Nick Connor

Dachisolierung – Dachisolierung

Eine sehr wichtige Quelle für den Wärmeverlust eines Hauses ist das Dach und der Dachboden . Die Dachbodenisolierung ist ein thermisch isoliertes, schützendes Innenverkleidungsverfahren, bei dem Glas oder Steinwolle, Polyurethanschaum oder Phenolschaum verwendet werden. Es ist zu beachten, dass es einen Unterschied zwischen der Dämmung eines Schrägdachs und eines Flachdachs gibt und zwischen der Dämmung eines kalten oder warmen Dachbodens. Eine Kaltdachisolierung erfordert eine Isolierung auf Balkenebene, um einen Wärmeaustritt durch den nicht genutzten Dachraum zu verhindern. Ein warmes Dach ist zwischen und unter den Dachsparren selbst isoliert.

Der Zweck der Dachisolierung besteht darin, den gesamten Wärmeübergangskoeffizienten durch Hinzufügen von Materialien mit geringer Wärmeleitfähigkeit zu verringern.  Die Isolierung von Dächern und Dachböden in Gebäuden ist ein wichtiger Faktor für den thermischen Komfort der Bewohner. Die Dachisolierung sowie andere Arten von Isolierungen reduzieren den unerwünschten Wärmeverlust und auch den unerwünschten Wärmegewinn. Sie können den Energiebedarf von Heizungs- und Kühlsystemen erheblich senken. Es muss hinzugefügt werden, es gibt kein Material, das Wärmeverluste vollständig verhindern kann, Wärmeverluste können nur minimiert werden.

Isolationsbeispiel – Polyurethanschaum

Polyurethanschaum (PUR)  ist ein geschlossenzelliges duroplastisches Polymer. Polyurethanpolymere werden traditionell und am häufigsten durch Umsetzen eines Di- oder Polyisocyanats mit einem Polyol gebildet. Die Polyurethanschaumisolierung  ist in geschlossenzelligen und offenzelligen Formeln erhältlich. Polyurethanschaum kann als Hohlwanddämmung oder als Dachdämmung, Fußbodendämmung, Rohrdämmung, Dämmung von Industrieanlagen eingesetzt werden. Dämmplatten aus PUR können auf alle Elemente der Gebäudehülle aufgebracht werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass PUR unter Verwendung der vorhandenen Öffnungen und einiger zusätzlicher Löcher auch in vorhandene Hohlwände injiziert werden kann.

Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand

Eine Hauptquelle für den  Wärmeverlust  eines Hauses sind Wände. Berechnen Sie die  Wärmestromrate  durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m ² ). Die Wand ist 15 cm dick (L ₁ ) und besteht aus Ziegeln mit einer  Wärmeleitfähigkeit  von k ₁  = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und  Außentemperaturen  betragen 22 ° C und -8 ° C, und die  Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten  an der Innen- und der Außenseite betragen h ₁  = 10 W / m ² K und h ₂  = 30 W / m ²K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen Sie nun die  Wärmedämmung  an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine  10 cm dicke Polyurethanschaumisolierung  (L ₂ ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k ₂  = 0,028 W / mK und berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.

Lösung:

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei vielen Wärmeübertragungsprozessen um Verbundsysteme und sogar um eine Kombination aus  Wärmeleitung  und  Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem  Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten ,  der als  U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem  Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht :

Der  Gesamtwärmeübertragungskoeffizient  ist mit dem im Zusammenhang  Gesamtwärmewiderstand  und ist abhängig von der Geometrie des Problems.

