Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Baumaterialien: Bedeutung des Kennwerts + Wertetabelle

Das Bauwesen sieht die Verwendung aller geeigneten Materialien vor. Die Hauptkriterien sind Sicherheit für Leben und Gesundheit, Wärmeleitfähigkeit, Zuverlässigkeit. Danach folgen Preis, ästhetische Eigenschaften, Vielseitigkeit der Anwendung usw.

Betrachten wir eine der wichtigsten Eigenschaften von Baustoffen – den Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten, da von dieser Eigenschaft maßgeblich zum Beispiel der Wohnkomfort abhängt.

Was ist der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient eines Baustoffs?

Theoretisch, aber auch praktisch, werden mit Baustoffen in der Regel zwei Oberflächen geschaffen – eine äußere und eine innere. Aus physikalischer Sicht strebt der warme Bereich immer zum kalten Bereich hin.

Im Bezug auf den Baustoff wird Wärme von einer (wärmeren) Oberfläche zur anderen (kühleren) Oberfläche streben. Diese Fähigkeit des Materials in Bezug auf diesen Übergang wird als Wärmeleitfähigkeitskoeffizient oder abgekürzt als WLK bezeichnet.

Schema, das den Wärmeleitfähigkeitseffekt erläutert: 1 – Wärmeenergie; 2 – Wärmeleitfähigkeitskoeffizient; 3 – Temperatur der ersten Oberfläche; 4 – Temperatur der zweiten Oberfläche; 5 – Dicke des Baustoffs

Die Kennzahl des WLK wird üblicherweise auf der Grundlage von Tests ermittelt, bei denen ein Versuchsmuster mit den Maßen 100x100 cm herangezogen und einer Wärmeeinwirkung unter Berücksichtigung eines Temperaturunterschieds von 1 Grad zwischen den beiden Oberflächen ausgesetzt wird. Die Einwirkungszeit beträgt 1 Stunde.

Dementsprechend wird die Wärmeleitfähigkeit in Watt pro Meter pro Grad (W/m°C) gemessen. Der Koeffizient wird durch das griechische Symbol λ bezeichnet.

Standardmäßig werden Materialien für das Bauwesen mit einem Wärmeleitfähigkeitswert von weniger als 0,175 W/m°C als Dämmstoffe eingestuft.

Die moderne Produktion hat Technologien zur Herstellung von Baustoffen entwickelt, deren WLK-Wert unter 0,05 W/m°C liegt. Dank solcher Produkte lässt sich ein deutlicher wirtschaftlicher Effekt hinsichtlich des Energieverbrauchs erzielen.

Einfluss von Faktoren auf die Wärmeleitfähigkeit

Jeder einzelne Baustoff hat eine bestimmte Struktur und einen besonderen physikalischen Zustand.

Die Grundlage dafür sind:

• die Größe der Kristallstruktur;
• der Phasenzustand des Materials;
• der Kristallisationsgrad;
• die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit der Kristalle;
• das Porenvolumen und die Struktur;
• die Richtung des Wärmestroms.

All dies sind Einflussfaktoren. Auch die chemische Zusammensetzung und Verunreinigungen haben einen gewissen Einfluss auf die Höhe der Wärmeleitfähigkeit. Die Anzahl der Verunreinigungen hat, wie die Praxis gezeigt hat, einen besonders deutlichen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit der kristallinen Bestandteile.

Dämmstoffe sind eine Produktklasse für das Bauwesen, die unter Berücksichtigung der Wärmeleitfähigkeitseigenschaften entwickelt wurden, die optimalen Eigenschaften nahekommen. Es ist jedoch äußerst schwierig, eine ideale Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitiger Erhaltung anderer Eigenschaften zu erreichen.

Wiederum haben die Betriebsbedingungen des Baustoffs – Temperatur, Druck, Feuchtigkeitsniveau usw. – einen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit.

Baustoffe mit minimalem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten

Laut Untersuchungen besitzt trockene Luft den minimalen Wärmeleitfähigkeitswert (etwa 0,023 W/m·°C).

Im Hinblick auf die Verwendung von trockener Luft in der Baustoffstruktur ist eine Konstruktion erforderlich, bei der sich die trockene Luft in zahlreichen geschlossenen Räumen mit kleinem Volumen befindet. Konstruktiv wird eine solche Konfiguration in Form zahlreicher Poren innerhalb der Struktur dargestellt.

