Kälteleitungen richtig dämmen: Feuchteeintrag muss verhindert werden

Wie halten Pinguine die eisigen Temperaturen in der Antarktis aus? Wie überleben Eisbären Temperaturen von bis zu – 50 °C im Nordpolarmeer? Beide Tierarten profitieren von einem physikalischen Prinzip, das in der Tierwelt vielfach zum Einsatz kommt: Ihr Gefieder bzw. ihr Fell ist so gestaltet, dass die Federn bzw. Haare Luft einschließen.

Und eine Vielzahl kleinster, abgeschlossener Lufträume schützen ideal gegen Wärmeverluste. Die ruhende, zum Teil eingeschlossene Luft bewirkt die wärmedämmende Eigenschaft des Eisbärenfells.

Menschen haben sich dieses Prinzip nicht nur bei ihrer Winterkleidung (z. B. in Form der modernen Daunenjacke) zunutze gemacht, auch der bauliche Wärmeschutz beruht auf der Anwendung dieses Prinzips.

Ruhende Luft dämmt den Wärmefluss

Bei Dämmstoffen wirkt in der Regel nicht das eigentliche Material wärmeisolierend, sondern die darin eingeschlossene Luft. Anders ist es allerdings bei Vakuumdämmplatten, in denen, vereinfacht ausgedrückt, ein luftleerer Hohlraum für die Dämmung sorgt.

Es gibt unterschiedliche Möglichkeiten, die Vielzahl der am Markt verfügbaren Dämmstoffe zu systematisieren. Aufgrund ihrer Rohstoffe lassen sie sich in zwei Hauptgruppen einteilen: organische und anorganische Produkte.

Darüber hinaus unterscheidet man zwischen natürlichen und synthetischen Materialien. In Abhängigkeit von ihrer Struktur kann man weiter zwischen Faserdämmstoffen, Schäumen und Granulaten differenzieren. Faserdämmstoffe bestehen aus kleinen, organischen (Wolle, Textilien) oder anorganischen (Glas, Stein), miteinander verwobenen oder verklebten Fasern. Die geläufigsten Produkte in dieser Gruppe sind Dämmstoffe auf der Basis von Glasfasern, Mineralfasern und Polyester. Schaumdämmstoffe bestehen aus einzelnen kleinen Zellen. Abhängig davon, ob die Hohlräume miteinander verbunden oder die Zellwände komplett voneinander getrennt sind, unterscheidet man zwischen offen- und geschlossenzelligen Schäumen.

Es gibt flexible Produkte und Hartschäume. Die bekanntesten Schaumdämmstoffe sind Materialien auf der Basis von Elastomeren, Polyethylen, PUR/PIR, Polystyrol, Phenolharz und Schaumglas.

Granulate werden als Schüttgut (Kügelchen, Pellets oder auch in Form von Brocken) und als verklebte Dämmstoffplatten oder -schalen angeboten. Als Beispiele seien hier Kalziumsilikat, Perlite und Vermiculit (Blähglimmer) genannt. Bild 2 zeigt die Struktur der unterschiedlichen Dämmstoffarten.

Die hier vorgestellten Dämmstoffe unterscheiden sich erheblich hinsichtlich ihrer physikalischen und mechanischen Eigenschaften.

Sie haben ihre Stärken und Schwächen und abhängig von der jeweiligen Anwendung sind sie als geeignet, weniger geeignet oder gar als ungeeignet zu bewerten.

Schutz vor Durchfeuchtung

Kältedämmungen müssen vor unzulässiger Durchfeuchtung geschützt sein. Feuchtigkeit entsteht zum einen durch Tauwasser auf der Oberfläche von Leitungen, deren Mediumtemperatur unter der Umgebungstemperatur liegt. Zum anderen kann Wasserdampf aufgrund des Dampfdruckgefälles in die Dämmung diffundieren und den Dämmstoff innerhalb kurzer Zeit durchfeuchten.

