mauerdicke ermöglicht, kann die energetische Bewertung der Wärmedämmung natürlich deutlich besser ausfallen.

Ökobilanz

Die graue Energie als wichtiger Teil der Ökobilanz wurde bereits oben diskutiert. Weitere wichtige Aspekte sind zusätzliche Umweltbelastungen bei der Herstellung (z. B. durch giftige oder klimaschädliche Abgase), beim Transport (vor allem bei schweren Materialien, die über lange Strecken transportiert werden müssen), bei der Installation und schließlich bei der Entsorgung nach dem Einsatz.

Die Erstellung von aussagekräftigen und verlässlichen Ökobilanzen ist eine komplexe Aufgabe. Die Resultate können von diversen Randbedingungen abhängen, dürfen oft also nicht ohne Weiteres verallgemeinert werden.

Natürliche Dämmstoffe und solche aus Recycling-Materialien weisen oft, aber durchaus nicht immer einen niedrigen Herstellungs-Energieaufwand und eine besonders vorteilhafte Ökobilanz auf. Bei synthetischen Dämmstoffen fällt häufig, aber nicht immer mehr graue Energie an. Ihre Ökobilanz muss nicht schlechter sein als bei natürlichen Stoffen. Beispielsweise trägt auch Steinwolle (ein natürliches Material) viel graue Energie bei.

Gewisse Belastungen in der Ökobilanz können akzeptabel sein, wenn sie wesentlich geringer sind als die durch die Wärmedämmung vermiedenen Umweltbelastungen.

Gesundheitliche Aspekte

Die meisten heute verwendeten Dämmmaterialien sind bei bestimmungsgemäßer Anwendung gesundheitlich völlig unbedenklich. Jedoch gab und gibt es auch gesundheitlich bedenkliche Anwendungen:

• Besonders bekannt sind die enormen Gefährdungen durch das früher häufig verwendete Asbest. Dieses ist zwar chemisch unbedenklich, bildet aber winzige Fasern, die in die Atemwege eindringen, sehr lange dort verbleiben und zu eine chronische Reizung verursachen, die unter anderem Lungenkrebs auslösen kann. Die oft nötige aufwendige Entfernung von Asbestdämmungen (mit entsprechenden Sicherheitsmaßnahmen) macht den Einsatz dieses Materials oft am Ende extrem teuer.
• Manche Materialien können gesundheitlich bedenkliche Schadstoffe ausgasen – beispielsweise kann ungebundenes (monomeres) Styrol aus Polystyrolschäumen vor allem in den ersten Wochen nach der Herstellung austreten. Auch manche gasförmigen Treibmittel können ausgasen; oft werden jedoch unbedenkliche Stoffe wie Kohlendioxid oder Pentan verwendet. Aus Holzfaserplatten können Lösungsmittel z. B. von Klebern ausgasen. In Recycling-Dämmstoffen können Schadstoffe von einer früheren Verwendung oder von Zusätzen enthalten sein, die ausgasen können – beispielsweise bei bituminierten Holzfaserplatten.
• Bei der Verarbeitung können z. B. Stäube oder gefährliche kleine Fasern anfallen. Beispielsweise setzt Glaswolle lungengängige Fasern frei, die schädlich sein können, und beim Einblasen von Cellulosefasern können bedenkliche Feinfaserstäube verbreitet werden; solche Materialien müssen also sorgfältig verarbeitet werden, um Gesundheitsgefährdungen zu vermeiden.
• Indirekt können Dämmstoffe gesundheitsschädlich werden, wenn sie bei Durchfeuchtung einen Nährboden für Schimmel bilden oder zur Durchfeuchtung anderer Bauteile führen. Besonders natürliche Dämmmaterialien sind anfällig für Schimmel, wenn sie falsch eingesetzt werden.

Aufwand der Verarbeitung

Von großer praktischer Bedeutung kann es sein, wie sich Dämmstoffe verarbeiten lassen. Beispielsweise lassen sich EPS-Platten einfach zuschneiden, um damit auch kompliziertere Gebilde (beispielsweise Erker) zu dämmen. Mit Steinwolle oder Cellulose wäre dies aufwendiger.

Cellulose (aus Altpapier) kann sehr praktisch sein, um Hohlräume auszufüllen. Beispielsweise können Celluloseflocken in den Hohlraum eines Zweischalenmauerwerks eingeblasen werden, um dieses nachträglich besser zu dämmen.

Kosten

Natürlich sind auch die Kosten von wesentlicher praktischer Bedeutung. Hier sind aber wiederum die Gesamtkosten maßgeblich und nicht nur die Kosten des Dämmmaterials. Eine einfache Verarbeitung kann wichtiger sein als niedrige Herstellungskosten des Materials.

Siehe auch: Wärmedämmung, Wärmeleitfähigkeit, Wärmedurchgangskoeffizient, graue Energie, Wärmedämmverbundsystem, Wärmedämmputz, Vakuumdämmplatte, Energiesparfarbe, Einblasdämmung