RM Rudolf Müller

Planung
20. Juli 2020 | Artikel teilen Artikel teilen

Wärme- und Kältedämmung an Industrieanlagen – Feuchte in Dämmsystemen

Abb. 1: Feuchte in Dämmsystemen führen immer zu Schäden, die in Millionenhöhe enden können (Bild: Кирилл Болбату_123rf)

Sowohl die Wärme-, als auch die Kältedämmung wird gemeinhin unterschätzt. Schäden in Millionenhöhe können die Folge von fehlerhaft aufgebrachter Dämmung oder vernachlässigter Sanierung von Wärme- oder Kälteisolierungen sein. Das gilt nicht nur für den Hochbau, sondern auch für Industrieanlagen.

Von Gerd Gollenstede in Kooperation mit dem Technischen Ausschuss des WKSB im HDB.

Feuchte in der Kältedämmung

Dämmstoffe werden aus unterschiedlichen Materialien hergestellt, die sich sowohl durch ihre chemischen Eigenschaften als auch durch ihre Materialstruktur deutlich unterscheiden. Der mögliche Eintrag von Feuchte in den Dämmstoff sowie der Einfluss eingedrungener Feuchte sind in der Regel von der Kombination der chemischen und physikalischen Eigenschaften des jeweiligen Dämmstoffes abhängig. Feuchte im Sinne dieses Technischen Briefes ist flüssiges Wasser, das durch eindiffundierenden Wasserdampf oder mit einströmender Luft in den Dämmstoff gelangt und dort kondensiert, oder das bereits als flüssiges Wasser in den Dämmstoff eingedrungen ist. Die Folgen sind vielseitig:

Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit

Die zwischen den Fasern oder in den Zellen von Dämmstoffen vorhandene Luft ist wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit der wesentliche Träger der Wärmedämmwirkung des Dämmstoffes. Da die Wärmeleitfähigkeit von Wasser 25 Mal größer ist als diejenige von Luft, verschlechtert sich bei einer Durchfeuchtung die Wärmedämmwirkung des Dämmstoffes. Der Wärmedurchlasswiderstand wird vermindert.

Gewichtszunahme

Eine Gewichtszunahme durch aufgenommene Feuchte wird in der Regel bei der Auslegung von Dämmsystemen nicht berücksichtigt. Bei einer 10 cm dicken Polystyrol-Platte von 1 m x 1 m mit einem Eigengewicht von 2,5 kg (Rohdichte 25 kg/m3) bedeuten 5 Vol.-% Wasser eine Gewichtszunahme von 5 kg, also eine Verdreifachung des Gewichts. Die Gewichtszunahme kann zu statischen Problemen führen, z. B. bei Kühlraumdecken.

Zerstörerische Wirkung von Eis

Da sich Wasser ab einer Temperatur von +4 °C bei weiterer Abkühlung wieder ausdehnt und sich diese Ausdehnung auch bei Gefrieren des Wassers fortsetzt, kann Eis Dämmsysteme zerstören.

Gefahr der Korrosion

Wasser ist eine der Ursachen für viele Korrosionsvorgänge, die bei Abwesenheit von Feuchte praktisch nicht stattfinden. In der Dämmtechnik sind insbesondere die Sauerstoff-, Kontakt- und Spannungsrisskorrosion von Bedeutung.

Korrosionsfördernde Ionen, z. B. Chloridionen, können bei nichtrostenden austenitischen Stählen zu Spannungsrisskorrosion führen. Sie können durch Wasser aus dem Dämmstoff ausgewaschen und an denjenigen Stellen im Dämmsystem zu hoher Konzentration gebracht werden, an denen das Wasser zusammenläuft. Bei Regenwasser kommt hinzu, dass es außerdem mit korrosionsfördernden Ionen aus der Umgebungsluft belastet ist. Korrosionsfördernde Ionen sind in See- und Industrieatmosphären in erhöhter Konzentration vorhanden, was die Korrosionsgefahr für Dämmsysteme in diesen Atmosphären zusätzlich erhöht. Kondensiertes Wasser gehört mit zu den größten Gefahren in Dämmsystemen. Mit und durch ihr wird die Reaktion eines Werkstoffes hervorgerufen, dass Korrosion genannt wird und zu einer Beeinträchtigung der Funktion von Technischer Isolierung führen kann.