1. nackte Wand

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der  Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt  berechnet werden:

Der  Gesamtwärmeübergangskoeffizient  beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 3,53 [W / m ² K] × 30 [K] = 105,9 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss  = q. A = 105,9 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 3177 W

2. Verbundwand mit Wärmedämmung

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmekontaktwiderstand und ohne Berücksichtigung von Strahlung kann der  Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt  berechnet werden:

Der  Gesamtwärmeübergangskoeffizient  beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,028 + 1/30) = 0,259 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 0,259 [W / m ² K] × 30 [K] = 7,78 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss  = q. A = 7,78 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 233 W

Wie zu sehen ist, bewirkt eine Zugabe eines Wärmeisolators eine signifikante Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, ein Hinzufügen der nächsten Schicht Wärmeisolator führt nicht zu so hohen Einsparungen. Dies ist am Wärmewiderstand besser zu erkennen, mit dem der Wärmeübergang durch Verbundwände berechnet werden kann  . Die Geschwindigkeit der gleichmäßigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten  Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.

Die Zellulosedämmung wird aus Recyclingpapierprodukten, hauptsächlich Zeitungen, hergestellt und weist einen sehr hohen Anteil an Recyclingmaterial auf. Die erhaltenen Cellulosefasern haben eine wollartige Struktur (daher Papierwolle). Um die Cellulosefasern feuchtigkeits- und flammhemmend zu machen, werden Borsäure oder Ammoniumsulfat zugesetzt. Zellulosedämmung wird in Wand- und Dachhohlräumen verwendet, um freie Geräusche zu isolieren, zugfest zu machen und zu reduzieren. Zellulosedämmung wird sowohl in neuen als auch in bestehenden Häusern verwendet, normalerweise als lose Verfüllung in offenen Dachbodeninstallationen und dicht gepackt in Gebäudehohlräumen. Zellulose und die anderen Schüttgüter können in Dachböden, fertige Wandhohlräume und schwer zugängliche Bereiche eingeblasen werden.

Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand

Eine Hauptquelle für den Wärmeverlust eines Hauses sind Wände. Berechnen Sie die Wärmestromrate durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m ² ). Die Wand ist 15 cm dick (L ₁ ) und besteht aus Ziegeln mit einer Wärmeleitfähigkeit von k ₁ = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und Außentemperaturen betragen 22 ° C und -8 ° C, und die Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Innen- und der Außenseite betragen h ₁ = 10 W / m ² K und h ₂ = 30 W / m ²K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen Sie nun die Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwendung  Glaswolleisolierung 10 cm dick (L ₂ ) mit der thermischen Leitfähigkeit von k ₂ = 0,023 W / mK und den Wärmefluss (berechnen Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.

Lösung:

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei vielen Wärmeübertragungsprozessen um Verbundsysteme und sogar um eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht :

Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist mit dem im Zusammenhang Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.

1. nackte Wand

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 3,53 [W / m ² K] × 30 [K] = 105,9 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss = q. A = 105,9 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 3177 W

2. Verbundwand mit Wärmedämmung

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmekontaktwiderstand und ohne Berücksichtigung von Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,023 + 1/30) = 0,216 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 0,216 [W / m ² K] × 30 [K] = 6,48 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss = q. A = 6,48 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 194 W

Wie zu sehen ist, bewirkt eine Zugabe eines Wärmeisolators eine signifikante Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, ein Hinzufügen der nächsten Schicht Wärmeisolator führt nicht zu so hohen Einsparungen. Dies ist am Wärmewiderstand besser zu erkennen, mit dem der Wärmeübergang durch Verbundwände berechnet werden kann . Die Geschwindigkeit der gleichmäßigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.

Es gibt zwei Arten von Spritzschaumisolierungen:

• Geschlossenzelliger Schaum . Geschlossenzellige Schäume sind bessere Isolatoren. Ihre hochdichten Zellen sind geschlossen und mit einem Gas gefüllt, mit dessen Hilfe der Schaum die umgebenden Räume ausfüllt. Geschlossenzelliger Schaum ist sehr fest und verstärkt strukturell die isolierte Oberfläche.
• Offenzelliger Schaum . Offenzellige Schaumzellen sind nicht so dicht und mit Luft gefüllt, was der Isolierung eine schwammige Textur verleiht. Offenzelliger Schaum ist porös, sodass Wasserdampf und flüssiges Wasser in die Isolierung eindringen können. Auf der anderen Seite lassen offenzellige Schäume das Bauholz atmen und wirken etwa doppelt so gut als Schallschutz.

