Warum dämmt eingeschlossene Luft so gut? Grundlagen und Anwendungen

Eingeschlossene Luft wirkt als Wärmedämmung, weil Luft eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit besitzt: In der Nähe der Raumtemperatur beträgt sie etwa 0,026 W/(m·K). Wird Luft in ausreichend kleinen Räumen gehalten, lassen sich außerdem großräumige Luftbewegungen und natürliche Konvektion stark unterdrücken.

Der Wärmetransport durch die eingeschlossene Luft erfolgt dann überwiegend durch die vergleichsweise geringe Wärmeleitung in der Gasphase, während der konvektive Anteil weitgehend unterdrückt wird.

Viele Dämmsysteme nutzen dieses Prinzip: Daunen, Fleece, Schaumstoffe, Isolierverglasungen und nanoporöse Materialien bilden und stabilisieren kleine Bereiche mit relativ ruhender Luft.

Damit eingeschlossene Luft wirksam dämmt, müssen jedoch bestimmte Bedingungen erfüllt sein.

I. Unter welchen Bedingungen dämmt eingeschlossene Luft wirksam?

1. Die Lufträume müssen klein genug sein, um Konvektion zu unterdrücken

Luft hat zwar eine geringe Wärmeleitfähigkeit, kann aber in großen oder offenen Hohlräumen zirkulieren.

Bei einem Temperaturunterschied nimmt die Dichte der wärmeren Luft ab: Sie steigt auf, während kühlere Luft absinkt. Diese auftriebsgetriebene Bewegung erzeugt natürliche Konvektion und kann den Wärmetransport erheblich verstärken.

In ausreichend kleinen Hohlräumen kann sich eine großräumige Zirkulation dagegen nur schwer ausbilden. Die Luft bleibt relativ ruhig, sodass ihre geringe Wärmeleitfähigkeit zur Dämmwirkung beiträgt.

Dämmstoffe nutzen deshalb meist folgende Strukturen anstelle eines einzigen großen Luftraums:

• kleine Poren;

• feine Fasernetzwerke;

• geschlossene Zellen;

• mehrere dünne Luftschichten.

2. Die Lufträume sollten relativ trocken bleiben

Feuchtigkeit kann die Dämmwirkung deutlich beeinflussen.

In der Nähe der Raumtemperatur beträgt die Wärmeleitfähigkeit ruhender Luft etwa 0,026 W/(m·K), die von flüssigem Wasser dagegen etwa 0,6 W/(m·K). Die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist damit mehr als 20-mal so hoch wie die von ruhender Luft.

Dringt Wasser in die Porenstruktur ein und ersetzt dort Luft, kann die effektive Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffs erheblich steigen.

Wie stark sich Feuchtigkeit auswirkt, hängt unter anderem ab von:

• der Wasseraufnahme;

• der Feuchtigkeitsverteilung;

• der Porenstruktur;

• den hydrophilen oder hydrophoben Eigenschaften;

• dem Trocknungsverhalten.

Ein angemessener Umgang mit Feuchtigkeit ist daher für poröse und faserbasierte Dämmsysteme wichtig.

3. Die Temperatur beeinflusst die Dämmwirkung

Die Wärmeleitfähigkeit von Luft ist nicht konstant. Sie nimmt im Allgemeinen mit steigender Temperatur zu.

Bei niedrigen bis mittleren Temperaturen kann eingeschlossene Luft sehr wirksam dämmen. Bei höheren Temperaturen gewinnt jedoch die Wärmeübertragung durch Strahlung zunehmend an Bedeutung. Das Einschließen von Luft allein reicht dann möglicherweise nicht mehr aus.

Hochtemperatur-Dämmsysteme können deshalb zusätzliche Elemente benötigen, beispielsweise:

• Infrarot-Trübungsmittel;

• reflektierende Oberflächen;

• Schichten mit niedrigem Emissionsgrad;

• keramische Strukturen;

• mehrschichtige Wärmebarrieren.

Der nutzbare Temperaturbereich hängt nicht nur von der Luft innerhalb der Struktur ab, sondern auch von der Temperaturbeständigkeit des umgebenden Materials.

4. Eine Stützstruktur muss die Luft räumlich begrenzen

Luft besitzt keine eigene mechanische Festigkeit. Eine Stützstruktur ist deshalb erforderlich, um sie auf kleine Bereiche zu verteilen und diese Bereiche zu stabilisieren.