Vermeidung von Tauwasserbildung

Die uns umgebende Luft besteht aus verschiedenen Gasen und Wasserdampf. Die Fähigkeit der Luft, Feuchtigkeit in Form von Wasserdampf aufzunehmen, ist jedoch begrenzt. Allgemein kann man sagen, dass warme Luft mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann als kalte. Wenn die atmosphärische Luft mit einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Wasserdampfgehalt in der Umgebung einer kalten Rohrleitung abkühlt, sinkt ihre Wasseraufnahmefähigkeit. Ist bei einer bestimmten Temperatur eine 100%ige Sättigung erreicht, spricht man von Taupunkttemperatur. Kühlt sich die Luft an einem kälteren Objekt weiter ab, so wird ein Teil des Wassers nicht mehr in Form von (unsichtbarem) Wasserdampf aufgenommen, sondern als flüssiges Wasser ausfallen.

Um Tauwasser (auch Schwitzwasser oder Kondenswasser genannt) zu verhindern, muss an jeder Stelle der Dämmung gewährleistet sein, dass die Oberflächentemperatur auf der Dämmung zu jeder Zeit mindestens gleich oder besser höher als die Taupunkttemperatur der Umgebungsluft ist.

Wasserdampfdiffusion

Als Wasserdampfdiffusion bezeichnet man die Eigenbewegung des Wasserdampfs durch Bau- und Dämmstoffe hindurch. Die treibende Kraft dafür ist der unterschiedliche Wasserdampfpartialdruck auf den beiden Seiten eines Bauteils. Wasserdampf bewegt sich von der Seite des höheren Drucks in Richtung des Druckgefälles. Der Wasserdampfdruck hängt von der Temperatur und der relativen Luftfeuchtigkeit ab.

Der Wasserdampf-Diffusionswiderstand, auch kurz µ-Wert genannt, gibt an, um wievielmal der Diffusionswiderstand einer Baustoffschicht größer ist als der einer gleich dicken ruhenden Luftschicht gleicher Temperatur. Der µ-Wert ist ein von der Temperatur abhängiger, dimensionsloser Materialkennwert. Je geringer der µ-Wert eines Dämmstoffs ist, umso stärker steigt bei Diffusionsprozessen der Feuchtigkeitsgehalt in der Dämmung mit der Zeit an. Damit einher sinkt die Dämmwirkung und der Energieverlust steigt.

Folgen der Feuchteaufnahme

Um die Funktion von Kältedämmungen auch langfristig zu gewährleisten, sind sie zwingend vor Durchfeuchtung zu schützen. Wasser besitzt eine bedeutend höhere Wärmeleitfähigkeit als Dämmstoffe. Deshalb führt die Aufnahme von Feuchtigkeit zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs und zu einer Verschlechterung seiner Dämmeigenschaften.

Veränderungen der Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen in Abhängigkeit vom Feuchtegehalt wurden bereits in den 1980er-Jahren von Joachim Achtziger und J. Cammerer dokumentiert. Sie untersuchten den Einfluss von Feuchtigkeit auf das Dämmvermögen verschiedener Mineralwoll-Dämmstoffe mit Rohdichten von 34 bis 78 kg/m³. Installiert waren die Dämmstoffe auf einem Kupferrohr mit einem Durchmesser von 35 mm mit einer Mediumtemperatur von 60 °C und Umgebungstemperatur von 22 °C.

Wie in Bild 3 dargestellt, erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit eines Mineralwoll-Dämmstoffs mit einer Dichte von 62 kg/m³ (grüne Kurve) von 0,040 W/(m  K) bei 0 % Feuchtegehalt auf 0,075 W/(m  K) bei einem Feuchtegehalt von 2,5 % (Volumen-Prozent). Schon bei einer so geringen Feuchteaufnahme müsste die Dämmschichtdicke vervierfacht werden (von 30 auf 120 mm), um dieselbe Energieeinsparung zu erreichen.

Wenn Feuchtigkeit in die Dämmung eindringt,

• steigen die Energieverluste,
• kann Korrosion unter der Dämmung entstehen,
• können Schimmelpilze wachsen und es
• erhöhen sich die Wartungs- und Reparaturkosten.

Die Dämmwirkung nimmt mit steigendem Feuchtegehalt rapide ab und auf lange Sicht gesehen, verliert der Dämmstoff seine Funktion.

Dämmstoffe im Test

Die Wärmeleitfähigkeit von Dämmstoffen ist also abhängig von der Feuchteaufnahme. Wie gut unterschiedliche Dämmstoffe vor unzulässiger Durchfeuchtung geschützt sind, hat das Fraunhofer Institut für Bauphysik im Auftrag von Armacell in einem praxisnahen Test untersucht.