Verfügbare Schaumisolationsmaterialien umfassen:

• Zementhaltig
• Phenol
• Polyisocyanurat
• Polyurethan .

Die meisten werden typischerweise mit Polyurethan oder Isocyanat hergestellt. Zementschäume sind ähnlich und können auf ähnliche Weise angewendet werden, dehnen sich jedoch nicht aus. Diese Schäume haben im Vergleich zu Polyurethan- oder Isocyanatschäumen eine höhere Feuerbeständigkeit.

Dämmstoffe

Wie bereits geschrieben, basiert die Wärmedämmung auf der Verwendung von Substanzen mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit . Diese Materialien werden als Isolationsmaterialien bezeichnet . Übliche Isolationsmaterialien sind Wolle, Glasfaser, Steinwolle, Polystyrol, Polyurethan und Gänsefedern usw. Diese Materialien sind sehr schlechte Wärmeleiter und daher gute Wärmeisolatoren.

Es muss hinzugefügt werden, die Wärmedämmung beruht in erster Linie auf der sehr geringen Wärmeleitfähigkeit von Gasen. Gase besitzen im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen schlechte Wärmeleitungseigenschaften und sind daher ein gutes Isolationsmaterial, wenn sie eingeschlossen werden können (z. B. in einer schaumartigen Struktur ). Luft und andere Gase sind im Allgemeinen gute Isolatoren. Der Hauptvorteil liegt jedoch in der Abwesenheit von Konvektion . Viele Isolationsmaterialien (z. B. Polystyrol) funktionieren daher einfach, indem sie eine große Anzahl gasgefüllter Taschen aufweisen, die eine Konvektion im großen Maßstab verhindern . Bei allen Arten der Wärmedämmung wird durch die Evakuierung der Luft im Hohlraum die Gesamtwärmeleitfähigkeit des Isolators weiter verringert.

Der Wechsel von Gastasche und festem Material führt dazu, dass die Wärme über viele Grenzflächen übertragen werden muss, was zu einem raschen Abfall des Wärmeübertragungskoeffizienten führt.

Für Dämmstoffe können drei allgemeine Kategorien definiert werden. Diese Kategorien basieren auf der chemischen Zusammensetzung des Grundmaterials, aus dem das Isoliermaterial hergestellt wird.

In weiterer Lektüre finden Sie eine kurze Beschreibung dieser Arten von Dämmstoffen.

Anorganische Dämmstoffe

Wie aus der Figur ersichtlich ist, können anorganische Materialien entsprechend klassifiziert werden:

• Fasermaterialien
  • Glaswolle
  • Steinwolle
• Zelluläre Materialien
  • Calciumsilicat
  • Zellglas

Organische Dämmstoffe

Die in diesem Abschnitt behandelten organischen Dämmstoffe stammen alle aus einem petrochemischen oder nachwachsenden Rohstoff (biobasiert). Fast alle petrochemischen Dämmstoffe liegen in Form von Polymeren vor. Wie aus der Abbildung hervorgeht, sind alle petrochemischen Isolationsmaterialien zellular. Ein Material ist zellulär, wenn die Struktur des Materials aus Poren oder Zellen besteht. Auf der anderen Seite enthalten viele Pflanzen aufgrund ihrer Festigkeit Fasern. Daher sind fast alle biobasierten Dämmstoffe faserig (mit Ausnahme von expandiertem Kork, der zellulär ist).