Solche Strukturen können bestehen aus:

• Fasern;

• polymeren Zellwänden;

• mineralischen Gerüsten;

• nanoporösen Gerüsten.

Die festen Bestandteile der Stützstruktur bilden allerdings zugleich Wege für die Wärmeleitung.

Daraus ergibt sich eine zentrale Aufgabe der Materialentwicklung: Möglichst viel Gas mit geringer Wärmeleitfähigkeit soll erhalten bleiben, während unnötige Wärmeleitwege durch den Feststoff minimiert werden.

Leistungsfähige Dämmstrukturen müssen daher vier Eigenschaften aufeinander abstimmen:

Hohe Porosität, strukturelle Stabilität, kleine Poren und geringe Wärmeleitung in der Festphase.

II. Warum verringert eingeschlossene Luft den Wärmetransport?

Wärme wird durch drei grundlegende Mechanismen übertragen: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung.

Das räumliche Begrenzen von Luft beeinflusst vor allem die Wärmeleitung und die Konvektion. Die umgebende Materialstruktur kann zusätzlich die Wärmeübertragung durch Strahlung beeinflussen.

1. Geringe Wärmeleitung in der Gasphase

Wärmeleitung in Gasen beruht auf der Bewegung und den Zusammenstößen von Molekülen. Im Vergleich zu Feststoffen liegen die Teilchen in Gasen wesentlich weiter auseinander. Die Energieübertragung zwischen ihnen ist daher vergleichsweise wenig effizient.

Gase besitzen deshalb im Allgemeinen eine deutlich geringere Wärmeleitfähigkeit als dichte Feststoffe.

Zur Einordnung dienen folgende Größenordnungen:

• ruhende Luft: etwa 0,026 W/(m·K);

• Wasser: etwa 0,6 W/(m·K);

• Beton: etwa 1–2 W/(m·K);

• Kohlenstoffstahl: einige zehn W/(m·K);

• Kupfer: einige hundert W/(m·K).

Wird ein Teil des Feststoffvolumens durch eingeschlossenes Gas ersetzt, kann die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Materials deutlich sinken.

2. Unterdrückung der Konvektion

In einem großen, offenen Hohlraum kann Luft zirkulieren und Wärme wirksam transportieren. In einem kleinen, geschlossenen Hohlraum begrenzen die umgebenden Wände dagegen die großräumige Bewegung des Gases.

Sind die charakteristischen Abmessungen ausreichend klein, wird die auftriebsgetriebene Zirkulation schwächer. Die natürliche Konvektion kann dadurch stark unterdrückt werden.

Wie wirksam diese Unterdrückung ist, hängt von mehreren Faktoren ab:

• Größe des Hohlraums;

• räumliche Ausrichtung;

• Temperaturunterschied;

• Eigenschaften des Gases;

• Druck.

In technischen Berechnungen wird die Neigung zur natürlichen Konvektion häufig mithilfe der Rayleigh-Zahl beschrieben.

3. Der Knudsen-Effekt auf der Nanoskala

Bei sehr kleinen Poren kommt ein weiterer Mechanismus hinzu.

Bei Raumtemperatur und atmosphärischem Druck liegt die mittlere freie Weglänge der Luftmoleküle in der Größenordnung einiger zehn Nanometer. Als Näherungswert werden häufig etwa 70 nm verwendet.

Erreichen die Porenabmessungen eine vergleichbare Größenordnung, gewinnen Zusammenstöße der Gasmoleküle mit den Porenwänden gegenüber Zusammenstößen der Gasmoleküle untereinander an Bedeutung. Dadurch wird der Wärmetransport in der Gasphase eingeschränkt.

Dieses Phänomen wird mit dem Knudsen-Effekt in Verbindung gebracht.

Der Beitrag der Gasphase zur Wärmeleitfähigkeit kann dadurch unter die Wärmeleitfähigkeit ruhender Luft sinken, deren Wärmetransport nicht durch enge Porenwände begrenzt wird.

Das ist einer der Gründe, warum Silica-Aerogele und andere nanoporöse Dämmsysteme Wärmeleitfähigkeiten unter etwa 0,026 W/(m·K) erreichen können.