Daraus ergibt sich die logische Schlussfolgerung: Ein Baustoff, dessen innere Struktur eine poröse Bildung darstellt, muss einen niedrigen Wärmeleitfähigkeitsgrad aufweisen.

Dabei nähert sich der Wärmeleitfähigkeitswert in Abhängigkeit von der maximal zulässigen Porosität des Materials dem Wert der Wärmeleitfähigkeit von trockener Luft an.

Eine poröse Struktur fördert die Herstellung eines Baustoffs mit minimaler Wärmeleitfähigkeit. Je mehr Poren unterschiedlicher Größe in der Materialstruktur enthalten sind, desto besser ist die erreichbare Wärmeleitfähigkeit.

In der modernen Produktion werden mehrere Technologien zur Erzeugung von Porosität bei Baustoffen eingesetzt.

Insbesondere werden folgende Technologien verwendet:

• Schaumbildung;
• Gasbildung;
• Wassereinschluss;
• Aufblähen;
• Einbringen von Zusatzstoffen;
• Erzeugung von Fasergerüsten.

Es ist zu beachten: Die Wärmeleitfähigkeit steht in direktem Zusammenhang mit Eigenschaften wie Dichte, Wärmekapazität und Temperaturleitfähigkeit.

Der Wert der Wärmeleitfähigkeit kann nach folgender Formel berechnet werden:

λ = Q / S * (T₁-T₂)*t,

Wobei:

• Q – die Wärmemenge;
• S – die Dicke des Materials;
• T₁, T₂ – die Temperatur auf beiden Seiten des Materials;
• t – die Zeit.

Die durchschnittliche Dichte und Wärmeleitfähigkeit sind umgekehrt proportional zur Porosität. Daher kann, ausgehend von der Dichte der Baustoffstruktur, die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit davon wie folgt berechnet werden:

λ = 1,16 √ 0,0196+0,22d² – 0,16,

Wo: d – Dichtewert. Dies ist die Formel von W.P. Nekrassow, die den Einfluss der Dichte eines bestimmten Materials auf seinen Wärmeleitkoeffizienten zeigt.

Einfluss der Feuchtigkeit auf die Wärmeleitfähigkeit des Baustoffs

Wiederum zeigt sich anhand von Praxisbeispielen der Baustoffverwendung der negative Einfluss der Feuchtigkeit auf den Wärmeleitkoeffizienten von Baustoffen. Es wurde festgestellt: Je stärker ein Baustoff durchnässt wird, desto höher wird sein Wärmeleitkoeffizient.

Auf verschiedene Weise versucht man, das im Bauwesen verwendete Material vor Feuchtigkeitseinwirkung zu schützen. Diese Maßnahme ist durchaus gerechtfertigt, wenn man die Erhöhung des Koeffizienten für nassen Baustoff bedenkt.

Einen solchen Punkt zu begründen, ist nicht schwer. Die Einwirkung von Feuchtigkeit auf die Struktur des Baustoffs geht mit der Befeuchtung der Luft in den Poren und einer teilweisen Verdrängung der Luft einher.

Wenn man bedenkt, dass der Wärmeleitkoeffizient von Wasser 0,58 W/(m·°C) beträgt, wird die deutliche Erhöhung des Wärmeleitkoeffizienten des Materials verständlich.

Es ist auch ein negativerer Effekt zu beachten, wenn das in die poröse Struktur eindringende Wasser zusätzlich gefriert – sich in Eis verwandelt.

Dementsprechend ist eine noch stärkere Zunahme der Wärmeleitfähigkeit leicht zu berechnen, wenn man den Wärmeleitkoeffizienten von Eis berücksichtigt, der 2,3 W/(m·°C) beträgt. Der Zuwachs beträgt etwa das Vierfache des Wärmeleitparameters von Wasser.

Als einen der Gründe für den Verzicht auf Winterbau zugunsten des Bauens im Sommer ist genau der Faktor des möglichen Anfrierens einiger Baustoffarten und in der Folge der Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zu betrachten.

