Thermische Isolierung ist eine Schicht oder ein Bauteil, das den Wärmestrom zwischen zwei Bereichen unterschiedlicher Temperatur bremst, indem es Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung behindert. Wie gut das gelingt, beschreibt die Wärmeleitfähigkeit λ: Dämmstoffe liegen unter 0,1 W/(m·K), Mineralwolle bei 0,035 bis 0,045 und eine Aerogel-Matte laut Herstellerdatenblatt bei 0,020 W/(m·K) bei 0 °C. Kunststofffolien für die Elektroisolierung lassen mit 0,12 bis 0,2 W/(m·K) sechs- bis zehnmal mehr Wärme durch. In Industrieanlagen gehen nach dem österreichischen Leitfaden Technische Isolierung 15 bis 21 Prozent des Brennstoffs als Wärmeverlust verloren. Dieser Beitrag zeigt, wie Sie den Wärmestrom durch eine Schicht berechnen, welche drei Rechenfehler in der Praxis teuer werden und welche dünnen thermischen Lagen im Gerät sitzen, die GOBA aus dem Sortiment der Isoliermaterialien schneidet und stanzt.
Dämmen, isolieren, trennen: welcher Begriff was meint
Fachsprachlich dämmt man Wärme und isoliert Strom. So hält es auch die Wikipedia im Artikel zur Wärmedämmung fest: Isolierung meint vor allem den Schutz gegen elektrischen Strom oder Schwingungen. Im Alltag und auf vielen Datenblättern stehen thermische Isolierung, Wärmeisolierung, Thermoisolierung und Wärmedämmung für dieselbe Sache. Das ist kein Fehler, solange klar bleibt, welche Aufgabe die Schicht hat.
Für die Bestellung ist der Unterschied handfest. Eine Wärmedämmung wählen Sie nach λ und Anwendungstemperatur aus, eine Elektroisolierung nach Durchschlagfestigkeit und Isolierstoffklasse. Werkstoffe, die bei hoher Temperatur Spannung sperren, behandelt der Beitrag zur Hochtemperatur-Isolierung, beide Welten nebeneinander zeigt der Artikel zum Isoliermaterial. Auf dieser Seite geht es um den Wärmestrom, und zwar in zwei Maßstäben: der Rohrleitung mit 20 bis 100 mm Dämmdicke und dem Gerät, in dem eine thermische Lage selten dicker als wenige Millimeter sein darf.
Wie thermische Isolierung wirkt: drei Wärmewege, drei Gegenmittel
Wärme fließt immer vom Warmen zum Kalten, und zwar auf drei Wegen gleichzeitig. Ein Dämmstoff wirkt, weil er ruhende Luft in Poren oder zwischen Fasern einschließt und mit seinem Feststoffgerüst die Strahlung abfängt. So beschreibt es der Leitfaden Technische Isolierung mit Verweis auf die VDI 2055. Jeder Wärmeweg hat sein eigenes Gegenmittel und seinen eigenen Kennwert:
| Wärmeweg | Was passiert | Was ihn bremst | Kennwert |
|---|---|---|---|
| Wärmeleitung | Energie wandert von Molekül zu Molekül durch Feststoff oder ruhendes Gas | wenig Feststoff, viel eingeschlossene Luft (ruhende Luft: 0,026 W/(m·K)) | Wärmeleitfähigkeit λ in W/(m·K) |
| Konvektion | bewegte Luft oder Flüssigkeit trägt die Wärme mit | feine Poren und Fasern, die die Luft festhalten, dichte Fugen | Wärmeübergangskoeffizient α in W/(m²·K) |
| Wärmestrahlung | elektromagnetische Wellen, auch durch Vakuum | blanke, reflektierende Oberflächen | Emissionsgrad ε zwischen 0 und 1 |
Die Strahlung wird am häufigsten unterschätzt. Sie wächst nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz mit der vierten Potenz der absoluten Temperatur und wird deshalb an heißen Flächen zum größten Posten. Blanke Aluminiumfolie hat laut Leitfaden einen Emissionsgrad von 0,05, angestaubter verzinkter Stahl von 0,44. Die Alufolie strahlt also fast neunmal weniger ab. Deshalb sind Hitzeschutzplatten zwischen Herd und Kühlschrank alukaschiert, etwa die 3 mm dicke Isoplan-Platte für 750 °C, und deshalb bestehen Hitzeschilde an Abgasanlagen aus blankem Aluminium.