Untersuchungsgegenstand waren drei unterschiedliche Dämmstoffe: Mineralfaser, PUR und ein flexibler Elastomer (FEF) (Bild 4).

Als geschlossenzelliger Elastomer-Dämmstoff mit einem hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand benötigt AF/Armaflex keine zusätzliche Dampfbremse. Beim offenzelligen Mineralfaserprodukt übernimmt dagegen eine Aluminium-Kaschierung die Funktion der Dampfbremse und die ebenfalls offenzellige PUR-Rohrschale ist mit einer PVC-Folie ummantelt.

Testbedingungen in der Klimakammer

Während der geschlossenzellige Dämmstoff also über eine „integrierte“ Dampfbremse verfügt und sich der Wasserdampfdiffusionswiderstand über die gesamte Dämmschichtdicke – Zelle für Zelle – aufbaut, ist er bei der Mineralfaser und dem PUR-Produkt auf eine relativ dünne Alu- bzw. PVC-Folie beschränkt. Unter baupraktischen Bedingungen ist es jedoch schwierig, die Kaschierungen so auszuführen, dass der in die Dämmung gerichtete Wasserdampfstrom ausreichend eingedämmt wird.

Hinzu kommt die Gefahr, dass die Funktion der empfindlichen Dampfbremse durch Beschädigung der Folie während der Installation oder auch im späteren Betrieb beeinträchtigt wird. Besonders bei komplexen Objekten und Befestigungspunkten, Bögen, T-Stücken, Ventilen, Einbauten etc., ist es selbst bei höchster Sorgfalt während der Installation nahezu unmöglich, konventionelle Dampfbremsen so auszuführen, dass eine ausreichende und dauerhafte Wasserdampfdichtigkeit erreicht wird.

Um Beschädigungen an der Dämmung zu simulieren, die in der Baupraxis eher die Regel als die Ausnahme sein dürften, wurden im zweiten Teil der Untersuchung zwei kleine Löcher (5 mm Durchmesser) auf gegenüberliegenden Seiten 5 mm tief in die Oberfläche des Schlauchs bzw. der Rohrschalen gebohrt.

Als Prüfraum diente eine Klimakammer, in der die definierte Temperatur und Luftfeuchtigkeit für die Zeitdauer der Messung konstant gehalten wurde (Bild 5).

Die Testbedingungen wurden bewusst moderat gewählt: Die Leitungen wurden mit einer Mediumtemperatur von 20 °C gefahren. Als Umgebungstemperatur wurden 35 °C und eine relative Luftfeuchte von 55 % definiert (Taupunkttemperatur 24,6 °C). Unter diesen Bedingungen lief der Test 33 Tage.

µ-Wert der Dämmstoffe nach dem Test

Nach dem Ende des Tests und der Deinstallation der Prüfkörper wurde der Wasserdampfdiffusionswiderstand der Dämmstoffe gemessen. Während sich der µ-Wert des elastomeren Dämmstoffs trotz Beschädigung nicht verändert hat und noch immer über 10 000 lag, hat sich der µ-Wert der beschädigten PUR-Rohrschale von 2163 auf 672 verschlechtert und die alukaschierte Mineralwolle verfügt nur noch über einen µ-Wert von 467 (gegenüber ursprünglich 7053) (Bild 6).

Tauwasserbildung auf den Leitungen

Angesichts der kurzen Testdauer und der moderaten Bedingungen wiesen die Dämmstoffe bezogen auf ihre gesamte Dicke nur eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme auf. Erhebliche Unterschiede treten jedoch zutage, wenn man die innere Dämmschicht (5 mm) betrachtet. In diesem Bereich hat sich bei den beiden Testkörpern aus Mineralfaser und noch stärker bei den PUR-Rohrschalen schon in diesem kurzen Zeitraum eine erhebliche Menge an Feuchtigkeit angesammelt. Bei den FEF-Dämmstoffen zeigt sich dagegen auch in dieser kritischen Zone keine Aufnahme von Feuchtigkeit.