Organische Dämmstoffe können entsprechend klassifiziert werden:

• Petrochemische Materialien (Öl / Kohle abgeleitet)
  • Schaumpolystyrol (EPS)
  • Extrudiertes Polystyrol (XPS)
  • Polyurethan (PUR)
  • Phenolschaum
  • Polyisocyanuratschaum (PIR)
• Nachwachsende Rohstoffe (pflanzlich / tierisch)
  • Zellulose
  • Kork
  • Holzfaser
  • Hanffaser
  • Flachswolle
  • Schafwolle
  • Baumwollisolierung

Andere Isolationsmaterialien

• Zellulares Glas
• Aerogel
• Vakuumpaneele

Beispiel der Isolierung – Glaswolle

Glaswolle (ursprünglich auch als Glasfaser bekannt) ist ein Isoliermaterial aus Glasfasern, die mit einem Bindemittel zu einer wolleähnlichen Textur angeordnet sind. Glaswolle und Steinwolle werden aus Mineralfasern hergestellt und werden daher häufig als „Mineralwolle“ bezeichnet. Mineralwolle ist eine allgemeine Bezeichnung für Fasermaterialien, die durch Spinnen oder Ziehen geschmolzener Mineralien entstehen. Glaswolleist ein Ofenprodukt aus geschmolzenem Glas bei einer Temperatur von etwa 1450 ° C. Aus dem geschmolzenen Glas werden Fasern gesponnen. Dieses Verfahren basiert auf dem Schleudern von geschmolzenem Glas in Hochgeschwindigkeitsspinnköpfen, ähnlich dem Verfahren zur Herstellung von Zuckerwatte. Während des Verspinnens der Glasfasern wird ein Bindemittel eingespritzt. Glaswolle wird dann in Rollen oder in Platten mit unterschiedlichen thermischen und mechanischen Eigenschaften hergestellt. Es kann auch als Material hergestellt werden, das auf die zu isolierende Oberfläche gesprüht oder an Ort und Stelle aufgebracht werden kann.

Zu den Anwendungen von Glaswolle gehören strukturelle Isolierung, Rohrisolierung, Filtration und Schallschutz. Glaswolle ist ein vielseitiges Material, das zur Isolierung von Wänden, Dächern und Böden verwendet werden kann. Es kann ein loses Füllmaterial sein, auf Dachböden geblasen oder zusammen mit einem aktiven Bindemittel auf die Unterseite von Strukturen gesprüht werden. Während des Einbaus der Glaswolle sollte diese stets trocken gehalten werden, da eine Erhöhung des Feuchtegehalts zu einer deutlichen Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit führt.

Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand

Eine Hauptquelle für den Wärmeverlust eines Hauses sind Wände. Berechnen Sie die Wärmestromrate durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m ² ). Die Wand ist 15 cm dick (L ₁ ) und besteht aus Ziegeln mit einer Wärmeleitfähigkeit von k ₁ = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und Außentemperaturen betragen 22 ° C und -8 ° C, und die Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Innen- und der Außenseite betragen h ₁ = 10 W / m ² K und h ₂ = 30 W / m ²K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen Sie nun die Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwendung  Glaswolleisolierung 10 cm dick (L ₂ ) mit der thermischen Leitfähigkeit von k ₂ = 0,023 W / mK und den Wärmefluss (berechnen Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.

Lösung:

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei vielen Wärmeübertragungsprozessen um Verbundsysteme und sogar um eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht :

Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist mit dem im Zusammenhang Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.

1. nackte Wand

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 3,53 [W / m ² K] × 30 [K] = 105,9 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss = q. A = 105,9 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 3177 W

2. Verbundwand mit Wärmedämmung

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmekontaktwiderstand und ohne Berücksichtigung von Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,023 + 1/30) = 0,216 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 0,216 [W / m ² K] × 30 [K] = 6,48 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss = q. A = 6,48 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 194 W

Wie zu sehen ist, bewirkt eine Zugabe eines Wärmeisolators eine signifikante Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, ein Hinzufügen der nächsten Schicht Wärmeisolator führt nicht zu so hohen Einsparungen. Dies ist am Wärmewiderstand besser zu erkennen, mit dem der Wärmeübergang durch Verbundwände berechnet werden kann . Die Geschwindigkeit der gleichmäßigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.