Daraus ergeben sich die offensichtlichen Bauanforderungen bezüglich des Schutzes von Dämmbaustoffen vor Feuchtigkeit. Denn die Wärmeleitfähigkeit steigt direkt proportional zur Feuchtigkeitsmenge.

Ein anderer Punkt erscheint nicht weniger bedeutsam – der umgekehrte, wenn die Struktur des Baustoffs einer erheblichen Erwärmung ausgesetzt wird. Übermäßig hohe Temperatur führt ebenfalls zu einem Anstieg der Wärmeleitfähigkeit.

Dies geschieht aufgrund der Erhöhung der kinetischen Energie der Moleküle, die die strukturelle Grundlage des Baustoffs bilden.

Allerdings gibt es eine Klasse von Materialien, deren Struktur im Gegenteil unter starker Erwärmung bessere Wärmeleiteigenschaften erlangt. Eines dieser Materialien ist Metall.

Wenn unter starker Erwärmung die meisten weit verbreiteten Baustoffe ihre Wärmeleitfähigkeit in Richtung einer Erhöhung verändern, führt starke Erwärmung von Metall zum gegenteiligen Effekt – der Wärmeleitkoeffizient von Metall sinkt.

Methoden zur Bestimmung des Koeffizienten

Es werden verschiedene Methoden in dieser Richtung verwendet, aber faktisch sind alle Messtechniken in zwei Gruppen von Methoden zusammengefasst:

1. Stationärer Messmodus.
2. Instationärer Messmodus.

Die stationäre Methode beinhaltet die Arbeit mit Parametern, die im Laufe der Zeit unverändert bleiben oder sich nur geringfügig ändern. Diese Technologie ermöglicht, den praktischen Anwendungen nach zu urteilen, genauere Ergebnisse des Wärmeleitkoeffizienten.

Die auf die Messung der Wärmeleitfähigkeit gerichteten Vorgänge erlaubt die stationäre Methode in einem weiten Temperaturbereich – 20 – 700 °C durchzuführen. Gleichzeitig gilt die stationäre Technologie jedoch als arbeitsintensive und komplexe Methode, die einen großen Zeitaufwand für die Durchführung erfordert.

Ein Beispiel für ein Gerät, das zur Messung des Wärmeleitkoeffizienten vorgesehen ist. Es handelt sich um eine moderne digitale Konstruktion, die ein schnelles und genaues Ergebnis liefert.

Eine andere Messtechnologie – die instationäre – erscheint vereinfachter und erfordert für die Durchführung der Arbeiten 10 bis 30 Minuten. Allerdings ist der Temperaturbereich in diesem Fall erheblich eingeschränkt. Dennoch hat die Methode im produzierenden Sektor breite Anwendung gefunden.

Tabelle der Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen

Es ist nicht sinnvoll, viele vorhandene und weit verbreitete Baustoffe einer Messung zu unterziehen.

Alle diese Produkte sind in der Regel mehrfach getestet worden, auf deren Grundlage eine Tabelle der Wärmeleitfähigkeit von Baustoffen erstellt wurde, die praktisch alle auf der Baustelle benötigten Materialien enthält.

Eine Variante einer solchen Tabelle ist unten dargestellt, wobei WLK – der Wärmeleitkoeffizient ist:

Wir empfehlen auch, unsere weiteren Artikel zu lesen, in denen wir erklären, wie man die richtige Dämmung auswählt:

1. Dämmung für das Mansarddach.
2. Materialien für die Innendämmung des Hauses.
3. Dämmung für die Decke.
4. Materialien für die Außenwärmedämmung.
5. Dämmung für den Boden in einem Holzhaus.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Ein thematisch ausgerichtetes Video, in dem ausführlich erklärt wird, was eine Wärmeleitfähigkeit ist und „womit man sie isst“. Nachdem Sie sich mit dem im Video vorgestellten Material vertraut gemacht haben, haben Sie gute Chancen, ein professioneller Bauherr zu werden.

Ein offensichtlicher Punkt – ein potenzieller Bauherr muss unbedingt die Wärmeleitfähigkeit und deren Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren kennen. Dieses Wissen hilft nicht nur qualitativ zu bauen, sondern mit einem hohen Maß an Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Objekts. Die Verwendung des Koeffizienten ist im Wesentlichen eine echte Geldersparnis, beispielsweise bei den Nebenkosten.

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