Schädigung bestimmter Dämmstoffe

Abgesehen von der Wärmeleitfähigkeitszunahme werden auch andere Eigenschaften von Dämmstoffen durch Wasser beeinträchtigt: Mineralwolle wird bei langanhaltender Durchfeuchtung zerstört; bei Schaumglas führt heißes Wasser mit Temperaturen über 80 °C zwischen den Stoßfugen einzelner Dämmplatten zu Materialveränderungen; Calcium- Magnesium-Silikatfasern und mikroporöse Dämmstoffe werden durch Feuchte zerstört. In geschlossenzellige Dämmstoffe, z. B. Polyurethan- Hartschaum, eindiffundierendes Wasser kann die Zellstruktur zerstören, was dazu führt, dass sich das Zellgas verflüchtigt. Dies hat eine zusätzliche Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zur Folge.

Durchnässte, faserige Dämmstoffe neigen beim Austrocknen unter Verminderung der Dämmschichtdicke zu Materialverdichtungen. Durch diese Erhöhung der Rohdichte kann die Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffes bei hohen Betriebstemperaturen sogar etwas abnehmen. Allerdings wird sich wegen der damit verbundenen Verminderung der Dämmschichtdicke trotz niedrigerer Wärmeleitfähigkeit des Dämmstoffes der Wärmedurchlasswiderstand der Dämmschicht dennoch verringern.

Bei allen Durchfeuchtungsarten kann ein einmal unzulässig feuchtebelastetes Dämmsystem seine Eigenschaften, insbesondere seine Dämmwirkung, unkontrolliert verschlechtern.

Die durch auch nur vorübergehende Feuchte hervorgerufenen Veränderungen können reversibel sein. Sie müssen es aber nicht.


Info: Korrosionsarten

  • Sauerstoffkorrosion: Als Sauerstoffkorrosion bezeichnet man einen Korrosionsvorgang, bei dem ein Metall in Gegenwart von Wasser (Luftfeuchtigkeit) durch Sauerstoff oxidiert wird.
  • Kontaktkorrosion/Bimetallkorrosion: Bimetallkorrosion (auch Kontaktkorrosion, galvanische Korrosion) nach DIN EN ISO 8044 ist eine Korrosion durch elektrochemische Reaktion zweier verschiedener metallischer Werkstoffe oder anderer elektronenleitender Festkörper (z. B. beim Einsatz von Schrauben, Muttern oder Nieten auf Bauteilen aus rostfreiem Stahl.
  • Spannungsrisskorrosion: Spannungsrisskorrosion ist die Rissbildung in Werkstoffen unter dem gleichzeitigen Einfluss einer rein statischen Zugspannung oder mit überlagerter niederfrequenter Zugschwellspannung sowie eines spezifischen Angriffsmittels. Auch Zugspannungen in Form von Eigenspannungen sind wirksam.

Abb. 2: CUI infolge Feuchteeintrag (Bild BFA WKSB)

Feuchte in Dämmsysteme ist immer schädlich

Feuchte kann in Form von Wasser oder feuchter Luft in ein Dämmsystem gelangen. Unterschreitet die Temperatur der eingedrungenen Luft deren Taupunkttemperatur, kondensiert Wasser aus. Dies ist der Hauptgrund für die Durchfeuchtungsgefahr von Kältedämmungen.

Eindringen von Oberflächenwasser ist das größte Problem

Am häufigsten tritt Oberflächenwasser in die Dämmung durch Regen oder Schnee ein. Dies kann bereits bei der Lagerung von Dämmstoffen geschehen, wenn sie im Freien nicht abgedeckt werden. Auch Regen während der Montage im Freien führt zu Wassereintritt, wenn die Objekte nicht fachgerecht abgedeckt sind. Nach Beendigung der Montage kann Regenwasser durch undichte Nähte und Durchdringungen eintreten. Besonders gefährdet sind:

  • Dachkonstruktionen, z. B. bei Behältern und Kanälen,
  • senkrechte und schräge Abgänge von isolierten Rohrleitungen,
  • Durchdringungen an Anlagenteilen, wie z. B. nach oben abgehenden Spindeln von Armaturen.

Regenwasser kann nicht nur von oben eindringen, sondern es kann auch durch starken Wind getrieben von unten nach oben fließen und durch undichte Stellen in die Dämmung gelangen. Dies gilt in verstärktem Maße auch für Flugschnee.