Anorganische Dämmstoffe

Wie aus der Figur ersichtlich ist, können anorganische Materialien entsprechend klassifiziert werden:

• Fasermaterialien
  • Glaswolle
  • Steinwolle
• Zelluläre Materialien
  • Calciumsilicat
  • Zellglas

Organische Dämmstoffe

Die in diesem Abschnitt behandelten organischen Dämmstoffe stammen alle aus einem petrochemischen oder nachwachsenden Rohstoff (biobasiert). Fast alle petrochemischen Dämmstoffe liegen in Form von Polymeren vor. Wie aus der Abbildung hervorgeht, sind alle petrochemischen Isolationsmaterialien zellular. Ein Material ist zellulär, wenn die Struktur des Materials aus Poren oder Zellen besteht. Auf der anderen Seite enthalten viele Pflanzen aufgrund ihrer Festigkeit Fasern. Daher sind fast alle biobasierten Dämmstoffe faserig (mit Ausnahme von expandiertem Kork, der zellulär ist).

Organische Dämmstoffe können entsprechend klassifiziert werden:

• Petrochemische Materialien (Öl / Kohle abgeleitet)
  • Schaumpolystyrol (EPS)
  • Extrudiertes Polystyrol (XPS)
  • Polyurethan (PUR)
  • Phenolschaum
  • Polyisocyanuratschaum (PIR)
• Nachwachsende Rohstoffe (pflanzlich / tierisch)
  • Zellulose
  • Kork
  • Holzfaser
  • Hanffaser
  • Flachswolle
  • Schafwolle
  • Baumwollisolierung

Andere Isolationsmaterialien

• Zellulares Glas
• Aerogel
• Vakuumpaneele

Isolationsbeispiel – Polystyrol

Im Allgemeinen ist Polystyrol ein synthetisches aromatisches Polymer, das aus dem Monomer Styrol hergestellt wird, das sich von Benzol und Ethylen ableitet, beides Erdölprodukte. Polystyrol kann fest oder geschäumt sein. Polystyrol ist ein farbloser, transparenter Thermoplast, der üblicherweise zur Herstellung von Dämmstoffen aus Schaumstoffplatten oder Wulstplatten und einer Art Schüttgutdämmung aus kleinen Polystyrolperlen verwendet wird. Polystyrolschäume bestehen zu 95-98% aus Luft. Polystyrolschäume sind gute Wärmeisolatoren und werden daher häufig als Gebäudeisolationsmaterialien verwendet, wie zum Beispiel in Isolierbetonformen und strukturisolierten Paneelbausystemen. Expandiertes (EPS) und extrudiertes Polystyrol (XPS)bestehen beide aus Polystyrol, aber EPS besteht aus kleinen Kunststoffperlen, die miteinander verschmolzen sind, und XPS beginnt als geschmolzenes Material, das aus einer Form zu Platten gepresst wird. XPS wird am häufigsten als Schaumstoffdämmung verwendet.

Expandiertes Polystyrol (EPS) ist ein fester und zäher geschlossenzelliger Schaum. Bau- und Konstruktionsanwendungen machen rund zwei Drittel der Nachfrage nach expandiertem Polystyrol aus. Es wird zur Dämmung von (Hohl-) Wänden, Dächern und Betonböden eingesetzt. Aufgrund seiner technischen Eigenschaften wie geringes Gewicht, Steifigkeit und Formbarkeit kann expandiertes Polystyrol in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Schalen, Tellern und Fischkästen.