Sowohl für die PUR- als auch für die Mineralwolldämmung gilt wohl, dass der Diffusionsstrom aus der feuchten Umgebungsluft von außen nach innen geführt hat und Wasserdampf sich dort als Feuchtigkeit (Tauwasser) niedergeschlagen hat. In den FEF-Dämmstoff ist dagegen keine Feuchtigkeit eingetreten.

Die Fotos von den jeweiligen Rohroberflächen nach der Deinstallation der Dämmstoffe bestätigt dies. Während sich sowohl unter der PUR- als auch der Mineralwoll-Dämmung erhebliche Mengen an Feuchtigkeit gesammelt haben, zeigt sich auf der Rohroberfläche unter der FEF-Dämmung kein Ausfall von Tauwasser (Bild 7).

Wie die Fotodokumentation zeigt, hat die Dampfbremse insbesondere im Bereich von Armaturen versagt. Hier ist feuchte Luft in die Dämmung eingedrungen (Bild 8).

Auch unter den moderaten Testbedingungen konnten die Mineralfaser- und die PUR-Dämmungen nicht verhindern, dass Feuchtigkeit in die Dämmung diffundiert und auf der Rohroberfläche kondensiert. Die Dampfbremse konnte die Wasserdampfaufnahme nicht effektiv verhindern. Nur der FEF-Dämmstoff hat den Feuchteeintrag effektiv unterbunden.

Bemerkenswert ist auch ein Blick auf die zeitliche Entwicklung. Während das mit FEF gedämmte Rohr nach 33 Tagen noch keinerlei Anzeichen von Tauwasserausfall zeigt, versagt die Mineralfaserdämmung direkt zu Beginn des Versuchs und zwar sowohl mit als auch ohne Beschädigung.

Auf den Rohrleitungen unter der PUR-Dämmung entstand nach 21 (beschädigte Ummantelung) bzw. nach 23 Tagen Tauwasser (Bild 9 und 10).

Langfristige Folgen bei Durchfeuchtung

Um die längerfristigen Folgen der Feuchtigkeitsaufnahme zu untersuchen, hat das Fraunhofer Institut für Bauphysik auf der Basis der Ergebnisse Berechnungen angestellt und simuliert, wie sich die Dämmstoffe über einen angenommenen Zeitraum von zehn Jahren verhalten. Für die Berechnungen wurden folgende Annahmen getroffen: Die Rohrleitung wird mit einer Mediumtemperatur von 5 °C gefahren. Für die Umgebung wurden eine Temperatur von 35 °C und eine relative Luftfeuchte von 80 % zugrunde gelegt.

Bild 11 zeigt, wie viel Feuchtigkeit die Dämmstoffe bei einem Betrieb von zehn Jahren aufnehmen würden. Während der Feuchtegehalt beim FEF-Dämmstoff auch nach einer Laufzeit von zehn Jahren unter 5 % bleibt, ist der Wassergehalt in der Mineralfaserdämmung auf fast 20 % gestiegen, beim PUR-Material liegt er sogar bei 25 % (Volumen-Prozent).

Anstieg der Wärmeleitfähigkeit

In dem kurzen Testzeitraum hat sich die Wärmeleitfähigkeit der Dämmstoffe nicht wesentlich erhöht. Das war angesichts der moderaten Bedingungen und kurzen Zeitspanne auch nicht zu erwarten. Rechnet man die Testergebnisse jedoch auf eine Betriebsdauer von zehn Jahren hoch, zeigen sich erhebliche Unterschiede zwischen den einzelnen Dämmstoffen. Während der -Wert des FEFs nach zehn Jahren nur um rund 15 % gestiegen ist, hat sich die Wärmeleitfähigkeit der Mineralwolle um 77 % und der PUR-Dämmung um 150 % verschlechtert (Bild 12).

Die Wärmeleitfähigkeit erhöht sich mit jedem Vol.-% Feuchtegehalt und die Dämmwirkung verschlechtert sich rapide. Die Folgen sind nicht nur ständig steigende Energieverluste während des Betriebs, sondern auch ein Absinken der Oberflächentemperatur. Sinkt diese unter die Taupunkttemperatur, entsteht Tauwasser. Nur wenn die Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs mit der Zeit nicht wesentlich infolge von Durchfeuchtung ansteigt, kann sichergestellt werden, dass die Oberflächentemperatur auch nach vielen Betriebsjahren noch über dem Taupunkt liegt (Bild 13).