Feuchteeintrag durch Luftströmung

Herrscht zwischen der Umgebung und dem Inneren einer Dämmung ein Luftdruckunterschied, so findet bis zum Druckausgleich in Abhängigkeit von der Richtung der Druckdifferenz eine Luftströmung in die Dämmung hinein oder aus der Dämmung heraus statt. Druckunterschiede entstehen durch Änderung der Objekttemperatur bei An- und Abfahren einer Anlage oder durch witterungsbedingte Luftdruckschwankungen.

Feuchteeintrag durch Wasserdampf-Diffusion

Wird eine Kälteanlage in Betrieb genommen, so sinkt der Druck innerhalb der Dämmung und Umgebungsluft kann durch vorhandene Undichtigkeiten einströmen. Schon kleinste Undichtigkeiten führen zu einem vollständigen Druckausgleich zwischen Innen und Außen: der Unterdruck wird durch nachströmende Außenluft ausgeglichen. Die Druckdifferenzen sind erheblich.

Der Feuchteeintrag durch Wasserdampfdiffusion ist ein Transportvorgang des Wasserdampfes aufgrund eines Konzentrations- oder Dampfdruckgefälles bei gleichem Luftdruck (Wasserdampfpartialdruckgefälle). Die Gefahr des Feuchteeintrages durch Wasserdampfdiffusion besteht nur bei Kältedämmungen, bzw. in den „kalten“ Phasen bei Wechseltemperaturanlagen, da der Wasserdampfsättigungsdruck in der Luft zu tieferen Temperaturen hin abnimmt, was zu einem Dampfdruckgefälle in diese Richtung führt.

Wärmedämmungen: Auch bei Wärmedämmungen findet beim An- und Abfahren der Anlage und durch atmosphärische Schwankungen ein Luftaustausch statt. Da jedoch die Temperatur in Richtung Objekt ansteigt, führt dies im Allgemeinen nicht zum Ausfall von Wasser im Betrieb.

Einen Sonderfall stellen Objekte im Freien dar, bei denen das auf der Innenseite der Ummantelung kondensierende Tauwasser ganz oder teilweise in den Dämmstoff gelangen kann.

Tab. 1: Temperaturbedingte Druckunterschiede (Tabelle: BFA, WKSB)


Info: Energieeinsparung durch richtige technische Isolierung

Das Ziel der Technischen Isolierung ist die Reduktion des Energieverlusts, der aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen dem Prozessmedium und seiner Umgebung entsteht. Liegt die Umgebungstemperatur unter der der Mediumstemperatur, so sollte eine Wärmedämmung an der Anlage erfolgen. Ist es umgekehrt, liegt die Umgebungstemperatur also über der Mediumstemperatur, wird mit einer Kältedämmung reagiert. In beiden Fällen erfolgt die gleiche Berechnung, bei der Kältedämmung muss man jedoch zusätzlich auf das Kondensationsrisiko achten. Kondensat kann nicht nur den Dämmstoff beschädigen, sondern auch Korrosion unter der Dämmung begünstigen. Einen alleinigen Korrosionsschutz stellt die Technische Isolierung allerdings nicht dar.


Möglicher Schutz ist vielseitig

Um die Dämmung zu schützen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten und sie beziehen sich immer auf die Feuchtequelle. Grundsätzlich sind bei der Konstruktion folgende Grundsätze zu beachten:

Schutz gegen Oberflächenwasser

Konstruktive Maßnahmen, siehe AGI-Arbeitsblatt Q 152 „Schutz gegen Durchfeuchten“ Hydrophobierung: Mineralwolle kann durch Hydrophobieren wasserabweisend gemacht werden. Die Hydrophobierung verhindert eine Anlagerung des Wassers an den Faseroberflächen. Das Wasser tropft ab. Die organische Zusammensetzung der Hydrophobierungsmittel hat zur Folge, dass sie oberhalb einer Temperatur von ca. 250 °C zerstört werden. Auch unterhalb dieser Temperatur unterliegen sie jedoch einer Alterung, die ihre Wirksamkeit herabsetzt. Bei Dauereinwirkung von Feuchte werden Hydrophobierungsmittel ausgewaschen. Die Hydrophobierung ist ein kurzfristiger Schutz gegen Durchfeuchten vor Inbetriebnahme – z. B. bei Regen während der Montage.