Obwohl sowohl expandiertes als auch extrudiertes Polystyrol eine geschlossenzellige Struktur haben, sind sie für Wassermoleküle durchlässig und können nicht als Dampfsperre angesehen werden. In expandiertem Polystyrol gibt es Zwischenräume zwischen den expandierten, geschlossenzelligen Pellets, die ein offenes Netzwerk von Kanälen zwischen den gebundenen Pellets bilden. Wenn das Wasser zu Eis gefriert, dehnt es sich aus und kann dazu führen, dass Polystyrolpellets vom Schaum abbrechen.

Beispiel – Wärmeverlust durch eine Wand

Eine Hauptquelle für den Wärmeverlust eines Hauses sind Wände. Berechnen Sie die Wärmestromrate durch eine Wand mit einer Fläche von 3 mx 10 m (A = 30 m ² ). Die Wand ist 15 cm dick (L ₁ ) und besteht aus Ziegeln mit einer Wärmeleitfähigkeit von k ₁ = 1,0 W / mK (schlechter Wärmeisolator). Angenommen, die Innen- und Außentemperaturen betragen 22 ° C und -8 ° C, und die Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten an der Innen- und der Außenseite betragen h ₁ = 10 W / m ² K und h ₂ = 30 W / m ²K jeweils. Beachten Sie, dass diese Konvektionskoeffizienten stark von den Umgebungs- und Innenbedingungen (Wind, Luftfeuchtigkeit usw.) abhängen.

1. Berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese nicht isolierte Wand.
2. Nehmen Sie nun die Wärmedämmung an der Außenseite dieser Wand an. Verwenden Sie eine 10 cm dicke Dämmung aus expandiertem Polystyrol (L ₂ ) mit einer Wärmeleitfähigkeit von k ₂ = 0,03 W / mK und berechnen Sie den Wärmefluss ( Wärmeverlust ) durch diese Verbundwand.

Lösung:

Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei vielen Wärmeübertragungsprozessen um Verbundsysteme und sogar um eine Kombination aus Wärmeleitung und Konvektion . Bei diesen Verbundsystemen ist es häufig zweckmäßig, mit einem Gesamtwärmeübergangskoeffizienten zu arbeiten , der als U-Faktor bezeichnet wird . Der U-Faktor wird durch einen Ausdruck definiert, der dem Newtonschen Gesetz der Abkühlung entspricht :

Der Gesamtwärmeübertragungskoeffizient ist mit dem im Zusammenhang Gesamtwärmewiderstand und ist abhängig von der Geometrie des Problems.

1. nackte Wand

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Wand und ohne Berücksichtigung der Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 1/30) = 3,53 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 3,53 [W / m ² K] × 30 [K] = 105,9 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss = q. A = 105,9 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 3177 W

2. Verbundwand mit Wärmedämmung

Unter der Annahme eines eindimensionalen Wärmeübergangs durch die ebene Verbundwand, ohne Wärmekontaktwiderstand und ohne Berücksichtigung von Strahlung kann der Gesamtwärmeübergangskoeffizient wie folgt berechnet werden:

Der Gesamtwärmeübergangskoeffizient beträgt dann:

U = 1 / (1/10 + 0,15 / 1 + 0,1 / 0,03 + 1/30) = 0,276 W / m ² K

Der Wärmestrom kann dann einfach wie folgt berechnet werden:

q = 0,276 [W / m ² K] × 30 [K] = 8,28 W / m ²

Der gesamte Wärmeverlust durch diese Wand beträgt:

q _loss = q. A = 8,28 [W / m ² ] × 30 [m ² ] = 248 W

Wie zu sehen ist, bewirkt eine Zugabe eines Wärmeisolators eine signifikante Verringerung der Wärmeverluste. Es muss hinzugefügt werden, ein Hinzufügen der nächsten Schicht Wärmeisolator führt nicht zu so hohen Einsparungen. Dies ist am Wärmewiderstand besser zu erkennen, mit dem der Wärmeübergang durch Verbundwände berechnet werden kann . Die Geschwindigkeit der gleichmäßigen Wärmeübertragung zwischen zwei Oberflächen ist gleich der Temperaturdifferenz geteilt durch den gesamten Wärmewiderstand zwischen diesen beiden Oberflächen.

