Allgemeine Prinzipien thermischer Isolation

Allgemeines
Sämtliches Material, das für thermische Isolation verwendet wird, funktioniert in Einklang mit demselben Grundprinzip: Wärme bewegt sich von wärmeren zu kälteren Bereichen. Darum versucht die Wärme in einem Gebäude, an kalten Tagen nach außen zu gelangen. Und an warmen Tagen, versucht die Hitze von außen in das Gebäude einzudringen. Isolationsmaterial ist das Material, das diesen Prozess verzögert. Resolschaum hat kleine, mit Gas gefüllte Zellen. Diese Zellen wirken einer Wärmeübertragung entgegen. Sie können einen Wärmeverlust bzw. eine Wärmezunahme jedoch nicht vollständig eliminieren.

Gleichgültig wie gut ein Gebäude isoliert ist, benötigt es eine kontinuierliche Wärmezufuhr, um das gewünschte Temperaturniveau beizubehalten. In einem gut isolierten Gebäude ist die erforderliche Zufuhr zwar weitaus geringer als in einem nicht isolierten Gebäude, eine Wärmezufuhr bleibt aber trotzdem notwendig.

Wärmeübertragung
Bevor wir näher auf die Prinzipien der Isolation eingehen, ist es wichtig, uns Einsicht in die Mechanismen der Wärmeübertragung zu verschaffen. Ist eine warme Oberfläche von einem kälteren Bereich umgeben, wird Wärme übertragen und dieser Prozess hält so lange an bis beide dieselbe Temperatur erreicht haben. Die Wärmeübertragung erfolgt gemäß einer oder mehrerer der folgenden drei Methoden: Leitung, Konvektion und Strahlung.

Leitung
Leitung (auch Konduktion genannt) ist der Prozess, bei dem Wärme durch molekularen Transport durch ein Material, an ihm entlang oder von einem Material zu einem anderen strömt. Das Material, das die Wärme aufnimmt, gelangt in diesem Fall mit dem Material in Kontakt, von welchem es die Wärme erhält. Leitung findet in festen Stoffen, Flüssigkeiten und von der einen zur anderen Form statt. Die Schnelligkeit, mit der Leitung auftritt, variiert enorm, je nach Art des Stoffes und dessen Zustand. Bei den festen Stoffen sind es in erster Linie die Metalle, die gute Leiter sind, insbesondere Gold, Silber und Kupfer. Die Reihe verläuft weiter abnehmend über Mineralien wie z. B. Beton und Mauerwerk, über Holz zu den am wenigsten leitenden Stoffen, wie thermischen Isolationsmaterialien. Flüssigkeiten sind für gewöhnlich schlechte Leiter, diese Tatsache wird manchmal aber durch die Wärmeübertragung verschleiert, die durch Konvektion stattfindet. Gase (z. B. Luft) sind noch schlechtere Leiter als Flüssigkeiten, aber auch diese sind empfindlich für Konvektion.

Konvektion
Konvektion entsteht bei Flüssigkeiten und Gasen. Um Wärme durch Konvektion abzugeben oder aufzunehmen, muss ein fester Stoff mit der Flüssigkeit oder dem Gas in Kontakt treten. Konvektion kann nicht in einem Vakuum stattfinden. Sie ist die Auswirkung einer Veränderung der Dichte von Teilen der Flüssigkeit. Diese Veränderung der Dichte ist die Folge einer Temperaturveränderung. Ein Konvektionsprozess, der ausschließlich aufgrund einer Veränderung der Dichte auftritt, wird „natürliche Konvektion” genannt. Wird die bewegte Flüssigkeit oder das bewegte Gas durch Wind oder künstliche Mittel beschleunigt, nennt man den Prozess „erzwungene Konvektion”. Bei einer erzwungenen Konvektion nimmt die Schnelligkeit der Wärmeübertragung zu – in vielen Fällen handelt es sich dabei um eine starke Zunahme.