4. Auch die Wärmestrahlung kann beeinflusst werden

Poröse Dämmstoffe können die Wärmeübertragung durch Strahlung beeinflussen. Wie stark dieser Effekt ausfällt, hängt jedoch wesentlich vom jeweiligen Material ab.

Zu den Einflussgrößen gehören:

• Temperatur;

• Infrarotabsorption;

• Streuung;

• Materialzusammensetzung;

• optische Dicke;

• Emissionsgrad der Oberflächen.

Einige poröse Systeme enthalten infrarotabsorbierende oder infrarotstreuende Bestandteile, um den Strahlungsanteil des Wärmetransports zu reduzieren.

Poren allein gewährleisten jedoch nicht automatisch eine wirksame Abschirmung gegen Wärmestrahlung.

III. Die Dämmmechanismen im Überblick

Die Dämmwirkung eingeschlossener Luft beruht im Wesentlichen auf drei Faktoren:

Geringe Wärmeleitfähigkeit des Gases + unterdrückte Konvektion + räumliche Begrenzung durch die Materialstruktur.

In nanoporösen Systemen kann der Knudsen-Effekt die Wärmeübertragung in der Gasphase zusätzlich verringern.

Je nach Materialaufbau kann außerdem die Wärmeübertragung durch Strahlung reduziert werden.

IV. Wärmeleitfähigkeit verschiedener Materialien

Die folgenden Angaben sind ungefähre technische Richtwerte für Temperaturen nahe der Raumtemperatur.

Diese Werte hängen von Temperatur, Dichte, Feuchtigkeitsgehalt, Druck, Materialstruktur und Prüfverfahren ab. Sie sind daher als Näherungswerte zu verstehen, nicht als allgemein gültige Konstanten.

V. Wichtige physikalische Referenzwerte

In der Nähe der Raumtemperatur und bei atmosphärischem Druck gelten näherungsweise:

• Wärmeleitfähigkeit ruhender Luft: etwa 0,026 W/(m·K);

• mittlere freie Weglänge der Luftmoleküle: etwa 70 nm;

• Wärmeleitfähigkeit flüssigen Wassers: etwa 0,6 W/(m·K).

Für natürliche Konvektion in geschlossenen Hohlräumen wird häufig eine kritische Rayleigh-Zahl als technische Referenz verwendet. Der genaue Schwellenwert hängt jedoch von der Geometrie und den Randbedingungen ab.

VI. Beispiele für Wärmedämmung durch eingeschlossene Luft und Gase

1. Isolierverglasung

Zweifach- und Dreifach-Isolierverglasungen enthalten abgedichtete, gasgefüllte Zwischenräume zwischen den Glasscheiben.

Diese Gasschichten verringern den Wärmetransport, indem sie:

• einen Bereich mit geringer Wärmeleitfähigkeit bilden;

• die natürliche Konvektion begrenzen;

• den gesamten Wärmewiderstand erhöhen.

Häufig wird Argon anstelle von Luft eingesetzt, da es unter geeigneten Bedingungen eine noch geringere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Das Grundprinzip bleibt gleich: Eine stabile, räumlich begrenzte Gasschicht reduziert die Wärmeübertragung.

2. Daunenjacken

Die Dämmwirkung von Daunen beruht nicht in erster Linie darauf, dass ihre Keratinfasern selbst den Wärmefluss besonders stark hemmen.

Entscheidend ist vielmehr die stark verzweigte, dreidimensionale Struktur der Daunen. Sie bildet eine große Zahl kleiner Lufträume.

Daunen mit höherem Bauschvolumen können bei relativ geringem Gewicht mehr Luft einschließen. Deshalb hängt die Bauschkraft, auch als Fill Power bezeichnet, eng mit dem Volumen und der Aufbauschfähigkeit der Daunenstruktur zusammen.

3. Expandiertes Polystyrol

Expandiertes Polystyrol, kurz EPS, enthält einen sehr hohen Anteil gasgefüllter Zellen.

Der feste Polymeranteil nimmt nur einen vergleichsweise kleinen Teil des Gesamtvolumens ein. Dadurch ist die effektive Wärmeleitfähigkeit deutlich geringer als bei massivem Polystyrol.

Die typische Wärmeleitfähigkeit von EPS liegt bei etwa 0,030–0,038 W/(m·K). Der genaue Wert hängt von Dichte, Temperatur und Produktrezeptur ab.