Wie viel Wärme durch eine thermische Isolierung geht
Für eine ebene Schicht gilt eine einfache Beziehung: Die Wärmestromdichte q in W/m² ist λ mal Temperaturdifferenz ΔT geteilt durch die Dicke d. Anschaulicher ist der Kehrwert, der Wärmedurchlasswiderstand R = d / λ in m²·K/W. Mehrere Schichten addieren ihre Widerstände. Der U-Wert aus dem Bauwesen rechnet zusätzlich die Übergänge an die angrenzende Luft ein. Der Rechenweg in fünf Schritten:
- Temperatur auf der heißen und der kalten Seite festlegen und daraus die Mitteltemperatur bilden.
- λ bei dieser Mitteltemperatur aus dem Datenblatt ablesen, nicht den Wert bei Raumtemperatur.
- Für jede Schicht R = d / λ rechnen und die Widerstände addieren.
- Die Wärmestromdichte als q = ΔT / R bestimmen.
- Zuschläge für Fugen, Befestigungen und Wärmebrücken aufschlagen.
Ein Rechenbeispiel mit einer 10 mm dicken Aerogel-Matte: Die heiße Seite hat 400 °C, die kalte 20 °C. Bei rund 210 °C Mitteltemperatur nennt das Datenblatt des Pyrogel XTE ein λ von 0,028 W/(m·K). Daraus folgen R = 0,010 / 0,028 = 0,36 m²·K/W und ein Wärmestrom von 380 K / 0,36 = rund 1.060 W/m². Eine 0,1 mm dünne Polyesterfolie mit λ = 0,2 W/(m·K) kommt auf R = 0,0005 m²·K/W, also rund 700-mal weniger. Eine Elektroisolierfolie bremst Wärme praktisch nicht. Im Motor ist das gewollt, denn dort soll die Verlustwärme aus der Wicklung heraus. Mit Werten für Kapton, Nomex und PET zeigt der Beitrag zur Wärmeleitfähigkeit, wie stark die Folienstärke den Wärmedurchlass bestimmt.
Drei Rechenfehler, die thermische Isolierung teuer machen
Die Formel ist schnell aufgeschrieben. Die Fehler stecken in den Eingangswerten, und alle drei führen in dieselbe Richtung: Die Schicht lässt mehr Wärme durch als geplant.
Der Lambda-Wert steigt mit der Temperatur
Datenblätter stellen gern den λ-Wert bei 0 °C oder 10 °C nach vorn. An der heißen Seite gilt er nicht. Die Aerogel-Matte Pyrogel XTE, gemessen nach ASTM C177, zeigt den Verlauf deutlich:
| Mitteltemperatur | λ in mW/(m·K) |
|---|---|
| 0 °C | 20 |
| 100 °C | 23 |
| 200 °C | 28 |
| 300 °C | 35 |
| 400 °C | 46 |
| 500 °C | 64 |
| 600 °C | 89 |
Zwischen 0 °C und 600 °C steigt λ auf das Viereinhalbfache. Wer im Beispiel oben mit dem 0-°C-Wert rechnet, kommt auf 760 statt 1.060 W/m² und unterschätzt den Wärmestrom um fast 30 Prozent. Keramikfaser verhält sich ähnlich: 0,09 W/(m·K) bei 400 °C, 0,48 bei 1.400 °C.
Der Datenblattwert ist nicht der Betriebswert
λ im Datenblatt ist ein Nennwert, gemessen an einer sauberen Probe. Eingebaut kommen offene Fugen, gestauchte Stellen und Konvektion im Dämmstoff dazu. Der Leitfaden Technische Isolierung rechnet nach VDI 2055-1 einen Behälter mit zweilagiger Dämmung durch: Die Zuschläge heben λ um mehr als 17 Prozent, mit Stützen und Befestigungen als Wärmebrücken um fast 28 Prozent. Für ungedämmte Einbauteile gilt dort eine Faustregel: Ein Flansch verliert so viel Wärme wie ein halber Meter ungedämmtes Rohr gleicher Nennweite, eine Armatur so viel wie ein ganzer Meter.