Konvektion bei Gasen
Wenn ein warmes Objekt von kühlerer Luft umgeben ist, wird die Wärme bei direktem Kontakt mit dem Objekt in die Luft abgeleitet. Diese Luft hat daraufhin eine geringere Dichte als die kältere Luft, die sich daneben befindet. Die wärmere, leichtere Luft bewegt sich nach oben und wird durch kältere, schwerere Luft ersetzt. Diese nimmt jetzt ebenfalls Wärme auf und bewegt sich auf dieselbe Weise. So entwickelt sich ein kontinuierlicher Luftstrom oder Konvektion um das Objekt, welches seine Wärme abbaut. Dieser Prozess ist vergleichbar, allerdings umgekehrt, mit der Situation, wenn warme Luft ein kälteres Objekt umgibt; in diesem Fall wird die Luft bei der Übertragung von Wärme auf das Objekt kälter. Dabei bewegt sich die Luft nach unten.

Konvektion bei Flüssigkeiten
Vergleichbare Konvektionsprozesse treten auch bei Flüssigkeiten auf, allerdings mit einer geringeren Schnelligkeit, abhängig von der Viskosität der Flüssigkeit. Man darf jedoch nicht davon ausgehen, dass Konvektion in einer Flüssigkeit dazu führt, dass die kältere Komponente sinkt und die wärmere aufsteigt. Dies hängt von der Flüssigkeit und den betreffenden Temperaturen ab. Wasser erreicht seine größte Dichte bei ungefähr 4°C. Dies ist der Grund, weshalb in einer Wassersäule, die ursprünglich 4°C hatte, der Teil, dem Wärme hinzugefügt wird, aufsteigt. Wenn jedoch ein Teil auf weniger als 4°C gekühlt wird, steigt dieser ebenfalls auf, während das relativ wärmere Wasser nach unten absinkt. Wasser oben in einem Teich oder Speicherbecken gefriert immer zuerst.

Anforderungen an einen Dämmstoff
Um effektiv als Dämmstoff eingesetzt werden zu können, muss ein Material den Wärmestrom über mindestens eine und am besten über alle drei Arten der Wärmeübertragung einschränken. Die meisten Dämmstoffe können die Komponenten Leitung und Konvektion dank der zellulären Struktur des Materials adäquat verringern. Die Strahlungskomponente wird durch Absorption in der Masse des Objekts verringert und kann durch das Anbringen einer glänzenden Folie an der Außenseite des Produkts noch weiter eingeschränkt werden.

Strahlung
Den Prozess, bei dem Wärme durch ein Objekt ausgestrahlt und über den Raum als Energie abgegeben wird, nennt man Strahlung. Wärmestrahlung ist eine Form von Wellenenergie im Raum, die mit Radio- und Lichtwellen vergleichbar ist. Strahlung benötigt für die Übertragung kein Medium wie z. B. Luft, das sich dazwischen befindet, die Übertragung kann eben so gut in einem Vakuum stattfinden. Alle Objekte senden Strahlungsenergie aus; die Schnelligkeit dieser Abstrahlung wird durch folgende Faktoren bestimmt:

• den Temperaturunterschied zwischen den abstrahlenden und den aufnehmenden Oberflächen
• den Abstand zwischen den Oberflächen
• das Abstrahlungsvermögen der Oberflächen. Dunkle, matte Oberflächen sind im Gegensatz zu glänzenden, reflektierenden Oberflächen gute Strahlensender bzw. –empfänger.

Thermische Isolation erzeugt keine Wärme, es ist ein allgemeiner Irrtum, dass eine thermische Isolation automatisch das Gebäude erwärmt, in dem sie angebracht ist. Wenn das Gebäude keine zusätzliche Wärme erhält, bleibt es kalt. Die Temperatursteigerungen, die entstehen können, sind die Folge der besseren Nutzung eines zufälligen oder gelegentlichen Wärmeanstiegs.

Konvektionsbremsen
Um die Wärmeübertragung durch Konvektion abzubremsen, muss ein Dämmstoff eine zelluläre Struktur oder eine Struktur mit einem hohen Porenvolumen haben. Kleine Zellen oder Poren bremsen die Konvektion in ihrem Innern und haben somit eine geringere Neigung, die umliegenden Zellen zu aktivieren.