4. Aerogel

Silica-Aerogel besitzt einen sehr hohen Anteil nanoskaliger Poren. Seine Struktur verbindet:

• einen sehr geringen Feststoffanteil;

• stark eingeschränkte Wärmeleitung in der Gasphase;

• unterdrückte Konvektion;

• räumliche Begrenzungseffekte in den Nanoporen.

Einige Silica-Aerogele erreichen dadurch unter geeigneten Prüfbedingungen Wärmeleitfähigkeiten von etwa 0,013–0,020 W/(m·K).

VII. Anwendungsbereiche

1. Gebäudedämmung

Viele Systeme zur Gebäudedämmung nutzen eingeschlossene oder innerhalb einer Struktur gehaltene Gase. Dazu gehören:

• Polyurethanschaum;

• EPS;

• Mineralwolle;

• Glasfaserdämmstoffe;

• Isolierverglasungen.

Ihre Strukturen verteilen Luft oder andere Gase auf viele kleine Bereiche. Dadurch werden Konvektion und Wärmetransport reduziert.

2. Outdoor-Bekleidung

Auch Daunen, synthetische Isolationsmaterialien, Fleece und viele weitere textile Dämmsysteme nutzen in hohem Maße die Wirkung eingeschlossener Luft.

Die Fasernetzwerke bilden kleine Lufträume und begrenzen die Luftbewegung.

Herkömmliche Materialien, deren Dämmwirkung auf einer voluminösen Bauschstruktur beruht, benötigen allerdings häufig eine beträchtliche Dicke, um genügend Luft einzuschließen und den gewünschten Wärmewiderstand zu erreichen.

Bei der Entwicklung von Outdoor-Bekleidung müssen deshalb Wärmeleistung, Dicke, Gewicht und Bewegungsfreiheit gegeneinander abgewogen werden.

3. Flexible nanoporöse Dämmstoffe

Flexible nanoporöse Materialien übertragen das Prinzip des eingeschlossenen Gases auf wesentlich kleinere Längenskalen.

Anstatt hauptsächlich auf eine Bauschhöhe im Zentimeterbereich zu setzen, nutzen sie feine Porenstrukturen, um die Wärmeübertragung in der Gasphase innerhalb einer deutlich dünneren Schicht zu reduzieren.

Bestimmte Y‑Warm-Produkte sind beispielsweise etwa 0,7 mm dick. Sie sind für Anwendungen ausgelegt, bei denen folgende Eigenschaften gemeinsam berücksichtigt werden müssen:

• geringe Dicke;

• Flexibilität;

• geringe Wärmeleitfähigkeit;

• Verarbeitbarkeit;

• Feuchtigkeitsmanagement.

Ihr wesentlicher technischer Vorteil liegt in einem hohen Wärmewiderstand bezogen auf die Materialdicke.

Daraus lässt sich jedoch nicht ableiten, dass eine 0,7 mm dicke Schicht grundsätzlich ein wesentlich dickeres Daunen- oder synthetisches Isolationssystem ersetzen kann.

Die tatsächliche Dämmleistung hängt vom gesamten Produktaufbau und den Einsatzbedingungen ab.

4. Industrie sowie Luft- und Raumfahrt

Aerogelmatten, Vakuumdämmsysteme und Mehrschichtisolierungen werden in anspruchsvollen thermischen Umgebungen eingesetzt.

Dabei können mehrere Mechanismen kombiniert werden:

• Einschränkung der Wärmeleitung in der Gasphase;

• Unterdrückung der Konvektion;

• Verringerung der Wärmeleitung im Feststoff;

• Reflexion oder Abschwächung der Wärmestrahlung.

Bei sehr hohen Temperaturen oder unter Vakuumbedingungen kann die Wärmeübertragung durch Strahlung besonders wichtig werden.

Fazit

Luft kann wirksam dämmen, weil ihre Wärmeleitfähigkeit gering ist und natürliche Konvektion stark abnimmt, wenn ihre Bewegung eingeschränkt wird.

Entscheidend sind kleine, stabile Bereiche mit relativ ruhender Luft. Erst eine geeignete Struktur ermöglicht es, deren geringe Wärmeleitfähigkeit gezielt zu nutzen.

Auf der Nanoskala können Poren den Wärmetransport in der Gasphase durch den Knudsen-Effekt zusätzlich verringern. Dadurch werden Wärmeleitfähigkeiten möglich, die unter denen nicht räumlich begrenzter, ruhender Luft liegen.