Schutz gegen Feuchteeintrag durch Luftströmung

Strömt die wärmere Außenluft in ein Kältedämmsystem hinein, so wird in der Regel innerhalb des Systems irgendwo die Taupunkttemperatur dieser Außenluft unterschritten, was zum Kondensieren des mitgeführten Wasserdampfes führt. Der Verminderung von Feuchteeintrag durch einströmende Luft kommt daher bei Kältedämmungen besondere Bedeutung zu. Die wichtigste Maßnahme zur Verminderung von Luftströmungen in Kältedämmungen hinein ist die Minimierung strömungsoffener Räume: hier müssen geschlossenzellige Dämmstoffe zum Einsatz kommen, da diese in der Struktur des Dämmstoffes selbst keine strömungsoffenen Räume aufweisen.

Fugen sind vollflächig zu verkleben. Ausnahmen bilden Fugen in den objektseitigen Lagen mehrlagiger Systeme, wenn sie aus konstruktiven Gründen (unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von Objekt und Dämmstoff) trocken ausgeführt werden müssen.

Die Durchfeuchtungsgefahr bei Wärmedämmungen geht im Wesentlichen vom Oberflächenwasser aus. Strömungsvorgänge spielen eine untergeordnete Rolle.

Bei warmgehenden Freileitungen wird durch einen Luftspalt sowie Abtropf- bzw. Belüftungsöffnungen erreicht, dass das auf der Innenseite der Ummantelung anfallende Tauwasser abgeleitet wird und nicht in die Dämmung gelangt.

Schutz gegen Feuchteeintrag durch Wasserdampfdiffusion

Ziel jeder Dämmkonstruktion muss es sein, das Eindringen von Wasserdampf im Wege von Diffusionsvorgängen zu verhindern. Dies kann jedoch in der Praxis nur näherungsweise erreicht werden.

Bei den durch Diffusionsvorgänge gefährdeten Kältedämmungen ist deshalb im Allgemeinen auf der warmen Seite des Dämmstoffes eine Dampfbremse anzuordnen. Dampfbremsen sind vorzugsweise aus dampfsperrenden Stoffen, z. B. Metall- oder Metallverbundfolien, herzustellen. Sie sind durch eine Ummantelung vor Verletzungen zu schützen.

Werden Kältedämmstoffe verwendet, die selbst einen hohen Wasserdampfdiffusionswiderstand aufweisen, z. B. Schaumglas oder Elastomerschaum, so kann unter Umständen auf eine Dampfbremse verzichtet werden.

Abb. 3: Feuchteeintrag in die Dämmung eines Klimakanals (Karl Heinz Kermann)


Der Beitrag basiert auf dem Technischen Brief Nr. 11 „Feuchte im Dämmsystem“. Wie alle Technischen und Kaufmännischen Briefe kann auch dieser Brief auf der Webseite des Hauptverbands der Deutschen Bauindustrie e.V. kostenfrei als PDF heruntergeladen werden.


Autor

Dipl.-Ing. (FH) Gerd Gollenstede: Vors. des Techn. Ausschusses der BFA WKSB im HDB, Abteilungsleiter Technischer Service der KAEFER Industrie GmbH
Gerd.Gollenstede@kaefer.com


Informative Regelwerke + normative Verweisungen

  • DIN 4140 – Dämmarbeiten an betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und der technischen Gebäudeausrüstung
  • DIN EN 13306 – Instandhaltung – Begriffe der Instandhaltung
  • DIN EN ISO 13732 – Ergonomie der thermischen Umgebung – Bewertungsverfahren für die menschliche Reaktion bei Kontakt mit Oberflächen – Teil 1: heiße Oberflächen
  • VDI 2055 Blatt 1 – Wärme- und Kälteschutz von betriebstechnischen Anlagen in der Industrie und der technischen Gebäudeausrüstung – Berechnungsgrundlagen
  • VDI 4610 Blatt 1 – Energieeffizienz betriebstechnischer Anlagen – Wärme- und Kälteschutz
  • AGI Arbeitsblätter (Arbeitsgemeinschaft Industriebau)
  • AGI Q 151 – Korrosionsschutz unter Isoierungen (CUI)
  • Technische Briefe der BFA WKSB
  • Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV)
  • TRBS 1112 (Technische Regeln für Betiebssicherheit) – Instandhaltung
  • GEG
Der Beitrag ist auch in Ausgabe 2.2020 der Fachzeitschrift TI – Technische Isolierung (Mai 2020) erschienen.

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