Bei dünnen Leitungen erhöht Isolierung den Wärmeverlust
Um ein Rohr oder einen Draht wächst mit jeder Schicht die Oberfläche, die Wärme an die Luft abgibt. Unterhalb des kritischen Radius r = λ / α gewinnt dieser Effekt, und zusätzliche Isolierung steigert den Wärmeverlust. Ein Rechenbeispiel: Ein Kunststoff mit λ = 0,2 W/(m·K) und ein angenommener Wärmeübergang an ruhende Luft von 10 W/(m²·K) ergeben einen kritischen Radius von 20 mm. Für die Kabelisolierung ist das eine gute Nachricht, denn der Kunststoffmantel hilft dem Leiter, seine Joulesche Wärme loszuwerden. Soll dagegen eine dünne heiße Leitung wirklich Wärme halten, braucht sie einen Werkstoff mit sehr kleinem λ. Mit Aerogel (λ = 0,02) liegt der kritische Radius bei 2 mm.
Thermische Isolierung von Anlagen und Rohrleitungen: Normen und Mindestdicken
In Industrieanlagen reichen die Betriebstemperaturen von minus 160 °C bis über 600 °C. Dort entscheidet die Dämmung über Energiekosten und Arbeitsschutz. Nach einer Studie der Forschungsstelle für Energiewirtschaft mit der European Industrial Insulation Foundation sind bis zu 10 Prozent der Anlagenteile ungedämmt oder beschädigt, und allein das Dämmen dieser Teile senkt die Wärmeverluste um 23 Prozent. Maßgeblich sind in Deutschland diese Regelwerke:
- VDI 2055 für die Berechnung von Wärmeverlust und wirtschaftlicher Dämmdicke
- DIN 4140 für die Ausführung von Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen
- AGI-Arbeitsblätter wie Q 101 für Dämmarbeiten an Kraftwerkskomponenten
- VDI 4610 für die Energieeffizienz bestehender Anlagen mit Wärmebrückenkatalog
Für Heizungs- und Warmwasserleitungen in Gebäuden schreibt Anlage 8 des Gebäudeenergiegesetzes Mindestdicken vor, bezogen auf einen Dämmstoff mit λ = 0,035 W/(m·K):
| Innendurchmesser der Leitung | Mindestdicke der Dämmschicht |
|---|---|
| bis 22 mm | 20 mm |
| über 22 bis 35 mm | 30 mm |
| über 35 bis 100 mm | gleich Innendurchmesser |
| über 100 mm | 100 mm |
Dämmstoffe mit höherem λ brauchen entsprechend mehr Dicke. Für den Berührschutz nennt der Leitfaden Oberflächentemperaturen von etwa 50 bis 60 °C als Ziel. Wo die Dämmung das nicht schafft, kommen Lochbleche nach DIN 4140 davor. Rohrschalen, Drahtnetzmatten und Dämmkissen liefern Dämmstoffhersteller und Isolierfachbetriebe. GOBA liefert hier nichts, und wer eine Anlage dämmt, ist mit einer Berechnung nach VDI 2055 beim Fachbetrieb richtig.
Thermische Isolierung im Gerät: Millimeter statt Zentimeter
Im Gerät gibt es keinen Platz für 100 mm Mineralwolle. Das Heizelement sitzt wenige Millimeter neben der Steuerplatine, die Batteriezelle wenige Millimeter neben der nächsten. Die thermische Lage muss dünn sein, auf eine Kontur passen und oft zugleich Spannung sperren. Typische Einbauorte, für die wir Zuschnitte und Stanzteile liefern:
- Hitzeschilde und Trennlagen zwischen Heizelement und Elektronik in Geschirrspülern, Backöfen und Kaffeemaschinen.
- Trägerplatten aus Glimmer für Heizwendel, die Hitze aushalten und die Spannung vom Gehäuse fernhalten.
- Zell-zu-Zell-Barrieren in Batteriemodulen aus Aerogel-Verbund und Glimmer, beschrieben im Beitrag zur thermischen Isolation in Batteriesystemen.
- Hitzeschutz-Textilien für den Motorraum, konfektioniert auf Maß.
- Dämmstreifen aus PE- oder EPDM-Schaum zur thermischen Entkopplung in Lüftungs- und Klimageräten.