Leitungsverringerung
Zur Verringerung der Wärmeübertragung durch Leitung, muss ein Dämmstoff einen geringen Prozentsatz an festem Volumen in Hinsicht auf das Porenvolumen haben. Weiterhin tragen eine dünnwandige Zellstruktur, eine unterbrochene Zellstruktur oder eine Zellstruktur von Elementen mit möglichst wenig Punktkontakten zur Verringerung des geleiteten Wärmestroms bei. Eine Verringerung der Leitung durch die Poren kann mithilfe von Inertgasen anstelle von still stehender Luft erzielt werden.

Strahlungsverringerung
Die Strahlungsverringerung wird größtenteils aufgehoben, wenn ein Dämmstoff fest an einer warmen Oberfläche angebracht wird. Strahlung kann in ein Material mit offenen Zellen eindringen, sie wird aber in der umliegenden Zellstruktur schnell absorbiert, woraufhin die Energie in einen leitenden oder konvektiven Wärmestrom umgewandelt wird. Strahlung wird auch durch die Verwendung einer glänzenden Aluminiumfolie als Außenschicht auf konventionellen Dämmstoffen abgebremst.

Auswirkungen der Dichte
Die meisten Materialien erzielen ihre isolierenden Eigenschaften aufgrund des großen Porenvolumens ihrer Struktur. Die Poren bremsen die konvektive Wärmeübertragung durch ihre geringe Größe. Eine Verringerung des Porenformats verringert die Konvektion, erhöht aber die Menge an Material, das erforderlich ist, um die umliegende Zellstruktur zu bilden, was somit in einer Zunahme der Produktdichte resultiert. Eine weitere Zunahme der Dichte bremst die konvektive Wärmeübertragung, aber letztendlich werden die zusätzlichen Vorteile durch die zunehmende Übertragung durch Leitung über das Zellstrukturmaterial aufgehoben und eine weitere Zunahme der Dichte führt zu einer Verschlechterung des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten. Die meisten hergestellten traditionellen Dämmstoffe liegen im Bereich der niedrigen bis mäßigen Dichte und jede einzelne Produktreihe hat ihr eigenes spezifisches Verhältnis zwischen Leitvermögen und Dichte.

Eine spezifische Gruppe von Produkten, nämlich isolierendes Mauerwerk, liegt im Bereich der mäßigen bis hohen Dichte. Diese Produkte verbessern den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, indem sie die Dichte reduzieren.

Auswirkungen der Temperatur
Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient nimmt in dem Maße zu, in dem die Temperatur steigt. Das Dämmmaterial, die Luft oder das Gas in den Poren, wird stärker aktiviert je stärker seine Temperatur steigt. Diese Aktivität fördert die Konvektion innerhalb der Poren oder zwischen diesen und erhöht so den Wärmestrom. Diese Zunahme des Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten ist bei mit Luft gefüllten Produkten normalerweise kontinuierlich und kann mathematisch modelliert werden. Dämmstoffe mit „Inertgasen” als Isolationsmedium können starke Veränderungen ihres Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufzeigen; solche Veränderungen können durch Gaskondensation auftreten, aber dies geschieht für gewöhnlich nur bei Temperaturen unter Null.

Abstrahlungsvermögen der Oberfläche
Das Abstrahlungsvermögen der Oberfläche ist nur wichtig, wenn diese Oberfläche an eine Luftschicht angrenzt, wie z. B. bei einem Lufthohlraum in einer Konstruktion mit einer zweischaligen Wand. Bei einem Lufthohlraum findet der Wärmestrom sowohl durch Strahlung und Konvektion als auch durch Leitung statt. Zur Verbesserung des Dämmeffekts eines Lufthohlraums kann der Anteil des Strahlungsfaktors reduziert werden, indem ein Isolationsmaterial verwendet wird, das eine an den Lufthohlraum angrenzende Oberfläche mit einem geringen Abstrahlungsvermögen hat.