Schlussfolgerungen

Wie die Untersuchung gezeigt hat, darf die Wärmeleitfähigkeit eines Materials nicht das allein entscheidende Kriterium bei der Auswahl von Dämmstoffen bei Leitungen mit kalten Medien sein. Nur wenn der Dämmstoff auch vor Feuchteaufnahme geschützt ist, werden das Entstehen von Tauwasser auf der Rohroberfläche und ein Anstieg der Wärmeleitfähigkeit während der Betriebsdauer verhindert.

Deshalb sollten Fachplaner und Kälteanlagenbauer den Nachweis der Wärmeleitfähigkeit als Anfangs-Wärmeleitfähigkeit oder „trockenen -Wert“ verstehen und den Wasserdampfdiffusionswiderstand bei der Materialauswahl vergleichen. Während sich der Wasserdampfdiffusionswiderstand bei FEFs über die gesamte Dämmschichtdicke aufbaut und 7000 oder bei AF/Armaflex sogar 10 000 beträgt, ist er bei Mineralfasern und PUR auf eine dünne Dampfbremse beschränkt, die den Dämmstoff nicht effektiv vor Feuchteaufnahme schützen kann: Schon kleinste Beschädigungen beeinträchtigen die Wirksamkeit der Dampfbremse und gerade im Bereich von Befestigungspunkten, Bogen, T-Stücken und Armaturen kommt es dann zwangsläufig zu Kondensationsprozessen.

Wenn der Dämmstoff komplett durchfeuchtet, ist der steigende Energieverbrauch oft noch das geringste Problem. Schimmelpilze, konstruktive Schäden z. B. an abgehängten Decken oder Störungen industrieller Prozesse aufgrund entsprechender Wartungs- und Stillstandzeiten können zu enormen Kosten führen (Bild 14).

Bei der Verwendung offenzelliger Dämmstoffe in Kälteanwendungen gehen Planer und Installateure daher ein nicht kalkulierbares Risiko ein, das sie teuer zu stehen kommen kann. Hersteller von Mineralfaserprodukten werben derzeit damit, dass ihre Dämmstoffe auch in Kälteanwendungen eingesetzt werden können. Auch wenn diese Systeme ausdrücklich als Kältedämmstoffe vermarktet werden, handelt es sich um offenzellige Mineralfaserprodukte mit einer Alu-Kaschierung. Eine Hersteller-Garantie von 15 Jahren darf nicht darüber hinwegtäuschen, dass im Falle einer Reklamation der Anwender in der Beweispflicht steht, das Produkt fachgerecht installiert zu haben.

Der Einsatz von Mineralwolle in kältetechnischen Anwendungen widerspricht den Vorgaben von DIN 4140:2014-04 „Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und in der technischen Gebäudeausrüstung – Ausführung von Wärme- und Kältedämmung“. In der Norm heißt es unter 6.1.2: „Der Einsatz von Mineralwolle ist wegen der Durchfeuchtungsgefahr stark eingeschränkt. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich praktisch nur bei Verwendung eines Doppelmantels.“ Ein Doppelmantel ist eine „luft- und diffusionsdichte, verschweißte oder verlötete metallene Ummantelung von Rohren und Behältern als Schutz gegen Durchfeuchtung und Beschädigung des Dämmstoffes“.

Das verlangt jedoch einen erheblichen Zeit- und Kostenaufwand und wird in der Regel nicht zur Anwendung kommen. Zur Dämmung von Kühlwasserwasserleitungen sollten daher gemäß DIN 4140 Dämmstoffe zum Einsatz kommen, die eine geschlossenzellige Materialstruktur mit einem hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand und eine niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wodurch mögliche Diffusionsvorgänge dauerhaft auf ein Minimum reduziert werden.

Tipp: Das Risiko der Feuchteaufnahme von Dämmstoffen ist auch Thema einer aktuellen Informationskampagne von Armacell. Mit Videos, Infografiken, Broschüren und einem Special auf der Website klärt das Unternehmen über die Folgen durchfeuchteter Dämmungen auf: www.armacell.de

Dieser Artikel von Georgios Eleftheriadis  ist zuerst erschienen in TGA Ausgabe 05-2018.