Für diese Lagen kommen fünf Werkstoffgruppen in Frage. Sie unterscheiden sich um mehr als den Faktor 30 in der Wärmeleitfähigkeit und darin, ob sie Spannung sperren dürfen:
| Werkstoff | Wärmeleitfähigkeit | Temperaturgrenze | Sperrt Spannung | Quelle |
|---|---|---|---|---|
| Aerogel-Vliesmatte (Pyrogel XTE) | 0,020 W/(m·K) bei 0 °C, 0,028 bei 200 °C | 650 °C | nicht dafür ausgewiesen | Aspen-Datenblatt |
| Schaumstoffe (EPS, PU) | 0,025 bis 0,040 W/(m·K) | EPS bis rund 80 °C, PUR bis rund 130 °C | nicht dafür ausgewiesen | GOBA Glossar Isoliermaterial |
| Aramidpapier (Nomex) | rund 0,14 W/(m·K) | von UL als 220-°C-Isolierstoff anerkannt | ja, 17 bis 33 kV/mm je Dicke | DuPont Technical Data Sheet |
| Glimmerplatte (Mikanit, K-Therm AS M) | 0,26 bis 0,75 W/(m·K) bei 100 °C | dauernd 500 bis 700 °C, kurzzeitig bis 800 °C | ja, bis 25 kV/mm | AGK Werkstoffdaten |
| Keramikfaser und Keramikpapier | 0,09 W/(m·K) bei 400 °C | Klassifikationstemperatur ab 1.260 °C nach EN 1094 | ohne ausgewiesene Durchschlagwerte | EN 1094, GOBA Glossar Isoliermaterial |
Die Tabelle zeigt einen Zielkonflikt, der im Lastenheft oft untergeht. Glimmer leitet Wärme zehn- bis dreißigmal besser als Aerogel. Er ist ein Hitzeschild gegen die Temperaturspitze und ein Elektroisolierstoff, als Dämmung taugt er wenig. Aerogel dämmt von allen fünf am besten, ist aber nicht als Elektroisolierstoff geprüft. Wo beides gefragt ist, entsteht ein Verbund: ein Aerogel-Kern für den Wärmestrom, eine Glimmerlage gegen Spitze und Spannung. Wir raten deshalb, die thermische und die elektrische Aufgabe getrennt auszulegen und erst danach den Werkstoff zu wählen. Oberhalb von 1.000 °C bleiben nur Keramikfaser, Kalziumsilikat und Glimmer aus Phlogopit, die Einordnung nach Isolierstoffklasse liefert der Beitrag zur Hochtemperatur-Isolierung.
Wie GOBA thermische Lagen fertigt
Aerogel-Matten, Glimmerplatten und Schaumstoffe kommen als Rolle oder Platte vom Hersteller. Wir schneiden Schnittrollen von 5 bis 1.600 mm Breite mit einer Breitentoleranz von plus minus 0,1 mm und stanzen Teile von 0,023 bis 3,0 mm Materialdicke bis 1.000 x 2.000 mm, mit Bandstahlschnitt oder Vollstahlwerkzeug. Komplexe Geometrien formen wir unter Hitze. Jeder Werkstoff verlangt dabei seine eigene Führung. Aerogel staubt und bricht an der Kante aus, deshalb fahren wir die Messerwelle langsamer an. Feste Glimmerplatten lassen sich stanzen, das Werkzeug braucht aber einen Niederhalter, sonst spaltet der Glimmer auf.
Ein Einwand, den wir oft hören: Lohnt ein Zuschnitt, wenn die Matte ohnehin als Rolle kommt? Im Gerät ja. Die Lage braucht Aussparungen für Schrauben, Fühler und Kabel, eine Kante, die nicht staubt, und ein Maß, das ohne Nacharbeit in die Montage passt. Das spart am Band mehr, als der Zuschnitt kostet. Beispiele für Geräteteile zeigt die Branchenseite Haushaltsgeräte, für Batteriemodule die Seite zum Batteriefolie schneiden. Werkzeuge, Toleranzen und Lieferformen für Stanzteile beschreibt Stanzen und Formen.
Thermische Isolierung auswählen: fünf Fragen vor der Anfrage
Mit diesen fünf Antworten können wir eine thermische Lage für Ihr Gerät auslegen und ein Muster fertigen:
- Welche Temperatur liegt am heißesten Punkt an, dauerhaft und kurzzeitig?
- Wie viel Bauraum steht zur Verfügung? Die Dicke legt fest, wie klein λ sein muss.
- Muss die Lage zugleich Spannung sperren, und welche Isolierstoffklasse verlangt die Anwendung?
- Welche mechanische Last wirkt: Anpressdruck, Vibration, Aufblähen einer Zelle?
- Welche Brandschutzklasse fordert die Gerätenorm, und darf das Material stauben?
Die zweite Frage entscheidet am häufigsten. Ist der Bauraum auf 2 mm begrenzt, reicht keine Schaumstofflage, dann führt der Weg zu Aerogel oder zu einem Verbund. Schicken Sie uns Zeichnung, Temperaturen und Bauraum, und Sie erhalten ein technisches Angebot mit Werkstoffvorschlag.