Von Daunen und Schaumstoffen bis zu Aerogelen und flexiblen nanoporösen Materialien verfolgen viele Dämmtechnologien damit dieselbe Grundidee: Luftbewegungen begrenzen, Wärmeübertragungswege reduzieren und die Dämmstruktur stabil halten.

Häufig gestellte Fragen

1. Warum fühlt sich nasse Kleidung kälter an?

Wird ein Dämmmaterial nass, kann flüssiges Wasser die Luft innerhalb seiner Struktur ersetzen. Da Wasser Wärme wesentlich besser leitet als Luft, kann die effektive Wärmeleitfähigkeit des Materials steigen.

Zusätzlich benötigt die Verdunstung von Wasser Energie. Diese wird dem Körper oder der Materialoberfläche als Verdampfungswärme entzogen.

Beide Vorgänge können zu einem stärkeren Kältegefühl beitragen.

2. Dämmt eine dickere Luftschicht grundsätzlich besser?

Nein. Eine größere Dicke der Luftschicht erhöht zunächst den Wärmewiderstand. Wird der Hohlraum jedoch ausreichend groß, kann sich natürliche Konvektion ausbilden.

Sobald eine ausgeprägte Luftzirkulation entsteht, kann der Wärmetransport zunehmen.

Viele Dämmsysteme unterteilen größere Räume deshalb in mehrere dünne Luftschichten, kleine Zellen oder feine Poren, anstatt einen einzigen großen Hohlraum zu verwenden.

3. Was dämmt besser: Daunen, Aerogel oder nanoporöse Materialien?

Eine allgemeingültige Antwort gibt es nicht. Entscheidend sind die Anforderungen an das jeweilige Produkt.

Daunen bieten eine sehr gute Wärmeleistung im Verhältnis zum Gewicht, solange ein ausreichendes Bauschvolumen erhalten bleibt. Aerogel kann eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit und einen hohen Wärmewiderstand bezogen auf die Dicke bieten. Flexible nanoporöse Materialien können Vorteile haben, wenn geringe Dicke, Flexibilität und Verarbeitbarkeit besonders wichtig sind.

Ein sinnvoller Vergleich berücksichtigt Wärmeleitfähigkeit, Dicke, Gewicht, Feuchtigkeit, Kompression, Flexibilität, Haltbarkeit und den Aufbau des gesamten Systems.

4. Kann ein nur 0,7 mm dickes Material wirksam dämmen?

Ja. Für eine homogene Schicht gilt:

R = d / λ

Dabei bezeichnet R den Wärmewiderstand, d die Schichtdicke und λ die Wärmeleitfähigkeit.

Ein dünnes Material mit sehr geringer Wärmeleitfähigkeit kann einen wesentlich höheren Wärmewiderstand bieten als ein gewöhnliches Textil gleicher Dicke.

Ob 0,7 mm für eine bestimmte Anwendung ausreichen, hängt jedoch von mehreren Faktoren ab:

• Temperaturunterschied;

• Dauer der Einwirkung;

• Wind;

• Feuchtigkeit;

• körperliche Aktivität;

• Aufbau des Kleidungsstücks;

• weitere Isolationsschichten.

Der wesentliche Vorteil liegt daher in der Dämmwirkung bezogen auf die Materialdicke. Eine dünne Schicht ersetzt nicht grundsätzlich eine dickere Isolationskonstruktion.

5. Entweicht eingeschlossene Luft mit der Zeit?

Das hängt von der Struktur ab.

In geschlossenzelligen Systemen wird das Gas innerhalb geschlossener Zellen räumlich begrenzt. In Faserstrukturen wie Daunen oder Fleece ist die Luft dagegen nicht dauerhaft abgedichtet. Die Struktur bildet vielmehr fortlaufend Bereiche mit relativ ruhender Luft.

Eine nachlassende Dämmleistung kann verschiedene Ursachen haben:

• Kompression;

• Verfilzung der Fasern;

• Beschädigung der Zellen;

• Zusammenfallen der Struktur;

• Ansammlung von Feuchtigkeit;

• Gasdiffusion in bestimmten Schaumstoffen.

Die langfristige Dämmwirkung hängt deshalb davon ab, wie stabil die Struktur bleibt, die diese Gasräume bildet und aufrechterhält.