Organische Dämmstoffe

Die in diesem Abschnitt behandelten organischen Dämmstoffe stammen alle aus einem petrochemischen oder nachwachsenden Rohstoff (biobasiert). Fast alle petrochemischen Dämmstoffe liegen in Form von Polymeren vor. Wie aus der Abbildung hervorgeht, sind alle petrochemischen Isolationsmaterialien zellular. Ein Material ist zellulär, wenn die Struktur des Materials aus Poren oder Zellen besteht. Auf der anderen Seite enthalten viele Pflanzen aufgrund ihrer Festigkeit Fasern. Daher sind fast alle biobasierten Dämmstoffe faserig (mit Ausnahme von expandiertem Kork, der zellulär ist).

Organische Dämmstoffe können entsprechend klassifiziert werden:

• Petrochemische Materialien (Öl / Kohle abgeleitet)
  • Schaumpolystyrol (EPS)
  • Extrudiertes Polystyrol (XPS)
  • Polyurethan (PUR)
  • Phenolschaum
  • Polyisocyanuratschaum (PIR)
• Nachwachsende Rohstoffe (pflanzlich / tierisch)
  • Zellulose
  • Kork
  • Holzfaser
  • Hanffaser
  • Flachswolle
  • Schafwolle
  • Baumwollisolierung

Andere Isolationsmaterialien

• Zellulares Glas
• Aerogel
• Vakuumpaneele

Isolationsbeispiel – Polystyrol

Im Allgemeinen ist Polystyrol ein synthetisches aromatisches Polymer, das aus dem Monomer Styrol hergestellt wird, das sich von Benzol und Ethylen ableitet, beides Erdölprodukte. Polystyrol kann fest oder geschäumt sein. Polystyrol ist ein farbloser, transparenter Thermoplast, der üblicherweise zur Herstellung von Dämmstoffen aus Schaumstoffplatten oder Wulstplatten und einer Art Schüttgutdämmung aus kleinen Polystyrolperlen verwendet wird. Polystyrolschäume bestehen zu 95-98% aus Luft. Polystyrolschäume sind gute Wärmeisolatoren und werden daher häufig als Gebäudeisolationsmaterialien verwendet, wie zum Beispiel in Isolierbetonformen und strukturisolierten Paneelbausystemen. Expandiertes (EPS) und extrudiertes Polystyrol (XPS)bestehen beide aus Polystyrol, aber EPS besteht aus kleinen Kunststoffperlen, die miteinander verschmolzen sind, und XPS beginnt als geschmolzenes Material, das aus einer Form zu Platten gepresst wird. XPS wird am häufigsten als Schaumstoffdämmung verwendet.

Expandiertes Polystyrol (EPS) ist ein fester und zäher geschlossenzelliger Schaum. Bau- und Konstruktionsanwendungen machen rund zwei Drittel der Nachfrage nach expandiertem Polystyrol aus. Es wird zur Dämmung von (Hohl-) Wänden, Dächern und Betonböden eingesetzt. Aufgrund seiner technischen Eigenschaften wie geringes Gewicht, Steifigkeit und Formbarkeit kann expandiertes Polystyrol in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, beispielsweise in Schalen, Tellern und Fischkästen.

Obwohl sowohl expandiertes als auch extrudiertes Polystyrol eine geschlossenzellige Struktur haben, sind sie für Wassermoleküle durchlässig und können nicht als Dampfsperre angesehen werden. In expandiertem Polystyrol gibt es Zwischenräume zwischen den expandierten, geschlossenzelligen Pellets, die ein offenes Netzwerk von Kanälen zwischen den gebundenen Pellets bilden. Wenn das Wasser zu Eis gefriert, dehnt es sich aus und kann dazu führen, dass Polystyrolpellets vom Schaum abbrechen.